基于人工神经网络对皮革生态化的评价

罗娟 程书强

摘要：皮革生态化是产业发展的主流趋势，其发展水平关系设计、生产及管理的优化，针对此，文章将在SEEA2012环境经济综合核算框架内，结合皮革生态化发展现状，选定污染物及废水排放量、废水净化率及环保投资等作为基础的评价因子，并将皮革生态化状况分为非常好、较好、一般、差等4类，以此构建非线性的BP神经网络评价模型，据此对2003-2018年皮革生态化程度进行评价。结果表明，各层次企业的皮革生态化均呈现分阶段的上升趋势，但存在差异化特征，其将指引皮革企业加速生态化理念更新和技术变革。

关键词：皮革生态化;BP神经网络模型;评价指标;核算方法

中图分类号：TPl8;TS51 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）10-0126-04

皮革制造业作为联动养殖业、原皮、成品制作、消费整个产业链的核心节点，其能够避免动物皮毛直接丢弃造成的资源浪费和环境污染，实现皮毛价值的最优利用，但皮革制作所涉及的工艺流程复杂，在制革过程中需要添加诸如鞣剂、染料、涂饰剂的化学物质，这些物质含有一些有毒有害成分，一旦排向大气或水体可能引致严重的环境污染问题，且其具有高污染难治理性，皮革制造工业已然成为轻工行业中的“污染大户”。而当前，节能环保的绿色发展理念下，皮革制造业的高污染、高消耗的特质与之背道而驰，在此形势倒逼下，皮革制造业也在逐渐转变发展理念，以“生态皮革”为核心引领，更加注重清洁化生产技术的应用，并逐步开发绿色化学品和无污染工艺，以推进工艺内的再用与循环，进而满足生态化的环保要求。而为准确、客观的反映皮革生态化的发展水平，及时发现不足，进行针对性的改进，皮革生态化评价成为行业研究的热点问题，但是纵观现状，国内外尚未形成统一的测评标准和方法，而针对AHP、DEA评价方法的主观误差性，研究借鉴以往研究成果，引入了具有自适应学习能力的BP人工神经网络，来构建非线性的评价模型，以实现对皮革生态化的科学化评价，这对于推进皮革制造业的绿色发展具有重要的理论与现实意义。

1皮革生态化的评价指标体系

1.1评价指标的选取

污染物及废水的排放是皮革制造中的常见物，也是影响皮革生态化发展的主要障礙，根据SEEA2012环境经济综合核算框架，其所涉及的环境经济综合指标，是指行业或企业在环境、经济及资源等层面的发展状态，而此处基于皮革的生态位目标，故而，将评价指标界定在环境指数上。文章将根据参考文献，通过实地调研，结合皮革制造过程中污染物排放量和生态建设现状，选定主要污染物排放量、工业废水排放量、废水处理排放达标率和生态环保投资比重等4项关键指标，构建指标体系如图1所示。

1.2评价指标的核算方法

结合上述皮革生态化的评价指标，且基于皮革企业污染物的实际排放情况，目前的污染物主要为COD、BOD、氨氮、总铬生态水平不同的企业排放各类污染物的比例存在差异，而文章利用标负荷比来表征这一比例差异，且为了简化研究，将其定义为判断系数si，不同生态水平的企业，判断系数区别明显，该系数的数学表达式为：

上式中，si为判断系数，也即各皮革企业污染物的等标污染负荷比，Pi为第i个皮革企业各类污染物的排放量，单位为万吨，Pn为所有皮革企业污染物的排放总量，单位为万吨。

判断系数si越大，则皮革企业排放的污染物对生态影响越严重，其可有效反映皮革生态化的水平。

1.3评价标准的设计

评价标准也即皮革生态化评价的依据，其直接影响评价结果的客观准确性，而文章参照环境保护部发布的《制革及毛皮加工工业水污染物排放标准》（GB30483-2013），简称新《标准》，将评价标准划分为非常好、较好、一般、差等4个等级，具体如表1所示。

