基于數據挖掘的唐山地區用電量與空氣質量相關性分析

國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 汲國強 李笑蓉 丁健民 單體華 王智敏 秦礪寒 吳小明

基于數據挖掘的唐山地區用電量與空氣質量相關性分析

國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 汲國強 李笑蓉 丁健民 單體華 王智敏 秦礪寒 吳小明

唐山是典型工業城市，其用電量受大氣污染防治政策沖擊嚴重。文章以2014年APEC會議期間唐山用電量及空氣質量相關數據為基礎，采用數據挖掘方法，對唐山空氣質量及其影響因素進行了聚類分析，并挖掘了用電量與空氣質量之間的關聯規則。研究結果表明，高耗能行業限產停產總體上有利于空氣質量的改善，但限產停產措施效果還需取決于氣象因素。研究成果可以為京津冀地區應對重污染天氣及重大事件期間的空氣質量保障計劃提供參考依據。

空氣質量；用電量；關聯分析；聚類

1.引言

唐山是冀北地區主要工業城市，二產用電量占全社會用電量比例高達85%以上。二產用電量中又以高耗能行業為主。近年來，華北地區霧霾天氣日益頻繁，給社會生產和居民生活都帶來了嚴重影響。為治理霧霾，國家采取了一系列措施[1]，包括京津冀地區壓減燃煤、限行車輛、對工礦企業采取停產限產或升級改造措施等[2][3]。在政策影響下，唐山地區工業用電量受到嚴重沖擊。除產業結構調整的大環境外，為保障首都地區重大事件期間空氣質量而采取的臨時性停產限產措施也嚴重沖擊著唐山地區用電量。

為準確把握地區工業生產與空氣質量之間的關系，從而為地區電力規劃和大氣污染治理提供決策依據，本文以唐山地區為示例，采用數據挖掘技術，對重大事件期間用電量與空氣質量之間的關聯關系進行分析并提取關聯規則，所得成果可以類似推廣到其它工業城市，并為后續制定重污染天氣下空氣質量保障計劃提供參考依據。

2.研究時段分析

本文選取首都地區重大事件期間周邊地市全社會用電量數據加以分析。所謂首都地區重大事件，是指首都地區發生的需要在京津冀地區采取停產限產措施以保障空氣質量的政治、體育、文化等類事件。重大事件期間，具有高污染特征的工礦企業受政策影響基本處于停產或限產狀態，而污染較少的一產、三產以及居民生活用電則受影響較小。重大事件期間某地區日用電量的變化基本反映了該地區工業企業生產狀態的變化。因此，通過對比重大事件時段與普通時段的用電量及其它各項指標即可挖掘出工業生產與空氣質量之間的關聯關系。

2014年APEC峰會于11月5日至11日在北京舉行，屬于首都地區典型重大事件。APEC會議包含四個階段，其中10日至11日的領導人會議是全年APEC活動高潮。在此期間，河北省執行了一系列空氣質量保障工作[4][5]，對地區用電量產生了嚴重影響。設定研究時段為10月29日至11月18日共21天，這一期間唐山地區日用電量變化曲線如圖1所示。

從圖1可見，在APEC會議期間，唐山地區日用電量相比于正常時段出現顯著下降，在10日至11日APEC第二十二次領導人非正式會議期間達到最低谷，此時用電量相比于正常時期削減了44.8%左右。

3.空氣質量及其影響因素分析

空氣質量指數（Air Quality Index, AQI）是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數。唐山地區APEC會議期間AQI指數如下圖所示。從圖2所示可見，APEC會議期間唐山地區大部分時段空氣質量均為良，少部分時段為輕度污染，此外還有極少時段為中度和重度污染。僅從曲線形態來講，AQI指數與日用電量曲線之間并無顯著相關關系。

