基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對皮革生態(tài)化的評價

羅娟 程書強

摘要：皮革生態(tài)化是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流趨勢，其發(fā)展水平關(guān)系設(shè)計、生產(chǎn)及管理的優(yōu)化，針對此，文章將在SEEA2012環(huán)境經(jīng)濟綜合核算框架內(nèi)，結(jié)合皮革生態(tài)化發(fā)展現(xiàn)狀，選定污染物及廢水排放量、廢水凈化率及環(huán)保投資等作為基礎(chǔ)的評價因子，并將皮革生態(tài)化狀況分為非常好、較好、一般、差等4類，以此構(gòu)建非線性的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型，據(jù)此對2003-2018年皮革生態(tài)化程度進行評價。結(jié)果表明，各層次企業(yè)的皮革生態(tài)化均呈現(xiàn)分階段的上升趨勢，但存在差異化特征，其將指引皮革企業(yè)加速生態(tài)化理念更新和技術(shù)變革。

關(guān)鍵詞：皮革生態(tài)化;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;評價指標(biāo);核算方法

中圖分類號：TPl8;TS51 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0126-04

皮革制造業(yè)作為聯(lián)動養(yǎng)殖業(yè)、原皮、成品制作、消費整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心節(jié)點，其能夠避免動物皮毛直接丟棄造成的資源浪費和環(huán)境污染，實現(xiàn)皮毛價值的最優(yōu)利用，但皮革制作所涉及的工藝流程復(fù)雜，在制革過程中需要添加諸如鞣劑、染料、涂飾劑的化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)含有一些有毒有害成分，一旦排向大氣或水體可能引致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，且其具有高污染難治理性，皮革制造工業(yè)已然成為輕工行業(yè)中的“污染大戶”。而當(dāng)前，節(jié)能環(huán)保的綠色發(fā)展理念下，皮革制造業(yè)的高污染、高消耗的特質(zhì)與之背道而馳，在此形勢倒逼下，皮革制造業(yè)也在逐漸轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，以“生態(tài)皮革”為核心引領(lǐng)，更加注重清潔化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，并逐步開發(fā)綠色化學(xué)品和無污染工藝，以推進工藝內(nèi)的再用與循環(huán)，進而滿足生態(tài)化的環(huán)保要求。而為準(zhǔn)確、客觀的反映皮革生態(tài)化的發(fā)展水平，及時發(fā)現(xiàn)不足，進行針對性的改進，皮革生態(tài)化評價成為行業(yè)研究的熱點問題，但是縱觀現(xiàn)狀，國內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的測評標(biāo)準(zhǔn)和方法，而針對AHP、DEA評價方法的主觀誤差性，研究借鑒以往研究成果，引入了具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來構(gòu)建非線性的評價模型，以實現(xiàn)對皮革生態(tài)化的科學(xué)化評價，這對于推進皮革制造業(yè)的綠色發(fā)展具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1皮革生態(tài)化的評價指標(biāo)體系

1.1評價指標(biāo)的選取

污染物及廢水的排放是皮革制造中的常見物，也是影響皮革生態(tài)化發(fā)展的主要障礙，根據(jù)SEEA2012環(huán)境經(jīng)濟綜合核算框架，其所涉及的環(huán)境經(jīng)濟綜合指標(biāo)，是指行業(yè)或企業(yè)在環(huán)境、經(jīng)濟及資源等層面的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，而此處基于皮革的生態(tài)位目標(biāo)，故而，將評價指標(biāo)界定在環(huán)境指數(shù)上。文章將根據(jù)參考文獻，通過實地調(diào)研，結(jié)合皮革制造過程中污染物排放量和生態(tài)建設(shè)現(xiàn)狀，選定主要污染物排放量、工業(yè)廢水排放量、廢水處理排放達標(biāo)率和生態(tài)環(huán)保投資比重等4項關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)體系如圖1所示。

1.2評價指標(biāo)的核算方法

結(jié)合上述皮革生態(tài)化的評價指標(biāo)，且基于皮革企業(yè)污染物的實際排放情況，目前的污染物主要為COD、BOD、氨氮、總鉻生態(tài)水平不同的企業(yè)排放各類污染物的比例存在差異，而文章利用標(biāo)負(fù)荷比來表征這一比例差異，且為了簡化研究，將其定義為判斷系數(shù)si，不同生態(tài)水平的企業(yè)，判斷系數(shù)區(qū)別明顯，該系數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為：

