GIS 在重点耗能单位节能减排监管中的应用

程 璐

（海油总节能减排监测中心有限公司 天津 300452）

引言

随着社会经济的快速增长，国家各项建设都取得了巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，为此国家也出台了一系列应对政策。如，针对温室气体排放引起全球气候变暖，政府出台政策以遏制温室气体排放的增加，并减缓由于化石燃料过度使用所导致的气候变化对自然和人类环境产生的影响。

目前，开展节能减排、控制温室气体排放，是应对气候变化的必然选择。而在节能减排工作中，政府管理机构承担着节能降碳工作的指导监督、落实对重点耗能单位年度目标下达及考核工作。传统的监管存在企业和区域点多面广、不同类别企业监管方式多样、监管时效性不及强等问题，很难做到及时、精准、科学地监管。2022年8 月18 日，科学技术部、国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、交通运输部等9部门联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030 年）》，提出“充分发挥科技创新对实现碳达峰碳中和目标的关键支撑作用”，为政府管理机构监管重点耗能单位的节能降碳工作提供了新的思路。

GIS 技术作为信息化建设的重要基石，可以将不同来源、不同类别的数据汇聚在一起，通过数据清洗、处理、整合建立功能强大的地理信息数据库，在数据的基础上集成各种应用，并按照空间范围和属性，提供多条件组合类型的统计分析，用户可通过GIS 应用软件对数据库进行浏览、查询、制图、统计、分析，为管理决策的应用提供依据[1]。因此，可以将GIS 技术应用于政府管理机构日常监管中，辅助重点耗能单位的节能降碳。

1 建设目标

根据节能降碳监管需求，在获取重点耗能单位能耗、碳排放相关数据的基础上建立数据库，并开展能碳数据的计算、评价以及预测，借助GIS 技术的可视化与空间分析能力，搭建GIS 节能低碳监管平台，为政府管理机构节能低碳监管提供决策支撑。

1.1 建立能碳数据库

建立包括地理信息基础数据、节能低碳数据、专题数据、元数据等的能碳数据库。

1.2 建立能碳计算公式

建立能耗计算公式模板、24 个碳排放参数推荐值、排放因子库、碳排放核算公式模板的能碳计算公式，自动计算能耗、碳排放数据。

1.3 建立因子评价模型

建立能碳评价模型，将重点耗能单位能碳影响因子按照影响作用进行赋值，赋值结果的高低可以反应重点耗能单位需要监管的程度。

1.4 建立分析预测模型

收集企业各时期能耗、碳排放数据，对收集到的数据进行预处理，运用BP 神经网络、多元线性回归模型等多种方法建立能碳预测模型，通过多组数据测试，不断对模型进行评估和优化，以期找到一种精确且实用的能耗、碳排放预测模型，帮助企业掌握能耗、碳排放预期情况，更有效地实施温室气体减排[2]。

1.5 建立GIS 节能低碳监管平台

实现重点耗能单位节能低碳可视化展示、查询统计、多维分析、趋势预测等功能，指导管理重点耗能单位节能降碳。

2 关键技术及应用案例

2.1 可视化

GIS 可视化是利用计算机图形学、图像处理技术和地图学等可视化技术，以符号、文字、图形等形式表示空间数据的位置、形态、分布和动态变化的信息，形象地、具体地显示信息的空间特性，使研究人员能直观地进行观察、分析，从而更进一步地指导深层次应用，GIS 可视化在节能减排应用中可以实现节能低碳数据的多维、直观、动态展示，反映时空格局和演化规律。

邹航等[3]利用物联网自动采集碳排放数据，实现碳排放核查过程的在线监测，利用GIS 技术实现碳排放数据在地理空间上的可视化显示，提供更高效的区域排放情况分析与趋势分析。另外，通过模型计算的企业或区域碳排放/吸收的核算结果，不仅可以在地图上实现静态展示能源消耗情况、企业碳排放情况、高排放区等，还可以展示区域碳排放动态分布，如对能源消耗量、碳排放量时间动态展示与对GDP、人口等经济社会指标时间动态展示，以及不同政策情境下未来碳排放量预测展示等。同时，实现碳吸收变化率空间格局的图斑展示、不同生态系统类型占比、不同行政单元碳吸收量排名展示，以及未来不同气候变化和管理情景下生态系统碳吸收变化展示。

