基于灰色理论和SVM的建筑废弃物产量预测

谭茹文， 申紫薇

(四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065)

城市化进程的推进必产生大量的建筑废弃物，据统计，目前我国的建筑废弃物产量位居世界第一。填埋与非法倾倒是现在大多数建筑废弃物的处置方式，这些行为不仅会导致安全隐患，而且还会消耗大量稀缺的城市土地资源，对环境及经济与生态的平衡造成极大破坏。我们必须鼓励建筑废弃物资源化行为，促进经济社会的持续健康发展。

准确预测建筑废弃物的年产量是对其资源化处置及资源化行业发展的基础，本文在确定建筑废弃物产量的主要影响指标以及查阅2006～2019年各指标数据的前提下，运用灰色理论建立灰色预测模型，估算与预测2020～2025年的影响指标的数据。在传统的统计分析方法中，大多采用线性回归法即通过建立回归分析模型来进行预测，当该方法面对繁多的不确定因素且样本数据较少时稳定性即准确性表现较差[1]。故本文选取预测效果更好、误差更小的支持向量机(SVM)建立了建筑废弃物产量预测模型，并准确预测了我国未来5年的建筑废弃物产量。最终针对预测结果，提出相关管理见解。

1 影响指标分析与预测

从历史上看，我国经济的增长与建筑活动的增加密切相关，建筑活动又在一定程度上影响着建筑废弃物的产量。本文通过查阅相关文献，发现与建筑废弃物年产量相关的主要影响因素有人口数量、GDP、建筑行业产值、建筑施工面积、建筑新建面积、商品房销售面积、房地产开发用地及城市固体废弃物的产量等[2-3]。灰色预测模型就是通过少量的、不完全的指标数据信息，建立灰色微分预测模型，对指标数据做出比较稳定的中、长期预测。我们在查阅上述人口数量及建筑行业产值等8个影响指标与建筑废弃物产量相关性的基础上，根据中国统计年鉴[4]及相关主管部门资料，进行相关数据分析、灰色预测模型建立及未来5年数据的预测。灰色模型建立的相关数据如下表1所示。

首先，利用灰色理论模型建立了自变量人口数量x1、GDPx2、建筑行业产值x3、建筑施工面积x4、建筑新建面积x5、商品房销售面积x6、房地产开发用地x7及固体废弃物x8这8个指标以时间t为序列的8个灰色预测微分方程模型如下：

x′1(t+1)=2668.32e0.0049t-2655.17

x′2(t+1)=2831654.16e0.1015t-2620783.2

x′3(t+1)=632508.6e0.1091t-590951

x′4(t+1)=1221.16e0.0419t-1180.14

x′5(t+1)=254.45e0.0474t-246.52

x′6(t+1)=108.98e0.007t-102.79

x′7(t+1)=-101.19e-0.0425t+104.85

x′8(t+1)=446.74e0.0475t-431.59

其次，据此计算2018～2025年影响指标的预测值，见表2。

2 SVM预测模型

我们共收集了20年的8个影响指标数据，其分布见表1与表2，建筑废弃物产量的已知数据yi见表3。在以上数据基础上，本节建立SVM预测模型，预测我国2020～2025年建筑废弃物的年产生量。

首先，将2006～2017年建筑废弃物产量的12个样本进行划分，选取前10个样本即2006～2015年建筑废弃物的年产量作为训练样本，剩下2个样本即2015～2017年建筑废弃物年产量作为测试样本。在Matlab环境中，将归一化处理后的输入集数据和输出集数据分别导入到SVM预测模型中，支持向量机的起始参数为：惩罚系数C=1.51572，核函数的宽度系数σ2=0.25。最后的训练与测试结果见图1与图2，从图中我们可以发现该预测模型拟合度较高，具有一定推广性。为了对预测模型进行更深入的分析，采用平均相对误差eMAPE对模型性能进行评价，其计算公式如下：

表1 2006～2017年建筑废弃物产量及影响指标数据

表2 2018～2025年影响指标数据的预测值

表3 2006～2017年建筑废弃物年产量 单位：×108 t

图1 训练结果

图2 测试结果

最后导出支持向量机对2020～2025年建筑废弃物年产量的预测结果,见表4。通过计算，可以发现eMAPE模型的平均相对误差值为3.63 %，详见表5，该结果表明建筑废弃物年产量的预测值和实际值之间的误差较小，该模型具有较高的预测精确度。

表4 2020～2025年建筑废弃物预测产量 单位：×108 t

4 结束语

本文首先利用灰色预测模型准确预测出近5年人口、建筑行业产值等8个影响指标的数据，在这些数据基础上，继续通过预测效果更好的SVM建模，预测出近5年我国建筑废弃物产量，可以看到随着人口数量、经济与建筑业的发展，我国建筑废弃物的产生量以前所未有的速度逐年增加，到2025年有望达到36×108t产值。

表5 模型性能分析 单位：×108 t

针对这个现象，有必要迫切对建筑废弃物的特性和管理进行更多的研究并迅速采取行动，比如，一方面在设计阶段通过延长新建筑物和现有建筑物的使用寿命从源头来减少建筑废弃物的产生。建筑废弃物减量化有极限，但资源化无尽头，另一方面，需要政府管理部门有所作为，制定相关建筑废弃物管理政策来建立健全管理制度。通过采取必要措施支持和鼓励建筑废弃物资源化行业的发展，进而扩张资源化市场，提高建筑废弃物的终端处置能力，从而将建筑废弃物转化为可用资源，减少建筑废弃物的同时，还可以避免严重的环境，经济和社会影响。