基于區(qū)塊鏈的智慧碳排放管理

宋得民，王得成，丁鵬，趙恩海，嚴(yán)曉,2

1.上海玫克生儲能科技有限公司；2.上海伏達儲能數(shù)字化研究院

0 引言

當(dāng)今人類發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一是全球氣候變化。IPCC（政府間氣候變化專門委員會）2018年10月發(fā)布的報告認(rèn)為，全球氣溫增長幅度控制在 1.5℃以內(nèi)有助于避免地球氣候、人類健康和生態(tài)系統(tǒng)惡化，若實現(xiàn)這一目標(biāo)需要全球在21世紀(jì)中葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放［1］。中國的能源碳排放量占全球總量的 28.8%，因此，中國的減碳效果對全球碳達峰與碳中和具有極其重要的影響［2-3］。

在2015年氣候變化巴黎大會上，中國國家主席習(xí)近平提出未來中國將積極優(yōu)化各行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建全國低碳能源體系，加快發(fā)展綠色建筑和城市低碳交通，建立完善全國碳排放權(quán)交易市場等一系列政策措施［4］。2020年 12月，習(xí)近平主席在哥本哈根世界氣候雄心峰會上進一步表達了中國的減碳承諾，爭取2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和［5］。

根據(jù)國家出臺的指南，電力、石化、化工、建材、鋼鐵、有色金屬、造紙、民航是納入全國碳市場的8個高能耗行業(yè)。作為石化行業(yè)的一員，油氣公司每年需定期披露碳排放情況。未來隨著參與碳排放的主體數(shù)量不斷增加，碳交易市場范圍不斷擴大，對于被納入碳排放配額管理的油氣公司來說，如何進行碳排放管理顯得尤為重要。

蒸汽機、電力、互聯(lián)網(wǎng)是前三次工業(yè)革命的核心技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)則被認(rèn)為是下一代工業(yè)革命重要的核心技術(shù)，是構(gòu)建社會信任的機器，是發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的基礎(chǔ)［6］。2019年10月24日，習(xí)近平主席強調(diào)要將區(qū)塊鏈技術(shù)作為中國核心自主創(chuàng)新的重要突破口，明確將區(qū)塊鏈技術(shù)作為中國信息化的重要發(fā)展方向［7］。目前，國外油氣公司在區(qū)塊鏈方面進行了一些嘗試，主要應(yīng)用于生產(chǎn)、施工和能源大宗商品交易等環(huán)節(jié)，且取得了一定的成效，但都沒有建立基于區(qū)塊鏈的碳排放管理系統(tǒng)。

油氣公司碳排放環(huán)節(jié)多、人工記錄成本高、碳排放數(shù)據(jù)管理繁雜，且碳排放環(huán)節(jié)不透明，由單位集中管理，容易發(fā)生篡改、難以追溯，很難建立一個可信、準(zhǔn)確的碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而進一步影響碳交易。另外，若到年底時公司發(fā)現(xiàn)配額缺口較大，那么履約成本會大幅增加，因此傳統(tǒng)的碳排放管理模式存在諸多弊端。為了解決這些問題，本文探索如何用區(qū)塊鏈技術(shù)為油氣公司建立一個透明、可追溯、難以篡改的碳賬本，對公司全生命周期的碳排放進行有效跟蹤，提升碳資產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和開放性，以實現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)在全單位的流動，推動油氣能源行業(yè)向低碳生態(tài)時代邁進。

1 區(qū)塊鏈概述

簡單地講，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯梢幌盗许樞蛏傻男畔^(qū)塊組成的數(shù)據(jù)鏈，是各參與方基于共識機制集體維護、不可篡改、可驗證的超級賬本，目的是為了實現(xiàn)去中心化、透明化、匿名化、不可篡改、可追溯。區(qū)塊鏈系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成。本部分主要介紹一下數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、應(yīng)用層和區(qū)塊鏈的對外開放程度。

