王娜娜 喬英合 牟 斌 王 偉

1(中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所 山東 青島 266101) 2(青島海防工程局 山東 青島 266101) 3(中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 四川 成都 610041)

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基于反演模式的碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王娜娜1喬英合1牟 斌2王 偉3

1(中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所 山東 青島 266101)2(青島海防工程局 山東 青島 266101)3(中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 四川 成都 610041)

針對(duì)“能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)的排放”項(xiàng)目中所采集、生產(chǎn)的各類數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建基于反演模式的碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)，提供采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理、錄入導(dǎo)入、分析挖掘及反演預(yù)測等功能。著重解析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中的架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和反演預(yù)測模型等關(guān)鍵模塊。實(shí)踐結(jié)果表明，這些模塊在碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，有利于實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理展示，有利于精準(zhǔn)確定我國能源消費(fèi)和水泥生產(chǎn)過程的碳排放系數(shù)。

碳排放 數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)挖掘 反演 預(yù)測

0 引 言

近年來，以溫室氣體排放為核心的氣候變化問題已經(jīng)成為國際社會(huì)、科技界和社會(huì)公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，且已深入到國際政治和外交層面[1]。但總體來說，我國在碳排放這方面的研究基礎(chǔ)較為薄弱，且零星分散，不能形成合力。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、方法論、關(guān)鍵論斷、模型構(gòu)建等方面都參照甚至照搬國外CO2研究機(jī)構(gòu)或?qū)＜业难芯砍晒?，缺少?chuàng)新性成果，導(dǎo)致我國碳排量長期被高估[2]，面臨著巨大的減排壓力[3]。與此同時(shí)，我國各領(lǐng)域各行業(yè)間測算方法的不同、碳排放系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,使得碳排放測算結(jié)果不一致[4]，難以為我國進(jìn)行CO2減排決策提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。為此，2011年中科院啟動(dòng)了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“應(yīng)對(duì)氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題”(簡稱“碳專項(xiàng)”)。期望科學(xué)系統(tǒng)地研究我國在能源消費(fèi)、土地利用、自然過程等領(lǐng)域的CO2、CH4和N2O3種主要溫室氣體排放，建立我國溫室氣體基礎(chǔ)參數(shù)及排放數(shù)據(jù)庫[5]。

本文以 “能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)碳排放”項(xiàng)目為研究背景，探討碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)的總體流程、架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)等。并詳細(xì)闡述關(guān)鍵技術(shù)如數(shù)據(jù)預(yù)處理宏程序、異地容災(zāi)技術(shù)和反演預(yù)測模型等。提出系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的解決方案，構(gòu)建能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)過程碳排放的可視化數(shù)據(jù)庫。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)主要是指在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的劃分(子系統(tǒng))、機(jī)器設(shè)備(包括軟、硬設(shè)備)的配置、數(shù)據(jù)的存貯規(guī)律以及整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃等方面進(jìn)行合理的安排[6]，是構(gòu)建信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用分布式主從互備架構(gòu)、MVC三層分離技術(shù)，利用Power Design設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫E-R圖，并根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，將系統(tǒng)劃分為六大功能模塊。

1.1 系統(tǒng)總體流程

圖1 系統(tǒng)總體流程

“能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)碳排放”項(xiàng)目針對(duì)全國范圍內(nèi)“煤”、“油”、“氣”、“水泥”等領(lǐng)域的采樣數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、工廠數(shù)據(jù)等進(jìn)行收集、過濾、分析、反演與預(yù)測等。因此將系統(tǒng)分為五個(gè)模塊：一個(gè)總數(shù)據(jù)庫和四個(gè)子數(shù)據(jù)庫，其中總數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)綜合各個(gè)子數(shù)據(jù)庫信息，用于數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)挖掘與報(bào)表生成。子數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)保留原始數(shù)據(jù)及經(jīng)過ETL處理后的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體流程如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是在需求分析的基礎(chǔ)上，深入綜合地考慮信息系統(tǒng)的目標(biāo)、技術(shù)要求和約束，擴(kuò)展和細(xì)化需求分析階段的模型。秉承高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從整體到部分的最高層次劃分。本節(jié)主要從物理架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)及模塊劃分四方面進(jìn)行闡述碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2.1 物理架構(gòu)