2基于BP神经网络的皮革生态化评价模型

2.1评价方法

人工神经网络，尤其BP网络作为一种多反馈网络，其可模拟人脑神经网络的结构和功能，具备学习、记忆和联想功能，能够将模型中不确定数据依照非线性自适应方式进行规模化处理，非常适合于处理复杂的非线性系统。故而，皮革生态化评价时，将采用BP神经网络合理分配各神经元点之间的连接权值，其由输人层、输出层和隐含层等构成，如图1所示。通过运行MATLAB软件中的BP网络模块，将皮革企业生态化评价指标作为神经元的输入，也即x1，x2…xn，评价等级作为神经元的输出，也即y1，y2，…yn，利用等间距的线性内插方法，对经过归一化处理的数据进行等级划分，由此，构建皮革企业生态化评价的BP网络训练数据，而后，通过观测学习样本训练数据实时修正权重，确定评价指标和评价级别之间的相互对应性，根据训练样本网络模型，并参照评价标准，便可得出皮革生态化水平。

上式中，Nh为最佳隐含层节点数，Ni、No为输人层、输出层的神经元数量，Np为训练样本数。结合上述分析，文章选定污染物排放量、工业废水排放量、废水处理排放达标率和生态投资所占比值等4个生态化评价指标作为输入层神经元，对应记为x1、x2、x3、x4，选取非常好、较好、一般、差等4个评价等级作为输出神经元，对应记为y1、y2、y3、y4，因研究的训练样本为15，故而，结合上式（4），可得隐含层的节点数为12，由此，构建基于BP神经网路的皮革生态化评价模型。

2.3数据无量纲化处理

因为皮革生态化评价指标受不同参评因素的影响，各系数间的量纲不统一，无法进行有效比较，即便同一参数，虽可依据实测值判定其对生态化的影响程度，但仍缺失—个可参照的生态标准仍无法准确反映其对皮革生态化的贡献，为此，需要对参评因素进行无量纲化处理，通过归一化完成对原始数据进行线『生变换，将其映射到[0，1]之间，而且，为确保评价结果的客观、真实性，将剔除0、1该两种极值的影响，在以往归一化的公式基础上增添了0.1及（0.9～0.1）这两项，利用如下公式将数据映射至[0.1，0.9]：

以每年份的数据为1个样本，max、min分别为样本最大值、最小值，i、i分别为总样本数、指标数。

2.4模型的训练

采用MATLAB2018b软件中的工具箱，来构建BP神经网络进行训练，其中隐含层、输出层的神经元分别选择S型的正切函数tansig、对数函数logig，这是因为输出模式为[0，1]，有效满足网络的输出要求，训练、学习、性能等函数分别采用trainlm、learng.dm、rose，输入、输出向量分别为p、t，BP网络的输入层、输出层的神经元数量分别为m、n，据此，结合上述各项评价指标与评价标准，系统随机确定模型初始权重，而后，根据输人训练样本进行网络训练，进而得出网络输出值，对比该值与实际输出值之间的误差，若存在误差，则调整相应权值，直至误差收敛至最小时，程序将存储所有的网络结构、连接权值，创建完成BP网络模型，其网络训练流程如图3所示。

3基于BP网络模型的皮革生态化评价的实证

3.1样本来源及参数设置

实证分析选取10家具有典型代表性的皮革制造企业，文章仅以1-10数字表示，从实际的生态化现状看。生态化评价的数据来源于2003-2018年《中国皮革行业分析报告目录》，皮革协会报告，《中国统计年鉴》、《中国环境状况公报》。选定训练样本后，进行模型的网络训练，在反复训练后，将网络初始训练次数设定为1000次，训练要求的精度设定为1-e^-2，学习速率为0.001，过程如下：

训练结果表明，通过31次的训练后，BP网络性能达到预设要求。

3.2评价结果分析

完成BP网络训练后，可将拟进行生态化评价的皮革企业的年份数据依次输人训练好的BP网络，计算2003-2010、201 1-2018两年份阶段各项指标数值平均值，并将平均值无量纲化，而后，结合10家皮革企业的输出等级关联度，便可得出不同皮革企业各年份阶段的生态化评价结果，如表2、3所示。

