层次—灰色关联的分析法用于污水处理工程方案优选 86页

'太原理工大学硕士研究生学位论文摘要污水处理工程方案的选择是城市污水处理厂建设中最重要的步骤之一，它对城市污水处理厂的投资费用、运行费用、出水效果、操作管理等起着决定性作用。但是，由于还没有形成一整套工艺方案的评判方法，当前城市污水处理工程方案的比较和选择主要依据估算得到的费用指标的高低和设计人员对各工艺方案优劣的主观认识，因此方案的选择和设计人员的主观认识有很大关系。从而导致设计方案很难根据实际需要科学地客观地比选工艺方案，更难对城市污水处理工程规划建设项目的方案比选提供方向指引。污水处理工程是一项以环境保护为主要目的的公益性工程，因此污水处理方案的比选必须以环境效益为重，同时兼顾经济效益、技术效益和管理效益等，再结合实际情况对各要素进行排序，比较不同指标对方案影响的大小，最终依靠各评价指标在方案中所占的权重来选择方案，这就是层次分析法(AHP)要解决的问题。其中存在的主要问题是影响供选择的指标太多，即使给出各指标权重的大小也很难直观地看出方案的优劣，这就需要对各指标进行综合处理，这就是灰色关联分析要解决的问题。基于此，本文详细介绍了层次分析法(AHP)和灰色关联分析法的优缺点并对其进行了改进，在此基础上提出了层次一灰色关联分析法。从系统的角度、以综合效益为唯一目标对方案进行评价，通过建立递阶层次结构的评价体系，将权重的概念应用于各评价指标。并依靠各评价指标的权重建立指标权重的判断矩阵。为减 太原理工大学硕士研究生学位论文少人为因素对权重大小的影响，本文引入三标度法来建立判断矩阵，此法比常规九标度法更为简洁、方便和科学。为方便计算，本文还引入了MATLAB来求解判断矩阵，得到各评价指标权重向量W。一般方案的评价指标有定量和定性两种，层次一灰色关联法引入模糊数学中隶属度的概念把定性指标量化，并与定量指标相结合，在对评价指标进行规范化处理后，再对评价指标进行灰色关联分析得到评价指标的关联系数矩阵E，依靠系数矩阵E得到混合型的量化标度——综合关联度R，由R值的大小来评判方案的优劣。关键词：AHP，灰色模型，关联分析法，污水处理H 太原理工大学硕士研究生学位论文ANALYTICALHIEI认RCHYPROCESSGRAYASSOCIATIONANALYSISFORECELLENTCHOICEOFWASTEWATERTREATMENTENGINERINGPROJECTABSTRACTThechoiceofprocessesisoneofthemostimportantstepsintheconstructionofsewagetreatmentplant，anditplaysadetermineroletotheinvestingexpense，runningexpense，effectofeffluentandoperatingmanagementetc．Whereas，nowthecomparisionandselectionofprojectsinthesewagetreatmentengineeringofthecityaremainlybasedonthediscretionofestimatedexpenseindexandthesubjectivecognitionofeachprojectsbythedesigners，inthatacompetesetofjudgingmeaturesofprojectshavenotdeveloped．Sotheselectionoftheprojectsismuchrelatedtothesubjectivecognitionofdesigners．TheresultisthatthedesignedprojectiSverydifficulttocompareandselecttheprojectscientificlyandobjectivelyonthebaseofactualrequirement，evenmoredifficulttodirectthecomparisionandselectionofprojectsinthepanningandconstructionofsewagetreatmentIII 太原理工大学硕士研究生学位论文programs．Sewagetreatmentisacommonwealproject，mainlyaimedtoprotectenvironment，SOthecomparisionandselectionoftheprojectsmustattachmostimportancetoenvironmentalbenefittogetherwitheconomicbenefit，technicalbenefitandgovernmentalbenefitetc：moreover，theactualcircumstanceiscombinedto1ineuptheorderofeachmainfactor，andtheinfluenceofthedifferentindextotheprojectiscompared．Finally，theprojectischosenbytheweightofeachevaluationindex．ThisistheproblemthattheAHPistosolve．Thekeyproblemexistedamongthemisthatthereistoomangchosenindexsigns．Eveniftheweightofeachindexisgiven，itisdifficulttoseeintuitivelythegoodandbadoftheproject．Soitneedstocarryonthecomprehensiveprocessingtoeachindexsign．Thisistheproblemthatthegraycorrelationanalysisistosolve．Accordingtothis，thispaperdiscussesdetailedlythemeritanddefectofthelayeranalysismethod(AHP)andthegrayconnectionanalysismethodanditisimproved．Onthisfoundation，thelayer—connectionmethodisputforward．Fromthepointofviewofthesystemandtakingcomprehensiveperformanceastheonlytarget，theprojectisevaluated。AccordingtosettinguptheevaluationsystemofIV 太原理工大学硕士研究生学位论文gradedlayerstructure，theconceptoftheweightisappliedtoeachevaluationindex．Andaccordingtotheweightofeachevaluationindex，thejudgementmatrixoftheindexweightissetup．Inordertoreducetheinfluenceofartificialfactortotheweight，themethodofthreescalesisintroducedtosetupthejudgementmatrix．Thismethodismoreconcise，convenientandscientific．Forthesakeoftheeasytocalculation，theMATLABisintroducedtosolvethejudgementmatrixinthispaper，andtheweightvectorWofeachevaluationindexisobtained．Theevaluationindexofthegeneralprojecthastwokindsofthequantitativeandthequalitative．Thelayer—grayconnectionmethodimportstheconceptofsubjectdegreeoffuzzingmathematics，quantifiesthequalitativeindex，andcombinesthequantitativeindex．Afterdealingwiththeevaluationindexbystandardization．theevaluationindexisanalysedbythegrayconnectionanalysismethodandthenthecorrelationquotietymatrixEoftheevaluationindexisobtained．AccordingtothequotietymatrixE，thequantitativegradationofmixedtype—comprehensivecorrelationdegreeRisobtained．ThegoodandbadoftheprojectisjudgedbythevalueofR．ComparingwiththeselectiveprojectmainlyforV 太原理工大学硕士研究生学位论文economicdataofthefeasibilityanalysiSofthecurrentmunicipalsewagetreatmentplant，theselectiveoptimizationmodelbysettingupthemunicipalsewagetreatmentplantinthelayer—grayconnectionmethodevencanreflectoverallinfluenceofthemainsystemfactorobjectivelyandmaketheevaluationresultmorescientificandreasonable．Itprovidesbetterscientificbasisforthechoiceofthesewagetreatmentprojectanddirectionforthechoiceoftheprogrammingandconstructionprojectofthemunicipalsewagetreatment．Keywards：thelayer—analysis，thegrayconnectionanalysis，choiceoftheproject，thejudgementmatrix，theweightvector，themunicipalsewagetreatmentplantKEYWORDS：AHP，gray-model，associationanalysis，WastewatertreatmentVI 声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。f1--)论文作者签名：’型丝：2日期：三堕Z上谥／|关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)o签名导师签名一趟 太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论1．1山西省水污染现状山西省在80年代后期开始污水处理设施的建设，截至2004年山西已在运行的城市污水处理厂有十七座。总规模达到104．39万口屯／天(不含工厂自己的污水处理设旌)。但是这些进展与我省社会经济发展的速度相比还很不适应，与环境治理较好的省份相比还有很大差距。目前我省的污水排放量达到93647．07万立方米／每年，污水集中处理率为38％。山西省城镇污水处理设旌建设相对滞后，全省107个市、县中仅有10个市1个县建有污水处理厂，污水处理率仅为38％。对于水资源缺乏、水环境污染严重的山西省来说，是远远不够的。辖内各城市应加快污水处理设施建设步伐，改善山西省水环境质量，缓解水资源供需矛盾。同时由于污水的大量直接排放对环境造成了极大的危害，据环保局2004年监测报道，我省26条主要河流的干支流共设置了107个监测断面(有一断面已断流)，通过各断面水质的监测结果表明，各河流的污染严重，重污染段在城市附近，主要污染物为COD。、非离子氨、石油类。以年均浓度衡量，监测的106个断面中符合《地表水环境质量标准》(GB3838--2002)I～II类水质标准的断面有3个，占2．8％，符合III类水质标准的断面有5个占4．7％，符合IV类水质标准的断面有18个，占17％，符合V类水质标准的断面有13个，占12．3％，劣于V类水质标准的断面有67个，占63．2％“1。各流域供水量和排放量见表1．1。1．1．1山西省城市污水处理。十一五”规划要求和目标在“十一五”期间，按照国家要求，市级城市污水处理率达到80％，和县级城市污水处理率达到60％的目标，山西省急需在54个城市建设污水处理厂，总规模为164．0万m3／d，污水厂投资28．43亿元，建成稳定运行后可以消减COD约20．72万吨，SS约16．84万吨，NH3-N约1．66万吨，TP约0．38万吨“1。具体项目见表1．2。 太原理工大学硕士研究生学位论文表1．1山西省重点城市污水处理设施建设规划Tablel．1progrsmmingofuranwastewatertreatmentofShanxiprovince建设污水厂投主要污染物排放量(吨，年)序城市规模号资(力兀)万m3艏CODerSSNH3-N口1太原435160018615153303452．9470．852大同1518000992881761204．5164．253阳泉81280062055110642．487．64长治580003066240．9401．554．755运城城东354003102．52555200．7543．86汾阳2．555004343．53577281．0527．3757河津3．5630037233066240．938．3258高平3540037233066240．932．859侯马354006825．55621441，6532．8510介休5．588004343．53577281．0560．2251l霍州3．563003102．525552007538．32512洪洞2．555003102．52555200．7527．37513阳城2．555003102．52555200．7527．37514太谷2．555003102．52555200．7527．37515祁县2．555001489．21226．417．5227．37516宁武1．226401861．51533120．451489．217灵石1．533003102．52555200．7516，42518襄垣2440024822044160．627，37519闻喜2440024822044160．62i．920长子1．533001861．51533120．4521．921和顺12200124l102280．316．42522陵川1．533001861．51533120．4510．9523壶关122001241102280．316．42524屯留l2200124l102280．310．9525沁县122001241102280．310．9526武乡0．81920992．8817．664，2410，9527左权122001241102280．38．7628平顺O．5120024822044160．610．9529灵丘244001861．51533120．4529．230繁峙1．5330024822044160．621．931定襄244001241102280．329．232代县122001861．51533120．4514．633汾西l22001241102280．316．42534稷山1．533003102．52555200．7510．9535万荣122003102．52555200．7527．37536清徐2．555003102．52555200．7527．3752 太原理工大学硕士研究生学位论文37文水2．5550024822044160．627．37538襄汾2．5550053363439463452．921．939新绛244001241102280．3470．8540阳曲122001241102280．310．9541夏县1220024822044160．610．9542交城244001241102280．321．943偏关l2200124l102280．310．9544河曲l2200124l102280．310．9545保德l22001861．51533120．4510．9546兴县1．5330024822044160．616．4347临县24400620．55“40．1521．948吉县O．512001241102280．35．4849平陆l22004343．53577281．0510．9550柳林3．563003102．52555200．7538．3351芮城2．555003102．52555200．7527．3852曲沃l，533001861．51533120．4516．4353绎县1．533001861．51533120．4516．4354I临猗2．555003102．52555200．7527．38合计16428426020721l168359．916583．413788．371．1．2山西城市污水处理现状与工艺技术发展趋势①山西省污水排放现状[21截至2004年山西全省城镇用水人口共1144．33万人，供水总量为12．4亿m3，各流域用供水量和排水量见表1．2。表1．2各流域用供水量和排水量Tablel．