基于能耗視角的區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化機(jī)理

盧建鋒， 馬韻馨， 王小霞，傅　惠

(1. 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都， 610031；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510016；3.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510016)

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基于能耗視角的區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化機(jī)理

盧建鋒1,2， 馬韻馨2， 王小霞2，傅惠3

(1. 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都， 610031；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510016；3.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510016)

摘要：從能耗視角出發(fā)，針對(duì)區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化機(jī)理進(jìn)行研究。運(yùn)用自組織理論和方法，建立了基于哈肯模型的區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化方程。利用無(wú)殘差分析法對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)能耗因素貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例和能源強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)能耗變化貢獻(xiàn)較大。應(yīng)用區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化模型，以中國(guó)16個(gè)省市運(yùn)輸業(yè)為樣本進(jìn)行研究，結(jié)果表明，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)是區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化的序參量。為降低區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)能耗，應(yīng)不斷優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，努力降低交通工具的能耗，以及提高運(yùn)輸組織管理水平。

關(guān)鍵詞：區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng); 能耗影響因素; 哈肯模型; 演化機(jī)理

近年來(lái)，隨著我國(guó)運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，由該行業(yè)產(chǎn)生的能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交通運(yùn)輸業(yè)已成為能源消耗最大和碳排放較多的部門[1]，占石油總消耗的61．2%，產(chǎn)生的CO2占全球溫室氣體排放量30%以上，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)能源消費(fèi)量約占全國(guó)總用能量的10%[2]。如何緩解運(yùn)輸業(yè)發(fā)展與能源稀缺的矛盾，是擺在決策者面前急需解決的問(wèn)題。

關(guān)于運(yùn)輸能耗問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了很多研究，多數(shù)研究集中在運(yùn)輸能耗水平和需求量預(yù)測(cè)、能耗影響因素分解等領(lǐng)域。Skeer等[3]基于需求彈性和能源強(qiáng)度的假設(shè)，設(shè)計(jì)了2020年中國(guó)石油需求情景，將中國(guó)交通部門的石油需求增量與世界能源需求預(yù)測(cè)對(duì)比，評(píng)價(jià)其可能對(duì)世界油價(jià)造成的壓力。李連成等[2]分析了歷年來(lái)我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)綜合能耗占總體經(jīng)濟(jì)能源消耗的比例，以及其中不同能源形式的比例，同時(shí)分交通方式，研究了相關(guān)的運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量與能源消耗的關(guān)系。魏慶琦等[4]采用因素分解方法分析過(guò)去20年間(1989～2009)5種驅(qū)動(dòng)因素對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸能耗變化的影響，得出能耗增長(zhǎng)的主要原因是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)惡化，而交通運(yùn)輸能源強(qiáng)度因素和經(jīng)濟(jì)的交通運(yùn)輸依存度因素是促進(jìn)節(jié)能的主要影響因素。孫啟鵬等[5]將區(qū)域綜合交通系統(tǒng)能耗驅(qū)動(dòng)因素分為規(guī)模效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)，運(yùn)用迪氏分解方法建立擴(kuò)展LMDl分解模型，計(jì)算各因子能耗貢獻(xiàn)度。

當(dāng)前缺少?gòu)哪芎牡慕嵌葘?duì)區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化研究。從能耗角度來(lái)研究區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化機(jī)理，能夠?qū)ふ页鲞\(yùn)輸能耗的變化發(fā)展規(guī)律，以及運(yùn)輸發(fā)展與運(yùn)輸能耗之間的互動(dòng)機(jī)理，有利于引導(dǎo)運(yùn)輸業(yè)由傳統(tǒng)粗放發(fā)展模式向低碳化發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，對(duì)于實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化分析

1.1區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的自組織特征分析

區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)，各種運(yùn)輸方式非均衡發(fā)展，通過(guò)管理、控制以及組織形成新的有序結(jié)構(gòu)等，該系統(tǒng)具有以下自組織特征[6]。

1)開(kāi)放性。

區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，與外界環(huán)境存在著人員、物質(zhì)、能量、信息以及資金等多方面交流，通過(guò)不斷自我調(diào)整保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序。

2)非平衡性。

各種運(yùn)輸方式能耗技術(shù)、運(yùn)力等方面均存在差異，差異產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)使系統(tǒng)處于永動(dòng)不息的變化發(fā)展中，導(dǎo)致了系統(tǒng)的非平衡性。

