程 璐

（海油總節(jié)能減排監(jiān)測中心有限公司 天津 300452）

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速增長，國家各項(xiàng)建設(shè)都取得了巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，為此國家也出臺了一系列應(yīng)對政策。如，針對溫室氣體排放引起全球氣候變暖，政府出臺政策以遏制溫室氣體排放的增加，并減緩由于化石燃料過度使用所導(dǎo)致的氣候變化對自然和人類環(huán)境產(chǎn)生的影響。

目前，開展節(jié)能減排、控制溫室氣體排放，是應(yīng)對氣候變化的必然選擇。而在節(jié)能減排工作中，政府管理機(jī)構(gòu)承擔(dān)著節(jié)能降碳工作的指導(dǎo)監(jiān)督、落實(shí)對重點(diǎn)耗能單位年度目標(biāo)下達(dá)及考核工作。傳統(tǒng)的監(jiān)管存在企業(yè)和區(qū)域點(diǎn)多面廣、不同類別企業(yè)監(jiān)管方式多樣、監(jiān)管時(shí)效性不及強(qiáng)等問題，很難做到及時(shí)、精準(zhǔn)、科學(xué)地監(jiān)管。2022年8 月18 日，科學(xué)技術(shù)部、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、交通運(yùn)輸部等9部門聯(lián)合印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022-2030 年）》，提出“充分發(fā)揮科技創(chuàng)新對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐作用”，為政府管理機(jī)構(gòu)監(jiān)管重點(diǎn)耗能單位的節(jié)能降碳工作提供了新的思路。

GIS 技術(shù)作為信息化建設(shè)的重要基石，可以將不同來源、不同類別的數(shù)據(jù)匯聚在一起，通過數(shù)據(jù)清洗、處理、整合建立功能強(qiáng)大的地理信息數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上集成各種應(yīng)用，并按照空間范圍和屬性，提供多條件組合類型的統(tǒng)計(jì)分析，用戶可通過GIS 應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行瀏覽、查詢、制圖、統(tǒng)計(jì)、分析，為管理決策的應(yīng)用提供依據(jù)[1]。因此，可以將GIS 技術(shù)應(yīng)用于政府管理機(jī)構(gòu)日常監(jiān)管中，輔助重點(diǎn)耗能單位的節(jié)能降碳。

1 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)節(jié)能降碳監(jiān)管需求，在獲取重點(diǎn)耗能單位能耗、碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫，并開展能碳數(shù)據(jù)的計(jì)算、評價(jià)以及預(yù)測，借助GIS 技術(shù)的可視化與空間分析能力，搭建GIS 節(jié)能低碳監(jiān)管平臺，為政府管理機(jī)構(gòu)節(jié)能低碳監(jiān)管提供決策支撐。

1.1 建立能碳數(shù)據(jù)庫

建立包括地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、節(jié)能低碳數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等的能碳數(shù)據(jù)庫。

1.2 建立能碳計(jì)算公式

建立能耗計(jì)算公式模板、24 個(gè)碳排放參數(shù)推薦值、排放因子庫、碳排放核算公式模板的能碳計(jì)算公式，自動計(jì)算能耗、碳排放數(shù)據(jù)。

1.3 建立因子評價(jià)模型

建立能碳評價(jià)模型，將重點(diǎn)耗能單位能碳影響因子按照影響作用進(jìn)行賦值，賦值結(jié)果的高低可以反應(yīng)重點(diǎn)耗能單位需要監(jiān)管的程度。

1.4 建立分析預(yù)測模型

收集企業(yè)各時(shí)期能耗、碳排放數(shù)據(jù)，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸模型等多種方法建立能碳預(yù)測模型，通過多組數(shù)據(jù)測試，不斷對模型進(jìn)行評估和優(yōu)化，以期找到一種精確且實(shí)用的能耗、碳排放預(yù)測模型，幫助企業(yè)掌握能耗、碳排放預(yù)期情況，更有效地實(shí)施溫室氣體減排[2]。

1.5 建立GIS 節(jié)能低碳監(jiān)管平臺

實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)耗能單位節(jié)能低碳可視化展示、查詢統(tǒng)計(jì)、多維分析、趨勢預(yù)測等功能，指導(dǎo)管理重點(diǎn)耗能單位節(jié)能降碳。

