基于PPGIS的大型活动“碳核算”大数据服务平台

吴孟辉, 单鹏广, 许 翔, 张 晴, 陈晗璐, 王 远

(1.福建省计量科学研究院 福建省能源计量重点实验室, 福州 350003;2.福建师范大学 地理科学学院、碳中和未来技术学院, 福州 350007;3.福建省环境保护设计院有限公司, 福州 350012)

为解决CO2为主的温室气体过量排放所引发的气候变化问题,国际社会相继提出了一系列实现碳中和的气候治理目标。2020年9月,中国政府提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”,标志着“碳中和”正式上升为国家战略。此后,相关研究蓬勃兴起,研究领域逐渐拓展,目前国内对于碳排放的研究主要集中于交通、建筑、农业等产业碳排放核算领域[1-3],而随着碳中和研究的拓展,会议、会展、节庆和赛事等大型活动碳中和逐渐成为新兴议题[4-6]。大型活动碳中和即对大型活动全生命周期内产生的温室气体排放总量,以新增碳汇林、购买碳配额或碳信用的方式实现温室气体净零排放的气候治理措施[7]。大型活动碳中和不仅有着可观的减排效益,其高曝光性和高关注度所引发低碳生活的示范效应,也有利于增强碳中和理念的社会普及、提升碳中和实践的社会参与。2006年都灵冬奥会是首次通过节能减排、可再生能源项目、新增碳汇林和购买碳配额的形式实现赛事阶段碳中和的奥运会[8];Dolf等[9]将场馆电耗、观众住宿餐饮、交通出行和赛后的固废垃圾处理纳入碳足迹核算框架,进行碳排放核算;2019年6月,生态环境部制定的《大型活动碳中和实施指南(试行)》(以下简称《指南》)弥补了中国大型活动碳中和的规则空白。在此基础上,包括福建省在内的全国7个省份陆续出台了大型活动碳中和的实施指导方案,并配套了相应的大型活动碳中和核算平台[10],一定程度上增强了大型活动碳中和的可操作性,但平台间在技术路线、应用场景和核算方式等方面存在诸多差异,影响了碳核算平台的应用效果和推广普及。本文研究的碳排放管理和服务平台,整合了相关平台的优势,将以云计算、人工智能和物联网为核心的数字技术贯穿大型活动碳中和的全生命周期,通过数字化平台对大型活动进行精确的碳排放监测和高效的碳排放分析,不仅为大型活动碳中和的实现提供了重要的平台支撑,而且对大型活动碳中和的平台建设贡献了技术方案及经验借鉴。

1 平台定位

大型活动碳核算是大型活动碳排放管理、碳减排优化和碳中和实现的重要前置条件。基于公众参与地理信息系统(Public Participation Geographic Information System,PPGIS)的大型活动“碳核算”大数据服务平台(以下简称“平台”)顺应“双碳”战略目标和数字中国建设潮流,为大型活动的举办提供全生命周期的碳排放检测和碳数据分析管理,通过可视化的方式展现给活动举办方和参与公众。平台旨在打造“大型活动+双碳”一体化的智慧碳排放管理中枢,为大型活动碳中和提供精细化数字治理手段和重要决策支撑。

平台以国家发布的碳中和实施方案为指引,针对项目活动碳排放的边界和板块,在互联网云端构建会议碳排放核算模型以及“化石燃料燃烧碳排放”“净购入电力热力碳排放”“交通碳排放”“住宿餐饮碳排放”“会议用品隐含碳排放”“废弃物处理碳排放”6大板块数据整合平台,定量监测大型活动碳排放量的动态变化,实现大型活动数字化低碳管理。平台根据公众提交的行程信息和其他部门的活动水平数据,可监测例如个人因出席活动而产生的交通出行碳排放和其他板块碳排放。未来平台也将参与碳信用代购委托,为个人行为碳中和的实现打通渠道。

