基于自助法的我國(guó)清潔能源需求預(yù)測(cè)

梁慧琛

(北京歐特科新技術(shù)有限公司，北京100085)

基于自助法的我國(guó)清潔能源需求預(yù)測(cè)

梁慧琛

(北京歐特科新技術(shù)有限公司，北京100085)

以我國(guó)歷年能源消費(fèi)量為基礎(chǔ)，利用加速遺傳算法建立了生命回旋預(yù)測(cè)模型(LC)。為了進(jìn)一步刻畫(huà)預(yù)測(cè)模型計(jì)算值的不確定性，提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，運(yùn)用自助法對(duì)計(jì)算誤差進(jìn)行重抽樣，建立了基于自助法的能源消費(fèi)量生命回旋預(yù)測(cè)模型(LC-B)，并結(jié)合相關(guān)政策預(yù)測(cè)2020年我國(guó)清潔能源需求總量。研究結(jié)果表明，2020年，我國(guó)清潔能源需求量將到達(dá)4.96億～8.51億tce。

清潔能源；需求預(yù)測(cè)；生命回旋；自助法；加速遺傳算法

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為我國(guó)實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略過(guò)程中必須解決的重大問(wèn)題[1- 4]。在哥本哈根世界氣候變化大會(huì)上，我國(guó)政府作出了減少碳排放量的承諾，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了清潔能源的需求量，為我國(guó)合理制定能源發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。許多主要能源具有不可再生性，能源產(chǎn)量峰值觀點(diǎn)由此提出。Feng等[5]基于石油峰值模型對(duì)我國(guó)石油儲(chǔ)備進(jìn)行的預(yù)測(cè)和分析結(jié)果顯示，我國(guó)的石油開(kāi)發(fā)量在不久后將達(dá)到高峰并逐漸減少。而伴隨著主要能源生產(chǎn)量的減少，我國(guó)勢(shì)必會(huì)控制能源消費(fèi)量的增長(zhǎng)。同時(shí)，加之科技進(jìn)步促使能源利用效率的提高，我國(guó)能源消費(fèi)總量將出現(xiàn)一個(gè)峰值。翁文波[6]提出的生命回旋模型(Life Circle Model，LC)用來(lái)描述事物的出生、成長(zhǎng)、成熟、衰退的發(fā)展過(guò)程，而我國(guó)能源消費(fèi)量具有類(lèi)似的發(fā)展變化特征，用其進(jìn)行能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)具有科學(xué)依據(jù)。然而，能源消費(fèi)量受經(jīng)濟(jì)、人口、城市化率及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等眾多因素影響[7- 8]，其變化是一個(gè)高維非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)過(guò)程，帶有很大的不確定性，故以置信區(qū)間的形式表示能源消費(fèi)量的預(yù)測(cè)值將更為科學(xué)、準(zhǔn)確。Efron等[9-10]提出的自助法(Bootstrap Method)無(wú)需對(duì)未知分布進(jìn)行任何假設(shè)，通過(guò)對(duì)小樣本的重抽樣來(lái)模擬未知總體分布，已成為處理不確定性問(wèn)題的有效方法[11-13]。基于此，本文建立了基于自助法的能源消費(fèi)量生命回旋預(yù)測(cè)模型(Life Circle Model Based On Bootstrap Method，LC-B)，即在LC模型的基礎(chǔ)上，利用自助法獲取其計(jì)算誤差的分布情況，進(jìn)而給出在一定置信度下能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)值的置信區(qū)間，用LC-B模型預(yù)測(cè)我國(guó)2020年能源消費(fèi)總量，再結(jié)合我國(guó)提出的節(jié)能減排政策，求得相應(yīng)的清潔能源需求總量。

1 LC-B模型的建立

LC-B模型的建立包括能源消費(fèi)量LC模型的建立、基于自助法的重抽樣樣本的生成以及我國(guó)能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)3個(gè)部分。