1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)區(qū)塊是區(qū)塊鏈的組成單元，每個區(qū)塊包含一個區(qū)塊頭和一個區(qū)塊體。區(qū)塊頭包括當(dāng)前版本號、時間戳、前一區(qū)塊哈希、密碼學(xué)共識和梅克爾樹根哈希值，而區(qū)塊體則是包含該區(qū)塊的交易數(shù)量和經(jīng)過各節(jié)點共同驗證的所有交易記錄［8］。區(qū)塊鏈中的節(jié)點是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的計算機，控制該計算機的主體可以是一個人或者一個機構(gòu)。節(jié)點擔(dān)任著交易確認(rèn)和廣播工作。總體上來說節(jié)點越多，網(wǎng)絡(luò)越安全。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是獲得記賬權(quán)的節(jié)點將當(dāng)前主鏈的最后一個區(qū)塊哈希值放到當(dāng)前打包好的區(qū)塊頭上，該哈希值作為指針指向最后一個區(qū)塊，因此一個被認(rèn)證打包好的區(qū)塊就可以被鏈接到區(qū)塊的主鏈上。因為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的特性，節(jié)點難以篡改和刪除其中一條記錄或區(qū)塊記錄，因此各節(jié)點可以看到鏈上的完整歷史，方便追本溯源。哈希函數(shù)可將任意長度的信息轉(zhuǎn)化成一個固定長度的哈希值，通過函數(shù)的輸出字符推出原始消息是非常困難的，因為即使輸入的消息非常相似，函數(shù)也會給出大相徑庭的輸出值。在幫助節(jié)點高效地檢驗?zāi)彻P交易的存在性和數(shù)據(jù)的完整性方面，梅克爾樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)扮演著重要的角色。

數(shù)據(jù)層中非對稱加密用于數(shù)字簽名秘鑰協(xié)商和數(shù)據(jù)加密功能。在非對稱加密中，各節(jié)點都持有一對非對稱密碼，稱為公鑰和私鑰。節(jié)點用私鑰對其加密的信息摘要進行簽名并廣播，收到該節(jié)點的其他節(jié)點用其提供的公鑰對其進行解密，從而驗證信息確實是由此節(jié)點發(fā)送的。采用非對稱加密技術(shù)和上述的哈希算法共同保證了對不可信賴的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全訪問需求和加密驗證需求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

區(qū)塊鏈的節(jié)點一般具有自治性、分布式、開放自由進出的特性，因此一般都采用 P2P（點對點）網(wǎng)絡(luò)。在P2P同一網(wǎng)絡(luò)中，不存在任何“特殊”節(jié)點，各個節(jié)點以扁平的拓撲結(jié)構(gòu)相互連通，一起提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，彼此地位對等。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點均具有傳播數(shù)據(jù)、驗證數(shù)據(jù)、傳播打包好的區(qū)塊、驗證打包好的區(qū)塊、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點等功能，不存在中心化的層級結(jié)構(gòu)。此過程不涉及第三方，數(shù)據(jù)也不會在一個中心化的服務(wù)器單獨存儲［7］。

1.3 共識層

所謂共識機制，就是區(qū)塊鏈中的節(jié)點，其中包括誠實節(jié)點和惡意節(jié)點，就如何寫入一個區(qū)塊達成共識，保證每個節(jié)點都能夠?qū)⒆钚碌膮^(qū)塊信息準(zhǔn)確添加至自己的賬本上，使各節(jié)點的賬本保持一致性并能夠抵御惡意攻擊。其具體策略和方法是保證某個節(jié)點添加最新區(qū)塊到自己賬本上時，該最新區(qū)塊能夠被其他節(jié)點所驗證和接受，從而保證各節(jié)點賬本信息的一致性、準(zhǔn)確性、真實性、完整性和時效性。需要說明的是，數(shù)據(jù)一旦被確認(rèn)則難以進行刪除和更改操作，只能進行授權(quán)查詢或使用。

