預測全國手機耗電量的增長趨勢

沈陽航空航天大學 朱全發(fā) 嚴偉華 伍美香 謝偉濤 羅蒙浩 朱麗梅

1.引言

科技的發(fā)展和人民生活水平的提高促使我國的手機用戶數(shù)迅速增長。據(jù)工業(yè)與信息化部發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2012年我國手機用戶已經(jīng)達到11億戶。近年來智能手機[1]開始走俏，該類手機強大的功能備受廣大使用者的青睞，也使每部手機每天的耗電量迅猛增加。在以煤炭和石油等不可再生能源為主要能源的中國，在節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為全人類共識的今天，預測手機消耗能源的未來趨勢，顯然是十分有現(xiàn)實意義的。

手機與能源消耗方面的研究有很多。王碩，張寶玲等[3]探討了在手機逐步替代固定電話的過程中能源消耗的增長態(tài)勢，該研究是以一個假定的城市為基礎進行的，研究結(jié)果缺乏代表性。魏強從最低能耗的角度，采用定量分析方法和數(shù)學建模方法研究了手機和固定電話的合理的市場占有率[4]，在固定電話只在極窄范圍內(nèi)使用的今天，此研究結(jié)果顯然不能代表當前手機耗能的主體。王振飛[5]運用一元線性回歸模型預測全國手機用戶數(shù)量在未來五年內(nèi)的變化發(fā)展狀況，并在此基礎上建立手機電能浪費模型計算出電能浪費的總量。熊樹明[6]論述了信息通訊中的能源消耗問題。。以上研究都是從微觀的角度探討能源消耗問題，缺乏對該問題的全局性把握。

該文直接引用朱全發(fā)，嚴偉華，謝偉濤在沈陽航空航天大學大學生創(chuàng)新訓練計劃項目中取得的全國手機用戶總數(shù)的預測結(jié)果和智能手機用戶數(shù)的預測結(jié)果，并采用問卷調(diào)查的方式，掌握了人們使用手機的習慣的第一手資料，繼而對當今備受廣大使用者的青睞的智能手機予以專門討論。 該文不去細究手機的某種功能使手機耗能的增加量，也不去細究人們的某一種使用習慣對手機耗能的影響，而是從宏觀的角度分析問題，全局性地探討手機消耗能源問題。靈活運用結(jié)構(gòu)映射(structuremapping)的理論，類比計算機的發(fā)展歷程，提出了估計每部手機每天耗電量發(fā)展趨勢的方法；最后建立模型計算出了未來幾年全國手機每年消耗電能的趨勢。

2.估計每部手機每天的耗電量

2.1 問題的提出及分析

表1 每部智能手機每天的耗電量

表2 每部功能手機每天的耗電量

鑒于人們使用不同類別的手機時對耗電量的差別。我們采用調(diào)查問卷的形式來獲得必要的信息。我們先后在南京大學，沈陽航空航天大學，河南省建府酒業(yè)，中共方城縣委，方城縣中醫(yī)院等多家企事業(yè)單位對人們使用手機的情況進行調(diào)查，獲得了寶貴的第一手資料。對數(shù)據(jù)進行整理，得出當前不同年齡段的人群使用智能手機時，每部智能手機每天的耗電量，見表1所示；當前不同年齡段的人群使用功能手機時，每部功能手機每天的耗電量，見表2所示。

要預測未來中國正在被使用的所有手機的耗電量，我們必須知道未來每部手機每天的耗電量。目前我們僅僅能通過調(diào)查問卷獲得當下人們使用手機的情況，估計當下每部手機每天的耗電量，而不知道未來人們使用手機的情況，也不能通過常規(guī)的數(shù)學方法來計算出這些數(shù)據(jù)。

