區塊鏈技術下垃圾分類管理平臺的試驗及熵權-云模型評價

熊鴻斌, 黃淑賢

(合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009)

生活垃圾是指在日常生活中或者為日常生活提供服務的活動中產生的固體廢物及法律、行政法規規定視為生活垃圾的固體廢物[1]。2004年我國已超過美國成為最大的城市生活垃圾生產國,2017年城市生活垃圾產生量達2.27×108t,占全球固體廢物產量的10%[2-3]。然而我國97%的生活垃圾被混合填埋和焚燒,資源化效率遠低于發達國家。文獻[4]表明生活垃圾源頭分類能提高垃圾處置效率,是實施廢物轉化能源技術(waste to energe,WtE)的關鍵一步。我國于2021年頒布《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》,規定到2025年底,全國城市生活垃圾資源化利用率要達到60%,并要求健全區域協同機制、市場監管機制和居民激勵機制。

以物聯網為代表的垃圾分類管理技術通過頻射技術、定位系統和傳感設備實現垃圾種類的識別、垃圾桶狀態的監測和清運活動的規劃[5-6]。文獻[7]利用機器視覺技術開發設計垃圾自動分類系統,經測試和訓練表明該方法能準確識別垃圾種類;文獻[8]基于可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)技術為核心,利用傳感器和物聯網技術設計垃圾站智能管理系統,實現自動滿桶更換、數據監控、聯網管理等功能。此類垃圾分類管理技術側重于生活垃圾的分類識別和收集,忽視參與主體的職責和協同,且多以理論建模和數據模擬為主,缺少實際場景的應用案例。

基于區塊鏈技術(blockchain technology,BT)的垃圾分類管理研究在國外較為成熟,涉及數據追溯、固廢交易、智能化決策甚至生活垃圾的全生命周期管理。文獻[9]構建區塊鏈技術的固廢管理溯源模型,將數據收集、固廢分類、堆肥處置和出售分配給不同的參與主體,通過成本分析及優化證明該模型在固廢溯源和政府監管方面具有優勢。然而,區塊鏈在國內垃圾分類管理領域的應用主要集中在激勵機制的設計和開發。文獻[10]提出面向居民生活垃圾分類的區塊鏈激勵平臺,將高價值垃圾的回收利益分配給垃圾分類的參與者,鼓勵并規范居民的垃圾分類行為。

熵權法[11-12]是一種較為常用的客觀賦值法,強調多個樣本之間的聯系,可以削弱異常值的影響,避免主觀因素對指標權重的影響,具有計算過程清晰,結果客觀可信等優點被用于廢物管理評價。云模型[13-14]廣泛應用于水質評價和生態安全評價,其借助云反應發生器實現定性概念到定量數據的轉換,在考慮概念與數據之間的模糊性和隨機性方面具有一定的優勢。在垃圾分類管理中,生活垃圾的采樣和問卷調查具有隨機性,評價指標體系中指標的選取和區間的劃分也具有隨機性。從理論意義上來說,云模型法適用于垃圾分類管理的綜合評價,但與之相關的研究很少。

綜上,本文嘗試借助區塊鏈技術完善垃圾分類和處理的管理體制機制:以物聯網和集成技術為前端,在垃圾種類識別和信息錄入的基礎上,借助區塊鏈的結構特征協調參與主體合作,實現積分激勵、違規事件溯源、線上交易、宣傳教育等功能。與理論建模不同,本研究將構建的區塊鏈平臺應用于垃圾分類試點小區,通過試驗檢驗其實際的管理效果,首次引入云模型評價分析垃圾分類管理試驗的效果,證實其在垃圾分類管理領域的可行性和創新性。

本文借助區塊鏈技術構建垃圾分類管理平臺,旨在解決試點城市生活垃圾數據記錄難、公眾參與度低、垃圾分類效果差以及政府監管效率低等問題,通過垃圾分類管理試驗檢驗區塊鏈平臺的分類管理效果,完善和改進平臺的功能內容。本研究的意義在于將區塊鏈技術與垃圾分類管理相結合,豐富區塊鏈在固廢管理領域的研究,為決策者制定全民參與、社會監督和高效運作的垃圾分類管理方案提供區塊鏈技術方面嶄新的視角。