2 平台建设

2.1 总体架构

平台采用成熟的开发架构,在《指南》《福建省大型活动和公务会议碳中和实施方案(试行)》(以下简称《方案》)、ISO14064和GHG Protocol等文件和标准的支撑下,聚合基于智慧配电、智慧制冷、智慧供热、智慧照明、终端用户数据、碳标签产品等在内的多源物联网数据和活动参与人员自愿提交的数据,经由涵盖多场景排放因子库的大型活动碳排放模型进行精确计算和监控,在微信小程序和管理端实现高效的能源管理、碳排放管理、活动碳排放评价和可视化,实现数字技术在政府、企业和非营利组织等多元主体参与下的大型活动碳中和平台应用。平台框架如图1所示。

图1 平台框架

2.2 大型活动碳中和实施流程与具体步骤

大型活动碳中和的实现离不开筹备、开展和收尾阶段的系统配合。首先,大型活动主办方需在活动筹备阶段发布碳中和计划,在活动筹备、开展和收尾的全流程阶段执行减排行动,在活动收尾阶段核算最终的碳排放总量,并选取合适的碳中和途径实现碳中和。若大型活动有必要实施碳中和,主办方首先要公开发布大型活动碳中和计划。碳中和计划要依照主办方出资与否和活动碳足迹与大型活动相关程度来确定碳排放责任主体,在此基础上确定活动实施的时间边界、地理边界和设施边界,并参照《指南》推荐重点识别的6大活动排放源来确定大型活动实际需要核算的排放源。计划应包含与6大排放源所对应的减排计划以及减排后的碳排放预估总量,为明确碳抵消方式提供决策支撑,最后要公开发布碳中和计划并予以承诺。

其次,碳减排行动需要在场所、住宿、餐饮、主办方、参与者5个方面实施减排行动。在场所减排方面,一是区位选择减排:通过选择包括举办城市、举办地段、招待酒店等交通便利的活动场所来尽可能降低交通碳排放,二是交通工具选择减排:短途优先选用公交、地铁等公共交通,中长途优先选择铁路出行;在酒店住宿减排方面,通过使用节能设施、物品重复利用等来降低住宿产生的碳排放;在餐饮减排方面,通过选用时令食材、素餐替代、按需烹制等措施来降低餐饮碳排放;在举办方减排方面,通过无纸化办公、物品重复利用等措施减少不必要的碳排放;在参与方减排方面,主要通过低碳生活理念的践行来营造低碳生活的社会氛围,为碳减排的实现建立坚实的群众基础。

再次,要对“化石燃料燃烧碳排放”“净购入电力热力碳排放”“交通碳排放”“住宿餐饮碳排放”“会议用品隐含碳排放”“废弃物处理碳排放”6大板块进行数据源的确认,最后聚合6大数据源并选取符合实际的排放因子核定碳排放总量。从次,要根据碳中和计划选取恰当的碳中和方式并予以实施。当前碳中和的实施分为部分碳中和与全部碳中和,其主要区别在于是否抵消大型活动全生命周期产生的碳排放,部分碳中和至少应该抵消活动举办阶段的碳排放,全部碳中和则应当抵消筹办、举办和收尾阶段的碳排放总量。确定抵消方式和抵消类型以后,最后需要邀请符合资质的第三方对本次活动碳中和的实施给予认证和评价,成功认证以后进行碳中和声明,即标志大型活动达成了碳中和。大型活动碳中和实施流程及具体步骤见表1。

