基于神经网络的城市生活垃圾产生量预测——以新疆为例

刘菊芳 刘玉芳

（1.北京外国语大学，北京100000；2.新疆开放大学，新疆 乌鲁木齐830001）

一、研究背景及意义

随着经济飞速发展及城镇化的推进，城市生活垃圾产生量不断激增。2018 年，我国已超越美国，垃圾产生量跃居全球第一［1］。根据《2021年中国统计年鉴》数据，2020 年我国城市生活垃圾产生量多达2.35 亿吨，同时与发达国家相比较，我国在垃圾回收、垃圾分类及末端处理能力上发展严重滞后，几乎67%的城市面临着“垃圾围城”的困境，而垃圾消化处置设施却维持多年不变［2］。生活垃圾如果不及时清理或处置方式不合理，将会引发严重的环境问题［3］，同时影响市容市貌，威胁城市的可持续发展。习近平向世界郑重承诺：到2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和的目标。同时，“双碳”战略也对垃圾综合管理提出了新的要求。探索城市垃圾减量化、资源化、无害化处置是解决“垃圾围城”困境的重要途径，其中最为关键的是能前置预判未来生活垃圾的产生量进而采取措施控制垃圾产生、合理分配资源进行垃圾处置。通过科学的方法快而准地预测城市生活垃圾产生量不仅可以更好地为城市的发展规划、城市生态规划提供指导建议，还可以为源头控制垃圾减量及末端垃圾处置布控等提供决策依据。

近年来国内研究者使用多种的方法对城市生活垃圾产生量预测进行研究。主要采用的方法有人均指标和平均增长率预测法、线性和多元线性回归模型预测法、灰色模型预测法、最小二乘法、指数平滑法等、时间序列模型预测法、BP 神经网络预测法等。也有研究人员同时采用多种预测方法，横向比较得出结论：多元回归模型预测法优于人均指标和平均增长率预测法［4］，而BP神经网络预测法优于灰色模型和线性回归预测［5］。每种预测模型都有其适用的范围。如回归模型着重于影响因素和垃圾产生量的普遍规律，适用于大范围的垃圾产生量预测，而时间序列模型着重于特点范围变化规律，适用于小范围的预测［6］。总体来看，前人的研究为城市生活垃圾产生量的预测提供了多种多样的参考方法，都能在一定范围和程度上进行较好的预测。然而，近年来国内对生活垃圾产生量的研究主要集中在经济发达和人口密度较大的一线城市，如北京、深圳、上海，而对于西部如新疆这类人口增速较快的省份的生活垃圾产生量的预测研究较少，故前置而又准确地预测生活垃圾产生量对新疆来说，同样有着重要的意义。

新疆是我国西部重要省份，近年来经济全面发展，人民生活水平不断提高，截至2020 年，新疆总人口2585 万，人口增量位列全国第八，增速位列全国第四［7］。人口数量增长和人均消费支出增加直接导致生活垃圾不断增长［8］。傅碧天通过分析也指出人口每增长1%，带来的垃圾增量为0.75%，第三产业高速发展及居民的消费升级都将导致垃圾产生量增加［9］。本文基于神经网络算法，通过对新疆2009-2020 年的垃圾产生量进行分析，预测未来五年垃圾产生量，并通过预测结果对未来新疆垃圾产生的源头控制和城市环境规划提出有效的建议。

二、新疆城市生活垃圾现状

随着新疆经济稳步发展，城市生活垃圾产生量也在不断增长。本文以城市生活垃圾清运量作为衡量垃圾产生量的指标。从2009-2020年12年间新疆城市生活垃圾清运量分析（图1）可看出，2009年至2020 年新疆的生活垃圾清运量呈逐步上升趋势，由298.2 万吨增长至364.2 万吨，平均增长速度为1.94%。增幅最大的是2011年，同比2010年增长13.58%，其次是2015 年，同比2014 年增长5.38%。究其原因，经济、人口、消费等因素综合作用导致垃圾产生量波动变化。2010-2015年新疆经济全面发展，取得了非常显著的成绩，2011 年GDP 增长率达21.56%，与此同时，第三产业快速发展，2011年第三产业GDP 增速为近12 年最高，达27.08%。2011-2015 年居民人均可支配收入以平均13%的水平稳定增长，2015 年人均消费支出同比2014 年增速提升一倍。经济发展带动的消费增加及全社会固定资产投资总额增加等一系列原因，导致2015年之前垃圾产生量逐年增长。2015年之后，随着GDP增速放缓，消费紧缩，全社会固定投资额出现负增长，2015-2017 年垃圾产生量出现负增长。2018 年社会消费品零售总额增速较快，达12.63%，城市生活垃圾增长5.2%。2018年之后，因GDP增长乏力，人均消费支出、社会消费品零售总额都出现负增长，垃圾产生量呈下降趋势。受各种因素影响，垃圾产生量随年份波动较大，垃圾产生量的准确预测显得尤为重要。

