基于投入產(chǎn)出非線性優(yōu)化的制造業(yè)完全能耗強度情景分析

李 根，劉家國，趙金樓

(1.江蘇科技大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026；3.哈爾濱工程大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于投入產(chǎn)出非線性優(yōu)化的制造業(yè)完全能耗強度情景分析

李 根1，劉家國2，趙金樓3

(1.江蘇科技大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026；3.哈爾濱工程大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

當前，環(huán)境污染仍為中國最突出的問題之一，而降低制造業(yè)完全能耗強度是減少消耗及污染的重要途徑。本文基于投入產(chǎn)出非線性優(yōu)化理論，以制造業(yè)完全能耗強度最小為目標，并以18個行業(yè)最終需求為決策變量，構(gòu)建了一個完全能耗強度非線性優(yōu)化模型，特引入了進出口系數(shù)等約束條件，并基于已有投入產(chǎn)出表等數(shù)據(jù)，預(yù)測調(diào)整模型的相關(guān)系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了三個方案與兩個情景，并運用粒子群算法求解模型。結(jié)果表明：2015年中國制造業(yè)完全能耗強度最小值區(qū)間為0.7823-0.9048tce/萬元，相比2010年，下降率區(qū)間為8.9%-21.31%。在高方案情景2下，可實現(xiàn)制造業(yè)完全能耗強度降低20%的目標。為實現(xiàn)該目標，應(yīng)促進中低能耗制造業(yè)發(fā)展、降低高能耗制造業(yè)的完全能耗量、適當提高消費和進口系數(shù)并降低投資和出口系數(shù)。本文既有利于政府部門制定科學(xué)系統(tǒng)的節(jié)能減排政策，也有利于深化能源經(jīng)濟與管理理論。

制造業(yè)；完全能耗強度；非線性優(yōu)化模型；最終需求

1 引言

當前，中國經(jīng)濟增長仍依賴于較高的能源消耗，能耗強度仍處于較高水平。為此，作為約束性指標，中國已將能耗強度列入“十二五”發(fā)展規(guī)劃中。在工業(yè)節(jié)能“十二五規(guī)劃”中，中國明確提出，相比2010年，2015年規(guī)模以上工業(yè)增加值能耗將下降21%，節(jié)能實現(xiàn)量6.7億tce。而在船舶工業(yè)“十二五規(guī)劃”中，中國確定骨干企業(yè)平均鋼材一次利用率要達到90%以上，規(guī)模以上企業(yè)單位工業(yè)增加值能耗下降20%。中國雖然沒有明確規(guī)定制造業(yè)的能耗強度下降目標，但因其具有高消耗及高污染等顯著特征，大幅降低其能耗強度已迫在眉睫。

投入產(chǎn)出優(yōu)化法是將投入產(chǎn)出技術(shù)與最優(yōu)化理論相結(jié)合的方法，其是在規(guī)劃求解問題的目標約束條件下，考慮經(jīng)濟系統(tǒng)的直接和間接生產(chǎn)，加入投入產(chǎn)出的生產(chǎn)過程約束，即考慮了各個行業(yè)之間的生產(chǎn)關(guān)系約束。Leontief[1]首次闡述了投入產(chǎn)出理論和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型、編制方法；Leontief[2]又在一些學(xué)者研究的基礎(chǔ)上提出了動態(tài)投入產(chǎn)出模型；Dorfman 和Samuelson[3]將線性規(guī)劃和投入產(chǎn)出方法結(jié)合起來，提出“大道定理”。在既定約束條件下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的突出研究成果主要集中于水資源或環(huán)境污染方面，如Luptáěcik[4]、Cristobal[5]、王錚等[6]、何靜和陳錫康[7]等學(xué)者在這方面做出較大的貢獻?？梢?，投入產(chǎn)出優(yōu)化理論相對成熟，在水資源等方面的應(yīng)用較早。

目前，國內(nèi)外學(xué)者運用投入產(chǎn)出優(yōu)化法研究能源約束下的經(jīng)濟發(fā)展問題，尚處于起步階段。馬儀亮和劉起運[8]結(jié)合投入產(chǎn)出技術(shù)與多目標規(guī)劃法，構(gòu)建了節(jié)能降耗優(yōu)化模型。席酉民等[9]運用投入產(chǎn)出技術(shù)與分式規(guī)劃方法建立能源投入產(chǎn)出分式規(guī)劃模型，并基于2004年能源延長表使用該模型對通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整來降低單位GDP能耗的效應(yīng)進行了實際測算分析。張炎治和聶銳等[10]等結(jié)合非線性優(yōu)化與投出產(chǎn)出理論，構(gòu)建了基于國家層面的投入產(chǎn)出非線性優(yōu)化模型，并給出了3個方案及3個規(guī)劃，從而形成9個情景。唐志鵬和劉衛(wèi)東等[11]在能源消耗總量約束條件下，構(gòu)建了北京市1987年、1992年、1997年、2002年和2007年五個時期的投入產(chǎn)出優(yōu)化模型。夏炎和楊翠紅[12]基于投入產(chǎn)出優(yōu)化方法，提出了行業(yè)實際節(jié)能潛力和行業(yè)實際結(jié)構(gòu)調(diào)整潛力兩個概念，并將全國總節(jié)能目標按照各個不同的行業(yè)進行優(yōu)化分解，同時分析了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整前后不同情景下，行業(yè)能源效率優(yōu)化的結(jié)果。以上學(xué)者較多基于投入產(chǎn)出線性優(yōu)化法將能耗強度分為能耗最低或產(chǎn)出最大兩個子目標展開研究，較少關(guān)注產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)下的完全能耗強度優(yōu)化問題。

