張 麗

（江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

影響餐廚垃圾處理廠科學(xué)選址的因素多，涉及交通情況、地理地形條件、氣候情況、環(huán)境地質(zhì)條件及水文地質(zhì)工程條件等方面［1］，各要素的影響程度從數(shù)值上很難精確的衡定［2］，且影響要素之間大多具有非線性相關(guān)性，因此餐廚垃圾處理廠選址評價具有模糊性和非線性。筆者通過細化CJJ 184—2012餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范中選址要求，以此為依據(jù)，選取描述指標(biāo)，基于BP（反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Back-Propagation Network） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建餐廚垃圾處理廠選址評價模型，并對武漢市漢口西部餐廚垃圾集中處理廠（簡稱漢口西）和武漢天基生態(tài)能源科技有限公司餐廚垃圾綜合利用中心廠（簡稱武昌南）的選址進行評價，以期為餐廚垃圾處理廠選址提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 指標(biāo)選擇

目前，垃圾填埋場選址適宜性評價研究較多，然而，由于餐廚垃圾的特性決定了其處理以資源化為主，處理技術(shù)不同于垃圾填埋技術(shù)，因此，對廠址的要求與垃圾填埋場選址也不完全相同。國家已經(jīng)頒布了CJJ 184—2012餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范，武漢市頒布的《武漢市餐廚廢棄物管理辦法》也已于2013年12月1日執(zhí)行。據(jù)此，餐廚垃圾處理廠作為一類特殊生活垃圾處理設(shè)施，應(yīng)滿足規(guī)劃用地、環(huán)境影響、社會反映、服務(wù)區(qū)域、服務(wù)單位、收運能力、運輸距離、預(yù)留發(fā)展、給水、排水、供電、避開環(huán)境敏感區(qū)、洪泛區(qū)、重點文物保護區(qū)等條件。經(jīng)論證，評價指標(biāo)設(shè)置如圖1所示。

圖1 餐廚垃圾處理廠適宜性評價指標(biāo)

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

用于垃圾處理廠的選址優(yōu)化的方法很多，如模糊綜合評判法、層次分析法、線性規(guī)劃法、灰色決策法以及指標(biāo)滿意度法等［3-7］。模糊綜合評判法、層次分析法、灰色決策法等具有一定的主觀性，且不能直接定量地表達優(yōu)化結(jié)果經(jīng)濟性的優(yōu)劣；線性規(guī)劃模型本身及運算結(jié)果不能較好地反映實際情況［8］；而非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃復(fù)雜的運算又限制了其在選址中的應(yīng)用［9］。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦結(jié)構(gòu)和功能的一種信息處理系統(tǒng)，是由大量的處理單元（神經(jīng)元）互相連接而成的網(wǎng)絡(luò)。雖然，每個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能都不復(fù)雜，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)行為則是十分復(fù)雜的，因此，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以表達實際物理世界的各種現(xiàn)象。在影響因素較多、因素之間邏輯關(guān)系復(fù)雜的情況下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)。運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的評價模型，將每一項技術(shù)指標(biāo)進行系統(tǒng)量化，達到更好評價優(yōu)化的目的。

1.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本原理

BP網(wǎng)絡(luò)是利用非線性可微分函數(shù)進行權(quán)值訓(xùn)練的多層網(wǎng)絡(luò)，它包含了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論中最為精華的部分，由于其結(jié)構(gòu)簡單，可塑性強，數(shù)學(xué)意義明確，學(xué)習(xí)算法步驟分明，在函數(shù)逼近、模式識別、信息分類及數(shù)據(jù)壓縮等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［10］。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.2 輸入輸出神經(jīng)元的確定

選取圖1中的13個評價指標(biāo)對餐廚垃圾廠選址影響因子進行了表征，故采用13個評價指標(biāo)作為BP網(wǎng)絡(luò)的13個輸入神經(jīng)元。對于所選位置的適宜性評價分為3種情況，即最優(yōu)、合格和不合格。對應(yīng)表征3種情況，故神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出神經(jīng)元為3。

