一种城市碳代谢特征模拟监测系统、方法及可存储介质

1.本发明涉及城市规划技术领域，更具体的说是涉及一种城市碳代谢特征模拟监测系统、方法及可存储介质。


背景技术：

2.城市是具有全球影响力的开放性新陈代谢生态系统，也是能源消耗和温室气体排放的主要贡献者。ipcc第五次评估报告称，城市消耗化石能源所产生的二氧化碳排放量约占全球排放总量的四分之三。鉴于城市是开展碳减排行动和实施低碳发展战略的重要主体，制定减少城市碳排放的战略更是受到了广泛的关注。在此全球变暖的背景下，城市碳代谢是学者们为全面研究城市的可持续发展而引入城市碳核算和管理中的重要概念。
3.城市碳代谢定义为城市内部和周围环境之间发生的碳输入、转移、转化、储存和排放的整个过程。以整体方式整合所有相关过程，有助于跟踪城市系统不同组分之间的碳代谢流路径，揭示相互作用，分析产生的环境影响，最终更好地减少城市碳排放。现有的碳代谢大多停留在数据全面且较易获取投入产出表的直辖市及以上的尺度，缺乏针对一般城市的碳代谢模拟方法，这给一般城市尺度的碳代谢特征分析带来了挑战，难以有效评估城市可持续发展程度，不利于一般城市做出很好的城市规划。
4.因此，如何提供一种城市碳代谢特征模拟监测系统、方法及可存储介质是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种城市碳代谢特征模拟监测系统、方法及可存储介质，用以解决上述现有技术中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一方面，本发明提供了一种城市碳代谢特征模拟监测系统，包括：
8.信息获取模块，用于获取城市投入产出信息；
9.数据处理终端，与所述信息获取模块连接，用于根据投入产出信息构建碳代谢网络模拟模型，根据碳代谢网络模拟模型得到城市碳代谢特征；
10.显示模块，与所述数据处理终端连接，用于根据城市碳代谢特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
11.优选的，所述城市投入产出信息包括：各部门间的中间投入数据，以及部门的增加值。
12.优选的，所述数据处理终端包括：
13.构建单元，与所述信息获取模块连接，用于根据投入产出信息编制城市尺度的投入产出表，根据城市尺度的投入产出表构建碳代谢网络模拟模型；
14.分析单元，与所述构建单元连接，用于根据碳代谢网络模拟模型得到生态网络流量分析指标以及生态网络效用分析指标，根据所述生态网络流量分析指标以及所述生态网
络效用分析指标，得到城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征；
15.输出单元，与所述分析单元以及所述显示模块连接，将所述城市碳代谢流量特征以及所述城市碳代谢关系特征输出至所述显示模块。
16.优选的，所述显示模块根据所述城市碳代谢流量特征以及所述城市碳代谢关系特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
17.另一方面，本发明提供了一种城市碳代谢特征模拟监测方法，包括以下步骤：
18.s100：通过信息获取模块获取城市投入产出信息；
19.s200：通过数据处理终端根据投入产出信息构建碳代谢网络模拟模型，根据碳代谢网络模拟模型得到城市碳代谢特征；
20.s300：通过显示模块将根据城市碳代谢特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
21.优选的，所述s200包括：
22.s210：通过构建单元根据投入产出信息编制城市尺度的投入产出表，根据城市尺度的投入产出表构建碳代谢网络模拟模型：
23.a
ij
＝x
ij
/xj24.a＝(a
ij
)
25.ri＝ei/xi[0026][0027]
式中，aij表示直接消耗系数，x
ij
表示j部门的生产过程中，需要投入的i部门产品的价值量，xj表示第j部门的总投入，a表示为直接消耗系数矩阵，ri表示部门i的单位产值的碳流量，ei表示部门i的碳排放量，xi表示第i部门的总产出，b
ij
表示碳代谢网络模拟模型，(i-a)-1
表示列昂惕夫逆矩阵，yi表示部门i的最终需求，diag表示取对角矩阵；
[0028]
s210：通过分析单元根据碳代谢网络模拟模型得到生态网络流量分析指标以及生态网络效用分析指标，用于根据所述生态网络流量分析指标以及所述生态网络效用分析指标，得到城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征：
[0029]dij
＝(f
ij-f
ji
)/ti[0030][0031]
d＝(d
ij
)
[0032][0033]
式中，d
ij
表示为直接效用系数，f
ij
表示从部门j到部门i的流量，f
ji
表示从部门i到部门j的流量，ti表示系统的总流量，zi表示为从外部环境进入部门i的流量，d表示直接效用矩阵，u代表无量纲的总效用矩阵，n表示部门数量。
[0034]