我們廣泛的查閱文獻[7]，最后引入了結(jié)構(gòu)映射(structure-mapping)理論[7]。該理論是Gentner.D在1983年提出的，其基本思想是，類比中最關(guān)鍵因素是源類比物與特征類比物之間的聯(lián)系。要實現(xiàn)這種聯(lián)系，必須具備三個特征：一是結(jié)構(gòu)連續(xù)性，即形成平行結(jié)構(gòu)和一對一的對應關(guān)系。前者需要關(guān)系和主題的共同匹配，后者要求表征內(nèi)的每個要素都要與另一表征內(nèi)的要素形成匹配。二是以關(guān)系為中心性，即它要求類比物必須包括共同的關(guān)系而不是共同特征。三是系統(tǒng)性，即趨向于形成關(guān)系體系的匹配。

依據(jù)結(jié)構(gòu)映射(structure-mapping)理論作為理論基礎，引入發(fā)展已經(jīng)成熟的計算機的發(fā)展史作為特征類比物，建立數(shù)學模型。

2.2 建立數(shù)學模型

2.2.1 確定決定手機耗電量的本質(zhì)特性

圖1 決定確定手機耗電量的本質(zhì)特性

2.2.2 確定影響手機耗電量的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢

圖2 確定影響手機耗電量的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢

2.2.3 由手機的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢反推手機耗電量的增長趨勢

圖3 反推手機耗電量的增長趨勢

2.3 模型的分析求解

2.3.1 確定決定手機耗電量的本質(zhì)特性

(a)手機的耗電量來自于兩大方面

第一，待機狀態(tài)下，操作系統(tǒng)本身的耗電量；第二，人們使用手機豐富多彩的功能時的耗電量。

(b)手機的操作系統(tǒng)與手機可以實現(xiàn)的功能的關(guān)系綜合(a),(b)的分析，可以得到如下的結(jié)論：

圖4 手機的操作系統(tǒng)決定了手機的耗電量

手機所配備的操作系統(tǒng)對它們可以實現(xiàn)的功能起著至關(guān)重要的作用，配備什么樣的操作系統(tǒng)決定了手機可以實現(xiàn)有多么復雜程度的功能，見表3所示。

2.3.2 確定手機操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

由以上的分析可知，手機的操作系統(tǒng)與手機的耗電量直接相關(guān)，手機的耗電量隨著手機的操作系統(tǒng)的革新而變化。功能手機是指已經(jīng)在人們的意識中被固化了的，且它的耗能已不占主體，具備低端操作系統(tǒng)的一類手機，可以認為功能手機的操作系統(tǒng)不發(fā)生變化；那么智能手機的操作系統(tǒng)會有什么樣的變化呢？現(xiàn)以發(fā)展已經(jīng)成熟的計算機的操作系統(tǒng)的發(fā)展史作為特征類比物，根據(jù)結(jié)構(gòu)映射理論，建立預測智能手機的操作系統(tǒng)的變化數(shù)學模型。表4所示為計算機與手機的操作系統(tǒng)的對比。

現(xiàn)在人們所熟知的，諸如windows，這樣的經(jīng)典的電腦操作系統(tǒng)，已經(jīng)有將近三十年的歷史了。以功能強大的操作系統(tǒng)作為載體容納各種各樣應用程序的使用方式展現(xiàn)了強大的生命力，現(xiàn)今依然占據(jù)統(tǒng)治地位。如今，智能手機的操作系統(tǒng)已經(jīng)與計算機幾乎完全一樣了，隨著科技的進步，在未來的十年中智能手機的功能將會增多，人機界面會更加人性化，但是智能手機的操作系統(tǒng)將不會發(fā)生本質(zhì)變化。

2.3.3 由手機的本質(zhì)屬性的發(fā)展趨勢反推手機耗電量的增長趨勢

圖5 反推手機耗電量的增長趨勢

綜上所述，智能手機的操作系統(tǒng)在未來不會發(fā)生本質(zhì)的變化，所以我們可以認為未來十年內(nèi)每一部智能手機每一天的耗電量不會發(fā)生較大變化；功能手機的操作系統(tǒng)不發(fā)生變化，忽略科技的進步對功能手機耗電量的影響，那么可以認為未來每一部功能手機每一天的耗電量也不會發(fā)生變化。