2apiecedrainageereawatersupplyandtonnage用水人2004年毵托总量(万m3)2004年污水总量(万矗)水系口(万人)总计生活工业总计生活工业永定河、大清河水系198．1624641．4514455．3610186．0917700．312287065413．24子牙河水系111．9911303．883695．017608．878477．8920lO．356467．54漳卫南运河104．849116．553461．5556557218．452390．33482812水系汾河及涑水河水系576．1863731．46214791142252．3548839．511296935870．5l晋西、晋南入黄诸支96．5l9511072471477039．6713329832．886300．41流水系．丹沁河水系52570351425．884277．63855．533422．1总计1139681240079469883877019．54936470731345．1562301923 太原理工大学硕士研究生学位论文从表1．2可以看出，山西省个流域排污量大，水体污染严重，提高污水处理率，改善水体污染现状，实现中水回用，解决山西水资源缺乏的问题已刻不容缓。②山西省污水处理现状到2004年底，山西省己建成17座城市污水处理厂，总规模为104．39万m3／d总投资约为15．85亿元。表1．3山西省已建城市污水处理厂table1．3city、Ⅳ∞tewatcrtreatmeatplantofShanxiprovince序污水厂名称建设规模工程投资所用工艺号(2rm3／d)(万元)太河西北中部污水厂1524400A。B工艺原杨家堡污水处理厂16．6426500吸附再生工艺l市殷家堡污水处理厂35890．4奥贝尔氧化沟工艺北郊污水处理厂1．52824．5A2／O工艺大湖东开发区污水厂3560l，16氧化沟工艺2同东郊污水处理厂1013281A／O工艺新秉区污水处理厂0．25962．12生物接触氧化工艺市西郊污水处理厂57100两段曝气生物滤池3忻州市污水处理厂99918A／O法处理工艺4原平市污水处理厂5539427CASS工艺5晋中市污水处理厂54552SBR工艺6临汾市污水处理厂710600氧化沟工艺7长治市污水处理厂1016932．13氧化沟工艺8阳泉市污水处理厂814128．62AOC工艺9潞城市污水处理厂23927．67生物接触氧化工艺10榆社县污水处理厂23458．6奥贝尔氧化沟11古交市污水处理厂23050A，B法处理工艺从表1．3可以看出，我省现有城市污水处理大都采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、稳定塘法及土地处理法等。(调查未能统计)随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国家《污水综合排放标准》(GB8978—1996)及《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GBl8918--2002)也越来越严，’特别是对出水氮、磷的要求提高，使得新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除问题。“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我省在污水处理新技术、污水再生利用新技术和污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，借助于外贷城市水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我省，AB法、氧化沟法、A／O工艺、A／A／0工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均4 太原理工大学硕士研究生学位论文得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进人了我省污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。②发展趋势目前我省新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占90％以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术。从我省现状出发，我省城市污水处理发展趋势：1)氮、磷营养物质的去除仍为重点也是难点；2)工业废水治理开始转向全过程控制；3)单独分散处理转为城市污水集中处理：4)水质控制指标越来越严；5)由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究；6)污水再生利用提上日程：7)中小城镇污水污染与治理问题开始受到重视。1．2综合评价方法综述1．2．1综合评价的问题与概念①综合评价问题【3】综合评价涉及到社会生活中的方方面面，从个人、家庭到国家，甚至外星系。综合评价的研究对象通常是自然、社会、经济等领域中的同类事物(横向)或者同一事物在不同时期的表现(纵向)。具体一般表现为以下几类问题：第一类问题是对所研究事物进行分类。俗话说，物以类聚，人以群分，把对多个事物中具有相同或近似属性的事物归为一类，有利于对客观事物进行科学的管理。第二类综合评价问题表现为上述分类的序化，即在第一类问题基础上对各小类按优劣排出顺序。比如，对我国各地区按经济状况分类后再进一步明确，哪些地区经济发展状况好，哪些地区经济发展状况不佳，等等。这将为客观经济管理提供信息。第三类综合评价问题表现为对某一事物作出整体评价。当然也必须有评价参考系，5 太原理工大学硕士研究生学位论文否则无法作出评价。这在地质勘探、天气预报等方面有较广泛的应用。即使对于每一个评价对象，通过综合评价和比较，可以找到自身差距，也便于及时采取措施，对症下药。②综合评价的概念【4l综合评价是指对被评价对象所进行的客观、公正、合理的全面评价。如果把被评价对象视为系统的话，上述问题可抽象地表述为：在若干个(同类)系统中，如何确认哪个系统的运行(或发展)状况好，哪个系统的运行(或发展)的状况差，这是一类常见的所谓综合判断问题，即多属性(或多指标)综合评价问题(thecomprehensiveevaluationproblem)。对于有限个方案的决策问题来说，综合评价是决策的前提，而正确的决策源于科学的综合评价。甚至可以这样说，没有科学的综合评价，就没有正确的决策。因此，综合评价的理论、方法在管理科学与工程领域中占有重要的地位。1．2．2综合评价的发展历史与展望Edgeworth于1888年在英国皇家统计学会的杂志上发表的论文“考试中的统计学”中，体现了现代科学评价的思想。1913年，Spearman发表了“和与差的相关性”，讨论了不同加权的作用，实际运用了多元回归和典型分析【5】【6】。近三十年来，综合评价的理论研究与实践活动均有了很大的发展，新的方法时有提出，旧的方法也不时有改进或改正意见发表。产生了多种应用广泛的评价方法：从最初的评分评价、组合指标评评价、综合指数评价法、功效系数法到后来的多维分析的线性规划法((LINMAP,1973)，模糊综合评价法①cE)、灰色系统评价法、层次分析法((ASP,1977)，再到近几年来的数据包络分析法(DEA，1978)、人工神经网络法(ANN)、逼近于最理想点的排序方法(TOPSIS，1981)等，评价方法日趋复杂化、数学化、多学科化，使之成为一种边缘性的科学技术。上述各种评价方法有其自身的特点及应用，在下文将对几种评价方法的历史及内涵稍加展开叙述。①层次分析法(AHP)1977年，美国运筹学家、匹兹堡大学教授SaatyT．L，在第一届国际数学建模会议上首次提出了“无结构决策问题的建模—层次分析法(analyticalhierarchyprocess，简称ASP)20世纪80年代中期，Saaty提出了反馈AHP[7】【8】，1996年，Saaty较为系统地提出了网络分析法((AnalyticNetworkProcess，简砧岬)的理论与方法【9】层次分析法作为一种评价方法，和关联矩阵法和关联树法属于同一种类型。层次6 太原理工大学硕士研究生学位论文分析法是一种定性和定量分析相结合的评价决策方法，它将评价者对复杂系统的评价思维过程数学化。其基本思路是评价者通过将复杂问题分解为若干层次和若干要素，并在同一层次的各要素之间简单地进行比较、判断和计算，就可得出不同替代方案地重要度，从而为选择最优方案提供决策依据。②主成分分析法(PCA)主成分分析法最早是作为多元数据的降维处理技术而提出的，是多元统计分析的一个分支。20世纪30年代，由于Fisher,Hotelling、许宝禄及Roy等人的一系列奠基性工作，使得多元统计分析成为应用数学的一个重要分支。主成分分析((PrincipalComponentAnalysis，简称PCA)，先是由Karl，Pearson应用于非随机向量，后来由Hotelling推广到随机向量。主成分分析法又叫主轴分析或主分量分析，是应用范围较广、使用价值较高的多变量统计方法。它将其分量相关的原随机向量，借助于一个正交变换，转化成其分量不相关的新随机向量，并以方差作为信息量的测度，对新随机向量进行降维处理，再通过构造适当的价值函数，进一步把低维系统转化成一维系统。③数据包络分析法(DEA)1978年，美国著名运筹学家A．Charnes，W．W．Cooper和E．Rhodes，以“相对有效性评价”概念为基础，以凸分析和数学规划为工具，创建出一种新的系统分析方法，并以他们的名字命名的DEA模型一C2R模型。20世纪80年代一90年代，又相继提出了诸如C2GS2模型、FG模型、ST模型、C2WH模型和带AHP余数锥模型等多个DEA模型。由于DEA技术是通过对多个投入指标(输入指标)与多个产出指标(输出指标)的系统分析来比较同类型单位(企业或部门)相对效率的，因此它具有某些领域多指标综合评价所需要的一些基本要素，完全可以认为是一种“独特的综合评价技术”DEA法不仅可对同一类型各决策单元的相对有效性作出评价与排序，而且还可进一步分析各决策单元非DEA有效的原因及改进方向，从而为决策者提供重要的管理决策信息。④模糊评价方法(FeE)模糊评价法(fuzzycomprehensiveevaluation，FCE)的基础是模糊数学。模糊数学诞生于1965年，它的创始人是美国自动控制专家L．A．Zadeh。这一理论提出后，开始在西方学术界为某些偏见所左右，并未引起足够重视。20世纪80年代后期，日本将模7 太原理工大学硕士研究生学位论文糊技术应用于机器人、过程控制、地铁机车，交通管理、鼓掌诊断、声音识别、图象处理、市场预测等众多领域。模糊数学理论在日本的成功应用和巨大的市场前景，给西方企业以巨大的震动，在学术界也得到了普遍的认同。对于模糊综合评价方法的理论研究，主要集中在模糊数学界，因为模糊综合评判本身就是模糊数学的一项重要研究内容。人们也提出了一些新的模糊综合评判思想。如，汪培庄、李洪兴教授等提出“变权综合”的思想【101[11】，陈守煌教授根据自己建立的“模糊优选理论”提出了“优属度”概念并将之应用于综合评价【121K．Kim和ICS．Park提出了用最优化指数来对模糊集进行排序的方法【131。由上面叙述可知，目前用于CE的方法的确有很多，而且在许多领域也得到了广泛应用，但是从当前综合评价的现状来看，仍存在下述几个问题有待于进一步研究：①理论方法研究同实际应用之间的衔接问题，理论方法研究同实际应用之间衔接的研究还极为薄弱，大部分研究还停留在“具体理论方法+实际应用案例”的阶段，有时还因理论方法研究者不太注意实际情况，实际应用者又往往局限于自己的专业来考虑理论方法的实际应用问题，因而出现效果不理想甚至误用的情况。这样就有必要探索理论方法同实际应用之间的衔接问题。②评价的主观性和群评价问题。综合评价中有客观评价和主观评价。客观评价一般根据实测数据来评价。而主观评价往往随评价者主观判断而定，这里有一个评价者的评价问题。有些主观评价会受环境。在对复杂对象系统的综合评价中，有效地将客观评价同主观评价有机地结合将是极为重要的。此外，对复杂对象系统的综合评价往往是在一评价专家群体中进行的，如何综合群的评价也是极为重要的问题。③评价专家的知识和经验的获取和评价样本的积累问题。在进行评价时，重复评价、评价结果不可比、浪费人力和物力等现象时有发生。而如何将先进的知识获取手段如知识工程(knowledgeengineering)、人工神经元网络(artificialneuralnetwork)等应用于CE之中，以实现评价过程中评价专家知识和经验的自动获取，从而提高运算效率和节省人力、物力等，便成为一个引人注意的问题。④对新的综合评价的问题的求解进行支持的问题。目前，大多数评价软件仅仅是一段简单的程序而己，往往缺少灵活性、交互性、通用性和适应性，更谈不上对新的综合评价问题的求解进行支持。因此，如何综合运用人工智能、知识工程、DSS、专家系统等理论和方法，建立一个基于知识的综合评价支持系统(knowledge．based8 太原理工大学硕士研究生学位论文comprehensiveevaluationsupport．system)，以对新的综合评价问题的求解提供问题描述可视、评价方法选择引导、人机交互友好等方面的有效支持，便成为极为重要的问题。以上对综合评价及评价方法做了简要评述。目前，综合评价的方法很多，各种方法都有自己的优缺点，它们最主要的区别在于确定权重的不同。在使用时，应该切合实际的情况。1．3研究课题的提出·工艺方案选择是城市污水处理厂建设中最重要的步骤之一，它对城市污水处理厂的投资费用、运行费用、出水效果、操作管理等起着决定性作用。但是，在我省在当前城市污水工程项目可行性研究中，由于还没有形成一整套工艺选择的评判方法，在方案比较和选择时主要通过简单的技术经济比较和方案设计人员对各工艺方案的主观认识进行，因此存在较大的主观随意性。事实上工艺方案的选择是多目标的系统评价，经过广泛查阅文献，对于评价方法的文献较多，但将这些评价方法应用于城市给排水系统做综合评价的文献不是很多，而对于污水工艺方案做综合评价则更少。一般对于给排水工程的评价多指的是经济效益评价，如余健等在《给水排水工程概预算与经济分析》一书中对给排水项目经济评价有比较详细地论述；李兴旺对小城镇供水工程的经济做了评价‘1卅；李洪岩等从投资和经济效益角度对给排水工程进行了分析【15】；高颖艳等的论文《给排水项目方案经济比较方法的选择》U6]也是从经济角度，对给排水方案进行选择比较。J．PvandeHoek，B．J．Dijkman，GJ．Terpstra，M．J．Uitzinger和M．R．B．vanDillen在《S皿彬，确埘彻ANDF眦删m洲OFANEgCONCEPTOFWATERSUPPLYFOR"IJBURG”AMSTERDAff盼一文中，对AMSTERDAM市IJBURG住宅区(45000人的居住区)的给水方案进行了评价。该文综合考虑了原水、法规、公众健康、水质、环境、技术难度等因素，选择最优的给水方案，是一篇很有前瞻性的论文。近年来，国内还有人对高层建筑给水方式和城市防洪规划方案进行综合评价。对于多数城市来说，污水厂建设其实是一件非常复杂的问题，牵涉到经济、环境、社会的各个方面，传统依靠经济分析评价，作为选定方案的方法虽然有一定的道理，但是往往在实际使用过程中会逐渐暴露出方案的缺陷，而产生的缺陷都是由于当初选择方案时，没有把经济以外的因素考虑到整体方案中；或者没有将经济以外的因素加以量化考虑到方案中去，从而在建成后的运行中，暴露出许多问题，甚至有的污水厂在没有达到设计使9 太原理工大学硕士研究生学位论文用寿命之前就不得不报废，给国家造成很大的损失，对城市经济的发展有很大的影响，也给城市居民的生活带来了不便。城市污水厂方案的选择主要存在以下几个问题；1)长期以来，选择污水处理工艺系统的设计方案均采用单目标的技术经济评价，工程设计人员通常是根据工程经验或直觉判断，在设计规范指导下拟定有限的备选设计方案，然后在其中通过经济指标核算并筛选出认为技术合理、经济可行的最终设计方案。2)污水厂设计方案的选择没有从系统的角度进行考虑，即没有考虑设计方案对社会、环境造成的影响，多指标综合评价没有受到足够的重视【刀。事实上方案的选择是多层次多目标的系统评价，从大的方面来说污水厂设计方案要考虑经济效益、技术性能、环境效益等，．但每一个方面都有多项指标对方案的选择有不同程度的影响，往往只是选择了其中一部分指标进行方案的评价，这样是不全面的。3)方案的选择没有做到定性和定量有机结合，或者只是强调了定性指标，对定量指标往往是一带而过。方案选择中存在着大量的定性指标，例如：工艺的成熟性，运行的稳定性，操作难易程度，处理效果等，对这些指标的比较主要是通过设计人员的主观判断，缺乏科学性。造成了方案选择时主要是通过定量指标比较来确定最佳方案，而定量指标主要以经济指标为主，例如：项目投资，水处理成本，占地面积。4)方案的选择不能结合实际与时具进。方案的选择一定要结合当地的实际情况，考虑主要控制指标，随着国家建设节约型社会的提出，节能已是一项很重要的考察指标。例如：随着规划的实施，很多现城将建设污水处理厂，结合山西实际情况，现城经济文化相对落后，管理水平低，这就得把管理操作作为一项重要的控制指标，考虑到方氨的选择中去。1．4论文研究的主要内容及意义随着山西省“十一五”污水规划的实施，在“十一五”我省将重点建设54座污水处理厂，总投资达284260万元，如何根据当地的具体情况选择工艺，以最大的发挥资金的作用，提高资源的利用率，就必需对规划建设项目的工艺进行综合评价。因为城市污水处理工程不仅仅有着巨大的经济效益，更重要的是它带来的社会效益和环境效益。