張廣泰， 彭 瑞， 倪平安， 鄧舒文

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 烏魯木齊 830049)

碳排放是影響溫室效應(yīng)的重要因素，根據(jù)CEIC(China Entrepreneur Investment Club)的數(shù)據(jù)顯示，中國碳排放量一直處于世界髙位[1]。建筑業(yè)是國計(jì)民生的支柱產(chǎn)業(yè)，其全過程能耗總量為全國能耗總量的46.5%[2]。碳排放強(qiáng)度既能代表節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度和邊際成本，又能簡單直觀地測算碳排放效率和表示低碳發(fā)展的趨勢[3]。建立可靠的模型預(yù)測碳排放的增長，可指導(dǎo)政府制定環(huán)保政策，利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

目前，學(xué)者們多研究碳排放強(qiáng)度的核算和影響因素。 Shahbaz等[4]基于STIRPAT模型，引入技術(shù)、人口等變量，分析城鎮(zhèn)化對碳排放的作用機(jī)理，得出城鎮(zhèn)化和碳排放呈“U”形關(guān)系。宋金昭等[5]運(yùn)用LMDI模型，構(gòu)建了建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度測算模型，表明能源結(jié)構(gòu)和能源強(qiáng)度效應(yīng)對碳排放強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。武敏[6]借鑒GTWR模型，揭示建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度的發(fā)展機(jī)制，并確定能源強(qiáng)度、勞動(dòng)效率、城鎮(zhèn)化水平等因素的作用效果。Bhattachary等[7]通過俱樂部收斂效應(yīng)，研究了70個(gè)國家的碳排放強(qiáng)度，結(jié)果顯示增加生產(chǎn)率、城鎮(zhèn)化率等能提高加入低碳排放強(qiáng)度俱樂部的概率。

然而，上述模擬碳排放強(qiáng)度的變量是非平穩(wěn)、非線性的，研究者多采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模擬這種復(fù)雜的行為，如STIRPAT、LMDI模型等，存在精確度不高、變量數(shù)目較多、采用公式難以統(tǒng)一等問題[8]。鑒于此，為減少碳排放強(qiáng)度影響數(shù)目和提高精確度，有效預(yù)測碳排放的未來發(fā)展趨勢，制定適當(dāng)?shù)沫h(huán)保政策和戰(zhàn)略。本文依托京津冀建筑業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測碳排放未來發(fā)展趨勢，為實(shí)現(xiàn)2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)提供有效措施和合理建議。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種將樣本原空間的特征逐層迭代變換到新特征空間，求出符合誤差要求結(jié)果的模型[9]。兼顧檢測精度和檢測效率，如圖1所示，選擇ReLU函數(shù)f1(v)=max(0,v)為輸入層的激活函數(shù)，Softmax函數(shù)f2(v)=vg/∑hvh為隱含層的激活函數(shù)，均方根誤差RMSE為模型的損失函數(shù)，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。其中：

(1)

(2)

xm為輸入變量即碳排放強(qiáng)度影響因素；ωmj為權(quán)重；σj為加權(quán)輸入；μj為活動(dòng)閾值；y1為輸出變量即碳排放強(qiáng)度圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 參數(shù)識別

根據(jù)現(xiàn)有研究[6,10]，綜合考慮因素的隨機(jī)性和差異性，篩選易于量化的變量，最終得到13個(gè)影響因素：地區(qū)生產(chǎn)總值、建筑業(yè)總產(chǎn)值、建筑業(yè)資產(chǎn)合計(jì)、建筑業(yè)碳排放總量、年末常住人口、建筑業(yè)企業(yè)從業(yè)人員、城鎮(zhèn)化率、建筑業(yè)企業(yè)技術(shù)裝配率、建筑業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、建筑業(yè)企業(yè)單位數(shù)、建筑業(yè)國有企業(yè)單位數(shù)、建筑業(yè)房屋施工面積、建筑業(yè)房屋竣工面積。

為避免影響因素過多造成多重共線性，降低預(yù)測精度，故應(yīng)用逐步回歸分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互結(jié)合的方法，使用最少的合適因素，最大化得出最優(yōu)的回歸模型[11]。加入1個(gè)偏置常數(shù)，保障充分考慮影響因素間的相互性和獨(dú)立性。對每次引入的變量都逐個(gè)進(jìn)行赤池信息準(zhǔn)則AIC(Akaike information criterion)和貝葉斯信息準(zhǔn)則BIC(Bayesian information criterion)檢驗(yàn)，確保模型擬合較好。