2.2 空间查询

空间查询是指从空间数据库中查找或者标识一系列满足特定语义与空间关系准则的地理目标子集的过程，空间查询也可以称为查询检索或空间数据选取，根据查询结果可以产生带有某些特性的空间数据集。空间查询是GIS 系统最基本的功能，可以把符合一定条件的空间对象查出，同时列出相关属性。空间查询包括属性查图形、图形查属性、图形查图形等多种查询方式，可以给出图形信息查询对应的属性信息并分析空间拓扑关系，也可以通过属性信息查询对应的空间实体及属性。查询类型有单一查询和联合查询，单一查询是只查询属性或只查询空间拓扑关系，联合查询是将空间数据与属性数据进行联合查询。

以四川省德阳市打造的节能减排综合监管平台为例，该平台接入重点耗能单位在线监测平台，自动采集电力、天然气等能耗数据，同时也与德阳市生态环境局系统数据进行了共享，接入了大气、水等在线监测数据，通过数据的分析处理为德阳市节能减排监管提供准确可靠的数据支撑。该产台在建立数据库的基础上实现对德阳市重点耗能单位能耗和污染源排放数据的监测、查询、统计、分析，具备能源审计、能效对标、节能减排等相关标准的查询检索等功能。该平台的投建和运营模式在四川省节能减排能力建设、全国节能减排示范城市能力建设中均属首创。

2.3 空间分析

GIS 系统的空间分析功能可分析和解决现实世界中与空间相关的问题。空间分析以空间数据和属性数据为基础，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布状况、演变等信息并进行综合分析，空间分析基本功能包括空间查询与量算，叠加分析、缓冲区分析、网络分析等。

师华定等[4]研究了GIS 可视化与空间分析在低碳经济模型中的应用，发现建设低碳经济模型GIS 可视化与空间分析系统，可以实现低碳经济模型的可视化、信息查询、统计分析、趋势性和相关性分析等功能。季铁军等[5]利用GIS 开展城市碳足迹中的应用分析，并通过面积大小及颜色深度差异反映缓冲区区域内碳足迹的分布情况,以及结合城市产业分布、交通情况、能源配置情况等指导城市交通布局、产业调整和能源更新，为城市决策者做出合理判断提供有效参考。

2.4 地图制作

地图制作是将用户研究方向的展示成果以各类图表、文本、多媒体等形式进行输出，用户可以通过使用柱状图、饼状图、折线图等不同专题图的方式将数据图形化，使数据以更直观的形式在地图上体现出来。利用GIS 技术进行地图制作的重要特点是通过对空间数据进行渲染、处理，将数据进行矢量化，从而使与空间有关的不同数据叠加到地图上。

国网湖北省电力有限公司开发出一款针对碳排放的地图——电碳地图，深度融合了湖北省内能源消费数据，打通了“电—碳—能”数据链条，通过建立地市用电量与碳排放联动模型，形成了湖北电网14 地市的电碳地图，为重点行业、耗能企业碳排放管理及节能增效提供精准“画像”，实现碳排放情况的过程监测，以及对35 个主要碳排放源行业的碳排放变化趋势进行可视化分析。另外，通过历史碳排放数据和电力数据的关联，还可计算出更加具有时效性的碳排放数据，从而解决碳排放数据滞后的难题，促进行业和重点耗能企业的绿色化发展，引导整个城市能源消费向清洁低碳转型。

3 系统设计

3.1 总体架构

GIS 节能低碳监管平台总体框架设计，从系统建设到应用服务，包括感知层、平台层、数据层、应用层4 个层级。

3.1.1 感知层

感知层与物联网密切相关，主要由电表、水表、燃气表等传感器构成，自动采集获取重点耗能单位能源消耗数据。

3.1.2 平台层

平台层提供存储处理感知层数据和运行服务所需的基础设施，包括支撑服务和采集服务2 种类型。其中，支撑服务包括通信服务、IOT 服务、接口服务、计算公式、评价模型、数据分析模型；采集服务包括手工填报采集、实时采集、第三方对接采集等。

