張亞茹, 石華瑀
(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,上海 201418)
第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)作為新一代移動(dòng)通信技術(shù),具有超高速率、超大連接、超低時(shí)延等特點(diǎn)[1]。社會(huì)逐步全方位使用5G“新基建”類技術(shù),意味著巨大和長(zhǎng)期的經(jīng)費(fèi)投入,而此類新技術(shù)在剛進(jìn)入應(yīng)用階段時(shí)成本通常很高。技術(shù)學(xué)習(xí)效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)被認(rèn)為是采納當(dāng)前昂貴的新技術(shù)的內(nèi)在動(dòng)力。隨著推廣和使用等經(jīng)驗(yàn)的積累,新技術(shù)的成本會(huì)有下降趨勢(shì),這就是技術(shù)學(xué)習(xí)效應(yīng)[2]。如果初期不投入就沒有技術(shù)學(xué)習(xí)效應(yīng),技術(shù)的成本未來就不可能下降。技術(shù)發(fā)達(dá)區(qū)域會(huì)由于技術(shù)需求率先對(duì)新技術(shù)進(jìn)行投資和采納,而不同區(qū)域?qū)夹g(shù)投資的先后順序會(huì)造成技術(shù)在不同區(qū)域出現(xiàn)技術(shù)異質(zhì)性問題。繼而可能產(chǎn)生的技術(shù)擴(kuò)散的溢出效應(yīng),是指技術(shù)從技術(shù)發(fā)達(dá)區(qū)域擴(kuò)散到技術(shù)不發(fā)達(dá)區(qū)域,由于技術(shù)不發(fā)達(dá)區(qū)域?qū)π录夹g(shù)使用經(jīng)驗(yàn)的累積中免費(fèi)受益,進(jìn)而促進(jìn)技術(shù)在不同區(qū)域間擴(kuò)散[3]。
新技術(shù)在采納過程中存在很大的風(fēng)險(xiǎn),其技術(shù)學(xué)習(xí)存在一定的不確定性,高估技術(shù)學(xué)習(xí)效應(yīng)意味著新技術(shù)未來的成本高于預(yù)期。張新華等[4]構(gòu)建了碳價(jià)和碳捕獲技術(shù)雙重不確定條件下的碳捕獲技術(shù)投資模型,提出了碳價(jià)的波動(dòng)性將延遲碳捕獲技術(shù)投資,政策性補(bǔ)貼將抵消碳捕獲技術(shù)的投資延遲。Chen等[5]從單個(gè)區(qū)域角度開發(fā)了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)優(yōu)化采納模型,該模型考慮了技術(shù)的不確定性和系統(tǒng)空間的重構(gòu)因素。段宏波等[6]利用自主構(gòu)建的中國(guó)單個(gè)區(qū)域能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)內(nèi)生技術(shù)模型研究了氣候政策背景下CCS技術(shù)的成本演化。Chen等[7-8]構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)化的包含異構(gòu)Agent和不確定技術(shù)學(xué)習(xí)的能源系統(tǒng)技術(shù)體系優(yōu)化模型,并探究了有限理性假設(shè)下,代表主體與異質(zhì)主體對(duì)于新技術(shù)采納的區(qū)別。現(xiàn)有研究技術(shù)學(xué)習(xí)與擴(kuò)散效應(yīng)的技術(shù)采納模型大多數(shù)只考慮了單個(gè)區(qū)域。單個(gè)區(qū)域的技術(shù)采納模型較難解決含有多個(gè)區(qū)域空間分布的技術(shù)采納復(fù)雜問題。由此,構(gòu)建包含不確定技術(shù)學(xué)習(xí)的多區(qū)域技術(shù)采納模型以幫助決策者分析存在多區(qū)域背景下的新技術(shù)采納是亟待解決的科學(xué)問題。
本研究構(gòu)建帶有不確定技術(shù)學(xué)習(xí)和擴(kuò)散效應(yīng)的多區(qū)域技術(shù)采納系統(tǒng)優(yōu)化模型,以分析如何在多區(qū)域背景下分階段采納5G“新基建”類技術(shù)的最優(yōu)方案,以及在制定采納方案時(shí)應(yīng)考慮哪些影響因素等需要解決的關(guān)鍵問題。通過調(diào)研和文獻(xiàn)查閱收集整理了上海5G基站的空間分布數(shù)據(jù),將上海市區(qū)域按照人口和經(jīng)濟(jì)密度劃分為4個(gè)等級(jí)區(qū)域(A、B、C、D),研究了上海5G基站的采納系統(tǒng)優(yōu)化方案,以及不確定技術(shù)學(xué)習(xí)對(duì)其采納與擴(kuò)散的影響。為區(qū)域相關(guān)決策者規(guī)劃5G基站的采納提供決策支持。
自從上世紀(jì)50年代開始,研究者就開始關(guān)注技術(shù)采納領(lǐng)域,目前已有多種不同的模型可以用來分析技術(shù)采納。這些模型可以分為2類。一類側(cè)重于分析個(gè)人或組織對(duì)新技術(shù)心理上的接受,這類模型的代表包括技術(shù)采納生命周期模型[9]、巴斯擴(kuò)散模型[10]、以及技術(shù)接受模型[11]。第二類模型是從系統(tǒng)優(yōu)化的角度來規(guī)劃技術(shù)采納,這類模型在能源系統(tǒng)規(guī)劃中有很多應(yīng)用,例如:MARKAL[12]、LEAP[13],MESSAGE[14]和AIM模型[15]等。
本研究以第二類技術(shù)采納模型為基礎(chǔ),從系統(tǒng)優(yōu)化的角度構(gòu)建了多區(qū)域技術(shù)采納與擴(kuò)散系統(tǒng)優(yōu)化模型,其框架如圖1所示。5G基站需要消耗電能以完成信息傳輸。技術(shù)T1是現(xiàn)有基建技術(shù),例如4G基站;技術(shù)T2是新基建類技術(shù),例如5G基站。技術(shù)T2是高新技術(shù),具有較高的學(xué)習(xí)率[16-17],可以使先進(jìn)的技術(shù)成本隨著人們?cè)谶@項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)上知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累而下降。不同區(qū)域內(nèi)相同的技術(shù)會(huì)隨著技術(shù)的溢出效應(yīng)而擴(kuò)散,例如區(qū)域1中的技術(shù)T2可以向區(qū)域2中的技術(shù)T2擴(kuò)散。