上式中，si為判斷系數(shù)，也即各皮革企業(yè)污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷比，Pi為第i個皮革企業(yè)各類污染物的排放量，單位為萬噸，Pn為所有皮革企業(yè)污染物的排放總量，單位為萬噸。

判斷系數(shù)si越大，則皮革企業(yè)排放的污染物對生態(tài)影響越嚴(yán)重，其可有效反映皮革生態(tài)化的水平。

1.3評價標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計

評價標(biāo)準(zhǔn)也即皮革生態(tài)化評價的依據(jù)，其直接影響評價結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性，而文章參照環(huán)境保護部發(fā)布的《制革及毛皮加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB30483-2013），簡稱新《標(biāo)準(zhǔn)》，將評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為非常好、較好、一般、差等4個等級，具體如表1所示。

2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的皮革生態(tài)化評價模型

2.1評價方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，尤其BP網(wǎng)絡(luò)作為一種多反饋網(wǎng)絡(luò)，其可模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，具備學(xué)習(xí)、記憶和聯(lián)想功能，能夠?qū)⒛Ｐ椭胁淮_定數(shù)據(jù)依照非線性自適應(yīng)方式進行規(guī)?；幚?，非常適合于處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。故而，皮革生態(tài)化評價時，將采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)合理分配各神經(jīng)元點之間的連接權(quán)值，其由輸人層、輸出層和隱含層等構(gòu)成，如圖1所示。通過運行MATLAB軟件中的BP網(wǎng)絡(luò)模塊，將皮革企業(yè)生態(tài)化評價指標(biāo)作為神經(jīng)元的輸入，也即x1，x2…xn，評價等級作為神經(jīng)元的輸出，也即y1，y2，…yn，利用等間距的線性內(nèi)插方法，對經(jīng)過歸一化處理的數(shù)據(jù)進行等級劃分，由此，構(gòu)建皮革企業(yè)生態(tài)化評價的BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而后，通過觀測學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)實時修正權(quán)重，確定評價指標(biāo)和評價級別之間的相互對應(yīng)性，根據(jù)訓(xùn)練樣本網(wǎng)絡(luò)模型，并參照評價標(biāo)準(zhǔn)，便可得出皮革生態(tài)化水平。

上式中，Nh為最佳隱含層節(jié)點數(shù)，Ni、No為輸人層、輸出層的神經(jīng)元數(shù)量，Np為訓(xùn)練樣本數(shù)。結(jié)合上述分析，文章選定污染物排放量、工業(yè)廢水排放量、廢水處理排放達標(biāo)率和生態(tài)投資所占比值等4個生態(tài)化評價指標(biāo)作為輸入層神經(jīng)元，對應(yīng)記為x1、x2、x3、x4，選取非常好、較好、一般、差等4個評價等級作為輸出神經(jīng)元，對應(yīng)記為y1、y2、y3、y4，因研究的訓(xùn)練樣本為15，故而，結(jié)合上式（4），可得隱含層的節(jié)點數(shù)為12，由此，構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)路的皮革生態(tài)化評價模型。

2.3數(shù)據(jù)無量綱化處理

因為皮革生態(tài)化評價指標(biāo)受不同參評因素的影響，各系數(shù)間的量綱不統(tǒng)一，無法進行有效比較，即便同一參數(shù)，雖可依據(jù)實測值判定其對生態(tài)化的影響程度，但仍缺失—個可參照的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)仍無法準(zhǔn)確反映其對皮革生態(tài)化的貢獻，為此，需要對參評因素進行無量綱化處理，通過歸一化完成對原始數(shù)據(jù)進行線『生變換，將其映射到[0，1]之間，而且，為確保評價結(jié)果的客觀、真實性，將剔除0、1該兩種極值的影響，在以往歸一化的公式基礎(chǔ)上增添了0.1及（0.9～0.1）這兩項，利用如下公式將數(shù)據(jù)映射至[0.1，0.9]：