1 研究方法

1.1 研究區域

合肥市為安徽省省會,位于安徽省中部,江淮之間,地處東經116°41′～117°58′、北緯30°57′～32°32′之間,為住房和城鄉建設部確定的46個垃圾分類試點城市之一。研究區域J小區位于合肥市長豐縣,占地面積47 000 m2,共計1 256戶,生活垃圾產生量約2 500 kg/d,屬于典型的中小型城市住宅區。該小區地處經濟開發區,地域空曠,交通便利,5 km范圍內建有可回收垃圾中轉站和廚余垃圾處置站,為生活垃圾分類管理的試點工程提供了設施條件。經前期實地調查,J小區垃圾分類存在分類質量差、公眾參與度低等普遍性問題。

1.2 數據收集與分析

問卷調查為每3個月開展一次,以紙質問卷為主,電子問卷為輔。問卷內容包括住戶基本信息、小區垃圾分類的參與情況、線上回收的參與情況以及住戶對設施條件、政府監管、激勵機制的滿意度作答。實地采樣參考《生活垃圾采樣和分析方法》[15],采用“四分法”收集樣品,以確定廚余垃圾和可回收垃圾的分類情況。其中廚余垃圾采樣點為小區內廚余垃圾桶,最小采樣量為30 kg,按廚余垃圾和非廚余垃圾的類別對樣品進行分揀,將分揀后的樣品組分置于烘干箱中烘干,根據含水率確定樣品物理組分?？苫厥绽蓸狱c為可回收垃圾桶,最小采樣量為50 kg,樣品分揀和物理組分的確定與廚余垃圾基本一致。此外,區塊鏈平臺作為記錄生活垃圾流轉數據的分布式賬本,對居民投放行為的監視、垃圾桶容量的跟蹤也為本試驗提供數據來源。

1.3 區塊鏈技術下垃圾分類管理平臺

區塊鏈使用密碼學技術[16]和分布式共識協議來確保網絡訪問和傳輸的安全,相比于傳統數據庫,其優勢在于去中心化、不可篡改、可溯源性和激勵機制4個方面。

1) 去中心化。區塊鏈通常是一個去中心化和分布式的環境,基于通信節點之間的點對點通信。點對點的應用特點是在無信任關系的對等點之間實現工作分配與任務執行。移動設備的普及為點對點應用降低了數據收集成本,也使去中心化能夠利用所有貢獻用戶的處理能力,減少延遲并消除單點故障。

2) 不可篡改。與傳統的集中式模式相比,區塊鏈提供了公平的查閱權限,所有節點都可以訪問所有交易的詳細信息,且無法更改數據。

3) 可溯源性。垃圾分類管理體系下區塊鏈的可溯源性將特定生活垃圾的種類數量,收集、運輸和處置過程中的數據信息整合并寫入區塊鏈數據庫,數據區塊按照時間順序連成鏈狀,數據溯源只需根據時間戳逐層推斷,便可還原完整的管理過程。

4) 激勵機制?；趨^塊鏈構建的積分激勵機制,實際上是建立一個讓民眾能參與、有獲得感的公眾平臺,將垃圾回收產業的利潤與每個參與者共享,并將原有的相對生硬的提倡、引導甚至政策干預,轉變成通過系統內生的激勵體系獎勵民眾的垃圾分類行為,使民眾主動校正自身行為。

根據生活垃圾的管理環節和區塊鏈的技術特點,可將該過程分為分類端、清運處置端、系統維護端和監測溯源端。區塊鏈平臺的流程框架如圖1所示。

圖1 區塊鏈技術下垃圾分類管理平臺流程框架

1) 分類端。區塊鏈技術下垃圾分類管理平臺采用“一戶一卡”的方式,提前錄入居民身份信息。居民在投放垃圾時需要在機器處驗證身份碼,識別成功后,投放的垃圾首先在檢驗臺處識別種類,種類審核無誤后稱重計量,借助區塊鏈的激勵機制向住戶獎勵積分,積分可在站點兌換機中兌換商品。審核不合格的垃圾則無法投進,記錄也會錄入居民賬號中,作為月底的量化考核。

