區(qū)域可再生能源規(guī)劃仿真模型研究

劉 貞，張希良

（1.重慶理工大學(xué) 工商管理學(xué)院，重慶 400054；2.清華大學(xué) 能源環(huán)境經(jīng)濟研究所，北京 100084）

0 引言

系統(tǒng)分析的主要目的是明確要解決的問題是什么，對所要解決的問題是否有可行的解決方案，用戶對系統(tǒng)的基本需求有哪些、附加需求有哪些，在此基礎(chǔ)之上確定目標系統(tǒng)應(yīng)具有哪些功能[1]。

區(qū)域可再生能源規(guī)劃模型基本原理：不同政策、不同時期的項目成本和環(huán)境外部價值對成本曲線產(chǎn)生影響，其交叉點為不同時期的可再生能源規(guī)劃模型的成本最優(yōu)量。

區(qū)域可再生能源規(guī)劃模型系統(tǒng)流程[2]：（1）依據(jù)資源特征、技術(shù)特性、資本等求解不同項目的可再生能源單位度量成本；（2）依據(jù)單位度量成本，年能源產(chǎn)能形成各種可再生能源技術(shù)成本曲線；（3）各時期各種可再生能源規(guī)模及可再生能源結(jié)構(gòu)；（4）可再生能源優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域及項目布局；（5）可再生能源總投資及政策成本分析；（6）社會效益分析。

結(jié)合規(guī)劃和能源分布現(xiàn)狀的實際情況，利用現(xiàn)有的條件設(shè)計與開發(fā)基于（Client/Server）C/S的新能源規(guī)劃系統(tǒng)。

1 規(guī)劃系統(tǒng)框架技術(shù)

1.1 C/S體系結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)連接模式中,除對等網(wǎng)外,還有另一種形式的網(wǎng)絡(luò)，即客戶機/服務(wù)器網(wǎng)，Client/Server。在客戶機/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，而客戶機是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，客戶機依靠服務(wù)器獲得所需要的網(wǎng)絡(luò)資源，而服務(wù)器為客戶機提供網(wǎng)絡(luò)必須的資源。這里客戶和服務(wù)器都是指通信中所涉及的兩個應(yīng)用進程（軟件）。使用計算機的人是計算機的“用戶”（user）而不是“客戶”（client）。但在許多國外文獻中，也經(jīng)常把運行客戶程序的機器稱為client（這種情況下也可把client譯為“客戶機”），把運行服務(wù)器程序的機器稱為server。所以有時要根據(jù)上下文判斷client與server是指軟件還是硬件。它是軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，通過它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷。目前大多數(shù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)都是Client/Server形式的兩層結(jié)構(gòu)，由于現(xiàn)在的軟件應(yīng)用系統(tǒng)正在向分布式的Web應(yīng)用發(fā)展，Web和Client/Server應(yīng)用都可以進行同樣的業(yè)務(wù)處理，應(yīng)用不同的模塊共享邏輯組件；因此，內(nèi)部的和外部的用戶都可以訪問新的和現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)，通過現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)中的邏輯可以擴展出新的應(yīng)用系統(tǒng)。這也就是目前應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1.2 C#、.NET技術(shù)

（1）NET Framework簡介

ASP.NET是Microsoft.NET結(jié)構(gòu)的一部分，其中NET Framework是Microsoft.NET的核心，它區(qū)隔了操作系統(tǒng)和所有NET開發(fā)出來的應(yīng)用程序，目的是要將所有以NET開發(fā)出來的應(yīng)用程序順利地移植到更多硬件平臺或操作系統(tǒng)。

NET Framework是一個安全、高性能與擴展性佳的運行環(huán)境，支持統(tǒng)一的類庫如Visual Basic、Visual C#、Visual C++等.NET兼容的語言調(diào)用。NET Framework分為三個結(jié)構(gòu)層，如圖1示:

