基于LSTM模型的四川省建筑業(yè)電氣化率預(yù)測研究

魏 陽,胡彭超,劉洪利,陳玉敏,劉雪原,劉 暢

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041;2.四川省建設(shè)工程消防和勘察設(shè)計技術(shù)中心,四川 成都 610042;3.四川省新型電力系統(tǒng)研究院有限公司,四川 成都 610095)

0 引 言

自工業(yè)革命以來,受益于煤炭、石油等化石能源的廣泛開采和利用,人類文明取得了長足的進步。但與此同時,化石能源的大量消費也造成了二氧化碳排放量的持續(xù)增加,進而導(dǎo)致了全球氣候變暖,這已經(jīng)成為威脅人類生存與社會發(fā)展的首要環(huán)境問題。為應(yīng)對上述問題帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),近年來各國政府大力倡導(dǎo)“低碳經(jīng)濟”,并積極開展碳中和行動方案,推進節(jié)能減排降碳工作[1-2]。

中國作為負責(zé)任的大國,始終高度重視應(yīng)對氣候變化,在積極參與應(yīng)對氣候變化全球治理的同時,不斷提高國家自主貢獻力度。2020年9月,習(xí)近平主席向全世界莊嚴(yán)宣布了中國的“雙碳”目標(biāo),更是彰顯了中國堅持綠色低碳發(fā)展的決心和雄心[3]。隨著國家和地方各項“雙碳”政策的陸續(xù)出臺,關(guān)于“雙碳”目標(biāo)的研究,逐漸成為了各界關(guān)注的焦點[4-5]。

“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)離不開各行各業(yè)的共同努力,而建筑領(lǐng)域無疑是其中最為重要的產(chǎn)業(yè)部門之一。中國建筑節(jié)能協(xié)會建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)專業(yè)委員會的研究數(shù)據(jù)顯示:2020年全國建筑全過程碳排放總量高達50.8億噸CO2,占全國碳排放的50.9%。其中,建筑運行階段碳排放為21.6億噸CO2,占全國的21.7%[6]。顯然,建筑業(yè)已成為中國碳排放大戶。可以預(yù)見,未來隨著中國城鎮(zhèn)化進程的進一步加速,建筑業(yè)的碳排放也勢必面臨更大的壓力。在此背景下,建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展已成為亟待解決的重要課題[7]。

從中國發(fā)布的《2030年前碳達峰行動方案》[8]來看,改善建筑用能結(jié)構(gòu)和用能效率,提升建筑終端電氣化水平,無疑是實現(xiàn)建筑行業(yè)碳中和目標(biāo)的重要舉措之一。文獻[9-11]基于不同的數(shù)量分析模型,分維度考察了中國建筑業(yè)碳排放驅(qū)動因素。研究結(jié)果顯示:用能結(jié)構(gòu)和用能效率對建筑業(yè)碳排放具有重要影響。上述結(jié)論為中國建筑業(yè)電氣化水平提升的必要性提供了有力的理論依據(jù)。隨后,中國電力企業(yè)聯(lián)合會研究顯示,建筑電氣化對建筑業(yè)實現(xiàn)碳中和貢獻可達到30%[12]。進一步,文獻[13]剖析了中國再電氣化的內(nèi)涵,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合中國現(xiàn)實基礎(chǔ),給出了工業(yè)、建筑、交通三大重點領(lǐng)域提升電氣化水平的路徑及建議。文獻[14]在揭示電力對國家能源安全新戰(zhàn)略重要性的基礎(chǔ)上,圍繞2035年和2050年兩個時間點,給出了建筑電氣化率提升的技術(shù)路徑。文獻[15]探討了新形勢下建筑等部門所面臨的挑戰(zhàn),在此基礎(chǔ)上評估了不同電氣化方案的技術(shù)實現(xiàn)路徑及其應(yīng)用前景,并給出了針對性的發(fā)展措施與建議。