2) 清運處置端。桶內的傳感設備將垃圾容量實時上傳,一旦達到桶容量的80%后,會觸發溢滿警報,清運單位收到提示后派遣清運人員將不同種類的生活垃圾運往各自處置場。中轉站和處置場對生活垃圾進行壓縮和處理,并將處置信息上傳至區塊鏈系統。

3) 系統維護端。系統維護人員配合政府部門進行數據監測和云儲存管理,排除系統故障,并根據前端反饋信息對第三方公司進行調度安排。

4) 監測溯源端。區塊鏈溯源功能對垃圾分類投放、收集與運輸環節的生活垃圾數據、參與人信息進行實時收集和監控,信息數據實時上傳至區塊鏈數據庫,形成垃圾分類各環節分布式賬本。

微信小程序“垃圾分類”作為面向公眾的操作前端,一方面提供可回收垃圾交易,借助區塊鏈保障交易的公開透明;另一方面提供通過環保動態、政策解讀和分類技巧的宣傳并提供拍照識別和搜索識別等功能滿足公眾日常的分類需求?！袄诸悺本€上交易流程圖及界面示意圖如圖2所示。

(a) 可回收垃圾線上交易流程圖 (b) “垃圾分類”小程序宣傳教育界面示意圖

1.4 垃圾分類管理綜合評價

1.4.1 評價指標體系的構建

本文區塊鏈技術下垃圾分類管理評價指標等級見表1所列。垃圾分類管理評價指標參考《生活垃圾分類及其評價標準》[17]、《合肥市生活垃圾分類管理條例實施細則》和《合肥市生活垃圾管理辦法》。

表1 垃圾分類管理效果評價指標等級

城市綜合可持續廢物管理“廢物意識”基準指標[18],并結合區塊鏈技術特點[19-20],從公眾感知、公眾參與、監督管理和垃圾分類質量4個方面共12個指標,構建基于區塊鏈技術的垃圾分類管理評價指標體系。同時將評價語言分為5個等級,分別為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級,相應的定性評價分別為優秀、良好、中等、較差、差。

1.4.2 熵權法的構建

邀請垃圾分類領域的專家對評價指標的重要性進行評判,答案采用李克特五分量表(非常同意、同意、中立、不同意、非常不同意)來衡量。確定評價對象為x,分為m級,有n個評價指標,構建初始矩陣P表達式為:

P=(rij)n×m

(1)

采用隸屬函數法[21]對指標數值進行標準化處理。

正向指標為:

(2)

逆向指標為:

(3)

其中,xij,max和xij,min分別為函數的上界和函數的下界。

歸一化處理后得到標準矩陣R=(yij)n×m,確定評價指標xij的信息熵值ei,其計算公式[22]如下:

(4)

(5)

其中,當fij=0時,lnfij無意義,對定義進行修改:

(6)

確定信息效用值di,計算公式為:

di=1-ei

(7)

確定評價指標xi的熵權wi,計算公式[23]如下:

(8)

且滿足:

(9)

確定評價指標xi區分度ηi,計算公式為:

(10)

1.4.3 云模型的構建

云發生器[24-25]是云模型中最為關鍵、基礎的算法,是定性概念和定量數值之間轉化的工具。正向云發生器是指給定云的數字特征期望值Ex、熵En和超熵He,產生正態云模型的若干云滴的算法。

根據評價標準等級,建立評價標準云。設評價等級的區間為[Vmin,Vmax),則正態云模型的數字特征值(Ex,En,He)計算公式[26]分別為:

(11)

(12)

(13)

He=kEn

(14)

其中:Vmax、Vmin分別為垃圾分類管理評價指標對應的評價標準區間的上、下限;k為常數,取值在0.001～0.100,根據定性評價的模糊程度,此處取k=0.100。

建立垃圾分類管理評價矩陣Z,即

Z=(Zij)m×n

(15)

其中:n為評價指標個數;m為評價方案。

第i個云模型評價云為:

Ci(Exi,Eni,Hei)

(16)

第i個評價指標xi對于定性概念X的隸屬度為:

(17)

綜合判斷矩陣U為:

(18)

其中,μi1、μi2、μi3、μi4、μi5分別為第i個指標與第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級云模型之間的隸屬度。

垃圾分類管理效果的綜合確定度B為:

(19)

