影響城市能耗水平的因素眾多，既包括了資源稟賦、地理條件等客觀因素，也包含城市治理水平、能源政策等反映節(jié)能工作績效的主觀因素，用單一的能效指標(biāo)來評價來所有城市的節(jié)能工作績效忽略了城市間客觀因素的差異，不能充分反映城市節(jié)能工作的好壞。本研究運(yùn)用支持向量機(jī)建立了城市客觀因素與城市能耗間的量化關(guān)系模型，并按照客觀能耗需求的高低對城市進(jìn)行了分類。將城市的實際能耗與客觀能耗需求之間的差異，作為評價城市節(jié)能工作績效的依據(jù)，較好剔除了客觀因素對城市能效評估的干擾。
影響城市能耗的關(guān)鍵因素分析和能源視角的城市分類評估
執(zhí)筆人：韓四維、王林鈺、郭磊
國網(wǎng)（蘇州）城市能源研究院
一、研究背景
當(dāng)前，我國的節(jié)能目標(biāo)責(zé)任制度存在諸多問題：第一，節(jié)能工作績效指標(biāo)單一，忽略了城市之間的可比性。第二，采用“一刀切”的評估方法，所有城市制定幾乎完全相等的節(jié)能目標(biāo)，忽略了一些城市節(jié)能潛力明顯高于另一些城市，應(yīng)當(dāng)承擔(dān)更多的節(jié)能責(zé)任。第三，“一票否決”式的績效考核，可能會激發(fā)地方政府不惜一切手段達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，包括不適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、引進(jìn)成本過高的技術(shù)等。本研究著重分析造成區(qū)域能源效率差異的客觀因素，這些因素的存在都包含著某種歷史的規(guī)律性、客觀性和必然性，非人的主觀意識所能夠左右的。將這些因素與城市能耗水平間的量化關(guān)系建立起來，有利于更加客觀地評估城市間的節(jié)能工作績效好壞。
二、客觀因素識別
現(xiàn)有研究顯示，影響中國區(qū)域能耗的客觀因素主要包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理區(qū)位、能源價格、技術(shù)水平、能源消費結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、出口結(jié)構(gòu)、開放程度、投資情況、市場化程度、制度因素等。
采用2016年中國292個地級城市的能耗數(shù)據(jù)及這些城市的常住人口數(shù)據(jù)、GDP數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)、公共交通數(shù)據(jù)、人均道路面積數(shù)據(jù)、燃?xì)馄占奥蕯?shù)據(jù)、是否集中供暖數(shù)據(jù)等18項數(shù)據(jù)，使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，得到2016年的人均能耗數(shù)據(jù)與人均GDP、城市化率、人均私人汽車擁有量等12個指標(biāo)在1%的置信度水平上顯著相關(guān)；與污水處理率和人均房地產(chǎn)開發(fā)投資完成額在5%的置信度水平上顯著相關(guān)。
表1 2016年人均能耗與各指標(biāo)的
相關(guān)性及顯著性
三、能效模型建立
采用支持向量機(jī)（SVM）建立城市能耗與客觀因素的量化關(guān)系：以城市能耗作為被解釋變量，以客觀因素作為解釋變量，以一定量的樣本作為訓(xùn)練集建立模型，之后，再將該模型運(yùn)用于全部樣本，輸入客觀因素，得到的城市能耗輸出結(jié)果即是客觀能耗需求。
對模型的擬合效果進(jìn)行反復(fù)測試，選出合適的核函數(shù)類型和參數(shù)，輸出建立預(yù)測模型所需的支持向量及其系數(shù)，給出相應(yīng)的城市能效結(jié)構(gòu)體模型。該結(jié)構(gòu)體如下式所示：
該模型結(jié)構(gòu)體中，核函數(shù)采用RBF核函數(shù)，模型形態(tài)為：
RBF核函數(shù)為輸入變量矩陣的歐式距離，γ反復(fù)試驗后給定。xi和xj為支持向量，即用于構(gòu)建決策模型的訓(xùn)練集的輸入變量，xi代表的是第i個支持向量的輸入變量，xj代表的是第j個訓(xùn)練集的輸入變量。b為結(jié)構(gòu)體系數(shù)，αi為支持向量系數(shù)，是一個n*1的行列式，n為支持向量的個數(shù)。
模型輸出變量為2016年城市人均能耗。輸入變量為2016年數(shù)據(jù)，包括：人均GDP、是否供暖、城市化率、二產(chǎn)比重、每萬人擁有公共交通車輛數(shù)、燃?xì)馄占奥?、人均城市維護(hù)建設(shè)資金支出總額、人均道路面積、人均生活日用水量、污水處理率、人均公園綠地面積、人均擁有公共汽車和無軌電車運(yùn)營輛數(shù)、人均規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值、人均社會消費品零售總額、城市建設(shè)用地占市區(qū)面積比重、人均房地產(chǎn)開發(fā)投資完成額、人均全社會固定資產(chǎn)投資總額、人均私人小汽車擁有量、人均民用汽車擁有量、人均住房面積。其中，城市化率用城鎮(zhèn)人口數(shù)除以常住人口數(shù)得到。
