基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力研究
——以天津市為例

黃 成，程 波，張 愛，陳 凌

(農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191)

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基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力研究
——以天津市為例

黃 成，程 波*，張 愛，陳 凌

(農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191)

摘要[目的]基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型分析天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力。[方法]在構(gòu)建畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，建立基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型的評價模型，并以天津市為實(shí)例，對2003～2012年畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力進(jìn)行研究。[結(jié)果]2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力雖然不處于警戒水平，但畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力整體呈下降趨勢，而且2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力已經(jīng)趨近警戒水平。[結(jié)論]基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價模型具有一定的科學(xué)性，耦合模型排除了人為因素干擾，充分考慮了系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律，具有一定的應(yīng)用價值和理論優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力；評價指標(biāo)體系；超效率DEA;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；耦合模型

畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力作為表征區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)與資源環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的指標(biāo)，用以指導(dǎo)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)劃的制定，具有重要研究價值[1]。目前，對畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力尚未達(dá)成一致認(rèn)同的研究方法[2-4]。雖然主流的研究方法指標(biāo)較多，但實(shí)質(zhì)上只是簡單地把社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和資源環(huán)境系統(tǒng)分別作為黑箱來處理，相對缺乏對兩者內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律的分析，所以很難有效地將這2個系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來[5]。并且現(xiàn)有方法確定評價指標(biāo)權(quán)重時多采用專家咨詢的方法，會造成評價結(jié)果可能由于人為因素而形成偏差[6]。

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境巨系統(tǒng)是由畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)子系統(tǒng)、自然環(huán)境子系統(tǒng)和社會環(huán)境子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，是依靠能量、物質(zhì)、信息的不斷輸入和輸出來維持其自身穩(wěn)定運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)[7]。超效率DEA模型特別適用于具有多輸入-多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，評價方法不僅重視系統(tǒng)資源環(huán)境的數(shù)量，而且關(guān)注資源環(huán)境的質(zhì)量，同時模型能夠避免主觀因素干擾。鑒于此，筆者采用超效率DEA模型實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力的量化，同時考慮到超效率DEA模型要求評價指標(biāo)數(shù)值必須為已知數(shù)據(jù)[8]，所以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對量化模型進(jìn)行仿真，建立了具有廣泛適應(yīng)性的評價模型，并對天津市2003～2012年畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力進(jìn)行了研究，以期為天津市畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1構(gòu)建畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系評價指標(biāo)選取應(yīng)滿足具有代表性、系統(tǒng)性、科學(xué)性和數(shù)據(jù)易獲取的基本原則，并結(jié)合當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖業(yè)資源環(huán)境狀況和畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃。該研究將評價指標(biāo)分為區(qū)域資源投入型指標(biāo)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)出型指標(biāo)。資源投入型指標(biāo)分為自然資源類和社會支撐類，用以表征區(qū)域資源供應(yīng)能力、社會支持能力；畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)出型指標(biāo)分為經(jīng)濟(jì)發(fā)展類和環(huán)境質(zhì)量類，用以表征產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。選取的同類指標(biāo)必須經(jīng)過多重共線性分析，以剔除相關(guān)性較高的指標(biāo)。

1.2畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力量化

1.2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。評價指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用于相關(guān)統(tǒng)計年鑒、政府公報。

1.2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。 評價指標(biāo)正/負(fù)性表示指標(biāo)值與承載力指數(shù)的相關(guān)性，若所選指標(biāo)相關(guān)性與上述相反，則對其數(shù)值進(jìn)行倒數(shù)處理。

指標(biāo)體系中價格類指標(biāo)量化時，以研究年限的起始年為基準(zhǔn)年，消除通貨因素的影響。具體方法如下：

1.2.3量化模型。超效率DEA模型設(shè)每個被評價單元均有一定數(shù)量的投入和產(chǎn)出變量，它通過將一個被評價單元的輸入及其輸出同其他被評價單元相比較，從而將多個投入和產(chǎn)出變量轉(zhuǎn)變?yōu)樾试u價指標(biāo)。該模型在評價某評價單元時，以其他所有的評價單元構(gòu)成參考集而不考慮被評價單元本身，結(jié)果是效率值(稱為超效率值)有可能大于1，從而可以對同為DEA有效的單元做進(jìn)一步評價，使評價結(jié)果更具區(qū)別性。模型表達(dá)式為：

