基于數(shù)據(jù)挖掘的唐山地區(qū)用電量與空氣質(zhì)量相關(guān)性分析

國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 汲國強(qiáng) 李笑蓉 丁健民 單體華 王智敏 秦礪寒 吳小明

基于數(shù)據(jù)挖掘的唐山地區(qū)用電量與空氣質(zhì)量相關(guān)性分析

國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 汲國強(qiáng) 李笑蓉 丁健民 單體華 王智敏 秦礪寒 吳小明

唐山是典型工業(yè)城市，其用電量受大氣污染防治政策沖擊嚴(yán)重。文章以2014年APEC會(huì)議期間唐山用電量及空氣質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)挖掘方法，對(duì)唐山空氣質(zhì)量及其影響因素進(jìn)行了聚類分析，并挖掘了用電量與空氣質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。研究結(jié)果表明，高耗能行業(yè)限產(chǎn)停產(chǎn)總體上有利于空氣質(zhì)量的改善，但限產(chǎn)停產(chǎn)措施效果還需取決于氣象因素。研究成果可以為京津冀地區(qū)應(yīng)對(duì)重污染天氣及重大事件期間的空氣質(zhì)量保障計(jì)劃提供參考依據(jù)。

空氣質(zhì)量；用電量；關(guān)聯(lián)分析；聚類

1.引言

唐山是冀北地區(qū)主要工業(yè)城市，二產(chǎn)用電量占全社會(huì)用電量比例高達(dá)85%以上。二產(chǎn)用電量中又以高耗能行業(yè)為主。近年來，華北地區(qū)霧霾天氣日益頻繁，給社會(huì)生產(chǎn)和居民生活都帶來了嚴(yán)重影響。為治理霧霾，國家采取了一系列措施[1]，包括京津冀地區(qū)壓減燃煤、限行車輛、對(duì)工礦企業(yè)采取停產(chǎn)限產(chǎn)或升級(jí)改造措施等[2][3]。在政策影響下，唐山地區(qū)工業(yè)用電量受到嚴(yán)重沖擊。除產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大環(huán)境外，為保障首都地區(qū)重大事件期間空氣質(zhì)量而采取的臨時(shí)性停產(chǎn)限產(chǎn)措施也嚴(yán)重沖擊著唐山地區(qū)用電量。

為準(zhǔn)確把握地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系，從而為地區(qū)電力規(guī)劃和大氣污染治理提供決策依據(jù)，本文以唐山地區(qū)為示例，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)重大事件期間用電量與空氣質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析并提取關(guān)聯(lián)規(guī)則，所得成果可以類似推廣到其它工業(yè)城市，并為后續(xù)制定重污染天氣下空氣質(zhì)量保障計(jì)劃提供參考依據(jù)。

2.研究時(shí)段分析

本文選取首都地區(qū)重大事件期間周邊地市全社會(huì)用電量數(shù)據(jù)加以分析。所謂首都地區(qū)重大事件，是指首都地區(qū)發(fā)生的需要在京津冀地區(qū)采取停產(chǎn)限產(chǎn)措施以保障空氣質(zhì)量的政治、體育、文化等類事件。重大事件期間，具有高污染特征的工礦企業(yè)受政策影響基本處于停產(chǎn)或限產(chǎn)狀態(tài)，而污染較少的一產(chǎn)、三產(chǎn)以及居民生活用電則受影響較小。重大事件期間某地區(qū)日用電量的變化基本反映了該地區(qū)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)的變化。因此，通過對(duì)比重大事件時(shí)段與普通時(shí)段的用電量及其它各項(xiàng)指標(biāo)即可挖掘出工業(yè)生產(chǎn)與空氣質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2014年APEC峰會(huì)于11月5日至11日在北京舉行，屬于首都地區(qū)典型重大事件。APEC會(huì)議包含四個(gè)階段，其中10日至11日的領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議是全年APEC活動(dòng)高潮。在此期間，河北省執(zhí)行了一系列空氣質(zhì)量保障工作[4][5]，對(duì)地區(qū)用電量產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。設(shè)定研究時(shí)段為10月29日至11月18日共21天，這一期間唐山地區(qū)日用電量變化曲線如圖1所示。

從圖1可見，在APEC會(huì)議期間，唐山地區(qū)日用電量相比于正常時(shí)段出現(xiàn)顯著下降，在10日至11日APEC第二十二次領(lǐng)導(dǎo)人非正式會(huì)議期間達(dá)到最低谷，此時(shí)用電量相比于正常時(shí)期削減了44.8%左右。

3.空氣質(zhì)量及其影響因素分析

空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index, AQI）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)。唐山地區(qū)APEC會(huì)議期間AQI指數(shù)如下圖所示。從圖2所示可見，APEC會(huì)議期間唐山地區(qū)大部分時(shí)段空氣質(zhì)量均為良，少部分時(shí)段為輕度污染，此外還有極少時(shí)段為中度和重度污染。僅從曲線形態(tài)來講，AQI指數(shù)與日用電量曲線之間并無顯著相關(guān)關(guān)系。

為準(zhǔn)確把握工業(yè)生產(chǎn)對(duì)空氣質(zhì)量的影響，這里選取每日氣壓、日平均溫度、日平均風(fēng)速和日平均相對(duì)濕度四種氣象因素，與日用電量一起作為影響空氣質(zhì)量的主要因素。