1.1 LC模型

以中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[14]中1985年～2006年的能源消費(fèi)量為基礎(chǔ)建立模型，2007年、2008年數(shù)據(jù)用于模型檢驗(yàn)。能源消費(fèi)量序列xt=x(t)的變化趨勢(shì)可表示為

zt=ATne-T+D

(1)

式中，A為系數(shù)；n≥0；D為常數(shù)；T=(y-y0)/c，y為計(jì)算年份，y0為起始年份，系數(shù)c>0。

根據(jù)王安建[15]對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)零增長(zhǎng)的研究，假定我國(guó)在2050年前出現(xiàn)能源消費(fèi)頂峰，并以此為基礎(chǔ)確定各參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，利用加速遺傳算法[16]求解下式

(2)

式中，Q為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；zt為模型計(jì)算值；xt為序列實(shí)測(cè)值。從而可得

zt=7.665 697 4T4.286 159 5e-T+9.448 089 2
T=(y-1984)/12.803 218 1 (y>1984)

(3)

LC模型趨勢(shì)項(xiàng)z(t)計(jì)算值及能源消費(fèi)實(shí)際值對(duì)比見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，LC模型的趨勢(shì)z(t)發(fā)展由慢變快，達(dá)到峰值后逐漸衰減。我國(guó)能源消費(fèi)量也經(jīng)歷了一個(gè)緩慢增長(zhǎng)期，從2000年到現(xiàn)在，能源消費(fèi)量正處于快速攀升階段。隨著主要能源開(kāi)發(fā)量的減少以及科技水平促使能源利用效率的提高，我國(guó)的能源消費(fèi)量將進(jìn)入頂峰并逐漸緩慢下降。

圖1 LC模型趨勢(shì)項(xiàng)z(t)計(jì)算值及能源消費(fèi)實(shí)際值對(duì)比

然而，LC模型趨勢(shì)項(xiàng)z(t)反映的是能源消費(fèi)量的總體趨勢(shì)，實(shí)際的能源消費(fèi)量將在此趨勢(shì)的基礎(chǔ)上波動(dòng)，可用二階自回歸模型AR(2)來(lái)描述，即

rt=1.794 927 6rt-1-0.910 945 6rt-2+μt

(4)

式中，rt、rt-1、rt-2分別為L(zhǎng)C模型在t年、(t-1)年、(t-2)年的波動(dòng)項(xiàng)；μt為白噪聲序列。

圖2 LC模型波動(dòng)項(xiàng)r(t)的實(shí)際值和計(jì)算值對(duì)比

年份實(shí)際值/億tceLC模型計(jì)算值/億tce誤差/%19878.6638.631-0.03219889.3009.3000.00019899.6939.9310.23819909.87010.0790.209199110.37810.066-0.312199210.91710.851-0.066199311.59911.398-0.201199412.27412.183-0.091199513.11812.832-0.286199613.89513.804-0.091199713.78014.5120.732199813.22113.6900.469199913.38312.897-0.486200013.85513.811-0.044200114.32014.6380.318200215.18015.1800.000200317.49916.448-1.051200420.32319.985-0.338200522.46823.1080.640200624.62724.562-0.065200726.55826.6650.107200829.10028.546-0.554

1.2 基于自助法的重抽樣樣本的生成

(5)

(6)

1.3 能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)

(7)

(8)

根據(jù)累積概率的數(shù)學(xué)期望公式[17]，可得預(yù)測(cè)t年能源消費(fèi)量在置信水平α下的置信區(qū)間為

(9)

2 我國(guó)能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)

從表2中可知，重抽樣B=999、9999、99 999次時(shí)的置信區(qū)間及均值相接近，說(shuō)明LC-B模型計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定。取B=99 999次時(shí)的計(jì)算結(jié)果為2020年我國(guó)能源消費(fèi)量的最終預(yù)測(cè)值，即為47.298億～47.639億tce。