污水处理工艺方案优选，就得根据所建方案评价指标体系，以及工程的经济效益、社会效益、环境效益和管理效益综合最优原则，从所拥有的设计和管理方案中选出相对最优方案，同时为污水规划的方案选择提供指导方向。本课题为寻找最优污水10 太原理工大学硕士研究生学位论文处理效果和管理运行方案提供了依据，在污水处理方案的选择与对山西污水规划方案的选择都具有重要意义。目前污水处理方案优选问题的焦点是，如何合理地将多个评价指标问题转化为单个综合评价指标的形式，也只有在一维空间中才能方案优选。本课题结合AHP法确定权重的优势和灰色关联度分析单因素的优势的基础上，提出多层次一灰色关联度法，用方案综合关联度的大小来确定最佳方案，建立了城市污水处理厂工艺方案选择的优化模型，减少了方案选择中个人主观作用的影响，不仅能规划方案的优劣进行判定，提供污水处理工艺的选择方向，而且能结合实际情况，提供城市污水处理厂工艺方案选择的一种更客观、更可靠、更科学的方法。同时为规划方案的选择提供了科学依据和方向指导，为政府部门的仲裁选择提供了科学参考。 太原理工大学硕士研究生学位论文第二章层次分析和灰色关联分析2．1层次分析法(AHP)2．1．1层次分析法(AHP)基本理论(1)AHP方法基本思路11＆19,20l层次分析法(TheAnalyticHierarchProcess，AHP)是指将决策问题的有关元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性分析和定量分析的相结合的多目标决策分析方法。AHP较完整地体现了系统工程学的系统分析和系统综合的思路，即将一个复杂问题看成一个系统，根据系统内部因素之间的隶属关系，将一个复杂的问题转化为有条理的有序层次，以一个层次递阶图直观地反映系统内部因素之间的相互关系(系统分析阶段)。这样复杂系统的求解就被分解为相对简单得多的各子系统的求解，然后在逐级地进行综合(系统综合阶段)。人们在进行社会的、经济的以及科学管理领域问题的系统分析中，面临的常常是一个由互相关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统。AHP为分析这类复杂的社会、经济以及科学管理领域中的问题提供了一种新的、简洁的、实用的决策方法f2”。由于这种方法思路简单清晰，能紧密地和决策者的主观判断和推理相联系，并将决策者的经验判断及其推理过程给予量化描述，从而使决策者在大部分情况下，可直接使用AHP进行决策，大大提高了决策的有效性、可靠性及可行性，使得这种方法20世纪80年代以来在国内外得到了广泛的应用，并在许多方面都取得了令人满意的成果。(2)AHP方法基本原理【20，21，22，23】AI-IP的基本原理包括递阶层次结构原理、标度原理和排序原理。I．递阶层次结构原理应用AHP分析社会的、经济的以及科学管理领域的问题，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个层次分析结构的模型。把一个复杂系统中具有共同属性的因素组成系统的同一层次，不同类型的因素形成系统的不同层次；并且上一层因素对它的下一层次的全部或部分因素起支配作用，形成按层次自上而下的逐层支配关系；其中单一的最高层因素就是被分析的复杂系统所要达到的目标，这就是系统的因素按性质分层排列的递阶层次结构原理。人们决策思维中的分解与综合常常也具有递阶层次原则的特点，人们的逻辑判断也是在这种递阶层次结构中体现的。因次，递阶层次结构原理揭示了人们决策思维的一种规律。13 太原理工大学硕士研究生学位论文U．标度原理为了说明AHP标度原理，让我们先看看如下简单事实。假定有n个物体，它们的质量分别为wl，w2，⋯，"wn(不妨假定∑wj=1)来表示，在没有任何称重仪器的情况下，』一l可通过下面方法确定出w，的值。将n个物体的质量进行两两比较判断，比较判断的全部结果可写成矩阵形式A=WlWtWJW21矿21p2"似’r2讹‘mWl1∥lWIMW2M●●●WRM(2．1)称A为判断矩阵。若用矩阵A左乘质量向量w=[MWz⋯％Ir，则有Aw--11W(2．2)上式n是A的特征值，w是A的特征向量。所以可以利用求质量比判断矩阵之的特征向量的方法来求的物品真实的质量向量W，通过求解2．1式的特征值问题，即可得出n个物体的质量w，(j-1，2，⋯n)。在AHP中，为了把判断矩阵中的每个因素定量化，Saaty提出了“l～9”较标度法。表2—1为判断矩阵的比较标度及其含义。使用标度法时有两点要求：①要求进行比较的因素具有相同的数量级；②两个比较的因素的优劣程度尽可能定量表示。这就是标度原理。Ⅲ排序原理上面这个例子提示我们，要将m个评价指标关于某个评价目标的重要程度(按照下表2．1所示的比较标度)做两两判断获得矩阵A，再求A的与特征值11相对应的特征向量w=fwl％⋯％r，并将其归一化即为评价指标的权重系数(也就是n个物体的相对质量)。同样，对于复杂的社会、经济、科技等问题，通过建立层次分析结构模型，构造出判断矩阵，利用特征值法即可确定各种方案和措施的重要性排序权值，以供决策参考。这就是AHP的排序原理。14 太原理工大学硕士研究生学位论文表2．1分级比较标度参考表1抽1e2．1refreneeofelassificationrelativemarktolerance序号重要性等级砒赋值1功两两指标同样重要12i指标比j指标稍重要3i指标比j指标明显重要54i指标比j指标强烈重要75i指标比j指标极端重要96i指标比j指标稍不重要1／37i指标比j指标明显不重要·1，58i指标比j指标强烈不重要1，79i指标比j指标极端不重要1／9注：口。={2⋯468，1／2，1／4，1／6，1／8}表示重要等级介于吩={1，3，5，7，1／3，l／5，1／7，1／9}相应值之间时的赋值。l～9的标度方法是将思维数量化的一种好方法。首先，在区分事物质的差别的时候，人们总是用相同、较强、强、很强、极端强的语言，再进一步细分，可以再相邻的两级中插入折中的提法，因此对于大多数决策判断来说，l～9级的标度是适用的。其次，心理学的实验表明，大多数人对不同事物在相同属性上差别的分辨能力在7士2之间，采用1～9的标度反映多数人的判断能力。第三，当被比较的元素其属性处于不同的数量级，一般需要将较高数量级的元素进一步分解，这可以保证被比较元素在所考虑的属性上有一个数量级或比较接近，从而适用于1～9标度。当然，根据问题的特点也可以采用别的类型标度方法。如O～1标度，指数型的标度[24JAHP的规定性标度也称为基本标度或判断标度‘25】对(2．1)所给出的判断矩阵A赋予如下定义【刀。定义2．1若矩阵A中的元素％满足(1)a。>O，ij=1’2，⋯，n(2．3)(2)％=li=l，2,--",n(2．4)(3)ag：土巧：l，2，⋯，n(2．5)％则称A为比较判断矩阵(以下简称判断矩阵)。在数学上，称满足(2．3)一(2．5)式的判断矩阵为正互反矩阵。(2．1)．中矩阵A的元素有传递性，即有等式15 太原理工大学硕士研究生学位论文口"‘口业=口雎或a∥=口鹰／a业ij妒1"2，⋯，n(2．6)(2．6)性质称为判断矩阵A的一致性条件。定义2．2记判断矩阵A=kL∥如果Vi,j，k=1，2，⋯，n，aq·alk=％成立则说A是一致矩阵。显然，一致性矩阵A中元素可表示成口。=二生的形式。w|定理2．1若A是n阶一致性矩阵，则最大特征值为k(4)=，z定理2．2对应于特征根五。(4)=n，一致性矩阵A存在唯一一个非负向量(如果不计常数倍的话1。定义2．3若A是一致阵，则称其与特征根对应的归一化了的非负特征向量为排序权重向量。定理2．3若九。(么)是n阶正反矩阵A的特征值，则k(彳)≥行定理2．1．23可以由矩阵理论中著名的Perran．Frobenius定理f2叼推出，在此不加证明。判断矩阵A中的元素口∥表示指标z。与指标x，关于某评价目标的相对重要性程度之比的赋值(或估计值)，这些赋值的根据或来源，可以由决策者直接提供，或由决策者同分析者对话来确定，或由分析者通过各种技术咨询而获得，或者通过其他合适途径来酌定。一般地，判断矩阵应由熟悉问题的专家独立地给出(％的赋值标准可以参考表2-1对于判断矩阵而言，理想的判断矩阵应该满足一致性条件(2．6)式。然而，由于受专家知识水平和个人偏好的影响，现实的判断矩阵往往很难满足一致性条件，特别是当n较大(元素更多，事物更复杂)时，更是如此。因此对于这种非一致性判断矩阵，为保证其排序结果的可信度和准确性，还必须将其判断质量进行一致性检验。若n阶判断矩阵A的最大特征值五。(4)比n大的多，A的不一致程度就越严重：相反，五。(4)越接近n，A是一致性程度就越好。当判断矩阵不具有一致性时，相应的判断矩阵的特征值也将发生变化，这就启发我们：可以用判断矩阵的特征值的变化来检查判断矩阵16 太原理工大学硕士研究生学位论文的一致性程度。衡量不一致程度的数量指标称为一致性指标c．I．(ConsistentIndex)，SaatyT．L．将它定义为：c．I．．垒!坚；(2．7)n—l显然，当判断矩阵具有完全一致性时，C．I=0。名一一甩越大，c．I越大，矩阵一致性越差。为了得到一个对不同阶数判断矩阵均适用的一致性检验的临界值，还必须考虑一致性与矩阵阶数之间的关系。1事实上，判断矩阵的阶数越大，元素间两两比较判断的比例越难达到一致性。可以证明2阶互反矩阵总是一致性矩阵，构造判断矩阵也容易达到一致性，而对于9阶需独立给出的两两比较判断的数据为36个，这就很难使这36个判断达到一致性。因此，需要根据判断矩阵的阶数对一致性指标c．I．进行修正。为了建立衡量一致性指标c．I．的标准，SaatyT．L．提出用平均随机一致性指标ILl．(RandomIndex)修正C．I．的方法。平均随机一致性指标ILl．的计算过程如下：(1)对于固定的m，从1，2，⋯，9，1／2，⋯，1／9中独立地随机抽取m(m-1)／2个值，作为矩阵上三角元素，主对角线元素自动取1，下三角元素取上三角元素的倒数，由此得随机正反矩阵Af；(2)计算所得矩阵At的一致性指标R．I．-—A=—一--nn—l(3)重复上述步骤以得到足够数量的样本，计算ILl．的样本均值，表2．2给出了样本容量为1000的R．I．均值。表2-2平均随机一致性指标R．I值Table2-2avragechancecoincidenceindicatorILlcostm2345678R．I．0O．51490．89311．11851．24941．3451．42m9101112131415＆I．1．4621．48741．51561．54051．55831．57791．5894对于2阶判断矩阵，R．I．只是形式上的，因为2阶判断矩阵总有一致性。当阶数大于2时，将判断矩阵的一致性C．I．与同阶平均随机一致性指标R．I．之比为随机一17 太原理工大学硕士研究生学位论文致性比率并记为c．＆。当c．R．：堕≤0．1R．』．时，认为判断矩阵有可接受的不一致性；否则，就认为初步建立的判断矩阵是不能令人满意的，需要重新赋值，仔细修正，直到一致性检验通过为止。(3)AHP方法基本步骤f4,5,20,2103】用AHP分析问题大体要经过以下五个步骤：①建立层次结构模型；②构造判断矩阵；⑨层次单排序；④层次总排序；⑤一致性检验。其中后三个步骤在整个过程中需要逐层次地进行。1)建立层次结构模型运用AHP进行系统分析，首先要将所包含的因素分组，每一组作为一个层次，按照最高层、若干有关的中间层和最低层的形式排列起来，例如，图2．1中，G表示系统问题的总目标，是最高层，一般只有一个，表示解决问题的目的，中间层为准则层，子准则层等，表示实现目标所采取的各项准则。最低层为方案层，为实现目标而选用的各种方案或措施、手段。最高层：表示解决问题的目的，即应用AHP所要达到的目标。中间层：它表示采用某种措施和政策来实现预定目标所涉及的中间环节，一般分为策略层、约束层、准则层、子准则层等。最低层：表示解决问题的措施或者方案。标明上一层因素与下一层因素之间的联系。如果某个因素与下一层次所有的因素均有联系，那么称这个因素与下一层次存在完全层次关系。有时存在不完全层次关系，即某个因素只与下一层次的部分因素有联系。层次之间可以建立子层次。子层次从属于主层次的某个因素，它的因素与下一层次的因素有联系，但不形成独立层次，层次结构往往用结构模型图表示。2)构造判断矩阵任何系统分析都以一定的信息为基础。AHP的信息基础主要是人们对每一层次各因素的相对重要性给出的判断，这些判断用数值表示出来，写成矩阵形式就是判断矩阵。判断矩阵是AI-IP工作的出发点，构造判断矩阵是AHP的关键一步。18 太原理工大学硕士研究生学位论文目标准则层子准则方案层由曲由图2-1层次结构模型图判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层次与之有关的各因素之间相对重要性。假设A层中因素触与下一层次中因素Bl，B2，⋯，B。有联系，则构造的判断矩阵如下所示：表2-3判断矩阵Table2-3justmentmatrixAkBIB2⋯BmBlbnb12⋯blmB2b2tt"22⋯b2m●●●B皿bmlbBm2⋯bmm其中bo是相于对丸而言，Bi对Bj的相对重要性的数值表示，通常bo的取值见AHP原理部分所描述。对于n阶判断矩阵，我们仅仅需要给出n(n一1)／2个矩阵元素。3)层次单排序所谓层次单排序是指，根据判断矩阵计算对于上一层某因素而言，本层次与之有联系的因素的重要性次序的权值，也就是计算判断矩阵的特征值和特征向量。它是本层次所有因素相对于上一层次而言的重要性进行排序的基础。常用的计算方法有：19 太原理工大学硕士研究生学位论文①行和正规化方法：即对判断矩阵求每行之和，并对求和向量进行归一化。设n阶判断矩阵为A_怯a12⋯alna22⋯a2^a月1an2⋯口ⅣⅫ=‰)栉×珂(2．8)按行求和有矿尸∑％，(i=1，2，⋯，n)，得到向量∥=“v：⋯％)7，归一化即I^IT"=K／∑l／t=l得到向量矿=“w2⋯％厂，其中，w。就是层次排序的优先程度，即元素的权重。②列和求逆法(代数平均值法)仍设n阶判断矩阵为(2．8)所示，首先将判断矩阵的第j列元素相加，并勺=／喜％，(j-1，2，⋯，n)，将q归一化后即得到指标_权重系数Mu=cJ／∑qk=1，2，⋯，ll／k=l③乘积方根法(几何平均值法)仍设n阶判断矩阵为(2．8)所示，先按行将各元素连乘并开n次方，即求各行元素的几何平均值：l=[垂％卜i=l2，⋯，nl=f兀％l，，，⋯，n＼J—l／把屯(i=1，2，⋯，n)归一化，即求得指标均的权重系数一=以／∑以，k=l，2，⋯，n／k=l④幂法(迭代法)严格的说，计算∥=“W2⋯％厂的方法是计算判断矩阵的最大特征根五。以及它们的特征向量IT"，它们满足： 太原理工大学硕士研究生学位论文Ax∥=缸×形计算步骤为：任取一个与判断矩阵A同阶的归一化的初始向量形：计算，形“1=AxW‘，k=l∥2．．．令∥=∑形“1，计算规范化向量．Yk+。=％／p：l-1对于给定的精度占，当对于所有的i=l，2，⋯，n，IyP“)一J，?Is占均成立，此时权重向量w妒+1)；最后计算判断矩阵A的最大特征值钆=骞等，式嘶wl是向量Aw的第i个分量。此外，判断矩阵特征向量的计算方法还有⑤对数最小二乘法(LLs岣⑥最小二乘法((Lsh0，⑦最小偏差法(LDM)【4】，在此不赘述。4)层次总排序利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言本层次所有因素重要性的权值，这就是层次总排序。层次总排序需要从上到下逐层顺序进行，对于最高层下面的第二层，其层次单排序即为总排序。假定上一层次所有因素Al，A2，⋯，An的总排序己经完成，得到权值分别为a1，a2．⋯，an，与ai对应的本层次因素B1，B2，⋯，Bn单排序的结果为：舛，b2，．．．，酲这里，若岛与4，无关，则彰=0。层次总排序的计算如下表所示：：表2-4总排序计算表Table2-4generalcompositorcalculationA1AzAn层次B层次总排序a1a2anBI舛砰W∑a,b／B2噬酲∑q噬nBⅡ6二酲睇∑q“』。121 太原理工大学硕士研究生学位论文显然∑∑qbj=1即层次总排序仍然是归一化正规向量。1-1j=l5)一致性检验为了评价总排序计算的一致性如何，需要计算与单排序类似的检验。层次总排序的一致性检验也是由高到低逐层进行。设C．I．为层次总排序一致性指标R．I为层次总排序平均随机一致性指标；c．R为层次总排序随机一致性比例。它们的表达式分别为：c．I．=∑q％(2．9)式子中，Ct为与a，对应的B层次中判断矩阵的一致性指标。RI．=∑q她(2．10)式子中，』珥为与a，，对应的B层次中判断矩阵的平均随机一次性指标。CR=罟(2．11)脚、同样，当CR≤O．01时，我们认为层次总排序的计算结果有满意的一致性。(4)AHP方法优缺点分析美国运筹学家T．L．Saaty于20世纪70年代提出的AnalyticHierarchyProcess(AI-IP)，它是对多个方案多个指标系统进行分析的一种层次化、结构化决策方法，它采用数学方法将哲学上的分解与综合的思维过程进行了描述，从而建立决策过程的数学模型。AHP具有适用性、简洁性、有效性和系统性等特点。它作为规划和评价工具，自问世以来，在世界各地得到了迅速普及和推广，取得了大量的研究成果。DAHP之所以受到国内外如此众多学者的关注和研究，是因为它具有一些较突出的特点：I．原理简单。建立在实验心理学和矩阵理论基础上的AHP原理易被大多数领域的学者所接受，同时由于原理清晰、简明，使研究与应用AHP方法的学者无需花大量的时间便会很快进入研究角色．而且应用AHP时，所需要的定量信息要求不多。Ⅱ．结构化、层次化。将复杂的问题转化为诸多具有结构和层次关系的简单问题求解。 太原理工大学硕士研究生学位论文111．理论基础扎实。建立在严格矩阵分析之上的AHP方法具有扎实的理论基础，同时也给研究者提供了进一步研究平台和应用的基础。