物理架構(gòu)明確系統(tǒng)硬件選擇、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軟硬件映射等。本系統(tǒng)采用“一主兩翼”物理架構(gòu)，設(shè)置太原主節(jié)點(diǎn)、青島和上海兩個(gè)災(zāi)備節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)均采用應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供數(shù)據(jù)資源與公網(wǎng)隔離，以增加系統(tǒng)安全性，應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)答客戶訪問請(qǐng)求，具有良好的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)物理架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)物理架構(gòu)

太原主節(jié)點(diǎn)使用的是RMAN實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)每天增量備份和每周全量備份。RMAN是一種用于備份、還原和恢復(fù)Oracle 數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)自帶工具?？梢詡浞菡麄€(gè)數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)庫部件，如表空間、數(shù)據(jù)文件、控制文件、歸檔日志文件等[7]。主節(jié)點(diǎn)Oracle RAC 數(shù)據(jù)庫各節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)文件、控制文件，并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)設(shè)備中。數(shù)據(jù)復(fù)制引擎跟蹤數(shù)據(jù)庫日志，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)庫時(shí)，系統(tǒng)首先把這些信息存儲(chǔ)在日志中； 然后數(shù)據(jù)復(fù)制引擎通過對(duì)數(shù)據(jù)庫日志的分析，獲得本次操作的指令和數(shù)據(jù)，形成備份目錄；最后系統(tǒng)將主節(jié)點(diǎn)備份目錄通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)共享備份數(shù)據(jù)中心，使備用主機(jī)能正常讀取RMAN 備份數(shù)據(jù)。

災(zāi)備節(jié)點(diǎn)均使用的是Data Guard實(shí)現(xiàn)異地人工全庫備份。Data Guard主要是通過日志文件的傳送、分析和應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫復(fù)制[8]。在應(yīng)用事務(wù)發(fā)生后主數(shù)據(jù)中心通過數(shù)據(jù)復(fù)制引擎將日志傳輸?shù)絺浞輸?shù)據(jù)中心，備份數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫對(duì)日志中記載的事務(wù)執(zhí)行重演操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)備份數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的更新。保障太原數(shù)據(jù)中心同青島和上海容災(zāi)中心間的數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)同步、高效并發(fā)訪問等。

1.2.2 邏輯架構(gòu)

邏輯架構(gòu)描述系統(tǒng)功能，進(jìn)而指導(dǎo)系統(tǒng)測試。本系統(tǒng)采用MVC分層架構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、展示層組成，如圖3所示。各層之間具有較強(qiáng)的獨(dú)立性,各層采用標(biāo)準(zhǔn)接口為上一層進(jìn)行服務(wù)[9]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各層間的分離，在一定程度上降低了軟件系統(tǒng)的開發(fā)周期和維護(hù)成本，使系統(tǒng)具有較高的靈活性、伸縮性和可擴(kuò)展性[10]。

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)架構(gòu)指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫、實(shí)體模型及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)。按業(yè)務(wù)需求，經(jīng)過詳細(xì)的需求分析，共設(shè)計(jì)185個(gè)數(shù)據(jù)庫實(shí)體，其中主表173個(gè)，輔助表11個(gè)，統(tǒng)計(jì)表1個(gè)。某課題E-R圖如圖4所示。

圖4 某課題E-R圖

1.4 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶需求，將系統(tǒng)劃分為六大功能模塊：用戶管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)錄入導(dǎo)入、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)反演預(yù)測與重要信息監(jiān)測等功能。

