新疆工业结构及污染优化升级的多维标度分析

（新疆财经大学应用数学学院，乌鲁木齐市，830012） 赵 静 蒲 越

环境保护和社会经济发展是一个有机整体，社会经济发展要以能源工业为基础，而能源工业又是环境的重要污染源之一，经济发展则是解决能源和环境问题的根本保证，以环境为代价的能源发展方式难以持久，而孤立地就环境讨论环境，社会经济就难以发展，能源的发展必受影响，环境保护也缺少物质基础。

新疆是中国矿产资源最为丰富的省区之一，矿产种类全，储量大，开发前景广阔。目前发现的矿产有138种，其中，5种储量居全国首位，25种居全国前5位，40种居全国前10位，23种居西北地区首位。正是因为新疆资源丰富，新疆基本建成具有全国意义的石油和石油化工基地，煤炭基地，有色和稀有金属基地等，同时，其他制造业也逐渐多了起来，为新疆的经济建设做出了重要的贡献。但是随着工业制造业基地的建立，给新疆的空气环境带来了极大的威胁。但是，由于受诸多因素的影响，新疆工业经济总体上仍沿袭传统的经济发展方式，“高耗能、高投入、高污染”所谓“三高”产业仍占主体地位，正日益对本来十分脆弱的生态环境造成不可忽视的压力。因而，新疆工业发展已经到了不得不抛弃传统的经济发展方式，进而选择新型工业化道路，加快推进新型工业化的严峻时刻。而加快推进新型工业化首先要面临产业的选择与发展问题。根据经典的环境理论，一般反映环境污染状况主要分为三类指标：废水、废气和固体废弃物三类指标。基于本论文的研究视角，同时考虑到数据的可得性，引入工业废水排放量、工业二氧化硫排放量、工业烟尘排放量、工业粉尘排放量和工业固体废物排放量五类环境指标，来反映环境污染状况。因此采用多维标度法对新疆工业制造业与空气环境影响的关系进行分析。

1 分析方法

多维标度法（MultidimensionalScaling）就是解决这类问题的一种方法，它是一种在低维空间展示“距离”数据结构的多元数据分析技术，简称MDS。多维标度法起源于心理测度学，用于理解人们判断的相似性。Torgerson拓展了Richardson及Klingberg等人在三、四十年代的研究，具有突破性地提出了多维标度法，后经Shepard和Kruskal等人进一步加以发展完善。多维标度法现在已经成为一种广泛用于心理学、市场调查、社会学、物理学、政治科学及生物学等领域的数据分析方法。

多维标度法是一种利用客体间的相似性数据去揭示它们之间的空间关系的统计分析方法。它通过一系列技巧，识别构成一个关键的维数，并在这个确定维数的空间中估计一组样本的坐标，其基础数据可以是配对样本间的距离阵，也可以是相似系数矩阵，而相似系数矩阵通过标准变换转换成距离阵。

1.1 度量型多维标度及其古典解法

度量型多维标度分析从n×n 阶距离矩阵D开始，该矩阵元素为dij。度量型多维标度分析的目标是从给定的数据点之间的距离中发现p 维空间中的点构图，使得p 维空间n个点的坐标欧几里得距离矩阵，其元素与给定距离矩阵D中的元素尽可能相近。古典求解法是基于欧几里得几何学计算的距离矩阵。

1.2 非度量型多维标度

与度量型多维标度分析一样，非度量型多维标度分析的目标是要在p 维空间上找到点的坐标，使得观测到的近似程度和点之间的距离相一致。非度量型多维标度分析的提出是基于度量型多维标度分析的两个主要弱点：①相异性和距离之间显性函数联系的定义是为了从给定相异性导出距离。②欧几里得几何在决定对象构图时有局限。非度量型多维标度分析的思想是要找到相异性和距离之间的一个不太严格的关系。

2 我国各省份经济差异

2.1 指标介绍

为了分析新疆工业制造业对空气的影响，选取2014年新疆15个重点工业制造业，如表1所示，其中其他行业作为独立的一个行业进行数据处理。

其次选取11个变量及相应的解释如表2所示：X1：2014年工业总产值（万元）；X2：工业废气排放量（亿立方米）；X3：工业二氧化硫排放量（万吨）；X4：工业氮氧化物排放量（万吨）；X5：工业烟（粉）尘排放量（万吨）；X6：煤炭消耗量（万吨）；X7：柴油消耗量（万吨）；X8：天然气消耗量（亿立方米）；X9：电力消耗量（亿千瓦时）；X10：工业废水化学需氧量排放量（吨）；X11：工业废水氨氮排放量（吨）。

2.2 多维标度分析

利用R3.3.2统计软件进行数据处理，首先将变量的数据标准化，其次计算行业间的距离矩阵，然后通过内积矩阵计算特征值，选择合适的维度，最后做出新疆工业结构空间分布图。（见表3、4）