以每年份的數(shù)據(jù)為1個樣本，max、min分別為樣本最大值、最小值，i、i分別為總樣本數(shù)、指標(biāo)數(shù)。

2.4模型的訓(xùn)練

采用MATLAB2018b軟件中的工具箱，來構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，其中隱含層、輸出層的神經(jīng)元分別選擇S型的正切函數(shù)tansig、對數(shù)函數(shù)logig，這是因為輸出模式為[0，1]，有效滿足網(wǎng)絡(luò)的輸出要求，訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、性能等函數(shù)分別采用trainlm、learng.dm、rose，輸入、輸出向量分別為p、t，BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層、輸出層的神經(jīng)元數(shù)量分別為m、n，據(jù)此，結(jié)合上述各項評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)隨機確定模型初始權(quán)重，而后，根據(jù)輸人訓(xùn)練樣本進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，進而得出網(wǎng)絡(luò)輸出值，對比該值與實際輸出值之間的誤差，若存在誤差，則調(diào)整相應(yīng)權(quán)值，直至誤差收斂至最小時，程序?qū)⒋鎯λ械木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、連接權(quán)值，創(chuàng)建完成BP網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程如圖3所示。

3基于BP網(wǎng)絡(luò)模型的皮革生態(tài)化評價的實證

3.1樣本來源及參數(shù)設(shè)置

實證分析選取10家具有典型代表性的皮革制造企業(yè)，文章僅以1-10數(shù)字表示，從實際的生態(tài)化現(xiàn)狀看。生態(tài)化評價的數(shù)據(jù)來源于2003-2018年《中國皮革行業(yè)分析報告目錄》，皮革協(xié)會報告，《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境狀況公報》。選定訓(xùn)練樣本后，進行模型的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，在反復(fù)訓(xùn)練后，將網(wǎng)絡(luò)初始訓(xùn)練次數(shù)設(shè)定為1000次，訓(xùn)練要求的精度設(shè)定為1-e^-2，學(xué)習(xí)速率為0.001，過程如下：

訓(xùn)練結(jié)果表明，通過31次的訓(xùn)練后，BP網(wǎng)絡(luò)性能達到預(yù)設(shè)要求。

3.2評價結(jié)果分析

完成BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，可將擬進行生態(tài)化評價的皮革企業(yè)的年份數(shù)據(jù)依次輸人訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)，計算2003-2010、201 1-2018兩年份階段各項指標(biāo)數(shù)值平均值，并將平均值無量綱化，而后，結(jié)合10家皮革企業(yè)的輸出等級關(guān)聯(lián)度，便可得出不同皮革企業(yè)各年份階段的生態(tài)化評價結(jié)果，如表2、3所示。

結(jié)合上表可知，10家皮革生態(tài)化評價結(jié)果，目前處于非常好等級的為1、2兩家，處于較好等級的為3、4、5等三家，處于一般等級的為6、7、8、9、10，實證分析結(jié)果與各皮革企業(yè)生態(tài)化的實際情況基本一致，而且，各層次的皮革企業(yè)在2003-2010、2011-2018這兩個年份階段的皮革生態(tài)化水平均由低層級邁向高層級，呈現(xiàn)向好的發(fā)展，這根源于“節(jié)能環(huán)?！钡拇蟓h(huán)境引領(lǐng)下，消費者對皮革制品的“無害”要求更為嚴(yán)格，傳統(tǒng)皮革制造中需添加有毒有害物質(zhì)的加工工藝和技術(shù)，已經(jīng)無法適應(yīng)新需求，多重驅(qū)動下，皮革企業(yè)也在加速轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，進行綠色生態(tài)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，淘汰高消耗、污染性的設(shè)備和工藝，由此，排放的污染物、廢水等實現(xiàn)了內(nèi)部處理、循環(huán)利用和達標(biāo)排放，從根本上提升了皮革的生態(tài)化水平。

