曹 靜,賈 娜,李 根,范德成
(1.哈爾濱工程大學經濟管理學院,黑龍江哈爾濱150001;2.江蘇科技大學經濟管理學院,江蘇鎮(zhèn)江212003)
伴隨著工業(yè)化的發(fā)展,能源供需結構之間的矛盾愈發(fā)尖銳,能源結構優(yōu)化的必要性凸顯.2016年,國內外油氣行業(yè)發(fā)展報告公布2015年我國石油對外依存度首次突破60%.當前國際政治經濟形勢錯綜復雜,中國經濟發(fā)展進入新常態(tài),能源作為經濟發(fā)展的基礎與動力,其結構合理與否將直接影響到國家的經濟、環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此能源結構優(yōu)化一直以來都是我國戰(zhàn)略決策層長期重視的熱點.
目前,相關學者對能源結構合理度的內涵大都從廣義及狹義兩方面理解:狹義表現(xiàn)為能源結構使碳生產力提高的程度;廣義表現(xiàn)為提高3E(能源、經濟、環(huán)境)系統(tǒng)間的運行協(xié)調度,具體涵蓋各子系統(tǒng)內部協(xié)調以及系統(tǒng)間運行協(xié)調度.合理的能源結構是指不以犧牲經濟發(fā)展,減緩經濟增長作為代價來實現(xiàn)低碳目標.因此,在研究包含復雜、不確定性、多領域的能源范式下的結構合理度時應基于3E(能源、經濟、環(huán)境)系統(tǒng)的協(xié)調運行過程來分析能源結構與經濟、環(huán)境之間的相互作用與相互影響的內在關系,并以此作為能源結構合理度評價的基礎[1-3].
文獻[4]以能源經濟學理論為基礎,從環(huán)境、社會經濟與能源發(fā)展這三個維度對能源結構合理度進行實證分析,發(fā)現(xiàn)能源結構合理度呈持續(xù)波動狀態(tài),還有文獻[5–8]就此三個維度中的一個或多個進行研究分析,探討能源消耗和廢氣排放的關系,從經濟與能源兩個維度切入,對比分析中國能源成本和能源技術發(fā)展的演化趨勢;文獻[9]就能源結構視角構建了一個包含3E三個子系統(tǒng)的綜合能源利用效率評價指標體系;文獻[10]利用一般均衡模型分析能源與環(huán)境問題,預測了我國經濟增長速度與碳排放強度和能源強度發(fā)展趨勢;文獻[11,12]用閾值非線性模型分析降低能源強度的因素,得出GDP與技術進步兩大因素對我國能源強度影響最大.
國外學者們對能源系統(tǒng)和經濟、環(huán)境系統(tǒng)做了許多理論和實證方面的研究,對能源結構合理度評價方法較少研究,多以評估能源間的可替代性為主要內容[13,14].文獻[15]的研究表明原油、原煤以及電力資源包括水電和火電可以互相替代,從而緩解能源短缺問題.文獻[16–18]同樣也得出了這樣的結論.文獻[19,,20]對能源之間的替代系數(shù)與替代彈性等等一些衡量變量估計的定量研究方法做了探討.就能源結構層面,文獻[21,22]主要建立了對于能源消費的研究框架,文獻[23]使用控制論思想進行能源結構分析,而文獻[24]則使用模擬的方法對能源消費結構進行模擬和組合.
通過文獻梳理發(fā)現(xiàn),國內外學者對能源結構以及能源系統(tǒng)本身均進行了較為深入的研究,為本文研究提供了有益借鑒.能源結構合理度評價是評判能源結構優(yōu)化結果的標準,評價體系以及評價方法的科學合理性是不容忽視的.但是,現(xiàn)有研究卻忽略了這個重點,對能源結構合理度評價較少研究,在指標選取、評價體系建立以及最終科學評價方面具有不精確性、廣泛性.就評價這個單一的環(huán)節(jié)而言,傳統(tǒng)的方法多是基于評價體系,分析影響因素之間的計量關系或是以權重與樣本數(shù)據(jù)乘積值來詮釋評價結果,單一的定量或定性的評價方法往往只能從某一層面分析評價結果,并不能系統(tǒng)、全面的統(tǒng)籌兼顧評價樣本的確定性與不確定性間相互影響,同時存在權值確定方法粗糙、分級模糊、評價結果粗糙的缺陷.
首先,為應對指標體系的不精確性,本文以3E系統(tǒng)視角為切入點,DPEIR模型為指標篩選基礎,構建了一個以能源結構合理度評價為目標層的多指標、全方位的綜合測度與評價指標體系.其次,由于3E系統(tǒng)表現(xiàn)出諸多不確定性與復雜性,而集對分析在處理不確定性問題層面已經取得了巨大的成就,本文提出將其應用于管理科學中關于能源結構合理度的評價領域.采用熵權–集對分析模型,從“同–異–反”三個維度量析樣本與標準間的聯(lián)系度并對樣本進行評價,將評價等級劃分為五個等級,該方法改變傳統(tǒng)主觀評價為數(shù)據(jù)驅動的較為精確的評價,具有較強的推廣價值.最后,對我國30年來能源結構合理度的變化趨勢進行實證研究,識別影響能源結構的關鍵因子,進而揭示能源結構在這個復雜大系統(tǒng)中如何最優(yōu)化達到能源結構合理度的要求.