1.4 應(yīng)用層

在《區(qū)塊鏈：新經(jīng)濟藍圖及導(dǎo)讀》一書中，作者對區(qū)塊鏈的技術(shù)進化提出了一種階段劃分：“區(qū)塊鏈 1.0是貨幣，是以比特幣為代表的可編程數(shù)字加密貨幣，諸如貨幣轉(zhuǎn)移、匯兌和支付系統(tǒng)。區(qū)塊鏈2.0是合約，是以以太坊為代表的可編程金融系統(tǒng)，在經(jīng)濟、市場、金融全方面的應(yīng)用，例如股票、債券、期貨、貸款、按揭、產(chǎn)權(quán)、智能資產(chǎn)和智能合約。區(qū)塊鏈3.0就是超越貨幣、金融、市場之外的區(qū)塊鏈應(yīng)用，特別是在政府、健康、科學(xué)、文化和藝術(shù)等領(lǐng)域，是可編程社會系統(tǒng)與超級賬本項目”［9］。

1.5 開放度

根據(jù)區(qū)塊鏈對外開放的程度，可以將其分為私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈。在私有鏈中，區(qū)塊鏈的記賬權(quán)限掌握在某個節(jié)點手中，且記賬權(quán)限由其內(nèi)部制定，外部的讀取權(quán)限可以被任意程度地限制。在聯(lián)盟鏈中，區(qū)塊鏈的節(jié)點是事先選定好的，各節(jié)點的主體共同維護區(qū)塊鏈的超級賬本；區(qū)塊鏈上信息的讀寫及記賬規(guī)則均按照聯(lián)盟鏈的共識決定，功能也只對各節(jié)點部分或全部開放。而公有鏈?zhǔn)侵杆泄?jié)點都能自由選擇加入或退出的區(qū)塊鏈，不受任何一個節(jié)點控制，整個賬本將對所有節(jié)點保持公開及透明。

2 傳統(tǒng)碳資產(chǎn)管理中存在的問題

大型油氣公司在全國各地分布著眾多子公司，每個子公司收集、管理和存儲各自的碳排放數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)管理不透明，容易發(fā)生篡改，且不同子公司各自中心化存儲數(shù)據(jù)產(chǎn)生了數(shù)據(jù)“孤島”現(xiàn)象。另外，不同子公司收集的碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，存在關(guān)鍵信息難以追蹤和整合、相關(guān)數(shù)據(jù)讀取困難、數(shù)據(jù)收集方式多樣、數(shù)據(jù)不一致等問題。因此，各子公司中心化的數(shù)據(jù)庫增加了母公司碳排放報告編制的難度，同時，也會導(dǎo)致缺乏統(tǒng)一可信的碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而不利于碳交易。

油氣公司的每個子公司在技術(shù)工藝、設(shè)備水平、能源利用水平、能源消耗計量水平、產(chǎn)品運輸方式上參差不齊。而且，生產(chǎn)同樣數(shù)量的天然氣，每個子公司排放的溫室氣體量有高有低，這是由于有些單位優(yōu)化了某環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工藝，有些單位采用更清潔的能源進行供電、供暖或運輸，這導(dǎo)致了不同單位在相同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)擁有不同的減排能力。

每到年底履約時，油氣公司需根據(jù)碳排放量注銷一定的碳配額。若碳配額不足，則需要到市場購買相應(yīng)的碳配額和 CCER（國家核證自愿減排量）進行履約。若購買碳配額的成本遠大于減排成本，那么油氣公司的利潤必然受到擠壓。因此，對油氣重點排放單位來說，碳資產(chǎn)管理運用得當(dāng)，可以大幅減少企業(yè)運營投入成本、提高競爭力水平并有利于增加其盈利；管理運作不當(dāng)，則可能最終造成碳資產(chǎn)大幅流失，增加公司整體運營維護成本，降低市場競爭力，影響企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

因此，構(gòu)建一個去中心化、不可篡改、可追溯的超級碳賬本將有利于公司對各環(huán)節(jié)的碳足跡進行追蹤、獎懲和路徑優(yōu)化，從而降低經(jīng)營成本、提高低碳競爭力。一個準(zhǔn)確和精細的碳排放數(shù)據(jù)是企業(yè)進行碳資產(chǎn)管理的基礎(chǔ)和前提，也為碳交易增加一致性和可信度。

3 超級碳賬本的構(gòu)建

為解決油氣公司碳資產(chǎn)管理難題，本文構(gòu)想出一個包括油氣公司、地方碳排放管理部門、第三方技術(shù)核查機構(gòu)在內(nèi)的碳資產(chǎn)管理區(qū)塊鏈。