1.2.3 輸入神經(jīng)元的標(biāo)準(zhǔn)化

由于構(gòu)成輸入神經(jīng)元的既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)，對于定性指標(biāo)按最優(yōu)1.0、合適0.8、不合適0.5進行賦值；對于定量指標(biāo)通過調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)查詢、文獻查閱獲取數(shù)據(jù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中，樣本有多個輸入?yún)?shù)時，如城市規(guī)劃的土地性質(zhì)的參數(shù)范圍是［0，1］，而服務(wù)人口的參數(shù)范圍是［500 000，4 000 000］，那么這2個參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)輸出的影響大小是不同的，前一參數(shù)會被后一參數(shù)所淹沒，不能體現(xiàn)出前一參數(shù)的作用。因此，對不同單位、級差的13個評價指標(biāo)進行了標(biāo)準(zhǔn)化處理（見公式 （1）），歸一化處理結(jié)果見表1。

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1.2.4 隱含層神經(jīng)元的確定

對于隱含層，神經(jīng)元數(shù)如果太少，網(wǎng)絡(luò)不能很好的學(xué)習(xí)，需要訓(xùn)練次數(shù)很多，訓(xùn)練精度也不高，有時網(wǎng)絡(luò)還可能訓(xùn)練不出來。增加神經(jīng)元，網(wǎng)絡(luò)功能會變得強大，但是隱含層神經(jīng)元過多，會增加訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的時間，且使網(wǎng)絡(luò)的泛化能力減弱，網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測能力下降。在結(jié)合相關(guān)理論和參考經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，采用公式m=2l+1（l為輸入層神經(jīng)元數(shù)）確定隱含層神經(jīng)元數(shù)目。

1.2.5 模型構(gòu)建與訓(xùn)練

本研究通過matlab7.4（2007a） 軟件實現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。采用S形的正切函數(shù)tansig函數(shù)為輸入層與隱含層之間的傳遞函數(shù)，S形的對數(shù)函數(shù)logsig作為網(wǎng)絡(luò)的隱含層與輸出層。訓(xùn)練函數(shù)選用的是trainlm函數(shù)，設(shè)定目標(biāo)誤差為1.0×10-10。

在上述研究的基礎(chǔ)上，確定隱含層節(jié)點數(shù)為27，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為13×27×3。通過收集相關(guān)數(shù)據(jù)，對構(gòu)建好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練誤差達到可接受范圍之后，模型趨于穩(wěn)定，便可以用來進行備選地的測評。將13個歸一化的指標(biāo)作為輸入層構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練158次后，網(wǎng)絡(luò)收斂。訓(xùn)練的誤差僅為8.653×10-11，訓(xùn)練集測試結(jié)果理想，可以用于選址適宜性評價。模型訓(xùn)練見圖3。

圖3 模型訓(xùn)練結(jié)果

2 實證研究

2.1 2個餐廚垃圾處理廠現(xiàn)狀

武漢市漢口西部餐廚垃圾集中處理廠（簡稱漢口西）位于東西湖區(qū)新溝鎮(zhèn)街。以服務(wù)東西湖區(qū)餐廚垃圾處理為主，并輻射到漢口的硚口區(qū)等就近區(qū)域，服務(wù)區(qū)域總面積為485.58 km2，總?cè)丝跒?09.7萬人，餐廚垃圾處理規(guī)模為200 t/d。根據(jù)武漢市工業(yè)用地布局，該地段屬于工業(yè)區(qū)用地，符合城市總體規(guī)劃的土地性質(zhì)。該廠處理工藝為濕式厭氧發(fā)酵處理+生物質(zhì)氣體能源利用+殘渣制肥，屬于資源化綜合處理，該廠周邊有正在建設(shè)的新溝垃圾焚燒發(fā)電廠，滿足《武漢環(huán)境衛(wèi)生專項規(guī)劃（2006—2020）》的相關(guān)要求。根據(jù)該項目環(huán)境影響評價報告書簡本內(nèi)容，項目運營期在廠區(qū)內(nèi)自建污水處理站處理達到GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)后，經(jīng)周邊農(nóng)用溝渠排入東大湖，對周圍水環(huán)境不會產(chǎn)生明顯影響；運營期的鍋爐廢氣、臭氣、工藝粉塵、食堂油煙等經(jīng)過處理均能達到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。該廠在惠安大道旁，交通運輸條件較好；距離東西湖區(qū)五環(huán)大道約20 km；該廠周邊300 m內(nèi)無環(huán)境敏感建筑，遠離居民區(qū)；場地的穩(wěn)定性和水電供應(yīng)良好；該廠所處地段土地價格較低，基準(zhǔn)地價為336.0萬元/hm2。