國內(nèi)外學(xué)者分別運用投入產(chǎn)出法與優(yōu)化方法研究能源消耗的文獻相對較多。Wright[13]將能源乘數(shù)觀念引入投入產(chǎn)出法，定義直接能源系數(shù)為商品的能源成本，并比較投入產(chǎn)出分析方法的優(yōu)劣性。魏一鳴和梁巧梅等[14]結(jié)合了投入產(chǎn)出法和情景分析法，構(gòu)建了我國能源需求和能源強度的情景分析模型。Fredrich和David[15]運用中國投入產(chǎn)出表2002、1997年數(shù)據(jù)分析中國能源消費與經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。劉洪濤等[16]利用能源投入產(chǎn)出方法計算了1992-2005年我國生產(chǎn)的產(chǎn)品中貿(mào)易內(nèi)涵能源，并使用結(jié)構(gòu)分解分析確定了導(dǎo)致出口中內(nèi)含能源變化的5個關(guān)鍵因素。劉洪濤等[17]構(gòu)建了能源SAM模型并使用該模型定量測算了不同情景下四萬億元投資對各部門總產(chǎn)出、GDP、能源需求量和單位GDP能耗的影響。廖明球[18]將節(jié)能和減排同時納入投入產(chǎn)出分析框架，研制基于“節(jié)能減排”的投入產(chǎn)出模型，即設(shè)計能源、環(huán)境、經(jīng)濟投入產(chǎn)出表和模型體系。蔡圣華等[19]基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有內(nèi)生性特征和終端消費隨居民收入水平提高具有規(guī)律性變化兩個基本理念，量化分析了消費規(guī)模及其結(jié)構(gòu)對我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化的效果。閭浩等[20]測算了2002和2007年中國能源部門的影響力和感應(yīng)度系數(shù)、直接消耗系數(shù)和完全消耗系數(shù)，以及能源部門、靜脈產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟各部門的直接和完全波及效應(yīng)。韓強和劉正林[21]構(gòu)建了工業(yè)領(lǐng)域能源分配雙層規(guī)劃模型，上層為多目標規(guī)劃，描述上級政府行為，以社會的經(jīng)濟性、協(xié)調(diào)性和可持續(xù)發(fā)展性為目標，以在下級之間的合理調(diào)配為約束條件，下層為目標規(guī)劃，描述能源在下級行業(yè)之間的配置優(yōu)先權(quán)?？梢?，學(xué)者采用投入產(chǎn)出法直接研究能源消耗或減排問題相對較多，這些研究成果是本文重要的研究基礎(chǔ)。

此外，學(xué)者運用分解分析對能耗強度的變化原因進行了深入研究。依據(jù)不同的運算方式，分解分析可分為指數(shù)分解分析(IDA)與結(jié)構(gòu)分解分析(SDA)兩類。1871年Laspeyres首次提出以基期價格為權(quán)重的指數(shù)，標志著指數(shù)分解分析的產(chǎn)生。20世紀70年代以來發(fā)達國家開始關(guān)注能源消費問題，研究者試圖運用指數(shù)分解分析探索工業(yè)能源消費變化的機理。Liu等[22]列舉了8種分解方法并進行了比較分析。Lee等[23]和Ang等[24-25]分別提出AWD分解和對數(shù)平均的Divisia分解，Sun[26]研究了Laspeyres法，充分解決了分解中的剩余項。針對Divisia分解中的0值問題，Ang等[27]提出用一個很小的正數(shù)替代0值以解決“0”值問題。為考察效率與結(jié)構(gòu)對能耗強度變化的貢獻，通常運用IDA將能耗強度變化分解為效率效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)進行研究，多數(shù)研究表明：經(jīng)濟結(jié)構(gòu)變化對總體能耗強度的下降影響較小，而部門能源效率的提升對于總體能耗強度的下降發(fā)揮重要作用。1995年以后，指數(shù)分解分析應(yīng)用于廢氣排放的研究逐漸增多。因沒有分解剩余且易于計算，Laspeyres完全分解和對數(shù)平均的Divisia分解得到廣泛應(yīng)用。Ang等[28]， Sun等[29]針對分解形式中的乘法與加法方式進行了研究。與指數(shù)分解分析相比，結(jié)構(gòu)分解分析結(jié)合了投入產(chǎn)出分析，因其運用矩陣進行運算，其分析過程較為復(fù)雜，結(jié)論也較為準確并具指導(dǎo)性。Alcántara V和Duarte R[30]將能耗強度變化分解為強度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和需求效應(yīng)三部分，對歐盟國家能耗強度差異的原因進行了比較分析。王玉潛[31]運用投入產(chǎn)出技術(shù)和統(tǒng)計因素分析方法，建立了能源消耗強度的投入產(chǎn)出模型和因素分析模型，將能耗強度變化分解為技術(shù)因素和結(jié)構(gòu)因素。上述學(xué)者基于分解分析法對能源消耗與能耗強度變動原因進行了系統(tǒng)分析，而投入產(chǎn)出法與結(jié)構(gòu)分解分析相結(jié)合則使研究結(jié)果更具科學(xué)性系統(tǒng)性，這為本文約束條件的選擇提供重要思路。然而，學(xué)者針對完全能耗強度變動原因的研究相對較少。