s220：通过输出单元将所述城市碳代谢流量特征以及所述城市碳代谢关系特征输出。
[0035]
优选的，所述s300根据所述城市碳代谢流量特征以及所述城市碳代谢关系特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
[0036]
再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求5-7中任意一项所述的城市碳代谢特征模拟监测方法。
[0037]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种城市碳代谢特征模拟监测系统、方法及可存储介质，实现了对一般城市投入产出表的编制，还实现了结合投入产出分析方法和生态网络分析方法对城市碳代谢特征模拟和监测分析，丰富了城市碳代谢特征模拟理论，为城市碳减排行动和低碳发展管理奠定基础，进而为城市能源分配和碳减排规划提供科学依据。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明提供的城市碳代谢特征模拟监测系统结构示意图；
[0040]
图2为本发明实施例2提供的东莞市碳代谢系统网络模型示意图；
[0041]
图3为本发明实施例2提供的东莞市7个部门间的直接和隐含碳代谢流关联关系示意图；
[0042]
图4为本发明实施例2提供的东莞市碳代谢网络中部门间的相互关系示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
实施例1
[0045]
一方面，参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种城市碳代谢特征模拟监测系统，包括：
[0046]
信息获取模块，用于获取城市投入产出信息；
[0047]
数据处理终端，与信息获取模块连接，用于根据投入产出信息构建碳代谢网络模拟模型，根据碳代谢网络模拟模型得到城市碳代谢特征；
[0048]
显示模块，与数据处理终端连接，用于根据城市碳代谢特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
[0049]
在一个具体实施例中，城市投入产出信息包括：各部门间的中间投入数据，以及部门的增加值。
[0050]
具体的，城市投入产出信息还可以包括：政府和居民消费、固定资产形成总额、存货增加等数据。
[0051]
在一个具体实施例中，数据处理终端包括：
[0052]
构建单元，与信息获取模块连接，用于根据投入产出信息编制城市尺度的投入产
出表，根据城市尺度的投入产出表构建碳代谢网络模拟模型；
[0053]
分析单元，与构建单元连接，用于根据碳代谢网络模拟模型得到生态网络流量分析指标以及生态网络效用分析指标，根据生态网络流量分析指标以及生态网络效用分析指标，得到城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征。
[0054]
输出单元，与分析单元以及显示模块连接，将城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征输出至显示模块。
[0055]
在一个具体实施例中，显示模块根据城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
[0056]
另一方面，本发明实施例1还提供一种城市碳代谢特征模拟监测方法，包括以下步骤：
[0057]
s100：通过信息获取模块获取城市投入产出信息；
[0058]
s200：通过数据处理终端根据投入产出信息构建碳代谢网络模拟模型，根据碳代谢网络模拟模型得到城市碳代谢特征；
[0059]
s300：通过显示模块将根据城市碳代谢特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
[0060]
在一个具体实施例中，s200包括：
[0061]
s210：通过构建单元根据投入产出信息编制城市尺度的投入产出表，根据城市尺度的投入产出表构建碳代谢网络模拟模型：
[0062]aij
＝x
ij
/xj[0063]
a＝(a
ij
)
[0064]ri
＝ei/xi[0065][0066]
式中，a
ij
表示直接消耗系数，x
ij
表示j部门的生产过程中，需要投入的i部门产品的价值量，xj表示第j部门的总投入，a表示为直接消耗系数矩阵，ri表示部门i的单位产值的碳流量，ei表示部门i的碳排放量，xi表示第i部门的总产出，b
ij
表示碳代谢网络模拟模型，(i-a)-1
表示列昂惕夫逆矩阵，yi表示部门i的最终需求，diag表示取对角矩阵；
[0067]
s210：通过分析单元根据碳代谢网络模拟模型得到生态网络流量分析指标以及生态网络效用分析指标，用于根据生态网络流量分析指标以及生态网络效用分析指标，得到城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征：