為準確把握工業生產對空氣質量的影響，這里選取每日氣壓、日平均溫度、日平均風速和日平均相對濕度四種氣象因素，與日用電量一起作為影響空氣質量的主要因素。

4.測試

采用數據挖掘算法分析唐山地區APEC會議期間日用電量與空氣質量之間的相關關系。考慮到AQI指數及其影響因素均為連續變量，處理較為復雜，本文首先對各指標進行聚類分析，將指標樣本分解為若干子集，隨后采用關聯分析算法挖掘各指標子集之間的關聯規則。

圖1 唐山地區APEC前后日用電量變化曲線

圖2 唐山地區APEC前后AQI曲線

4.1 指標聚類

采用k-means聚類算法[6]，對AQI指數及其五大影響因素分別進行聚類，設定每種指標聚類個數為兩個。聚類結果整理如表1所示。表中給出了各指標每個子類名稱及包含樣本數。

表1 唐山APEC會議期間指標聚類結果

4.2 關聯規則挖掘

采用Apriori算法挖掘AQI及其五類影響因素之間的關聯規則，設置最小支持度為20%，最小置信度為50%，共挖掘得到規則243條。其中AQI作為后項的規則共有23條，前項中包含日用電量且后項中包含AQI的規則共有7條，如表2所示。

表2 關聯規則挖掘結果

分析上表可得到以下結論。

（1）從規則支持度來看，同時涉及到日用電量和AQI的規則支持度均不高，最高僅為33.33%，表明二者之間并非具有顯著相關性；

（2）從提取出來的規則類型來看，有6條規則的前項同時包含了日用電量和氣象因素，僅有1條規則前項只有日用電量，表明日用電量單獨作用對空氣質量的影響程度不如日用電量與氣象因素聯合作用更為顯著；

（3）從規則內容來看，規則1～3表明日用電量較高且氣象條件不利于污染物擴散時，往往會導致空氣質量較差，規則5～7表明日用電量較低且氣象條件有利于污染物擴散時，往往會導致空氣質量較好，對比規則4與規則5、7的置信度可見，盡管各規則支持度相同，但日用電量與氣象因素聯合作用下規則置信度（100%）要高于僅有日用電量作用下的規則置信度（71.43%）；

以上分析均表明，空氣質量是多種因素綜合作用的結果，而并非單純由工業生產所決定。工礦企業停產限產固然有利于空氣質量的改善，但只有與良好的氣象條件配合時才能帶來顯著的效果。

5.結論與建議

通過對本文分析可以發現，空氣質量影響因素繁多且機理較為復雜，工礦企業污染物排放只是其中一個方面，只有在良好氣象條件配合的情況下，企業停產限產對空氣質量的改善效果才能顯著體現。

隨著我國國際影響力的提高，首都地區重大政治、文化、體育事件會日益頻繁，從而給京津冀地區空氣質量保障提出了更高的要求和挑戰。基于本文分析結果，可以給出如下建議。

（1）短期來看，保障地區空氣質量而采取的停產限產措施必須與氣象條件緊密結合起來，當未來一段時間氣象條件不利于污染物擴散時，必須有針對性的采取更加嚴格的空氣質量保障措施，從各個源頭盡可能減少污染物排放；

（2）長期來看，高耗能行業的轉型升級總體上有利于空氣質量的改善。京津冀地區應繼續大力推進去產能政策，減少高污染高耗能行業，大力扶植新興產業，保障大氣污染防治行動計劃的順利實施。

[1]國務院大氣污染防治行動計劃[R].國務院辦公廳,2013.

[2]京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則[R].環境保護部,國家發展和改革委員會,工業和信息化部,財政部,住房和城鄉建設部,國家能源局,2013.

[3]河北省大氣污染防治行動計劃[R].中共河北省委,河北省人民政府,2013.

[4]亞太經合組織會議河北省空氣質量保障措施[R].(冀政辦函〔2014〕82號),河北省住房和城鄉建設廳,2014.

[5]2014亞太經合組織會議空氣質量保障措施編制原則[R].河北省環保廳,2014.

[6]數據挖掘導論[M].人民郵電出版社,2011.

汲國強（1986—），男，博士，現就職于國網冀北電力有限公司經濟技術研究院。