如圖2所示，構(gòu)建405組模型，最終篩選出地區(qū)生產(chǎn)總值A(chǔ)、年末常住人口B、城鎮(zhèn)化率C、建筑業(yè)總產(chǎn)值D、建筑業(yè)企業(yè)單位數(shù)E和建筑業(yè)碳排放總量F等6個(gè)影響因素作為輸入變量，此時(shí)AIC和BIC絕對值不大于15，擬合優(yōu)度R2≥0.95，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 預(yù)測京津冀建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

圖2 不同參數(shù)個(gè)數(shù)時(shí)AIC和BIC的值

fAIC(m)=2m-lnL

(3)

fBIC(m)=mlnn-2lnL

(4)

(5)

式中：0≤m≤13為模型參數(shù)個(gè)數(shù)；L為似然函數(shù)；n=30為樣本數(shù)量。

應(yīng)用逐步回歸分析得到下列公式，可精確計(jì)算碳排放強(qiáng)度。

ypredict=α1A+α2B+α3C+α4D+α5E+α6F+K

(6)

式中：α1=5.95×10-5；α2=-1.06×10-3；α3=-16.39；α4=-9.49×10-5；α5=7.23×10-4；α6=5.91×10-5；K=13.63。

1.2 模型訓(xùn)練與驗(yàn)證

為充分利用訓(xùn)練樣本，得出最優(yōu)解的同時(shí)，避免欠擬合和過擬合的現(xiàn)象，采用五折交叉驗(yàn)證訓(xùn)練模型[12]，利用網(wǎng)格搜索策略，降低復(fù)雜度，提高模型可靠性和穩(wěn)定性。

將表1中30組數(shù)據(jù)平均分為5份，借助隨機(jī)產(chǎn)生的4個(gè)折疊子樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，最后剩下的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證和測試。計(jì)算得出的5次結(jié)果的均值用于有效估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精確度，若結(jié)果均值較好，則表明此模型在一定程度上有泛化能力，可簡化模型為最佳模型，具體流程如圖3所示。不斷調(diào)整神經(jīng)元個(gè)數(shù)，由表2可知，選擇12個(gè)神經(jīng)元個(gè)數(shù)時(shí)，R2較高，RMSE較低，其精確度可達(dá)99%左右，訓(xùn)練和驗(yàn)證的殘差絕對值不高于0.12。如圖4所示，此時(shí)是相對最佳預(yù)測模型。

圖3 最優(yōu)模型選擇流程

表2 不同神經(jīng)元數(shù)量構(gòu)建模型對比

圖4 最佳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與實(shí)際值的分布

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.1 敏感性分析

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有黑箱屬性，往往使研究者陷入精確度虛高的風(fēng)險(xiǎn)中。利用敏感性分析，定量分析模型中每個(gè)輸入信息對輸出結(jié)果的重要程度，實(shí)現(xiàn)模型的審核[13]。其核心思想為分析模型輸入變量的屬性，求出各屬性敏感性系數(shù)的大小，令每個(gè)屬性都在合理的可能的范圍內(nèi)浮動(dòng)，壓縮工作量。

考慮到變量間的相互作用對結(jié)果的影響程度，為增強(qiáng)各輸入變量對輸出變量敏感性系數(shù)的穩(wěn)定性，提高計(jì)算速度，簡化操作流程，減少模型不可行的風(fēng)險(xiǎn)，故應(yīng)用DMIM(Delta Moment-Independent Measure)的計(jì)算方法，觀測一階敏感性指標(biāo)和全局敏感性指標(biāo)，評估出相應(yīng)變量的敏感性程度。其中，一階敏感性指標(biāo)表示輸入變量對輸出變量的直接貢獻(xiàn)率[14]。全局敏感性指標(biāo)能較好地反映出多個(gè)輸入變量共同的變化下，變量間交互作用對輸出變量的重要程度[14]。

如圖5所示，一階敏感性和全局敏感性大小排序?yàn)椋航ㄖI(yè)碳排放總量F>建筑業(yè)總產(chǎn)值D>城鎮(zhèn)化率C>年末常住人口B>地區(qū)生產(chǎn)總值A(chǔ)>建筑業(yè)企業(yè)單位E。