IV．定性与定量方法相结合。大部分复杂问题的决策问题都同时含有许多定性与定量的因素，AHP满足了人们对这类决策问题进行决策的需要【1827]。AHP能够统一处理决策中的定性与定量的因素。它把简单的表现形式与深刻的理论内容紧密的结合在一起。在进行系统分析时，我们经常会碰到这样一类情况：有些问题情况很复杂难以甚至不可能建立数学模型进行定量分析；也可能由于时间紧迫，对有些问题还来不及进行过细的分析，只需作出初步的选择和大致的判断就行了。在这种情况下，我们若应用AHP进行分析，就可简便而迅速地解决问题。又由于具有系统性强、实用范围广、简洁性显著等突出优点，特别适合与社会、经济系统和大型系统工程的决策分析使用123][2"／]。AHP较适合于处理那些难以定量化的复杂问题，较好地体现了系统工程学定性与定量分析的思想。在决策过程中，决策者直接参与决策，决策者的定性思维过程被称为数学化、模型化，而且还有助于保持思维的一致性。2)毋庸讳言，AHP在应用上有其局限性，这主要表现在以下三个方面[241‘I．AHP的应用主要是针对那种方案大抵确定的决策问题，一般来说它只能从己知方案中选优，而不能生成方案。也就是说，应用AHP时，事先对决策的各种方案要有比较明确的规定。II．AHP得出的结果是粗略的方案排序。对于那种有较高定量要求的决策问题，单纯运用AHP是不合适的。当然，并不排斥把AHP与其他决策方法结合起来。例如，在运用多目标规划时，把AHP作为目标加权的方法已为实践所证明是有效的。也可以采用AHP自身派生出来的一些方法。例如，资源分配的AHP"成本效益分析的AHP，使某些定量分析要求精度不很高的问题有满意的解答。llI．在AHP的使用过程中，无论建立层次结构还是构造判断矩阵，人的主观判断、选择、偏好对结果的影响极大，判断失误即可能造成决策失误。这就使得AHP进行决策主观成分很大。规划论采用比较严格的数学计算，以期把人的主观判断降到最低的程度，但得出的结果有时往往难于被决策者所接受。AHP的本质是试图使人的判断条理化，但所得结果基本上依据人的主观判断。当决策者的判断过多地受其主观偏好的影响，而产生某种对客观规律的歪曲时，AHP的结果显然就靠不住了。而使AHP的 太原理工大学硕士研究生学位论文决策结论尽可能符合客观规律，决策者必须对所面临的问题有比较深入和全面的认识。此外，运用AHP时采用群组判断方式也不失为克服主观偏见的一个好方法。2．1．2层次分析法新的研究方向AHP在实际应用中，人们也发现它有很多不尽人意的地方，同时也正是这些问题，促成了许多新的研究热点。遇到的主要问题有：1)判断矩阵问题和新标度的探讨。判断矩阵是由对指标两两对比的比较标度形成的，一般情况下，比较标度都采用著名的、来自于心理学Bipolar标度，即1～9标度。但实践表明，1～9标度是较粗略的。对于具体的决策问题，决策者往往难以准确给出两个对象的重要程度之比，特别是难以适应决策层次中单层含有较多对象的决策问题，也不符合中国人在两两比较中常采取的“三七开”、“二八开”等方式，这说明s狮提出的评价标度系统与人们头脑中的实际标度系统并不一致，从而可能导致排序上的错误结论。针对Bipolar标度的局限性，己经有一些关于层次分析法中构造判断矩阵的改进方法，包括左军发表的判断矩阵的(O，2)EM(Emt}lod)间接给出方法【2酊，徐泽水发表的层次分析新标度法[221，何塑发表的层次分析法的标度研究四，王培光等发表的AHP法中判断矩阵的一种构造方法【30】，陈迁等发表的AHP方法判断尺度的合理定义[311等。2)一致性问题。AHP中判断矩阵的满意一致性判别方法虽然是通过随机实验得到的，但人们对一致性指标仍提出了许多质疑：对于高阶判断矩阵，这一要求往往难以满足；二是一致性比例的计算要用到判断矩阵的最大特征值，而对于高阶判断矩阵来说，其特征值和特征向量的计算并不是一件容易的事；三是一致性比例小于O，1的要求只适应于采用l～9标度构造出来的判断矩阵，而目前层次分析法理论与应用的发展早已突破Bipola标度。另外，当判断矩阵的一致性检验没有通过时，如何合理的修正判断矩阵，也是决策论专家在探讨的问题【32[1331134]135】f36／[37]。3)保序性原则。比较对象中新的对象加入，往往会导致对象重要次序的逆转现象，这与人的常识是不符的。导致这一现象的原因是由于层次分析法中只考虑方案权重而不考虑决策总量，当方案数量增加时，决策总量增加，各决策分量的权重变小，从而引起保序问题。在层次分析法研究中，对新元素导入保序性的讨论一直是一项很有意义的课题，也取得了许多成绩【38】f39I【柏】。4)群体(组)决策中各专家所给判断矩阵的可信度问题。汪应洛在《战略决策的组织行为学》中指出：随着科学技术的进步和社会的发展，人们将面临越来越多的复杂问题， 太原理工大学硕士研究生学位论文“群体决策远多于个人决策”，但由于有若干群体成员的参与，他们各自的资历、智慧和经验都各不相同，个人所获得的信息也不相同，因此，在决策时产生不同的理解，表现出不同的偏好，甚至决策群体中并非都是追求有效的管理，他们的活动有时是制造人际障碍。这时，如何确定各专家所提供判断矩阵的可信度，从而得到决策问题的解是人们关注、研究的一个问题【41】5)残缺判断矩阵问题。出于避嫌或认识不足等原因，专家对判断矩阵的某些元素无法打分或不愿打分，提供的某些元素没有打分的残缺矩阵，此时要求利用残缺判断矩阵这种不完全的信息给出合理的评价结果[4][4211431。6)模糊AHP方法。出于对AHP的1～9标度存在不同的认识，许多研究者从试验心理学角度出发，对AHP、模糊AHP进行了广泛的研究，取得了丰硕的成果M【45】。总之，AHP，以其系统性、灵活性、实用性等特点特别适合于多目标、多层次、多因素的复杂系统的决策。近年来已受到人们越来越多的重视，在理论与应用上都有很大的进展，大量有关AHP的一般理论、基本原理、标度与灵敏度分析、方法论、反馈系统、群组决策及模糊AHP等文献层出不穷，同时它也被广泛用于社会、经济、科技、规划等很多领域的评价、决策、预测、规划等[231。2．2灰色关联分析2．2．1灰色关联分析的原理关联度表征了系统内两个事物的关联程度；关联分析是根据数列的可比性和可近性，分析系统内部主要因素之间的相关程度，它定量地刻划了内部结构之间的联系，是加强系统序化处理的方法，对发展变化系统的发展态势或系统内部各事物之间状态进行量化比较分析。邓聚龙教授指出：从思路上看，关联分析属于几何处理范畴，可用下面的例子具体形象的说明灰色关联分析的原理【4611471。设有参考数列五(f)=k(1)，X2(2)，⋯，而(疗)}(2．11)和比较数列五∽=协l(1)，X2(2)，⋯，x。(砟)j(2．12)五(r)=扛l(1)，X2(2)，⋯，X。(胛)j(2．13) 太原理工大学硕士研究生学位论文五O)=往。(1)，工：(2)，⋯，而(”)}(2．14)4个数列如图2—2所示X己)2，13)t从图中可以看出，曲线(2．11)与(2．12)[zL较平行，我们认为XIp)与z：O)的关联度大，记曲线(2．11)-与(2．12)关联度为，，。：；曲线(2．11)-与(2．13)相差较大，就认为相应的关联度‰较小；而曲线(2．11)-与(2．14)相差最X，则认为n。最小。如果将关联度按大小排序，便有关联序为：乃2>‰>，14(2．15)这种因素分析，实质上是曲线间几何形状的分析比较，即几何形状越接近，则关联度越大，反之则越小。灰色关联分析就是运用数学工具量化因素间关联度的方法。2．2．2灰色关联分析的步骤及几点说明灰色关联分析1471148]14911501实质上就是比较数据到曲线几何形状地接近程度。一般来说，几何形状越接近，变化趋势也就越接近，关联度就越大。因而在进行关联分析时，必须先确定参考数列，然后比较其他数列同参考数列的接近程度，这样才能对其它数列进行比较，进而作出判断。灰色关联分析的步骤：1确定比较数列和参考数列；2求关联系数3求关联度26 太原理工大学硕士研究生学位论文4关联度按大小排序1)灰关联系数及分辨系数对灰色关联度的影响①灰关联系数Xo={蜀(klk=1，2,---,胛)为参考数列(又称母数列)置=阮(k)lk=1,2，．．．，栉}(f=1,2，⋯，所)(2．16)为比较数列(又称子数列)有如下定义：置(七)与j，o(后)的关联系数定义为Mi,Mj,IXo(k)一Xl(七)I+p．^dzⅨ．^唾就『爿j(七)一．瓦(七)I，、瓣卜]氲F丽而画毒商示而Q·17)记△，(D=IXo(k)一x，(七)(2．zs)M!．Mi,A。(七)-4-pMaxMaxA，(_j})则讯∞=二赤而面面才(2·19’其中，P∈(o，。。)，称分辨系数，p越小，分辨力越大。一般p的取值区间为【o，1】，更一般地取P=O．5。P的具体取值可视具体情况而定。△，(_]})称为第七个时刻(或指标、空间)X。与置的绝对差。称为两级最小差，其中M／nA。(七)为第一级最小差，表示在置曲线上，各相应点与Xo中各相应点的距离的最小值；肋肝(坳△。(七))表示在各曲线找出的最小差聊”△。(七)的基础上，在按i=1，2，⋯，m找出的所有曲线中最小差的最小差。节^妒△。(∞为两级最大差，意义同两级最小差相似。于是据此可求出置(D与对应％(后)的关联系数：磊={点(后)Ik=1,2，·．．，1"／}②分辨系数(P)对关联系数(f)的影响 太原理工大学硕士研究生学位论文uinu／．t,．(七)+pMaxMaxAf(七)驰)2÷焘而丽蒜才Q·2∞知△。(∞2节母△t(的时，鼻(七)最大，为1；△，(后)=中中△，(‘j})时，鼻(七)最大，为——毛干历面夏,0面M嘉ax产MaxA^缈婵拧△。(D+，(后)显然，其最小值≥—L(2．21)I+P综合上述由lL≤鼻(七)≤1(2．22)J+D当P=1时，鼻(|j})=0．5，即六(后)∈【o．5，1】；当p=0．1时，鼻(七)=0．09，即六@)∈[0．09，1】。由于取值范围小，分辨率低，反之则大，故p取值不同，会影响f，从而影响关联度的大小。那么尸对f的影响有什么规律呢?设参(∞∈[南，1]，记关联系数的下界值为‰(|j})=等，其曲线见图4．1l+岛磊．^‘”0．50，333值曲线关于岛求导，有岛对下界 太原理工大学硕士研究生学位论文盏塑：土(2．23)dpo(14-Po)2从上式可知，警=南为减函数，见图4．2田此天Ⅱ1嘴如(动<咖。，即随着岛的增加，善。(七)的增加越来越小；2Po专+o。时，所有的点(七)专1，即相关系数蜕化为一个点，从而关联度也蜕化为一个点；3警=赤与‰㈣慨轴和风轴所夹面积s=厂扣2[arctgp。E。-1(2·24)再计算垡器导=百考了与孵一(．】})／蛾轴与岛轴及风2工所夹面积与s=l之比为0．5的点x，即arctgx=O．5求得x=。．5463，EI]-当Po<0．5463时，皇篁器导=南下降速度最大近一步分析， 太原理工大学硕士研究生学位论文这时劈m(|j})几乎成比例减小，说明岛≤0．5463时，分辨率最好。因而，分辨系数对P对磊的影响有：1p不仅可以调节参的大小，而且可以控制善的变化区间；2当Po≤0．5463时，比较容易观察关联度分辨率的变化；3当p寸佃时，无法进行关联度分析，此时六(_i})斗1(对所有的f和k)。2)灰关联度从关联系数的计算来看，我们得到的是比较数列与参考数列在各点的关联系数值，结果较多，信息过于分散，不便于比较，因而有必要将每一比较数列各个时刻(或指标、空间)的关联系数集中体现在一个值上，这一数值就是灰关联度。①关联度的计算方法比较数列置对于参考数列蜀的灰关联度记作，xo，置)，在不致混淆的情况下，可简记为％常用计算关联度的方法有是平均值即乃=丢窆瓣)(2．24)，●k-1②灰关联度的特点灰关联度具有如下特点；I．规范性1．OY2>乃>⋯>‰(2．27)表明五与托最接近，或对X0的影响最大，五次之，⋯⋯。4)关联优势分析如果参考数列不止一个，被比较数列也不止一个，则可以构成关联矩阵，通过关联矩阵各元素间的关系，可以分析出那些因素时是优势，哪些是劣势，考虑n条参考数列Yl，Y2，⋯，Yn及m条比价数列Xn，X2，⋯，Xm记墨对K的关联度为％(七=1，2，⋯，n；i=1，2，⋯，m)则有关联矩阵XlX2⋯Xm=若关联矩阵中第所亍满足以1^2●●●‰>yJtYi2__●y脚一n。一y2m_●●●-～ynmZE(2．28)L其中i≠_，，_，∈{1，2，⋯，栉}(2．29)记第f行关联度值大于所有其它行关联度值，则称参考数列(母数列)F相对与于其它于其它母数列最优，或者说，从Z对丘的关联度来看，j=是系统地最优序列。类似地，若关联矩阵中第_，列地关联度大于所有其它各列地关联度，则称比较数列(子数列)一相对于其它子数列是最优的。若关联矩阵中第f行满足磊1荟m‰>去善‰．，∈{1，2，⋯，即}，f≠j,k{1"2"⋯，朋}(2．3。) 太原理工大学硕士研究生学位论文则称母数列Z相对于E在以子数列以为关联对象时是最优的。类似地，若关联矩阵中第_，列地平均关联度值大于其它各列的平均值，则称之为准最优子数列。2．2．3灰色关联分析优点。在系统分析中，常用的定量方法是数理统计法，如回归分析、方差分析、主成分分析、主分量分析等，尽管这些方法解决了许多问题实际问题，但它们往往要求大样本，且要求只有典型的概率分布，而这在实际中却很难实现。灰色关联分析可以在不完全的信息中，对所要分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间，找出它们的关联性，发现主要问题，找到主要特征和主要影响因素，关联分析主要是态势发展变化的分析，也就是对系统动态发展过程的量化分析。它根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间接近的程度。由于关联分析是按发展趋势作分析，因而对样本量的大小没有太高的要求，分析时也不需要典型的分布规律，而且分析结果一般与定性分析相吻合，因而具有广泛的实用性。32 太原理工大学硕士研究生学位论文第三章层次一灰色关联分析层次分析法(J址口)得出的结果是粗略的方案排序，在一定程度上过分依赖因素的权重，这就要求决策者对问题有较深入的了解，按各因素间的支配关系确定加权系数，另一方面，大多数方案选既含有定性指标，又含有定量指标，难以构造方案层对于指标层的判断矩阵，对于这种有较高定量要求的决策问题，单纯运用AHP是不合适的分析，关联分析在分析系统中个因素的相关性是一种很好的量化工具，但在计算关联度时按式(2．28)计算^=三∑茧(七)n面实际上是对各指标或空间作平权处理的，即各指标或空间视为同等重要，但在实际中，却存在许多不平权的情况，即人们对某些指标有所偏爱，或认为某些指标更为重要，因而必须作非平权处理。结合AHP和灰色关联分析的特点，本文提出多层次一灰色关联分析，AHP可以确定评价指标的权重，灰色关联分析可以通过量化分析确定单因素关联度，进而确定被评价方案的综合关联度，该方法的基本思路就是将灰色系统理论中的关联分析法用于多层次的综合评价中，即通过层次分析法确定各层次各指标的权系数，考虑到各因素的重要性不同，把按乘法法则并合得的各指标权系数加入关联度的计算，即由各元素下的关联系数取平均值而改为取加权平均，从而较好的克服关联分析法对各评价元素主次不分的不足，同时也克服了层次分析法过分的依赖于评价因素权重的不足，加强了对评价因素的定量分析。多层次一灰色关联度法的工作步骤：①对评价系统建立递阶层次结构；②用AHP确定评价指标的权重向量形；⑧评价指标关联系数矩阵E的建立；④综合评判矩阵R的建立；以下对这四个步骤进行详细论述3．1对评价系统建立递阶层次结构对所评价的复杂系统建立层次结构模型。不失一般性，这里的层次结构模型从上到下为目标层A，准则层B，指标层C和方案层组成，A层为系统的总目标层，只有一个要素，表示系统的总目标。B层为评价这些方案实现总目标程度的n个准则B1，33 太原理工大学硕士研究生学位论文B2，⋯，B。。例如水处理效果准则、经济效益准则、管理效益准则，环境效益准则，管网优化准则、城市人口发展准则、资源利用准则、环境发展准则、城市发展准则等。C层为要描述系统总目标和各准则的m个评价指标C1，C1，⋯，G，方案层为被评价方案，各层次中的目标、准则和评价指标统称为系统要素。评价指标体系必须科学地、客观地、尽可能全面地考虑各种因素和信息。评价指标建立恰当与否，将直接影响到评价结果是否符合真实情况。3．2用AHP确定评价指标的权重向量矽AHP的基本步骤：建立递阶层次结构后，根据l～9的标度原理，由专家对各层次中的指标权重作出判断；构造判断矩阵A=(％)⋯进行排序计算，求解判断矩阵A的特征根a据AW=五。形，计算最大特征根砧。，找出它所对应的特征向量矿，即为同一层各指标相对上一层某指标的相对权重，然后进行一致性检验。最后进行层次总排序，进而确定各指标相对与总目标的权重。以上各个步骤在本论文第2章第l节中己经做了详细叙述。在此，不在赘述，这里本文需要说明以下两个问题3．2．1AHP判断矩阵权值计算遇到的问题在AHP分析计算中，判断矩阵的特征值和特征向量的计算是关键，也是难点之一。目前常用的计算方法有酬【52】【53】【54】：行和正规化方法、列和求逆法(代数平均值法)、和积法、特征值法、梯度特征值法、对数回归法、最小平方和法和最小偏差法等。其中，行和正规化法、列和求逆法及和积法只考虑矩阵的一行或一列的影响，信息利用度不高，所以计算精度不高，常做为其他方法的迭代初值。特征值法是目前最常用的方法，它计算判断矩阵的最大特征根所对应的特征向量并归一化后作为排序权值，该法的不足之处在于：l是在权值计算时没有考虑判断矩阵的一致性条件，权值计算与判断矩阵的一致性检验是分开进行的，判断矩阵一旦确定，权值和一致性指标就随之确定，无法改善；2是当判断矩阵规模较大或一致性变差时，解特征值很困难。梯度特征值法除了具有特征值法的上述缺点外，当判断矩阵不完全一致时，矩阵元素所处的位置对计算结果的影响是不同的。