4.測試

采用數(shù)據(jù)挖掘算法分析唐山地區(qū)APEC會(huì)議期間日用電量與空氣質(zhì)量之間的相關(guān)關(guān)系。考慮到AQI指數(shù)及其影響因素均為連續(xù)變量，處理較為復(fù)雜，本文首先對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，將指標(biāo)樣本分解為若干子集，隨后采用關(guān)聯(lián)分析算法挖掘各指標(biāo)子集之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

圖1 唐山地區(qū)APEC前后日用電量變化曲線

圖2 唐山地區(qū)APEC前后AQI曲線

4.1 指標(biāo)聚類

采用k-means聚類算法[6]，對(duì)AQI指數(shù)及其五大影響因素分別進(jìn)行聚類，設(shè)定每種指標(biāo)聚類個(gè)數(shù)為兩個(gè)。聚類結(jié)果整理如表1所示。表中給出了各指標(biāo)每個(gè)子類名稱及包含樣本數(shù)。

表1 唐山APEC會(huì)議期間指標(biāo)聚類結(jié)果

4.2 關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

采用Apriori算法挖掘AQI及其五類影響因素之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，設(shè)置最小支持度為20%，最小置信度為50%，共挖掘得到規(guī)則243條。其中AQI作為后項(xiàng)的規(guī)則共有23條，前項(xiàng)中包含日用電量且后項(xiàng)中包含AQI的規(guī)則共有7條，如表2所示。

表2 關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果

分析上表可得到以下結(jié)論。

（1）從規(guī)則支持度來看，同時(shí)涉及到日用電量和AQI的規(guī)則支持度均不高，最高僅為33.33%，表明二者之間并非具有顯著相關(guān)性；

（2）從提取出來的規(guī)則類型來看，有6條規(guī)則的前項(xiàng)同時(shí)包含了日用電量和氣象因素，僅有1條規(guī)則前項(xiàng)只有日用電量，表明日用電量單獨(dú)作用對(duì)空氣質(zhì)量的影響程度不如日用電量與氣象因素聯(lián)合作用更為顯著；

（3）從規(guī)則內(nèi)容來看，規(guī)則1～3表明日用電量較高且氣象條件不利于污染物擴(kuò)散時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量較差，規(guī)則5～7表明日用電量較低且氣象條件有利于污染物擴(kuò)散時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量較好，對(duì)比規(guī)則4與規(guī)則5、7的置信度可見，盡管各規(guī)則支持度相同，但日用電量與氣象因素聯(lián)合作用下規(guī)則置信度（100%）要高于僅有日用電量作用下的規(guī)則置信度（71.43%）；

以上分析均表明，空氣質(zhì)量是多種因素綜合作用的結(jié)果，而并非單純由工業(yè)生產(chǎn)所決定。工礦企業(yè)停產(chǎn)限產(chǎn)固然有利于空氣質(zhì)量的改善，但只有與良好的氣象條件配合時(shí)才能帶來顯著的效果。

5.結(jié)論與建議

通過對(duì)本文分析可以發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量影響因素繁多且機(jī)理較為復(fù)雜，工礦企業(yè)污染物排放只是其中一個(gè)方面，只有在良好氣象條件配合的情況下，企業(yè)停產(chǎn)限產(chǎn)對(duì)空氣質(zhì)量的改善效果才能顯著體現(xiàn)。

隨著我國國際影響力的提高，首都地區(qū)重大政治、文化、體育事件會(huì)日益頻繁，從而給京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量保障提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。基于本文分析結(jié)果，可以給出如下建議。

（1）短期來看，保障地區(qū)空氣質(zhì)量而采取的停產(chǎn)限產(chǎn)措施必須與氣象條件緊密結(jié)合起來，當(dāng)未來一段時(shí)間氣象條件不利于污染物擴(kuò)散時(shí)，必須有針對(duì)性的采取更加嚴(yán)格的空氣質(zhì)量保障措施，從各個(gè)源頭盡可能減少污染物排放；

（2）長期來看，高耗能行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)總體上有利于空氣質(zhì)量的改善。京津冀地區(qū)應(yīng)繼續(xù)大力推進(jìn)去產(chǎn)能政策，減少高污染高耗能行業(yè)，大力扶植新興產(chǎn)業(yè)，保障大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的順利實(shí)施。

[1]國務(wù)院大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃[R].國務(wù)院辦公廳,2013.

[2]京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則[R].環(huán)境保護(hù)部,國家發(fā)展和改革委員會(huì),工業(yè)和信息化部,財(cái)政部,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,國家能源局,2013.

[3]河北省大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃[R].中共河北省委,河北省人民政府,2013.

[4]亞太經(jīng)合組織會(huì)議河北省空氣質(zhì)量保障措施[R].(冀政辦函〔2014〕82號(hào)),河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳,2014.

[5]2014亞太經(jīng)合組織會(huì)議空氣質(zhì)量保障措施編制原則[R].河北省環(huán)保廳,2014.

[6]數(shù)據(jù)挖掘?qū)д揫M].人民郵電出版社,2011.

汲國強(qiáng)（1986—），男，博士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院。