基于人工神經網絡對皮革生態化的評價

羅娟 程書強

摘要：皮革生態化是產業發展的主流趨勢，其發展水平關系設計、生產及管理的優化，針對此，文章將在SEEA2012環境經濟綜合核算框架內，結合皮革生態化發展現狀，選定污染物及廢水排放量、廢水凈化率及環保投資等作為基礎的評價因子，并將皮革生態化狀況分為非常好、較好、一般、差等4類，以此構建非線性的BP神經網絡評價模型，據此對2003-2018年皮革生態化程度進行評價。結果表明，各層次企業的皮革生態化均呈現分階段的上升趨勢，但存在差異化特征，其將指引皮革企業加速生態化理念更新和技術變革。

關鍵詞：皮革生態化;BP神經網絡模型;評價指標;核算方法

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

皮革制造業作為聯動養殖業、原皮、成品制作、消費整個產業鏈的核心節點，其能夠避免動物皮毛直接丟棄造成的資源浪費和環境污染，實現皮毛價值的最優利用，但皮革制作所涉及的工藝流程復雜，在制革過程中需要添加諸如鞣劑、染料、涂飾劑的化學物質，這些物質含有一些有毒有害成分，一旦排向大氣或水體可能引致嚴重的環境污染問題，且其具有高污染難治理性，皮革制造工業已然成為輕工行業中的“污染大戶”。而當前，節能環保的綠色發展理念下，皮革制造業的高污染、高消耗的特質與之背道而馳，在此形勢倒逼下，皮革制造業也在逐漸轉變發展理念，以“生態皮革”為核心引領，更加注重清潔化生產技術的應用，并逐步開發綠色化學品和無污染工藝，以推進工藝內的再用與循環，進而滿足生態化的環保要求。而為準確、客觀的反映皮革生態化的發展水平，及時發現不足，進行針對性的改進，皮革生態化評價成為行業研究的熱點問題，但是縱觀現狀，國內外尚未形成統一的測評標準和方法，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，引入了具有自適應學習能力的BP人工神經網絡，來構建非線性的評價模型，以實現對皮革生態化的科學化評價，這對于推進皮革制造業的綠色發展具有重要的理論與現實意義。

1皮革生態化的評價指標體系

1.1評價指標的選取

污染物及廢水的排放是皮革制造中的常見物，也是影響皮革生態化發展的主要障礙，根據SEEA2012環境經濟綜合核算框架，其所涉及的環境經濟綜合指標，是指行業或企業在環境、經濟及資源等層面的發展狀態，而此處基于皮革的生態位目標，故而，將評價指標界定在環境指數上。文章將根據參考文獻，通過實地調研，結合皮革制造過程中污染物排放量和生態建設現狀，選定主要污染物排放量、工業廢水排放量、廢水處理排放達標率和生態環保投資比重等4項關鍵指標，構建指標體系如圖1所示。

1.2評價指標的核算方法

結合上述皮革生態化的評價指標，且基于皮革企業污染物的實際排放情況，目前的污染物主要為COD、BOD、氨氮、總鉻生態水平不同的企業排放各類污染物的比例存在差異，而文章利用標負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si，不同生態水平的企業，判斷系數區別明顯，該系數的數學表達式為：

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

判斷系數si越大，則皮革企業排放的污染物對生態影響越嚴重，其可有效反映皮革生態化的水平。

1.3評價標準的設計

評價標準也即皮革生態化評價的依據，其直接影響評價結果的客觀準確性，而文章參照環境保護部發布的《制革及毛皮加工工業水污染物排放標準》（GB30483-2013），簡稱新《標準》，將評價標準劃分為非常好、較好、一般、差等4個等級，具體如表1所示。

