GIS 在重點耗能單位節能減排監管中的應用

程 璐

（海油總節能減排監測中心有限公司 天津 300452）

引言

隨著社會經濟的快速增長，國家各項建設都取得了巨大成就，但也付出了巨大的資源和環境代價，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳，為此國家也出臺了一系列應對政策。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致的氣候變化對自然和人類環境產生的影響。

目前，開展節能減排、控制溫室氣體排放，是應對氣候變化的必然選擇。而在節能減排工作中，政府管理機構承擔著節能降碳工作的指導監督、落實對重點耗能單位年度目標下達及考核工作。傳統的監管存在企業和區域點多面廣、不同類別企業監管方式多樣、監管時效性不及強等問題，很難做到及時、精準、科學地監管。2022年8 月18 日，科學技術部、國家發展改革委、工業和信息化部、生態環境部、交通運輸部等9部門聯合印發《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022-2030 年）》，提出“充分發揮科技創新對實現碳達峰碳中和目標的關鍵支撐作用”，為政府管理機構監管重點耗能單位的節能降碳工作提供了新的思路。

GIS 技術作為信息化建設的重要基石，可以將不同來源、不同類別的數據匯聚在一起，通過數據清洗、處理、整合建立功能強大的地理信息數據庫，在數據的基礎上集成各種應用，并按照空間范圍和屬性，提供多條件組合類型的統計分析，用戶可通過GIS 應用軟件對數據庫進行瀏覽、查詢、制圖、統計、分析，為管理決策的應用提供依據[1]。因此，可以將GIS 技術應用于政府管理機構日常監管中，輔助重點耗能單位的節能降碳。

1 建設目標

根據節能降碳監管需求，在獲取重點耗能單位能耗、碳排放相關數據的基礎上建立數據庫，并開展能碳數據的計算、評價以及預測，借助GIS 技術的可視化與空間分析能力，搭建GIS 節能低碳監管平臺，為政府管理機構節能低碳監管提供決策支撐。

1.1 建立能碳數據庫

建立包括地理信息基礎數據、節能低碳數據、專題數據、元數據等的能碳數據庫。

1.2 建立能碳計算公式

建立能耗計算公式模板、24 個碳排放參數推薦值、排放因子庫、碳排放核算公式模板的能碳計算公式，自動計算能耗、碳排放數據。

1.3 建立因子評價模型

建立能碳評價模型，將重點耗能單位能碳影響因子按照影響作用進行賦值，賦值結果的高低可以反應重點耗能單位需要監管的程度。

1.4 建立分析預測模型

收集企業各時期能耗、碳排放數據，對收集到的數據進行預處理，運用BP 神經網絡、多元線性回歸模型等多種方法建立能碳預測模型，通過多組數據測試，不斷對模型進行評估和優化，以期找到一種精確且實用的能耗、碳排放預測模型，幫助企業掌握能耗、碳排放預期情況，更有效地實施溫室氣體減排[2]。

1.5 建立GIS 節能低碳監管平臺

實現重點耗能單位節能低碳可視化展示、查詢統計、多維分析、趨勢預測等功能，指導管理重點耗能單位節能降碳。

2 關鍵技術及應用案例

2.1 可視化

GIS 可視化是利用計算機圖形學、圖像處理技術和地圖學等可視化技術，以符號、文字、圖形等形式表示空間數據的位置、形態、分布和動態變化的信息，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行觀察、分析，從而更進一步地指導深層次應用，GIS 可視化在節能減排應用中可以實現節能低碳數據的多維、直觀、動態展示，反映時空格局和演化規律。

鄒航等[3]利用物聯網自動采集碳排放數據，實現碳排放核查過程的在線監測，利用GIS 技術實現碳排放數據在地理空間上的可視化顯示，提供更高效的區域排放情況分析與趨勢分析。另外，通過模型計算的企業或區域碳排放/吸收的核算結果，不僅可以在地圖上實現靜態展示能源消耗情況、企業碳排放情況、高排放區等，還可以展示區域碳排放動態分布，如對能源消耗量、碳排放量時間動態展示與對GDP、人口等經濟社會指標時間動態展示，以及不同政策情境下未來碳排放量預測展示等。同時，實現碳吸收變化率空間格局的圖斑展示、不同生態系統類型占比、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系統碳吸收變化展示。