3.預測未來幾年全國手機每年的耗電量

3.1 問題分析

事實上，智能手機用戶每天耗電量與用戶年齡有密切關(guān)系，據(jù)艾媒咨詢的數(shù)據(jù)[18]，中國智能手機用戶年齡分布如圖6所示。

依據(jù)表1、表2，再考慮到年齡因素，我們做出兩類手機不同的年齡段用戶每天耗電量的對比圖7，由圖7可見，在五個不同年齡段中，每一部智能手機每一天的耗電量呈現(xiàn)出年齡越大，耗電量越少的較明顯趨勢；而在不同的年齡段中，功能手機的耗電量大致相同。

圖6 智能手機用戶年齡分布圖

3.2 建立計算每年手機耗電量的模型

(A)平均每部智能手機每天的耗電量

其中，Ai表示第i個年齡段中每一部智能手機每天的耗電量，Pi表示第i個年齡段中的智能手機用戶占總智能手機用戶數(shù)的百分比。

(B)平均每部功能手機每天的耗電量

其中，Bj表示第i個年齡段中每一部功能手機每天的耗電量。

(C)全國所有的手機第j年的耗電量

其中，kj表示在第j年全國所有手機的耗電量；Mj表示在第j年全國總的手機用戶數(shù)；Nj表示在第j年全國智能手機用戶數(shù)。

3.3 模型的求解和結(jié)果的分析

計算出每年全國手機的耗電量的預測值，并且折合為人們在統(tǒng)計能源消耗量時常用的單位萬噸標準煤，以符合人們的習慣，如表5所示(單位：萬噸標準煤)。

用Excel做出從2012年至2020年的中國手機耗能增長趨勢的折線圖(如圖8所示)。

圖7 手機耗電量的對比圖

圖8 全國手機耗能量增長趨勢的預測值

從2012年到2020年，中國手機耗能量將以年均12.5%的高速增長，到2020年達到最高點，如圖8。考慮到未來幾年中智能手機價格的下降、人們收入水平的提高、智能手機功能的進一步拓展、電池儲能技術(shù)的進步以及智能手機與平板電腦的結(jié)合等新趨勢，未來幾年中每年實際的手機耗電量會比預測值偏高，每年耗能量的最高點將會提前到來。

表3 手機的操作系統(tǒng)與手機可以實現(xiàn)的功能的關(guān)系

表4 計算機與手機的操作系統(tǒng)的對比

表5 全國手機耗能量的預測值

4.結(jié)語

本文不拘一格，綜合運用多種方法，建立了預測手機耗能方面的兩個數(shù)學模型，并逐步進行分析。結(jié)果表明：從2012年到2020年，中國手機消耗的電能將以年均12.5%的高速增長，到2020年達到最高點。考慮到智能手機功能的進一步拓展，電池儲能技術(shù)的進步，以及人口的增長等因素，未來幾年實際的手機消耗電能將會比預測值偏高。

[1]智能手機.百度百科(baike.baidu.com),2012,9.

[2]功能手機,百度百科(baike.baidu.com),2012,9.

[3]王碩,張寶玲.電話與能源消耗的數(shù)學研究[J].科技創(chuàng)新導報,2010(30):254.

[4]魏強.基于最低能耗考慮的在飽和市場中手機與固定電話占有率的模型研究[J].現(xiàn)代營銷,2011(1):95.

[5]王振飛.數(shù)學建模方法在手機待機能耗問題中的運用[J].硅谷,2009(12):34-35.

[6]熊樹明.信息通訊中的能源消耗問題[J].世界科技研究與發(fā)展,2006(6):103-104.

[7]賈金寧.類比推理中關(guān)系匹配的優(yōu)勢效應[D].開封:河南大學教育科學學院,2009.