3.1 碳排放核算方式

在傳統(tǒng)油氣公司中，溫室氣體的排放主要來自化石燃料燃燒排放和購入電力排放。當(dāng)前碳排放數(shù)據(jù)主要采用人工核算法和碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)進行核算和計量。

人工核算法成本高、數(shù)據(jù)收集繁雜，并且數(shù)據(jù)收集確認(rèn)周期長，不利于對廠區(qū)各環(huán)節(jié)碳排放量的實時掌握，同時增加了碳排放編制報告和第三方機構(gòu)核查的難度。目前，國際通行做法是采用 CEMS（碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)），中國也于 2021年在 18家控排企業(yè)進行了試點，并于當(dāng)年年底發(fā)布了DL/T 2376—2021《火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，該規(guī)范于2022年3月22日正式實施，此標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有利于這項技術(shù)的進一步推廣和應(yīng)用。

CEMS是未來碳排放計量的一個趨勢，有利于碳排放的智能化和數(shù)字化管理。因此本文采用CEMS的核算方式。

3.2 碳排放數(shù)據(jù)的采集

3.2.1 直接碳排放數(shù)據(jù)

對于直接碳排放，可在碳排放口安裝一個經(jīng)國家或地方環(huán)保部門認(rèn)證的碳排放測量儀，對該碳排放口在連續(xù)時間區(qū)間內(nèi)的碳排放量進行計算。針對碳排放測量儀將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈的方法，有以下兩種方案。

3.2.1.1 方案一

使用無線通訊模塊，在每個碳排放口安裝一個無線通訊模塊。無線通訊模塊通過碳排放測量儀的通訊接口接收到碳排放數(shù)據(jù)，再通過附近的無線網(wǎng)或模塊內(nèi)流量卡將采集到的數(shù)據(jù)及時上傳至某節(jié)點的云服務(wù)器；收到該碳排放信息的節(jié)點會將此信息廣播給其他節(jié)點，鏈上的節(jié)點一起對該信息進行技術(shù)驗證，若一半以上的有效節(jié)點通過，則所有節(jié)點將該碳排放信息記錄到自己的碳賬本上。

優(yōu)點：安裝方便，只需要在每個碳排放測量儀旁邊安裝一個無線通訊模塊即可，且數(shù)據(jù)直接上傳至云服務(wù)器而不需要經(jīng)過第三方設(shè)備。

缺點：設(shè)備建設(shè)維護成本較高，且不能高頻率地上傳數(shù)據(jù)。成本較高是由于每個碳排放口均需安裝一個無線通訊模塊與一張流量卡，眾多流量卡管理復(fù)雜，且?guī)磔^高的費用成本。

適用性：該方案適合碳排放口較少且上傳數(shù)據(jù)頻率低的場景，此場景下通訊模塊較易管理，且維護成本較低。

3.2.1.2 方案二

使用邊緣設(shè)備，每個邊緣設(shè)備接收數(shù)十個碳排放測量儀發(fā)送的碳排放數(shù)據(jù)。邊緣設(shè)備通過無線網(wǎng)或流量卡將碳排放數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。該設(shè)備可以對數(shù)十個碳排放口數(shù)據(jù)進行存儲、打包上傳，還可以根據(jù)各碳排放口歷史碳排放數(shù)據(jù)進行預(yù)測。

優(yōu)點：設(shè)備建設(shè)維護成本較低，設(shè)備總功率較低，可以采用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，還可以自動控制采集頻率、處理數(shù)據(jù)，并集中收集數(shù)據(jù)打包上傳。同樣傳輸數(shù)十個碳排放口碳排放數(shù)據(jù)，只需要安裝1個邊緣設(shè)備和 1張流量卡或使用網(wǎng)口，因此成本及總功耗均較低。無線邊緣設(shè)備可使用 Lora或ZigBee的無線組網(wǎng)方式［10］，在沒有網(wǎng)絡(luò)的地方，邊緣設(shè)備還可通過衛(wèi)星通信的方式上傳數(shù)據(jù)。