以上几种计算方法，都涉及到复杂的矩阵运算，尤其是求解矩阵的特征值和特征向量的运算，十分复杂，即使使用计算机，科研工作者也往往把大量的宝贵精力和时间投入到复杂、繁琐的矩阵计算接口程序的编制上。1)MATLAB在求解判断矩阵特征值和特征向量时的应用MATLAB为求解判断矩 太原理工大学硕士研究生学位论文阵特征值和特征向量带来了很大的方便，以下举例说明；判断矩阵4=l35三13三1153，求特征值彳h，特征向量w，排序权值re,启动MATLAB后，在COMMANDWINDOW中输入：>>A=【135；1／313；1／51／3．1】；>>Ix，d】=cig(A)；>>w=x(：，0／sum(x(：，1))；输出结果：X=0．9161O．91610．916l0．3715-0．1857+0．3217i．0．1857．0．3217i0．1506-0．0753-0．1304i一0．0753+0．1304id=3．03850O．O．0193+O．3415i0-0．0193—0．3415iW=0．63700．2583O．1047输出结果中矩阵d对角线元素即为特征值，矩阵X的列向量即为特征值所对应的特征向量。由此，我们可以得出‰=3．0385，相应的特征向量w=(o．9161，0．3715，0．1506)r，排序权值WA--(0．6370，0．2583，0．1047)7。用MATLAB计算判断矩阵的权值，得到的权值排序与其他方法的排序是完全一致的，而计算仅仅只需要输入矩阵几行命令，方便程度是不言而喻的。把这种方法可以称为M～AHP方法。21M—AHP的理论初步分析根据判断矩阵A的定义，理论上：35 太原理工大学硕士研究生学位论文％：．!生(f，_，：1∥2一，以)(3．1)’W．这时矩阵A具有如下性质；①a。=wt／w，；②aU=Wt／WJ=慨；⑧ava#=∽／％)×hWk)=ajk，称性质③为判断矩阵一致性条件，它表示相互关系可以定量传递。例如：若要素i比要素，重要2倍，要素J比七重要3倍，则要素i比要素k重要6倍。性质③也是性质①和性质②的充分条件，因为a．atl=I，所以d“=1；又因为％a，=1所以口F=／a∥·现在的问题是己知判断矩阵A=扛，L。。，如何推求各要素的单排序权值{Ⅵtk=l，二，2-．，以}。若判断矩阵A满足(4．1)式，决策者能精确度量Ⅵ／％，即4，．mWt／W，，则矩阵A具有完全的一致性，于是有【551nH∑(口。wk)=∑(wf似)％=∽(扛1州2·t；lt-ln∑I∑(‰Ⅵ)一佻l=0(3．3)f=1k霉1式子中0为取绝对值。由于实际系统的复杂性、人们认识上的多样性以及主观上的片面性和不稳定性等，系统要素的重要性度量没有统一和确切的标尺，决策者不可能精确度量w；／W，，只能对其进行估计判断。判断矩阵A的一致性程度主要取决于判断者对系统各要素的把握程度，对各要素优劣的认识得越清楚，一致性程度就越高，而评价各要素的优劣正是AHP法所要解决的问题。因此，在实际应用中判断矩阵A的一致性条件不满足是客观存在、无法消除的，AHP法只要求判断矩阵A具有满意的一致性，以适应显示中各种复杂的系统。显然，式(4．3)左端的值越小则判断矩阵A的一致性就越高，当式(4．3)成立时，判断矩阵A具有完全的一致性。基于此，要素的排序及其一致性检验问题可以等价转化为如下优化问题[55][s6J。^minCIF(n)=∑I∑(％％一∽扛lI—ls．t．雌>0，k=1，2，⋯，n36 太原理工大学硕士研究生学位论文∑wk=1k=l式中，称CIF(n)为一致性指标函数(ConsistemIndexFunction)，权值Wk(k=l，2，⋯，n)为优化变量，其余符号同前。当判断矩阵A具有完全的一致性时，式(3．1)成立，从而式(3．4)取全局最小值CIF(n)=0，又根据式(3．4)的约束条件，知该全局最小值式唯一的。式(3．4)是一个常规方法难处理的复杂非线性优化问题，作为十分强大而完善的数学工具，MATLAB优化工具箱可以方便地解决该类型问题。‘判断矩阵权值的合理计算是成功应用AHP法的关键。M-AHP法计算权值和对数回归法、最小平方和法、最小偏差法，都是利用判断矩阵所有元素的信息，根据尽可能满足(3．1)的一致性条件而构造相应的优化问题来推求排序权值的，它们把权值的计算与判断矩阵的一致性检验相结合起来，在理论上它们相互等价，对处理不完全一致性甚至残缺判断矩阵和群体专家判断矩阵适应性强。因此，M．AHP具有AHP法中合理的排序方法应具有的置换不变性、相容性、对称性和完全协调性等优良性质[561。在具体求解排序权值过程中，M—AHP法与对数回归法、最小平方和法、最小偏差法有所不同。后三者在求解相应的优化问题中都存在Ⅵ／w，，即所求解的排序权值W，出现在分母中，当所求的某个权值很小的时候，容易产生较大的计算误差，计算结果稳定性差。而M．AHP不存在这种问题，计算很简便，仅仅输入目标函数和判断矩阵，就可以用MATLAB优化工具箱很快的得出结果，是一种稳健的方法。M—AHP法直接根据判断矩阵的定义导出描述判断矩阵一致性程度的一致性指标函数，而目前AHP常把判断矩阵的最大特征根与判断矩阵的阶数的差异，来度量判断矩阵一致性程度的一致性指标，所以可以说，前者比后者更加直接和合理。3．2．2三标度在AHP中的应用在层次分析法中，通常采用的是1～9标度。标度1，3，5，7，9分别表示两个因素相比，一因素比另一因素同样、稍微、明显、强烈、极端重要，2，4，6，8分别表示两相临判断矩阵中值，因素i与，比较的标度．，与f比较的标度互为倒数。n个元素通过两两比较得到判断矩阵A=Q)⋯。但是，在进行两元素重要性的比较时，很难确切给出九标度的结果，即很难用“稍微”重要、“强烈”重要、“极端”重要等字眼来表示两元素间的关系。按1～9标度来37 太原理工大学硕士研究生学位论文构造下一层因素相对于上一层某因素的相对重要性判断矩阵，由于标度较多，增加了专家们的判断难度，使得完全采用层次九标度法要求判断者不仅有丰富的理论知识，而且还要进行广泛的调查研究，咨询有关学者及群众的意见，工作量很大，即使经过这样复杂的努力，得到的判断矩阵一致性也往往不甚理想。为了克服上述缺点，人们提出了三标度判断来代替原来的九标度判断，并己经发展的比较成剃18】【57】【58】【591。所谓的三标度判断，即当A与B两元素相比较时候，若甲比乙重要，则用2表示：若甲没有乙等重要，则用0表示。这样，就很容易地构造指标对于总目标、各个方案对于上一层指标的比较矩阵，，再经过一定的数学变换，由系统分析人员间接地建立各个判断矩阵。最后采用通常的层次分析法，确定各指标相对与总目标的权重具体方法如下：①设在同一层次有n种元素，相对于上一层次中的某种元素，评价者通过两两比较的重要性，用三标度可以得到下列比较判断矩阵c，如下其中铲《C=ClIC12C21C22CnlC^2第i元素比第．，元素重要；第f元素比第，元素同等重要第f元素没有第_，元素重要。(3．5)且c。=1即自身元素比较结果是1②计算三标度比较矩阵的行要素之和：‘=∑cp；f=1，2，⋯，n(3．5)1=1从中找出最大值‰=max{rl}和最"J、值‰=Ⅱlill以)，与，．眦和‰相对应的要素称为两个基点比较要素，将两个基点比较要素按1～9判断尺度进行比较判断，得出其相对重要性程度为k=‘。／‘。，k可称为基点比较标度。③三标度比较矩阵并不能准确地反映各因素在某准则下的相对重要性程度，因此必须将其变换成具有层次分析法特点和性质的判断矩阵，称三标度比较矩阵为间接判38％％～％ 太原理工大学硕士研究生学位论文断矩阵。利用前面的比较判断矩阵C，用以下公式求间接判断矩阵A的元素％I墨‰一·)+tr,-rj：IrⅡ。一，血。嘞2l[墨忡1]。1H，．n俞这个判断知阵具有以下性质：∞雌盂鬟1：蓦即口口的数值范围为l～屯的标度。(2)a。，=1／a。即仍然保持知阵对称71；素的互倒性。(3)b。=9时即为l～9标度。3．3评价指标关联系数矩阵E的建立3．3．1确定指标特征量矩阵灰色系统理论中的优势分析是分析系统中各因素关联程度的方法，是系统发展态势的量化比较分析。这种比较是系统统计数据几何形态关系的比较，其中心是根据各数据构成的曲线几何形状的相似程度来判断其关联性。几何形状越接近，则关联度就越大[49][601。对于多目标决策问题，设系统由n个待选方案组成，记为X=伍。，X：，一，joy，每个方案都有n1个评价指标组成评判方案优劣的指标集，其中置=(xfl，一2，⋯，X。)就是方案i的m个指标原始数据，即xu(i=1,2，⋯，n；y=1,2，⋯，m)表示方案，的第．，个指标值腼1】【62】【63】。可以得到n个方案的指标特征量矩阵(也称决策矩阵)：Z=五x2X11X12X21X22XnlXn2⋯工lm⋯X2m●●●⋯XM39(3．7) 太原理工大学硕士研究生学位论文3．3。2参考方案的确定灰色优势分析的关键在于准确合理地确定参考方案，它是关联度分析的基础。由于方案评价及择优的目的是要挑选出最优的备择方案，因此参考方案是客观上可能出现的最好方案，也称理想方案，它不在11个投标方案中产生，而是根据这类方案的性质、设计能力以及各指标在过去曾出现和将来可能或希望出现的最优值而定的，是从投标方案的外界产生的。参考方案可由阮)，{Z}，⋯，{Z}中的最优指标构成一个虚拟的最优方案。。设理想方案为：％=(x?，巧0，⋯，《)其中x?(_，=1,2，⋯，刀)表示第／个指标在所有方案中的最优值。如果某一指标取大值为好，最优值则取该指标在各方案原始值的最大值；如果取小值为好，则取各方案原始值的最小值；若取均值为好，则取各指标的均值。根据此原则，可以构成(n+1)个方案的指标特征量矩阵霄：X=X§五●●●z?x：-·XIIX12’‘X21X22’’X^IXn2‘’(3．8)3．3．3特征量矩阵的规范化因上述矩阵中部分指标可能是非量化的定性指标，因此按灰色系统理论的学术思想可将其视为灰数，然后根据定性情况作相应的白化权函数处理。例如在城市污水治理工程方案的评价指标中，基建投资、年运行费用、占地面积等是属于愈小愈好的成本型指标；而工艺技术、操作管理、出水稳定性及除磷脱氮等则属于愈大愈好的效益型指标。这些指标往往具有不同的量纲，且数值间差异较大。为消除它们对决策结果的影响，需要对指标特征量矩阵x作规范化处理，转化为规范化矩阵S。又由于成本型指标和效益型指标在采用线性变换的规范化方法时所采用的基点不同，会使变换后最好的效益目标和成本目标有不同的值，不便于比较。因此采用下式对z进行规范化处理。对于效益型指标，令：勺专如n2南@”《‰‰～‰ 太原理工大学硕士研究生学位论文对于成本型指标，令：勺=詈或勘=掣。舯，式(3．9)，(3．10)中，X[i为决策矩阵中第f个待决策方案的第_，项指标的实际值。显然，0<-sF≤1，。F的值越大方案越优a因此，牙的规范化矩阵为：S=瓯墨S2●●●只l1S11S12S21822j^1Sn2(3．11)So}经测度转换后，其最优值均为1，如式(3．1．1)所示。3．3．4关联度计算灰色系统理论中的关联度分析是一种很好的因素分析法【64】【65】，是分析系统中众多因素关联程度的方法，是对系统统计数据列几何关系的比较。将经规范化处理后的最优指标集So=(s。0．s：0，⋯，J：)=(1“1一，1)作为参考数据列，将规范化处理后的各方案指标值p，)={(s。s。⋯，S。))O=1∥2一，埘)作为被比较数列，所以待决策方案置的决策矩阵墨中元素的关联系数磊(f=1,2，⋯，n；j=1,2，⋯，m)可由式(2．19)：即，峄节fs，o--S，I+p中中伊。勺I白2]声习石画画确i丁_确定式中：磊——与氐在第，个因素处的关联系数；P——分辨系数，根据第二章第2节的论述，取p20．5由上式计算关联系数，得关联系数矩阵E为：·磊。·彘。●●●●·￡。41(3．12)。‰‰～‰知乞～如矗磊～品=E 太原理工大学硕士研究生学位论文3．4综合评判矩阵的建立根据评价指标权重向量∥=“，w：，⋯，wn)7和各指标的关联系数矩阵E得到综合评判矩阵R为：R=E×形r3．13)‘=∑n岛×％(o=1∥2．．，所)式中：E=‰L。。为各指标的关联系数矩阵．／-1∥=(wl，W2，⋯，％)n个评价指标的权重分配矩阵；R=“，r2，⋯，r卅)为n1个方案的综合评价结果矩阵，关联度‘(f=1,2，⋯，聊)为第f个方案的评价结果；，wj(j=1,2，⋯，珂)表示第．，个指标的权重。根据以上计算的结果，对各方案优劣进行排序。某方案的关联度越大，其越接近于最优参考方案，则该方案最优。 太原理工大学硕士研究生学位论文第四章层次一灰色关联分析法在污水处理方案优选中的应用4．1水处理方案优选问题污水处理工艺方案优选，就是根据所建立的方案评价指标体系以及工程的经济效益、社会效益和环境效益综合最优原则，从所拥有的设计和管理方案中选出相对最优方案的过程，它为寻找最优污水处理效果和管理运行提供了依据，在污水处理系统理论与实践中都具有重要意义。目前污水处理方案优选问题的焦点是，如何合理地将多个评价指标问题转化为单个综合评价指标的形式，也只有在一维空间中才能方案优选f匍。4．1．1山西水资源现状及污水处理的重要性水是一切生命之源。水是工业、农业和人民生活的血液，水资源始终是支撑人类生命和经济增长与可持续发展的最基本要素之一。水资源问题己经成为我省经济可持续发展的瓶颈。随着人口的增长、经济的发展及人类生活水平的提高，人类对水的需求量日益增长。水资源又是一种有限的，而且是一种不可替代的宝贵资源。迄今为止，我省的水资源问题已成为国民经济发展的制约因素。我省的水资源匮乏。按2000年山西省总人口3245．8万人计算，人均占有水资源量为382m3，为全国平均值2400m3的1／6其绝对值也大大低于联合国制定的人均500m3。而且，水资源收到据环保局2004年监测报道，我省26条主要河流的干支流共设置了107个监测断面(有一断面已断流)，通过各断面水质的监测结果表明，各河流的污染严重，重污染段在城市附近，主要污染物为COD。、非离子氨、石油类。以年均浓度衡量，监测的106个断面中符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)I～II类水质标准的断面有3个，占2．8％，符合III类水质标准的断面有5个占4．7％，符合IV类水质标准的断面有18个，占17％，符合V类水质标准的断面有13个，占12．3％，劣于V类水质标准的断面有67个，占63．2％。城市污水处理是保护水资源的有效办法，已经越来越多的被人们所重视。城市污水处理是一项复杂而具有风险性的任务。因为城市污水处理系统是一项与人类活动有密切相关的问题。污水排入河流造成水污染，涉及到众多的因素：污染源、污水灌渠、处理工艺、排放口的位置和方式、污染物在河流中的迁移，以及污染物对生物和人类43 太原理工大学硕士研究生学位论文用水的影响等。上面提到的每个问题，既能单独的分析，又往往是这样做的，但污水处理是一个复杂的问题，水污染问题是水污染系统中各个因素综合作用的结果【6剐。4．1．2城市污水厂建设与社会、经济和环境的关系城市污水厂是城市排水水系统重要的一个环节，主要目的是将城市污水加以处理，以达到国家或当地排放标准，然后就近排入水体。城市污水厂选择制约因素很多，其意义和影响也非常深远和广泛。图4．1比较形象的描述污水厂方案和建设与社会、经济和环境等各个方面的联系。图4—1城市污水厂建设与社会、经济，环境等联系框4．1-3城市污水处理方案优选的特点评价污水处理方案的评价种类繁多，但均具有以下几个特点：①多指标性。评价一项污水治理方案的综合效益，不能简单地用一、二或者少量几个指标来描述，因为影响方案综合效益的因素很多，既有定量的又有定性的。②多层次性。所有指标均可以按照某种属性，划分为几个大的方面，这几个方面称之为准则。因此，污水处理工程的综合评价系统通常可以分为如下几个层次：最高层为总目标层，即综合效益： 太原理工大学硕士研究生学位论文第二层为准则层，即划分为指标的几个大的方面：第三层为指标层，即所有评价指标。③模糊性。指被评价对象的优劣之问不存在明显的界限，作为一种处理工艺处理某种污水时，在处理效果上并不可能保证每项指标都能达到最佳，所以各个方案的综合评价存在一定的模糊性。4．1．4城市污水处理方案综合评价的基本原则选择城市污水厂方案，必然要对社会、经济、环境等各个方面产生深远而广泛的影响。由此可以看出，污水厂方案的优劣不仅仅体现在经济效果方面，而且更重要的是体现在其社会效果和环境效果等方面。因此，城市污水厂方案的选择就不能仅仅依靠经济分析评价，而必须从全局出发，结合当地的实际情况对系统内外各影响因素之间的联系及规律加以分析，找出合乎要求的最佳方案进行投资建设。城市污水厂方案评价原则主要包括以下几点：①单目标和多目标相结合的原则城市污水厂方案评价与选定应成分考虑工程建设的多方面效果，包括技术、社会、政治、经济、环境、水资源利用等，对目标的地位、重要性、各方案满足各准则、评价指标的程度进行综合批判，经过一定的数学手段处理后，将多目标转化为单目标，最后按照单目标数值大小进行综合评价和决策。②定性分析和定量分析相结合的原则定性分析是摘取对象的某种性质，确定对象的某种特征，以使之与其他事物区别开来。定量分析则是为了确定对象的各种要素、成分的数量、规模、大小速度等等。定性分析强调对现象的理解和论释，定量分析更强调对假设、理论的实证和对现象变化的预’狈[J[70J。定量分析和定性分析在决策分析中都是很重要的，要做出一项正确的决策，首先必须把握对象的性质、属性，了解对象的基本特征：其次，还必须从数量上把握对象的大小、多少、程度等等，才能做出正确的评价和选择。城市污水厂建设有多方面的效果，其优劣可由多个评价准则和指标来评定。但是，这些指标有些只能定性，难以精确定量；有些虽然能定量，但是计量单位完全不同，而且没有办法将其分析换算成统一单位。这些准则彼此独立，难找到其内在联系。