通过表5可以看出，15个特征值中，前12个特征值为正数，后三个特征值为负数，在前12个特征值中，可以明显看出前两个特征值比其它特征值都大出很多，因此为了提供切实可行的解释，通过特征值计算解释变化的比例，如表6所示。

根据维数解释的变化的比例和比例之和可以看出，前三个维数已经解释了数据的一大部分，而从第四个维数往后所解释的比例明显没有前三个维数多，前三个维数所解释变化的比例就已经达到了82.08909%，因此最终模型取三个维数也是合理的。因此新疆工业行业的坐标值和新疆工业结构空间分布图分别如表7及图1所示。

表1 新疆工业制造行业表

表2 变量表

表3 原始数据表

表4 原始数据表

表5 特征值表

图1 新疆工业结构空间定位图

2.3 空间定位图的含义解释

图1给出的就是2014年新疆15个工业行业结构的拟合定位图，并且是经过正交旋转后的结果。由图可见，黑色金属矿采选业、有色金属矿采选业、农副产品加工业、造纸及纸制品业、皮革、毛皮、羽绒及制品业、木材加工及竹、藤、草制品业、家具制造业等行业均集中在原点位置，而电力、热力的生成和供应业、石油加工、炼焦及核燃料加工业、化学原料及化学制品制造业、其他行业均在距离原点较远的位置。

从行业特征来看，废气污染高排放的电力、热力的生成和供应业、石油加工、炼焦及核燃料加工业等行业均处于x轴的正半轴方向，而低废气排放的黑色金属矿采选业、有色金属矿采选业等行业处于x轴的负半轴方向，因此可以认为x轴反应的是废气的排放程度，数值越大则代表该行业废气排放量越高；经济产值高的石油加工、炼焦及核燃料加工业、化学原料及化学制品制造业等行业处于y轴的正半轴方向，而经济产值低的电力、热力的生成和供应业等行业位于y轴的负半轴方向，因此可以认为y轴反应的是行业的经济效益地位，数值越大则说明该行业经济地位越高；废水污染高排放的石油加工、炼焦及核燃料加工业等行业均处于z轴的正半轴方向，而经废水污染低排放的电力、热力的生成和供应业等行业位于z轴的负半轴方向，因此可以认为z轴反应的是废水污染程度，数值越高则说明该行业废水污染越大。

表6 各维数数解释变化比例表

表7 新疆工业行业坐标值

3 结论及建议

通过图1分析结果表明，新疆化学工业依旧是经济发展的主体力量，具备比较雄厚的基础，在带来高产值的同时，石油加工、炼焦及核燃料加工业和化学原料及化学制品制造业的废气以及废水的排放量均非常高，这种工业结构也是造成污染的主要原因之一；另外电力、热力的生成和供应业的废气排放量居于15个行业之首，主要是因为新疆大部分地区均采用热力发电，在消耗了巨大煤炭资源的同时，也排出了很多废气，对空气环境带来了极大的威胁；剩下的行业，如黑色金属矿采选业、有色金属矿采选业、农副产品加工业、造纸及纸制品业、非金属矿物制品业、水泥行业等均处于中等位置，废气和废水的排放量较小，但是产值也相应较小；而手工业如皮革、毛皮、羽绒及制品业，木材加工及竹、藤、草制品业、家具制造业等行业的废气，废水排放量基本没有，属于绿色工业，但是产值也非常小，在新疆并不属于主导工业。积极发展对经济增长有突破性重大带动作用的科技含量高的行业，使工业结构向着减物质化和高知识化的方向发展；同时，加快利用高新技术和先进适用技术对产业的改造，提高资源的利用效率，增加科技含量，增强工业结构的整体素质。

3.1 先发展电子信息产业，积极发展高新技术产业

随着年来进入大数据时代，新技术产业特别是电子信息产业科技含量高、发展速度快、渗透力和带动力强，而且资源消耗低、环境污染少，加快发展以电子信息产业为代表的高新技术产业，是改变工业结构性污染和降低工业发展对自然资源依赖程度的重要环节。

3.2 加速高新技术对传统产业的改造

围绕增加品种、改善质量、节能降耗、防治污染和提高劳动生产率，充分发挥高新技术的“种子”效应，强化支柱产业和优势产业，适时地推动工业行业结构及其科技结构合理性转变。一方面，加快工业的信息化建设。充分利用现代信息技术，有效解决工业发展基础设施薄弱、能源紧张、设备陈旧落后、管理水平较低等瓶颈问题，尽快全面信息化。另一方面，加快产业新技术化的进程。加快发展能够推动工业升级的共性技术、关键技术和配套技术，重点支持电力煤气的产供业、石油加工及焦炼业等重点行业和重点企业的节水、节能和综合防治“三废”的技术改造。

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