1.4.1 用戶管理

根據(jù)用戶實(shí)際需求設(shè)計(jì)用戶管理模型，使用基于角色的訪問控制RBAC策略完成了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的角色管理功能，實(shí)現(xiàn)了分層角色，資源權(quán)限控制以及動(dòng)態(tài)角色變更等功能。針對(duì)用戶需求中存在人員兼任多個(gè)職務(wù)的實(shí)際情況，設(shè)置了用戶多組多角色支持，并實(shí)現(xiàn)了權(quán)限與用戶登錄菜單的多級(jí)聯(lián)動(dòng)功能。對(duì)未經(jīng)授權(quán)的用戶嚴(yán)格控制其訪問。并在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了用戶的增、刪、改、查等功能，支持創(chuàng)建臨時(shí)用戶，及臨時(shí)用戶訪問時(shí)間控制等功能。

1.4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理欲從大量的數(shù)據(jù)屬性中提取對(duì)目標(biāo)有重要影響的屬性來降低數(shù)據(jù)維數(shù)，并甄別錯(cuò)誤或不匹配數(shù)據(jù)，以改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析的速度[11]。系統(tǒng)針對(duì)用戶實(shí)際需求，設(shè)計(jì)基于VBA的Excel校核模板，能夠?qū)崿F(xiàn)離線環(huán)境中對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)精確到字段。

同時(shí)，利用科學(xué)的方法，對(duì)測量所得的一次數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，獲得碳排放過程核心參數(shù)。利用測試所得到的各樣品精確的組成、溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，通過公式計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)狀況下，各樣品的低位發(fā)熱量和碳含量值。

1.4.3 數(shù)據(jù)錄入導(dǎo)入

系統(tǒng)支持采樣數(shù)據(jù)的單條錄入和批量導(dǎo)入功能。為適應(yīng)表結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程中自動(dòng)解析表結(jié)構(gòu)、自動(dòng)建表、自動(dòng)校驗(yàn)等功能。除數(shù)據(jù)文件外還支持文檔數(shù)據(jù)及圖像數(shù)據(jù)的上傳，在數(shù)據(jù)文件上傳過程中提供對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的校驗(yàn)功能，支持重復(fù)數(shù)據(jù)忽略、錯(cuò)誤信息提醒等功能。

1.4.4 數(shù)據(jù)展示

數(shù)據(jù)入庫后自動(dòng)生成新建表的檢索界面，提供統(tǒng)一格式的檢索界面。針對(duì)每組數(shù)據(jù)的檢索，檢索條件中列出了所有的數(shù)據(jù)字段以供篩選，同時(shí)還可以針對(duì)每個(gè)字段設(shè)置檢索條件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的數(shù)據(jù)檢索功能。檢索結(jié)果以表格的形式在同一個(gè)頁面中展示，實(shí)現(xiàn)了檢索結(jié)果分頁。同時(shí)對(duì)檢索得到的結(jié)果支持動(dòng)態(tài)生成圖形展示等功能，生成的圖形包括曲線圖、柱狀圖、餅圖、地理信息圖等。

1.4.5 數(shù)據(jù)反演預(yù)測

參考IPCC重疊法反演我國二氧化碳排放量。同時(shí)，尋找替代變量構(gòu)建其他反演模型，如多元回歸模型，修正我國以往年份能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)過程的二氧化碳排放量數(shù)據(jù)。針對(duì)歷年各省市地區(qū)的反演數(shù)據(jù)存在缺失情況，設(shè)計(jì)并開發(fā)部分碳排放過程的缺失反演數(shù)據(jù)插值算法，估計(jì)并填充缺失的部分反演數(shù)據(jù)。

同時(shí)根據(jù)反演數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)公式開發(fā)由總課題到課題以及由課題到子課題的挖掘功能，逐層遞進(jìn)的展示項(xiàng)目數(shù)據(jù)以及追蹤數(shù)據(jù)來源。