上述文獻綜述表明，較多學(xué)者運用分解分析方法探究能耗強度變化原因，但在優(yōu)化影響因素的基礎(chǔ)上分析未來能耗強度的變化趨勢卻較為薄弱。盡管部分學(xué)者運用投入產(chǎn)出優(yōu)化法對能耗強度變動趨勢進行了一些探索性分析，但大都基于線性優(yōu)化法將能耗強度分為能耗最低與產(chǎn)出最大兩個子目標，由于這兩個子目標是矛盾的，一個子目標的改善有可能會引起另一個子目標的性能降低，也就是要使兩個子目標同時達到最優(yōu)值是不可能的，而只能在它們中間進行協(xié)調(diào)和折中處理，從而使最終優(yōu)化結(jié)果的科學(xué)性與可靠性降低。此外，多數(shù)學(xué)者主要研究一般意義上的能耗強度，針對產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)下的完全能耗強度研究相對較少，無法全面系統(tǒng)分析能源投入產(chǎn)出的實際效果。且現(xiàn)有針對能耗強度的研究主要集中于國家層面，而基于行業(yè)或企業(yè)層面的研究相對較少，從而使政策的可操作性較低。基于以上認識，本文主要從以下方面進行改進和完善：(1)引入完全能耗強度，其是面向最終產(chǎn)品的能耗強度，包括產(chǎn)業(yè)內(nèi)的直接能耗及產(chǎn)業(yè)間的間接能耗，因此，傳統(tǒng)線性優(yōu)化模型很難實現(xiàn)對完全能耗強度相關(guān)影響結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；(2)基于已有研究基礎(chǔ)，運用了投入產(chǎn)出及非線性優(yōu)化理論，將完全能耗強度最小作為單一目標，并以18個行業(yè)最終需求為決策變量，構(gòu)建制造業(yè)完全能耗強度非線性優(yōu)化模型，特引入進出口系數(shù)等約束條件，并設(shè)計了三個方案及兩個情景，從而避免以往研究中多個子目標間的矛盾，提高優(yōu)化結(jié)果的合理性和可操作性。

2 完全能耗強度非線性優(yōu)化模型的構(gòu)建

2.1 目標函數(shù)

本文優(yōu)化目標為最小化中國制造業(yè)完全能耗強度，其中決策變量為n個行業(yè)的最終需求Xi(i=1,2,3,…,n)，目標函數(shù)如式(1)：

(1)

2.2 約束條件

本模型約束條件既包括總量指標即GDP、工業(yè)增加值及能耗總量，又包括結(jié)構(gòu)指標，即制造業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)，消費投資結(jié)構(gòu)及進出口結(jié)構(gòu)。

(1)GDP

經(jīng)濟的健康平穩(wěn)可持續(xù)發(fā)展是解決所有問題的基礎(chǔ)和保障，經(jīng)濟的發(fā)展主要通過GDP來衡量，GDP應(yīng)滿足式(2)：

(2)

式(2)中，GDP′為下限。

(2)制造業(yè)增加值

我國制造業(yè)增加值V′應(yīng)滿足式(3)：

(3)

(3)能耗總量

我國制造業(yè)能耗量應(yīng)滿足式(4)：

(4)

式(4)中，TE′為能耗上限。

(4)行業(yè)結(jié)構(gòu)

行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級是我國“十二五規(guī)劃”中強調(diào)的重點，行業(yè)結(jié)構(gòu)約束限制著行業(yè)發(fā)展的速度和規(guī)模，對經(jīng)濟增長起著主導(dǎo)作用的約束。通過研究發(fā)現(xiàn)，高能耗制造業(yè)比重相對過高，將行業(yè)結(jié)構(gòu)約束設(shè)定為式(5)、(6)與(7)：