2 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用案例

2.1 可視化

GIS 可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)和地圖學(xué)等可視化技術(shù)，以符號、文字、圖形等形式表示空間數(shù)據(jù)的位置、形態(tài)、分布和動態(tài)變化的信息，形象地、具體地顯示信息的空間特性，使研究人員能直觀地進(jìn)行觀察、分析，從而更進(jìn)一步地指導(dǎo)深層次應(yīng)用，GIS 可視化在節(jié)能減排應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳數(shù)據(jù)的多維、直觀、動態(tài)展示，反映時(shí)空格局和演化規(guī)律。

鄒航等[3]利用物聯(lián)網(wǎng)自動采集碳排放數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)碳排放核查過程的在線監(jiān)測，利用GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)在地理空間上的可視化顯示，提供更高效的區(qū)域排放情況分析與趨勢分析。另外，通過模型計(jì)算的企業(yè)或區(qū)域碳排放/吸收的核算結(jié)果，不僅可以在地圖上實(shí)現(xiàn)靜態(tài)展示能源消耗情況、企業(yè)碳排放情況、高排放區(qū)等，還可以展示區(qū)域碳排放動態(tài)分布，如對能源消耗量、碳排放量時(shí)間動態(tài)展示與對GDP、人口等經(jīng)濟(jì)社會指標(biāo)時(shí)間動態(tài)展示，以及不同政策情境下未來碳排放量預(yù)測展示等。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)碳吸收變化率空間格局的圖斑展示、不同生態(tài)系統(tǒng)類型占比、不同行政單元碳吸收量排名展示，以及未來不同氣候變化和管理情景下生態(tài)系統(tǒng)碳吸收變化展示。

2.2 空間查詢

空間查詢是指從空間數(shù)據(jù)庫中查找或者標(biāo)識一系列滿足特定語義與空間關(guān)系準(zhǔn)則的地理目標(biāo)子集的過程，空間查詢也可以稱為查詢檢索或空間數(shù)據(jù)選取，根據(jù)查詢結(jié)果可以產(chǎn)生帶有某些特性的空間數(shù)據(jù)集。空間查詢是GIS 系統(tǒng)最基本的功能，可以把符合一定條件的空間對象查出，同時(shí)列出相關(guān)屬性?？臻g查詢包括屬性查圖形、圖形查屬性、圖形查圖形等多種查詢方式，可以給出圖形信息查詢對應(yīng)的屬性信息并分析空間拓?fù)潢P(guān)系，也可以通過屬性信息查詢對應(yīng)的空間實(shí)體及屬性。查詢類型有單一查詢和聯(lián)合查詢，單一查詢是只查詢屬性或只查詢空間拓?fù)潢P(guān)系，聯(lián)合查詢是將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合查詢。

以四川省德陽市打造的節(jié)能減排綜合監(jiān)管平臺為例，該平臺接入重點(diǎn)耗能單位在線監(jiān)測平臺，自動采集電力、天然氣等能耗數(shù)據(jù)，同時(shí)也與德陽市生態(tài)環(huán)境局系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了共享，接入了大氣、水等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分析處理為德陽市節(jié)能減排監(jiān)管提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。該產(chǎn)臺在建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對德陽市重點(diǎn)耗能單位能耗和污染源排放數(shù)據(jù)的監(jiān)測、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，具備能源審計(jì)、能效對標(biāo)、節(jié)能減排等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的查詢檢索等功能。該平臺的投建和運(yùn)營模式在四川省節(jié)能減排能力建設(shè)、全國節(jié)能減排示范城市能力建設(shè)中均屬首創(chuàng)。

2.3 空間分析

GIS 系統(tǒng)的空間分析功能可分析和解決現(xiàn)實(shí)世界中與空間相關(guān)的問題?？臻g分析以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、分布狀況、演變等信息并進(jìn)行綜合分析，空間分析基本功能包括空間查詢與量算，疊加分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。

師華定等[4]研究了GIS 可視化與空間分析在低碳經(jīng)濟(jì)模型中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)建設(shè)低碳經(jīng)濟(jì)模型GIS 可視化與空間分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)模型的可視化、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢性和相關(guān)性分析等功能。季鐵軍等[5]利用GIS 開展城市碳足跡中的應(yīng)用分析，并通過面積大小及顏色深度差異反映緩沖區(qū)區(qū)域內(nèi)碳足跡的分布情況,以及結(jié)合城市產(chǎn)業(yè)分布、交通情況、能源配置情況等指導(dǎo)城市交通布局、產(chǎn)業(yè)調(diào)整和能源更新，為城市決策者做出合理判斷提供有效參考。