式中，T表示評價單元效率值；x、y分別表示輸入和輸出向量；n為評價單元數(shù)量；ε為高階無窮小，一般取值為10-6；S+、S-分別表示剩余變量和松弛變量。

該研究將每年的指標(biāo)向量組成一個評價單元，投入型指標(biāo)xi和產(chǎn)出型指標(biāo)yi分別作為輸入向量和輸出向量，通過Lingo軟件對每年畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行效率T進(jìn)行計算。T作為表征畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性指標(biāo)，該研究用以表征資源環(huán)境承載力指數(shù)。

1.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型

1.3.1數(shù)據(jù)歸一化處理。由于各個指標(biāo)的量綱存在較大差異，且輸入型指標(biāo)和輸出型指標(biāo)的正負(fù)性也不同，因此，需要對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理以消除量綱等方面的影響。設(shè)現(xiàn)有m年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每一年中含指標(biāo)n個，則有矩陣：

對于輸出型指標(biāo)的歸一化公式為：

對于輸入型指標(biāo)的歸一化公式為：

1.3.2模型建立。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是利用其強(qiáng)大的非線性數(shù)據(jù)處理能力，通過對樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練以得到合適的輸出數(shù)據(jù)集。模型介紹見文獻(xiàn)[9]。

該研究以歸一化處理后的評價指標(biāo)值作為輸入，畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指數(shù)作為輸出，將輸入樣本的60%作為網(wǎng)絡(luò)輸入訓(xùn)練使用，20%作為確認(rèn)樣本，另外20%作為測試樣本。分別選擇TRAINSCG、TANSIG、PURELIN作為訓(xùn)練函數(shù)，隱含層傳遞函數(shù)和輸出層傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真精度指標(biāo)值為10-3。

NNTool是mablat軟件專門用于構(gòu)建和訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的單元，該研究通過NNTool對量化模型進(jìn)行仿真。

1.4畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力警戒狀態(tài)設(shè)置該研究構(gòu)建了投入型指標(biāo)數(shù)值最大、產(chǎn)出型指標(biāo)數(shù)值最小的系統(tǒng)最不協(xié)調(diào)評價單元，并將該單元的承載力值設(shè)定為警戒值。

1.5實(shí)例分析

1.5.1研究區(qū)域畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境狀況。天津市是環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)中心，隨著城市規(guī)模日益擴(kuò)大和小城鎮(zhèn)建設(shè)快速推進(jìn)，天津市耕地資源日趨緊缺，造成可用于消納畜禽糞污的空間不斷縮小。同時多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場(區(qū))已處于城市或城鎮(zhèn)的近郊，其排放的惡臭氣體也嚴(yán)重影響了周圍居民的日常生活。

天津市處于半干旱地區(qū)，近年來大力發(fā)展規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)，規(guī)模化養(yǎng)殖場對水資源的大量需求導(dǎo)致大量養(yǎng)殖廢水進(jìn)入地表水體，對天津市脆弱的水資源環(huán)境系統(tǒng)造成較大負(fù)面影響。

1.5.2數(shù)據(jù)來源。2003～2012年評價指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于《天津統(tǒng)計年鑒》、《中國畜牧業(yè)年鑒》、《中國農(nóng)業(yè)年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國農(nóng)產(chǎn)品價格調(diào)查年鑒》。

1.5.3構(gòu)建天津市資源環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系。采用SPSS軟件對所選取的指標(biāo)進(jìn)行多重共線性分析，剔除相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)，最終建立天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系見表1。

表1天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指標(biāo)體系

Table1IndexsystemofenvironmentalbearingcapacityoflivestockandpoultrybreedingresourceinTianjinCity

