城市環(huán)境監(jiān)測與碳排放情景模擬計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)云平臺

孟凡奇 董山峰 葉郁/ MENG Fanqi, DONG Shanfeng, YE Yu

城市環(huán)境監(jiān)測與碳排放情景模擬計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)云平臺

孟凡奇 董山峰 葉郁/ MENG Fanqi, DONG Shanfeng, YE Yu

城市化的快速發(fā)展階段，各地都面臨碳排放量逐年增加的壓力。在國家政策對資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和智慧環(huán)保提出了新要求的形勢下，城市環(huán)境監(jiān)測與碳排放情景模擬計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)云平臺——“Bluepath Impact Cloud”應(yīng)運(yùn)而生。一方面，它可對不同情景下城市新區(qū)、園區(qū)或重點(diǎn)單位的目標(biāo)年碳排放量進(jìn)行模擬計(jì)算，并提出降低碳排放等相關(guān)建議；另一方面，平臺還能對生態(tài)工業(yè)園區(qū)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)城市等不同區(qū)域的資源環(huán)境等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并對比相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)判斷合格與否。

碳排放 環(huán)境監(jiān)測 指標(biāo)分析 云平臺

1 引言

1.1 背景

2013年11月，十八屆三中全會公報指出：“全面深化改革的總目標(biāo)是完善和發(fā)展中國特色社會主義制度，推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化?！币话阏J(rèn)為，依托于信息技術(shù)的新型管理模式，對于國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化具有重要的推動作用。

2014年9月19日，國家發(fā)改委印發(fā)《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃（2014-2020年）》（發(fā)改氣候[2014]2347號），要求大幅降低碳排放強(qiáng)度，形成綠色低碳發(fā)展的倒逼機(jī)制（國家發(fā)改委，2014）。

2015年11月30日，習(xí)近平在巴黎氣候大會上承諾中國“2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%～65%”（新華社，2015）。

2015年12月，中央城市工作會議公報提出要“促進(jìn)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化”。

2016年1月11日，國家發(fā)改委辦公廳發(fā)布《“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)三年行動實(shí)施方案》（發(fā)改辦環(huán)資[2016]70號），該方案核心要求為：加強(qiáng)資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)測和大力發(fā)展智慧環(huán)保。同時，方案要求加強(qiáng)重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析，在穩(wěn)步推進(jìn)試點(diǎn)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大范圍，發(fā)改委牽頭會同地方政府建立資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)庫和信息共享平臺和研究建設(shè)資源環(huán)境動態(tài)監(jiān)測應(yīng)急系統(tǒng)等（國家發(fā)改委，2016）。

2016年3月17日，全國“兩會”（十二屆全國人大四次會議和全國政協(xié)十二屆四次會議）授權(quán)新華社發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中再次重申：“必須按照完善和發(fā)展中國特色社會主義制度、推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的總目標(biāo)”。

為推動國家治理能力現(xiàn)代化、城市治理能力現(xiàn)代化，推動互聯(lián)網(wǎng)與生態(tài)文明建設(shè)深度融合，順應(yīng)國家減少碳排放相關(guān)政策，填補(bǔ)城市環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域（包括碳排放）的相關(guān)空白，御道集團(tuán)（中國生態(tài)城市發(fā)展探索的先鋒公司，Bluepathcity.net.）基于自身多年積累的16個生態(tài)城市指標(biāo)體系及碳排放模擬計(jì)算的研究，開發(fā)了“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的碳排放監(jiān)測平臺。御道開發(fā)的城市環(huán)境監(jiān)測與碳排放情景模擬計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)云平臺——Bluepath Impact Cloud（以下簡稱BIC）目前已完成整體設(shè)計(jì)和測試，即將進(jìn)入商用階段。