1.4.6 重要信息監(jiān)測

使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，借助信息抽取、自動(dòng)分類、自動(dòng)摘要、文本挖掘等方法，對(duì)指定網(wǎng)站的指定新聞模塊進(jìn)行定期跟蹤，實(shí)現(xiàn)了新聞信息的及時(shí)追蹤與集中展示功能。由此實(shí)現(xiàn)國內(nèi)及國際碳排放領(lǐng)域相關(guān)信息的匯總及展示功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)業(yè)務(wù)的定義，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中采用不同的技術(shù)滿足用戶需求。本系統(tǒng)采用Excel VBA宏程序、IPCC重疊法、ARIMA模型、異地災(zāi)備、行級(jí)數(shù)據(jù)管理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、反演、預(yù)測及安全保障。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于采樣過程不可逆，而采樣人員不規(guī)范的操作可能會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)雜亂、無效、缺值等情況，因此需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)離線校驗(yàn)，避免人為因素對(duì)采樣結(jié)果造成影響。

項(xiàng)目組基于以上需求，開發(fā)了基于EXCEL VBA宏程序的數(shù)據(jù)模板。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的范圍校驗(yàn)、非空校驗(yàn)、一致性校驗(yàn)等，規(guī)范化了數(shù)據(jù)導(dǎo)入格式，同時(shí)備注了各個(gè)字段在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍、關(guān)鍵字等必要信息，提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量，方便了數(shù)據(jù)采樣與導(dǎo)入。系統(tǒng)預(yù)處理模板如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)預(yù)處理模板

數(shù)據(jù)類型校驗(yàn)：在本系統(tǒng)Excel文件中可支持的數(shù)據(jù)類型包括整型、小數(shù)型、日期型、字符串、關(guān)聯(lián)型，根據(jù)實(shí)際采樣數(shù)據(jù)的需要預(yù)先對(duì)記錄字段的類型進(jìn)行設(shè)定。數(shù)據(jù)類型規(guī)范如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)類型規(guī)范表

對(duì)于不符合類型約束或范圍約束的情況，填寫過程中會(huì)自動(dòng)提示錯(cuò)誤。

對(duì)于唯一值約束和非空約束，會(huì)以特殊顏色標(biāo)識(shí)。對(duì)提示框內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后提示色彩會(huì)自動(dòng)消失。

2.2 反演與預(yù)測模型

從二氧化碳排放的物理模型出發(fā)，基于對(duì)IPCC排放因子法的詳細(xì)研究，選取氣體、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及熱值作為假設(shè)條件，以采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算碳含量、氧化因子及二氧化碳排放量。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、回歸模型、Monte Carlo模型、方差分析模型，確定不同假設(shè)組合對(duì)檢驗(yàn)參數(shù)(碳含量、熱值及二氧化碳排放量)影響的顯著性，根據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果確定對(duì)參數(shù)具有顯著影響的假設(shè)組合，其組合中包含的假設(shè)條件即為必要假設(shè)條件。

《2006 IPCC國家溫室氣體清單指南》中介紹的接合技術(shù)為數(shù)據(jù)反演提供理論指導(dǎo)[12]，利用重疊法反演我國二氧化碳排放量。同時(shí)，尋找替代變量構(gòu)建其他反演模型，如多元回歸模型，將反演結(jié)果與利用IPCC缺省值的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，修正我國以往年份能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)領(lǐng)域的二氧化碳排放量數(shù)據(jù)。

在反演模型基礎(chǔ)上構(gòu)建ARIMA時(shí)間序列預(yù)測模型[13]，搜集替代變量，構(gòu)建與二氧化碳排放的聯(lián)系模型，并利用各因素的變化反演和預(yù)測十年跨度二氧化碳排放量。

2.3 數(shù)據(jù)集成

由于能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)過程中涉及到的采樣數(shù)據(jù)、工廠數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)等，其數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)質(zhì)量可能千差萬別，需要按照新的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)入到新庫中。因此采用開源ETL工具Kettle[14]實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成。

