2019年美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽(MCM/ICM) E題解題思路

這次我們選擇的問題是E題，以下是我們解題時(shí)候的一些思路。很多不易體現(xiàn)的項(xiàng)目產(chǎn)生對(duì)環(huán)境造成影響的指標(biāo)可以由一些等同類型的指標(biāo)來代替，如土地、森林植被被破環(huán)，可以根據(jù)生產(chǎn)率變動(dòng)方法和置換成本法進(jìn)行核算，大氣污染可以用疾病成本法等來體現(xiàn)。

題目

經(jīng)濟(jì)理論經(jīng)常忽視其決策對(duì)生物圈的影響,或者為其需求承擔(dān)無限的資源或能力。這種觀點(diǎn)存在缺陷,現(xiàn)在環(huán)境面臨著后果。生物圈提供了許多自然過程來維持健康和可持續(xù)的人類生活環(huán)境,這被稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。例子包括將廢物變成食物,水過濾,種植食物,授粉植物,以及將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。然而,每當(dāng)人類改變生態(tài)系統(tǒng)時(shí),我們可能會(huì)限制或消除生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。當(dāng)?shù)匦∫?guī)模土地利用變化的影響,例如建設(shè)一些道路,下水道,橋梁,房屋或工廠,可能看起來微不足道。加入這些小型項(xiàng)目,大型項(xiàng)目,如建設(shè)或搬遷大型公司總部,在全國范圍內(nèi)建設(shè)管道,或擴(kuò)大或改變水道以擴(kuò)展商業(yè)用途?，F(xiàn)在考慮一下這個(gè)地區(qū),國家和世界上許多這些項(xiàng)目的影響。雖然這些活動(dòng)可能看似單獨(dú)對(duì)生物圈運(yùn)作潛力的總體能力無關(guān)緊要,它們直接影響生物多樣性并導(dǎo)致環(huán)境退化。傳統(tǒng)上,大多數(shù)土地利用項(xiàng)目都沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響或考慮到變化。減輕土地利用變化負(fù)面結(jié)果的經(jīng)濟(jì)成本:污染的河流,空氣質(zhì)量差,危險(xiǎn)廢物場(chǎng)所,處理不當(dāng)?shù)膹U水,氣候變化等,往往不包括在計(jì)劃中。是否有可能對(duì)土地利用開發(fā)項(xiàng)目的環(huán)境成本進(jìn)行評(píng)估?如何在這些項(xiàng)目成本中考慮環(huán)境退化?一旦將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)入項(xiàng)目的成本效益比,就可以確定和評(píng)估項(xiàng)目的真實(shí)和全面估值。

您的 ICM 團(tuán)隊(duì)已被聘請(qǐng)創(chuàng)建生態(tài)服務(wù)評(píng)估模型,以了解考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)土地利用項(xiàng)目的真實(shí)經(jīng)濟(jì)成本。使用您的模型對(duì)不同規(guī)模的土地利用開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行成本效益分析,從小型社區(qū)項(xiàng)目到大型國家項(xiàng)目。根據(jù)您的分析和模型設(shè)計(jì)評(píng)估模型的有效性。您的建模對(duì)土地使用項(xiàng)目規(guī)劃人員和管理人員有何影響?您的模型如何隨時(shí)間變化?

解題思路

這次比賽題目有點(diǎn)不友好，首先在求解問題的劃分上相對(duì)于以往幾年來講不明確，我們大概從上面這段話中，我們自己總結(jié)歸納了以下五個(gè)任務(wù)。

• 任務(wù)一：建立評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的模型，并再考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)分析土地利用項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)成本。
• 任務(wù)二：將我們的模型應(yīng)用于不同類型的土地利用開發(fā)項(xiàng)目，并量化土地利用項(xiàng)目的成本效益。
• 任務(wù)三：基于模型設(shè)計(jì)和模型分析，評(píng)估模型的有效性。
• 任務(wù)四：分析我們的模型對(duì)土地使用項(xiàng)目規(guī)劃者和管理者的影響。
• 任務(wù)五：隨著時(shí)間的推移，對(duì)我們的模型做一些合理的調(diào)整。

我們可以知道，本題需建立一個(gè)生態(tài)服務(wù)評(píng)估模型，根據(jù)不同規(guī)模的土地使用開發(fā)項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行成本效益分析,以此來得到真實(shí)的經(jīng)濟(jì)成本。