3)非線性。

區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展變化過(guò)程中，存在大量的非線性過(guò)程和作用，最終形成一個(gè)多維、隨機(jī)、時(shí)變、高階和非線性的復(fù)雜大系統(tǒng)。

4)漲落發(fā)生。

由于內(nèi)部和外部因素的作用，具體如運(yùn)輸能耗技術(shù)、運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)管理方法的改革,以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)變化等，導(dǎo)致區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)處于不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展中，表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)固有的漲落特性。

1.2區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化過(guò)程

區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化過(guò)程，是該系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)的非線性范圍內(nèi)，通過(guò)與外界環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，系統(tǒng)內(nèi)變量間相互作用而發(fā)生演化。當(dāng)外界的條件達(dá)到一定閾值時(shí)，該系統(tǒng)的演化發(fā)展從無(wú)序的混亂狀態(tài)，經(jīng)過(guò)自組織演化成為一種新的有序狀態(tài)。

本文擬從能耗視角來(lái)研究區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化過(guò)程，僅考慮能耗相關(guān)的區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)變量。系統(tǒng)各變量對(duì)系統(tǒng)演化的影響是有差異的，當(dāng)控制變量的變動(dòng)把系統(tǒng)推過(guò)線性失穩(wěn)點(diǎn)時(shí)，這種差異就會(huì)顯示，會(huì)區(qū)分出快變量和慢變量，慢變量主宰著演化進(jìn)程，支配快變量的行為，成為新結(jié)構(gòu)的序參量[7]?？梢詰?yīng)用哈肯模型，從能耗視角來(lái)揭示區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化機(jī)理。

2基于能耗視角的區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化研究方法

2.1演化模型

哈肯把一定外部條件下由內(nèi)因驅(qū)使系統(tǒng)發(fā)生演變的過(guò)程用數(shù)學(xué)形式進(jìn)行描述，得到哈肯模型[8]。引用文獻(xiàn)[7]中的演化模型如式(1)和式(2)，勢(shì)函數(shù)如式(3)[7]。

q1(k+1)=(1-λ1)q1(k)-aq1(k)q2(k)，

(1)

q2(k+1)=(1-λ2)q2(k)+a[q1(k)]2，

(2)

(3)

其中，v為勢(shì)函數(shù)；q1,q2是狀態(tài)變量；λ1、λ2為阻尼系數(shù)；a、b反映與q1與q2的相互作用強(qiáng)度。

2.2模型變量的選取

本文利用無(wú)殘差分析法來(lái)分析區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)能耗的影響因素，其具體內(nèi)涵是：運(yùn)輸能源消耗量=運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量×運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例×能源強(qiáng)度。其中運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例指的是每種運(yùn)輸方式周轉(zhuǎn)量所占比例，能源強(qiáng)度指的是單位運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量的能源消耗量，具體因式分解如式(4)和式(5)[9]。

(4)

(5)

E為區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)能源消耗量(萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤);

VA為區(qū)域運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量(萬(wàn)噸公里);

SVi為區(qū)域各種運(yùn)輸方式所承擔(dān)的運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量比例(%)；

EIi為區(qū)域各種運(yùn)輸方式能源強(qiáng)度，用該運(yùn)輸方式的能源消耗量除以其周轉(zhuǎn)量(萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)噸公里)；

ΔVA、ΔSVi、ΔEIi分別為區(qū)域運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量、各運(yùn)輸方式所占比例、各種運(yùn)輸方式能源強(qiáng)度在研究時(shí)間段里的變化量;

i為運(yùn)輸方式，包括公路、鐵路、航空、水路、管道等。

將VA、SVi、EIi3種影響因素的因子貢獻(xiàn)量記作VAc、SVc、EIc，根據(jù)完全分解理論，可以得到：

(6)

(7)

(8)

以我國(guó)吉林省為案例省收集相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，得到VAc、SVc、EIc的因子貢獻(xiàn)量如表1所示。

表1　歷年區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)因子貢獻(xiàn)量

依據(jù)表1中數(shù)據(jù)可看出，在大多數(shù)年份，能源強(qiáng)度和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例占有絕大部分貢獻(xiàn)率，是更重要影響因素，所以考慮能源強(qiáng)度和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例作為演化方程(1)和(2)的兩個(gè)狀態(tài)變量,同時(shí)為滿足方程計(jì)算需要，對(duì)能源強(qiáng)度和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例進(jìn)一步處理，最終確定以下2個(gè)變量為哈肯模型狀態(tài)變量。