2.2 空間查詢

空間查詢是指從空間數據庫中查找或者標識一系列滿足特定語義與空間關系準則的地理目標子集的過程，空間查詢也可以稱為查詢檢索或空間數據選取，根據查詢結果可以產生帶有某些特性的空間數據集。空間查詢是GIS 系統最基本的功能，可以把符合一定條件的空間對象查出，同時列出相關屬性。空間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的屬性信息并分析空間拓撲關系，也可以通過屬性信息查詢對應的空間實體及屬性。查詢類型有單一查詢和聯合查詢，單一查詢是只查詢屬性或只查詢空間拓撲關系，聯合查詢是將空間數據與屬性數據進行聯合查詢。

以四川省德陽市打造的節能減排綜合監管平臺為例，該平臺接入重點耗能單位在線監測平臺，自動采集電力、天然氣等能耗數據，同時也與德陽市生態環境局系統數據進行了共享，接入了大氣、水等在線監測數據，通過數據的分析處理為德陽市節能減排監管提供準確可靠的數據支撐。該產臺在建立數據庫的基礎上實現對德陽市重點耗能單位能耗和污染源排放數據的監測、查詢、統計、分析，具備能源審計、能效對標、節能減排等相關標準的查詢檢索等功能。該平臺的投建和運營模式在四川省節能減排能力建設、全國節能減排示范城市能力建設中均屬首創。

2.3 空間分析

GIS 系統的空間分析功能可分析和解決現實世界中與空間相關的問題。空間分析以空間數據和屬性數據為基礎，從空間數據中獲取有關地理對象的空間位置、分布狀況、演變等信息并進行綜合分析，空間分析基本功能包括空間查詢與量算，疊加分析、緩沖區分析、網絡分析等。

師華定等[4]研究了GIS 可視化與空間分析在低碳經濟模型中的應用，發現建設低碳經濟模型GIS 可視化與空間分析系統，可以實現低碳經濟模型的可視化、信息查詢、統計分析、趨勢性和相關性分析等功能。季鐵軍等[5]利用GIS 開展城市碳足跡中的應用分析，并通過面積大小及顏色深度差異反映緩沖區區域內碳足跡的分布情況,以及結合城市產業分布、交通情況、能源配置情況等指導城市交通布局、產業調整和能源更新，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據圖形化，使數據以更直觀的形式在地圖上體現出來。利用GIS 技術進行地圖制作的重要特點是通過對空間數據進行渲染、處理，將數據進行矢量化，從而使與空間有關的不同數據疊加到地圖上。

國網湖北省電力有限公司開發出一款針對碳排放的地圖——電碳地圖，深度融合了湖北省內能源消費數據，打通了“電—碳—能”數據鏈條，通過建立地市用電量與碳排放聯動模型，形成了湖北電網14 地市的電碳地圖，為重點行業、耗能企業碳排放管理及節能增效提供精準“畫像”，實現碳排放情況的過程監測，以及對35 個主要碳排放源行業的碳排放變化趨勢進行可視化分析。另外，通過歷史碳排放數據和電力數據的關聯，還可計算出更加具有時效性的碳排放數據，從而解決碳排放數據滯后的難題，促進行業和重點耗能企業的綠色化發展，引導整個城市能源消費向清潔低碳轉型。

3 系統設計

3.1 總體架構

GIS 節能低碳監管平臺總體框架設計，從系統建設到應用服務，包括感知層、平臺層、數據層、應用層4 個層級。

3.1.1 感知層

感知層與物聯網密切相關，主要由電表、水表、燃氣表等傳感器構成，自動采集獲取重點耗能單位能源消耗數據。

3.1.2 平臺層

平臺層提供存儲處理感知層數據和運行服務所需的基礎設施，包括支撐服務和采集服務2 種類型。其中，支撐服務包括通信服務、IOT 服務、接口服務、計算公式、評價模型、數據分析模型；采集服務包括手工填報采集、實時采集、第三方對接采集等。

