基于BP 神经网络模型的工程垃圾产量预测研究

李海波 LI Hai-bo

（上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232）

0 引言

近年来，随着各地工业化和城市化进程的不断加速，与大规模的城市建设相伴而生的建筑垃圾日益增多，建筑垃圾的资源化利用成为继生活垃圾之后各地城市固废领域新的焦点。按照住建部行业标准建筑垃圾包括工程渣土、工程泥浆、工程垃圾、拆除垃圾和装修垃圾五大类别，其中，工程垃圾指建筑物、构筑物等建设过程中产生的弃料，目前主要由施工单位自行进行处理，资源化利用普遍较低，而建立规范高效的工程垃圾资源化利用体系，首先需要对未来工程垃圾产量进行相对准确的预测。基于此需求，本文提出采用BP 神经网络模型对未来工程垃圾量进行预测，并以南京市为例进行演算。

根据《建筑垃圾处理技术标准（CJJ/T 134-2019）》，工程垃圾通过新开工面积及单位面积的工程垃圾产生基数进行计算。工程垃圾产生基数可根据标准或指标确定，难点在于确定未来的开工面积。

本文对新开工面积变化趋势展开研究，首先通过构建新开工面积相关因子指标体系，研究分析各相关因子对新开工面积变化所反映出的不同相关程度，其次对南京市2020-2025 年新开工面积开展数学模型的构建与预测。

1 新开工面积相关因子指标体系

根据相关研究，城市房屋的新开工面积与多项城市发展统计指标有着密切的联系，综合考虑指标的相关性及数据的可得性因素，筛选出12 个相关统计指标（具体指标见表1），构建城市房屋的新开工面积的相关因子体系。通过相关因子体系指标的分析，更为精准、全面地分析城市房屋建筑的实际建设情况与施工情况，为工程废料管理提供更为精准、全面的分析指标。当前我国城市新开工面积相关因子指标体系的构建情况见表1。

从表1 可见，当前工程房屋建筑的影响因素有用电量、固定资产投资完成额、工业总产值、地产开发房屋竣工面积、建成区面积、道路面积、地方财政收入、房地产投资等相关情况，多种因素共同决定了当前建筑房屋的实际施工情况，要求保证各项指标收集的全面性、精准性。

2 相关因子影响程度分析

BP 神经网络，即反向传播神经网络，是一种常用的人工神经网络模型，由输入层、隐藏层和输出层构成，每个神经元与相邻层的神经元相互连接，具有权重和偏差。其核心思想是通过前向传播计算输出值，然后通过反向传播误差梯度来不断调整连接权重，以最小化预测误差，实现模型训练。BP 神经网络被广泛应用于分类、回归和模式识别等任务，具有良好的拟合能力和通用性，但也容易陷入局部极小值。BP 神经网路模型构建与分析过程中，要求全面收集各项历史数据，提升各项数值测算的精准性，并研究工程施工相关因子，测算工程开工面积的相关影响因子，由此对不同因子之间的数据关系，开展BP 神经网路数据分析。本节中12 个统计指标数据均来自于南京市历年统计年鉴，并选取其中2010-2018 年共9 年数据进行相关因子相关程度分析数据。具体数据见表2。

表2 新开工面积相关因子指标数据表

从表2 中可见，当前工程新开工面积的常见影响因子有用电量、固定资产投资完成额、工业总产值、天然气供气总量、第三产业生产总值、生产总值、房地产开发房屋竣工面积、道路面积、地方财政收入、地方财政支出、房地产投资等，本研究采用主成分分析法，研究各相关因子对新开工面积的影响程度。

通过计算得出各主成分特征值及贡献率，其中特征值表征数据进行降维后的坐标主成分的方差，该方差越大则所包含原有数据的信息越多，就越能代表原有因子所包含的信息，贡献率表征降维后的坐标主成分所能代表原有因子所包含信息量的大小。由表3 得出，主成分Prin1 已能反应原有因子大部分的信息，因此，在一定程度上可以认为主成分Prin1 可以表征原有相关因子体系。

表3 主成分的特征值和贡献率

从Prin1、Prin2、Prin3、Prin4 四个角度分析主成分，Prin1 贡献率83.97%，特征值10.08，累积贡献率83.97%，贡献数值最大；Prin2 贡献率9.06%，特征值1.09，累积贡献率93.03%；Prin3 贡献率6.56%，特征值0.78，累积贡献率99.59%；Prin4 贡献率0.2%，特征值0.02，累积贡献率99.80%，累积贡献率在四项成分中数值最大。由相关计算公式，计算得出主成分Prin1 载荷系数，该载荷系数绝对值的大小表征各相关因子对新开工面积变化的影响程度的重要性。根据主成分分析的结果，可以看到主成分Prin1（第一主成分）与各个相关因子之间的权重系数。主成分Prin1 主要与固定资产投资完成额（P2，0.464）和道路面积（P9，0.428）呈现较高的正相关性，这表明这两个因素对主成分Prin1 的影响最为显著。此外，用电量（P1，0.315）、工业总产值（P3，0.311）、天然气供气总量（P4，0.312）、第三产业生产总值（P5，0.313）、生产总值（P6，0.312）、房地产开发房屋竣工面积（P7，0.302）、建成区面积（P8，0.313）、地方财政收入（P10，0.313）、地方财政支出（P11，0.314）以及房地产投资（P12，0.314）也都对主成分Prin1 有一定程度的正相关影响，尽管权重系数相对较低。这表明主成分Prin1主要受到经济和基础设施方面的因素影响，特别是固定资产投资和道路面积。除固定资产投资完成额及道路面积，其他指标对新开工面积变化的影响较大也较为均衡，主要原因是随着城市的快速发展，固定资产投资完成额及道路面积增加越来越体现为重视城市道路及交通等基础设施建设方面的投入，对于商品房的开发建设逐步在弱化，这也符合近年来南京市的城市发展规律。对主成分Prin1 设置不同的载荷系数，用电量因子载荷系数为0.315，固定资产投资完成额载荷系数为0.464，见表4。

