我國(guó)能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)機(jī)制的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真

李 爽，湯嫣嫣，劉 倩（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

我國(guó)能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)機(jī)制的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真

李 爽，湯嫣嫣，劉 倩
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化發(fā)展階段，能源安全的維護(hù)與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成為兩個(gè)亟待解決的課題。文章在對(duì)能源安全和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和方法，對(duì)我國(guó)能源安全和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行了模擬和分析。最后得出結(jié)論：改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對(duì)能源消費(fèi)量有決定性的影響，進(jìn)而影響能源安全；從能源供給角度來(lái)降低能源缺口，提高能源安全度，同時(shí)影響能源強(qiáng)度進(jìn)而對(duì)各種能源的消費(fèi)量產(chǎn)生作用，以達(dá)到改善能源結(jié)構(gòu)的目的。

能源安全；能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)；關(guān)聯(lián)機(jī)制；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

［DOI］10.3969/j.issn.1007-5097.2015.08.014

一、引 言

能源是一切社會(huì)發(fā)展、人類進(jìn)步的物質(zhì)來(lái)源，也是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)順利發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ)，各行各業(yè)的現(xiàn)代化都依賴于能源的供給與消耗。由于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展高度依賴于能源，只有充足的能源才能讓國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到保障，因此，保證國(guó)家能源安全是決策者發(fā)展經(jīng)濟(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮的條件之一［1］。而我國(guó)能源安全現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，很大程度上是由于不合理的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)造成的［2］，因此，當(dāng)下甚至是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，中國(guó)制定且執(zhí)行能源戰(zhàn)略的核心將會(huì)是：調(diào)整與優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)［3］?？偠灾?，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化是保障我國(guó)能源安全的首要問(wèn)題［4］。

能源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)作為其中兩個(gè)重要的組成部分，可以被認(rèn)為是能源系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)。而能源安全和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的影響因素也有很多，其中部分因素分別可以與二者構(gòu)成線性關(guān)系，其他則可能與之構(gòu)成非線性關(guān)系。另外，這些影響因素與能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的數(shù)量關(guān)系也不一定顯著，因此，能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)機(jī)制系統(tǒng)也是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)［5］。

收稿日期：2015-04-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71440005）；教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目（12YJA630063）；江蘇省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（10GLB001）

作者簡(jiǎn)介：李 爽（1978-），女，江蘇徐州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：安全管理，能源經(jīng)濟(jì)；

湯嫣嫣（1992-），女，福建寧德人，碩士研究生，研究方向：能源經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域；

劉 倩（1989-），女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：能源經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

二、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

本文建立能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)生關(guān)聯(lián)機(jī)制的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，主要是為了通過(guò)模擬研究系統(tǒng)內(nèi)各主要影響因素，并分析其與能源安全、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)之間的作用機(jī)制，從而為我國(guó)能源安全、能源優(yōu)化、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與改善提供政策支持。

（一）因果分析

本模型主要是由九個(gè)因素構(gòu)成，分別是能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、二氧化碳排放量、能源價(jià)格、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口數(shù)量、能源安全、能源生產(chǎn)、能源強(qiáng)度和國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

能源安全、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)分別有許多其各自的影響因素，如圖1所示。本模型采用能源缺口來(lái)體現(xiàn)能源安全，能源缺口由能源供給總量與能源消耗總量的差值得到，能源缺口的數(shù)值越大，則表示能源安全程度越低。能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)通過(guò)GDP與能源強(qiáng)度聯(lián)結(jié)起來(lái)，構(gòu)成反饋回路。

圖1 因果關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

由圖1可看出以下三條主要反饋回路：

（1）能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)→能源消費(fèi)量→能源缺口→GDP→能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

（2）能源消費(fèi)量→能源缺口→GDP→能源強(qiáng)度→能源消費(fèi)量

（3）能源缺口→GDP→能源固定資產(chǎn)→能源產(chǎn)出→能源缺口

以上三條反饋回路中，第一和第三條為正反饋回路，第二條為負(fù)反饋回路。由于本系統(tǒng)中存在負(fù)反饋回路，因此，能源缺口和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出波動(dòng)性的變化。

對(duì)上文三條反饋回路作如下分析：

（1）優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，能源消費(fèi)量減小，能源缺口減小，GDP上升，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（2）能源消費(fèi)量上升，能源缺口增大，GDP下降，能源強(qiáng)度增強(qiáng)，能源消費(fèi)量降低。