1.2 目的

城市環(huán)境監(jiān)測與碳排放情景模擬計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)云平臺BIC主要有兩個目的：第一，通過平臺模擬計(jì)算不同情景下目標(biāo)年份的城市（園區(qū)）碳排放量。此外，通過研究城市居住、工業(yè)、教育科研、賓館、學(xué)校、文化娛樂等各類建筑不同的耗能負(fù)荷模擬情景與城市碳排放量之間的因果關(guān)系，以及交通、市政和綠地碳匯與城市碳排放量之間的因果關(guān)系，最終明確城市化與碳排放的因果關(guān)系，并為規(guī)劃部門提出城市土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建議。第二，對重點(diǎn)用能單位、各類生態(tài)示范園區(qū)、城區(qū)等，平臺可協(xié)助其進(jìn)行該區(qū)域資源環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，以及相關(guān)生態(tài)指標(biāo)計(jì)算模型的建立、指標(biāo)計(jì)算、監(jiān)測與報警等。

2 BIC系統(tǒng)總體架構(gòu)

BIC系統(tǒng)主要包含兩個子功能模塊：BIC城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)和BIC碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)（圖1）。

3 數(shù)據(jù)輸入、存儲與傳輸模塊

3.1 數(shù)據(jù)輸入

3.1.1 手動輸入

BIC目前的輸入方法主要是手動輸入，內(nèi)容包括項(xiàng)目的基本信息概況，如項(xiàng)目用地面積、建筑面積、項(xiàng)目年產(chǎn)值等，此部分?jǐn)?shù)據(jù)在輸入后還可以隨著項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)展情況進(jìn)行動態(tài)更新和維護(hù)。

關(guān)鍵性輸入數(shù)據(jù)是指與項(xiàng)目碳排放息息相關(guān)的參數(shù)。BIC中，關(guān)鍵性輸入數(shù)據(jù)包括建筑熱負(fù)荷、單位里程能耗、人均生活垃圾產(chǎn)生量、焚燒發(fā)電減排量、電力碳排放系數(shù)等。與其他的一般性輸入數(shù)據(jù)相比，關(guān)鍵性輸入數(shù)據(jù)更多地體現(xiàn)單位能源需求的大小。一般性輸入數(shù)據(jù)可視作是對項(xiàng)目體量大小的輸入，而關(guān)鍵性輸入數(shù)據(jù)則是項(xiàng)目能源強(qiáng)度的輸入。關(guān)鍵性輸入數(shù)據(jù)不僅與一般性輸入數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了計(jì)算項(xiàng)目碳排放的數(shù)學(xué)模型，還可作為評價項(xiàng)目能源利用水平、能源使用技術(shù)體系、單位體量能源強(qiáng)度與需求的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 自動輸入

BIC下一階段的輸入方法將兼容物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器。比如，將電量計(jì)量表、水量計(jì)量表、燃?xì)庥?jì)量表及其他計(jì)量裝置與BIC平臺連接，計(jì)量數(shù)據(jù)由終端傳輸給平臺并在前臺界面上進(jìn)行顯示，而后直接進(jìn)入平臺后臺計(jì)算模型中，進(jìn)行碳排放數(shù)據(jù)計(jì)算。這種自動輸入方法將提升BIC的實(shí)時性，提高碳排放計(jì)算的準(zhǔn)確性，并減少數(shù)據(jù)錄入的工作量，提高準(zhǔn)確度。

3.2 數(shù)據(jù)存儲、解釋

3.2.1 數(shù)據(jù)存儲

由于BIC在設(shè)計(jì)伊始就考慮到政府客戶需要將有關(guān)數(shù)據(jù)在各部門之間共享、共治和統(tǒng)一管理，因此在數(shù)據(jù)的存儲和管理方面應(yīng)用了資源共享便捷的云存儲技術(shù)（圖2）。

3.2.2 數(shù)據(jù)解釋

BIC數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)輸入和輸出時，均在界面給出了相應(yīng)的文字解釋。通過數(shù)據(jù)采集器以符合要求的傳輸方式將數(shù)據(jù)存入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，通過程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過應(yīng)用程序進(jìn)行顯示，最后通過顯示層的設(shè)備傳輸命令對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和參數(shù)報表（圖3）。