由于不同用戶提供的數(shù)據(jù)可能來自不同的途徑，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣測試分析實(shí)際需求，對(duì)不同途徑來源數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、過濾，采用事實(shí)表—維度表的多維模型構(gòu)建了星型數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)各主題域維度數(shù)據(jù)和事實(shí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與加載，最終形成碳排放數(shù)據(jù)集成平臺(tái)。多源數(shù)據(jù)抽取如圖6所示。

圖6 多源數(shù)據(jù)抽取

2.4 數(shù)據(jù)安全管理

數(shù)據(jù)作為信息的重要載體，其安全問題在信息安全中占有非常重要的地位。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)備份恢復(fù)、權(quán)限管理及防SQL注入等策略，保障數(shù)據(jù)的保密性、可用性、可控性和完整性。

2.4.1 數(shù)據(jù)備份策略

基于分布式Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在現(xiàn)有Data Guard系統(tǒng)上二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)太原主中心向青島分中心和上海分中心的數(shù)據(jù)異地容災(zāi)功能。保障兩個(gè)分中心與主中心數(shù)據(jù)的一致性，實(shí)現(xiàn)主中心的數(shù)據(jù)災(zāi)難恢復(fù)功能。同時(shí)基于RMAN模塊開發(fā)各中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)備份子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定期數(shù)據(jù)備份，保障數(shù)據(jù)安全性。

2.4.2 權(quán)限管理策略

采用基于RBAC的權(quán)限管理模式。用戶可以訪問并且只能訪問自己被授權(quán)的數(shù)據(jù)資源，有效地保護(hù)了敏感數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)安全性。

采用Shiro框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級(jí)權(quán)限管理，細(xì)分角色和權(quán)限，并將用戶、角色、權(quán)限和資源均采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫行列級(jí)彈性控制。

2.4.3 防止SQL注入

通過設(shè)置系統(tǒng)訪問安全控制功能，修訂后臺(tái)訪問過濾規(guī)則，通過對(duì)用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格過濾、部署Web應(yīng)用防火墻、對(duì)數(shù)據(jù)庫操作進(jìn)行監(jiān)控等策略嚴(yán)防SQL注入和跨站攻擊等入侵行為。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析測試的基礎(chǔ)上，采用Oracle 11g 平臺(tái)，基于Spring、Struts2、Hibernate框架，使用J2EE 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，前端頁面采用基于jQuery的easyUI框架。根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書要求，緊密結(jié)合能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)存取展示需要，建立了以數(shù)據(jù)采樣、預(yù)處理、導(dǎo)入建表、反演預(yù)測為主線的數(shù)據(jù)處理流程。并提供良好的用戶界面，以期讓用戶更加方便、高效地使用系統(tǒng)。系統(tǒng)集成展示界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)集成展示界面

根據(jù)歷年采樣數(shù)據(jù)，基于IPCC重疊法，構(gòu)建二氧化碳的反演模型，實(shí)現(xiàn)反演數(shù)據(jù)導(dǎo)入及動(dòng)態(tài)展示功能，某課題反演圖片如圖8所示。

圖8 某課題反演圖

本系統(tǒng)自2015年在“能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)的排放”項(xiàng)目組內(nèi)部投入使用以來，輔助完成調(diào)查采樣數(shù)據(jù)共兩萬余條。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建二氧化碳的反演和預(yù)測模型，分析我國10年時(shí)間跨度二氧化碳排放趨勢，為國家溫室氣體清單的編制和減排政策的制定提供理論支持。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)建設(shè)歷時(shí)五年，構(gòu)建了集采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理、錄入導(dǎo)入、分析挖掘、領(lǐng)域信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測、信息展示網(wǎng)站于一體的碳排放數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全國范圍內(nèi)能源消費(fèi)與水泥生產(chǎn)的10年時(shí)間跨度的二氧化碳的排放量反演與預(yù)測的動(dòng)態(tài)模型。目前系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，各功能模塊均可正常訪問，并已順利通過專家驗(yàn)收，較好地完成了項(xiàng)目總體目標(biāo)和預(yù)期成果。