图1 2009-2020年新疆城市生活垃圾清运量分析

目前较广泛使用的垃圾处置方式为卫生填埋、焚烧和堆肥等。2009-2020 年（图2），新疆的主要的垃圾处置方式为卫生填埋，2015-2020 年，填埋处置的占比才逐步降低，焚烧处置的占比逐步提升。2020 年，填埋处置仍占整体处置比例的85.4%，焚烧占比13.2%。与国内其它城市相比，垃圾处置手段相对落后。

图2 2009-2020年新疆城市生活垃圾处置方式分析

三、新疆生活垃圾产生量预测

现有研究普遍认为生活垃圾产生量与人口规模、经济发展水平、产业结构、居民生活水平等因素密切相关［10］，本文以新疆人口作为衡量人口规模指标，以GDP、社会消费品零售总额、全社会固定资产投资总额作为衡量经济发展水平的指标，以第三产业GDP 作为衡量产业结构指标，以人均可支配收入、人均消费支出、居民消费价格指数、商品零售价格指数为衡量居民生活水平指标，来分析其与新疆垃圾产生量之间的关系（表1）。

表1 2009-2020年新疆城市生活垃圾产生量及影响因素数据

（一）数据预处理

由于人均可支配收入、人均消费支出两个指标数据存在缺失值，对两个指标采取线性插值法补齐2009-2012年四年的数据。

（二）相关性检验

相关性检验是衡量自变量指标之间及自变量指标与因变量指标之间的相关关系，如自变量间相关性强，即存在共线性问题时，会影响模型训练效果。本文采用皮尔逊相关系数对收集到的9个自变量和1 个因变量进行相关性分析，当相关系数绝对值小于0.3 时，变量间不相关；介于0.3 到0.8 之间，变量间弱相关；大于0.8时，变量间强相关。根据特征变量间相关性分析发现，全社会固定资产投资总额、社会消费品零售总额、居民人均消费支出、居民人均可支配收入、GDP 与生活垃圾清运量强相关；人口、第三产业GDP、商品零售价格指数、居民消费价格指数与生活垃圾清运量弱相关。其中，居民人均消费支出与居民人均可支配收入相关性为1，高度相关，二者与生活垃圾清运量相关性系数同为0.82，为提升模型训练精度，需要删除高度相关的冗余变量，故保留其一即可，本文保留居民人均消费支出；居民消费价格指数、商品零售价格指数与生活垃圾清运量呈弱负相关关系，故删除。经删除冗余变量，最终确定以人口、GDP、社会消费品零售总额、全社会固定资产投资总额、第三产业GDP、居民人均消费支出等6个变量作为模型输入参数。

（三）模型训练

神经网络有自学习和非线性拟合功能，容易处理不完整的、模糊不确定或规律性不明显的数据，鲁棒性好。多层感知器（MLP，Multi layer Perceptron）是一种前馈型神经网络。在前馈神经网络中，每个神经元属于不同的层，每层都可以接受上一层的信号，并通过激活函数转换信号输出至下一层，通过逐层传递信号，实现输入到输出的非线性映射。

本文将采用多层感知器模型对新疆生活垃圾产生量进行预测分析。通过相关性分析，将确定的6个变量作为模型输入参数。选用输入层、隐藏层、输出层3 层神经网络结构数据的75%作为训练样本，经标准化后来训练模型，剩余25%来验证模型效果，最终输出生活垃圾清运量预测值。

（四）模型评估

通过多层感知器建模，发现输入的6 个指标变量对垃圾产生量影响程度为：GDP ＞全社会固定资产投资总额＞第三产业GDP ＞社会消费品零售总额＞人口＞居民人均消费支出。说明随着新疆生产总值的增加，经济发展，极大地带动了生活垃圾的增加。