(5)

(6)

(7)

(5)投資與消費結(jié)構(gòu)

當前，我國消費系數(shù)過低，而投資系數(shù)相對較高。相關(guān)研究也表明[17]，投資系數(shù)下降、消費系數(shù)上升可降低我國制造業(yè)完全能耗強度。盡管投資與消費可推動我國制造業(yè)發(fā)展，但增加理性消費既可刺激產(chǎn)值增長，又能促進能耗下降，而適當降低投資系數(shù)并不會降低制造業(yè)增加值，但會明顯降低能耗。具體約束如式(8)和(9)所示：

(8)

(9)

(6)出口與進口結(jié)構(gòu)

與發(fā)達國家相比，我國制造業(yè)目前尚處于國際分工體系的下端，一般出口高能耗，低附加值制造品，而向發(fā)達國家進口低能耗、高附加值制造品，長期的順差導(dǎo)致我國完全能耗強度較高。因此，適當降低制造業(yè)出口系數(shù)、提高進口系數(shù)，可降低中國制造業(yè)完全能耗強度。為此，二者約束如式(10)和(11)所示：

(10)

(11)

3 數(shù)據(jù)來源及情景設(shè)定

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文能耗數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》，投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國工業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》。價格指數(shù)主要來源于《中國工業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒1996-2014》?，F(xiàn)以數(shù)據(jù)的可獲性為原則調(diào)整投入產(chǎn)出表的行業(yè)劃分，綜合分行業(yè)能耗量統(tǒng)計表與1997、2002、2007、2010年投入產(chǎn)出表，最終可得到行業(yè)分類，確定了18個行業(yè)類別：1.農(nóng)林牧漁業(yè)；2.采掘業(yè)；3.食品制造及煙草加工業(yè)；4.紡織、縫紉及皮革產(chǎn)品制造業(yè)；5.石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)；6.化學(xué)工業(yè)；7.非金屬礦物制品業(yè)；8.金屬產(chǎn)品制造業(yè)；9.汽車制造業(yè)；10.船舶制造業(yè)；11.其他交通運輸設(shè)備制造業(yè)；12.其他設(shè)備制造業(yè)；13.其他制造業(yè)；14.電力、煤氣及水生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)；15.建筑業(yè)；16.交通運輸、倉儲業(yè)；17.批發(fā)、零售業(yè)和住宿、餐飲業(yè)；18.其他三產(chǎn)，其中3-13行業(yè)為制造業(yè)的各子行業(yè)。由于投入產(chǎn)出表每五年公布一次，2012年投入產(chǎn)出表尚未公布，為保證已劃分行業(yè)數(shù)據(jù)的可比性和延續(xù)性，結(jié)合研究需要，特以2010年的投入產(chǎn)出延長表為基期，由于表所占篇幅較大略去。依據(jù)2010年投入產(chǎn)出延長表各行業(yè)完全能耗強度大小，將3-4行業(yè)劃分為低能耗制造業(yè)，5-8行業(yè)劃分為高能耗制造業(yè)，9-13行業(yè)劃分為中能耗制造業(yè)。為了獲得可比性投入產(chǎn)出表，特將1997、2002、2007年現(xiàn)價投入產(chǎn)出表轉(zhuǎn)化為2010年可比價投入產(chǎn)出表。

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，本文對模型的相關(guān)系數(shù)進行預(yù)測調(diào)整，具體如下：

(1)直接消耗系數(shù)aij

aij反映部門i與j之間直接的生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)系，其指j部門單位總產(chǎn)出對i部門服務(wù)或產(chǎn)品的直接消耗量，aij越大，則兩部門間聯(lián)系就越大，如公式(12)所示：

aij=yij/Yj, (i, j=1,2,…,n)

(12)

在測算1997與2002、2002與2007年投入產(chǎn)出表中直接消耗系數(shù)的歷史變化趨勢基礎(chǔ)上，綜合其變化情況，進而推算出2010年至2015年的變化趨勢，最終得到2015年的直接消耗系數(shù)，因篇幅所限略去。

(2)直接能耗系數(shù)aei

依據(jù)aij定義，aei的計算方法為式(13)：

aei=ei/Yi

(13)