對于影響因素D而言，一階敏感性為0.198，全局敏感性為0.204圖5 一階敏感性與全局敏感性分析

結(jié)果表明，對于京津冀，最核心影響因素有4個(gè)。其中，建筑業(yè)碳排放量最能直接影響此模型的準(zhǔn)確性，對碳排放強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最多，建筑業(yè)總產(chǎn)值、城鎮(zhèn)化率和年末常住人口貢獻(xiàn)依次減少。設(shè)計(jì)決策和制定政策時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮敏感性較大的這些變量。作為碳排放強(qiáng)度強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)力，用于驅(qū)動(dòng)京津冀建筑業(yè)的發(fā)展，有效降低碳排放強(qiáng)度，即以更低的成本獲得更高的收益，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

2.2 影響因素趨勢分析

根據(jù)所構(gòu)建的京津冀建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度模型預(yù)測顯示，呈現(xiàn)出最重要的6個(gè)變量與碳排放強(qiáng)度之間的相互影響關(guān)系。各變量和碳排放強(qiáng)度間的變化趨勢如圖6所示。

圖6 各變量和碳排放強(qiáng)度間的變化趨勢

結(jié)果表明：

1)能源消耗即建筑業(yè)碳排放量F是對碳排放強(qiáng)度影響幅度最大的因素之一，也是為數(shù)不多會(huì)增加碳排放強(qiáng)度的變量，需要著重關(guān)注。隨著建筑業(yè)碳排放量的增加，碳排放強(qiáng)度的值會(huì)先增加后減小。在現(xiàn)有條件下，可通過控制建筑業(yè)碳排放量來降低碳排放強(qiáng)度。

2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是驅(qū)動(dòng)建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度的重要影響因素，需要加大對建筑業(yè)總產(chǎn)值D和地區(qū)生產(chǎn)總值A(chǔ)的投入。由D可知，此為一個(gè)輕微的弧線，前期影響不顯著，后期影響較為明顯，可長期投入用于降低碳排放強(qiáng)度。由A可知，此為一條直線，整體變化相對平緩，隨著地區(qū)生產(chǎn)總值的增多，碳排放強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，但變化較緩。

3)整體而言，城鎮(zhèn)化率對碳排放強(qiáng)度的影響程度較大，稍微提升，就能大幅度影響碳排放強(qiáng)度，需著重考慮城鎮(zhèn)化率C，可長期關(guān)注并制定一系列政策，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4)年末常住人口B是最重要的影響因素，雖然人口增多會(huì)產(chǎn)生更多的CO2，但建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度卻逐漸降低，且較為顯著。通過綜合考慮容積率、資源配比等其他因素，不建議利用人口驅(qū)動(dòng)來降低建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度。

5)對于建筑業(yè)企業(yè)單位E而言，是最不能影響碳排放強(qiáng)度的因素。隨著逐漸增多建筑業(yè)企業(yè)單位，碳排放強(qiáng)度也在相應(yīng)增加，但其浮動(dòng)范圍相對較小。

具體而言，建議通過減少建筑業(yè)碳排放量、加速城鎮(zhèn)化建設(shè)等方面，制定設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)章制度等，從而降低碳排放強(qiáng)度，最終有效減少碳排放。

3 結(jié)論

引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度，提出了一種克服統(tǒng)計(jì)方法局限性的實(shí)用性新方法，為建筑行業(yè)碳排放強(qiáng)度的測算提供了思路。借助逐步回歸分析篩選關(guān)鍵影響因素，確定了地區(qū)生產(chǎn)總值、年末常住人口、城鎮(zhèn)化率、建筑業(yè)總產(chǎn)值、建筑業(yè)企業(yè)單位數(shù)和建筑業(yè)碳排放總量等6個(gè)因素。通過五折交叉驗(yàn)證，選取最優(yōu)的模型，訓(xùn)練并驗(yàn)證近年京津冀建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度，最終利用敏感性分析簡化模型，指出建筑業(yè)碳排放總量、建筑業(yè)總產(chǎn)值、城鎮(zhèn)化率、年末常住人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、建筑業(yè)企業(yè)單位和建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度間的變化趨勢。結(jié)果表明，此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在預(yù)測以京津冀為例的建筑業(yè)碳排放強(qiáng)度方面是有效和可靠的，預(yù)測誤差較小。同時(shí)，建筑業(yè)碳排放總量的敏感性權(quán)重最高，地區(qū)生產(chǎn)總值敏感性權(quán)重最低，在制定建筑業(yè)相關(guān)政策法規(guī)時(shí)要注重影響較大的因素，才能更好地控制建筑業(yè)碳排放問題，保護(hù)環(huán)境。