其中,Wi為第i個指標的權重。

除了考慮到最大隸屬度原則確定綜合等級,本文還采用等級特征值K來量化評定結果。等級特征值K為:

(20)

2 結果與討論

2.1 垃圾分類管理試驗結果分析

2.1.1 調查問卷

本次試驗的問卷調查共開展3次,分別考察2022年的1—3月(S1)、4—6月(S2)和5—9月(S3)試驗階段研究區域垃圾分類的參與情況以及居民對區塊鏈平臺相關設施條件、宣傳方式、激勵機制和監管的滿意程度,調查問卷結果見表2所列。

表2 研究區域滿意程度調查問卷結果 %

從表2可以看出,在S1階段,72.9%的受訪者支持垃圾分類,而不支持的原因集中在“不會分”“易混淆”“浪費時間”等方面。為此S1階段本試驗側重于垃圾分類知識的宣傳教育、小程序的推廣和平臺操作講解。該階段70.9%的受訪者表示小程序的宣傳教育板塊幫助他們快速、正確地分類。垃圾分類參與情況和參與動機的調查結果如圖3所示。

圖3 垃圾分類參與情況和參與動機調查結果

由圖3a、圖3b可知,S1階段垃圾分類參與率為52.4%,其中39.3%的受訪者表示“分類-獲取積分-兌換商品”的激勵機制吸引他們參與垃圾分類。

圖3e、圖3f中S3階段95.9%的分類參與者中以激勵機制為參與動機的受訪者為32.7%。這表明,基于區塊鏈平臺建立的激勵機制在分類前期能提高公眾參與,隨著垃圾分類的進行,以獲取積分為目的的比率逐漸下降,但分類參與率由78.1%(S2)上升至95.9%(S3),以“改善環境、提高生活質量”的目的由27.7%上升至31.1%。當居民的環保意識和分類習慣養成后,激勵機制不再成為分類的主要目的,相反公眾更加關心環境的改善和生活質量的提高。

2.1.2 實地采樣與物理組分分析

2022年1—9月研究區域廚余垃圾和可回收垃圾的分類情況如圖4所示。

圖4 研究區域生活垃圾采樣結果

由圖4a可知,廚余垃圾混雜率在S1階段下降了8.9%,因站點指導人員的撤離,4月時混雜率上升至30.4%,但政府協同區塊鏈管理人員加強對亂投亂放等違規事件的追責,S2、S3階段混雜率整體呈下降趨勢,在9月時僅為6.9%。廚余垃圾含水率在第一季度穩定在68.4%,5月后呈上升趨勢并在8月達到76.5%,總體表現為春季低、夏季高。隨著垃圾分類試驗的進行,廚余垃圾混雜率降低并成為總樣品的優勢組分,兩者含水率趨于一致。

可回收垃圾桶的采樣結果如圖4b所示。從圖4b可以看出,S1階段可回收垃圾回收潛力平均為70.2%,在5月出現8.7%的增幅,并在垃圾分類試驗的最后階段達到95.1%?？傮w來看,可回收垃圾的分類質量處于較高的水平,并且受指導人員撤離的影響較小,主要原因是可回收垃圾在4種垃圾中經濟價值最高且大部分子類被居民所熟知。

2.1.3 區塊鏈平臺的數據收集結果

區塊鏈平臺數據溯源率收集結果見表3所列。政府和物業部門通過區塊鏈平臺的投放記錄和人像捕集對隨意堆放垃圾、多次投放不合格的居民進行追溯,平均成功溯源率在75.4%。因“撤桶并點”垃圾桶數量減少,集中投放站垃圾溢滿頻繁發生,數據收集結果顯示1月時近1/2的垃圾桶出現溢滿,且集中在其他垃圾桶和廚余垃圾桶。區塊鏈聯盟鏈賦予部分參與主體監督和利用生活垃圾分類、回收和清運數據,收集單位和清運公司通過區塊鏈平臺共同審視垃圾桶容量狀態,相互配合提高清運收集效率。隨著垃圾分類管理試驗的進行,垃圾溢滿現象逐漸改善,9月時最多有2個垃圾桶出現溢滿。

