大數(shù)據(jù)推動可持續(xù)能源消費(fèi)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，讓研究者能剖析能源消費(fèi)中那些曾經(jīng)不為人知的特點(diǎn)，它讓能源可持續(xù)變得愈發(fā)可能。
    隨著數(shù)據(jù)傳輸和處理、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等分析工具的發(fā)展，大數(shù)據(jù)成為今年最顯赫的領(lǐng)域和最炙熱的話題。廣告如何有針對性的投放、如何在大量信息交互中挖掘出恐怖分子的計劃和如何提供個性化的搜索服務(wù)等，這些曾經(jīng)難以攻克的技術(shù)難題，都被大數(shù)據(jù)時代令人驚嘆的新技術(shù)一一化解。
    作為支撐人類社會正常運(yùn)營的能源消費(fèi)，在為人類創(chuàng)造出有史以來最繁榮的時代的同時，也在過去百年中帶來了沉重的污染問題，更是全球氣候變化最主要的肇因之一。大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了另一種思路和技術(shù)手段。
   大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，使人類構(gòu)建可持續(xù)能源消費(fèi)框架的愿望更易實(shí)現(xiàn)。需要指出的是，大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，讓研究者能剖析能源消費(fèi)中那些曾經(jīng)不為人知的特點(diǎn)。然而，如何利用全新的信息設(shè)計相應(yīng)的管理工具，仍需其他研究的支撐。
    筆者將從電力消費(fèi)和智能交通兩方面，介紹利用大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)覺能源消費(fèi)中新信息的前沿技術(shù)。并探討如何結(jié)合其他學(xué)科工具，研發(fā)新型的可持續(xù)能源消費(fèi)管理技術(shù)。需要指出的是，許多相關(guān)問題的研究前沿仍充滿了爭議，并無定論。
    長期以來，電力系統(tǒng)的能效管理都聚焦于如何提高發(fā)電企業(yè)的效率和工業(yè)企業(yè)的用電效率，而鮮有討論和實(shí)踐居民用電能效管理技術(shù)。這很大程度上是因?yàn)榫用裼秒姺稚⒊潭雀?，致使監(jiān)控居民用電行為的成本高。在缺乏居民用電行為信息的情況下，除了推進(jìn)階梯電價、分時電價等總體控制政策外，很難設(shè)計針對居民不同用電行為的管理手段。然而，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟，這一情況發(fā)生了革命性的改變。
    在大數(shù)據(jù)技術(shù)尚不成熟時，人們對電力消費(fèi)行為的認(rèn)識很粗淺。只能從整體消費(fèi)曲線猜測個體消費(fèi)行為。人們發(fā)現(xiàn)，在不同國家、不同時期，總體電力消費(fèi)都呈現(xiàn)雙峰曲線的特點(diǎn)：在早晨和傍晚分別出現(xiàn)兩個用電高峰，期間穿插著兩個用電低谷。
    所以長期以來，研究者都假設(shè)大量的消費(fèi)者行為都具有兩高一低的特點(diǎn)：清早，絕大多數(shù)家庭起床后打開電燈等電器，在家中盥洗并準(zhǔn)備早餐，形成第一個用電高峰；傍晚回家后，準(zhǔn)備晚餐和使用電器處理其他家務(wù)，形成第二個用電高峰。這看上去是一個非常合理的用電行為模式假設(shè)。然而，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)展示在研究者面前的，卻并非這樣的圖景。
    由于大數(shù)據(jù)量傳輸和儲存技術(shù)的進(jìn)步，使在居民家中安裝智能電表的成本大幅下降。這一在美國加利佛尼亞州部分地區(qū)試點(diǎn)安裝的技術(shù)，已經(jīng)為研究者提供了龐大的數(shù)據(jù)庫。通過對這一數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，研究者們驚奇的發(fā)現(xiàn)，人們用電的行為迥異。雖然個體用電行為仍可聚類為若干類型，然而絕非是此前研究者所猜想的“以雙峰用電曲線為主”的模式。
    事實(shí)上，具有雙峰曲線特征的個體用電，僅占一成左右；而其他種類的消費(fèi)行為則千奇百怪，許多用電者的行為甚至隨機(jī)性很大。但有趣的是，這些特點(diǎn)各異的消費(fèi)行為聚合在一起，形成了廣泛存在于各個電力市場的雙峰型電力消費(fèi)曲線。
    理清不同消費(fèi)者的消費(fèi)形態(tài)，讓我們看到了通過價格杠桿和機(jī)制設(shè)計進(jìn)行消費(fèi)側(cè)管理的可能。毫無疑問，不同的消費(fèi)形態(tài)，會因其不確定性的高低和消費(fèi)發(fā)生時的發(fā)電資源稀缺程度不同，造成不同的發(fā)電成本。