式(13)中，ei為i部門的直接能耗量；Yi為i部門的總產(chǎn)出。

本文投入產(chǎn)出模型包括18個行業(yè)，即直接能耗系數(shù)矩陣為Ae=(aej)1×18，令直接能耗系數(shù)aej變動Δaej，其變動將影響制造業(yè)完全能耗強度。若完全能耗強度變動較大，則反映其對aej的變動敏感，應(yīng)對aej加以調(diào)整；反之，應(yīng)依據(jù)直接能耗系數(shù)相對穩(wěn)定的假定，aej可不必調(diào)整。令變動前的直接能耗系數(shù)矩陣為Ae，變動后的直接能耗系數(shù)矩陣為Ae′，則直接能耗系數(shù)的變動量為ΔA=Ae-Ae′=[0,…,Δaej,…,0]，根據(jù)式(1)可知，制造業(yè)完全能耗強度的變動量為：

ΔIe=ΔAe(I-A)-1X

(14)

令M=(I-A)-1X=(mj1)18×1,則式(14)，可轉(zhuǎn)換為：

ΔIe=ΔAM

(15)

由此可知，直接能耗系數(shù)aej變動對制造業(yè)完全能耗強度的影響程度決定于矩陣M中的元素mj1的大小，如果mj1數(shù)值較小，說明aej變動對制造業(yè)完全能耗強度的影響較小，反之，則較大。本文主要探討制造業(yè)完全能耗強度，故主要分析3-13行業(yè)mj1大小，依據(jù)2010年投入產(chǎn)出表數(shù)據(jù)，具體結(jié)果如表1所示。

表1 M矩陣的計算結(jié)果

由表1可發(fā)現(xiàn)，影響制造業(yè)完全能耗強度最大的前6個直接能耗系數(shù)，分別是汽車制造業(yè)(行業(yè)編碼：9)、其他設(shè)備制造業(yè)(行業(yè)編碼：12)、金屬產(chǎn)品制造業(yè)(行業(yè)編碼：8)、化學(xué)工業(yè)(行業(yè)編碼：6)、其他交通運輸設(shè)備制造業(yè)(行業(yè)編碼：11)、船舶制造業(yè)(行業(yè)編碼：10)對應(yīng)下的直接能耗系數(shù)。由此可見，制造業(yè)完全能耗強度敏感度較大的行業(yè)并不對應(yīng)于直接能耗系數(shù)較大的行業(yè)，如汽車制造業(yè)(行業(yè)編碼：9)，其他設(shè)備制造業(yè)(行業(yè)編碼：12)，船舶制造業(yè)(行業(yè)編碼：10)的直接能耗系數(shù)較小。為實現(xiàn)對敏感度較大的直接能耗系數(shù)的調(diào)整，本文首先對1997與2002年、2002與2007年的直接能耗系數(shù)歷史變動情況進行分析，然后基于2010年直接能耗系數(shù)，依據(jù)直接能耗系數(shù)平均變動大小，對重要行業(yè)直接能耗系數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整，即可得到2015年的直接能耗系數(shù)，如表2所示。

表2 2015年直接能耗系數(shù)的調(diào)整結(jié)果

(3)增加值率

各行業(yè)增加值率等于1減去直接消耗系數(shù)aij的列之和，即式(16)。依據(jù)已測算的2015年直接消耗系數(shù)，具體計算結(jié)果如表3所示。

(16)

表3 2015年各行業(yè)增加值率

(4)消費與投資系數(shù)和出口與進口系數(shù)

當前我國處于經(jīng)濟結(jié)構(gòu)深度調(diào)整階段，“十二五”期間中國制造業(yè)應(yīng)適當提高消費系數(shù)和進口系數(shù)，降低投資和出口系數(shù)。根據(jù)表4各系數(shù)區(qū)間范圍，兼顧模型的優(yōu)化空間，本文設(shè)定2015年中國制造業(yè)的消費系數(shù)區(qū)間為0.07-0.14，投資系數(shù)區(qū)間為0.05-0.11，出口系數(shù)區(qū)間為0.08-0.15，進口系數(shù)區(qū)間為0.10-0.16。

(5)GDP與行業(yè)結(jié)構(gòu)

依據(jù)投入產(chǎn)出表數(shù)據(jù)，2010年我國GDP為401512.8億元，“十二五”發(fā)展規(guī)劃中指出2010-2015年我國經(jīng)濟要達到年均增長7%。本文在此采用7%的增長速度，即設(shè)定“十二五”我國GDP至少應(yīng)達到562725.9億元。

表4 消費與投資系數(shù)和出口與進口系數(shù)區(qū)間范圍

表5 各分類行業(yè)結(jié)構(gòu)

(6)我國制造業(yè)能耗總量

根據(jù)《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃(2011-2015年)》及2011-2014年我國制造業(yè)增加值年均增長速度已達10.65%，結(jié)合2015年宏觀調(diào)控走勢，將“十二五”期間我國制造業(yè)增加值年均增長速度設(shè)定為10%，若保持2010年制造業(yè)完全能耗強度0.9941tce/萬元不變(依據(jù)2010年投入產(chǎn)出表測算獲取)，由此計算2015年我國制造業(yè)完全能耗總量約為21.38億tce。為增加優(yōu)化空間，在此值的基礎(chǔ)上增加2億tce，即2015年我國制造業(yè)完全能耗總量上限設(shè)定為23.38億tce。