上述的理論研究,較好地揭示了中國建筑業(yè)電氣化水平提升的動因、內(nèi)涵與路徑等,這為“雙碳”目標(biāo)下中國建筑業(yè)電氣化提升策略的設(shè)計、路徑與方案選擇等提供了有益的參考。但同時應(yīng)當(dāng)看到,現(xiàn)有文獻較少關(guān)注于建筑業(yè)的電氣化率測算與預(yù)測,這一定程度上也影響了建筑業(yè)電氣化水平提升策略的針對性和差異性。事實上,一個區(qū)域的建筑業(yè)電氣化率的測算與預(yù)測結(jié)果反映了該區(qū)域建筑業(yè)的整體電氣化水平,而不同水平的建筑業(yè)電氣化率往往亟需差異化的提升路徑。目前,已有學(xué)者基于多元線性回歸模型[16]、自回歸移動平均模型[17]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[18]〗、長短期記憶(long short-term memory,LSTM)模型[19]等對特定情境下的建筑能耗進行了測算和預(yù)測,其中LSTM法更是在長序列問題預(yù)測上表現(xiàn)出強適用性而被廣泛使用。因此,若能結(jié)合建筑電氣化率指標(biāo)公式完成測算,并利用LSTM模型對其未來趨勢進行預(yù)測,那勢必將更好地助力建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

綜上分析,下面以四川省為對象,對其建筑電氣化率測算與預(yù)測展開研究。研究結(jié)果將有助于更好地了解四川乃至西部地區(qū)建筑電氣化發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢,進而可以為四川乃至西部地區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域“雙碳”方案的實現(xiàn)提供輔助決策參考。

1 LSTM模型

1.1 基本介紹

在傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network,NN)模型中,層與層的節(jié)點之間保持著完全連通性,但每層內(nèi)部的節(jié)點之間卻沒有任何連接,這導(dǎo)致傳統(tǒng)的NN模型無法有效處理時間序列問題。在此背景下,循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network,RNN)模型應(yīng)運而生。與NN模型相比,RNN模型在隱藏層內(nèi)部增加了節(jié)點之間的連接,因而在時間序列的演進方向上可以展現(xiàn)出遞歸性[20]。受益于其遞歸性特點,RNN模型表現(xiàn)出強大的短期記憶能力,在很長一段時間被視為是處理時間序列問題的有效方法。

但與此同時,隨著所需處理時間序列長度的增加,過多的歷史信息會導(dǎo)致RNN模型在訓(xùn)練時出現(xiàn)梯度消失、爆炸等問題,進而影響其預(yù)測的精準(zhǔn)性[21]。LSTM模型對RNN模型進行了完善,除增加“細胞”狀態(tài)外,還添加了一些“門”用以解決存儲和遺忘時間序列信息,因而被認(rèn)為是目前處理時間序列預(yù)測問題最適合的方法之一[22]。

1.2 結(jié)構(gòu)與原理

從模型的結(jié)構(gòu)來看,LSTM模型的關(guān)鍵是“細胞狀態(tài)”,它類似于傳輸帶,可以讓信息在序列連中實現(xiàn)有效的傳遞,如圖1所示。具體而言,LSTM模型的每個時間序列點,都存在一個記憶細胞,作用是賦予LSTM模型記憶選擇的功能,使得LSTM模型可以在每個時間序列點自由選擇相應(yīng)的記憶。為實現(xiàn)上述功能,LSTM模型在結(jié)構(gòu)上增加了4個關(guān)鍵部分:1)輸入門,決定哪些信息將被輸入到記憶細胞中;2)遺忘門,決定哪些信息將被遺忘和忽略;3)細胞狀態(tài),決定記憶細胞保留哪些信息;4)輸出門,決定哪些信息將會被輸出到下一個時間序列點。

圖1 LSTM基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

從模型運行流程來看,當(dāng)利用LSTM模型開展建筑業(yè)電氣化率預(yù)測時,首先,需要對原始的時間序列數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理,如時間序列數(shù)據(jù)異常值的辨識與處理、時間序列數(shù)據(jù)的歸一化處理等;其次,在完成時間序列數(shù)據(jù)的處理后,進一步將時間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為監(jiān)督學(xué)習(xí)型數(shù)據(jù),對于時間序列{x1,x2,…,xn}而言,{xn}為預(yù)測的目標(biāo)值。為實現(xiàn)對時間序列數(shù)據(jù)的多步預(yù)測,在操作時,可采取逐點迭代的預(yù)測方式,將建筑業(yè)電氣化率觀測數(shù)據(jù)的滑動時間窗口寬度固定為m,那對于{xn}而言,時間序列{xn-m,xn-m+1,…,xn-1}則是滑動時間窗口包含的所有觀測數(shù)據(jù)。基于前述分析,當(dāng)滑動時間窗口寬度為m時,對應(yīng)的(n-m)×m維輸入矩陣X和(n-m)維輸出矩陣Y可表示為:

(1)

(2)