因此，完全采用定量分析方法或者完全采用定性分析方法，都不能有效解决问题，只有将两者有机地结合起来，才是科学的和有实际价值的。一般来说，评价过程中尽可能对方案中的因素进行定量分析，以提高评价的精确程度。对那些难以定量的因素，则应尽可能在定性分析的基45 太原理工大学硕士研究生学位论文础上，通过模糊数学、多目标决策或者其他合适的方法加以量化处理，将定性转化为定量。③模糊性和精确性相结合的原则方案评价中所遇到的对水资源、环境生态、代价与效用等认识，对多个目标相互间的轻重缓急认识与评价都充满了模糊性。而多目标综合评价指标、各工程规划设计的技术参数等又体现了精确性和模糊性的结合。在方案评价中，应针对存在的模糊性和精确性，采取合理的处理方法，例如模糊数学方法、层次分析方法、多目标决策方法等作出判断和选择。④宏观分析和微观分析相结合的原则城市污水厂方案应从国民经济角度出发，进行宏观分析。同时，照顾到城市建设各个部门、各个用户的利益和要求，进行微观分析。宏观和微观是相对的，其相互关系也是辨证统一的关系：首先，两种分析的最终目标是一致的，即为国民经济提供最佳的投资效果；其次，两者又有区别，在分析角度、分析方法和采用指标上都有所不同：再者，宏观分析和微观分析又有着密切的联系，宏观分析是决策的主要依据，因为其反映了国民经济全局的利益，但是也要以微观分析为基础，微观分析可以较充分地反映地方、企业及职工的各个局部利益，必须兼顾。一般来说，根据宏观分析结论进行决策，同时适当兼顾局部利益，必要时局部利益服从整体利益。⑤权威决策与专家群(智囊团)决策相结合的原则权威决策和专家群(智囊团)都是我国自古以来的传统方法。权威决策的主要依据是个人的才智和经验，个人的感情好恶以及参谋们的进言。这种决策体制落后性和局限性是人所共知的。当今世界，信息产业革命给社会、政治、经济和生活带来一系列根本性的变化。知识和信息量都有了数量级的增加，各种需要决策的问题数不胜数、错综复杂，千变万化。这是任何个别卓越的领导人和决策者单凭个人智慧难以掌握和难以应付的。这时候，智囊团的作用就起了更大的作用。与中国春秋战国时的名人广泛招集的食客不同，今天的智囊团是由不同知识结构、不同经验的专家、谋士组成，借助众人的智慧，弥补领导者个人才智、经验和精力的不足。这不是简单地增加几个人的头脑，而是建立了不同的知识结构组成的，运用现代科学理论、方法和手段，可以互相补充、汽笛和反复的知识信息综合体。城市污水厂方案评价与选择应该尽可能采取专家群决策分析方法，加强决策的民主化、科学化。 太原理工大学硕士研究生学位论文4．1．5污水处理方案优选问题城市污水处理把它作为一个系统考虑有许多显著的优点，这样做可以从整体上考虑问题，找出最有效的控制对策。例如，在解决污水排放问题时，对削减污染源排放量、选择处理方法更为有效，并有可能更经济。从有些已经运行的污水处理厂来看，污水处理工艺的污水处理构筑物选择的失误，影响其后续工艺的正常运行，大大降低了污水处理厂的运行效率蜊。在选择污水处理方法和污水处理工艺流程时，不但对处理效果有直接的影响，而且对污水厂的建造费用、运行费用和运行成本等有很大的影响。城市污水处理方案优选问题是一个复杂的系统，和当地经济发展情况、污水处理厂的运行管理效果、污水处理水量、水质和能耗等有关【681。参照系统分析方法，大致可以分为以下三个步骤【71】：①确定研究城市污水处理方案的优选问题的目标；②产生和评价满足目标要求的多种方案：③选择一个合理的方案；这几个步骤是一般的优选方法‘7”。通过一些改进，可以使这种方法具有更好的性能。近年来国内外学者提出了模糊优选模型【721、灰色综合优选模型、人工神经网络优选模型【731等，但由于方案优选涉及众多评价指标、各指标的量纲不尽相同和各指标的权重较难确定等复杂问题，这些方法在实际应用中都存在一定的困难。基于此，在此引入第三章提出层次一关联分析法来解决城市污水处理方案的优选问题。4．2层次一关联分析法在污水处理方案优选中的应用由3．1节可以知道各种污水处理方案的优选，受到各种条件的制约，是一个多目标、多功能、多层次、多指标、多方案的复杂系统评价问题。总体上评价各污水处理方案的实际情况，实现用最小的建设费用和运行费用达到污水处理的预期最佳目标，从而为实现环保部门和设计部门的规划设计和运行管理提供科学的决策依据。优选污水处理方案的实质，就是把由方案集中各评价要素所组成的高维空间的一些点，映射为一维实数区间的点【31，它涉及到资源、环境、技术、经济、社会和管理系统，是一项复杂的巨系统工程的分析问题，从定性分析和定性评价到可操作的定量分析和定量评价至今仍然是当今优选污水处理方案的理论研究和工程实践的主要发展趋势[741175117611771。在国外，层次分析法被广泛的应用于能源、资源分配、工艺方案评比、环境预测、评价、环保规范等方面。我国自80年代末引进介绍把层次分析法应用于环保领域，由47 太原理工大学硕士研究生学位论文于引进时间较短，应用较少，另外，由于国内还没有开发出相应的计算软件系统相匹配，限制了它的应用。本节以本论文第三章提出的理论为基础，将层次一关联分析法用于优选城市污水处理方案的实际问题，通过该法的优选使资金最大限度的发挥作用，尽可能的达到环境的最佳治理效果，特别是在我国现在经济还不发达的情况下，优选污水处理方案显得尤为重要。4．2．1层次一关联分析法应用于优选城市污水处理方案．层次一关联分析法应用于优选城市污水处理方案，可以按照以下几个具体步骤实现本论文2．2部分提出的理论：步骤1：建立优选污水处理方案系统的层次结构模型，这里的层次结构模型从上到下分为目标层A、评价准则层B、评价指标层C和方案层D组成。A层为选择最佳方案，为总目标层：B层的11个准则Bl，B2，⋯Bn，包括污水处处理方案的经济效益准则、技术性能准则、管理效益准则、社会效益准则、资源回收准则以及健康准则等：c层为评价这些方案实现的总目标程度的n个评价指标；D层为要选用的实现系统总目标的m个污水处理方案。步骤2：用AI-IP法确定指标层i3．个评价指标的权重向量∥。①建立各个层次的判断矩阵：在优选污水处理方案过程中，对各层以各自的上层要素为准则进行两两比较，建立各层的判断矩阵。为避免在判断时产生逻辑上的错误构造三标度比较判断矩阵，并运用公式3—6计算，得出间接判断矩阵。②按照本论文2．1部分，进行污水处理方案的层次各要素的单排序及其一致性检验、修正及其单排序权重值计算。③按照本论文2．1部分，进行污水处理方案指标层次总排序及其一致性检验，得到n评价指标相对与总目标得权重向量∥。步骤3：按照本论文3．3部分，确定评价指标关联系数矩阵E。①确定指标特征量矩阵x；②参考方案的确定；⑧特征量矩阵的规范化：这里需要说明的是对于确定性指标m1，如基建投资和运行费用，以投资现值表示(主要为主体构筑物和污泥处理部分的基建投资和运行费用现值)。依据《全国市政工程投资估算指标》(HGz47一102—95)进行投资估算，计算中考虑用于关键设备购置的外方贷 太原理工大学硕士研究生学位论文款的折算，然后按照一定贴现率和建设期或使用年限进行折现。对于不确定指标，即用定性评语(模糊语言)描述的指标，用模糊数学中的隶属度(0～10)来表示。由各类决策层按模糊数学方法采用5级或9级划分法进行综合评定，获得各个评价指标相对于每个方案的模糊语言评分。本文采用5级划分法油3，即优、良、中、差、劣5个等级，相应的隶属度为0．9、0．7、0．5、O．3、0．1。步骤4：按照本论文3．4部分，确定综合评判矩阵R，得到方案的综合关联度，根据方案综合关联的大小确定最佳方案。4．2．2实例分析襄汾县位于山西省南部，汾河把县城分为东西两个不分。现确立污水的处理规模在2万吨／天，设计进水水质为：COD=440mg／l，BOD5=240mg／1，NH3-N=30mg／1，TN=50mg／1，TP=3mg／1。设计出水水质为COD=60mg／1，BOD5=20mg／1，NH3一N=8mg／1，TN=20mg／1，TP=lmg／1。根据排水要求进行二级生化处理，并且有除磷脱氮的要求。根据实际情况考虑以下4种候选方案：A2／O法、厌氧一Carrousel氧化沟、生物接触氧化和cass工艺作为备选方案。进一步确立水厂吨水投资、单位经营成本、占地面积、占地面积、能耗、有机物的去除率、氮的去除率、磷的去除率、剩余污泥产量、技术稳定性、工艺成熟性、操作难易程度、出水水质、操作的难易程度、污泥膨胀及处理对对环境的影响。这15项指标分别体现了经济效益、环境效益、技术性能和管理效益，最终根据其综合效益最好得原则，确定最佳方案。各项指标的指数见表4—1。表4—1经济技术指数Table4-1economy-techniqueindex厌氧生物接触c∞s工艺准则层指标层A2／0法．Carrousel氧氧化化沟c1水厂吨水投资2237196718731689c2单位经营成本0．56O．53O．520．47B1c3占地面积0．260．23O．19O．17“能耗0．31O．290．27c5有机物的去除率90％93％90％c6氮的去除率良优由优B2c7磷的去除率优由良c8剩余污泥产量较多较少少较少c9技术的稳定性良优凼优clO工艺的成熟性优良由良B3cil抗水量、水质变化能力良中由c12出水水质优良由优49 太原理工大学硕士研究生学位论文c13操作的难易程度较难易难易有处理较有难处B4c14污泥膨胀及处理有易处理无难理c15对环境的影响良差良1)建立评价层次结构模型根据该项目的目标，评价指标和提出的各种工艺方案，建立层次模型。以综合效益为目标；经济效益、技术性能效益、管理效益为准则；四种工艺方案和8项指标，可以分为四个层次，如图4—2。第一层是目标层A，目标效益最大。第二层是准则层B，共有3项准则Bl，B2，B3．B4，并且，第二层3个元素都与第一层A层有关系。第三层是指标层c层，共有15项指标Cl～c15。并且，Bl与下层cl～C4有关系；B2与下层C5～C3有关系；B3B与下层C9～C12有关系B4与下层Cx3～C15有关系；。第四层是方案层D层，4种方案都与各指标有关。把有关系的元素用线联接起来，构成层次结构模型。水厂投资Cl综合效益最好A经济效益Bll睇境效益B引}技术性能B3}陪理指标B4苴位经营成本Cc占地面积C3萱位能耗C4有机物的去处室C5氮的去处蛊C6磷的去处虚C／剩余污泥量C∈技术的稳定性Cc，技术的成熟性-10出水质Cl操作的难易程度二1污泥膨胀及处理Cl对环境影响=l计]向匮也图4．1评价指标层次Drawingestimationindexarrangementmodel2)确定评价指标权重分配向量矿一、构造三标度比较判断矩阵，并运用公式3-6计算，得出间接判断矩阵：本文采用抗水量水质的变化能力d 太原理工大学硕士研究生学位论文层次分析法确定各个评价指标及准则的权重时，由专家和污水处理厂实际运行经验结合当地的要求对各层次中的元素相对重要性作出判断。对各个层次A，B，C、建立的判断矩阵如下：(左为比较判断矩阵，右为间接判断矩阵，下同)表4-2综合效益指标A三标度比较判断矩阵和间接判断矩阵ABIB2B3B^，Bl1．00O．001．003．OO1．00O．301．00B22．001．OO2．007．oo3．291．003．29B31．000．001．003．001．OO0．301．001．OOB41．00O．001．001，OO3．001．OO0．301．001．OOrm。=4，mh=1b。=，皿。／‰=4表4-3经济效益指标Bl三标度比较判断矩阵和间接判断矩阵BIC1C2C3C4，Cl2。002．002．OO2．008．00I．005．OO8．OO5．00C2O．001．002．001．004．000．201．004．OO1．00C，0．00O．001．000．001．OO0．13O．251．000．25C^0．001．002．001．004．OO0．201．OO4．OO1．OOrmax=4rmin=1b。=，Ⅱ。／‰。=4表4．4环境性能指标B2三标度比较判断矩阵和间接判断矩阵B2C5C6C7C8rC51．002．006．001．003．00C61．002．006．001．OO1．003．00C70．00O．001．002．00O．330．331．001．OOCaO．000．001．002．000．331．oo1．00‰=5rmin=1k=‰／‰=5表4—4技术性能指标B2三标度比较判断矩阵和间接判断矩阵B3C9C10C11C12rC91．001．OO1．000．oo3．001．001．OO0．30Clo1．00O．003．OO1．001．OO1．00O．30Cll1．oo1．000．003．001．OO1．00O．30C122．002．OO2．001．007．003．291．005l 太原理工大学硕士研究生学位论文rm。=5‰h=1k=，嘣／‰=5表4．5管理效益指标B3三标度比较判断矩阵和间接判断矩阵B4Ci3C14Cls，C132．002．OO2．002．OO1．002。502．50C142．002．OO0．401．OO1．00C152．000．401．OO1．00o。=4rmh=1bm=‰／‰=4二、运用第三章提出的M-AHP计算各个判断矩阵的权值，并对各个判断矩阵进行一致性检验，如下表矩阵W1W2’．，3’l，4五一C．I．R．I．C．R《．I瓜I．A0．15910．5227O．15914．O、000．0000O．900．000Bl0．632l0．15900．05000．15904．10610．03540．900．0396B20．3750．1254．0000．0000O．900．0000B30．15910．52274．0000．000O．900．0000Bd0．55560．22223．0000．0000．580．0000从表3—2中计算结果说明，这4个判断矩阵的一致性指标函数值均小于0．10，因此认为这些判断矩阵具有满意的一致性。三总排序由上到下进行计算。B层对于A层的总排序就是矩阵A的权值。c层对于A层的总排序计算方法和总的一致性指标检验在本文4．2．1己经叙述。表4．2c层次权值总排序表Table4-2carrangementauthoritycostcompositorB1B2B3B4层次C层次权值总排序O．1591O．52270．15910，1591Cl0．6321OO．1006C2O．1590O0．0253C30．050000．0080C40．1590O0．0253Cs0．37500．1960C60．37500．1960C,r0．12500．0653Cs0．12500．0653Q0．15910．0253 太原理工大学硕士研究生学位论文CloOO．1591O．0253Cu00．15910．0253C1200．52270．0832C13O0．55560．0884C1400．22220．0354Cl，0O0．22220．0354C．I．=O．022191R．I．=O．662656C．R．=C．I．／R．I．=0．03348<0．10由表知道评价指标的权重分配向量矿为：W：[o．1006，0．0253，0．0080，0．0253，0．1960，0．1960，0．0653，0．0653，0．0253，0．0253，T0．0253，0．0832．0．0832，0．0354，0．0354]四确定评价指标矩阵及关联系数矩阵根据表4-2，及第三章论述确定参考方案的原则可确定4种工艺方案和理想方案D的评价指标值，如表4-3表4-3方案评价指标值Table4-3costofprojectestimation厌氧准则层指标层A2／O法一Carrousel生物接氧化沟触氧化cassT艺c1水厂吨水投资2237196718731689c2单位经营成本O．560．53O．520．47B1c3占地面积O，260．23O．19O．17c4能耗O．310．290．27c5有机物的去除率90％93％90％c6氮的去除率良优由优B2c7磷的去除率优中良c8剩余污泥产量较多较少少较少c9技术的稳定性良优中优c10工艺的成熟性优良中良B3c11抗水量、水质变化能力良中由c12出水水质优良中优c13操作的难易程度较难易难易有难处B4c14污泥膨胀及处理有处理较难有易处理无理c15对环境的影响良差良O．1。对定性指标采用优、良、中、差、劣5个等级，相应的隶属度为0．9、0．7、0．5、0．3、53 裁峨誊水赡‘(o锚岳徭¨撩<《”，。iq籁帐瓣寨隶娶睬姆薯冀‘u．。i一亍，譬一争争‘0。．。i^旁Io一。擎争『：靶的世殴忸馊嚣S籁帕恻餐枨@孽8d—8—8—8—8一一垃毁芒镣黎两姑甚镪累姑封嗡世瑷II寸ר×一垃竣豁系$拳g眯恹鞭剐足张恹钔H亲口靶日辎纂g廿∞．d秣忸薯挺累娶科嫂g世壤蜷瓣$盍}@议秘翠貅划妖拳书器扑KH剐隧杉 g8一d8d8量78一—一8一8一—8一-a垃裂籍长毯沓水赡口懈叫趣戗翠掣扑州梃器书酪扑KH聊隧长 太原理工大学硕士研究生学位论文计算方案综合关联度根据第二章中的式(5)和关联系数矩阵矩阵E、指标权重相向量形得到综合判断矩_F4R=E×W=【o．78620．77200．81530．7407】知道4种工艺方案的综合关联度，见表4—4表4-4综合关联度l厌氧卡鲁塞尔f工艺方案A210法生物接触氧化Cass工艺氧化沟I综合关联度r0．62460．83530．5927O．8225由表4．6可知，综合关联度吒>‘>毛>r4即4种工艺方案的优先顺序为：厌氧一Carrousel氧化沟一Cass工艺一A2／O法一生物接触氧化。因此，对该城市污水处理厂工程来说，厌氧-Carrousel氧化沟工艺为最优方案工艺为最优方案，Cass工艺次优方案。从准则层的指标的权重可看出，经济效益的权重最大(0．6370)，技术性能的权重次之(O．2583)，管理效益的权重最小(0．1047)：而隶属于经济效益准则的指标层，又以项目投资和经营成本两项指标的权重最大(O．4444)，而隶属于技术性能准则的指标层。以氮、磷的去除和工艺的稳定性及成熟性三项指标的权重最大(O．