圖1 多區(qū)域技術(shù)采納與擴(kuò)散模型圖Fig. 1 Multi-regional technology adoption and diffusion model
該系統(tǒng)優(yōu)化模型的目標(biāo)是從長(zhǎng)期角度滿足動(dòng)態(tài)需求的同時(shí)最小化系統(tǒng)累積總成本。該優(yōu)化系統(tǒng)模型的總成本包括4個(gè)方面,包括建設(shè)5G基站的投資成本、5G基站的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本、5G基站消耗的電能成本和5G基站不確定性學(xué)習(xí)引起的風(fēng)險(xiǎn)成本。式(1)是此模型的目標(biāo)函數(shù):

式中:n表示區(qū)域數(shù)量;k是第k個(gè)區(qū)域;T表示模型的時(shí)間窗(例如T= 10年);t表示決策區(qū)間時(shí)間;i表示第i種技術(shù);δ表示貼現(xiàn)率;是在第k個(gè)區(qū)域中的技術(shù)i在時(shí)間t的單位投資成本;cOMi表示技術(shù)i的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本;為第k個(gè)區(qū)域中在時(shí)間t的電能成本;是在第k個(gè)區(qū)域中在時(shí)間t的電能累積利用量。目標(biāo)函數(shù)中變量包含和,表示在第k個(gè)區(qū)域中在時(shí)間t的技術(shù)i的輸出量;表示第k個(gè)區(qū)域中在時(shí)間t的技術(shù)i的新增容量。ρ為決策者風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度(ρ=1, 為態(tài)度中性);(ψ)是關(guān)于ψ的一個(gè)隨機(jī)變量,其中ψ服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,表示均值。
通過技術(shù)學(xué)習(xí),式(1)中5G技術(shù)的單位投資成本將作為累計(jì)容量的函數(shù)下降:

式中:是第k個(gè)區(qū)域中時(shí)間t處的技術(shù)i的單位投資成本,bi為5G技術(shù)單位投資成本關(guān)于累計(jì)容量的系數(shù)。由于技術(shù)存在技術(shù)溢出效應(yīng),較早采用5G技術(shù)區(qū)域的此種技術(shù),通過技術(shù)溢出效應(yīng)會(huì)擴(kuò)散到較晚采納5G技術(shù)的區(qū)域上。式(2)中是在第k個(gè)區(qū)域中獲得的累積經(jīng)驗(yàn)(用累計(jì)容量來量化)和其他區(qū)域溢出的經(jīng)驗(yàn)的總和,即:

式中:θ表示技術(shù)溢出率;表示從其他區(qū)域中溢出的經(jīng)驗(yàn)。式(3)中是與采納5G技術(shù)決策變量相關(guān)的函數(shù):

式中:τi表示技術(shù)的生命周期,假定系統(tǒng)中只有2種技術(shù),T1傳統(tǒng)技術(shù)沒有學(xué)習(xí)效應(yīng),所以在式(1)中(i=1)是常數(shù),T2是5G技術(shù)有技術(shù)學(xué)習(xí)效應(yīng)。

式中:β是一個(gè)常數(shù)系數(shù),并且,

為第k個(gè)區(qū)域在時(shí)間j的電能消耗總量;ηik表示第k個(gè)區(qū)域技術(shù)i(i=1,2)的效率。
目標(biāo)函數(shù)受限于幾方面的約束。首先是需求約束,式(8)表示每個(gè)區(qū)域的需求必須在每個(gè)決策時(shí)間內(nèi)被滿足。

其次,是裝機(jī)容量限制。式(9)表示每種技術(shù)的生產(chǎn)量在每個(gè)決策間隔內(nèi)不能超過其總?cè)萘俊?/p>

最后,所有決策變量應(yīng)該為非負(fù),如式(10)和(11)所示。

上海市在5G布局和發(fā)展方面較為領(lǐng)先。2019年,上海市發(fā)布了《上海5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)新三年行動(dòng)計(jì)劃(2019–2021年)》,提出了圍繞5G建設(shè)營(yíng)造世界一流的應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)境,并將上海打造成為5G創(chuàng)新應(yīng)用示范區(qū)和5G產(chǎn)業(yè)集聚高地[18]。2020年上海市發(fā)布《上海市推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案(2020–2022年)》,提出了要牢牢把握住全球新一輪信息技術(shù)變革與數(shù)字化發(fā)展的趨勢(shì),率先搭建新一代的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施布局[19]。這些政策的發(fā)布和實(shí)施為上海市5G的發(fā)展提供了政策支持。
通過獲取上海移動(dòng)[20]、上海聯(lián)通[21]、上海電信[22]官網(wǎng)公布的5G數(shù)據(jù),經(jīng)過QGIS軟件整理得出目前上海5G基站分布情況。如圖2所示,上海電信覆蓋范圍最為密集,有12 978個(gè)基站;其次為上海移動(dòng),有8 411個(gè)基站;上海聯(lián)通則主要分布在市區(qū)密集區(qū)域,有7 030個(gè)基站。目前上海基本實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)和郊區(qū)重點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。

圖2 上海5G基站分布Fig. 2 5G base stations in Shanghai
根據(jù)《上海市 5G 移動(dòng)通信基站布局規(guī)劃導(dǎo)則》[23],考慮到上海市公眾用戶疏密程度和流動(dòng)變化,將上海市劃分為4個(gè)等級(jí)密度區(qū)域,如表1所示。

表1 上海市5G等級(jí)區(qū)域劃分Tab. 1 5G-level regional division in Shanghai
通過整理利用QGIS軟件得出上海5G基站密度區(qū)域劃分圖,如圖3所示。

圖3 上海5G基站密度區(qū)域劃分Fig. 3 Shanghai 5G base station density region division
基站的站間距與系統(tǒng)所在頻段高低、覆蓋指標(biāo)要求密切相關(guān),高頻段系統(tǒng)的站址布局密度一般可以滿足低頻段系統(tǒng)的站址資源要求,為了保證能夠滿足各種系統(tǒng)的站址資源需求并充分考慮站址共建共享。根據(jù)相關(guān)政府文件及文獻(xiàn)[23-27],整理得出5G基站規(guī)劃站間距及密度。如表2所示。

表2 5G基站規(guī)劃站間距及密度Tab. 2 5G base station planning spacing and density
通過式(12)計(jì)算基站站址密度與各密度區(qū)域的面積,可以得出目前5G基站分區(qū)域需求,如表3所示。

表3 各等級(jí)區(qū)域5G基站情況Tab. 3 Conditions of 5G base stations in different levels of regions

式中:表 示新建基站數(shù)量;表示每個(gè)區(qū)域的面積,表示站址密度。
5G基站的功耗大小通常是4G基站的3~4倍。通常每個(gè)5G基站的平均能耗在3.5 kW,因基站不可能斷電,1個(gè)基站每年的耗電量約為3.5 kW×24 h×365 d=30 660 kWh,也就是3萬度/年左右。5G基站個(gè)數(shù)參數(shù)見表3;其他模擬參數(shù)參考文獻(xiàn)設(shè)置[25,28-30],具體數(shù)值如表4所示。