(7)最終需求最小值及最大值

最終需求最小值及最大值的設(shè)定原則是依據(jù)各行業(yè)歷史發(fā)展情況進行相應(yīng)縮小及放大。其設(shè)定方法為：計算2007年相比2002年的最終需求(2010年價)增長比例，并用該比例乘以2010年各行業(yè)的最終需求，2015年各行業(yè)最終需求的最小值或最大值，如表6所示。

3.2 情景設(shè)定

在制造業(yè)增加值方面，2010年我國制造業(yè)增加值為133552.08億元(2010年投入產(chǎn)出表實際值)。根據(jù)《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃(2011-2015年)》，“十二五”期間我國全部工業(yè)增加值年均增長8%左右。而在機械工業(yè)“十二五”規(guī)劃中指出2010-2015年我國工業(yè)增加值要達到年均增長12%。綜合兩者規(guī)劃及當前經(jīng)濟增長實際情況，將增長速度8%設(shè)定為基準方案，在此基礎(chǔ)上分別提高2%和4%，即年均增長10%與12%，分別設(shè)定為中與高方案。在每個方案下，根據(jù)行業(yè)結(jié)構(gòu)，投資、消費和出口、進口系數(shù)的調(diào)整力度大小再劃分為兩個情景，如表7所示。此外，依據(jù)二者規(guī)劃，將我國制造業(yè)“十二五”期間完全能耗強度下降的目標設(shè)定為20%。

表6 2015年各行業(yè)最終需求最小值與最大值 單位：億元

表7 2015年完全能耗強度的情景方案

表8 各情景方案下2015年增加值(2010年價)優(yōu)化結(jié)果 (單位：億元)

表9 各情景方案下2015年完全能耗強度變動及相關(guān)系數(shù)

注：2010年中國制造業(yè)完全能耗強度為0.9941tce/萬元

4 情景優(yōu)化結(jié)果與分析

4.1 情景優(yōu)化結(jié)果

將模型系數(shù)代入優(yōu)化模型，進行優(yōu)化計算后，結(jié)果如表8-9及圖1所示。

圖1 各情景方案下2015年各分類行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

(1)完全能耗強度優(yōu)化結(jié)果分析

①從各情景方案的完全能耗強度最小值看，隨著行業(yè)結(jié)構(gòu)、消費、投資、出口、進口系數(shù)的不斷調(diào)整，完全能耗強度不斷下降。在高方案情景2下，也即當制造業(yè)增加值達到258587.96億元，低能耗制造業(yè)、中能耗制造業(yè)、高能耗制造業(yè)的增加值分別為49862.01億元、127492.0億元、81233.95億元；行業(yè)結(jié)構(gòu)分別為20.45%、48.21%及31.34%；能耗值分別為36957.88萬tce、101551.8萬tce、74559.08萬tce；消費系數(shù)、投資系數(shù)、出口系數(shù)、進口系數(shù)為0.1034、0.1011、0.1341、0.1223時，制造業(yè)完全能耗強度達到最小值0.7823tce/萬元，實現(xiàn)完全能耗強度下降20%的目標。這一結(jié)果表明，中低能耗制造業(yè)增加值比重的上升，有利于制造業(yè)完全能耗強度的下降， 如何控制高能耗行業(yè)的非理性發(fā)展是降低完全能耗強度的關(guān)鍵；高能耗制造業(yè)的完全能耗量仍然是制造業(yè)完全能耗量的重要來源，如何采取相應(yīng)措施降低當前高能耗制造業(yè)的完全能耗量應(yīng)是未來關(guān)注的焦點；消費和進口系數(shù)適度增加，投資和出口系數(shù)適度下降，消費、投資、出口與進口系數(shù)與預(yù)計結(jié)果相符，出口系數(shù)調(diào)整壓力加大。我國應(yīng)進一步制定相關(guān)出口貿(mào)易政策促進出口產(chǎn)品優(yōu)化升級，降低出口產(chǎn)品隱含的能源消耗量。

②從制造業(yè)增加值的增長率與完全能耗強度之間的關(guān)系看，增加值年增長速度越快，一般制造業(yè)的完全能耗強度就越小，如圖2所示。當年增長率為14.12%，制造業(yè)完全能耗強度為0.7823tce/萬元，說明增加值適度增長，有利于制造業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)、投資、消費、出口及進口系數(shù)的調(diào)整，從而促使制造業(yè)完全能耗強度的下降。