最后,結(jié)合式(1)、式(2),將建筑業(yè)電氣化率的歷史測算數(shù)據(jù)代入LSTM模型進行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。通過訓(xùn)練結(jié)果比較,挑選出誤差最小的值作為建筑業(yè)電氣化率預(yù)測的參數(shù)。進一步,利用LSTM模型開展建筑業(yè)電氣化率最終預(yù)測,即可得未來各時點的建筑業(yè)電氣化率的數(shù)值預(yù)測結(jié)果。

2 四川省建筑業(yè)電氣化率測算與預(yù)測

2.1 建筑業(yè)電氣化率指標(biāo)測算公式

參考GB/T 4754—2017《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》[23]以及前期理論研究成果,可將建筑電氣化率分為建筑業(yè)終端電氣化率和建筑業(yè)終端運行電氣化率。

2.1.1 建筑業(yè)終端電氣化率

建筑業(yè)終端電氣化率是指整個建筑業(yè)中終端電能消費在終端能源消費中所占比例。根據(jù)GB/T 4754—2017可知,建筑業(yè)主要分為房屋建筑業(yè)、土木工程建筑業(yè)、建筑安裝業(yè)、建筑裝飾、裝修和其他建筑業(yè)。基于建筑電氣化率定義,建筑業(yè)終端電氣化率的測算公式為:

建筑業(yè)終端電氣化率=建筑業(yè)終端電能消費量/建筑業(yè)終端能源消費量

(3)

2.1.2 建筑業(yè)終端運行電氣化率

建筑業(yè)終端運行電氣化率是指各類建筑業(yè)終端運行中電能消費在終端能源消費中所占比重。按照建筑類型的不同,建筑業(yè)終端運行能源消費分為公共建筑終端能耗(批發(fā)、零售業(yè)和住宿、餐飲業(yè)和其他行業(yè))、居住建筑終端能耗(居民生活消費)。基于建筑電氣化率定義,建筑業(yè)終端運行電氣化率的測算公式為:

建筑業(yè)終端運行電氣化率=建筑業(yè)終端運行電能消費量/建筑業(yè)終端運行能源消費量

(4)

借鑒文獻[24-25]的前期研究成果,可得建筑業(yè)終端運行電能消費量和建筑業(yè)終端運行能源消費量的測算公式為:

建筑業(yè)終端運行電能消費量=批發(fā)、零售業(yè)和住宿、餐飲業(yè)終端運行電能消費量+其他行業(yè)終端運行電能消費量+居住建筑業(yè)終端運行電能消費量

(5)

建筑業(yè)終端運行能源消費量=批發(fā)、零售業(yè)和住宿、餐飲業(yè)終端運行能源消費量(扣除95%的汽油消費和35%的柴油消費)+其他行業(yè)終端運行能源消費量(扣除95%的汽油消費和35%的柴油消費)+居住建筑業(yè)終端運行能源消費量(扣除汽油消費和95%的柴油消費)

(6)

2.2 2010—2020年四川省建筑業(yè)電氣化率測算

2.2.1 2010—2020年四川省建筑業(yè)終端電氣化率

查閱《中國能源統(tǒng)計年鑒》[26]數(shù)據(jù),并根據(jù)折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù),將四川省建筑業(yè)終端能源消費量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的實際消耗量,可得2010—2020年間四川省建筑業(yè)終端電能消費量(折算標(biāo)準(zhǔn)煤)和四川省建筑業(yè)終端能源消費量(折算標(biāo)準(zhǔn)煤)的測算結(jié)果,見圖2所示。

圖2 2010—2020年四川省建筑業(yè)終端電能和終端能源消費量(折算標(biāo)準(zhǔn)煤)

基于圖2的數(shù)據(jù)結(jié)果,利用式(3)可得2010—2020年四川省建筑業(yè)終端電氣化率的測算結(jié)果,如圖3所示。從測算結(jié)果來看,2010—2020年期間,四川省建筑業(yè)終端電氣化率呈現(xiàn)出先下降后上升的U型發(fā)展態(tài)勢,從2010年的20.57%下降至2017年的10.31%,再上升至2020年的13.17%。2020年四川省建筑業(yè)終端電氣化率低于2010年7.40個百分點。

圖3 2010—2020年四川省建筑業(yè)終端電氣化率測算值

2.2.2 2010—2020年四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率

查閱《中國能源統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù),并根據(jù)折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù),將建筑業(yè)終端運行能源消費量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的實際消耗量,可得2010—2020年期間四川省建筑業(yè)終端運行電能消費量(折算標(biāo)準(zhǔn)煤)和四川省建筑業(yè)終端運行能源消費量(折算標(biāo)準(zhǔn)煤)的測算結(jié)果,見圖4所示。