表4 參數(shù)值設(shè)置Tab. 4 Parameter value setting
求解采用的方法是調(diào)用Matlab優(yōu)化工具箱中可解決有約束非線性優(yōu)化問題的函數(shù)finincon函數(shù),并選取100個(gè)不同的起始點(diǎn),從不同起始點(diǎn)出發(fā)尋求最優(yōu)解。然后,再從這100個(gè)(局部)最優(yōu)解中選擇總成本最小的解作為模型的最終解。這種求解方法已在眾多的研究中被證明是切實(shí)有效的。
為了對(duì)比不確定技術(shù)學(xué)習(xí)對(duì)上海5G基站采納的影響,首先模擬了確定技術(shù)學(xué)習(xí)下上海5G基站的采納情況。圖4所示為在確定技術(shù)學(xué)習(xí)下上海5G基站在A、B、C、D區(qū)域的所占比例趨勢(shì)。5G技術(shù)的采納方案形成了一條技術(shù)擴(kuò)散的S形曲線,說明此時(shí)模型是合理的。對(duì)A、B和C這3個(gè)高密度區(qū)域,5G技術(shù)的占比將由2020年的20%左右上升到2022年的60%左右,并在2022年至2028年緩慢增長(zhǎng),至2029年,5G技術(shù)將主導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng),也就是說在2029年左右,4G將逐漸退出市場(chǎng)。產(chǎn)生這種推論的根源是,設(shè)定4G基站和5G基站的生命周期為8年。在2028年,隨著現(xiàn)有4G基站的維護(hù)和報(bào)廢需求不斷增加,模型模擬顯示系統(tǒng)將不再建立新的4G基站,隨著5G基站更加高效,系統(tǒng)將只選擇新建5G基站,這也是2029年開始5G將主導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)的主要原因。

圖4 確定技術(shù)學(xué)習(xí)下上海5G技術(shù)的采納情況Fig. 4 Adoption of 5G technology in Shanghai based on technology learning with certainty
圖5所示為不確定技術(shù)學(xué)習(xí)下上海5G技術(shù)的采納情況。本研究處理不確定性的方法是把由于高估技術(shù)學(xué)習(xí)率帶來的預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)成本加入到優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)中,在式(1)中用參數(shù)ρ表示決策者風(fēng)險(xiǎn)態(tài)。當(dāng)ρ=1時(shí),表示決策者風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度比較中性,對(duì)比圖5(a)和圖4,可以觀察到5G技術(shù)采納除了有較小波動(dòng)外,大體上的采納情況與確定技術(shù)學(xué)習(xí)下較為相似。當(dāng)ρ<1時(shí),表示決策者接受風(fēng)險(xiǎn)程度較高;如圖5(b)所示,上海5G技術(shù)的采納和確定技術(shù)學(xué)習(xí)下的技術(shù)采納情況也比較相近。當(dāng)ρ>1時(shí),表示決策者越想規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),如圖5(c)所示,區(qū)域B的5G技術(shù)開始被推遲,當(dāng)ρ增大到一定程度的時(shí)候,所有區(qū)域的5G技術(shù)采納都有所推遲,如圖5(d)所示。

圖5 不確定技術(shù)學(xué)習(xí)下上海5G技術(shù)的采納情況Fig. 5 Adoption of 5G technology in Shanghai based on technology learning with uncertainty
圖6所示為決策者風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度對(duì)上海5G投資總成本的影響。通過觀察可以發(fā)現(xiàn),決策者越規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)越保守,也就是ρ值越大,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的總成本上升,但是風(fēng)險(xiǎn)成本會(huì)下降。從另一方面看,ρ值越小,表示決策者越激進(jìn),也就是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度承受度越高,但是會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)成本上升。所以,決策者在做最終決策的時(shí)候,要綜合考慮其自身風(fēng)險(xiǎn)承受度和系統(tǒng)整體的投資成本。

圖6 決策者風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度對(duì)上海5G投資總成本的影響Fig. 6 The impact of decision maker’s risk attitude on 5G investment total cost in Shanghai
技術(shù)擴(kuò)散對(duì)于區(qū)域技術(shù)的采納有一定影響,為了探索不確定技術(shù)學(xué)習(xí)下技術(shù)擴(kuò)散對(duì)上海5G投資成本的影響,本研究模擬了技術(shù)擴(kuò)散率從0~1之間的變化,也就是技術(shù)在區(qū)域間從無擴(kuò)散到完全擴(kuò)散。如圖7所示,技術(shù)擴(kuò)散對(duì)上海5G的建設(shè)成本影響很小,當(dāng)區(qū)域間無技術(shù)擴(kuò)散時(shí),投資成本約為592億元,當(dāng)區(qū)域間完全擴(kuò)散,投資成本約為584億元,只減少了1.38%,效果并不顯著。