[1] 丁仲禮, 傅伯杰, 韓興國,等. 中國科學(xué)院“應(yīng)對(duì)氣候變化國際談判的關(guān)鍵科學(xué)問題”項(xiàng)目群簡介[J]. 中國科學(xué)院院刊, 2009, 24(1):8-17.

[2] Liu Z, Guan D, Wei W, et al. Reduced carbon emission estimates from fossil fuel combustion and cement production in China[J]. Nature, 2015, 524(7565):335-338.

[3] 呂達(dá)仁，丁仲禮．應(yīng)對(duì)氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題[J]. 中國科學(xué)院院刊，2012，27(3) ：395-401.

[4] 謝守紅,王利霞,邵珠龍．國內(nèi)外碳排放研究綜述[J]．干旱區(qū)地理，2014(4):720-730.

[5] 魏偉, 任小波, 蔡祖聰,等. 中國溫室氣體排放研究——中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“應(yīng)對(duì)氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題”之排放清單任務(wù)群研究進(jìn)展[J]. 中國科學(xué)院院刊, 2015(6):839-847.

[6] 張海藩,牟永敏．軟件工程導(dǎo)論[M]. 6版. 北京: 清華大學(xué)出版社,2013.

[7] Oracle. Using RMAN to Back Up and Restore Files [EB/OL]. http://docs.oracle.com/cd/E11882_01/server.112/e25608/rman.htm.

[8] Oracle. Introduction to Oracle Data Guard[EB/OL]. http://docs.oracle.com/cd/E11882_01/server.112/e25608/concepts.htm.

[9] 陳俊寧．海上試驗(yàn)場綜合數(shù)據(jù)集成與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．山東:中國海洋大學(xué)，2015.

[10] 趙偉，王志華，周兵．基于MVC的e-ERP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013,30(2):106-109.

[11] 王藝霖，金澈清，王曉玲．公交數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016,36(S1):240-242,248.

[12] The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)．2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories [R/OL]．2006. http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/.

[13] 張利平，于貞杰，張建華，等．六種時(shí)間序列組合建模及應(yīng)用[J]．統(tǒng)計(jì)與決策，2016(14):71-73.

[14] Matt Casters, Roland Bouman, Jos van Dongen,等． Pentaho Kettle解決方案:使用PD構(gòu)建開源ETL解決方案[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2014.

DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFCARBONEMISSIONDATAINTERGRATIONMANAGEMENTSYSTEMBASEDONINVERSIONMODEL

Wang Nana1Qiao Yinghe1Mu Bin2Wang Wei3
1(QingdaoInstituteofBioenergyandBioprocessTechnology,ChineseAcademyofScience,Qingdao266101,Shandong,China)2(QingdaoCoastalEngineeringBureau,Qingdao266101,Shandong,China)3(InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,Sichuan,China)

We designed and constructed the integrated management system of carbon emission data based on inversion model, considering the data in the "energy consumption and carbon emissions of cement production" project. The system provides the sample data pre-processing, input, analysis, mining and inversion prediction and other functions. This paper focuses on the analysis of the system design and development of the architecture design, data preprocessing and inversion prediction model and other key modules. The practices show that the adoption of these modules in carbon emissions data integrated management system, is conducive to the unified management of multi-source data display, and to precisely determine the coefficient of carbon emissions of China’s energy consumption and cement production process.

Carbon emission Data preprocessing Data mining Inversion Forecast

2016-08-24。中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05010000)。王娜娜，工程師，主研領(lǐng)域：科研信息化。喬英合，工程師。牟斌，工程師。王偉，本科。

TP311

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.008