表3 區塊鏈平臺數據溯源率收集結果 %

2.2 垃圾分類管理綜合評價

2.2.1 指標權重分析

本文在試驗預調查期邀請研究區域居民和垃圾分類領域的學者使用李克特五分量表對指標的重要性進行評判,結合式(1)～(10)得到指標權重見表4所列。

表4 垃圾分類管理指標體系

由表4可知:公眾感知A1權重為0.330,是影響垃圾分類管理效果最關鍵的因素,表明垃圾分類設施、宣傳方式和獎懲機制影響居民的分類意愿與態度;公眾參與A2權重為0.225,其中線上回收參與C6權重為0.564,與以往的研究發現有所出處,說明該研究區域的垃圾分類管理需公開透明的回收交易和多樣化的回收渠道;監督執法A3權重為0.236,其中二級指標政府監督C7的局部權重最高,為0.418,表明政府在垃圾分類管理中調控的重要性;垃圾分類質量A4權重為0.208,其中可回收垃圾的回收質量C12(可回收垃圾回收潛力)局部權重最高,為0.376,可回收垃圾相對于其他3類垃圾具有更高的經濟價值,因而更受關注。

2.2.2 云模型評價結果

本試驗根據云模型原理和式(11)～(14),由云正向發生器生成評價指標云模型,具體見表5所列。

表5 垃圾分類管理評價指標云模型

由垃圾分類管理試點小區3個試驗階段(S1、S2、S3)收集的指標數值和式(15)～(20),計算指標在各評價等級下的隸屬度見表6所列。

表6 云模型垃圾分類管理綜合評價結果

從表6可以看出:根據隸屬度最大原則,S1、S2和S3的3個試驗階段垃圾分類管理效果評價為Ⅳ(較差)、Ⅲ(中等)和Ⅱ(良好)。結合確定度,3個試驗階段垃圾分類管理效果評價由高到低依次為S3、S2、S1。表明經過區塊鏈技術下垃圾分類管理模型的應用,試驗階段內試驗小區的垃圾分類效果逐漸好轉,該評價結果與實際結果一致,具有可信度與有效性。

3 結 論

1) 區塊鏈技術下垃圾分類管理平臺能解決試點小區公眾參與度低、垃圾分類質量差和監督管理困難等問題。區塊鏈平臺的激勵機制在垃圾分類初期能提高垃圾分類參與率,幫助公民培養環保意識;借助區塊鏈平臺構建面向公眾操作端的“垃圾分類”小程序,通過政策解讀、分類技巧、拍照識別和線上交易等功能,提高公眾分類技能和垃圾分類質量;時間戳降低數據溯源成本,為政府監管執法提供存證上鏈;區塊鏈平臺的去中心化和智能合約協調垃圾收集公司和清運公司合作,改善垃圾溢滿的發生。

2) 垃圾分類管理試驗表明J小區在公眾參與、監督管理和垃圾分類質量等方面得到改善。分類參與率由52.4%(S1)上升至95.9%(S3),小程序“學習”和“幫助”宣傳教育板塊的滿意度平均為78.8%;試驗小區廚余垃圾含水率總體表現為春季低、夏季高,并隨著廚余垃圾混雜率的下降(S1階段為32.3%,S3階段為8.8%)與廚余垃圾桶總樣含水率趨于一致;可回收垃圾回收潛力一直處于上升趨勢,并于9月達95.1%;政府執法部門借助區塊鏈平臺存證上鏈對違規事件的成功溯源率達82.4%(S3),同時85.9%的受訪人員對政府監督執法感到滿意。

3) 熵權-云模型垃圾分類管理評價方面具有可信度和可行性,該方法能考慮指標選取和試驗數據收集的模糊性和隨機性,實現定性概念到定量數值間的轉變。根據綜合確定度2.82>2.66>2.53,得出評價等級依次是S1為Ⅳ(較差)、S2為Ⅲ(中等)、S3為Ⅱ(良好)。

4) 本文為垃圾分類管理領域提供區塊鏈技術的試驗研究,在進一步的區塊鏈技術下垃圾分類管理研究中可對生活垃圾末端處置和資源化等數據進行收集和對比分析。此外,后續工作會擴大試驗范圍,以減少區域性差異造成的結果偏差,從而獲得更加豐富和具體的區塊鏈技術下生活垃圾分類管理研究。