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【Advances in Applied Energy最新论文】基于土地利用与可解释机器学习的多尺度电力消费预测模型—以中国为例

GISer last • 2 周前 • 24 次点击  

原文信息:

Multi-scale electricity consumption prediction model based on land use and interpretable machine learning: A case study of China

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666792424000350?via%3Dihub

Highlights

• 构建集成高性能计算与可解释性特征的电力消费预测模型;

• 构建大数据驱动的关联性土地利用分类体系;

  建立覆盖297地级市-2505县域的多层级验证体系;

 揭示了土地利用视角下电力消费的边际影响机制;

 提出了多尺度适配的差异化能源优化策略。

摘要

电力消耗预测对于促进可持续发展、保障能源安全与韧性、优化区域规划及推动可再生能源并网具有重要作用。本研究构建了一种基于土地利用的电力消耗表征与预测创新模型。该模型通过实现土地利用细分为预测提供高相关度变量;具备强解释力,可揭示各类用地对电力消耗的边际效应;兼具高性能特征,可支撑大尺度模拟预测。以中国297个城市和2505个县域为案例研究,主要发现如下:(1)模型具有优异泛化能力(R²=0.91)、高精度(Kappa系数=0.77)和稳健性,整体预测精度超过80%;(2)工业用地对电力消耗的边际影响呈现复杂非线性特征,将其规模控制在104.3 km²或288.2-657.3 km²区间可获得更优能效;(3)商住用地边际影响呈现显著线性关系(R²>0.80),将规模控制在11.3 km²可有效缓解其影响。混合商住用地布局有利于整体用电管控,但超过43.5 km²后需对城镇住宅用地进行分异规划;(4)预测至2030年,上海市用电量将达1551.43亿kW·h,居297个城市首位;苏州工业园区用电量达309.96亿kW·h,位列2505个县域榜首;(5)识别未来用电热点区域及其空间集聚特征,评估热点区域可再生能源开发潜力,并提出差异化管控策略。


更多关于“Electricity consumption”的文章请见: https://www.sciencedirect.com/search?qs=Electricity%20consumption&pub=Advances%20in%20Applied%20Energy&cid=777797


Abstract

The prediction of electricity consumption plays a vital role in promoting sustainable development, ensuring energy security and resilience, facilitating regional planning, and integrating renewable energy sources. A novel electricity consumption characterization and prediction model based on land use was proposed. This model achieves land-use subdivision to provide highly correlated variables; exhibits strong interpretability, thereby revealing even marginal effects of land use on electricity consumption; and demonstrates high performance, thereby enabling large-scale simulations and predictions. Using 297 cities and 2,505 counties as case studies, the key findings are as follows: (1) The model demonstrates strong generalization ability (R2 = 0.91), high precision (Kappa = 0.77), and robustness, with an overall prediction accuracy exceeding 80 %; (2) The marginal impact of industrial land on electricity consumption is more complex, with more efficiency achieved by limiting its area to either 104.3 km2 or between 288.2 and 657.3 km2; (3) The marginal impact of commercial and residential land on electricity consumption exhibits a strong linear relationship (R2 > 0.80). Restricting the scale to 11.3 km2 could effectively mitigate this impact. Mixed commercial and residential land is advantageous for overall electricity consumption control, but after exceeding 43.5 km2, separate layout considerations for urban residential land are necessary; (4) In 2030, Shanghai's electricity consumption is projected to reach 155,143 million kW·h, making it the highest among the 297 cities. Meanwhile, Suzhou Industrial Park leads among the 2,505 districts with a consumption of 30,996 million kW·h; (5) Identify future electricity consumption hotspots and clustering characteristics, evaluate the renewable energy potential in these hotspot areas, and propose targeted strategies accordingly.

Keywords 

Electricity consumption

Land use

High-performance prediction model

Interpretable machine learning

Multi scale spatial characterization

Graphics

图1. 电力消费预测模型研究框架

图2. 中国土地利用和土地覆盖变化的细分

图3. 土地利用对电力消费的边际效应

图4. 环境因素对土地扩张的影响

图5. 土地扩展潜力

图6. 中国未来土地利用预测

图7. 城市级电力消费预测

图8. 区域/县级电力消费预测

图9. 未来可再生能源应用热点评估

作者简介

团队介绍:

本研究由西安交通大学建筑环境与可持续发展技术研究所、厦门大学建筑与土木工程学院、曼彻斯特大学化学工程系以及马尔默大学社会与技术可持续发展学院的研究人员共同完成。研究团队专注于区域规划、能源科学、计算机科学与技术、地理信息科学、遥感技术和环境科学等多学科交叉领域,涵盖土地利用、碳排放、机器学习和可持续发展目标等前沿课题。


通信作者简介:

Xiaohu Yang,西安交通大学人居环境与建筑工程学院教授,建筑学系副系主任。主要从事多能互补协同能源系统、城镇建筑能耗预测、相变蓄热材料及相变蓄能式空调系统开发等方面研究。


第一作者简介

Haizhi Luo,西安交通大学建筑环境与可持续发展技术研究所的博士生,研究方向集中于区域规划、能源系统建模与知识图谱应用,具有建筑与土木工程背景,致力于多学科交叉研究。

关于Applied Energy

本期小编:周益帆 ;审核人:赵蕾蕾

《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊,在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下,1975年创刊,影响因子10.1,CiteScore 21.2,本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源(Open Access)姊妹新刊《Advances in Applied Energy》影响因子13.0,CiteScore 23.9。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上,致力于发表应用能源领域顶尖科研成果,并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台,欢迎关注!

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