缺點：可擴展性較差，邊緣計算必須為組織添加或物理升級設(shè)備才能獲得更多的計算能力或存儲空間。

適用性：該方案適合碳排放口較多且上傳數(shù)據(jù)頻繁的場景，較適合油氣公司碳排放的應(yīng)用場景。

3.2.2 間接碳排放數(shù)據(jù)

對于購入電力的間接碳排放數(shù)據(jù)，可以在每個部門安裝1個智能電表，每天定時上傳1次電表數(shù)據(jù)到節(jié)點的云服務(wù)器，各個環(huán)節(jié)的日用電量一目了然。另外，還需要向當(dāng)?shù)毓╇姴块T了解每天供電的排放因子即可計算出對應(yīng)的碳排放量。

3.3 PBFT（實用拜占庭容錯算法）區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈的構(gòu)建

在區(qū)塊鏈內(nèi)構(gòu)建一個基于拜占庭共識的區(qū)塊鏈3.0聯(lián)盟鏈，鏈上一共有n(n= 3f+ 1)個不同的主體作為節(jié)點，此區(qū)塊鏈的容錯率不超過(n-1)/3個節(jié)點［11］。

以f=2為例，這7個節(jié)點的地位是一樣的，選擇油氣公司（內(nèi)部2個節(jié)點）、地方碳排放管理部門（內(nèi)部 2個節(jié)點）、第三方核查公司（1個節(jié)點）、地方環(huán)保部門（1個節(jié)點）、碳交易中心（1個節(jié)點）等7個利益盡可能不相關(guān)的主體。每個主體均配有1個云服務(wù)器存儲自己的碳賬本數(shù)據(jù)，并且在各自辦公室安裝一個碳資產(chǎn)區(qū)塊鏈客戶端軟件。在客戶端上，節(jié)點持有者可以看到各個環(huán)節(jié)由碳排放采集點及時上傳的二氧化碳或甲烷排放量。若一個區(qū)塊是1 MB的大小，1條碳排放記錄是250 kB大小，那么一個區(qū)塊可以存儲3 000多條數(shù)據(jù)，1 GB的內(nèi)存可以存儲300多萬條數(shù)據(jù)。若油氣公司內(nèi)部每個碳排放口以1天1次的頻率上傳，則聯(lián)盟鏈中的每個節(jié)點購買數(shù)個GB的內(nèi)存足以。

在這個區(qū)塊鏈上一共有7個節(jié)點，從安全性和活性的角度可以接受相同時間點最多有2個節(jié)點是失效的和2個節(jié)點是惡意節(jié)點。失效節(jié)點是不響應(yīng)的，也就是突然斷線或延遲通訊或故意不通訊，而惡意節(jié)點是被惡意控制的。假設(shè)按最壞的情況，在這個區(qū)塊鏈上有2個誠實節(jié)點是失效的，2個節(jié)點是惡意的但仍然響應(yīng)，在少數(shù)服從多數(shù)和滿足區(qū)塊活性的原則下，誠實節(jié)點仍然可以戰(zhàn)勝惡意節(jié)點并成功出塊。即使惡意節(jié)點沒有將該區(qū)塊放到賬本上，但實際上有共識認(rèn)可了這個區(qū)塊記錄，若誠實節(jié)點去惡意節(jié)點那里查該區(qū)塊，可以通過哈希驗證知道其賬本是否被篡改。

區(qū)塊鏈構(gòu)建好后，各個節(jié)點均可看到該油氣公司的碳賬本，可對不同的節(jié)點開發(fā)不同的應(yīng)用模塊。

3.4 智能合約與應(yīng)用模塊

3.4.1 智能合約

在上述聯(lián)盟鏈中，合約層僅包含數(shù)據(jù)校驗智能合約，即，各節(jié)點對接收到的碳排放數(shù)據(jù)進行格式驗證（技術(shù)驗證）。在該智能合約中，輸入為“某次上傳的碳排放記錄”，各節(jié)點檢驗該碳排放記錄格式有無問題或記錄的數(shù)據(jù)有無異常，若均沒問題那么輸出就是“通過該碳排放數(shù)據(jù)”。若大于一半的有效節(jié)點通過，則該筆交易會同時被記錄到各節(jié)點的賬本上。