表4 主成分Prin1 载荷系数

3 新开工面积预测

本节考虑到各相关因子的特点，主要利用2010-2018年新开工面积及12 个与之相关的因子统计数据，采用BP 神经网络模型对2020-2025 年南京市新开工面积进行预测。

本节以表中2010-2018 年数据作为指标矩阵，形成12*9 的数据组。数据组在输入模型前进行线性插值，扩充为12*801 的初始矩阵；随机选取其中700 组作为模型训练矩阵，剩余101 组为模型测试矩阵。具体计算结果如表5。

表5 新开工面积统计数据及预测数据表

新开工面积变化趋势预测见图1。

图1 新开工面积变化趋势图

4 工程垃圾量预测

工程建设活动中不可避免地出现各项垃圾量，为了践行绿色施工理念，减少工程建筑活动中的垃圾，要求加强对工程垃圾量的预测与管理。根据住建部《“十四五”建筑业发展规划》，为实现建筑垃圾减量化，2025 年，各地区建筑垃圾减量化工作机制进一步完善，实现新建建筑施工现场建筑垃圾（不包括工程渣土、工程泥浆）排放量每万平方米不高于300 吨。本研究按照300 吨/万平方米测算工程垃圾产量，则南京市2021-2025 年工程垃圾产生量如表6。从表6 中的数据分析可见，从2021 年至2023 年间，工程垃圾数量不断增加，2021 年工程垃圾产生量为57.05 万吨，2022 年工程垃圾产生量为60.74 万吨，对2023 年、2024 年工程垃圾产生量进行预测分析可见，2023 年工程垃圾产生量约为61.37 万吨，2024 年工程垃圾产生量约为60.38 万吨，2025 年工程垃圾产生量约为58.71 万吨，虽然产生的垃圾量有所下降，但是从整体上分析，各项数据依然较大，要求加强对垃圾的分析与分类处理。

表6 工程垃圾产生情况预测表

5 管理对策建议

工程垃圾治理涉及多个环节，建议实施全过程治理：

一是推进源头减量，工程垃圾的种类与施工工艺和建筑原料的种类密切相关，因此，建议在施工工地上采取措施来减少工程垃圾的生成。分类收集是一项关键措施，工地应根据不同种类的工程垃圾，如废混凝土、废木材、废钢筋等，进行分类收集。这不仅有助于将可回收的材料进行直接回收和资源化利用，而不将其纳入工程垃圾的处理范围，还有助于提高工程垃圾的管理效率。

二是规范中转运输。市场规范是其中的一部分，通过招标和许可证等方式来规范建筑垃圾运输市场，以确保只有合法的运输车辆才能参与建筑垃圾的运输。这有助于确保运输服务的质量和效率。运输车辆应安装电子信息装置，以实时监控建筑垃圾车辆的位置和动向。这种监控系统有助于防止非法倾倒和确保建筑垃圾被正确运送到指定的处理点。另外，安装具备实时报警功能的车辆右转盲区监测系统和驾驶员安全行为监测系统也是非常重要的，有助于减少交通事故的发生，确保建筑垃圾的安全运输。

三是提升末端消纳。在这一环节中，需要克服一些挑战，如用地紧张和邻避效应等。为了提升末端消纳的效率，建议采取措施，积极寻找建筑垃圾的消纳和资源化利用渠道。这可以包括建设建筑垃圾资源化处理设施，以确保垃圾得到适当的处理，减少对环境的不良影响。用地管理也是一项关键任务，需要确保在建筑垃圾消纳过程中遵守用地规划和环境保护法规。合理规划建筑垃圾处理设施的用地，以充分考虑邻避效应，减少对周围环境和社区的干扰。

四是推广产品利用。制定再生骨料、混凝土砌块（砖）等再生产品的标准是必要的，以确保这些再生产品的质量和可持续性，以便它们可以广泛推广和使用。同时，积极宣传再生产品的优势，鼓励建筑行业和消费者采用这些产品，有助于提高对再生产品的认知，从而减少资源浪费。从而促进工程垃圾的可持续管理，建议推广产品利用。

6 结论

①通过主成分分析的方法，得出固定资产投资完成额及道路面积的变化对工程垃圾产量影响最为显著，工业总产值、地方财政收入、房地产投资等其他指标对新开工面积变化的影响较大也较为均衡。②十四五期间工程垃圾产量将较为稳定。③按照300 吨/万平方米指标控制工程垃圾产量，南京市十四五期间工程垃圾产量约为60 万吨/年。