底層是一個通用語言運行環(huán)境(Common Language Runtime,簡稱CLR)，除負責(zé)運行程序外，還要提供內(nèi)存管理、線程管理（thread management）、安全管理、版本管理、異常處理、通用類型系統(tǒng)（Common Type System,簡稱CTS）與生命周期監(jiān)控等核心服務(wù)。

圖1 NET結(jié)構(gòu)

中間那層是NET Framework類庫，提供了許多類和接口，例如ADO.NET、XML、IO、網(wǎng)絡(luò)、調(diào)試、安全、多線程等。NET Framework是以命名空間（namespace）的方式來組織類庫，命名空間和類庫的關(guān)系就像文件系統(tǒng)中的目錄和文件的關(guān)系一樣，例如，專門用來處理XML文檔的XML類是隸屬于System命名空間。

最上層是用戶接口和應(yīng)用程序接口，其中“Win Forms”是全新的窗口應(yīng)用程序接口，而“Web Forms”與“Web服務(wù)”則組成了全新的因特網(wǎng)應(yīng)用程序接口，.NET Framework將之稱為“ASP.NET”。

（2）C#簡介

C#編程語言是由微軟公司的Anders Hejlsberg和Scott Willamette領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)小組專門為.NET平臺設(shè)計的語言，它可以使程序員移植到.NET上。這種移植對于廣大的程序員來說是比較容易的，因為C#從C，C++和Java發(fā)展而來，它采用了這三種語言最優(yōu)秀的特點，不僅具有封裝、繼承和多態(tài)性等特點，并加入了它自己的特性，它能較好的適應(yīng)軟件工程的需要，是目前主流開發(fā)開發(fā)射虎語言之一，C#是事件的驅(qū)動的，完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言，我們可以使用集成開發(fā)環(huán)境來編寫C#程序。使用IDE，程序員可以方便的建立，運行，測試和調(diào)試C#程序，這就將開發(fā)一個可用程序的時間減少到不用IDE開發(fā)時所用時間的一小部分。使用IDE迅速建立一個應(yīng)用程序的過程稱為快速反映開發(fā)。

1.3 Access數(shù)據(jù)庫

Access是微軟公司推出的基于Windows的桌面關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS），是Office系列應(yīng)用軟件之一。它提供了表、查詢、窗體、報表、頁、宏、模塊7種用來建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的對象；提供了多種向?qū)?、生成器、模板，把?shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、界面設(shè)計、報表生成等操作規(guī)范化；為建立功能完善的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了方便，也使得普通用戶不必編寫代碼，就可以完成大部分數(shù)據(jù)管理的任務(wù)。之所以選擇Access數(shù)據(jù)庫，是因為它具有以下特點：

（1）Access是一個中、小型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，適合于開發(fā)中、小型管理信息系統(tǒng)。

（2）Access又是一個完全面向?qū)ο?，采用事件?qū)動機制的最新關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用與開發(fā)更加便捷、靈活。

（3）Access是一個同時面向數(shù)據(jù)庫最終用戶和數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

（4）Access是一個典型的開放式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過ODBC(開放式數(shù)據(jù)庫互連)能與其它數(shù)據(jù)庫(例如，Oracle、Sybase、Visual FoxPro等)相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享。

（5）Access作為Microsoft Office套裝辦公軟件專業(yè)版的一個組件，承擔(dān)了數(shù)據(jù)處理、查詢和管理的責(zé)任。它與Excel、Word、PowerPoint等辦公軟件進行數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)共享更加容易，構(gòu)成了一個集文字處理、圖表生成和數(shù)據(jù)管理于一體的高級綜合辦公平臺。

（6）Access支持多媒體的應(yīng)用與開發(fā)。

（7）Access內(nèi)置了大量的函數(shù)，其中包括數(shù)據(jù)庫函數(shù)、算術(shù)函數(shù)、文本函數(shù)、日期／時間函數(shù)、財務(wù)函數(shù)等。

