基于神經(jīng)網(wǎng)絡的城市生活垃圾產(chǎn)生量預測
——以新疆為例

劉菊芳 劉玉芳

（1.北京外國語大學，北京100000；2.新疆開放大學，新疆 烏魯木齊830001）

一、研究背景及意義

隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進，城市生活垃圾產(chǎn)生量不斷激增。2018 年，我國已超越美國，垃圾產(chǎn)生量躍居全球第一［1］。根據(jù)《2021年中國統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，2020 年我國城市生活垃圾產(chǎn)生量多達2.35 億噸，同時與發(fā)達國家相比較，我國在垃圾回收、垃圾分類及末端處理能力上發(fā)展嚴重滯后，幾乎67%的城市面臨著“垃圾圍城”的困境，而垃圾消化處置設施卻維持多年不變［2］。生活垃圾如果不及時清理或處置方式不合理，將會引發(fā)嚴重的環(huán)境問題［3］，同時影響市容市貌，威脅城市的可持續(xù)發(fā)展。習近平向世界鄭重承諾：到2030 年實現(xiàn)碳達峰，2060 年實現(xiàn)碳中和的目標。同時，“雙碳”戰(zhàn)略也對垃圾綜合管理提出了新的要求。探索城市垃圾減量化、資源化、無害化處置是解決“垃圾圍城”困境的重要途徑，其中最為關鍵的是能前置預判未來生活垃圾的產(chǎn)生量進而采取措施控制垃圾產(chǎn)生、合理分配資源進行垃圾處置。通過科學的方法快而準地預測城市生活垃圾產(chǎn)生量不僅可以更好地為城市的發(fā)展規(guī)劃、城市生態(tài)規(guī)劃提供指導建議，還可以為源頭控制垃圾減量及末端垃圾處置布控等提供決策依據(jù)。

近年來國內(nèi)研究者使用多種的方法對城市生活垃圾產(chǎn)生量預測進行研究。主要采用的方法有人均指標和平均增長率預測法、線性和多元線性回歸模型預測法、灰色模型預測法、最小二乘法、指數(shù)平滑法等、時間序列模型預測法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡預測法等。也有研究人員同時采用多種預測方法，橫向比較得出結(jié)論：多元回歸模型預測法優(yōu)于人均指標和平均增長率預測法［4］，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測法優(yōu)于灰色模型和線性回歸預測［5］。每種預測模型都有其適用的范圍。如回歸模型著重于影響因素和垃圾產(chǎn)生量的普遍規(guī)律，適用于大范圍的垃圾產(chǎn)生量預測，而時間序列模型著重于特點范圍變化規(guī)律，適用于小范圍的預測［6］?？傮w來看，前人的研究為城市生活垃圾產(chǎn)生量的預測提供了多種多樣的參考方法，都能在一定范圍和程度上進行較好的預測。然而，近年來國內(nèi)對生活垃圾產(chǎn)生量的研究主要集中在經(jīng)濟發(fā)達和人口密度較大的一線城市，如北京、深圳、上海，而對于西部如新疆這類人口增速較快的省份的生活垃圾產(chǎn)生量的預測研究較少，故前置而又準確地預測生活垃圾產(chǎn)生量對新疆來說，同樣有著重要的意義。

新疆是我國西部重要省份，近年來經(jīng)濟全面發(fā)展，人民生活水平不斷提高，截至2020 年，新疆總?cè)丝?585 萬，人口增量位列全國第八，增速位列全國第四［7］。人口數(shù)量增長和人均消費支出增加直接導致生活垃圾不斷增長［8］。傅碧天通過分析也指出人口每增長1%，帶來的垃圾增量為0.75%，第三產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展及居民的消費升級都將導致垃圾產(chǎn)生量增加［9］。本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法，通過對新疆2009-2020 年的垃圾產(chǎn)生量進行分析，預測未來五年垃圾產(chǎn)生量，并通過預測結(jié)果對未來新疆垃圾產(chǎn)生的源頭控制和城市環(huán)境規(guī)劃提出有效的建議。