3.1.3 數據層

數據層包括數據及數據庫，負責數據存儲和規劃，提供統一的數據交換平臺，包括地理信息基礎數據、節能低碳數據、元數據3 類。

3.1.4 應用層

應用層采用面向服務的架構，以圖形化的系統界面將獲取并處理后的數據可視化地展示給用戶，以能碳數據為基礎，建設GIS 節能低碳監管平臺，實現節能低碳可視化展示、查詢統計、多維分析、趨勢預測等功能。

3.2 數據庫設計

建立地理信息基礎數據、節能低碳數據、元數據3 類數據庫。

3.2.1 地理信息基礎數據

建立電子地圖，實現包括行政區域、道路、河流等基礎要素圖層的建庫、配圖及發布，作為地理信息空間化展示和應用的底圖；在電子地圖上進行重點耗能單位地名地址數據的標識。

3.2.2 節能低碳數據

通過儀表自動采集或與能耗在線監測系統進行接口對接，實時采集監測電、氣、熱等能源消耗數據，根據能碳計算公式計算能耗、碳排放數據；另外，對重點耗能單位開展的節能技改項目信息進行人工錄入或導入，獲得節能減碳潛力數據。

通過評價模型對重點耗能單位進行影響因素賦值。將能耗及碳排放情況（綜合能耗、能耗強度、碳排放量、碳排放強度等）、節能減碳潛力（節能量、減碳量、經濟效益數據等）、國家節能監察重點行業、控排企業、國家級/省市級綠色工廠、能效/水效領跑者等因子按照影響作用進行賦值，獲得重點耗能單位評價得分。

3.2.3 元數據

元數據是“關于數據的數據”，是對所采集到的數據的說明。元數據能提供基于用戶的信息，有助于用戶對各類數據的使用，元數據也可以支持系統對數據進行管理和維護，以有效的方式訪問數據。

4 系統功能

建設GIS 節能低碳監管平臺，構建能碳計算模型及評價體系，建立智能化的能碳數據收集、分析系統，政府管理機構可以對企業的能耗、碳排放數據進行實時查看、統計分析、預測預警。系統主要包含6 個功能模塊。

4.1 可視化展示

實現重點耗能單位能耗及碳排放的計劃指標、實際排放總量、實際排放強度、預測指標等數據在地圖上進行展示，便于政府管理機構實時掌握高耗能單位的能碳排放情況，及時采取監管措施。

4.2 分析評價

從企業、行業、區域不同維度對能碳排放情況進行分析評價。將不同行業能碳排放信息按照時間、企業規模、企業類別等維度進行統計分析；在企業能碳排放情況的基礎上，生成不同區域能碳排放熱力圖，直觀反映各區域能碳排放情況；通過評價模型對重點耗能單位進行影響因素賦值后，生成重點耗能單位所需監管程度的量化指標，在地圖上分層設色展示，政府管理機構可以據此確定監管重點。

4.3 數據查詢

可以按照區域、行業、時間段，查詢任意時間段的能耗、碳排放數據，以及實現自定義查詢等。

4.4 數據統計

自動生成能碳統計報表，可以實現對能耗、碳排放量進行分維度、按照時間段的統計分析；對能源消費結構、單位產品/產值能源消耗情況的統計分析；對節能技改減少的節能量、減碳量、經濟效益進行統計分析，通過數據報表、餅狀圖、曲線圖等不同形式進行展示，指導管理節能減碳。

4.5 預測預警

在對重點耗能企業各時期能耗、碳排放規律進行統計的基礎上，通過分析預測模型對各企業碳排放、能耗趨勢進行預測，將預測結果與分配的能耗碳排放數據指標進行對比，對即將超標的給予預警。

4.6 系統管理

系統管理主要包括系統用戶管理、系統權限管理、系統日志管理、系統備份恢復管理等。

結語

GIS 技術為政府管理機構對重點耗能單位的監管提供了技術支撐，便于政府管理機構及時掌握高耗能單位能耗、碳排放情況并實行相應的監管措施。通過評價模型獲得重點耗能單位所需監管程度，便于政府管理機構精準定位監管重點。根據預測模型對未來能耗和碳排放趨勢進行預測，便于政府管理機構進行科學的能耗、碳排放管控。