3.4.2 應(yīng)用模塊

在應(yīng)用層，可以根據(jù)油氣公司的需求開發(fā)一些應(yīng)用模塊，如，碳排放查詢模塊、碳排放結(jié)構(gòu)模塊、碳排放獎懲模塊、一鍵生成碳排放報告模塊、路徑優(yōu)化模塊、碳排放預(yù)測和碳交易價格預(yù)測模塊等。

3.4.2.1 碳排放查詢及碳排放結(jié)構(gòu)模塊

每一個節(jié)點都具有碳排放查詢模塊，可以選擇某個日期、某個單位、某個部門或某個環(huán)節(jié)來進行精確查詢。點擊每一筆碳排放存證記錄可以看到該記錄的具體明細，如，在該時間段排放的溫室氣體量、所屬區(qū)塊、哈希值、具體碳排放量等。除了這個基本功能，油氣公司還可以通過“碳排放結(jié)構(gòu)模塊”了解公司不同單位、不同部門或不同環(huán)節(jié)的碳排放比例。

3.4.2.2 碳排放獎懲模塊

該模塊是對每個部門進行碳排放積分獎勵?？梢韵葹槊總€部門給予一定的初始積分，每個月根據(jù)各個部門生產(chǎn)情況制定相應(yīng)的碳排放額度，若超過該額度，則對相應(yīng)部門進行懲罰，扣除一定的積分，反之則對相應(yīng)部門進行獎勵并增加一定的積分。

公司可將碳排放積分算做每個部門年底考核的指標(biāo)之一，這樣可以激發(fā)每個部門的潛力去優(yōu)化各自的碳排放量。若某環(huán)節(jié)經(jīng)過優(yōu)化后碳排放量大幅下降，可以對相關(guān)部門進行獎賞，并把該環(huán)節(jié)的優(yōu)化路徑復(fù)制給相同的碳排放環(huán)節(jié)或單位。

3.4.2.3 一鍵生成碳排放報告模塊

該模塊可以為企業(yè)自動生成年初到當(dāng)前日期的碳排放報告，碳排放報告是基于區(qū)塊鏈可信的存證記錄。

該模塊可以將區(qū)塊上的每筆碳排放信息進行歸納并按照要求自動生成最終報告，地方碳排放管理部門、第三方技術(shù)核查機構(gòu)均安裝有此模塊。因此，當(dāng)油氣公司將該報告遞交給地方碳排放管理部門時，碳排放管理部門經(jīng)過對比就知道有無篡改或瞞報。該模塊可以極大地提高油氣公司編制碳排放報告的效率，同時，也可減少地方碳排放管理部門和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的監(jiān)管成本。

3.4.2.4 路徑優(yōu)化模塊

在各個環(huán)節(jié)碳排放量達到穩(wěn)定后，路徑優(yōu)化模塊可根據(jù)碳賬本對這些碳排放環(huán)節(jié)進行統(tǒng)計、分析，并提供優(yōu)化減排路徑和方案。該模塊使用的前提是需要先向各環(huán)節(jié)負責(zé)人搜集邊際減排成本，所謂的邊際減排成本是指每多減排一單位的二氧化碳所要付出的經(jīng)濟產(chǎn)出的成本。路徑優(yōu)化模塊會優(yōu)先從邊際減排成本小的環(huán)節(jié)入手。

3.4.2.5 碳排放預(yù)測和碳交易價格預(yù)測模塊

碳排放預(yù)測功能可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的碳排放超標(biāo)問題，并采取相應(yīng)措施。碳交易價格預(yù)測模塊是在碳排放預(yù)測超標(biāo)的情況下，自動從市場低價購買缺口的碳配額。因此，碳排放預(yù)測和碳交易價格預(yù)測模塊是超級碳賬本的一個重要組成部分，可以降低公司的碳排放總量和履約成本，幫助公司更好地管理碳資產(chǎn)。

