预测全国手机耗电量的增长趋势

沈阳航空航天大学 朱全发 严伟华 伍美香 谢伟涛 罗蒙浩 朱丽梅

1.引言

科技的发展和人民生活水平的提高促使我国的手机用户数迅速增长。据工业与信息化部发布的最新数据，2012年我国手机用户已经达到11亿户。近年来智能手机[1]开始走俏，该类手机强大的功能备受广大使用者的青睐，也使每部手机每天的耗电量迅猛增加。在以煤炭和石油等不可再生能源为主要能源的中国，在节能环保已经成为全人类共识的今天，预测手机消耗能源的未来趋势，显然是十分有现实意义的。

手机与能源消耗方面的研究有很多。王硕，张宝玲等[3]探讨了在手机逐步替代固定电话的过程中能源消耗的增长态势，该研究是以一个假定的城市为基础进行的，研究结果缺乏代表性。魏强从最低能耗的角度，采用定量分析方法和数学建模方法研究了手机和固定电话的合理的市场占有率[4]，在固定电话只在极窄范围内使用的今天，此研究结果显然不能代表当前手机耗能的主体。王振飞[5]运用一元线性回归模型预测全国手机用户数量在未来五年内的变化发展状况，并在此基础上建立手机电能浪费模型计算出电能浪费的总量。熊树明[6]论述了信息通讯中的能源消耗问题。。以上研究都是从微观的角度探讨能源消耗问题，缺乏对该问题的全局性把握。

该文直接引用朱全发，严伟华，谢伟涛在沈阳航空航天大学大学生创新训练计划项目中取得的全国手机用户总数的预测结果和智能手机用户数的预测结果，并采用问卷调查的方式，掌握了人们使用手机的习惯的第一手资料，继而对当今备受广大使用者的青睐的智能手机予以专门讨论。 该文不去细究手机的某种功能使手机耗能的增加量，也不去细究人们的某一种使用习惯对手机耗能的影响，而是从宏观的角度分析问题，全局性地探讨手机消耗能源问题。灵活运用结构映射(structuremapping)的理论，类比计算机的发展历程，提出了估计每部手机每天耗电量发展趋势的方法；最后建立模型计算出了未来几年全国手机每年消耗电能的趋势。

2.估计每部手机每天的耗电量

2.1 问题的提出及分析

表1 每部智能手机每天的耗电量

表2 每部功能手机每天的耗电量

鉴于人们使用不同类别的手机时对耗电量的差别。我们采用调查问卷的形式来获得必要的信息。我们先后在南京大学，沈阳航空航天大学，河南省建府酒业，中共方城县委，方城县中医院等多家企事业单位对人们使用手机的情况进行调查，获得了宝贵的第一手资料。对数据进行整理，得出当前不同年龄段的人群使用智能手机时，每部智能手机每天的耗电量，见表1所示；当前不同年龄段的人群使用功能手机时，每部功能手机每天的耗电量，见表2所示。

要预测未来中国正在被使用的所有手机的耗电量，我们必须知道未来每部手机每天的耗电量。目前我们仅仅能通过调查问卷获得当下人们使用手机的情况，估计当下每部手机每天的耗电量，而不知道未来人们使用手机的情况，也不能通过常规的数学方法来计算出这些数据。

我们广泛的查阅文献[7]，最后引入了结构映射(structure-mapping)理论[7]。该理论是Gentner.D在1983年提出的，其基本思想是，类比中最关键因素是源类比物与特征类比物之间的联系。要实现这种联系，必须具备三个特征：一是结构连续性，即形成平行结构和一对一的对应关系。前者需要关系和主题的共同匹配，后者要求表征内的每个要素都要与另一表征内的要素形成匹配。二是以关系为中心性，即它要求类比物必须包括共同的关系而不是共同特征。三是系统性，即趋向于形成关系体系的匹配。

依据结构映射(structure-mapping)理论作为理论基础，引入发展已经成熟的计算机的发展史作为特征类比物，建立数学模型。

2.2 建立数学模型

2.2.1 确定决定手机耗电量的本质特性

图1 决定确定手机耗电量的本质特性

2.2.2 确定影响手机耗电量的本质属性的发展趋势

图2 确定影响手机耗电量的本质属性的发展趋势

2.2.3 由手机的本质属性的发展趋势反推手机耗电量的增长趋势

图3 反推手机耗电量的增长趋势

2.3 模型的分析求解

2.3.1 确定决定手机耗电量的本质特性

(a)手机的耗电量来自于两大方面

第一，待机状态下，操作系统本身的耗电量；第二，人们使用手机丰富多彩的功能时的耗电量。

(b)手机的操作系统与手机可以实现的功能的关系综合(a),(b)的分析，可以得到如下的结论：

图4 手机的操作系统决定了手机的耗电量

手机所配备的操作系统对它们可以实现的功能起着至关重要的作用，配备什么样的操作系统决定了手机可以实现有多么复杂程度的功能，见表3所示。

2.3.2 确定手机操作系统的发展趋势

由以上的分析可知，手机的操作系统与手机的耗电量直接相关，手机的耗电量随着手机的操作系统的革新而变化。功能手机是指已经在人们的意识中被固化了的，且它的耗能已不占主体，具备低端操作系统的一类手机，可以认为功能手机的操作系统不发生变化；那么智能手机的操作系统会有什么样的变化呢？现以发展已经成熟的计算机的操作系统的发展史作为特征类比物，根据结构映射理论，建立预测智能手机的操作系统的变化数学模型。表4所示为计算机与手机的操作系统的对比。