圖2 完全能耗強度與制造業(yè)增加值增長率關(guān)系

(2)主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

①在各情景方案中，中能耗制造業(yè)的結(jié)構(gòu)基本上達到了模型設(shè)定的上限，而低與高能耗制造業(yè)的結(jié)構(gòu)基本上達到了模型設(shè)定的下限。上文可知，低能耗制造業(yè)完全能耗強度最小，因其增加值在制造業(yè)中占比20%左右，它的發(fā)展既能大幅降低總體能耗，又能增加制造業(yè)增加值。所以，應(yīng)重視發(fā)展低能耗制造業(yè)，使其達到上限。高能耗制造業(yè)因完全能耗強度較大，且其發(fā)展對制造業(yè)的拉動作用較大，可對內(nèi)部的子行業(yè)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，以限制能耗較高行業(yè)增長。通過測算還可發(fā)現(xiàn)，在不同方案下中低能耗制造業(yè)增加值年增長率明顯高于高能耗制造業(yè)，可見近年來中低能耗制造業(yè)對我國制造業(yè)的貢獻較大。

為此，我國應(yīng)進一步推動中低能耗制造業(yè)發(fā)展，優(yōu)化制造業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)。我國可通過出臺相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，如確定綠色環(huán)保型戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、主導(dǎo)及重點產(chǎn)業(yè)，淘汰高消耗、高污染制造業(yè)，以加快制造業(yè)內(nèi)部行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，提高中低能耗制造業(yè)的增加值在整體制造業(yè)增加值中所占的比重，進而降低制造業(yè)的完全能耗強度。此外，針對當前世界經(jīng)濟低迷、國內(nèi)經(jīng)濟增速放緩現(xiàn)狀，我國應(yīng)采取相關(guān)措施如降低稅率、提供財政補貼與低息貸款，鼓勵國內(nèi)外客戶訂購本國中低能耗制造業(yè)產(chǎn)品等以促進相關(guān)制造行業(yè)發(fā)展。

②通過情景方案優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同2010年相比，2015年各方案情景中制造業(yè)總的能耗量出現(xiàn)上升趨勢，且各行業(yè)能耗量占總能耗量的比重出現(xiàn)明顯變化。

高能耗制造業(yè)能耗比重出現(xiàn)明顯下降，在0.349-0.544之間，且基本遵循高能耗行業(yè)完全能耗比重越低，制造業(yè)完全能耗強度越低。在基準方案情景1與高方案情景2下，高能耗行業(yè)完全能耗占比與中低能耗行業(yè)完全能耗占比分別為0.496與0.504及0.349與0.651，完全能耗強度分別達到最高值與最低值。 由此可見，優(yōu)化制造業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)對降低完全能耗極為重要。合理限制高能耗制造業(yè)發(fā)展，以降低當前高能耗制造業(yè)的完全能耗量。對于石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、化學(xué)工業(yè)及非金屬礦物制品等高能耗行業(yè)，可從降低外商直接投資的進入程度、提高能源價格和加大研發(fā)投入等方面來降低完全能耗強度。在引進外商直接投資時，應(yīng)通過制定合理的外資政策，鼓勵和引導(dǎo)外商直接投資從高能耗制造業(yè)向中低能耗制造業(yè)流動，降低外商直接投資在高能耗制造業(yè)的進入程度。此外，相關(guān)部門還應(yīng)盡快建立能夠反映環(huán)境成本和資源稀缺性的合理能源價格體系，加強對高耗能企業(yè)差別電價政策的實施力度，充分運用能源價格的杠桿作用促進制造企業(yè)的技術(shù)升級，增加節(jié)能技術(shù)投資，并大力淘汰落后生產(chǎn)能力，進一步提升高能耗制造業(yè)的能源效率，從而降低高能耗制造業(yè)的完全能耗量。

③各情景方案下的消費系數(shù)較接近于模型設(shè)定的下限，投資率則接近于上限，而在同方案不同情景下，一般投資系數(shù)越低，制造業(yè)完全能耗強度相對越小，如基準方案情景1與高方案情景2下，投資系數(shù)分別為0.1092、0.1011；各情景方案的出口系數(shù)也基本達到了模型設(shè)定的上限，進口系數(shù)則接近于下限，而在同方案不同情景下，出口系數(shù)越低，進口系數(shù)越高，完全能耗強度相對越小。當出口與進口系數(shù)分別為0.1357及0.1180時，完全能耗強度下降率最低為8.9%；而當出口與進口系數(shù)分別為0.1341及0.1223時，完全能耗強度下降率最高為21.31%，這與前文分析結(jié)論基本一致。應(yīng)采取相應(yīng)措施促進制造業(yè)消費和進口系數(shù)上升，投資與出口系數(shù)下降、并優(yōu)化制造業(yè)出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。具體措施如下：首先，適當降低制造業(yè)產(chǎn)品的消費稅，發(fā)揮政策性金融的引導(dǎo)作用，營造良好的消費環(huán)境，以提高制造業(yè)的消費系數(shù)。其次，加強對新增制造業(yè)投資項目的審查力度，提高高能耗制造業(yè)的準入標準，適當增加中低能耗制造業(yè)的優(yōu)質(zhì)外商直接投資，在降低投資系數(shù)的同時實現(xiàn)投資結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。再次，我國政府可采用如征收較高出口關(guān)稅等措施以減少高污染、高消耗工業(yè)品的出口，進而降低制造業(yè)的出口系數(shù)，同時，可通過降低出口關(guān)稅、提高出口退稅率、提供出口信貸等措施促進高附加值、節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品的出口，從而優(yōu)化出口產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，減少隱含能源的凈出口，降低制造業(yè)的完全能耗強度。最后，應(yīng)采取相應(yīng)措施如降低進口關(guān)稅、提供進口信貸等以促進高附加值、高技術(shù)含量工業(yè)品或高隱含能源型產(chǎn)品的進口，進而提高進口系數(shù)，最終實現(xiàn)國家的節(jié)能降耗目標。