[0068]dij
＝(f
ij-f
ji
)/ti[0069][0070]
d＝(d
ij
)
[0071][0072]
式中，d
ij
表示为直接效用系数，f
ij
表示从部门j到部门i的流量，f
ji
表示从部门i到部门j的流量，ti表示系统的总流量，zi表示为从外部环境进入部门i的流量，d表示直接效用矩阵，u代表无量纲的总效用矩阵，n表示部门数量。
[0073]
s220：通过输出单元将城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征输出。
[0074]
具体的，f
ij
即为生态网络流量分析中的流量，而f
ij
就是构建碳代谢网络模型b
ij
中的中间节点，可以理解成b＝(f
ij
)。故生态网络流量分析是在算出构建碳代谢网络模型b
ij
后从另一个角度分析。
[0075]
更具体的，生态网络效用分析指标就是根据直接效用系数d
ij
到无量纲的总效用矩阵u，得出无量纲的总效用矩阵u，就可以进行效用分析。
[0076]
更具体的，投入产出分析方法和生态网络分析方法的衔接部分为：首先是得到碳代谢网络模型b
ij
，生态网络流量分析指标f
ij
就确定了，之后再在流量分析基础上，计算生态网络效用分析。
[0077]
在一个具体实施例中，s300根据城市碳代谢流量特征以及城市碳代谢关系特征生成城市碳代谢特征监测报告并显示。
[0078]
再一方面，本发明实施例1还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，程序被处理器执行时实现如上述的城市碳代谢特征模拟监测方法。
[0079]
实施例2
[0080]
参见附图2所示，基于投入产出分析方法，建立了东莞市碳代谢网络模拟模型，其中包括农业、采矿业、制造业、电气水、建筑业、交通运输业和服务业共7个部门(节点)。
[0081]
其中：x1(agr)为农业部门，x2(min)为采矿业部门，x3(man)是制造业部门，x4(egw)为电、气和水的生产和供应业部门，x5(con)为建筑业部门，x6(tra)为交通运输业部门，x7(ser)为服务业部门；f
ij
为从部门j到部门i的碳流；yj为从部门j流出网络；zi从网络外部流入部门i。初级生产者(如采矿业)是含碳能源的最初来源；次级生产者(电、气和水的生产和供应业)直接使用含碳能源并向其他部门提供能源。初级消费者(如交通运输业和制造业)直接消耗含碳能源。次要消费者(如农业、服务业和建筑业)间接消耗含碳能源。
[0082]
所建立的东莞市碳代谢网络模拟模型结构类似于自然界营养层次中的倒金字塔，反映了上游部门和下游部门之间的渐进关系。城市碳代谢网络中的部门可根据其在系统中发挥的功能大致分为初级生产者、次级生产者、初级消费者和次级消费者。因此，我们得出结论，碳代谢网络模拟模型可以分层级地呈现出城市各部门的关联关系。
[0083]
在一个具体实施例中，结合碳代谢网络模拟模型和生态网络分析方法构建生态网络流量分析指标和生态网络效用分析指标，用于详细分析东莞市碳代谢网络特征。
[0084]
具体的，以制造业部门的碳代谢流为例，最外层的灰色圆圈表示基于生产视角和基于消费视角的碳代谢流之和(108.71mtc)，最外圆附近的小白弧表示基于消费视角的碳代谢流(58.11mtc)，而大白弧表示基于生产视角的碳代谢流(50.60mtc)。制造业部门与其他部门之间的线条代表来自或流向制造业部门的碳流(线条宽度与碳代谢流大小成正比)，揭示了复杂的内部产业结构和部门间联系。
[0085]
参见附图3所示，为东莞市7个部门间的直接和隐含碳代谢流关联关系图，是基于碳代谢网络模拟模型和生态网络流量分析所得出的东莞市直接和隐含碳代谢流关联关系，其可清晰地描绘关键部门的流量全景，并识别直接和隐含碳代谢流在每个部门中的分布和流动特征。由附图3可得出，结合投入产出分析方法和生态网络分析方法来进行城市碳代谢流量特征分析的效果良好。该特征模拟和分析能够追溯一般城市的碳代谢流在部门间的流动路径，可为城市的碳减排政策提供参考。
[0086]
参见附图4所示，为东莞市碳代谢网络中部门间的相互关系图，是碳代谢网络模拟模型和生态网络效用分析所得出的东莞市碳代谢网络中部门间的生态关系，其可清晰地反映不同部门之间的相互作用关系和判断部门之间存在的共生、竞争、掠夺或控制等关系特征。由附图4可得出，结合投入产出分析方法和生态网络分析方法来进行城市碳代谢关系特征分析的效果良好。该特征分析可以揭示一般城市部门间的相互影响关系，从而为落实城市碳减排行动提供政策启示。
[0087]
综上可以看出，本发明实施例将投入产出分析方法和生态网络分析方法进行结合并运用于一般城市的碳代谢特征模拟和监测分析，进而为未来的城市能源分配和碳减排规划提供科学依据。
[0088]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0089]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。