（8）Access提供了許多宏操作。宏操作在用戶不介入的情況下能夠執(zhí)行許多常規(guī)的操作。用戶只要按照一定的順序組織Access提供的宏操作，就能夠?qū)崿F(xiàn)工作的自動化。

（9）Access提供了宏語言VBA（Visual Basic for Application），允許用戶通過編程的方式完成較復(fù)雜的任務(wù)。

2 規(guī)劃系統(tǒng)分析

2.1 可行性分析

（1）技術(shù)可行性。使用.NET技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。首先，利用.NET技術(shù)可以基于Windows的應(yīng)用程序開發(fā)，即可以實現(xiàn)基于C/S模式的信息系統(tǒng)的開發(fā)；其次，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù) 可以對實施能源規(guī)劃的人員主體、客體信息進行統(tǒng)一管理，從而可以實現(xiàn)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的交互。

（2）操作可行性。系統(tǒng)界面設(shè)計簡潔、友好，綜合考慮參與所有教學(xué)督導(dǎo)工作人員對計算機的掌握能力，方便各類用戶進行操作。

（3）效果可行性。系統(tǒng)實用性強，設(shè)計過程中結(jié)合實際工作要求，盡量減少有關(guān)人員手工勞動，發(fā)揮計算機善于處理大量數(shù)據(jù)的特長。例如，該系統(tǒng)可以根據(jù)規(guī)劃人員設(shè)定的情景模式和當前資源的信息情況自動生成最有規(guī)劃情景等等。這樣就使得整個規(guī)劃工作的開展更加順利。

2.2 需求分析

2.2.1 使用對象分析

該系統(tǒng)的使用對象為所有規(guī)劃人員，此外還有對整個系統(tǒng)進行維護的系統(tǒng)管理員。

2.2.2 系統(tǒng)管理員工作流程分析

系統(tǒng)管理員負責(zé)對系統(tǒng)中涉及的所有的信息（包括各類用戶的信息和規(guī)劃信息等等）進行維護，使得整個系統(tǒng)能夠正常地運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)管理員的工作流程圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)管理員工作流程圖

2.2.3功能需求分析

通過文獻查詢分析，確定系統(tǒng)的基本目標是基于Windows桌面應(yīng)用程序，對整個能源規(guī)劃流程進行設(shè)計，并對能源的信息進行錄入、查詢、統(tǒng)計分析，從而為的能源開發(fā)工作提供準確的數(shù)據(jù)信息并是整個新能源開發(fā)工作更為高效的執(zhí)行。

經(jīng)對咨詢結(jié)果的分析，確定系統(tǒng)初步應(yīng)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備、資源現(xiàn)狀信息錄入、靜態(tài)成本和動態(tài)成本曲線生成、投資和供應(yīng)分析查詢、情景模式設(shè)計、規(guī)劃目標分解和規(guī)劃評價等基本功能，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對新能源開發(fā)的具體規(guī)劃方案的實施。

2.2.4 數(shù)據(jù)需求分析

數(shù)據(jù)需求主要包括：

（1）組織（組織編號，省份名，市名，縣市名）；

（2）生物質(zhì)能資源（所屬種類，作物類別，單位，草谷比，剩余比，折算率）；

（3）地?zé)崮苜Y源（編號，種類，熱容，采收率）；（4）小水電（名稱，水體容重，換算系數(shù)）；

（5）太陽能資源（編號，名稱，利用率，折算系數(shù)）；

（6）風(fēng)能資源（月份，折算系數(shù)）；

（7）海洋能資源（編號，種類，海水密度，重力加速度，折算系數(shù)）；

(8)項目數(shù)據(jù)（組織編號，項目編號，項目名稱，技術(shù)類別，裝機總?cè)萘?，滿負荷上網(wǎng)時間，項目周期，設(shè)備費用，其他費用，稅率，折舊率，工作人員數(shù)量，人均年收入，材料量，材料單價，平均維護費用，邊際回報率，單位電力成本，產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)約束成本，生產(chǎn)噸標煤量，是否已開發(fā)標志位）；