3.5 歷史數(shù)據(jù)清理與碳排放監(jiān)管

隨著云服務(wù)器內(nèi)存空間不斷變小，節(jié)點可以通過投票選擇的方式將某一天之前的區(qū)塊記錄全部去除，大部分節(jié)點同意后各個節(jié)點的云服務(wù)器同時刪除之前的記錄。在刪除之前，可以對該記錄作一個備份，此次備份的數(shù)據(jù)是不能篡改的，因為任何一個微小的改動都會導(dǎo)致最后的哈希值面目全非，因此只要各節(jié)點記住最后的哈希值就可以判斷原賬本是否被篡改。

對于碳排放數(shù)據(jù)的監(jiān)管，可以采用科技或人力的方式多管齊下。若碳排放測量儀被人為破壞，儀器可以立刻發(fā)出報警信息并發(fā)送給各個節(jié)點；另外，公司也可定期對碳排放采集點進行檢查，若有條件可以安置攝像頭進行監(jiān)測。目前，中國已經(jīng)可以利用碳衛(wèi)星來檢測碳排放情況［12］，可以大致算得在某段時間內(nèi)某單位二氧化碳的排放量。將此排放量與賬本上此段時間碳排放量進行對比，若相差較大，則大概率可以判斷有些數(shù)據(jù)采集點數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，可能是儀器故障，但更有可能的是碳排放采集點環(huán)境被人為干擾。

4 碳排放和碳交易價格的預(yù)測算法

4.1 預(yù)測算法選擇

預(yù)測通常分為多值預(yù)測和單值預(yù)測，單值預(yù)測的準(zhǔn)確性往往更高［13］。并且，由于多值的時間步驟的偏差和方差會累積到未來的預(yù)測中，當(dāng)預(yù)測周期較長時，多值預(yù)測往往會出現(xiàn)誤差積累問題。而單值預(yù)測不太容易受到這個問題的影響，因為它的預(yù)測是在每個時間段獨立進行的。因此本文選擇用單值預(yù)測的方法來構(gòu)造模型。

在預(yù)測算法方面，相較RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），LSTM（長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）可以有效保留長依賴信息，大大改善時間序列預(yù)測準(zhǔn)確度，并具有信息記憶功能［14］。因此，對于碳排放和碳交易價格的預(yù)測采用LSTM預(yù)測算法。

4.2 預(yù)測方法及實例驗證

4.2.1 預(yù)測方法及步驟

當(dāng)每個月前3周的碳排放數(shù)據(jù)和碳交易價格出來時，可以采用 LSTM算法預(yù)測該月未來n天的碳排放量和未來n天交易日的碳交易價格走勢。

用q1,… ,q21代表該月前3周每日的碳排放數(shù)據(jù)，用1,… ,代表該月未來n天按時間排序的碳排放量。碳交易市場每天有4個小時的交易時間，對于每日價格以1個小時為間距選取5個點，前后2個點是開盤價和收盤價，那么每月前3周可以選擇75個碳交易價格值（每周有5個交易日），用p1,… ,p75代表這 75個點的值，用1,… ,5t代表該月未來t天交易日內(nèi)5t個按時間排序的碳交易價格值。相鄰的2個價格時間區(qū)間為 1個小時。碳排放和碳交易價格的訓(xùn)練與預(yù)測過程如下。

假設(shè)已經(jīng)有m個月每天的碳排放數(shù)據(jù)和碳交易價格，用q(i,j)和p(i,k)分別代表第i月j天的碳排放量和第i月k時刻的碳交易價格。

輸入1： [q(1,1)],… ,q(1,30)],… ,[q(m,1),… ,q(m,30)]。

輸出1：碳排放預(yù)測模型狀態(tài)hq。

步驟一：將m個月碳排放數(shù)據(jù)輸入特征通過Min-Max（線性函數(shù)歸一化）縮放將數(shù)據(jù)歸一化。

步驟二：選擇時間步長s=m，使用歸一化后的數(shù)據(jù)構(gòu)建LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，初始化LSTM模型的參數(shù)，并采用 Adam算法不斷優(yōu)化、調(diào)整預(yù)測模型的權(quán)重。