本文采用绝对误差、相对误差和真实值与预测值的相关系数R2三个指标对模型进行评估（表2），真实值与预测值的绝对误差最大是9.02，最小是-0.25，平均绝对误差为4.94；相对误差最大值为2.48%，最小值为0.07%，平均相对误差为1.39%；真实值与预测值的相关系数为0.963。预测结果精度较好，可在一定程度上准确地预测新疆城市生活垃圾产生量。

表2 2009-2020年新疆城市生活垃圾产生量预测数据

（五）模型预测

首先，通过线性回归预测法，预测2021-2025年人口、GDP、社会消费品零售总额、全社会固定资产投资总额、第三产业GDP、居民人均消费支出等6个变量，得到预测结果数据集，预测相关系数均值为0.974，预测精度较高。然后运用训练好的多层感知器模型，同样以上述6个指标作为输入参数，预测2021-2025年的生活垃圾产生量（表3）。

表3 2021-2025年新疆城市生活垃圾影响因素及产生量预测数据

根据新疆城市生活垃圾真实值与预测分析趋势（图3），相较于2020年，2021-2025年经济持续增长，新疆城市生活垃圾产生量有一定增长，同时GDP、社会消费品零售总额、全社会固定资产总投资额、人口、居民消费支出等各项变量指标增速放缓，增长率逐年递减，2021-2025年垃圾产生量亦逐年递减，呈现负增长趋势，垃圾产生量预测值分别为：371.24万吨、370.61万吨、370.25万吨、369.98万吨、369.73 万吨，均值为370.4 万吨；2021-2025 年垃圾产生量增长率分别为：1.93%、-0.17%、-0.10%、-0.07%、-0.07%，平均增长率为0.3%。但由于本文用于分析预测数据仅有12 组，数据量有限，未来五年的生活垃圾产生量数据仍需根据当年实际情况进行相应的调整。

图3 新疆城市生活垃圾产生量预测分析趋势图

四、结论与建议

（一）结论

通过对新疆城市生活垃圾预测分析，发现新疆生产总值的增加极大地带动了生活垃圾的增加。从预测效果来看，本文提出多层感知器模型可较准确地预测新疆城市生活垃圾产生量。2021-2025年新疆城市生活垃圾产生量在2020 年量级基础上呈增长态势，平均增长率为0.3%，同时因2021-2025年经济、人口、消费等因素增速放缓，增长率逐年递减，2021-2025 年垃圾产生量亦逐年递减，2021-2025 年垃圾产生量预测值分别为371.24 万吨、370.61万吨、370.25万吨、369.98万吨、369.73万吨，均值为370.4 万吨。但由于训练模型数据量较少，而影响城市生活垃圾产生量的因素又比较多，本文提出的模型仍存在一定的局限性，未来几年的城市生活垃圾产生量仍需结合当年实际情况加以修正。

（二）建议

结合对新疆生活垃圾的预测分析，为更科学有效地制定垃圾管理政策，并从源头控制减量，践行“双碳”战略，推进新疆的生态建设和可持续发展，提出如下建议。

1.垃圾末端处置落后，亟须改善

2020年生态环境部、住建部和发改委联合发布《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》，该方案明确提出到2023年，要全面落实零填埋原生垃圾的目标。而新疆现阶段仍有85%的生活垃圾通过卫生填埋处置，处置手段相对落后。且填埋导致地下水、环境等二次污染问题比较严重，必须加以重视。在“双碳”大背景下，推进创新科学技术在垃圾末端处置环节中的应用，推进垃圾末端处置无害化、经济化、智能化建设。近年来垃圾焚烧处置逐渐成为垃圾终端处置主流方式，新疆可大力引入垃圾焚烧设备和技术，垃圾经过焚烧后产生的热能可用于发电或供热。

2.推进源头控制减量，垃圾分类迫在眉睫

推进城市生活垃圾源头分类迫在眉睫，也志在必行。目前新疆还未从法律法规层面强制推行垃圾分类，面对垃圾产生量不断增长的大趋势，需要通过前置的预测产量，结合社会经济条件、垃圾种类组分等因素，从政策制定、设施配置、宣传教育等方面，尽快推进新疆生活垃圾分类，从源头上进一步控制垃圾的产生量。

3.提升居民生态环保意识：垃圾减量，从我做起

利用网络媒体大力宣传生态环保理念，提升居民生态环保意识，积极呼吁和倡导城市居民自发参与城市可持续发展及生态建设。倡导理性消费，节约资源，减少生活垃圾。倡导生活垃圾分类，争做垃圾分类的先行者和践行者。倡导生活垃圾回收与利用，经济环保的同时能变废为宝。