3.1.3 数据层

数据层包括数据及数据库，负责数据存储和规划，提供统一的数据交换平台，包括地理信息基础数据、节能低碳数据、元数据3 类。

3.1.4 应用层

应用层采用面向服务的架构，以图形化的系统界面将获取并处理后的数据可视化地展示给用户，以能碳数据为基础，建设GIS 节能低碳监管平台，实现节能低碳可视化展示、查询统计、多维分析、趋势预测等功能。

3.2 数据库设计

建立地理信息基础数据、节能低碳数据、元数据3 类数据库。

3.2.1 地理信息基础数据

建立电子地图，实现包括行政区域、道路、河流等基础要素图层的建库、配图及发布，作为地理信息空间化展示和应用的底图；在电子地图上进行重点耗能单位地名地址数据的标识。

3.2.2 节能低碳数据

通过仪表自动采集或与能耗在线监测系统进行接口对接，实时采集监测电、气、热等能源消耗数据，根据能碳计算公式计算能耗、碳排放数据；另外，对重点耗能单位开展的节能技改项目信息进行人工录入或导入，获得节能减碳潜力数据。

通过评价模型对重点耗能单位进行影响因素赋值。将能耗及碳排放情况（综合能耗、能耗强度、碳排放量、碳排放强度等）、节能减碳潜力（节能量、减碳量、经济效益数据等）、国家节能监察重点行业、控排企业、国家级/省市级绿色工厂、能效/水效领跑者等因子按照影响作用进行赋值，获得重点耗能单位评价得分。

3.2.3 元数据

元数据是“关于数据的数据”，是对所采集到的数据的说明。元数据能提供基于用户的信息，有助于用户对各类数据的使用，元数据也可以支持系统对数据进行管理和维护，以有效的方式访问数据。

4 系统功能

建设GIS 节能低碳监管平台，构建能碳计算模型及评价体系，建立智能化的能碳数据收集、分析系统，政府管理机构可以对企业的能耗、碳排放数据进行实时查看、统计分析、预测预警。系统主要包含6 个功能模块。

4.1 可视化展示

实现重点耗能单位能耗及碳排放的计划指标、实际排放总量、实际排放强度、预测指标等数据在地图上进行展示，便于政府管理机构实时掌握高耗能单位的能碳排放情况，及时采取监管措施。

4.2 分析评价

从企业、行业、区域不同维度对能碳排放情况进行分析评价。将不同行业能碳排放信息按照时间、企业规模、企业类别等维度进行统计分析；在企业能碳排放情况的基础上，生成不同区域能碳排放热力图，直观反映各区域能碳排放情况；通过评价模型对重点耗能单位进行影响因素赋值后，生成重点耗能单位所需监管程度的量化指标，在地图上分层设色展示，政府管理机构可以据此确定监管重点。

4.3 数据查询

可以按照区域、行业、时间段，查询任意时间段的能耗、碳排放数据，以及实现自定义查询等。

4.4 数据统计

自动生成能碳统计报表，可以实现对能耗、碳排放量进行分维度、按照时间段的统计分析；对能源消费结构、单位产品/产值能源消耗情况的统计分析；对节能技改减少的节能量、减碳量、经济效益进行统计分析，通过数据报表、饼状图、曲线图等不同形式进行展示，指导管理节能减碳。

4.5 预测预警

在对重点耗能企业各时期能耗、碳排放规律进行统计的基础上，通过分析预测模型对各企业碳排放、能耗趋势进行预测，将预测结果与分配的能耗碳排放数据指标进行对比，对即将超标的给予预警。

4.6 系统管理

系统管理主要包括系统用户管理、系统权限管理、系统日志管理、系统备份恢复管理等。

结语

GIS 技术为政府管理机构对重点耗能单位的监管提供了技术支撑，便于政府管理机构及时掌握高耗能单位能耗、碳排放情况并实行相应的监管措施。通过评价模型获得重点耗能单位所需监管程度，便于政府管理机构精准定位监管重点。根据预测模型对未来能耗和碳排放趋势进行预测，便于政府管理机构进行科学的能耗、碳排放管控。