4 BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊

4.1 模塊架構(gòu)

BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊主要包括建筑、市政和交通等5個版塊的多個不同模擬情景狀態(tài)下的碳排放量計(jì)算（參考后文圖9所示模塊架構(gòu)）。

4.2 模塊主要計(jì)算方法

常規(guī)的碳排放模型計(jì)算方法主要包含如下幾種：排放因子法、過程分析法、投入產(chǎn)出法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測法等（王微 等，2010）。BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)采用的數(shù)字模型的計(jì)算方法是碳排放因子法。排放因子法（Emission-Factor Approach）是一種碳排放量核算指導(dǎo)性方法（劉明達(dá) 等，2014）。碳排放活動數(shù)據(jù)主要來自國家相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、排放源普查和調(diào)查資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)等（表1）。

表1 排放因子數(shù)值獲取來源

圖1 BIC總體架構(gòu)

圖2 BIC云存儲與管理框架

圖3 BIC數(shù)據(jù)解釋界面

圖4 BIC綠地碳匯測算

圖5 BIC園區(qū)碳排放強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

圖6 BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊重要參數(shù)設(shè)定

圖7 不同情景下單位GDP碳排放強(qiáng)度計(jì)算

圖8 項(xiàng)目指標(biāo)與其他地區(qū)的橫向?qū)Ρ?/p>

4.3 模塊主要功能

4.3.1 綠地碳匯測算

在綠地碳匯計(jì)算中，綠地面積是重要參數(shù)，一般作為基本信息輸入計(jì)算模型中。綠地面積既可以用于計(jì)算城市新區(qū)、工業(yè)園區(qū)的綠化率，同時也可以直接用于計(jì)算某單位大院或城區(qū)、園區(qū)的綠地碳匯（圖4）。

4.3.2 目標(biāo)年碳排放總量計(jì)算

在將碳排放計(jì)算的所有相關(guān)參數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入BIC中后，BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊將自動調(diào)用后臺計(jì)算模塊，運(yùn)行后可得出碳排放模型的計(jì)算結(jié)果。運(yùn)行“數(shù)據(jù)對比”菜單的下級子菜單“分級檢索”，項(xiàng)目單位GDP碳排放量、碳排放總量等基本結(jié)果將在界面中一一呈現(xiàn)（圖5）。

4.3.3 不同情景單位GDP碳排放強(qiáng)度模擬計(jì)算

如前文所述，BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊將項(xiàng)目碳排放分為常規(guī)情景、低碳情景及強(qiáng)化低碳情景。

常規(guī)情景是按現(xiàn)有成熟的、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)體系進(jìn)行碳排放計(jì)算；低碳情景采用相對先進(jìn)、有一定投資成本的節(jié)能減碳技術(shù)體系進(jìn)行碳排放計(jì)算；強(qiáng)化低碳情景采用目前國內(nèi)外先進(jìn)的、有較高投資額的節(jié)能減碳技術(shù)體系進(jìn)行碳排放計(jì)算。一般推薦按照低碳情景對項(xiàng)目碳排放狀況進(jìn)行規(guī)劃及評估。

碳排放模型計(jì)算中，不同情景的重要參數(shù)設(shè)定不同（圖6）。以建筑供暖為例，采用不同情景下的技術(shù)體系，在BIC碳排放云平臺中供暖系統(tǒng)COP（Coeffi cient of Performance，能效比）值是不同的。

項(xiàng)目根據(jù)不同的COP值進(jìn)行計(jì)算，得到不同的建筑供暖能耗及不同的碳排放值。在這種方式下，不同情景的技術(shù)體系效果將會得到體現(xiàn)。

為了多角度觀察項(xiàng)目碳排放水平狀況，BIC碳排放云平臺對于同一個項(xiàng)目設(shè)置了不同情景下的單位GDP碳排放強(qiáng)度計(jì)算模式，用于比較項(xiàng)目在不同的技術(shù)體系模式下的單位GDP碳排放狀況（圖7）。

