基于BP模型的北京PM_2.5年均值預(yù)測研究

史勉 宋昭崢 楊春鵬

摘要：PM2.5也稱作可入顆粒物。是指大氣中直徑小于等于2.5微米的顆粒物。雖然PM2.5在地球大氣成分中含量很少，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響，且對人體健康影響很大。該研究以北京市機動車保有量、煤炭消耗量和年揚塵天數(shù)2000-2013年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測研究，結(jié)果表明：2014年P(guān)M2.5年均值為90.83μg/m3，三因素與PM2.5年均值的相關(guān)度順序為：煤炭消耗量>年揚塵天數(shù)>機動車保有量。

關(guān)鍵詞：PM2.5；BP模型；預(yù)測研究

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）25-5998-02

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測PM2.5基本原理

1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選取

由于PM2.5污染的主要原因是化石燃料的燃燒（如機動車尾氣、燃煤）、城市揚塵、光化學(xué)反應(yīng)等。因而，基于2000-2013年北京市煤炭消費量、汽車保有量和年揚塵天數(shù)對2014年年均PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模式

BP（Back Propagation）網(wǎng)絡(luò)是1986年由Rumelhart和McCelland為首的科學(xué)家小組提出，是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要有一定量的歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到其中隱含的知識。圖1為所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，其中煤炭消費、機動車數(shù)、揚塵天數(shù)為輸入，Wi0，Wi1， Wi2，Wi3為權(quán)值，可以根據(jù)對原始數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練不斷自動調(diào)整，f（·）為激活函數(shù)，通常選為雙極S形函數(shù)，這樣會有較快的收斂速度，x0為閾值，最終輸出為PM2.5值。

2 基于matlab BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練-預(yù)測

本文通過運用表1中的歷史數(shù)據(jù)來訓(xùn)練建立BP網(wǎng)絡(luò)。

表1為2000-2013年的北京市機動車保有量、煤炭消耗量和年揚塵天數(shù)的數(shù)據(jù)，其中PM2.5為環(huán)保局年均數(shù)據(jù)（北京市環(huán)境保護局網(wǎng)站，其中2012年前的PM2.5數(shù)據(jù)為PM10數(shù)據(jù)，通常情況PM2.5與PM10之間換算系數(shù)約為0.5～0.8，該文主旨在于介紹作為預(yù)測PM濃度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，故簡化其換算系數(shù)為1） ，機動車保有量及煤炭消費量均來自政府公開公布數(shù)據(jù)（北京市統(tǒng)計局），年揚塵天數(shù)（為年揚塵揚沙天數(shù)總和，來源于北京市氣象局，定義為能見度小于10km）。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以看出機動車保有量是逐年上升的，但是上升速度隨著北京市出臺的各種政策（限號、限行、限排量、限排標(biāo)）有所變緩，且北京市的煤炭消耗量呈逐年下降趨勢，這與北京市的取暖煤改氣有很大關(guān)系。

隨著北京市煤炭消費量的降低和年平均揚塵天數(shù)的變化，北京市年均PM2.5的值呈現(xiàn)相同的變化趨勢，這說明了煤炭燃燒和揚塵對PM2.5的影響直接。

通過matlab數(shù)學(xué)處理，得出的汽車保有量、煤炭消費量以及年揚塵天數(shù)與PM2.5之間的相關(guān)度?？梢钥闯雒禾肯M量依然是所選的作為預(yù)測輸入值的三個因素中的主要影響因素，相關(guān)程度依次為煤炭消費量（0.71）>年揚塵天數(shù)（0.59）>汽車保有量（0.23）。

通過matlab程序，調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)工具包，對2000年-2013年北京市汽車保有量、煤炭消費量、年平均揚塵天數(shù)進(jìn)行處理（歸一化、訓(xùn)練并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。

3.2 2014年P(guān)M2.5年均值預(yù)測

4 預(yù)測模型分析

① 各種因素在PM2.5貢獻(xiàn)中的不等同作用

在機動車尾氣（汽車保有量）、燃煤（煤炭消費量）和氣象（年揚塵天數(shù)）這幾個因素中，燃煤（煤炭消費量）因素是影響北京市PM2.5的主要因素。

② PM2.5 的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型改進(jìn)展望

不同的傳遞函數(shù)和學(xué)習(xí)函數(shù)將會對預(yù)測的收斂速度造成影響，總的特點是速度收斂較快的函數(shù)往往精度較差。因而今后的研究中隨著高性能計算的采用，可以加進(jìn)更多的因子，并且采用更加貼近污染物擴散模型的函數(shù)進(jìn)行建模訓(xùn)練。

5 環(huán)保措施

根據(jù)北京市“十二五”規(guī)劃，北京將對煤炭的消費嚴(yán)格進(jìn)行控制，從而提升天然氣、電力、新能源和可再生能源利用水平。嚴(yán)格限制中心城區(qū)燃煤使用率，完成三大燃煤電廠和63 座大型燃煤鍋爐天然氣改造工程，繼續(xù)實施非文保區(qū)平房、簡易樓小煤爐清潔能源改造，基本實現(xiàn)五環(huán)內(nèi)供熱無煤化。據(jù)悉，北京市將大力推廣包括電動汽車在內(nèi)的新能源動力汽車，并采取新‘國五燃油標(biāo)準(zhǔn)，以期調(diào)整汽柴油動力汽車的比重，改善尾氣排放造成的空氣污染。