2.4 地圖制作

地圖制作是將用戶研究方向的展示成果以各類圖表、文本、多媒體等形式進(jìn)行輸出，用戶可以通過使用柱狀圖、餅狀圖、折線圖等不同專題圖的方式將數(shù)據(jù)圖形化，使數(shù)據(jù)以更直觀的形式在地圖上體現(xiàn)出來。利用GIS 技術(shù)進(jìn)行地圖制作的重要特點(diǎn)是通過對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染、處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，從而使與空間有關(guān)的不同數(shù)據(jù)疊加到地圖上。

國網(wǎng)湖北省電力有限公司開發(fā)出一款針對碳排放的地圖——電碳地圖，深度融合了湖北省內(nèi)能源消費(fèi)數(shù)據(jù)，打通了“電—碳—能”數(shù)據(jù)鏈條，通過建立地市用電量與碳排放聯(lián)動模型，形成了湖北電網(wǎng)14 地市的電碳地圖，為重點(diǎn)行業(yè)、耗能企業(yè)碳排放管理及節(jié)能增效提供精準(zhǔn)“畫像”，實(shí)現(xiàn)碳排放情況的過程監(jiān)測，以及對35 個(gè)主要碳排放源行業(yè)的碳排放變化趨勢進(jìn)行可視化分析。另外，通過歷史碳排放數(shù)據(jù)和電力數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，還可計(jì)算出更加具有時(shí)效性的碳排放數(shù)據(jù)，從而解決碳排放數(shù)據(jù)滯后的難題，促進(jìn)行業(yè)和重點(diǎn)耗能企業(yè)的綠色化發(fā)展，引導(dǎo)整個(gè)城市能源消費(fèi)向清潔低碳轉(zhuǎn)型。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

GIS 節(jié)能低碳監(jiān)管平臺總體框架設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)建設(shè)到應(yīng)用服務(wù)，包括感知層、平臺層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層4 個(gè)層級。

3.1.1 感知層

感知層與物聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)，主要由電表、水表、燃?xì)獗淼葌鞲衅鳂?gòu)成，自動采集獲取重點(diǎn)耗能單位能源消耗數(shù)據(jù)。

3.1.2 平臺層

平臺層提供存儲處理感知層數(shù)據(jù)和運(yùn)行服務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，包括支撐服務(wù)和采集服務(wù)2 種類型。其中，支撐服務(wù)包括通信服務(wù)、IOT 服務(wù)、接口服務(wù)、計(jì)算公式、評價(jià)模型、數(shù)據(jù)分析模型；采集服務(wù)包括手工填報(bào)采集、實(shí)時(shí)采集、第三方對接采集等。

3.1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和規(guī)劃，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺，包括地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、節(jié)能低碳數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)3 類。

3.1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層采用面向服務(wù)的架構(gòu)，以圖形化的系統(tǒng)界面將獲取并處理后的數(shù)據(jù)可視化地展示給用戶，以能碳數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建設(shè)GIS 節(jié)能低碳監(jiān)管平臺，實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳可視化展示、查詢統(tǒng)計(jì)、多維分析、趨勢預(yù)測等功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

建立地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、節(jié)能低碳數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)3 類數(shù)據(jù)庫。

3.2.1 地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

建立電子地圖，實(shí)現(xiàn)包括行政區(qū)域、道路、河流等基礎(chǔ)要素圖層的建庫、配圖及發(fā)布，作為地理信息空間化展示和應(yīng)用的底圖；在電子地圖上進(jìn)行重點(diǎn)耗能單位地名地址數(shù)據(jù)的標(biāo)識。

3.2.2 節(jié)能低碳數(shù)據(jù)

通過儀表自動采集或與能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行接口對接，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測電、氣、熱等能源消耗數(shù)據(jù)，根據(jù)能碳計(jì)算公式計(jì)算能耗、碳排放數(shù)據(jù)；另外，對重點(diǎn)耗能單位開展的節(jié)能技改項(xiàng)目信息進(jìn)行人工錄入或?qū)?，獲得節(jié)能減碳潛力數(shù)據(jù)。