4.3.4 數(shù)據(jù)對比

基于團(tuán)隊(duì)10年來對15個低碳生態(tài)城市項(xiàng)目的碳計(jì)算研究與世界上部分發(fā)達(dá)國家及發(fā)展中國家的碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)的積累，BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊提供了地區(qū)間的橫向?qū)Ρ确治龉δ?，為低碳示范城市建設(shè)提供合適的先進(jìn)指標(biāo)值，作為目標(biāo)參考（圖8）。

5 BIC－城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊

5.1 模塊架構(gòu)

BIC－城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)包括能源、水資源、環(huán)衛(wèi)、交通和碳排放5個方面的智能檢測（圖9）。同時，每個子系統(tǒng)分為城區(qū)級、地塊級和建筑級3個不同級別，不同級別的監(jiān)控終端設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)都不同。

圖9 BIC－碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊架構(gòu)

5.2 模塊計(jì)算方法

目前，BIC－城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊的指標(biāo)分為能源類、水資源類、環(huán)衛(wèi)類、交通類及碳排放等5大類指標(biāo)。每類指標(biāo)的二級指標(biāo)分為控制性指標(biāo)與引導(dǎo)性指標(biāo)，各個指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型搭建方法如下：首先，對比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、政策，明確指標(biāo)定義與內(nèi)涵；其次，明確指標(biāo)計(jì)算公式，確保各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都可統(tǒng)計(jì)；再次，根據(jù)指標(biāo)影響力，明確指標(biāo)類型（控制性、引導(dǎo)性）；最后，給出指標(biāo)的國內(nèi)外先進(jìn)對比值作為目標(biāo)參考（圖10）。

以“可再生能源使用率”為例，以下是其計(jì)算公式：

5.3 模塊主要功能

5.3.1 指標(biāo)計(jì)算

對能源、水資源等各類城市資源與環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算（圖11）。

5.3.2 指標(biāo)對比

BIC－城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊提供了當(dāng)前項(xiàng)目（區(qū)域）與我國先進(jìn)地區(qū)的相關(guān)國標(biāo)指標(biāo)的橫向?qū)Ρ确治觯▓D12）。

5.3.3 結(jié)果預(yù)警

在進(jìn)行指標(biāo)對比后，該模塊會自動將對比結(jié)果輸出，并分為兩類：一類是符合相關(guān)國標(biāo)的，以綠字出現(xiàn)；另一類是不符合國標(biāo)的，將以紅字預(yù)警形式出現(xiàn)（圖13、14）。

6 BIC應(yīng)用范圍及作用

6.1 各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)、城市新區(qū)、城區(qū)的碳排放指標(biāo)監(jiān)測

2016年3月頒布的國家“十三五”規(guī)劃綱要要求“控制非CO2溫室氣體排放。推動建設(shè)全國統(tǒng)一的碳排放交易市場，實(shí)行重點(diǎn)單位碳排放報告、核查、核證和配額管理制度”（新華社，2016）。

圖10 BIC－城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊數(shù)學(xué)模型搭建流程

圖11 BIC－城市環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊指標(biāo)計(jì)算

圖12 某園區(qū)指標(biāo)與國標(biāo)的對比

圖13 某園區(qū)合格的指標(biāo)（綠色）

圖14 某園區(qū)不合格指標(biāo)預(yù)警（紅色）

表2 《中國制造2020》之2020年和2025年制造業(yè)主要指標(biāo)（部分）

BIC的碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)模塊能幫助各類肩負(fù)碳排放減排任務(wù)的產(chǎn)業(yè)園，對園區(qū)的單位GDP碳排放指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、評價，并提供相應(yīng)的建議。

根據(jù)《中國制造2020（國發(fā)〔2015〕28號）》，單位工業(yè)增加值CO2排放量下降幅度將成為綠色發(fā)展的主要考核指標(biāo)之一（表2）。BIC的碳排放情景模擬計(jì)算系統(tǒng)可以幫助各個城市更科學(xué)地計(jì)算單位工業(yè)增加值CO2量，根據(jù)不同地區(qū)的橫向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果，提出實(shí)現(xiàn)有關(guān)目標(biāo)指標(biāo)值所對應(yīng)的低碳情景或強(qiáng)化低碳情景的措施或?qū)Σ摺?/p>