指標(biāo)組別Indexgroup指標(biāo)類型Indextype指標(biāo)名稱Indexname正/負(fù)性Positive/Negative投入型自然資源年末實(shí)有耕地面積(x1)∥萬hm2-Inputtype年末實(shí)有林地面積(x2)∥萬hm2-地表水資源總量(x3)∥億m3-糧食總產(chǎn)量(x4)∥萬t-社會支撐城市GDP(x5)∥億元-工業(yè)總產(chǎn)值(x6)∥億元-農(nóng)畜產(chǎn)品人均消費(fèi)(x7)∥元-城市常住人口總數(shù)(x8)∥萬人-環(huán)保投資占GDP比重(x9)∥%-農(nóng)業(yè)從業(yè)人員數(shù)(x10)∥萬人-產(chǎn)出型經(jīng)濟(jì)發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)值/農(nóng)業(yè)產(chǎn)值(y1)∥%+Outputtype主要畜產(chǎn)品自給率(y2)∥%+養(yǎng)殖總量(y3)∥豬當(dāng)量+產(chǎn)污單元增加值(y4)∥元/豬當(dāng)量+環(huán)境質(zhì)量糞便TN耕地負(fù)荷指數(shù)(y5)+糞便TP耕地負(fù)荷指數(shù)(y6)+V類及以下水質(zhì)河長比重(y7)∥%+單位耕地化肥施用量(y8)∥t/hm2+單位耕地農(nóng)藥施用量(y9)∥t/萬hm2+

注：y5與y6表征有機(jī)肥最佳施用量(N：68 kg/hm2；P：14 kg/hm2)[10-12]與實(shí)際耕地負(fù)載量的比值。

Note：y5andy6indicated the ratio of the optimal application amount of organic fertilizer (N：68 kg/hm2；P：14 kg/hm2)[10-12]to the actual land load.

2結(jié)果與分析

2.1評價指標(biāo)體系量化結(jié)果通過資料搜集與整理，獲得各評價指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對價格類數(shù)據(jù)以2003年為基準(zhǔn)年消除通貨膨脹的影響；對相關(guān)性相反的指標(biāo)進(jìn)行倒數(shù)處理。評價指標(biāo)體系量化結(jié)果見表2。

表2　天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指標(biāo)體系量化

2.2天津市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力量化結(jié)果將指標(biāo)體系2003～2012年指標(biāo)數(shù)值矩陣代入超效率DEA模型中，通過Lingo軟件運(yùn)算，最終得到2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指數(shù)。由圖1可知，2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力存在波動性。其中2003年天津市自然資源總量和社會支撐條件基本上均處于研究年限最低水平，但畜禽產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益極佳，而且區(qū)域環(huán)境質(zhì)量狀況基本上處在這10 a的最高水平，因此，畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力極高。2010年承載力水平較高主要原因是由于該年是旱年，導(dǎo)致自然資源總量明顯減少，但產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量均處于較高水平。

圖1　2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力變化情況Fig.1　Changes of environmental bearing capacity of livestock and poultry breeding resource in Tianjin City from 2003 to 2012

整體而言，2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性越來越差，資源環(huán)境承載力呈下降趨勢。

2.3基于BP網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境承載力量化模型仿真結(jié)果利用NNTool，以2003～2012年19個評價指歸一化后的數(shù)值標(biāo)作為輸入，以對應(yīng)的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指數(shù)作為輸出，構(gòu)建一個三層BP網(wǎng)絡(luò)。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)經(jīng)過不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定，最終確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，其訓(xùn)練過程和仿真效果分別見圖2、3。

由圖2可知，經(jīng)過6次迭代運(yùn)算之后，仿真精度指標(biāo)略高于10-5，滿足10-3的仿真精度要求。而且隨著網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的繼續(xù)進(jìn)行，確認(rèn)樣本的誤差曲線連續(xù)6次迭代不再下降，因此，確定第6次迭代運(yùn)算后獲得的模型即為天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力仿真模型。

由圖3可知，測試樣本的仿真精度為1，模型總體仿真效果為0.999 34，說明該模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可用于各類樣本的評價。