2基于BP神經網絡的皮革生態化評價模型

2.1評價方法

人工神經網絡，尤其BP網絡作為一種多反饋網絡，其可模擬人腦神經網絡的結構和功能，具備學習、記憶和聯想功能，能夠將模型中不確定數據依照非線性自適應方式進行規?；幚?，非常適合于處理復雜的非線性系統。故而，皮革生態化評價時，將采用BP神經網絡合理分配各神經元點之間的連接權值，其由輸人層、輸出層和隱含層等構成，如圖1所示。通過運行MATLAB軟件中的BP網絡模塊，將皮革企業生態化評價指標作為神經元的輸入，也即x1，x2…xn，評價等級作為神經元的輸出，也即y1，y2，…yn，利用等間距的線性內插方法，對經過歸一化處理的數據進行等級劃分，由此，構建皮革企業生態化評價的BP網絡訓練數據，而后，通過觀測學習樣本訓練數據實時修正權重，確定評價指標和評價級別之間的相互對應性，根據訓練樣本網絡模型，并參照評價標準，便可得出皮革生態化水平。

上式中，Nh為最佳隱含層節點數，Ni、No為輸人層、輸出層的神經元數量，Np為訓練樣本數。結合上述分析，文章選定污染物排放量、工業廢水排放量、廢水處理排放達標率和生態投資所占比值等4個生態化評價指標作為輸入層神經元，對應記為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元，對應記為y1、y2、y3、y4，因研究的訓練樣本為15，故而，結合上式（4），可得隱含層的節點數為12，由此，構建基于BP神經網路的皮革生態化評價模型。

2.3數據無量綱化處理

因為皮革生態化評價指標受不同參評因素的影響，各系數間的量綱不統一，無法進行有效比較，即便同一參數，雖可依據實測值判定其對生態化的影響程度，但仍缺失—個可參照的生態標準仍無法準確反映其對皮革生態化的貢獻，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據進行線『生變換，將其映射到[0，1]之間，而且，為確保評價結果的客觀、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上增添了0.1及（0.9～0.1）這兩項，利用如下公式將數據映射至[0.1，0.9]：

以每年份的數據為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、指標數。

2.4模型的訓練

采用MATLAB2018b軟件中的工具箱，來構建BP神經網絡進行訓練，其中隱含層、輸出層的神經元分別選擇S型的正切函數tansig、對數函數logig，這是因為輸出模式為[0，1]，有效滿足網絡的輸出要求，訓練、學習、性能等函數分別采用trainlm、learng.dm、rose，輸入、輸出向量分別為p、t，BP網絡的輸入層、輸出層的神經元數量分別為m、n，據此，結合上述各項評價指標與評價標準，系統隨機確定模型初始權重，而后，根據輸人訓練樣本進行網絡訓練，進而得出網絡輸出值，對比該值與實際輸出值之間的誤差，若存在誤差，則調整相應權值，直至誤差收斂至最小時，程序將存儲所有的網絡結構、連接權值，創建完成BP網絡模型，其網絡訓練流程如圖3所示。

3基于BP網絡模型的皮革生態化評價的實證

3.1樣本來源及參數設置

實證分析選取10家具有典型代表性的皮革制造企業，文章僅以1-10數字表示，從實際的生態化現狀看。生態化評價的數據來源于2003-2018年《中國皮革行業分析報告目錄》，皮革協會報告，《中國統計年鑒》、《中國環境狀況公報》。選定訓練樣本后，進行模型的網絡訓練，在反復訓練后，將網絡初始訓練次數設定為1000次，訓練要求的精度設定為1-e^-2，學習速率為0.001，過程如下：

訓練結果表明，通過31次的訓練后，BP網絡性能達到預設要求。

3.2評價結果分析

完成BP網絡訓練后，可將擬進行生態化評價的皮革企業的年份數據依次輸人訓練好的BP網絡，計算2003-2010、201 1-2018兩年份階段各項指標數值平均值，并將平均值無量綱化，而后，結合10家皮革企業的輸出等級關聯度，便可得出不同皮革企業各年份階段的生態化評價結果，如表2、3所示。