6.2 各類生態(tài)示范城市的碳排放等指標(biāo)監(jiān)測評價

對于已批的國家生態(tài)文明先行示范區(qū)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)城市，以及國家可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū)等來說，相關(guān)主管部門每年會對其申報方案（實(shí)施方案）進(jìn)行考核，其中，指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)度也是考核重點(diǎn)之一。

BIC的城市環(huán)境智能監(jiān)測模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對包括碳排放量等在內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測與指標(biāo)計(jì)算，并可以通過后期客戶的定制，增加循環(huán)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生態(tài)文明指標(biāo)、可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動抄報、指標(biāo)計(jì)算、指標(biāo)監(jiān)測與報警、指標(biāo)對比與評價功能。

[1] 國家發(fā)改委. 國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃（2014-2020年）. 2014-09-19.

[2] 新華社. 強(qiáng)化應(yīng)對氣候變化行動——中國國家自主貢獻(xiàn). 2015-06-30.

[3] 國家發(fā)改委辦公廳. “互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)三年行動實(shí)施方案. 2016-01-11.

[4] 王微，林劍藝，崔勝輝，等. 碳足跡分析方法研究綜述[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010(07).

[5] 劉明達(dá)，蒙吉軍，劉碧寒. 國內(nèi)外碳排放核算方法研究進(jìn)展[J]. 熱帶地理, 2014(02).

[6] 新華社. 中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要[R]. 2016-03-17.

6.3 協(xié)助完善各類生態(tài)示范區(qū)/城市地塊的協(xié)議出讓、招拍掛地塊的前置條件

國家各類生態(tài)示范區(qū)（城市）生態(tài)指標(biāo)的落地需要與現(xiàn)行規(guī)劃、土地出讓招拍掛前置條件等銜接。在生態(tài)示范區(qū)（城市）建設(shè)中應(yīng)用BIC系統(tǒng)，可將示范區(qū)需達(dá)到的總體目標(biāo)指標(biāo)值分解到各個地塊中去，形成包括環(huán)境要求、碳排放要求等招拍掛或協(xié)議出讓地塊的約束條件，以指標(biāo)落實(shí)到地塊來確保各類示范區(qū)（城市）建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成。

此外，BIC結(jié)合區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)⒌貕K的碳排放以及其他所有節(jié)能減排信息、生態(tài)環(huán)境要求標(biāo)識并部署到區(qū)塊鏈上，形成“地塊綜合環(huán)境監(jiān)測信息庫”，以地塊為單位對示范區(qū)（城市）節(jié)能減排和綜合環(huán)境建設(shè)情況進(jìn)行全面監(jiān)控和信息發(fā)布，對建構(gòu)透明誠信、公信力強(qiáng)的政府績效評估體系具有重要意義。

2016-04-20

INTRODUCTION OF THE INTERNET CLOUD PLATFORM ABOUT URBAN ENVIRONMENTAL MONITORING AND THE CARBON EMISSIONS SIMULATION ANALYSIS

China is currently in the stage of rapid urbanization and facing the threat of increasing in carbon emissions in whole country. With the implementation of the China new national policies about investigation and dynamic monitoring of the resources & environmental protection, Bluepath Impact Cloud (BIC), the internet cloud platform about urban environmental monitoring and the carbon emissions simulation analysis emerge, as the times require. On one hand, BIC can analysis the carbon emission of different areas, such as urban new districts, industrial districts and the unit compound. On the other hand, BIC can compute the ecological indicators of the ecological industry zone and the circular economy pilot cities, and contrast the index between target areas and the relevant national standard as well in order to check whether the indicator value is appropriate.

Carbon Emission, Environmental Monitoring, Indicator Analysis, Cloud Platform

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