沈陽航空航天大學(xué) 朱全發(fā) 嚴(yán)偉華 伍美香 謝偉濤 羅蒙浩 朱麗梅

1.引言

科技的發(fā)展和人民生活水平的提高促使我國的手機(jī)用戶數(shù)迅速增長。據(jù)工業(yè)與信息化部發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2012年我國手機(jī)用戶已經(jīng)達(dá)到11億戶。近年來智能手機(jī)[1]開始走俏，該類手機(jī)強(qiáng)大的功能備受廣大使用者的青睞，也使每部手機(jī)每天的耗電量迅猛增加。在以煤炭和石油等不可再生能源為主要能源的中國，在節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為全人類共識的今天，預(yù)測手機(jī)消耗能源的未來趨勢，顯然是十分有現(xiàn)實意義的。

手機(jī)與能源消耗方面的研究有很多。王碩，張寶玲等[3]探討了在手機(jī)逐步替代固定電話的過程中能源消耗的增長態(tài)勢，該研究是以一個假定的城市為基礎(chǔ)進(jìn)行的，研究結(jié)果缺乏代表性。魏強(qiáng)從最低能耗的角度，采用定量分析方法和數(shù)學(xué)建模方法研究了手機(jī)和固定電話的合理的市場占有率[4]，在固定電話只在極窄范圍內(nèi)使用的今天，此研究結(jié)果顯然不能代表當(dāng)前手機(jī)耗能的主體。王振飛[5]運(yùn)用一元線性回歸模型預(yù)測全國手機(jī)用戶數(shù)量在未來五年內(nèi)的變化發(fā)展?fàn)顩r，并在此基礎(chǔ)上建立手機(jī)電能浪費(fèi)模型計算出電能浪費(fèi)的總量。熊樹明[6]論述了信息通訊中的能源消耗問題。。以上研究都是從微觀的角度探討能源消耗問題，缺乏對該問題的全局性把握。

該文直接引用朱全發(fā)，嚴(yán)偉華，謝偉濤在沈陽航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目中取得的全國手機(jī)用戶總數(shù)的預(yù)測結(jié)果和智能手機(jī)用戶數(shù)的預(yù)測結(jié)果，并采用問卷調(diào)查的方式，掌握了人們使用手機(jī)的習(xí)慣的第一手資料，繼而對當(dāng)今備受廣大使用者的青睞的智能手機(jī)予以專門討論。 該文不去細(xì)究手機(jī)的某種功能使手機(jī)耗能的增加量，也不去細(xì)究人們的某一種使用習(xí)慣對手機(jī)耗能的影響，而是從宏觀的角度分析問題，全局性地探討手機(jī)消耗能源問題。靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)映射(structuremapping)的理論，類比計算機(jī)的發(fā)展歷程，提出了估計每部手機(jī)每天耗電量發(fā)展趨勢的方法；最后建立模型計算出了未來幾年全國手機(jī)每年消耗電能的趨勢。

2.估計每部手機(jī)每天的耗電量

2.1 問題的提出及分析

表1 每部智能手機(jī)每天的耗電量

表2 每部功能手機(jī)每天的耗電量

鑒于人們使用不同類別的手機(jī)時對耗電量的差別。我們采用調(diào)查問卷的形式來獲得必要的信息。我們先后在南京大學(xué)，沈陽航空航天大學(xué)，河南省建府酒業(yè)，中共方城縣委，方城縣中醫(yī)院等多家企事業(yè)單位對人們使用手機(jī)的情況進(jìn)行調(diào)查，獲得了寶貴的第一手資料。對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出當(dāng)前不同年齡段的人群使用智能手機(jī)時，每部智能手機(jī)每天的耗電量，見表1所示；當(dāng)前不同年齡段的人群使用功能手機(jī)時，每部功能手機(jī)每天的耗電量，見表2所示。

要預(yù)測未來中國正在被使用的所有手機(jī)的耗電量，我們必須知道未來每部手機(jī)每天的耗電量。目前我們僅僅能通過調(diào)查問卷獲得當(dāng)下人們使用手機(jī)的情況，估計當(dāng)下每部手機(jī)每天的耗電量，而不知道未來人們使用手機(jī)的情況，也不能通過常規(guī)的數(shù)學(xué)方法來計算出這些數(shù)據(jù)。