（3）能源缺口增加，GDP下降，能源固定資產(chǎn)降低，能源產(chǎn)出下降，能源缺口增大。

（二）參數(shù)確定

本文模型中的變量值主要用以下三種方法來(lái)確定：回歸分析法，平均值法和表函數(shù)法。

根據(jù)1999-2013年間中國(guó)工業(yè)增加值與GDP值，回歸分析，聯(lián)立二者的回歸方程，得到：GDP= 2.337×工業(yè)增加值+33 681.341；同樣，對(duì)1999年至2013年間能源產(chǎn)出與能源固定資產(chǎn)數(shù)值進(jìn)行回歸分析，得到：能源產(chǎn)出=-30.512×能源固定資產(chǎn)+投入系數(shù)。

通過(guò)平均值法確定的變量有：出生人口、死亡人口、工業(yè)固定資產(chǎn)投資比例、能源固定資產(chǎn)投資比例、GDP對(duì)能源強(qiáng)度影響。

運(yùn)用表函數(shù)表示的變量有：人均生活消費(fèi)量影響因子、煤炭?jī)r(jià)格影響因子、天然氣比例影響因子、石油比例影響因子、第三產(chǎn)業(yè)比重變化影響因子、重工業(yè)比重變化影響因子、能源進(jìn)口影響因子。

本文模型中變量的函數(shù)關(guān)系如下［6-10］：

（1）GDP=2.337×IAV+33 681.341

（2）ISAESE=0.015×TIPC-0.03×HIPC

（3）TP=INTEG（BP-DP）.

（4）PCLC=PCLCIF（Time）

（5）NGP=NGPIF（Time）

（6）NGC=GDP×ES×NGP

（7）RCC=0.33×RLC

（8）RLC=PCLC×TP

（9）RPC=0.13×RLC

（10）IFA=INTEG（IFAI-IFAD）

（11）IFAI=GDP×IFAIP

（12）IFAD=IFA/10

（13）IAV=IFA×IUPFA

（14）CP=CPIF（Time）

（15）CC=RCC+PCC

（16）PCP=0.78-0.0004×CP

（17）PCC=GDP×ES×PCP

（18）PEP=1-NGP-PCP-OP

（19）PEC=GDP×ES×PEP

（20）PC=RPC+PEC

（21）OP=OPIF（Time）

（22）OC=GDP×ES×OP

（23）TIPC=TIPCIF（Time）

（24）EO=-30.512×EFA+IC

（25）EFA=INTEG（EFAI-EFAD）

（26）EFAI=GDP×EFAIP

（27）EFAD=EFA/10

（28）ES=INTEG（-ESD）

（29）ESD=ISAESE+HEPESE+TPESE-0.08×GDP×GIEI/1e+006+0.075

（30）TES=EO+EI

（31）TEC=CC+OC+NGC+PC

（32）EG=TES-TEC

（34）EI=EIIF（Time）

模型所涉及的變量及縮寫如表1所示。

表1 模型變量表

（三）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖

根據(jù)能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的模型結(jié)構(gòu)圖和因果關(guān)系圖，本研究運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Ven? sim5.10建立起能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)生關(guān)聯(lián)機(jī)制的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖

三、模型檢驗(yàn)

本研究驗(yàn)證時(shí)間段為1999-2013年，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。圖3分別為生產(chǎn)能源消費(fèi)量、石油消費(fèi)量、天然氣消費(fèi)量以及能源產(chǎn)出的模擬曲線。表2體現(xiàn)了仿真值與實(shí)際值之間的誤差，可以看出，所有誤差都在10%以內(nèi)。

表2 主要變量歷史檢驗(yàn)結(jié)果表

圖3 模擬曲線

四、模型的模擬仿真

由上文的因果反饋環(huán)和最終制成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖可知道，能源安全與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是因果關(guān)系。

（1）依據(jù)能源消費(fèi)比例進(jìn)行調(diào)控，觀測(cè)能源缺口的變化情況，在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不同的情況下，觀察能源安全的變動(dòng)情況。

能源結(jié)構(gòu)中，煤炭和石油的高比例消耗是使碳排放居高不下的主要原因，因此，降低二者在消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，使用天然氣和開發(fā)出新能源進(jìn)行發(fā)電將會(huì)是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向［11］（見表3）。模型將能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中天然氣的使用比例提高5%，電力比重提高5%，并將煤炭的價(jià)格提高5%，從而實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)比重降低的目的。

表3 自然發(fā)展和低碳模擬型情景設(shè)置

兩種情境下模擬，得到觀察變量模擬值，如表4和圖4所示。

表4 兩種情景模擬下能源缺口值

圖4 兩種情景的能源缺口模擬對(duì)比

從圖4可以直觀看到，增加天然氣和電力的消費(fèi)比例，并調(diào)高煤炭?jī)r(jià)格之后，能源缺口的整體趨勢(shì)為下降，并有小幅波動(dòng)，遠(yuǎn)小于自然趨勢(shì)下先大幅升高后持平的能源缺口量。適度調(diào)整能源消費(fèi)比例能夠大幅改變能源缺口的發(fā)展水平，從而實(shí)現(xiàn)顯著提升我國(guó)能源安全的目的。

