VIKOR的黃姜皂素生產工藝評價范文

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1引言(Introduction)

黃姜皂素（diosegenin）是數百種甾體類藥物的重要前體化合物，有“激素之母”和“藥用黃金”的美譽(徐升運等，2011；鄒濤等，2012)，全球只有我國和墨西哥等少數幾個國家擁有這一重要資源。但黃姜皂素生產產業水污染非常嚴重，由于我國皂素種植和生產區域主要分布在南水北調中線工程水源漢江上游，其污水對南水北調工程產生了重大威脅（LiHuiandNiJinren，2011）。為了降低末端治理的難度及提高該產業清潔生產水平，需要對現有及新的生產工藝的清潔生產水平進行綜合分析，找出最優的生產工藝。

目前，該產業比較有代表性的生產工藝有：直接分離法、直接分離-板框壓濾法、糖化-膜分離回收-酸水解（SMRH）法、微波破壁-甲醇提取法等(薛念濤等，2014；向羅京等，2013；徐永濤，2013；李江浩和葛臺明，2014；黃毅等，2014)。其中，微波破壁-甲醇提取法是一項比較新穎的技術。鄒濤等（鄒濤等，2012）通過實驗分析對比了微波破壁提取法與傳統生產工藝的萃取時間及提取率。向羅京等（向羅京等，2013）通過建立黃姜皂素產業的清潔生產評價指標體系，按照指標體系逐項對比了兩個生產實例中微波破壁提取法與傳統生產工藝的差別，而沒有綜合考慮不同工藝的清潔生產狀況。薛念濤等（薛念濤等，2014）和徐永濤（徐永濤，2013）采用AHP-灰色關聯分析法，總體分析了多種生產工藝與最優工藝的關聯度并進行排序，找出清潔水平最優的生產工藝。然而，此過程多次借助專家的主觀判斷，結果主觀且計算量較大，并且僅考慮了各生產工藝與理想最優生產工藝的關系，未考慮其與理想最劣生產工藝的關系。多準則妥協解排序（vikor）是多屬性決策中的折中優化方法（OpricovicS，1998；OpricovicSandTzengGH，2004），該算法不僅克服了文獻（薛念濤等，2014；向羅京等，2013；徐永濤，2013）對生產工藝對比、排序的局限，并且能最大化群體效益和最小化個體遺憾，同時考慮了決策者主觀偏好，使得妥協解更易被決策者所接受。通過改進指標權重的確定方法來改進VIKOR，使得評估結果更符合實際。采用熵值法計算評估準則的客觀權重，并運用博弈論模型求取主客觀權重的綜合權重。這種組合權重不僅同時考慮決策者的經驗與智慧及數據的客觀合理性，并且比簡單的平均得到的組合權重更科學、合理。最后，運用改進權重向量的VIKOR算法對黃姜皂素產業主要的生產工藝進行清潔生產評價和對比驗證，為黃姜皂素產業清潔生產工藝評價提供了一種新的、高效的方法。

2指標權重的確定(DeterminationofIndexWeight)

2.1熵值賦權法各評價準則主觀權重向量設為1W，采用熵值法（方國華和黃顯鋒，2011）對原始數據信息進行分析，計算客觀權重。對于n種待評價的生產工藝，每種生產工藝用m個評價準則來描述。首先，根據式（1）和式（2）對量綱不統一的原始數據進行標準化處理。

2.2基于博弈的組合權重基于博弈的組合權重確定模型將主、客觀權重進行綜合，既能反應決策者群體的經驗和智慧，又能提高評價結論的可靠性（袁宇等，2014；路遙等，2014）。該模型通過在不同方法確定的權重中尋找一致或妥協，極小化可能的權重與各基本權重之間的離差，最終得出綜合權重。

3多準則妥協解排序(VIKOR)

多準則妥協解排序（VIKOR）是Opricovic（OpricovicS，1998；OpricovicSandTzengGH，2004）提出的一種基于理想點解的多屬性決策方法，它通過最大化群體效用及最小化個體遺憾對給定的有限個方案進行折中排序，然后根據各個備選方案的評價值與理想方案的接近程度對方案進行擇優，其妥協解易于被決策者接受。

4生產實例(ProductionExample)

4.1生產工藝簡介酸水解是黃姜皂素生產工藝的核心工段，然而，酸水解裂解作用斷開甙鍵的同時淀粉和纖維素也會水解，最終變成廢水污染物（徐永濤，2013）。因此，清潔生產工藝應考慮在酸水解前分離出淀粉和纖維素。通過對黃姜皂素產業已有的并且有一定清潔效果的生產工藝進行了調查和匯總，主要包括以下幾種：直接分離法、糖化-膜分離回收-酸水解（SMRH）法、直接分離-板框壓濾法和微波破壁-甲醇提取法。直接分離法應用廣泛，該工藝通過粉碎使單體解離，再利用物理特性將其分離，污染情況比傳統工藝顯著改善。SMRH法已有應用，該工藝通過雙酶法對預發酵后黃姜中的部分淀粉液糖化后進行離心分離，再采用膜分離技術回收皂甙，最后進行酸水解得到產物。該工藝提高了皂素產率，并降低了污染物產量。直接分離-板框壓濾法已有應用，該工藝先將黃姜根莖不含皂素的纖維素分離回收，再通過物理方法提取纖維素和淀粉，大幅度減少酸化水解的物料。微波破壁-甲醇提取法已有應用，該工藝將粉碎的黃姜通過微波輻照打開細胞壁，極性較強的醇類溶劑進入后萃取，部分纖維外排，再將醇提漿料進行酸解。污水產生量很少，且皂素產率很高。