我們廣泛的查閱文獻(xiàn)[7]，最后引入了結(jié)構(gòu)映射(structure-mapping)理論[7]。該理論是Gentner.D在1983年提出的，其基本思想是，類比中最關(guān)鍵因素是源類比物與特征類比物之間的聯(lián)系。要實現(xiàn)這種聯(lián)系，必須具備三個特征：一是結(jié)構(gòu)連續(xù)性，即形成平行結(jié)構(gòu)和一對一的對應(yīng)關(guān)系。前者需要關(guān)系和主題的共同匹配，后者要求表征內(nèi)的每個要素都要與另一表征內(nèi)的要素形成匹配。二是以關(guān)系為中心性，即它要求類比物必須包括共同的關(guān)系而不是共同特征。三是系統(tǒng)性，即趨向于形成關(guān)系體系的匹配。

依據(jù)結(jié)構(gòu)映射(structure-mapping)理論作為理論基礎(chǔ)，引入發(fā)展已經(jīng)成熟的計算機(jī)的發(fā)展史作為特征類比物，建立數(shù)學(xué)模型。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

2.2.1 確定決定手機(jī)耗電量的本質(zhì)特性

圖1 決定確定手機(jī)耗電量的本質(zhì)特性

2.2.2 確定影響手機(jī)耗電量的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢

圖2 確定影響手機(jī)耗電量的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢

2.2.3 由手機(jī)的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢反推手機(jī)耗電量的增長趨勢

圖3 反推手機(jī)耗電量的增長趨勢

2.3 模型的分析求解

2.3.1 確定決定手機(jī)耗電量的本質(zhì)特性

(a)手機(jī)的耗電量來自于兩大方面

第一，待機(jī)狀態(tài)下，操作系統(tǒng)本身的耗電量；第二，人們使用手機(jī)豐富多彩的功能時的耗電量。

(b)手機(jī)的操作系統(tǒng)與手機(jī)可以實現(xiàn)的功能的關(guān)系綜合(a),(b)的分析，可以得到如下的結(jié)論：

圖4 手機(jī)的操作系統(tǒng)決定了手機(jī)的耗電量

手機(jī)所配備的操作系統(tǒng)對它們可以實現(xiàn)的功能起著至關(guān)重要的作用，配備什么樣的操作系統(tǒng)決定了手機(jī)可以實現(xiàn)有多么復(fù)雜程度的功能，見表3所示。

2.3.2 確定手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

由以上的分析可知，手機(jī)的操作系統(tǒng)與手機(jī)的耗電量直接相關(guān)，手機(jī)的耗電量隨著手機(jī)的操作系統(tǒng)的革新而變化。功能手機(jī)是指已經(jīng)在人們的意識中被固化了的，且它的耗能已不占主體，具備低端操作系統(tǒng)的一類手機(jī)，可以認(rèn)為功能手機(jī)的操作系統(tǒng)不發(fā)生變化；那么智能手機(jī)的操作系統(tǒng)會有什么樣的變化呢？現(xiàn)以發(fā)展已經(jīng)成熟的計算機(jī)的操作系統(tǒng)的發(fā)展史作為特征類比物，根據(jù)結(jié)構(gòu)映射理論，建立預(yù)測智能手機(jī)的操作系統(tǒng)的變化數(shù)學(xué)模型。表4所示為計算機(jī)與手機(jī)的操作系統(tǒng)的對比。

現(xiàn)在人們所熟知的，諸如windows，這樣的經(jīng)典的電腦操作系統(tǒng)，已經(jīng)有將近三十年的歷史了。以功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)作為載體容納各種各樣應(yīng)用程序的使用方式展現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力，現(xiàn)今依然占據(jù)統(tǒng)治地位。如今，智能手機(jī)的操作系統(tǒng)已經(jīng)與計算機(jī)幾乎完全一樣了，隨著科技的進(jìn)步，在未來的十年中智能手機(jī)的功能將會增多，人機(jī)界面會更加人性化，但是智能手機(jī)的操作系統(tǒng)將不會發(fā)生本質(zhì)變化。

2.3.3 由手機(jī)的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢反推手機(jī)耗電量的增長趨勢

圖5 反推手機(jī)耗電量的增長趨勢

綜上所述，智能手機(jī)的操作系統(tǒng)在未來不會發(fā)生本質(zhì)的變化，所以我們可以認(rèn)為未來十年內(nèi)每一部智能手機(jī)每一天的耗電量不會發(fā)生較大變化；功能手機(jī)的操作系統(tǒng)不發(fā)生變化，忽略科技的進(jìn)步對功能手機(jī)耗電量的影響，那么可以認(rèn)為未來每一部功能手機(jī)每一天的耗電量也不會發(fā)生變化。