將全部城市分成兩組，一組為訓(xùn)練樣本，另一組為測試樣本。填充完整的2016年城市全部有效樣本共計249個，隨機(jī)抽取全部樣本的80%作為訓(xùn)練樣本，剩下的為測試樣本。經(jīng)SVM建模進(jìn)行五次隨機(jī)抽樣測試，預(yù)測效果用相對誤差（MAPE）表示，該指標(biāo)反映預(yù)測值偏離真實值的百分比。五次測試效果分別為23.94%、25.65%、23.22%、26.96%、23.4%。第三次抽樣建模測試效果如下圖所示：
圖1 人均能耗預(yù)測值與真實值的比較
四、城市能效評估結(jié)果
在保持模型結(jié)構(gòu)不變的情況下，建立城市能耗與客觀因素的量化關(guān)系模型，納入模型的變量僅包括納入模型的輸入變量包括：人均GDP、是否供暖、城市化率、二產(chǎn)比重、人均規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值、人均全社會固定資產(chǎn)投資總額。帶入城市客觀因素，模型輸出結(jié)果即是城市客觀能耗需求。按照這一數(shù)值的高低對城市進(jìn)行分類，結(jié)果如表2所示：
表2 基于客觀能耗需求的城市分類
（單位：噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人）
用城市真實能耗減去客觀需求能耗，在每個類別中，對該指標(biāo)大小進(jìn)行排序，該指標(biāo)越小的，證明該城市在管理方面做的越突出，反之，則是在管理方面還有進(jìn)一步提高空間的城市。以第8類客觀能耗需求較高1級的19個城市為例，其排名情況如表3所示：
表3 分類別城市能效排名
（單位：噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人）
五、案例城市分析
以第8類能效排名第一的青島為例開展案例分析。2005年，青島市能耗總量為2588萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，人均能耗為3.19噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2017年，其能耗總量為3289萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，人均能耗3.54噸標(biāo)準(zhǔn)煤。能耗總量在12年內(nèi)累計增長了27%，年均增長2%；人均能耗12年內(nèi)累計增長11%，年均增長0.9%。在中國所有城市中，其人均能耗的百分比排名為52.99%，高于全國平均水平的3.08噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人。在山東省所有城市中，其人均能耗的百分比排名為35.29%，低于全省平均水平的5.95噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人。在全國70個大城市中，其人均能耗的百分比排名為53.21 %，高于70個大城市平均水平的3.15噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人。
青島市地處山東省，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人均GDP、工業(yè)產(chǎn)值、人均全社會固定資產(chǎn)投資、城市化率等指標(biāo)均高于全國平均水平，加之青島市冬季采暖，客觀上對能耗的需求量較高。根據(jù)本研究建立的基于客觀因素的人均能耗需求模型，青島市客觀人均能耗需求為4.68噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人，被分在第8類，即客觀能耗需求較高1級。與青島分在同一類別的城市還有西安、泉州、中山、廈門等18個城市。
相比于客觀人均能耗需求的4.68噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人，青島市實際人均能耗為3.04噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人，低于客觀人均能耗需求4.68噸標(biāo)準(zhǔn)煤/人。在同類別其他城市中，青島市實際人均能耗低于客觀人均能耗需求最為顯著，提示該城市在除客觀因素外的其他方面的表現(xiàn)，是明顯優(yōu)于其他城市平均水平的。
六、結(jié)論
中國城市眾多，地理區(qū)位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、資源稟賦、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素差異大。這些因素對城市能效構(gòu)成顯著影響，卻是城市節(jié)能管理不可控或弱可控的。因此，節(jié)能管理先進(jìn)城市必須是剔除了客觀因素之后節(jié)能管理績效最優(yōu)的城市。通過對地區(qū)進(jìn)行分類，可以提高能效評估的精度。在分類的基礎(chǔ)上開展城市能效評估，可以提高節(jié)能管理科學(xué)性和針對性，提高地區(qū)能效評估的可比性和準(zhǔn)確性，有利于促進(jìn)節(jié)能經(jīng)驗的橫向擴(kuò)散，實現(xiàn)邊際成本節(jié)能，提高節(jié)能政策的針對性和節(jié)能管理效率。