4結(jié)論及建議

皮革制造需要經(jīng)歷多道工序，各工序過程中均會有化學(xué)品加人，所排放出的污染物成分復(fù)雜、且量大，容易造成不同程度的環(huán)境問題，而為改善這一現(xiàn)狀，在生態(tài)環(huán)保理念指引下，各皮革企業(yè)也在加速推進生態(tài)建設(shè)，但所取得成果不一。而為根據(jù)各皮革企業(yè)生態(tài)化建設(shè)現(xiàn)狀，找準(zhǔn)差距，彌補短板，文章采用非線性的BP人工網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建生態(tài)化評價模型，根據(jù)評價過程及結(jié)果分析可知，其可規(guī)避主觀評價的誤差，計算準(zhǔn)確率較高，能夠客觀反映各類皮革企業(yè)的生態(tài)化建設(shè)現(xiàn)狀，為政策和方法的差異化實施提供了有效指引，并將驅(qū)動整個皮革產(chǎn)業(yè)生態(tài)化水平的進一步提升。而且，從BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實證評價結(jié)果可知，不同皮革企業(yè)之間的生態(tài)化水平存在顯著性差異，為此，根據(jù)該結(jié)果，如何通過政策制度指引和皮革企業(yè)自身發(fā)展的“內(nèi)外合力”，來消除差異，推進皮革行業(yè)生態(tài)化進程，成為未來的核心引領(lǐng)，具體的建議如下。

4.1實施差異化的生態(tài)化政策制度

皮革生態(tài)化建設(shè)需要耗費大量的人力、物力資本，而皮革企業(yè)作為“理性經(jīng)濟人”，以追求利益最大化為根本目標(biāo)，故而，在生態(tài)化建設(shè)中的自主性和積極性較差，需要外力的驅(qū)動。而結(jié)合上述不同皮革企業(yè)生態(tài)化水平的層級差異，政府應(yīng)該給予差別化的政策制度，對于非常好、較好、一般、差等各層級的皮革企業(yè)應(yīng)該分別采取優(yōu)先發(fā)展、鼓勵發(fā)展、控制發(fā)展和限制發(fā)展等不同的政策指引。針對生態(tài)水平非常好的的皮革企業(yè)，可設(shè)為重點關(guān)注、優(yōu)先扶持的對象，以給予更多的稅收優(yōu)惠減免、直接資金扶持等政策傾斜，從而以其為典型，逐步擴散，帶動企業(yè)皮革企業(yè)加速生態(tài)化進程;對于生態(tài)化水平較好的皮革企業(yè)，可以財政獎勵資金與生態(tài)化建設(shè)掛鉤，來激勵皮革企業(yè)引人節(jié)能設(shè)備、改造工藝流、研發(fā)環(huán)保技術(shù)，以期創(chuàng)造生態(tài)化發(fā)展的佳績;而對于生態(tài)化水平一般或較差的皮革企業(yè)，應(yīng)給給予政策控制，在貸款審批、招商引資、企業(yè)擴張等政策上給予從嚴(yán)管制，以加快淘汰陳舊、高能耗的生產(chǎn)設(shè)備和工藝，促使其限期整改，以此促進皮革企業(yè)的生態(tài)化發(fā)展。

4.2強化皮革企業(yè)自身生態(tài)化建設(shè)

俗話說：“改革理念先行”，綠色生態(tài)化時代下，傳統(tǒng)的高能耗、高污染的皮革產(chǎn)業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加速轉(zhuǎn)變發(fā)展理念和方式成為必然之需。為此，皮革企業(yè)上至管理者下至普通員工均應(yīng)充分意識到這一點，以前瞻性的生態(tài)化理念為引領(lǐng)，更加注重設(shè)計、生產(chǎn)及管理等各個環(huán)節(jié)的生態(tài)化投入和建設(shè)，通過多工序技術(shù)改造、配套設(shè)備和循環(huán)工藝的創(chuàng)新研發(fā)和應(yīng)用，來推進生態(tài)化發(fā)展。尤其針對浸水、脫脂、軟化、浸酸、鞣制、染色等工序，傳統(tǒng)工藝需添加大量的化學(xué)物質(zhì)，污染物排放中CDD、硫化物、氨氮的濃度較高，此時，以皮革行業(yè)新《標(biāo)準(zhǔn)》為指引，制定更為嚴(yán)格的生態(tài)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并借鑒先進企業(yè)和國家的經(jīng)驗，與行業(yè)領(lǐng)先要求接軌，以此找準(zhǔn)短板，改造工藝設(shè)備與流程，實現(xiàn)污染物的減量化、無害化排放，甚至是資源化的利用，從根本上優(yōu)化生態(tài)化水平。