圖4 2010—2020年四川省建筑業(yè)終端運行電能消費量和終端運行能源消費量(折算標(biāo)準(zhǔn)煤)

基于圖4的數(shù)據(jù)結(jié)果,利用式(4)可得2010—2020年四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率測算結(jié)果,如圖5所示。從測算結(jié)果來看,2010—2020年期間,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率逐年攀升,從2010年的27.69%已提升至2020年46.78%,累計提升19.08個百分點。從2016年開始,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率突破40%,進入新的上升階段,2016—2020年平均增速達3.71%,表現(xiàn)出穩(wěn)中有進的發(fā)展態(tài)勢。

圖5 2010—2020年四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率測算值

2.3 2021—2030年四川省建筑業(yè)電氣化率預(yù)測

將2010—2020年四川省建筑業(yè)終端電氣化率和建筑業(yè)終端運行電氣化率作為學(xué)習(xí)樣本,各自代入LSTM模型進行訓(xùn)練。通過訓(xùn)練結(jié)果比較,挑選出各自誤差最小的值作為其預(yù)測的參數(shù)。進一步,利用LSTM模型開展2010—2020年四川省建筑業(yè)終端電氣化率和建筑業(yè)終端運行電氣化率的預(yù)測,可得2021—2030年四川省建筑業(yè)終端電氣化率和建筑業(yè)終端運行電氣化率的預(yù)測數(shù)據(jù),詳見圖6。

圖6 2021—2030年四川省建筑業(yè)終端電氣化率和終端運行電氣化率預(yù)測值

由LSTM模型的預(yù)測結(jié)果來看,2021—2030年期間,四川省建筑業(yè)終端電氣化率和終端運行電氣化率均將呈穩(wěn)步攀升的發(fā)展趨勢。其中,四川省建筑業(yè)終端電氣化率的年均增速約為7.91%,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率的年均增速約為3.62%。基于上述增速,LSTM模型預(yù)測:到2025年,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率將達到54.15%,接近完成住建部提出的“2025年全國電能占建筑業(yè)終端運行能耗比例超過55%”的目標(biāo);到2030年,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率將達到65.35%,順利完成住建部提出的“2030年全國電能占建筑業(yè)終端運行能耗比例超過65%”的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,建筑電氣化已經(jīng)成為建筑業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要抓手。上面針對現(xiàn)有文獻較少關(guān)注建筑電氣化率測算與預(yù)測,結(jié)合建筑電氣化率的定義,從建筑業(yè)終端電氣化率和建筑業(yè)終端運行電氣化率兩個方面構(gòu)建了測算公式。在此基礎(chǔ)上,運用《中國能源統(tǒng)計年鑒》中四川能源平衡表(實物量)數(shù)據(jù),完成了2010—2020年四川省建筑電氣化率的測算。并基于前述四川建筑業(yè)電氣化率測算數(shù)據(jù),運用LSTM模型,對四川省建筑電氣化率的未來發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。結(jié)果顯示:2021—2030年期間,四川省建筑業(yè)終端電氣化率和終端運行電氣化率均將呈穩(wěn)步攀升的發(fā)展態(tài)勢;到2025年,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率將達到54.15%,接近完成住建部提出的55%的建筑業(yè)終端電氣化率目標(biāo);到2030年,四川省建筑業(yè)終端運行電氣化率將達到65.35%,順利完成住建部提出的65%的建筑業(yè)電氣化率目標(biāo)。

總體而言,所做研究為四川省建筑業(yè)電氣化率的結(jié)果測算與趨勢預(yù)測提供了一種工具和方法。從結(jié)果來看,四川省建筑業(yè)在實現(xiàn)2025年短期電氣化率目標(biāo)方面還存在一定的壓力,亟需加大政策和措施的推行力度,以確保全省建筑業(yè)“雙碳”目標(biāo)的順利實現(xiàn)。

應(yīng)當(dāng)指出,雖然相比于傳統(tǒng)的NN模型和RNN模型,LSTM模型在適用性和預(yù)測精度上有獨特的優(yōu)勢,但當(dāng)前“雙碳”環(huán)境的快速變化一定程度上會影響到時間序列數(shù)據(jù)的走勢,進而會削弱基于LSTM模型的四川省建筑業(yè)電氣化率預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)性。因此,在未來的研究中還需要更長的時間序列數(shù)據(jù)用以訓(xùn)練,以最大可能地減少預(yù)測誤差。