圖7 技術(shù)擴(kuò)散對(duì)上海5G投資成本的影響Fig. 7 The impact of technology diffusion on 5G investment cost in Shanghai
不確定技術(shù)學(xué)習(xí)條件下上海4個(gè)不同等級(jí)密度區(qū)域的5G基站使用數(shù)量如圖8所示。在A區(qū)域,2021年5G基站使用量為5 000左右,預(yù)測(cè)2022年5G基站使用數(shù)量可能猛增到35 000個(gè)。這一方面是因?yàn)榇罅靠蛻粼谠缙陔A段仍然使用4G技術(shù),考慮到使用新技術(shù)需要有一定的成本投入(如更換5G手機(jī)等),此時(shí)客戶仍偏向于4G;另一方面是因

圖8 上海分級(jí)區(qū)域5G基站數(shù)量Fig. 8 Number of 5G base stations in different region levels of Shanghai
為現(xiàn)階段5G基站的投資成本高于4G基站,成本因素抑制了5G基站的建立以及技術(shù)的采納和使用。后續(xù)預(yù)測(cè)情況顯示,2022年—2030年,5G基站數(shù)量可能以每年5%的增長(zhǎng)速度增長(zhǎng)。在B區(qū)域和C區(qū)域,新建5G基站的趨勢(shì)和A區(qū)域相似;D區(qū)域內(nèi)5G基站的增長(zhǎng)趨勢(shì)則較為平穩(wěn),2021年使用量為1 028個(gè),預(yù)測(cè)2030年可能增長(zhǎng)至1 595個(gè)。
從系統(tǒng)優(yōu)化的角度來看,當(dāng)決策者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度接受度較高或比較中性時(shí),對(duì)5G技術(shù)采納的影響不大;當(dāng)決策者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度接受度較低時(shí),會(huì)推遲對(duì)5G技術(shù)的采納,并導(dǎo)致系統(tǒng)的總成本上升,但是風(fēng)險(xiǎn)成本會(huì)下降。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,新技術(shù)可以隨著技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)累積而降低系統(tǒng)總成本,所以保守決策者出于謹(jǐn)慎規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的考慮雖然降低了風(fēng)險(xiǎn)成本,但會(huì)導(dǎo)致總成本上升。此外,技術(shù)擴(kuò)散率對(duì)上海5G投資成本的影響并不顯著。這是因?yàn)閷?duì)于上海市而言,區(qū)域面積劃分比較密集,各區(qū)域之間差異不大,導(dǎo)致區(qū)域之間并沒有出現(xiàn)很大的區(qū)域異質(zhì)性問題。所以技術(shù)擴(kuò)散對(duì)上海市5G的投資成本影響較小。
從模型模擬結(jié)果的角度來看,到2030年上海市要新建5G基站21.14萬個(gè),其中高密度區(qū)域需要建設(shè)8.4萬個(gè),中高密度區(qū)域需要建設(shè)5.1萬個(gè),中密度區(qū)域需要建設(shè)7.5萬個(gè),而低密度區(qū)域只需要建設(shè)0.16萬個(gè)。隨著上海5G需求量的增加,要以科學(xué)的規(guī)劃方法加快布局上海5G基站建設(shè)速度,特別是主城區(qū)、各區(qū)新城,以及全市主要交通樞紐、旅游景區(qū)景點(diǎn)等高密度區(qū)域,以滿足未來5G無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需求。5G基站目前的建設(shè)投資成本較高,現(xiàn)有的4G基站配套無法滿足其運(yùn)行需求,但如果重新建設(shè),需要大量的配套投入。從多角度考慮分析,對(duì)4G基站配套升級(jí)改造是現(xiàn)階段的最優(yōu)措施。5G及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于關(guān)鍵時(shí)期,要建立健全上海區(qū)域5G建設(shè)協(xié)調(diào)推進(jìn)工作機(jī)制,加強(qiáng)對(duì)5G建設(shè)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào),鼓勵(lì)采取對(duì)5G站址統(tǒng)籌、用電成本、專項(xiàng)補(bǔ)貼等積極措施。