(9)資源評價數(shù)據(jù)信息（組織編號，資源種類名稱，標準煤）；

(10)技術(shù)信息（編號，種類）；

(11)技術(shù)評價數(shù)據(jù)信息（技術(shù)種類，2010year，2015year，2020year，2025year，2030year，提供產(chǎn)品）；

(12)情景設(shè)計外部成本數(shù)據(jù)（情景編號，成本類型，2010year，2015year，2020year，2025year，2030year）；

(13)情景設(shè)計規(guī)劃目標數(shù)據(jù)（情景編號，產(chǎn)品類型，2010year，2015year，2020year，2025year，2030year）；

(14)基本現(xiàn)狀信息（組織編號，組織名稱，GDP，人口數(shù)量，消費總量，資源總量）；

(15)項目分解結(jié)果數(shù)據(jù)信息（組織編號，組織名稱，分配份額）；

(16)規(guī)劃評價結(jié)果數(shù)據(jù)信息（情景編號，年份，經(jīng)濟投資，提供就業(yè)崗位，減排二氧化碳量，減排二氧化硫量）；

(17)系統(tǒng)管理員（用戶名，密碼，聯(lián)系方式，電子郵件）。2.2.5軟硬件需求分析

通過對全校各個學(xué)院、各個教研室教師電腦使用情況的調(diào)查結(jié)果，使用電腦配置全部為128M以上內(nèi)存，40G以上硬盤，操作系統(tǒng)均為Windows XP及以上版本，辦公軟件為Office 2000以上版本，瀏覽器為Internet Explorer 6.0以上版本。因本系統(tǒng)采用基于Microsoft.NET環(huán)境的C/S開發(fā)模式，用戶上述軟硬件情況完全可以滿足訪問系統(tǒng)的要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

系統(tǒng)以能源開發(fā)為研究對象，以能源信息需求為基礎(chǔ)，在新能源技術(shù)指標和數(shù)據(jù)庫管理等理論指導(dǎo)下，依據(jù)統(tǒng)一規(guī)范和數(shù)據(jù)格式，以C#，.NET技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)為支撐建立起來的。其基本目標是：

(1)建立各省市縣能源現(xiàn)狀開發(fā)信息基本數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對能源信息的統(tǒng)一管理；

(2)根據(jù)各省市縣能源現(xiàn)狀信息，生成餅圖信息，實現(xiàn)對各市縣能源量的對比，為規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持；

(3)通過系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計，最終為新能源規(guī)劃等決策提供信息支持。

3.2 設(shè)計原則

根據(jù)工作具體要求，系統(tǒng)設(shè)計遵循以下原則：

(1)保證數(shù)據(jù)的有效性、完整性和安全性。由于本系統(tǒng)關(guān)系到整個能源規(guī)劃開發(fā)工作的正常運行，任何事物都可能對能源規(guī)劃的最終結(jié)果造成較大的影響，因此，整個系統(tǒng)的正常運行，對規(guī)劃工作的正常運轉(zhuǎn)意義重大。為此，數(shù)據(jù)的有效性、完整性和安全性極為重要。系統(tǒng)應(yīng)當具有較強的數(shù)據(jù)校驗功能，對于隱含的數(shù)據(jù)錯誤能夠及時發(fā)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

(2)易于管理?？紤]到使用部門對計算機的掌握能力，系統(tǒng)設(shè)計需要簡單方便，易于操作。

(3)實用性強。結(jié)合實際工作要求，盡量減少有關(guān)人員手工勞動，發(fā)揮計算機善于處理大量數(shù)據(jù)的特長，使規(guī)劃人員能夠很輕松的完成規(guī)劃流程，得出規(guī)劃結(jié)果。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對能源規(guī)劃的需求分析，采用模塊化設(shè)計技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計，以微軟公司Microsoft Visual Studio 2008簡體中文專業(yè)版為平臺，以C#.NET技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫為服務(wù)器端構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