现在人们所熟知的，诸如windows，这样的经典的电脑操作系统，已经有将近三十年的历史了。以功能强大的操作系统作为载体容纳各种各样应用程序的使用方式展现了强大的生命力，现今依然占据统治地位。如今，智能手机的操作系统已经与计算机几乎完全一样了，随着科技的进步，在未来的十年中智能手机的功能将会增多，人机界面会更加人性化，但是智能手机的操作系统将不会发生本质变化。

2.3.3 由手机的本质属性的发展趋势反推手机耗电量的增长趋势

图5 反推手机耗电量的增长趋势

综上所述，智能手机的操作系统在未来不会发生本质的变化，所以我们可以认为未来十年内每一部智能手机每一天的耗电量不会发生较大变化；功能手机的操作系统不发生变化，忽略科技的进步对功能手机耗电量的影响，那么可以认为未来每一部功能手机每一天的耗电量也不会发生变化。

3.预测未来几年全国手机每年的耗电量

3.1 问题分析

事实上，智能手机用户每天耗电量与用户年龄有密切关系，据艾媒咨询的数据[18]，中国智能手机用户年龄分布如图6所示。

依据表1、表2，再考虑到年龄因素，我们做出两类手机不同的年龄段用户每天耗电量的对比图7，由图7可见，在五个不同年龄段中，每一部智能手机每一天的耗电量呈现出年龄越大，耗电量越少的较明显趋势；而在不同的年龄段中，功能手机的耗电量大致相同。

图6 智能手机用户年龄分布图

3.2 建立计算每年手机耗电量的模型

(A)平均每部智能手机每天的耗电量

其中，Ai表示第i个年龄段中每一部智能手机每天的耗电量，Pi表示第i个年龄段中的智能手机用户占总智能手机用户数的百分比。

(B)平均每部功能手机每天的耗电量

其中，Bj表示第i个年龄段中每一部功能手机每天的耗电量。

(C)全国所有的手机第j年的耗电量

其中，kj表示在第j年全国所有手机的耗电量；Mj表示在第j年全国总的手机用户数；Nj表示在第j年全国智能手机用户数。

3.3 模型的求解和结果的分析

计算出每年全国手机的耗电量的预测值，并且折合为人们在统计能源消耗量时常用的单位万吨标准煤，以符合人们的习惯，如表5所示(单位：万吨标准煤)。

用Excel做出从2012年至2020年的中国手机耗能增长趋势的折线图(如图8所示)。

图7 手机耗电量的对比图

图8 全国手机耗能量增长趋势的预测值

从2012年到2020年，中国手机耗能量将以年均12.5%的高速增长，到2020年达到最高点，如图8。考虑到未来几年中智能手机价格的下降、人们收入水平的提高、智能手机功能的进一步拓展、电池储能技术的进步以及智能手机与平板电脑的结合等新趋势，未来几年中每年实际的手机耗电量会比预测值偏高，每年耗能量的最高点将会提前到来。

表3 手机的操作系统与手机可以实现的功能的关系

表4 计算机与手机的操作系统的对比

表5 全国手机耗能量的预测值

4.结语

本文不拘一格，综合运用多种方法，建立了预测手机耗能方面的两个数学模型，并逐步进行分析。结果表明：从2012年到2020年，中国手机消耗的电能将以年均12.5%的高速增长，到2020年达到最高点。考虑到智能手机功能的进一步拓展，电池储能技术的进步，以及人口的增长等因素，未来几年实际的手机消耗电能将会比预测值偏高。

[1]智能手机.百度百科(baike.baidu.com),2012,9.

[2]功能手机,百度百科(baike.baidu.com),2012,9.

[3]王硕,张宝玲.电话与能源消耗的数学研究[J].科技创新导报,2010(30):254.

[4]魏强.基于最低能耗考虑的在饱和市场中手机与固定电话占有率的模型研究[J].现代营销,2011(1):95.

[5]王振飞.数学建模方法在手机待机能耗问题中的运用[J].硅谷,2009(12):34-35.

[6]熊树明.信息通讯中的能源消耗问题[J].世界科技研究与发展,2006(6):103-104.

[7]贾金宁.类比推理中关系匹配的优势效应[D].开封:河南大学教育科学学院,2009.