3.預(yù)測未來幾年全國手機(jī)每年的耗電量

3.1 問題分析

事實上，智能手機(jī)用戶每天耗電量與用戶年齡有密切關(guān)系，據(jù)艾媒咨詢的數(shù)據(jù)[18]，中國智能手機(jī)用戶年齡分布如圖6所示。

依據(jù)表1、表2，再考慮到年齡因素，我們做出兩類手機(jī)不同的年齡段用戶每天耗電量的對比圖7，由圖7可見，在五個不同年齡段中，每一部智能手機(jī)每一天的耗電量呈現(xiàn)出年齡越大，耗電量越少的較明顯趨勢；而在不同的年齡段中，功能手機(jī)的耗電量大致相同。

圖6 智能手機(jī)用戶年齡分布圖

3.2 建立計算每年手機(jī)耗電量的模型

(A)平均每部智能手機(jī)每天的耗電量

其中，Ai表示第i個年齡段中每一部智能手機(jī)每天的耗電量，Pi表示第i個年齡段中的智能手機(jī)用戶占總智能手機(jī)用戶數(shù)的百分比。

(B)平均每部功能手機(jī)每天的耗電量

其中，Bj表示第i個年齡段中每一部功能手機(jī)每天的耗電量。

(C)全國所有的手機(jī)第j年的耗電量

其中，kj表示在第j年全國所有手機(jī)的耗電量；Mj表示在第j年全國總的手機(jī)用戶數(shù)；Nj表示在第j年全國智能手機(jī)用戶數(shù)。

3.3 模型的求解和結(jié)果的分析

計算出每年全國手機(jī)的耗電量的預(yù)測值，并且折合為人們在統(tǒng)計能源消耗量時常用的單位萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，以符合人們的習(xí)慣，如表5所示(單位：萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤)。

用Excel做出從2012年至2020年的中國手機(jī)耗能增長趨勢的折線圖(如圖8所示)。

圖7 手機(jī)耗電量的對比圖

圖8 全國手機(jī)耗能量增長趨勢的預(yù)測值

從2012年到2020年，中國手機(jī)耗能量將以年均12.5%的高速增長，到2020年達(dá)到最高點(diǎn)，如圖8?？紤]到未來幾年中智能手機(jī)價格的下降、人們收入水平的提高、智能手機(jī)功能的進(jìn)一步拓展、電池儲能技術(shù)的進(jìn)步以及智能手機(jī)與平板電腦的結(jié)合等新趨勢，未來幾年中每年實際的手機(jī)耗電量會比預(yù)測值偏高，每年耗能量的最高點(diǎn)將會提前到來。

表3 手機(jī)的操作系統(tǒng)與手機(jī)可以實現(xiàn)的功能的關(guān)系

表4 計算機(jī)與手機(jī)的操作系統(tǒng)的對比

表5 全國手機(jī)耗能量的預(yù)測值

4.結(jié)語

本文不拘一格，綜合運(yùn)用多種方法，建立了預(yù)測手機(jī)耗能方面的兩個數(shù)學(xué)模型，并逐步進(jìn)行分析。結(jié)果表明：從2012年到2020年，中國手機(jī)消耗的電能將以年均12.5%的高速增長，到2020年達(dá)到最高點(diǎn)?？紤]到智能手機(jī)功能的進(jìn)一步拓展，電池儲能技術(shù)的進(jìn)步，以及人口的增長等因素，未來幾年實際的手機(jī)消耗電能將會比預(yù)測值偏高。

[1]智能手機(jī).百度百科(baike.baidu.com),2012,9.

[2]功能手機(jī),百度百科(baike.baidu.com),2012,9.

[3]王碩,張寶玲.電話與能源消耗的數(shù)學(xué)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010(30):254.

[4]魏強(qiáng).基于最低能耗考慮的在飽和市場中手機(jī)與固定電話占有率的模型研究[J].現(xiàn)代營銷,2011(1):95.

[5]王振飛.數(shù)學(xué)建模方法在手機(jī)待機(jī)能耗問題中的運(yùn)用[J].硅谷,2009(12):34-35.

[6]熊樹明.信息通訊中的能源消耗問題[J].世界科技研究與發(fā)展,2006(6):103-104.

[7]賈金寧.類比推理中關(guān)系匹配的優(yōu)勢效應(yīng)[D].開封:河南大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院,2009.