二、新疆城市生活垃圾現(xiàn)狀

隨著新疆經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，城市生活垃圾產(chǎn)生量也在不斷增長。本文以城市生活垃圾清運量作為衡量垃圾產(chǎn)生量的指標。從2009-2020年12年間新疆城市生活垃圾清運量分析（圖1）可看出，2009年至2020 年新疆的生活垃圾清運量呈逐步上升趨勢，由298.2 萬噸增長至364.2 萬噸，平均增長速度為1.94%。增幅最大的是2011年，同比2010年增長13.58%，其次是2015 年，同比2014 年增長5.38%。究其原因，經(jīng)濟、人口、消費等因素綜合作用導致垃圾產(chǎn)生量波動變化。2010-2015年新疆經(jīng)濟全面發(fā)展，取得了非常顯著的成績，2011 年GDP 增長率達21.56%，與此同時，第三產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2011年第三產(chǎn)業(yè)GDP 增速為近12 年最高，達27.08%。2011-2015 年居民人均可支配收入以平均13%的水平穩(wěn)定增長，2015 年人均消費支出同比2014 年增速提升一倍。經(jīng)濟發(fā)展帶動的消費增加及全社會固定資產(chǎn)投資總額增加等一系列原因，導致2015年之前垃圾產(chǎn)生量逐年增長。2015年之后，隨著GDP增速放緩，消費緊縮，全社會固定投資額出現(xiàn)負增長，2015-2017 年垃圾產(chǎn)生量出現(xiàn)負增長。2018 年社會消費品零售總額增速較快，達12.63%，城市生活垃圾增長5.2%。2018年之后，因GDP增長乏力，人均消費支出、社會消費品零售總額都出現(xiàn)負增長，垃圾產(chǎn)生量呈下降趨勢。受各種因素影響，垃圾產(chǎn)生量隨年份波動較大，垃圾產(chǎn)生量的準確預測顯得尤為重要。

圖1 2009-2020年新疆城市生活垃圾清運量分析

目前較廣泛使用的垃圾處置方式為衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥等。2009-2020 年（圖2），新疆的主要的垃圾處置方式為衛(wèi)生填埋，2015-2020 年，填埋處置的占比才逐步降低，焚燒處置的占比逐步提升。2020 年，填埋處置仍占整體處置比例的85.4%，焚燒占比13.2%。與國內(nèi)其它城市相比，垃圾處置手段相對落后。

圖2 2009-2020年新疆城市生活垃圾處置方式分析

三、新疆生活垃圾產(chǎn)生量預測

現(xiàn)有研究普遍認為生活垃圾產(chǎn)生量與人口規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、居民生活水平等因素密切相關［10］，本文以新疆人口作為衡量人口規(guī)模指標，以GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產(chǎn)投資總額作為衡量經(jīng)濟發(fā)展水平的指標，以第三產(chǎn)業(yè)GDP 作為衡量產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指標，以人均可支配收入、人均消費支出、居民消費價格指數(shù)、商品零售價格指數(shù)為衡量居民生活水平指標，來分析其與新疆垃圾產(chǎn)生量之間的關系（表1）。

表1 2009-2020年新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量及影響因素數(shù)據(jù)