1)能源強(qiáng)度。

能源強(qiáng)度是指區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)總能耗與總換算周轉(zhuǎn)量的比值，它反映了區(qū)域綜合運(yùn)輸系統(tǒng)的能源使用效率。

2)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)。

不同運(yùn)輸方式能耗技術(shù)水平不同，不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的運(yùn)輸總能耗也不同。引入運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)T,來(lái)反映不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸系統(tǒng)能耗水平，該指標(biāo)定義如下。

(9)

其中，Ti為某種運(yùn)輸方式周轉(zhuǎn)量，i=1、2、3、4分別表示鐵路、公路、航空、水路等運(yùn)輸方式，由于管道運(yùn)輸所占周轉(zhuǎn)量比重較小，此處忽略。鐵路、公路、水運(yùn)、航空的單位能耗分別是1、14.519、1.672和56.604。[10]

3實(shí)證分析

可初步假設(shè)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)T為演化模型的序參量，即T為q1，P為q2。根據(jù)方程(1)、(2)得到區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化方程:

T(k+1)=(1-λ1)T(k)-aP(k)·T(k)，

(10)

P(k+1)=(1-λ2)P(k)+b[T(k)]2。

(11)

選取北京、天津、上海、河北等16個(gè)省市為樣本進(jìn)行定量化的實(shí)證研究, 數(shù)據(jù)來(lái)源于以上各省市的《統(tǒng)計(jì)年鑒》，根據(jù)各省市2010和2011年的運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量以及運(yùn)輸業(yè)能耗數(shù)據(jù)，計(jì)算出能源強(qiáng)度和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)見(jiàn)表2。

表2中國(guó)各省市能源強(qiáng)度和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)

Tab.3Provinces turnover Unit turnover energy consump tion and transportation structure factor

根據(jù)表3中16個(gè)省市的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得

T(k+1)=1.143 1T(k)+0.135 1P(k)·T(k)，

(12)

T檢驗(yàn)值(30.841)，(2.206)。

R2=0.956 9, Adusted R2=0.950 2, F=196.782 5

P(k+1)=0.823 9P(k)+0.000 1T(k)2。

(13)

T檢驗(yàn)值(11.219),(0.204)。

R2=0.970 1, Adusted R2=0.965 2, F=91.757。

解得，λ1=-0.143 1，a=-0.135 1，λ2=0.176 1，b=0.000 1。

將a,b代入式 (3)，得到勢(shì)函數(shù)

v=-0.071 6T2+1.917 9×10-5T4。

(14)

求勢(shì)函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)，得

(15)

將所求的定態(tài)解T=±44.188 9代入式(15)中，得

勢(shì)函數(shù)的結(jié)構(gòu)特性反映了系統(tǒng)演化機(jī)理，即當(dāng)狀態(tài)變量和控制參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，勢(shì)函數(shù)也發(fā)生變化，原來(lái)的穩(wěn)定態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定態(tài)[11]。從圖1可見(jiàn)，在適當(dāng)?shù)目刂谱兞肯?，區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)和能源強(qiáng)度兩個(gè)變量會(huì)發(fā)生非零作用，形成新的穩(wěn)定定態(tài)解。也就是說(shuō)，在穩(wěn)定定態(tài)解處系統(tǒng)產(chǎn)生了新的有序結(jié)構(gòu)，而從方程(12)、(13)可知，此時(shí)主宰系統(tǒng)演化的序參量是運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)。

勢(shì)函數(shù)的狀態(tài)，取決于反映系統(tǒng)行為的狀態(tài)變量(本文中的T，P)和環(huán)境對(duì)系統(tǒng)影響的控制參量(本文中的λ1,λ2,a,b)。狀態(tài)變量和控制參量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)勢(shì)函數(shù)也發(fā)生變化，原來(lái)的穩(wěn)定態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定態(tài)。就區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)而言，一定的結(jié)構(gòu)決定了它的發(fā)展極限，當(dāng)趨近這個(gè)極限時(shí)，系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)就難以適應(yīng)。而科術(shù)進(jìn)步、組織管理創(chuàng)新等將促使區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)升級(jí)，演化方程中控制參數(shù)值發(fā)生變化，形成新的結(jié)構(gòu)，因而可以容納更高的發(fā)展極限，體系在新的勢(shì)函數(shù)下運(yùn)行，進(jìn)入高一層次的穩(wěn)態(tài)。這就是區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化，而系統(tǒng)的不斷發(fā)展就是這種復(fù)雜的自組織過(guò)程。