注：土地開發(fā)項(xiàng)目考慮了生態(tài)環(huán)境成本,于是項(xiàng)目真實(shí)經(jīng)濟(jì)成本就包括土地成本、建設(shè)成本、環(huán)境成本及其它成本。模型隨著時(shí)間推移而變化就是考慮環(huán)境成本的時(shí)間性和空間性特征。

首先，需根據(jù)各開發(fā)項(xiàng)目，識(shí)別其各種可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的活動(dòng)，從中辨識(shí)并篩選出對(duì)環(huán)境有較大影響的活動(dòng)作為重點(diǎn)進(jìn)行研究，確定環(huán)境成本的對(duì)象，對(duì)象的選擇可以根據(jù)參考提供文獻(xiàn)中 INVEST 模型中所提供的相關(guān)指標(biāo)，然后對(duì)該項(xiàng)目的開發(fā)環(huán)境成本進(jìn)行估算，可以通過查閱相關(guān)資料及題目中所提供的網(wǎng)站查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)其影響的各種環(huán)境要素及其質(zhì)量參數(shù)的特點(diǎn)，選取合適的估算方法和模型，估算出具體開發(fā)項(xiàng)目的環(huán)境成本，如主成分分析法、熵權(quán)法等。而我們團(tuán)隊(duì)運(yùn)用層次分析法找出了五個(gè)顯著影響的方面，為了量化抽象現(xiàn)實(shí)情況，我們結(jié)合 MA 的報(bào)告呈現(xiàn)，考慮隨著時(shí)間變化的一些因素，如氣候，土質(zhì)等等，重新建立了 INVEST 模型，將影響因子計(jì)入項(xiàng)目的成本效益比，因此評(píng)估結(jié)果得以可視化表達(dá)。

擬定降低開發(fā)環(huán)境成本的可行方案，識(shí)別出各種因素的負(fù)面影響或逆影響，盡量降低環(huán)境成本。其中環(huán)境成本計(jì)量方法可采用直接市場(chǎng)評(píng)價(jià)法、替代市場(chǎng)評(píng)價(jià)法、非市場(chǎng)評(píng)價(jià)方法等。我們把模型運(yùn)用于市區(qū)以及不同國家不同地區(qū)的場(chǎng)景中使用，它的使用評(píng)價(jià)以及改進(jìn)方法也隨之而出。

通過上述指標(biāo)(大氣、水、土壤等)的選取及相關(guān)數(shù)據(jù)的估算，最終可以建立一個(gè)生態(tài)服務(wù)評(píng)估模型，對(duì)其項(xiàng)目的環(huán)境成本進(jìn)行計(jì)量。如若開發(fā)一個(gè)住宅項(xiàng)目，可以選取其施工過程中存在的噪聲污染、大氣污染、水污染、垃圾污染等對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行估算，具體估算方法可以參考提供文獻(xiàn)中所用到的計(jì)算方法，然后對(duì)這些損失通過一定的彌補(bǔ)措施來讓其生態(tài)環(huán)境不受到太大的破壞。由此就要投入一定的環(huán)境成本來緩解這些現(xiàn)象，如垃圾處理設(shè)施所需的成本、消除噪聲裝置所需的成本等等。其他項(xiàng)目也是一樣運(yùn)用類似思路可以計(jì)算其環(huán)境成本。我們?cè)诠罍y(cè)實(shí)際項(xiàng)目的成本時(shí)，通過可采集的數(shù)據(jù)，繪制出了 ROC 曲線，ROC 可用于預(yù)測(cè)診斷有效性，而 ROC 曲線下的面積 AUC 被用于作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來反應(yīng)其成本效益比。而實(shí)際項(xiàng)目的復(fù)雜性除了模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)問題的限制外，還包括人類決策的影響。對(duì)此，我們可以利用基于貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)的 NUTS 生態(tài)模型參數(shù)優(yōu)化方法，提高模型模擬精度，增強(qiáng)模型的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

以上就是關(guān)于【2019年美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽(MCM/ICM) E題解題思路】的解答，如需了解學(xué)校/賽事/課程動(dòng)態(tài)，可至翰林教育官網(wǎng)獲取更多信息。

往期文章閱讀推薦：

2025HIMCM全球高中生數(shù)模賽B題

2025HIMCM全球高中生數(shù)模賽A題