采用模塊設(shè)計確定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，模塊化是將一個系統(tǒng)分解為若干個標準化的構(gòu)建或模塊，再按照一定的要求采用一定的方法組合成各種各樣的集合體，以達到便于組裝、更換和使用的目的。采用模塊化設(shè)計能使系統(tǒng)性能顯著提高，主要表現(xiàn)在靈活性增大、適應(yīng)性增強、可靠性提高。在功能分析的基礎(chǔ)上該系統(tǒng)主要由以下模塊組成：

(1)規(guī)劃輸入模塊。規(guī)劃輸入規(guī)劃工作開展的前提，而規(guī)劃的制定要依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如省份縣市信息，資源現(xiàn)狀信息、開發(fā)現(xiàn)狀信息、開發(fā)技術(shù)信息、開發(fā)潛力信息和情景設(shè)計信息等。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。本模塊主要是可以根據(jù)省份、市、縣來統(tǒng)計資源等相關(guān)信息，并且可以將各縣市的數(shù)據(jù)以餅圖的形式進行對比，根據(jù)資源開發(fā)信息和技術(shù)評價信息生成靜態(tài)成本曲線和動態(tài)成本曲線。

(3)規(guī)劃評價模塊。根據(jù)設(shè)定的情景模式和默認的最優(yōu)經(jīng)濟情景生成規(guī)劃評價結(jié)果：經(jīng)濟效益評價、環(huán)境效益評價和社會效益評價。

(4)用戶自助模塊。為方便系統(tǒng)中所有的用戶對自己個人信息的管理，本模塊提供給系統(tǒng)所有用戶的個人信息查詢、修改及密碼修改的功能。

(5)系統(tǒng)維護模塊。本模塊提供對系統(tǒng)組織數(shù)據(jù)信息，資源數(shù)據(jù)信息，技術(shù)數(shù)據(jù)信息等的維護功能。

4 結(jié)論

通過區(qū)域可再生能源規(guī)劃實施模型實現(xiàn)：

（1）資源評價：對生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能、小水電、地?zé)?、海洋能資源進行綜合評價，得到各種可再生能源總量及結(jié)構(gòu)比例。

（2）開發(fā)現(xiàn)狀評價：對當前可再生能源開發(fā)現(xiàn)狀進行評價，得到當前各種可再生能源及技術(shù)的開發(fā)總量及結(jié)構(gòu)比例。

（3）技術(shù)評價：對當前及未來各種可再生能源技術(shù)進行評價，生成各種可再生能源的成本下降率曲線。

（4）開發(fā)潛力評價：對可再生能源的開發(fā)潛力進行評價。輸出未來可開發(fā)利用的各種可再生能源總量及各種可再生能源技術(shù)總量。

（5）生成動態(tài)成本曲線模型：分別生成供電、供熱、供氣、供油四類可再生能源動態(tài)成本曲線。

（6）對供應(yīng)分析：給定不同的地區(qū)，依據(jù)單位開發(fā)成本對不同可再生能源技術(shù)的進行排序。

（7）對投資分析：給定不同的可再生能源技術(shù)，依據(jù)開發(fā)技術(shù)單位成本對不同的地區(qū)進行排序。

（8）規(guī)劃情景設(shè)定：按常規(guī)情景、促進情景和最優(yōu)情景，由規(guī)劃人員輸入給定年份的指標。

（9）規(guī)劃評價：選擇給定規(guī)劃目標和給定規(guī)劃年限，得到給定年限的各種可再生能源結(jié)構(gòu)比例、各種可再生能源的投資總量、就業(yè)人口、碳減排總量及污染物減排總量。

（10）目標分解與實施：選擇目標分解方式，給出不同地區(qū)的可再生能源發(fā)展總量，從而把省級規(guī)劃目標分解到具體的地區(qū)和市縣。

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