表2 能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)值置信區(qū)間

3 我國(guó)清潔能源需求總量預(yù)測(cè)

化石能源的碳排放量可以用下式進(jìn)行估算[18]

E=β1Qc+β2Qf+β3Qg

(10)

式中，Qc、Qf、Qg分別為煤炭、石油、天然氣的消費(fèi)量；β1、β2、β3分別為煤炭、石油、天然氣的碳排放系數(shù)，以各個(gè)機(jī)構(gòu)所確定的值為依據(jù)，取其平均值用于計(jì)算。

利用式(10)計(jì)算得2005年我國(guó)碳排放量為14.27億t。根據(jù)我國(guó)提出到2020年單位GDP二氧化碳排放量比2005年減少40%～45%的減排目標(biāo)，以2005年、2020年我國(guó)GDP總量分別為18.32萬(wàn)億、60.95萬(wàn)億元(假定2010年～2015年GDP年增長(zhǎng)8.0%，2016年～2020年GDP年增長(zhǎng)7.0%，按2005年價(jià)格計(jì)算)為基礎(chǔ)，得到2020年我國(guó)碳排放量為26.12億～28.49億t。根據(jù)我國(guó)1978年～2008年的能源結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合我國(guó)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》及姜克雋等[19]的研究成果，設(shè)定2020年我國(guó)石油、天然氣消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的20%、6%，再據(jù)式(10)可計(jì)算得出在不同減排目標(biāo)下清潔能源的需求總量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，2020年我國(guó)清潔能源需求量將達(dá)到4.96億～8.51億tce。文獻(xiàn)[19]預(yù)測(cè)2020年我國(guó)能源消費(fèi)量為48.17億tce，與本文計(jì)算得的47.30億～47.64億tce結(jié)果接近，且本文提出的2020年我國(guó)清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比例也與我國(guó)規(guī)劃目標(biāo)15%及現(xiàn)狀10%相接近。因此，本文的清潔能源需求量預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性。

表3 2020年我國(guó)清潔能源需求量

4 結(jié) 論

根據(jù)我國(guó)能源消費(fèi)量特征及能源峰值觀點(diǎn)，利用加速遺傳算法建立了生命回旋預(yù)測(cè)模型，針對(duì)能源消費(fèi)量的不確定性，建立了基于自助法的生命回旋預(yù)測(cè)模型(LC-B)，給出了2020年我國(guó)能源消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)區(qū)間，相比于以往單個(gè)實(shí)數(shù)值的預(yù)測(cè)結(jié)果更為合理。2020年，我國(guó)能源消費(fèi)總量在置信水平為5%下的置信區(qū)間為[47.2978，47.6387]。LC-B物理概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，預(yù)測(cè)精度高，在各類(lèi)能源預(yù)測(cè)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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PredictionofCleanEnergyDemandinChinaBasedonBootstrapMethod

LIANG Huichen

(OTEC Engineering Co., Ltd., Beijing 100085, China)

Based on the energy consumption in China in past years, the Life Cycle model (LC) is established by using Accelerated Genetic Algorithm. In order to further characterize the uncertainty of calculated value of the model and improve the accuracy of model, the Bootstrap method is used to re-sample the calculation deviation, and then the energy consumption Life Circle model based on Bootstrap method (LC-B) is established. Combined with relevant policy, China’s demand for clean energy in 2020 is forecasted. The results show that the demand for clean energy in China will reach 4.96 billion -8.51 billion tce in 2020．

clean energy; demand forecasting; life cycle; Bootstrap method; Accelerating Genetic Algorithm

F224；F206

A

0559- 9342(2017)09- 0097- 04

2017- 05- 09

梁慧琛(1986—)，女，廣東江門(mén)人，工程師，碩士，主要從事水利水電工程技術(shù)咨詢(xún)、設(shè)計(jì)工作．

(責(zé)任編輯楊 健)