结合上表可知，10家皮革生态化评价结果，目前处于非常好等级的为1、2两家，处于较好等級的为3、4、5等三家，处于一般等级的为6、7、8、9、10，实证分析结果与各皮革企业生态化的实际情况基本一致，而且，各层次的皮革企业在2003-2010、2011-2018这两个年份阶段的皮革生态化水平均由低层级迈向高层级，呈现向好的发展，这根源于“节能环保”的大环境引领下，消费者对皮革制品的“无害”要求更为严格，传统皮革制造中需添加有毒有害物质的加工工艺和技术，已经无法适应新需求，多重驱动下，皮革企业也在加速转变发展理念，进行绿色生态技术的创新应用，淘汰高消耗、污染性的设备和工艺，由此，排放的污染物、废水等实现了内部处理、循环利用和达标排放，从根本上提升了皮革的生态化水平。

4结论及建议

皮革制造需要经历多道工序，各工序过程中均会有化学品加人，所排放出的污染物成分复杂、且量大，容易造成不同程度的环境问题，而为改善这一现状，在生态环保理念指引下，各皮革企业也在加速推进生态建设，但所取得成果不一。而为根据各皮革企业生态化建设现状，找准差距，弥补短板，文章采用非线性的BP人工网络构建生态化评价模型，根据评价过程及结果分析可知，其可规避主观评价的误差，计算准确率较高，能够客观反映各类皮革企业的生态化建设现状，为政策和方法的差异化实施提供了有效指引，并将驱动整个皮革产业生态化水平的进一步提升。而且，从BP人工神经网络的实证评价结果可知，不同皮革企业之间的生态化水平存在显著性差异，为此，根据该结果，如何通过政策制度指引和皮革企业自身发展的“内外合力”，来消除差异，推进皮革行业生态化进程，成为未来的核心引领，具体的建议如下。

4.1实施差异化的生态化政策制度

皮革生态化建设需要耗费大量的人力、物力资本，而皮革企业作为“理性经济人”，以追求利益最大化为根本目标，故而，在生态化建设中的自主性和积极性较差，需要外力的驱动。而结合上述不同皮革企业生态化水平的层级差异，政府应该给予差别化的政策制度，对于非常好、较好、一般、差等各层级的皮革企业应该分别采取优先发展、鼓励发展、控制发展和限制发展等不同的政策指引。针对生态水平非常好的的皮革企业，可设为重点关注、优先扶持的对象，以给予更多的税收优惠减免、直接资金扶持等政策倾斜，从而以其为典型，逐步扩散，带动企业皮革企业加速生态化进程;对于生态化水平较好的皮革企业，可以财政奖励资金与生态化建设挂钩，来激励皮革企业引人节能设备、改造工艺流、研发环保技术，以期创造生态化发展的佳绩;而对于生态化水平一般或较差的皮革企业，应给给予政策控制，在贷款审批、招商引资、企业扩张等政策上给予从严管制，以加快淘汰陈旧、高能耗的生产设备和工艺，促使其限期整改，以此促进皮革企业的生态化发展。

4.2强化皮革企业自身生态化建设

俗话说：“改革理念先行”，绿色生态化时代下，传统的高能耗、高污染的皮革产业面临着严峻的挑战，加速转变发展理念和方式成为必然之需。为此，皮革企业上至管理者下至普通员工均应充分意识到这一点，以前瞻性的生态化理念为引领，更加注重设计、生产及管理等各个环节的生态化投入和建设，通过多工序技术改造、配套设备和循环工艺的创新研发和应用，来推进生态化发展。尤其针对浸水、脱脂、软化、浸酸、鞣制、染色等工序，传统工艺需添加大量的化学物质，污染物排放中CDD、硫化物、氨氮的浓度较高，此时，以皮革行业新《标准》为指引，制定更为严格的生态化技术标准，并借鉴先进企业和国家的经验，与行业领先要求接轨，以此找准短板，改造工艺设备与流程，实现污染物的减量化、无害化排放，甚至是资源化的利用，从根本上优化生态化水平。