3125)；隶属于管理效益准则的指标层，以水处理效果的权重最大(0．5584)。从评价指标权重分配向量∥可以知道本次方案选优，项目投资和经营成本两项指标影响最大；其次是氮、磷的去除效果、工艺的成熟性、运行的稳定性、占地面积、水处理效果；影响最小的是操作难异程度、污泥处理效果，人员结构。由于厌氧一单沟式氧化沟工艺各项技术指标优于其它3种工艺方案，在项目投资额及运营成本相差不大的情况下，受指标权重的影响，是使得由于厌氧一单沟式氧化沟的综合关联度大于其它3种工艺方案。57 太原理工大学硕士研究生学位论文第五章综合分析法在山西污水规划中的应用山西污水规划是山西“十一五”期间最重要地规划之一，它不仅要为山西污水的治理提供了总体方向，解决山西水体污染问题。同时要做到处理水回用，解决山西水资源缺乏对经济增长的限制，以更快的发展经济的同时，做到人与自然的和谐，共建和谐社会。山西省将在“十一五”期间重点建设54座污水处理厂，如此大量的污水处理工程，如何根据实际需要提供最优方案是污水规划要解决的重大问题。简单的经济比较已不能解决。鉴于此用综合分析模型对山西污水规划建设项目进行分析，对即将建设项目提供方向上的指导。5．1山西现阶段所使用的主要工艺现在我国使用的城市污水处理方法多为生物处理城市污水的生物处理经历了三个发展阶段[so-s4]。第一阶段，在污水生物初期，人们意思到有机物污染对环境地危害，从而把降解有机物和悬浮物的去处作为污水处理的主要目标。第二阶段，随着常规二级处理技术在工业化国家的普及，人们发现仅仅去除BOO和SS是不够的，氨氮的存在依然会导致水体的恶臭和溶解氧得降低。这一问题的出现使常规二级处理从单纯的有机物的去除发展到有机物和氨氮的联合去除，即污水的消化处理。第三阶段，由于水体富营养化问题的日益严重，污水氮磷的去除实际需要使生物处理技术进入了具体除磷脱氮功能的二级生物处理阶段，COD、SS、BOD和氮磷功能。能用于这些功能的工Biodegradation艺有，生物接触氧化，Bardellpho，phoredox，UCT，VIP，A2／O，SBR和氧化沟等。我省常用的污水处理工艺有生物接触氧化，A2／O，SBR和氧化沟。生物接触氧化又称淹没式生物滤池，它与生物滤池的主要不同之处在于它是生物滤池的内部充满了污水，滤料淹没在水中和采用人工曝气。微生物固着生长在滤料上，全部淹没在污水之中，并采用不同的方式向池内曝气，以供微生物生长的需要，由于生物膜的生长，使得不同厚度之处的生物膜所处的含氧环境也就不同，也就形成了脱氮除磷的环境。常用的曝气生物滤池主要有鼓风曝气式和表面曝气式两种，其示意图如图5—1和5—2： 太原理工大学硕士研究生学位论文图5-1曝气式生物接触氧化池Drawing5-IBiologicalAeratedFliter此种形式的滤池鼓风曝气设备安装在填料层的下面。填料表面上的生物膜直接受上升气水混合体的强烈搅动，加速生物膜的更新速度，使生物膜经常保持较高的活性，同时防止填料堵塞。此种形式的滤池多作为污水的二级处理设施，进水BOD5浓度一般控制在100～300mg／1之间。当进水BOD5浓度较高时，可以采用处理水回流稀释或采用二级或多级滤池系统。水图5—2表面曝气式生物接触氧化池Drawing5-1SurfaceBiologicalAeratedFliter此种形式的滤池由充氧间和填料间两部分组成。污水在池内循环流动，气、水和生物膜可得到充分的接触，水中溶解氧含量较高，处理效果较好。但因通过填料孔隙的气水混合体的流速较小，对填料表面上的生物膜冲刷作用较弱，生物膜一般靠自身脱落，更新速度较慢，活性较差。对于浓度较高的污水，往往容易 太原理工大学硕士研究生学位论文产生填料堵塞。因此，一般仅处理BOD5<100mg／l浓度的低浓度有机污水。A2／O(Anaerobic／Anoxic／Oxic，A／A／O或A2／O)工艺同时具有除磷和脱氮的功能。它是在A／O工艺的基础上增设一个缺氧区，并使好氧区中的混合液回流至缺氧区使之反硝化脱氮。废水首先进入厌氧区，兼性厌氧发酵菌在厌氧环境下将废水中的可生物降解的大分子有机物转化为VFA这类分子量较低的中间发酵产物。聚磷茵将其体内贮存的聚磷酸盐分解，同时释放出能量供专性好氧聚磷微生物在厌氧的“压抑”环境中维持生存，剩余部分的能量则可供聚磷菌从环境中吸收VFA一类易降解的有机基质之需，并以PHB(多聚磷酸盐)的形式在其体内加以贮存。随后，废水进入缺氧区，反硝化菌利用好氧区中回流液中的硝酸盐以及废水中的有机基质进行反硝化，达到同时除磷脱氮的效果。在好氧区中，聚磷菌在利用废水中残留的有机基质的同时，主要通过分解其体内贮存的PHB所释放的能量维持其生长，同时过量摄取环境中的溶解态磷。好氧区中的有机物经厌氧、缺氧段分别被聚磷菌和反硝化菌利用后，浓度已相当低，这有利于自养硝化菌的生长，但这些微生物由于已受到厌氧和缺氧段的双重抑制，其在好氧区中得不到足够的营养，难以与其它微生物竞争。其流程如图5—3，内循环L一哩塑望‘含蹙翌望’一—J图5-3A2／O工艺流程Drawing5-3Ameliorat℃Anaerobic／Anoxic／OxicTechnicalFolw为了消除硝态氮对厌氧池的不利影响，保证厌氧池的稳定性，开发了改良A2／O工艺，即在厌氧池之前增设厌氧，缺氧调节池，来自二次沉淀池的回流污泥何10％左右的进水进入该池，停留时间为20～30分钟，微生物利用约10％的进水中的有机物去除所有的回流硝态氮。其流程如下：61 太原理工大学硕士研究生学位论文混合液回流图5．4改进A2，o工艺流程Drawing5-4ModifiedAmeliorateAnaerobic／Anoxic／OxicTechnicalFolw序批式活性污泥法(SBR，SequencingBatchReactor)以其独特的优点，近年来在世界各地得到发展。人们对它的研究逐渐增多，在20世纪80年代，国外对其研究进入了工业化生产阶段。20世纪80年代末我国的一些科研单位及大专院校也对其展开了研究，并在实际工程中开始应用。活性污泥法利用微生物去除有机物。首先需要微生物将有机物转化成C02和H20以及微生物菌体，反应后需要将微生物保存下来，在适当时间通过排除剩余污泥从系统中除去新增的微生物。连续流工艺是从空间上进行这一过程的，污水首先进入反应器(曝气池)，然后进入沉淀池对混合液进行沉淀，与微生物分离压的上清液乡}排。而SBR则是通过在时间上的交替实现这一过程，它在流程上只设一个池子，将曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。SBR在时间上的交替运行就是它的工作方式。SBR是按周期运行的，每个周期的循环过程包括迸水、反应(曝气)、沉淀、排放和待机等五个工序，如附图1所示。从某个进水期开始到下一个进水期开始之前的一段时间称为一个工作周期。SBR是传统活性污泥法的一种变形，它的反应机制以及污染物质的去除机制和传统活性污泥法基本相同，仅运行操作不～样。在SBR的运行中，每个周期循环过程即进水、反应、沉淀、排放和待机都是可进行控制的。每个过程与特定的反应条件相联系(混合／静止，好氧须氧)，这些反应条件促进污水物理和化学特性有选择的改变，这些改变使出水得到了完全的处理。它有很多种变形工艺常用的主要是CASS工艺。循环式活性污泥法(CyclicActivatedSludgeSystem)，也被称为CAST(CyclicActivatedSludgeTechnology)工艺或CASP62 太原理工大学硕士研究生学位论文(CyclicActivatedSIudgeProcess)T艺。CASS工艺是Goronszy教授在ICEAS工艺的基础上开发出来的，是SBR工艺的一种新的形式。CASS在20世纪70年代开始得到研究和应用。与ICEAS相比，CASS的预反应区容积较小，并成为设计更加优化合理的生物选择器。该工艺将主反应区中部分剩余污泥回流至该选择器中，在运作方式上沉淀阶段不进水，使排水的稳定性得到保障。通常CASS分为三个反应区：一区为生物选择器，二区为缺氧区，三区为好氧区，各区容积之比一般为l：5：30。CASS的运行工序为：曝气开始，曝气结束，沉淀开始，沉淀结束——滗水和排泥开始，滗水及排泥结束，进水——闲置。1)生物选择器在循环式活性污泥法工艺中设有生物选择器，生物选择器是设置在CASS前端的小容积区(容积约为反应器总容积的10％)，水力停留时间为O．5～1h，通常在厌氧或兼氧条件下运行。生物选择器的设置是利用活性污泥种群组成的动力学规律，创造合适的絮凝性细菌生长的环境。生物选择器的机理和作用在20世纪70年代和80年代分别由Chudoba和Wanne进行了深入的研究。大量研究结果表明，设计合理的生物选择器可有效地抑制丝状菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。所以选择器的最基本的功能是防止产生污泥膨胀。此外，选择器中还可发生比较显著的反硝化作用(回流污泥混合液中通常含有硝态氮)，其对氮的去除可占总去除率的20％左右。2)兼氧区CASS反应器中硝化和反硝化过程在曝气阶段同时进行。运行时控制供氧强度以及曝气池中溶解氧浓度，使絮凝体的外周能保证有一个好氧环境进行消化；同时，由于溶解氧浓度得到控制，氧在污泥絮体内部的渗透传递作用受到限制，而较高的硝酸盐浓度(梯度)则能较好地渗透到絮体的内部，因此在絮体内部能有效地进行反硝化过程。通过污泥回流，将部分硝酸盐氮带入生物选择器和兼氧区中，因此在其中也有部分反硝化功能。另外，在曝气停止后的非曝气阶段中，沉淀污泥床中也存在一定的反硝化作用。在完全混合反应区之前兼氧区是在厌氧或兼氧条件下运行的，对进水水质水量的变化有缓冲作用。同时还具有促进磷的进一步释放和强化反硝化作用。其对大分子物质发生水解的作用，对于难降解物质的去除、提高有机物的去除率有一定的促进效果。因为生物除磷的效果很大程度上取决于迸水中所含有的易降解基质的含量，在兼氧区中活性污泥通过水解酶分解大量易降解的溶解性基质为挥发酸，这些易降解物质可用于后 太原理工大学硕士研究生学位论文续的生物除磷过程，对整个系统的生物除磷功能起着非常重要的作用。系统中通过曝气和非曝气阶段使活性污泥不断地经过好氧和厌氧的循环，这些反应条件将有利于聚磷细菌在系统中的生长和累积，因此系统具有生物除磷的功能。根据Goronszy等人的研究，当微生物体内吸附和吸收大量易降解物质丽且处在氧化还原电位为+100—一150mV的交替变化的环境中时，系统具有良好的生物除磷功能。3)好氧区主反应区则是最终去除有机底物的主场所。运行过程中，通常将主反应区的曝气强度加以控制，以使反应区内主体溶液处于好氧状态，而活性污泥结构内部则基本处于缺氧状态，溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制，从而使主反应区中同时发生有机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。该区主要完成降解有机物和硝化／反硝化过程。4)污泥回流／排除剩余污泥系统由于CASS反应器设置了三个反应区，所以污泥无法自动回到第一、二反应区。在池子的末端设有潜水泵，污泥通过此潜水泵不断地从主曝气区抽送至选择器中(污泥回流量约为进水流量的20％左右)，所设置的剩余污泥泵在沉淀阶段结束后将工艺过程中产生的剩余污泥排出系统，剩余污泥的浓度一般为109／L左右。主反应区污泥回流到选择区与进水混合，可以充分利用活性污泥的快速吸附作用，加速对溶解性底物的去除并对难降解有机物起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效地释放。5)在滗水器和运行阶段，运行工序也由曝气、沉淀、滗水组成。CASS一般也采用多个池子为一组(一般为2个)。循环开始时，由于充水，池子中的水位由某一最低水位开始上升，经过一定时间的曝气和混合后停止曝气，以使活性污泥在一个静止的环境中沉淀。在完成沉淀阶段后，由一个移动式撇水堰排除已处理的上清液，使水位下降至池子所设定的最低水位，然后再重复上述过程。为保持池子中有一个合适的污泥浓度，需要根据产生的污泥量排除相应的剩余污泥。排除剩余污泥一般在沉淀阶段结束后进行，排除的污泥浓度可达109／L左右。CASS是一种具有脱氮除磷功能的循环间歇处理工艺。CASS生物选择器和预反应区的设置及污泥回流的措施，保证了活性污泥不断地在选择器中经历一个 太原理工大学硕士研究生学位论文高絮体负荷阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长；可以提高污泥活性，使其快速地去除废水中溶解性易降解基质，进一步有效地抑丝状菌的生长和繁殖；同时沉淀阶段不进水，保证了污泥沉降无水力干扰，在静止环境中进行，可以进一步保证系统有良好的分离效果。传统活性污泥法在设有生物除磷系统时，如污泥在二沉池停留时间过长，则可能出现磷在二沉池污泥区的再释放，从而使出水中总磷浓度上升，而在循环式活性污泥系统中污泥处于厌氧状态的时间可得到有效地控制，故无此现象。在循环式活性污泥系统中，废水中的硝酸盐在选择区和预反应区得到两次去除，所以对硝酸盐生物除磷的影响极微。在不增加其他处理单元的条件下，4h循环周期的系统中其生物除磷的效果在80---90％左右。其流程如下：。_。___。_____-。____。·__。·。。___。_____。______。_-··-。________。____·。_。-。一L——痂丽’——届i卧堂查一望望=二二=]_一图5-5Cass工艺流程图Drawing5—5CassTechnicalFolw氧化沟是活性污泥法的发展，沟中的活性污泥以污水中的有机物为食料，使之无机化。在氧化沟中，通过转刷(或转碟和其他机械曝气设备)，使污水和混合液流动以及进行曝气，混合液经过曝气设备后，溶解氧地浓度被提高，随后，在渠内流动过程中又逐渐被消耗降低。所以氧化沟通常以延时曝气的方式运行，水力停留时间为10--24小时，通过设置进水、出水的位置，回流污泥的位置，曝气设备的位置可以完成消化和反硝化功能。这种独特的运行方式使得氧化沟具有其独特的技术特征：1)氧化沟工艺结合了推流和完全混合两种流态，污水进入氧化沟后，在曝气设备的作用下被快速地与沟中的混合液进行混合，混合后的水在封闭的沟渠中循环流动。如考虑水流在沟渠中的流速为0．25～0．35m／s，氧化沟地总长度为90---600m，则完成一个循环所用的时间为4--,25min。由于污水在氧化沟中的水力停留时间多为10,--24h，因此可以推算，污水在水力停留时间内要完成30-200次循 太原理工大学硕士研究生学位论文环，氧化沟在短时间内呈现推流式，而在长时问内则里现混合特征，两者结合，可以减小短流，使进水被数十倍甚至百倍的循环水稀释，从而提高了氧化沟系统的缓冲能力。2)氧化沟具有明显的溶解氧浓度梯度，由于氧化沟的曝气装置一般是固定布置的，因此在装置下游混合液的溶解氧浓度较高，随水流沿沟长的流动，溶解氧浓度逐步下降，在某些位置出现溶解氧浓度甚至可降至零，出现明显的溶解氧梯度。利用溶解氧在沟中的浓度变化以及存在的好氧区和厌氧区的特征，氧化沟可以在同一构筑物中实现消化和反硝化，这样不仅可以利用硝酸盐中的氧节省需氧量，，有利于节约能源促和减少化学药剂的用量。3)由于氧化沟独特的水流特征，使得其处理流程简单，可不设初沉泡，且处理效果稳定和出水水质好等特点。我省常用的主要有Carrousel和Orbal两种氧化沟。奥贝尔氧化沟尤=由南非开发，20世纪70年代引入美国后得到迅速推广，至今已有300座污水处理厂在运行，最大处理能力已达24．6万吨／天。它由其若干圆形或椭圆形同心沟渠组成的多渠氧化沟系统，工艺流程如图：5—6图5-60rbal氧化沟Drawing5-6OrbalOxygenationDitch废水从最外面或最里面的沟渠进入氧化沟、在其中不断循环流动的同时，通过淹没式输入口，从一条沟渠流入相邻的下一条沟渠，最后从中心的或最外面的沟渠流入二沉淀池进行固液分离。沉淀污泥部分回流到氧化沟，部分以剩余污泥排入污泥排入污泥处理设备进行处理。氧化沟的每一条沟渠都是一完全混合的反应池，整个氧化沟相当于若干个完全混合反应池串联在一起。Carrousel氧化沟是20世纪60年代末期由荷兰DNV公司研制成功的，其构造如图：5—7； 太原理工大学硕士研究生学位论文图5-7Corrousel氧化沟Drawing5-7CorrouselOxygenationDitchCarrousel氧化沟是一多沟串联的系统。它采用垂直安装的低速表面曝气器，每组沟渠安装一个，均安装在一端。靠近曝气器下游为富氧区，靠近曝气器上游为缺氧区。进水与回流活性污泥混合后在沟道内循环流动，沟内流速约为O．3m／s。废水多次经富氧区和缺氧区可创造良好的脱氮环境。当有机复合较低时，可以停止某曝气器的运行，在保证水流搅拌混合循环的前提下，节约能量的消耗。Carrousel氧化沟在荷兰和世界各地得到了广泛的应用，其规模小到200m3／d，大到65．7万m3，d，其的去除率可达95*／0,--99％，脱氮率可达90％、除磷率约为50％，如投加铁盐除磷率可达95％。5．2各种工艺的性能比较我省现在所采用的城市污水处理工艺百分之90以上都是生物的方法，污水综合排放的要求，其原理都是相同的，通过微生物的生长来代谢污水中的有机物，通过不同种类的微生物的生长须要，来分解、还原、吸收水中的污染物，以达到污水综合排放的标准。其不同之处在于根据不同的需要采用不同的运行方式，处理构筑物中微生物浓度不同，污水在处理构筑物中的流动方式不同，和停留的时间不同。各种不同工艺的特点比较见表5．1： 太原理工大学硕士研究生学位论文表5-I各种不同工艺的特点表Table5-1stirpDifferTechnicalPoint序项目AJO法氧化沟法接触曝气法SBR法号1初沉池t表面负荷35可以不设表面负荷30可以不设m3／(m2·d)，Hm3／(m2·d)，HRTRTl．