圖1　勢(shì)函數(shù)圖

4結(jié)論與建議

通過(guò)上述分析，從能耗視角揭示了區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的演化機(jī)理，得出以下結(jié)論。

1)區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)能耗3個(gè)影響因素包括：運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例和能源強(qiáng)度，其中運(yùn)輸結(jié)構(gòu)比例和能源強(qiáng)度對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)能耗的貢獻(xiàn)率相對(duì)較大。

2)從能耗視角來(lái)看，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)是區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化的決定因素。

從能耗視角來(lái)看，區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化過(guò)程中，即由粗放式能耗的運(yùn)輸系統(tǒng)向低碳運(yùn)輸系統(tǒng)躍遷的臨界點(diǎn)上，主宰系統(tǒng)演化的序參量是運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)。目前我國(guó)大部分省份的運(yùn)輸業(yè)還沒(méi)有達(dá)到這個(gè)臨界狀態(tài)。因此要加速區(qū)域運(yùn)輸業(yè)低碳化進(jìn)程，重點(diǎn)在運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，鼓勵(lì)低能耗低排放的運(yùn)輸方式的發(fā)展，促進(jìn)各種運(yùn)輸方式的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3)控制變量反映區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)演化行為。

(1)控制參數(shù)a為負(fù)值，反映能源強(qiáng)度的增長(zhǎng)推動(dòng)了運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)的增長(zhǎng)。

(2)控制參數(shù)b為正值，反映了運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)的增加促進(jìn)了能源強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

這說(shuō)明這兩個(gè)變量相互促進(jìn)，只有同時(shí)降低才能使系統(tǒng)達(dá)到良好的循環(huán)。

(3)λ1為負(fù)值，表明系統(tǒng)內(nèi)部已形成運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能耗系數(shù)不斷增長(zhǎng)的正反饋機(jī)制。

(4)λ2為正值，表明系統(tǒng)內(nèi)部已形成能源強(qiáng)度不斷降低的負(fù)反饋機(jī)制。

4)當(dāng)前我國(guó)各省市運(yùn)輸業(yè)總能耗量還合理，能源強(qiáng)度也呈現(xiàn)下降的良好趨勢(shì)，但是運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)尚不合理，高能耗運(yùn)輸方式比重越來(lái)越大，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。要降低區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)能耗，一方面要不斷優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展節(jié)能省油型運(yùn)輸方式；另一方面要依靠科技創(chuàng)新，推進(jìn)交通工具節(jié)能技術(shù)發(fā)展，以及提高運(yùn)輸組織管理水平，努力降低運(yùn)輸業(yè)的能源強(qiáng)度。

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Evolution Mechanism of Regional Transport System in Energy Consumption Perspective

LU Jianfeng1,2，MA Yunxing2, WANG Xiaoxia2，F(xiàn)u Hui3

(1.College of Transportation and Logistic in Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2.College of Civil and Traffic Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China；3.School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technologg，Guangzhou 510006，China)

Abstract：From the perspective of energy consumption, the evolution mechanism for regional transport system is studied. A regional transport energy consumption evolution equation system based on Haken model is established using the self-organization theory and method. By using non-residual analysis method, the contribution rate of energy consumption factors of transportation system is analyzed. The results show that the proportion of transport structure and energy intensity contribute more greatly to system power consumption changes. Through the application of the regional transport system evolution model, transport samples from 16 provinces and cities in China are studied. The results show that the energy transport structure factor is the order parameter of regional transport system energy consumption evolution. To reduce energy consumption in the transport area, it is proposed that transportation structure should be optimized, the energy consumption of various modes of transport be reduced and transportation organization management level be improved.

Key words：regional transport system; energy consumption influence factors; Haken model； evolution mechanism

收稿日期：2015- 08- 28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61573110)

作者簡(jiǎn)介：盧建鋒(1983-)，男，江西省人，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)榈吞冀煌òl(fā)展理論與應(yīng)用.

doi:10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.02.011

中圖分類號(hào)：U49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7375(2016)02- 0068- 05