通過評價(jià)模型對重點(diǎn)耗能單位進(jìn)行影響因素賦值。將能耗及碳排放情況（綜合能耗、能耗強(qiáng)度、碳排放量、碳排放強(qiáng)度等）、節(jié)能減碳潛力（節(jié)能量、減碳量、經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)等）、國家節(jié)能監(jiān)察重點(diǎn)行業(yè)、控排企業(yè)、國家級/省市級綠色工廠、能效/水效領(lǐng)跑者等因子按照影響作用進(jìn)行賦值，獲得重點(diǎn)耗能單位評價(jià)得分。

3.2.3 元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)是“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，是對所采集到的數(shù)據(jù)的說明。元數(shù)據(jù)能提供基于用戶的信息，有助于用戶對各類數(shù)據(jù)的使用，元數(shù)據(jù)也可以支持系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，以有效的方式訪問數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能

建設(shè)GIS 節(jié)能低碳監(jiān)管平臺，構(gòu)建能碳計(jì)算模型及評價(jià)體系，建立智能化的能碳數(shù)據(jù)收集、分析系統(tǒng)，政府管理機(jī)構(gòu)可以對企業(yè)的能耗、碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)測預(yù)警。系統(tǒng)主要包含6 個(gè)功能模塊。

4.1 可視化展示

實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)耗能單位能耗及碳排放的計(jì)劃指標(biāo)、實(shí)際排放總量、實(shí)際排放強(qiáng)度、預(yù)測指標(biāo)等數(shù)據(jù)在地圖上進(jìn)行展示，便于政府管理機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)掌握高耗能單位的能碳排放情況，及時(shí)采取監(jiān)管措施。

4.2 分析評價(jià)

從企業(yè)、行業(yè)、區(qū)域不同維度對能碳排放情況進(jìn)行分析評價(jià)。將不同行業(yè)能碳排放信息按照時(shí)間、企業(yè)規(guī)模、企業(yè)類別等維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；在企業(yè)能碳排放情況的基礎(chǔ)上，生成不同區(qū)域能碳排放熱力圖，直觀反映各區(qū)域能碳排放情況；通過評價(jià)模型對重點(diǎn)耗能單位進(jìn)行影響因素賦值后，生成重點(diǎn)耗能單位所需監(jiān)管程度的量化指標(biāo)，在地圖上分層設(shè)色展示，政府管理機(jī)構(gòu)可以據(jù)此確定監(jiān)管重點(diǎn)。

4.3 數(shù)據(jù)查詢

可以按照區(qū)域、行業(yè)、時(shí)間段，查詢?nèi)我鈺r(shí)間段的能耗、碳排放數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)自定義查詢等。

4.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

自動生成能碳統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可以實(shí)現(xiàn)對能耗、碳排放量進(jìn)行分維度、按照時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)分析；對能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、單位產(chǎn)品/產(chǎn)值能源消耗情況的統(tǒng)計(jì)分析；對節(jié)能技改減少的節(jié)能量、減碳量、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過數(shù)據(jù)報(bào)表、餅狀圖、曲線圖等不同形式進(jìn)行展示，指導(dǎo)管理節(jié)能減碳。

4.5 預(yù)測預(yù)警

在對重點(diǎn)耗能企業(yè)各時(shí)期能耗、碳排放規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過分析預(yù)測模型對各企業(yè)碳排放、能耗趨勢進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果與分配的能耗碳排放數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行對比，對即將超標(biāo)的給予預(yù)警。

4.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要包括系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理、系統(tǒng)備份恢復(fù)管理等。

結(jié)語

GIS 技術(shù)為政府管理機(jī)構(gòu)對重點(diǎn)耗能單位的監(jiān)管提供了技術(shù)支撐，便于政府管理機(jī)構(gòu)及時(shí)掌握高耗能單位能耗、碳排放情況并實(shí)行相應(yīng)的監(jiān)管措施。通過評價(jià)模型獲得重點(diǎn)耗能單位所需監(jiān)管程度，便于政府管理機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位監(jiān)管重點(diǎn)。根據(jù)預(yù)測模型對未來能耗和碳排放趨勢進(jìn)行預(yù)測，便于政府管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的能耗、碳排放管控。