表1 大型活动碳中和实施流程及具体步骤

2.3 平台运行流程

依照大型活动碳中和实施流程,平台开发了高效稳定的运作流程以保障大型活动碳中和的有序顺利执行。主办方首先通过平台发布包括活动地点、活动时间、活动主题等相关的活动信息,并界定包括地理边界、设施边界和时间范围等在内的大型活动碳排放核算边界。其次,用户通过微信小程序,输入出行交通方式、往返地点等关键信息进行活动报名,为平台碳核算提供参会人员交通碳排放源数据,其余板块的排放源活动数据通过其他部门协助获取。再次,主办方在报名管理后台可对用户数据进行查询和管理,来实时监控平台数据内容。从次,平台通过活动碳排放模型和碳排放因子库,对用户提交数据、物联网传感器产生的数据、活动现场收集的排放源相关数据等进行计算和分析,实现对“化石燃料燃烧碳排放”“净购入电力热力碳排放”“交通碳排放”“住宿餐饮碳排放”“会议用品隐含碳排放”“废弃物处理碳排放”6大板块的碳排放核算。最后,将6大板块的碳排放数据接入平台,在地理信息系统(geographic information system,GIS)的加持下实现大型碳排放的可视化,在电子屏幕或微信小程序端展示碳排放总量、用户的参会轨迹、各个板块碳排放量的数量和比率等信息。平台运行流程如图2所示,运行界面如图3～图7所示。

图2 平台运行流程

图4 用户报名签到界面

图5 主办方报名管理界面

图6 平台碳排放核算界面

图7 平台碳排放核算可视化界面

2.4 平台技术标准

技术标准是平台运行的准绳。《指南》的出台,通过明确大型活动排放源及对应的核算标准和技术规范,为国内大型活动碳中和的实施提供了有效指导,弥补了中国大型活动碳中和的国家标准缺失空白。但是《指南》也存在一定不足,首先是对大型活动的定义较为模糊,特别是对活动参与人数的界定上缺乏定量标准;其次是并未直接给出对应排放源的碳排放因子,这些都限制了《指南》的推广和应用。《方案》的出台,明确了1 000人以上的大型活动需要遵照《指南》的流程进行碳中和,50～1 000人活动自我承诺实现碳中和,50人以下的活动自愿实现碳中和,提升了大型活动碳中和的可操作性。平台依据《方案》来界定大型活动,并在《指南》的流程下实施碳中和,在碳核算过程中则主要参照ISO14064和GHG Protocol这两个通用标准来确定碳排放源的排放因子,最终实现大型活动碳核算的精确化。

2.5 平台数据源及碳排放计量

大型活动碳中和的科学实现离不开精确的数据源和恰当的排放因子选择。在设定的大型活动碳核算边界内,根据活动区域内智慧配电、智慧制冷、智慧供热、智慧照明系统所绑定的智能物联网设备,实现电力、热力的实时监控,为平台的“化石燃料碳排放”和“净购入电力热力碳排放”两个板块提供数据支撑。用户在微信小程序提交的位置往返和交通方式等信息将支撑“交通碳排放”板块的碳数据计量。“会议用品隐含的碳排放”由主办方统计,主要涵盖主办方的采购清单。主办方也将负责联络相关部门,统计大型活动所涉及的餐饮、住宿、活动用品和废弃物,填补“住宿餐饮碳排放”“会议用品隐含碳排放”“废弃物处理碳排放”这3大板块的数据空白。其中“住宿餐饮碳排放”数据主要来源于酒店和餐饮服务方,“废弃物处理产生的碳排放”来源于城市环卫部门提供活动垃圾总量。上述6大板块的集成的活动数据是平台运转的基础,通过统一的组织协调机制及时准确地获取多方数据,并给予各个板块匹配本地化的碳排放因子,科学计量大型活动产生的碳排放总量。平台二氧化碳排放量核算采用6大排放源活动水平数据与对应的排放因子相乘后相加的计量方法,公式为

(1)

式中:E为大型活动碳排放总量;A为6大板块集成的活动数据;B为活动对应的排放因子;i为6大统计板块;α为各自板块具体活动数据;β为各板块具体活动数据对应的排放因子。

2.6 平台功能应用和服务入口

平台通过智慧配电、智慧制冷、智慧供热、智慧照明系统所绑定的智能物联网设备(图8),建立了数字能源管理中枢,在平台管理端实现能源管理和碳排放管理集成的双重管理(图9),可为节能减排和碳排放优化提供诊断分析和优化策略。在用户微信小程序端口和平台管理端,通过GIS和可视化技术实现碳排放的总量可视、各模块碳排放量和比例可视、用户位置迁移信息可视等多重可视,平台的易用性较强。