2.4天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力預(yù)警分析將警戒樣本數(shù)據(jù)代入仿真模型中，輸出警戒水平下天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指數(shù)為0.896。雖然2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力不處于警戒水平，但研究年限內(nèi)天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力呈下降趨勢，其中2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力指數(shù)為1.049，已經(jīng)趨近警戒水平。

2013年初，天津市為了改善畜禽養(yǎng)殖業(yè)資源環(huán)境狀況，推出了《天津市現(xiàn)代畜牧業(yè)建設(shè)布局規(guī)劃2013-2015》，并實(shí)施“美麗天津一號工程”，采取種養(yǎng)一體、生態(tài)養(yǎng)殖、循環(huán)利用、沼氣工程、污水納管、達(dá)標(biāo)排放等模式治理718家規(guī)模化養(yǎng)殖場，實(shí)現(xiàn)糞污減量化和循環(huán)利用。預(yù)計上述措施的實(shí)施對天津市畜禽養(yǎng)殖業(yè)資源環(huán)境承載力有一定的提升作用。

圖2　BP網(wǎng)絡(luò)仿真模型訓(xùn)練過程Fig.2　The training progress of BP network simulation model

注：a.訓(xùn)練樣本；b.確認(rèn)樣本；c.測試樣本；d.總樣本。Note：a.Trainning sample; b.Validation sample; c.Testing sample; d.Total sample.圖3　BP網(wǎng)絡(luò)仿真效果檢驗(yàn)Fig.3　Proving effect of BP neural network

3結(jié)論

建立了基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合模型的畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價模型，并以天津市為例，結(jié)合當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖業(yè)實(shí)際狀況，在構(gòu)建天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力進(jìn)行了綜合研究。結(jié)果表明：2003～2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力雖然不處于警戒水平，但畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力整體呈下降趨勢，而且2012年天津市畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力已經(jīng)趨近警戒水平。

基于超效率DEA和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的耦合模型進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力研究具有可行性，模型運(yùn)用分析過程具有科學(xué)性。同時相比較其他模型而言，耦合模型排除了人為因素影響，價格類指標(biāo)排除了通貨膨脹因素的影響，同時充分考慮了系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律，具有一定的應(yīng)用價值和理論優(yōu)勢。

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Environmental Bearing Capacity of Livestock and Poultry Breeding Resource Based on the Couple Model of Super Efficiency DEA and Artificial Neural Network— A Case of Tianjin City

HUANG Cheng, CHENG Bo*, ZHANG Ai et al

(Agro-Environment Protection Institute of Ministry of Agriculture, Tianjin 300191)

Abstract[Objective] To research the environmental bearing capacity of livestock and poultry breeding resource in Tianjin City based on the couple model of super efficiency DEA and artificial neural network. [Method] On the basis of building the evaluation index system of livestock and poultry breeding resource environmental bearing capacity, we built up the environmental bearing capacity assessment model of livestock and poultry breeding resource by couple model of super efficiency DEA and artificial neural network, then applied the couple model to the example of Tianjin to research its environmental bearing capacity from 2003 to 2012. [Result] Environmental bearing capacity of livestock and poultry breeding resource in Tianjin City was not at alert level from 2003 to 2012, but the environmental bearing capacity presented a downward trend in general. However, environmental bearing capacity of livestock and poultry breeding resource in Tianjin City was close to the alert level in 2012. [Conclusion] The environmental bearing capacity evaluation model based on super efficiency DEA and artificial neural network is scientific. Coupling model eliminates human factors, fully considers the internal system operation rule, and has certain application value and advantage of theory.

Key wordsEnvironmental bearing capacity of livestock and poultry breeding resource; Evaluation index system; Super efficiency DEA; Artificial neural network; Couple model

基金項(xiàng)目中央級公益性科研院所業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2011-aepi-14)。

作者簡介黃成(1991- )，男，安徽桐城人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境影響評價。*通訊作者，研究員，從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)研究。

收稿日期2016-02-09

中圖分類號X 321

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-014-04