4.2評價指標體系參考文獻薛念濤等（薛念濤等，2014），成本投資及能耗系數指標對生產工藝的評估結果影響較小。為了提高評估效率，本文在此基礎上，通過對相關生產資料的分析及專家咨詢，并綜合考慮清潔生產評價指標體系構建原則，建立了黃姜皂素清潔生產評價指標體系。該體系以實行清潔生產、優化產業生產工藝、提高環境質量為總目標，建立了以資源能源、環境效益、經濟效益、生產特征為準則的黃姜皂素清潔生產評價指標體系，黃姜皂素產業清潔生產工藝評價指標體系見表1。從表1中可以看出，該評價體系包括8項二級評價指標，分別為：酸耗總量、水耗總量、廢水排放總量、COD排放總量、工藝皂素收率比值、運行成本、生產周期、副產品皂素含量。參考相關文獻（薛念濤等，2014；向羅京等，2013；徐永濤，2013）中典型的黃姜皂素生產工藝數據資料，選取4種黃姜皂素產業常用的生產工藝建立的學習樣本，4個樣本的詳細數據見表2。從表2中可以看出，樣本的8個指標具有不同的量綱和量綱單位。為了消除由此帶來的指標的不可公度性，對評價指標值進行無量綱化處理。無量綱化前將其表示為矩陣的形式，表2的生產數據對應的矩陣C為。

4.3組合權重的VIKOR在清潔生產工藝評價中的應用

采用AHP法（張炳江，2014）確定各評估準則的主觀權重。通過給10位行業專家發放調查問卷，采用1-9標度法對每一層各指標的相對重要性進行打分；然后，匯總有效的打分表，構造判斷矩陣，并運用matlab逐層求解各評估準則的權重，后進行一致性檢驗，結果見表3。從表1中可以看出，指標體系的8項指標中僅工藝皂素收率比值為效益型指標，其余均為成本型指標。按照式（1）和式（2）對原始矩陣C進行無量綱化處理，得到標準化矩陣D。其中，指標8-副產品皂素含量為固定性指標，且對應的生產數據均為最優值0，根據數據規范化處理時生產數據越優對應的標準值越大的原則，該指標數據經規范化處理后為1.0000,1.0000,1.0000,1.0000。從組合權重可以看出，COD排放總量、工藝皂素收率比值、廢水排放總量、酸耗總量的權重分別為：0.3412、0.2378、0.1674、0.1194，排在前4位，對評價結果影響較大。減少COD排放總量可以有效降低黃姜皂素產業排放的污染物量，降低廢水處理壓力和成本，有效緩解其引發的環境問題。提高皂素收率，不僅能減少黃姜資源的消耗，還能大大降低皂素提取成本。各指標的重要性符合黃姜皂素產業的實際生產情況。

從表中可以看出，兩種方法的評價結果完全一致。與AHP-灰色關聯法相比，改進權重向量的VIKOR模型得到排序前兩位的生產工藝4A和1A為妥協解生產工藝；AHP-灰色關聯法確定的4A和1A與理想最優生產工藝的關聯度分別為0.879和0.874，相差0.569%，這說明4A和1A為妥協解生產工藝的合理性。另外，本文評估模型在權重的確定上采用熵值法挖掘了原始數據的信息量，并運用博弈模型科學、合理的確定了組合權重，該組合權重更能反映各評估準則的重要性。同時，VIKOR算法對生產工藝進行評估排序時，能最大化群體效益和最小化個體遺憾，妥協解更易被決策者所接受，并且計算過程簡捷；而層次分析-灰色關聯法在排序時僅考慮了各生產工藝與理想最優工藝的關聯度，未考慮與理想最劣工藝的關系。因此，將VIKOR算法與博弈論組合賦權結合用于黃姜皂素生產工藝評價是科學合理的，為黃姜皂素產業清潔生產評估提供了一種新方法。

5結論(Conclusions)

1)將改進組合權重的VIKOR用于黃姜皂素產業的生產工藝評價，運用熵值法確定評估準則的客觀權重，并引入博弈論集結模型確定主觀權重和客觀權重的組合權重，使組合權重更能反映決策者的意愿并有效減少客觀信息的流失。與簡單平均求得的綜合權重相比，基于博弈論的主客觀組合所得權重更合理且符合實際生產情況。2)將改進組合權重的VIKOR模型對黃姜皂素產業有一定清潔效果的主要生產工藝進行評估判別，并與其他模型的評估進行對比，其評估結果一致，說明基于改進VIKOR算法的黃姜皂素生產工藝評價是可行的。該評價方法與其他方法相比，其計算過程更為簡潔，顯示了它的高效性。3)改進組合權重的VIKOR模型在對生產工藝評價時，不僅能防止個別較差指標的消極影響被其他指標中和，并且能最大化群體效益和最小化個體遺憾，同時其評價過程綜合考慮各生產工藝分別與最優工藝、最劣工藝的關系，使得評價更為完整。

作者：任聰亞 陳建宏 鄔書良 鄒哲 單位：中南大學資源與安全工程學院