（一）數(shù)據(jù)預處理

由于人均可支配收入、人均消費支出兩個指標數(shù)據(jù)存在缺失值，對兩個指標采取線性插值法補齊2009-2012年四年的數(shù)據(jù)。

（二）相關性檢驗

相關性檢驗是衡量自變量指標之間及自變量指標與因變量指標之間的相關關系，如自變量間相關性強，即存在共線性問題時，會影響模型訓練效果。本文采用皮爾遜相關系數(shù)對收集到的9個自變量和1 個因變量進行相關性分析，當相關系數(shù)絕對值小于0.3 時，變量間不相關；介于0.3 到0.8 之間，變量間弱相關；大于0.8時，變量間強相關。根據(jù)特征變量間相關性分析發(fā)現(xiàn)，全社會固定資產(chǎn)投資總額、社會消費品零售總額、居民人均消費支出、居民人均可支配收入、GDP 與生活垃圾清運量強相關；人口、第三產(chǎn)業(yè)GDP、商品零售價格指數(shù)、居民消費價格指數(shù)與生活垃圾清運量弱相關。其中，居民人均消費支出與居民人均可支配收入相關性為1，高度相關，二者與生活垃圾清運量相關性系數(shù)同為0.82，為提升模型訓練精度，需要刪除高度相關的冗余變量，故保留其一即可，本文保留居民人均消費支出；居民消費價格指數(shù)、商品零售價格指數(shù)與生活垃圾清運量呈弱負相關關系，故刪除。經(jīng)刪除冗余變量，最終確定以人口、GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產(chǎn)投資總額、第三產(chǎn)業(yè)GDP、居民人均消費支出等6個變量作為模型輸入?yún)?shù)。

（三）模型訓練

神經(jīng)網(wǎng)絡有自學習和非線性擬合功能，容易處理不完整的、模糊不確定或規(guī)律性不明顯的數(shù)據(jù)，魯棒性好。多層感知器（MLP，Multi layer Perceptron）是一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡。在前饋神經(jīng)網(wǎng)絡中，每個神經(jīng)元屬于不同的層，每層都可以接受上一層的信號，并通過激活函數(shù)轉(zhuǎn)換信號輸出至下一層，通過逐層傳遞信號，實現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射。

本文將采用多層感知器模型對新疆生活垃圾產(chǎn)生量進行預測分析。通過相關性分析，將確定的6個變量作為模型輸入?yún)?shù)。選用輸入層、隱藏層、輸出層3 層神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的75%作為訓練樣本，經(jīng)標準化后來訓練模型，剩余25%來驗證模型效果，最終輸出生活垃圾清運量預測值。

（四）模型評估

通過多層感知器建模，發(fā)現(xiàn)輸入的6 個指標變量對垃圾產(chǎn)生量影響程度為：GDP ＞全社會固定資產(chǎn)投資總額＞第三產(chǎn)業(yè)GDP ＞社會消費品零售總額＞人口＞居民人均消費支出。說明隨著新疆生產(chǎn)總值的增加，經(jīng)濟發(fā)展，極大地帶動了生活垃圾的增加。

本文采用絕對誤差、相對誤差和真實值與預測值的相關系數(shù)R2三個指標對模型進行評估（表2），真實值與預測值的絕對誤差最大是9.02，最小是-0.25，平均絕對誤差為4.94；相對誤差最大值為2.48%，最小值為0.07%，平均相對誤差為1.39%；真實值與預測值的相關系數(shù)為0.963。預測結(jié)果精度較好，可在一定程度上準確地預測新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量。

表2 2009-2020年新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量預測數(shù)據(jù)

（五）模型預測

首先，通過線性回歸預測法，預測2021-2025年人口、GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產(chǎn)投資總額、第三產(chǎn)業(yè)GDP、居民人均消費支出等6個變量，得到預測結(jié)果數(shù)據(jù)集，預測相關系數(shù)均值為0.974，預測精度較高。然后運用訓練好的多層感知器模型，同樣以上述6個指標作為輸入?yún)?shù)，預測2021-2025年的生活垃圾產(chǎn)生量（表3）。

表3 2021-2025年新疆城市生活垃圾影響因素及產(chǎn)生量預測數(shù)據(jù)