（2）根據(jù)能源供給角度進(jìn)行調(diào)控，增加能源固定資產(chǎn)投資比例，從而使能源的產(chǎn)出增加，從而使能源缺口減小，觀察此時(shí)煤炭消費(fèi)量和電力消費(fèi)量的變化，分別從化石能源和非化石能源兩個(gè)方面觀察出能源消費(fèi)比例的變動(dòng)情況。

將能源固定資產(chǎn)投資比例提高5%，來(lái)實(shí)現(xiàn)增加能源供應(yīng)的目的。同樣對(duì)自然發(fā)展情形和供給調(diào)整情形進(jìn)行對(duì)比分析，具體參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 自然發(fā)展和供給調(diào)整型情景設(shè)置

具體變化結(jié)果如表6、圖5和圖6所示。

表6 兩種模擬下數(shù)據(jù)對(duì)比

情景2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050供給發(fā)展煤炭消費(fèi)量220958 232005 265645 302835 351288 418033 459837 510419 571669電力消費(fèi)量27945 30740 34120 39228 44338 52319 60167 67388 74800自然調(diào)整煤炭消費(fèi)量220958 223569 247896 263650 301256 368904 402578 443698 501230電力消費(fèi)量27945 32658 38560 44985 50629 68530 76530 86452 98657

圖5 兩種情景的煤炭消費(fèi)量模擬對(duì)比圖

圖6 兩種情景的電力消費(fèi)量模擬對(duì)比

根據(jù)以上模擬數(shù)據(jù)與趨勢(shì)圖結(jié)果顯示，提高能源固定資產(chǎn)投資比例，則能源缺口很可能減小，進(jìn)而影響GDP的變化、改變能源強(qiáng)度，最終導(dǎo)致煤炭消費(fèi)量與電力消費(fèi)量的變化。這里煤炭消費(fèi)量比自然發(fā)展?fàn)顩r下增加的速率略慢，然而電力消費(fèi)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)卻會(huì)加快。

分析出現(xiàn)該變化的原因有：我國(guó)的能源消費(fèi)以煤為主，煤炭消費(fèi)則導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，普及清潔能源和發(fā)展清潔技術(shù)將是我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要目標(biāo)。同時(shí)，增加能源固定資產(chǎn)投資比例，促使能源缺口減小，提高我國(guó)的能源安全水平，并促進(jìn)新能源的開發(fā)與新技術(shù)的使用，抑制煤炭等高碳排放的化石能源消費(fèi)的快速增長(zhǎng)，并提高煤炭的使用效率，從而達(dá)到優(yōu)化消費(fèi)結(jié)構(gòu)的目的。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，研究結(jié)論表明：①改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對(duì)降低能源消費(fèi)量決定性的影響，進(jìn)而對(duì)能源安全的提高有顯著影響。在不同的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)下，能源缺口的預(yù)測(cè)值發(fā)生了顯著的改變。在自然趨勢(shì)發(fā)展情況下，煤炭比重仍舊很高，天然氣與石油緩慢增長(zhǎng)，此時(shí)的能源缺口值在2010-2045年間保持較為高速的增長(zhǎng)，并在2045年達(dá)到一個(gè)峰值后逐漸趨于平穩(wěn)，不再大幅增長(zhǎng)；將煤炭比例減少5%，天然氣和電力比例分別調(diào)高5%，能源缺口在2010年至2050年間是一個(gè)緩慢減小的趨勢(shì)。兩種能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對(duì)能源安全的改變作用是截然不同的。②能源供給角度降低能源缺口，通過(guò)改變能源強(qiáng)度的影響提高能源安全度，另外，降低煤炭消費(fèi)比例，提升清潔能源的比例，最后實(shí)現(xiàn)改善能源結(jié)構(gòu)的目的。

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［責(zé)任編輯：張 青］

System Dynamics Modeling and Simulation on the Associated Mechanism of Energy Security and Energy Consumption Structure in China

LI Shuang，TANG Yan-yan，LIU Qian
（School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

China has entered the development stage of industrialization，the maintenance of energy security and the optimiza?tion of energy consumption structure become the two issues to be solved urgently.Based on the analysis of current situation of the development of energy security and energy consumption structure，the paper applies system dynamics theory and method to simulate and analyze the associated mechanism of China’s energy security and energy consumption structure.Finally，the paper comes to conclusions:Improving energy consumption structure has a decisive impact on energy consumption，and then affects energy security；Reducing energy gap and increasing energy security from the perspective of energy supply have im?pacts on energy intensity，and then affect all kinds of energy consumption，so as to achieve the objective of improving energy structure.

energy security；energy consumption structure；associated mechanism；system dynamics

F015

A

1007-5097（2015）08-0089-05