5 結(jié)語

隨著我國新常態(tài)經(jīng)濟發(fā)展模式的積極推進，如何從系統(tǒng)角度降低制造業(yè)完全能耗強度成為當務(wù)之急。本文以制造業(yè)完全能耗強度最小為目標，以18個行業(yè)的最終需求為決策變量，基于投入產(chǎn)出非線性理論，構(gòu)建了完全能耗強度非線性優(yōu)化模型，特別引入了進出口系數(shù)等約束條件，并基于現(xiàn)有投入產(chǎn)出表等數(shù)據(jù)，對模型的相關(guān)系數(shù)進行預(yù)測調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，以制造業(yè)增加值增長速度為依據(jù)，設(shè)計了3個方案及其2個情景，最后以2010年為基期，運用粒子群算法求解2015年完全能耗強度情景優(yōu)化結(jié)果。實證結(jié)果表明，在高方案情景2下，制造業(yè)完全能耗強度達到最小值0.7823tce/萬元，實現(xiàn)完全能耗強度下降20%的目標。結(jié)合上文分析，為實現(xiàn)完全能耗強度下降目標，應(yīng)優(yōu)化制造業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)，推動中低能耗制造業(yè)發(fā)展，并采取相應(yīng)措施促進制造業(yè)投資與出口系數(shù)下降、消費和進口系數(shù)上升，優(yōu)化制造業(yè)出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。本文在模型系數(shù)與發(fā)展目標的設(shè)定時，部分系數(shù)或目標所采用的估計方法相對簡單，將在今后的研究中采用更科學(xué)的估算方法以進一步提高其準確性與適應(yīng)性。

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Scenario Analysis of Complete Energy Intensity of Manufacturing Industry in China Based on Input and Output and Non-linear Optimization

LI Gen1，LIU Jia-guo2，ZHAO Jin-lou3

(1.School of Economics and Management，Jiangsu University Science and Technology，Zhenjiang 212003，China; 2.College of Transport Management,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China;3.School of Economics and Management，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Presently，environmental pollution is still one of the most prominent problems in China，to lower complete energy intensity of manufacturing industry is an important approach to reduce consumption and pollution. Based on input and output and non-linear optimization theory， non-linear optimization model of complete energy intensity is constructcd on the basis of minimum target of complete energy intensity of manufacturing industry and decision variables of 18 industries’ final demands. It introduces import and export coefficients for constraint condition specially，then forecasts and adjusts correlation coefficients of the model based on existing data from input-output table and so on. On the basis of it，three schemes and two scenarios are designed and particle swarm optimization is applied to resolve model. Results show that minimum value range of complete energy intensity of manufacturing industry is from 0.7823 to 0.9048 ton of coal equivalent/ten thousand yuan in 2015. Compared with 2010，the decline rate range is from 8.9% to 21.31%. Under scenario 2 of high scheme，it can realize the goal that complete energy intensity of manufacturing industry decreases by 20%. To achieve this goal，China is supposed to promote the development of manufacturing industry in low and medium energy consumption，reduce complete energy consumption of manufacturing industry in high energy consumption，heighten the consumption and import coefficients and lower the investment and export coefficients reasonably. This paper is beneficial to government departments to formulate scientific and systematic policy of energy conservation and emission reduction and conducive to deepening energy economic and management theory.

manufacturing industry；complete energy intensity；non-linear optimization model；final demand

1003-207(2016)03-0031-10

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2016.03.005

2014-07-29；

2015-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(71503106)；江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)基金項目(2014SJB817)；江蘇科技大學(xué)國家自然科學(xué)基金預(yù)研項目；江蘇科技大學(xué)博士科研項目啟動基金

簡介：劉家國(1979-)，男(漢族)，湖北棗陽人，大連海事大學(xué)交通運輸管理學(xué)院副教授，研究方向：管理工程，E-mail:liujiaguo@gmail.com.

F206

A