根據(jù)新疆城市生活垃圾真實值與預測分析趨勢（圖3），相較于2020年，2021-2025年經(jīng)濟持續(xù)增長，新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量有一定增長，同時GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產(chǎn)總投資額、人口、居民消費支出等各項變量指標增速放緩，增長率逐年遞減，2021-2025年垃圾產(chǎn)生量亦逐年遞減，呈現(xiàn)負增長趨勢，垃圾產(chǎn)生量預測值分別為：371.24萬噸、370.61萬噸、370.25萬噸、369.98萬噸、369.73 萬噸，均值為370.4 萬噸；2021-2025 年垃圾產(chǎn)生量增長率分別為：1.93%、-0.17%、-0.10%、-0.07%、-0.07%，平均增長率為0.3%。但由于本文用于分析預測數(shù)據(jù)僅有12 組，數(shù)據(jù)量有限，未來五年的生活垃圾產(chǎn)生量數(shù)據(jù)仍需根據(jù)當年實際情況進行相應的調(diào)整。

圖3 新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量預測分析趨勢圖

四、結(jié)論與建議

（一）結(jié)論

通過對新疆城市生活垃圾預測分析，發(fā)現(xiàn)新疆生產(chǎn)總值的增加極大地帶動了生活垃圾的增加。從預測效果來看，本文提出多層感知器模型可較準確地預測新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量。2021-2025年新疆城市生活垃圾產(chǎn)生量在2020 年量級基礎上呈增長態(tài)勢，平均增長率為0.3%，同時因2021-2025年經(jīng)濟、人口、消費等因素增速放緩，增長率逐年遞減，2021-2025 年垃圾產(chǎn)生量亦逐年遞減，2021-2025 年垃圾產(chǎn)生量預測值分別為371.24 萬噸、370.61萬噸、370.25萬噸、369.98萬噸、369.73萬噸，均值為370.4 萬噸。但由于訓練模型數(shù)據(jù)量較少，而影響城市生活垃圾產(chǎn)生量的因素又比較多，本文提出的模型仍存在一定的局限性，未來幾年的城市生活垃圾產(chǎn)生量仍需結(jié)合當年實際情況加以修正。

（二）建議

結(jié)合對新疆生活垃圾的預測分析，為更科學有效地制定垃圾管理政策，并從源頭控制減量，踐行“雙碳”戰(zhàn)略，推進新疆的生態(tài)建設和可持續(xù)發(fā)展，提出如下建議。

1.垃圾末端處置落后，亟須改善

2020年生態(tài)環(huán)境部、住建部和發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設施補短板強弱項實施方案》，該方案明確提出到2023年，要全面落實零填埋原生垃圾的目標。而新疆現(xiàn)階段仍有85%的生活垃圾通過衛(wèi)生填埋處置，處置手段相對落后。且填埋導致地下水、環(huán)境等二次污染問題比較嚴重，必須加以重視。在“雙碳”大背景下，推進創(chuàng)新科學技術(shù)在垃圾末端處置環(huán)節(jié)中的應用，推進垃圾末端處置無害化、經(jīng)濟化、智能化建設。近年來垃圾焚燒處置逐漸成為垃圾終端處置主流方式，新疆可大力引入垃圾焚燒設備和技術(shù)，垃圾經(jīng)過焚燒后產(chǎn)生的熱能可用于發(fā)電或供熱。

2.推進源頭控制減量，垃圾分類迫在眉睫

推進城市生活垃圾源頭分類迫在眉睫，也志在必行。目前新疆還未從法律法規(guī)層面強制推行垃圾分類，面對垃圾產(chǎn)生量不斷增長的大趨勢，需要通過前置的預測產(chǎn)量，結(jié)合社會經(jīng)濟條件、垃圾種類組分等因素，從政策制定、設施配置、宣傳教育等方面，盡快推進新疆生活垃圾分類，從源頭上進一步控制垃圾的產(chǎn)生量。

3.提升居民生態(tài)環(huán)保意識：垃圾減量，從我做起

利用網(wǎng)絡媒體大力宣傳生態(tài)環(huán)保理念，提升居民生態(tài)環(huán)保意識，積極呼吁和倡導城市居民自發(fā)參與城市可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)建設。倡導理性消費，節(jié)約資源，減少生活垃圾。倡導生活垃圾分類，爭做垃圾分類的先行者和踐行者。倡導生活垃圾回收與利用，經(jīng)濟環(huán)保的同時能變廢為寶。