图8 物联网设备

图9 物联网设备管理后台界面

平台的服务对象主要针对政府、企业、非营利组织,实现碳中和的数字赋能。面向政府,针对政府举办的大型公务活动和会议,通过构建公务活动的碳排放智慧监测管理平台,提升政府碳中和数字治理效能。面向企业,针对企业的大型会议和活动碳中和应用场景,通过全活动流程碳数据的采集和分析建立企业碳账户、勾画碳信用画像,为“看碳”和“析碳”有机衔接下的碳资产管理提供数字平台基础,并提供个性化的企业碳排放诊断评价,为企业节能减排和碳中和提供专业决策支撑。面向非营利组织,针对其举办的大型学术会议与公众活动,通过多源物联网数据和大数据算法对碳排放进行实时监控分析,在此基础上通过海量案例学习建立多类型的大型活动碳排放优化模型库,精确识别活动碳排放类型,并提出针对性的节能减排措施。

3 总结和展望

平台融合大数据、物联网等数字技术,通过集成多源数据、开发碳排放因子库,建立了大型活动碳排放核算平台,实现了碳排放可溯源、碳报告可生成,打造了精细智能的大型活动碳中和数字治理场景。平台具备开放的系统架构,通过链接智慧配电、智慧制冷、智慧供热和智慧照明等在内的智慧能源系统,实现了能源活动数据的智能化获取。同时,平台也便于对大型活动能源设备进行集中化管理,为后期平台间联动实现能-碳深度优化提供了开发空间,且降低了二次开发成本。平台也具备相对灵活的应用部署,可以将其应用到政府、企业和非营利组织等主体的会议、会展、节事和赛事等大型活动,适应了大型活动碳中和多主体、多领域的应用场景需求。

但平台也存在不足之处。首先,在数据收集方面,主要依赖底层数据的收集,数据源集成度不高。同时,活动源数据类型多样、收集成本较高、数据质量参差不齐等问题都会对碳排放核算造成困难,这些都降低了核算精度。其次,餐饮住宿、废弃物处理、会议用品等源数据存在部门壁垒和信息孤岛问题,增加了碳排放核算的困难。再次,平台定位为数据服务平台,功能较为单一,仅能实现平台端的粗糙管理和简易可视化,缺乏在碳数据分析基础上对碳数据价值的深度挖掘和碳减排优化及管理。从次,平台尚未接入地方或国家的碳汇数据中心,因此用户无法通过购买碳汇进行中和等途径参与碳中和互动,平台的用户参与度低。最后,平台会议碳排放模型较为固定,缺失对多重场景和主体下的碳排放个性化核算,一定程度上影响了碳核算的精确度量。

未来,平台需要在数据收集方面完善数据收集流程,保障数据收集质量,打通数据流通壁垒,实现数据高效精确集成。在平台定位方面,应逐步由大型活动碳核算数据服务平台过渡到大型活动碳中和管理平台,深度挖掘碳排放数据的价值,分析碳画像、碳趋势等指标,提供碳排放诊断评价、预测和优化等全周期的数字化服务[11]。在能-碳平台耦合方面,应加快与智慧能源平台的链接。智慧能源平台一般依照人工智能算法对各个子系统的优化提升管理效率、降低设备能耗[12],碳核算平台与智慧能源平台的耦合,将基于平台的能-碳耦合关系分析结果开发更符合实际的优化算法,通过碳排放分析优化能源管理,依靠能源优化助力碳减排,最终实现节能降碳互促效果。平台应针对政府、企业、非营利组织等不同主体,提供包括建立个人和企业碳账户、开发基于不同主体、场景的碳排放因子库等在内的个性化的碳数据增值服务,充分发挥平台核算结果在不同主体中的应用。最后,平台应提升用户大型活动碳中和的参与度,提供用户购买碳汇的碳中和服务入口,建立个人用户碳排放记账本,加强用户与平台间的互动。