5h2．OhBOD，SS负荷BOD-SS负荷BOD容积负荷BOD-SS负生物处理单O．2~0．4kg／(kg0．03-4)．050．2kg／(n13·d)，荷兀·d)，kg／(kg‘d)，HRT24h0．2kg／(kg·d1污泥回流比污泥回流比100％200／∥40％HRT24hHRT3．0h二沉池表面负荷25表面负荷15表面负荷25无m3／(1n2·d)，Hm3，(m2·d)，HRTm3／(1112·d)，HRTRT3．0h4．0h3．Oh2BOD除去里90％以上△93％以上@90％以上△率90％以上(200mg,／L-20mg／L)3抗负荷变化抗水质、水量抗水量、浓度变化抗水量、水质变抗水量变化的能力变化能力有限能力强。化能力强。能力强，抗浓△度变化能力差△4有无污泥膨有△有(调整简单)o无。有(发生污泥胀发生膨胀少但处理困难)5污泥回流设需要20％的调100％泵动力大△不需要。不需要o各整△6悟泥量多△少◎较少。较多△7气温、水温的水温影响变化水温影响变化小。水温影响变化小水温影响变影响小。。化小o8为调节行泥回几乎没有调整要素，接触曝气槽需每自动化程度日常操作难流量和空气量，日常操作简单。月1次反冲洗，其高时，日常管易需要每天测定他操作简便。理容易，但有SV、M吐SS、浮渣问题．手DO等项目，日动运行是不常操作多△可能的△9设有备用鼓风每组设2台曝气机，设有备用鼓风机，污泥膨胀后设备的可靠机，水中无驱动每台与运行对应接触曝气槽的技难以恢复．自性(故障时)装置，可靠性高。术评价不明确控发生故障。△时，手动操作复杂× 太原理工大学硕士研究生学位论文序项目标准活性污泥法氧化沟法接触曝气法SBR法号鼓风机房的隔音处理，有曝气机搅拌污水无噪声问题无噪声问题，有噪声无其他机械噪声污水声音。无污水搅拌声。间歇污水搅拌搅拌声可加盖处理。声音，可加盖处10理。卫生以及泡沫、有泡沫飞散和臭气产有臭产生。可加盖处有泡沫飞散和臭有泡沫飞散和臭气的产生生。可加盖处理解决0理解决。气产生．可加盖处臭气产生，可加理解决。盖处理解决。美观可建成地下室或半地可建成地下室或半可建成地下室或可建成地下室下室。上部空间可综合地下室，上部空问可半地下室。上部空或半地下室．上利用。综合利用。间可综合利用。部空问可综合利用oll设施面积可增加水深，减少占地增加水深可减少占占地面积居中。不设调节池，初面积。地面积．但比其他方沉池和二沉池。法要大△占地面积小o12能耗一般。较少。少O13脱氮运行可以实现△容易实现且脱氮率容易实现。容易实现o高@工程应用实绩应用广泛0应用广泛。应用较少。应用较少O适用Q<10000o14性矗|aQ<5000omJ／dQ<1000o△0m1／(5Q>lOOOo△×o一／d15维护管理费一般。较少。较少△少△16建设费一般0较大△较少△综合评价(1)活性悟泥的维护(1)占地面积大，建各指标较好，但工程应用实管理比较敏感；设费较高；工程应用不多，绩不多；17(2)产泥量多；(2)其他项目良好，技术发展趋势污泥膨胀时(3)其他项目居中特别是出水BOD不明确△难以恢复：△稳定在20mg／L以技术发展、下。运行管理条件不明确△ 太原理工大学硕士研究生学位论文表5-2各种不同方案的优缺点比较表氧化沟法接触氧化法A．A．O法SBR法(1)处理流程简单，够筑(1)曝气池的(1)基建费用低，具有较(1)其脱氮磷的物少，基建费用较省；体积较小，基好的脱氮除磷功能；厌氧、缺氧和好(2)处理效果好，有较稳建费用相应(2)具有改善污泥沉降氧不是由空间定的脱氮除磷功能：降低：性能，减少污泥排放量；划分，而是用时(3)对高浓度的工业废(2)污泥不易(3)具有提高对降解生间控制的：优水有很大的稀释能力；膨胀。达到一物有机物除去效果，运(2)不需要回流污泥和回流混(4)有抗冲击负荷能力；定的脱氮除转效果稳定；(51能处理不一降解的磷效果；“)技术先进成熟，运行液，不设专门的有机物，污泥生成少；(3)抗冲击负稳妥可靠：二沉淀，够筑少；点(6)技术先进成熟，管理荷能力较强：(5)管理维护简单，运行(3)占地面积少维护较简单；费用低；(7)国内工程实例多，容(6)国内工程实例多，工易获得工程管理经验艺成熟，容易获得工程管理绨醅处理构筑物较多：容易堵塞处理构筑物较多：容积及设备利回流污泥溶解氧较高。(2)反冲洗平(2)需增加内回流系统用率较低(一般缺对除磷有一定的影响：凡小于50％)；(3)容积及设备利用率操作、管理、维点不高护较复杂：自控程度高，对人工素质要求较高；过内工程实例少；(5)脱氮除磷功能一般5．3污水处理规模和处理水质的确立根据山西省污水规划，我省将要建设的项目规模大都集中在卜5万吨，根据我国城市的污水处理规模的划分，具体见图5—8 太原理工大学硕士研究生学位论文图5-8城市污水处理规模图Drawing5—8ScaleofWastewaterTreatment在结合山西省山西污水规划重点建设项目，把山西省污水划分为小规模0—2万吨，中规模2—5万吨。根据2004年污水规划各污水处理厂水质调查结果和城市典型污水水质表，具体见表5．3—5．4。把山西省污水处理浓度分为中等浓度和低浓度的污水的两种。表5—3山西已建污水厂进水7V-$表Table5-3ShanxiWaterQualityofSewagefactory序污水处理厂名称进水水质(me／L)号CODmBOD5NH3-Np1忻州市污水处理厂400250303．62原平市污水处理厂350220303，83晋中市污水处理厂4002004064临汾市污水处理厂30013030395长治市污水处理厂320140202．76阳泉市污水处理厂350200254l7潞城市污水处理厂380200154．98榆社县污水处理厂400200302．99古交市污水处理厂300200308．410太原市河西北中部污水处理厂420210206．5ll太原市杨家堡污水处理厂450220256．712太原市殷家堡厂污水380180206．313太原市北郊污水系统420250356．614湖东经济开发区污水处理厂458266303．315东郊污水处理厂400190255．216大同市西郊污水处理厂420230304．417新荣区污水处理厂13374203l平均水平369．5197．7268471 太原理工大学硕士研究生学位论文表5．4城市典型污水的水质表项目CoD盯SSBOD5NH3-NTP商浓度污水10006004005012中等浓度污水450250200256低浓度污水250150120154超低浓度污水150lOO601025．4综合评价指标体系的建立根据上述划分确立综合分析的分类为：小规模低浓度、小规模中等浓度、中规模低浓度和中等规模中等浓度四类。根据山西常用工艺和各种工艺的特点，分鄹选取合适方案和建立综合评价制表模型。5．4，1对低浓度小规模的综合评指标体系的建立根据水量水质的特点，结合专家意见，选取A2／O法、奥贝尔氧化沟、生物接触氧化、cassX：艺作为参选工艺，进一步确立评价指标体系如表5。5表5-5低浓度小规模综合评价指标表Table5-5LowChromainMiniatureScalesynthesisEvaluationIndex准则指标层A2奥贝尔氧化沟生物接触氧化cas$工艺层／(3法cl水厂单位投资(元／吨)2137196718731689c2单位经营成本0．48O．420．400．37B1c3单位占地面积O．280．25O．22O．19“单位能耗O．3lO．290．29O．27c5有机物的去除率0．700．900．700．90c6氮的去除率O．70．9O．50．9B2c7磷的去除率0．90．50．7c8剩余污泥产量O_30．70．90．5c9技术的稳定性0．70．90．50．7e10技术的成熟性0．9O．70．5O．7B3c11抗水量、水质变化能力0．7O．7O，50．5e12出水水质O．70．50．9c13操作的难易程度O．50．9O．70．5B4e14污泥膨胀及处理O．5O．70．9O．5c15对对环境的影响0．70．30．75．4．2中等浓度小规模的综合评指标体系的建立根据水量水质的特点，结合专家意见，选取A2／O法、厌氧-Carrousel氧化沟、生物接触氧化、cassI艺作为参选工艺，进一步确立评价指标体系如表5．6 太原理工大学硕士研究生学位论文表5-6中等浓度小规模综合评价指标表Table5-6MiddingChromainMiniatureScalesynthesisEvaluationIndex厌氧一Carrousel氧生物接触准则层指标层A2／0法c鹅s工艺化沟氧化c1水厂单位投资2237201018731689c2单位经营成本0．56O．530．520．47Blc3单位占地面积O．29O．260．24O．21“单位能耗O．330．300300．28c5有机物的去除率0．700．900．70’0．90c6氮的去除率O．70．9O．5O．9B2c7磷的去除率O．9O．5O．7c8剩余污泥产量0．3O．7O．90．5c9技术的稳定性0．70．9O．5’0．7clO技术的成熟性0．90．70．5O．7B3c11抗水量、水质变化能力0．7O．5c12出水水质0．7O．50．9c13操作的难易程度0．50．90．70．5B4c14污泥膨胀及处理0．50．70．9O．5c15对对环境的影响O．70．7O．30。75．4．3低浓度中等规模的综合评指标体系的建立根据水量水质的特点，结合专家意见，选取A2／0法、奥贝尔氧化沟、生物接触氧化、cassT艺作为参选工艺，进一步确立评价指标体系如表5．7表5．7低浓度中等规模综合评价指标表Table5-7LowChromaMiddingScalesynthesisEvaluationIndex准则层指标层A／O法奥贝尔氧化沟生物接触氧化cass工艺c1水厂单位投资2003186716731581c2单位经营成本0．460．40O．380．35B1c3单位占地面积0．270．24O．210．18“单位能耗0．300．28O，28O．26c5有机物的去除率0．70O．900．700．90c6氮的去除率O．70．90．50．9B2c7磷的去除率0．9O．50．7c8剩余污泥产量O．3O．70．90．5c9技术的稳定性0．70．9O．50．7c10技术的成熟性0．90．7O．50．7B3c11抗水量、水质变化能力O．70．7O．50．5c12出水水质O．70．70．50．9e13操作的难易程度O．50．90．70．3B4c14污泥膨胀及处理0．5O．70．90，3c15对对环境的影响0．70．3O．7 太原理工大学硕士研究生学位论文5．4．4中等浓度中等规模的综合评指标体系的建立根据水量水质的特点，结合专家意见，选取A2／O法、奥贝尔氧化沟、生物接触氧化、cass工艺作为参选工艺，迸一步确立评价指标体系如表5．8表5-8中等浓度中等规模综合评价指标表Table5-8MiddingChromaMiddingScalesynthesisEvaluationIndexA2／0厌氧-Carrousel准则层指标层生物接触氧化c岱s工艺法氧化沟c1水厂单位投资2103196716731581c2单位经营成本0．480．430．410．37B1c3单位占地面积0．290．26O．23O．20“单位能耗03l0．29O．27c5有机物的去除率O，700．9D0．700，90，c6氮的去除率O．70．9O．50．9B2c7磷的去除率O．9O．5O，5O．7c8剩余污泥产量0．30．70．90．5c9技术的稳定性0．7O．9O．5O．7c10技术的成熟性0．90．7O．5O．7B3e11抗水量、水质变化0．7O．5能力c12出水水质O．70．70．5O．9c13操作的难易程度0．5O．9O．7O．3B4c14污泥膨胀及处理0．50．70．90．3c15对对环境的影响0．70．3O．7根据专家意见结合我省污水处理经验，对低浓度地废水，由于含磷量较低，而磷主要来自于居民的洗涤剂，随着无磷产品的推出，磷含量有下降的趋势，因此低浓度的城市污水在水厂设计时不把磷作为考虑因素。5．5综合评价的结果根据第四章的方法对上述的分类分别进行评价得到结果如表5．9表5-9污水规划方案比较权值表Table5-9ComparatinAuthorityofSewageProgrammingproject小规模低浓度中规模低浓度小规模中浓度中规模中浓度0．7960550．6242070．614896O，62242l0．8524970，8333780．8427310．8271830．603243O．5925250．6363170．6008970．8704420．8342910．8418420．822492按第三章的要求对判断矩阵进行一致性检验均符合要求。74 太原理工大学硕士研究生学位论文第六章结论与建议6．1结论本文首先介绍了层次分析法(AnP)及灰色关联度分析法，结合AHP法确定权重的优势和灰色关联度分析单因素的优势的基础上，提出多层次一灰色关联度法，其实质：综合判断矩阵胄=ExW，用方案综合关联度的大小来确定最佳方案，并对其方法进行了详细的论述，结合污水处理方案实例，从经济效益、环境效益、技术性能、管理效益四个大方面的十五个指标，建立评价模型，进行实例论证，经过计算，确定最佳污水处理方案。并对山西省规划建设污水厂的工艺选取作出了综合评价，得出如下结论：(1)鉴于污水处理工艺方案选择中的多层次、多目标及不确定性，评价模型中引入灰色关联度分析和工程方案多层次分析思想，提出城市污水处理方案的综合评价原则，根据层次分析法的递阶层次结构的基本原理，建立污水处理方案综合评价模型，并对评价指标进行灰色关联度分析。该模型充分考虑了城市污水处理方案对经济、技术、环境、管理等各个方面的影响，以及所受到的制约，将定性因素和定量因素有机的结合起来，实现综合评价结果的量化，结果表明，这样的综合评价是直观的和有说服力的，从而较好地解决了以往通过经济分析进行评价存在的问题，与现行的污水厂可行性研究报告中以经济数据为主的方案选择相比，更能客观地反映系统要素的全面影响。同时能为环境决策者提供理论依据，使决策的更具科学性和客观性。(2)模型采用多层次多因素评判，比单层次评判更能反映工程的实际需要。不同层次的各因素用指标权重来表示其不同的影响程度，并用AHP法建立判断矩阵来确定权重，避免了主观任意性和不一致性，使结果更直观更符合实际。应用特定的数学方法得到混合型的量化标度一综合关联度，由综合关联度的大小来评判方案的优劣，概念清晰，便于比较。(3)建立判断矩阵确定权重时，引用了三表度法，它与常规的九标度法相比，不需要决策者对决策问题有较深入的了解，只需具备一定的专业知识，就可建立判断矩阵，采用构建三标度判断知阵的方法，大大的减少了判断矩阵中的人为臆测因素，为作出合理的决策打下了良好的基础。同时，三标度法思路简明，层次清晰，无需建立复杂的模型，对解决此类多目标系统决策十分有效。(4)模型分析的结果在小规模低浓度时应是(：aSS工艺较优，在小规模在中等浓度时是厌氧卡鲁塞尔氧化沟工艺较好，在中等规模低浓度时是CS．SS工艺较优，在中等浓度75 太原理工大学硕士研究生学位论文种等规模时是厌氧卡鲁塞尔氧化沟工艺较好。而实际中采用低浓度时采用奥贝尔氧化沟的较多，主要原因是考虑到当地的经济文化基础，cass工艺自控要求较高，对员工素质要求较高，而县城人员素质很难跟上，所以在进行可行性分析时，家们就把操作作为主要控制因素排除了C￡ISS工艺。从模型分析的结果可以看出它们综合权值相差很小，考虑到当地的实际情况还是可行的。随着社会经济的发展，人员素质的提高，相信CaSS工艺将被更多的采用。6．2建议．由于时间和科研条件等因素的限制，本论文只是做了一些基础性研究，还有许多值得进一步研究和深化的问题：(1)本文在工艺的比较时，只注重了不同处理方案间的比较，没有在相同工艺间不同的运行方式进行比较，使得方案的选取存在一定的主观性，建议在深入比较不同运行方式的基础上，进行方案比选，增加方法的客观性，增强说服力。(2)在用三标度进行权重比较时，如何结合当地实际状况，给出恰当的比值还存在主观性。建议在进行指标比较时多方征求专家意见，并对大量收集污水处理厂的运行和管理数据，把两者有机结合在～起，减少权重比较时的对专家的依赖。(3)在运用模型时建议结合当地的经济文化情况建立评价指标体系，然后界定重点考察因素，使评价结果更能反映当地的实际需求。(4)MATLAB是一种功能十分强大的数学软件，如果能将市政工程中许多优化问题用它来解决，将起到事半功倍的效果。今后，要继续研究MATLAB的各种功育旨。(5)将本论文提出的层次一灰色关联度法可运用到市政工程、水资源工程的其他方面，比如水质评价、环境评价等。在安不同要求运行时，最佳关联系数不同，建议使用遗传算法先求得最佳关联系数。76 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太原理工大学硕士研究生学位论文致谢时光飞逝，转眼间硕士研究生的学习生涯即将结束。在此，带着美好回忆和终生受益的教诲，向我的导师杨云龙教授致以由衷的敬意和感激。导师深厚的专业功底、广博的工程经验，超强的宏观控制能力，务实的态度，豁达乐观的性格是我学习的楷模。在导师的大力支持和悉心调教下，作者从一个非专业学生，逐步跨入了专业给排水专业，在这个全新新的领域进行了学习和探索性的研究，专业知识取得了巨大进步，思路得到了拓宽。并在实践应用中使作者学到知识得到了升华。三年来，对导师在学习上、生活上给予了作者极大的关心和支持，再一次表示由衷的感谢!感谢杨云龙教授的研究生给于作者的指导和帮助!感谢室友给予作者的支持和帮助。感谢所有关心和鼓励过我的朋友!特别感谢我的父母和家人在我多年求学期间给予的全力支持和无私奉献!最后，感谢评阅、评议硕士学位论文和出席硕士学位论文答辩会的各位专家、教授在百忙之中给予的指导。2006年4月'