結合上表可知，10家皮革生態化評價結果，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，實證分析結果與各皮革企業生態化的實際情況基本一致，而且，各層次的皮革企業在2003-2010、2011-2018這兩個年份階段的皮革生態化水平均由低層級邁向高層級，呈現向好的發展，這根源于“節能環保”的大環境引領下，消費者對皮革制品的“無害”要求更為嚴格，傳統皮革制造中需添加有毒有害物質的加工工藝和技術，已經無法適應新需求，多重驅動下，皮革企業也在加速轉變發展理念，進行綠色生態技術的創新應用，淘汰高消耗、污染性的設備和工藝，由此，排放的污染物、廢水等實現了內部處理、循環利用和達標排放，從根本上提升了皮革的生態化水平。

4結論及建議

皮革制造需要經歷多道工序，各工序過程中均會有化學品加人，所排放出的污染物成分復雜、且量大，容易造成不同程度的環境問題，而為改善這一現狀，在生態環保理念指引下，各皮革企業也在加速推進生態建設，但所取得成果不一。而為根據各皮革企業生態化建設現狀，找準差距，彌補短板，文章采用非線性的BP人工網絡構建生態化評價模型，根據評價過程及結果分析可知，其可規避主觀評價的誤差，計算準確率較高，能夠客觀反映各類皮革企業的生態化建設現狀，為政策和方法的差異化實施提供了有效指引，并將驅動整個皮革產業生態化水平的進一步提升。而且，從BP人工神經網絡的實證評價結果可知，不同皮革企業之間的生態化水平存在顯著性差異，為此，根據該結果，如何通過政策制度指引和皮革企業自身發展的“內外合力”，來消除差異，推進皮革行業生態化進程，成為未來的核心引領，具體的建議如下。

4.1實施差異化的生態化政策制度

皮革生態化建設需要耗費大量的人力、物力資本，而皮革企業作為“理性經濟人”，以追求利益最大化為根本目標，故而，在生態化建設中的自主性和積極性較差，需要外力的驅動。而結合上述不同皮革企業生態化水平的層級差異，政府應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應該分別采取優先發展、鼓勵發展、控制發展和限制發展等不同的政策指引。針對生態水平非常好的的皮革企業，可設為重點關注、優先扶持的對象，以給予更多的稅收優惠減免、直接資金扶持等政策傾斜，從而以其為典型，逐步擴散，帶動企業皮革企業加速生態化進程;對于生態化水平較好的皮革企業，可以財政獎勵資金與生態化建設掛鉤，來激勵皮革企業引人節能設備、改造工藝流、研發環保技術，以期創造生態化發展的佳績;而對于生態化水平一般或較差的皮革企業，應給給予政策控制，在貸款審批、招商引資、企業擴張等政策上給予從嚴管制，以加快淘汰陳舊、高能耗的生產設備和工藝，促使其限期整改，以此促進皮革企業的生態化發展。

4.2強化皮革企業自身生態化建設

俗話說：“改革理念先行”，綠色生態化時代下，傳統的高能耗、高污染的皮革產業面臨著嚴峻的挑戰，加速轉變發展理念和方式成為必然之需。為此，皮革企業上至管理者下至普通員工均應充分意識到這一點，以前瞻性的生態化理念為引領，更加注重設計、生產及管理等各個環節的生態化投入和建設，通過多工序技術改造、配套設備和循環工藝的創新研發和應用，來推進生態化發展。尤其針對浸水、脫脂、軟化、浸酸、鞣制、染色等工序，傳統工藝需添加大量的化學物質，污染物排放中CDD、硫化物、氨氮的濃度較高，此時，以皮革行業新《標準》為指引，制定更為嚴格的生態化技術標準，并借鑒先進企業和國家的經驗，與行業領先要求接軌，以此找準短板，改造工藝設備與流程，實現污染物的減量化、無害化排放，甚至是資源化的利用，從根本上優化生態化水平。