    例如，即便消耗相同的電量，一個極為規(guī)律、用電峰值和谷值差距不大的消費(fèi)者，其所造成的發(fā)電成本負(fù)擔(dān)會小于一個用電行為隨機(jī)性大，用電波動幅度大的消費(fèi)者。然而，目前的零售機(jī)制并沒有根據(jù)消費(fèi)形態(tài)的不同，區(qū)分出不同的價格。這就造成不同發(fā)電成本負(fù)擔(dān)的消費(fèi)者支付了相同的價格。這樣無疑會造成巨大的無效率，更是不公平的。因此，不管什么樣的消費(fèi)側(cè)管理，如果不能有效的區(qū)隔不同消費(fèi)形態(tài)的消費(fèi)者，都可能造成節(jié)能效果有限。因此，我們需要設(shè)計一系列機(jī)制，通過市場機(jī)制，鼓勵高效節(jié)能電力消費(fèi)模式，抑制造成浪費(fèi)的消費(fèi)模式。
    根據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)獲得的信息，許多關(guān)于上述機(jī)制設(shè)計的討論已經(jīng)展開。筆者在參加2013年IEEE電力系統(tǒng)年會時，看到了不少相關(guān)的研究。這其中既包括了套餐式電價合同設(shè)計等以經(jīng)濟(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)的軟技術(shù)開發(fā)；也包括了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和優(yōu)化控制技術(shù)，以運(yùn)籌學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)硬技術(shù)的研究。我國應(yīng)適時開展和推進(jìn)相關(guān)研究和試點(diǎn)。
   大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步，同樣能支撐有效降低交通能源消耗技術(shù)的研發(fā)。在交通能源消耗問題上，最困擾研究者的就是由于擁堵、尋找停車位等造成的無效率能源浪費(fèi)。這些造成無效率的現(xiàn)象大多是由于人們?nèi)狈π畔⒃斐傻?。同樣也是因?yàn)槿狈π畔?，使得長期存在的智能交通調(diào)度等管理手段難以實(shí)現(xiàn)。
    然而隨著智能手機(jī)的普及，許多駕駛員使用手機(jī)裝載的定位系統(tǒng)確定行車路線。和傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)不同，這些通過智能手機(jī)定位的信息都傳遞和保存在大數(shù)據(jù)庫中。這些海量數(shù)據(jù)不僅能像傳統(tǒng)的交通信息一樣讓人們了解某一個時段一條路上的車流量，還能明晰的標(biāo)示出這條路上每個時段的每一輛車從何處來、往何處去，并記錄每輛車的停車情況。同時，現(xiàn)有技術(shù)也能夠支撐信息的反饋，即可以向車輛駕駛者和乘客發(fā)布擁堵預(yù)警、擁堵狀況和停車場分布和占用情況等信息。
    對于以通勤為主的城市交通而言，這些信息的交互顯得極為重要。在缺乏這些信息時，人們是根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，這使得人們面臨的隨機(jī)性風(fēng)險很大。而有了這些信息后，人們能更準(zhǔn)確的獲取信息優(yōu)化自己的出行選擇。人們由于對交通流量程度的估計錯誤，或繞遠(yuǎn)路、或不得不忍受擁堵，而這都會造成大量的能源浪費(fèi)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，能夠根據(jù)歷史出行信息預(yù)測出車每個出行者的出行路徑；這就使擁堵發(fā)生的概率和發(fā)生在哪個時段等信息提前傳遞給出行者。再配合現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用的路徑優(yōu)化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)交通流量智能調(diào)度或半調(diào)度的夢想。從管理類軟技術(shù)而言，由于這些信息的可獲取性和真實(shí)性大大提高，針對不同時段、不同路段設(shè)定并征收有差別的擁堵費(fèi)等管理手段也成為可能。
    需要特別指出的是，目前研究的前沿已經(jīng)推進(jìn)到結(jié)合大數(shù)據(jù)和自動駕駛車輛進(jìn)行綜合交通調(diào)度這一問題上。更重要的是，這些信息有助于了解一個城市在當(dāng)前的規(guī)劃格局下，哪些熱點(diǎn)是造成主要擁堵問題的肇因、停車場的布局是否合理和如何針對不同人群的出行提供個性化信息服務(wù)等一系列問題。這使綠色城市規(guī)劃不僅僅在于依賴?yán)砟?，而能扎扎?shí)實(shí)的扎根于實(shí)證數(shù)據(jù)。
    擺脫了海量數(shù)據(jù)獲取難、獲取后處理難的雙重困境，人類對自身能源消耗的細(xì)節(jié)更加了解。而正是在這些細(xì)節(jié)中，暗藏了大量無效率的能源浪費(fèi)。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用正是從細(xì)節(jié)入手的努力，能夠成就綠色可持續(xù)未來的宏大敘事。