步驟三：將目標(biāo)月份前3周歷史數(shù)據(jù)q1,… ,q21放到訓(xùn)練好的模型做多步滾動預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果1,… ,?n。若q1+ …+q21+1+ …+n＞Qtarget（Qtarget是目標(biāo)月份的碳配額與上個月的碳配額盈余），進入下一步規(guī)劃低價時買進碳配額。若q1+ …+q21+1+ … +n≤Qtarget，則不進入下一步。

輸入2： [p(1,1)],… ,p(1,100)],… , [p(m,1),… ,q(m,100)]。

輸出2：碳交易價格預(yù)測模型狀態(tài)hp。

步驟一、步驟二：分別同碳排放預(yù)測步驟一、步驟二。

步驟三：將目標(biāo)月份前3周歷史數(shù)據(jù)p1,… ,p75放到訓(xùn)練好的模型做多步滾動預(yù)測，得到預(yù)測結(jié)果1, … ,5t，選擇 min{1,… ,5t}即最低價格所對應(yīng)的時間點，購買所需的碳配額即可，此時購買成本局部最小。

4.2.2 算法驗證

LSTM算法的有效性在時序相關(guān)的實際場景中已應(yīng)用的較為成熟并得到證明。這里使用 LSTM的方法對碳排放量以及碳配額價格進行預(yù)測。碳排放模擬預(yù)測部分預(yù)測結(jié)果如圖1所示，平均絕對誤差為5.5%。碳交易模擬預(yù)測部分的預(yù)測結(jié)果如圖2所示，平均絕對誤差為3.9%。

圖1 基于LSTM的碳排放預(yù)測結(jié)果

圖2 基于LSTM的碳配額價格預(yù)測結(jié)果

4.3 預(yù)測流程

2021年中國碳交易市場價格呈現(xiàn)兩端價格高、成交量高，中間價格低、成交量也低的走勢［15］。也就是臨近履約時，碳交易價格開始走高，成交量大幅上升；而中間月份價格比較低迷，成交量也大幅萎縮。

油氣公司每到年底都會進行履約，若履約臨近時才發(fā)現(xiàn)需要從碳交易市場購買大量的碳配額或CCER，則會面臨碳配額或CCER價格過高的風(fēng)險。因此，若每年年初將總碳配額按需分配到每個月，對碳排放和碳配額進行月度管理，則可以大大降低履約成本。每個月碳配額的分配可以基于前一年每個月碳排放的歷史數(shù)據(jù)，碳排放量越高的月份可享有更高的碳配額。

若預(yù)測的某月碳排放量小于該月分配的碳配額，則不需要做任何處理，月底時將該月盈余的碳配額勻到下個月。若下個月碳配額有盈余，則繼續(xù)勻到下一個月，以此類推。若預(yù)測的碳排放量大于該月碳配額與上個月結(jié)余的碳配額之和，則從碳交易市場上購買超出的碳配額量。在這個月剩余的時間內(nèi)，選擇預(yù)測成交價的最低值所對應(yīng)的交易日時間區(qū)間，此日期區(qū)間就是購買碳配額的時間點，以保證購買時碳交易成本在最低區(qū)間。

當(dāng)然，預(yù)測結(jié)果和實際碳排放量不可能完全一致，會存在一定的誤差。若購買的碳配額大于實際需要的購買量，可將多買的部分轉(zhuǎn)結(jié)到下個月；若購買的碳配額小于實際需求，則將本月的碳配額缺口增加到下個月的碳配額需求中。預(yù)測流程見圖3。

圖3 碳排放和碳交易預(yù)測流程

5 結(jié)束語

本文研究了油氣公司如何利用物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建一個智能化、自動化、透明化的超級碳賬本?；诳尚诺奶假~本，公司可以隨時了解各部門各環(huán)節(jié)的碳排放記錄，可以對碳排放情況進行針對性優(yōu)化。同時，區(qū)塊鏈的追蹤溯源特性也使得公司自動生成的碳排放報告具有極高可信度，方便碳排放管理部門和第三方核查機構(gòu)的核查?；诳尚诺奶寂欧艛?shù)據(jù)，公司可以設(shè)定自身的減排目標(biāo)和方案。