武漢天基生態(tài)能源科技有限公司餐廚垃圾綜合利用中心廠（簡稱武昌南）位于武漢市江夏區(qū)鄭店街黃金工業(yè)園內(nèi)，該地段屬于工業(yè)區(qū)用地，符合城市總體規(guī)劃的土地性質(zhì)。該廠應(yīng)用餐廚垃圾無害化、資源化處理工藝技術(shù)，利用中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)使餐廚垃圾最終轉(zhuǎn)化為電能、工業(yè)油脂輸出，滿足《武漢環(huán)境衛(wèi)生專項規(guī)劃（2006—2020）》的要求。該廠主要建設(shè)包括沼氣凈化及綜合利用系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、沼渣污泥脫水系統(tǒng)、臭氣處理系統(tǒng)，保障項目滿足GB 14554—1993惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、GB 16297—1996大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)、GB 18483—2001飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)以及GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)規(guī)定。該廠將服務(wù)武昌地區(qū)餐廚垃圾處理為主，輻射武昌區(qū)、洪山區(qū)、東湖高新等就近區(qū)域，日處理武昌地區(qū)餐廚垃圾250 t。該廠在黃金園路旁，交通運輸條件較好；距離最遠的武昌區(qū)洪山廣場約20 km；該廠周邊300 m內(nèi)無環(huán)境敏感建筑，遠離居民集中地；場地的穩(wěn)定性和水電供應(yīng)良好；土地價格較低，該廠用地成交價約為220.5萬元/hm2。

2.2 餐廚垃圾處理廠選址適宜性評測

設(shè)定預(yù)測模型的最優(yōu)選址值為（1，0，0），合格選址值為 （0，1，0），不合格選址值為（0，0，1）。通過調(diào)研整理得到漢口西和武昌南2個餐廚垃圾處理廠的13個選址適宜性評價指標(biāo)定量值，將13個指標(biāo)定量值用公式（1） 歸一化后，處理結(jié)果見表2。將歸一化后的數(shù)據(jù)輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的模型進行計算，結(jié)果顯示，漢口西選址評測值為（0，1，0），武昌南選址評測值為（0.000 7，0.999 9，0）。對比評測值和預(yù)先設(shè)定值可以看出，漢口西和武昌南2個餐廚垃圾處理廠的選址均為合格選址。計算評測值的均方誤差MSE僅為8.333×10-8。

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3 結(jié)論

1） BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的特點使其能夠更好地反映出各個指標(biāo)之間的復(fù)雜關(guān)系，尤其是非線性關(guān)系。通過選取影響餐廚垃圾處理廠的13個具體指標(biāo)，確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入和輸入神經(jīng)元，收集相關(guān)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，進行訓(xùn)練后，根據(jù)實地情況，建立評價模型，該模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性高，適用性較好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2）通過對2個已建好的餐廚垃圾處理廠實證研究發(fā)現(xiàn)，雖然總體場址選擇符合環(huán)境衛(wèi)生專項規(guī)劃，但實地發(fā)現(xiàn)還是有少部分零散居民地在衛(wèi)生距離以內(nèi)；另外，附近居民支持率的數(shù)據(jù)只是通過估算，并沒有查到較權(quán)威的數(shù)據(jù)。而這些問題均能在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中有所體現(xiàn)，因此研究所構(gòu)建的選址適宜性評價模型較客觀反映了武漢餐廚垃圾處理廠的實際情況，具有較強的適用性和可靠性。

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