3E系統(tǒng),是由能源、經濟和環(huán)境三個子系統(tǒng)并聯(lián)構成的一個有機大系統(tǒng),其中能源系統(tǒng)是3E系統(tǒng)運行的動力支持,經濟系統(tǒng)為其他系統(tǒng)提供物資支持,環(huán)境系統(tǒng)是3E系統(tǒng)的空間支持,是環(huán)境中各種關系的整體,也是能源系統(tǒng)的載體.王柳葉等[1]認為3E系統(tǒng)理論是結合系統(tǒng)工程理論思想,全面深入的分析能源、經濟、環(huán)境系統(tǒng)間的關聯(lián)關系.3E系統(tǒng)結構分析見圖1.
圖1 3E系統(tǒng)能源結構關系框圖Fig.1 Relationship of energy structure in a 3E system
總的來說,環(huán)境保護、社會經濟和能源開發(fā)是個有機整體,社會經濟發(fā)展要以能源開發(fā)為基礎,但能源開發(fā)過程中不可避免要污染環(huán)境,只有經濟發(fā)展了才能為環(huán)境保護.因此,在實現(xiàn)3E各系統(tǒng)的和諧穩(wěn)步發(fā)展時,不能孤立考慮單個系統(tǒng)的問題,應以能源系統(tǒng)為媒介,通過提高能源加工轉換效率,開發(fā)新能源,調整能源結構,兼顧環(huán)境系統(tǒng)承載能力,實現(xiàn)經濟環(huán)境的穩(wěn)定協(xié)調發(fā)展.
本文將3E復雜系統(tǒng)協(xié)調運行機制詮釋為3E系統(tǒng)達到系統(tǒng)和諧穩(wěn)步狀態(tài)時,三個子系統(tǒng)內部運行過程以及各子系統(tǒng)之間運行的過程.3E系統(tǒng)中,能源消費是經濟提升的動力和基礎,包含能源結構調整和技術開發(fā);經濟穩(wěn)步增長有助于能源飛速發(fā)展,若能源消費總量和經濟總量之比與能源消費提升速度和經濟增加速度之比呈區(qū)間穩(wěn)態(tài)狀態(tài),則“能源–經濟”系統(tǒng)的替代關系為能源與經濟增長間的關系.因此,若經濟形式出現(xiàn)短期高速增長,由于能源資源的限制,該狀態(tài)將不會持續(xù),最終經濟發(fā)展將被嚴重抑制.能源大量開采同時會導致能源系統(tǒng)運轉失效,能源消費繼發(fā)性導致的大量污染物產生.如圖1所示,“能源–環(huán)境”系統(tǒng)之間的主要關系表現(xiàn)為能源系統(tǒng)加工轉換環(huán)境中的各類資源,能源工業(yè)活動產生污染物排放到環(huán)境系統(tǒng)中此兩點.能源從開發(fā)運輸?shù)郊庸?、轉換和利用的過程,均會對環(huán)境系統(tǒng)產生影響.掠奪式、粗放式能源開發(fā)更是會對環(huán)境造成不可逆破壞,尤其是戰(zhàn)爭對環(huán)境系統(tǒng)的巨大破壞力.環(huán)境系統(tǒng)對能源系統(tǒng)的逆效用表現(xiàn)在各系統(tǒng)的內資源狀態(tài)彼此影響,與此同時,能源結構的轉型,能源產業(yè)的運作,環(huán)境受到破壞的程度均會對能源開采產生不同等級的影響,因此,能源結構合理度研究的最優(yōu)視角為3E大視角.
DPSIR模型即驅動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應五維度模型,是基于PSR模型即(壓力–狀態(tài)–響應)模型的理論基礎上由經濟合作與發(fā)展組織(OEDC)于1993年提出,研究對象所處狀態(tài)引起變化對人類社會的影響[1,4].該模型將社會、經濟、環(huán)境與資源因素集合在一起,清晰再現(xiàn)了經濟社會發(fā)展以及人類生產活動對環(huán)境的影響,同時也體現(xiàn)了由于人類紛繁社會行為引起的環(huán)境狀態(tài)對社會、經濟的影響.因此,DPSIR模型涵蓋了3E系統(tǒng)的內容,本文即選擇該模型進行能源結構合理度的測度研究.
本文基于DPSIR模型,根據(jù)能源結構合理度的內在本質,構建能源結構合理度評價體系.范德成等[4]認為模型中的驅動力因素是導致能源結構發(fā)生變化的內在影響因子之一,包括我國經濟相關部門活動、消費趨勢以及經濟發(fā)展趨勢等,本文將制約3E系統(tǒng)穩(wěn)定運行的約束視為正負評判標準.模型中“壓力”一詞指代因群眾日常生活給生態(tài)環(huán)境及社會資源造成的不可逆影響,導致能源結構不符合作為低碳經濟及3E系統(tǒng)穩(wěn)定運行約束的條件,從而出現(xiàn)能源結構合理度失衡的現(xiàn)象.這種現(xiàn)象多來自于環(huán)境系統(tǒng)所要求的直接壓力,諸如能源使用效率低、二氧化硫排放量和碳排放量等因素,為防止出現(xiàn)由壓力影響因子顯示出的信息復現(xiàn),本文從能源使用和環(huán)境污染兩方面來描述壓力因素.模型中狀態(tài)因素原本指代因壓力因素的影響所顯示的系統(tǒng)情況,多顯示為資源供給情況、資源消耗情況、環(huán)境污染程度及經濟發(fā)展水平四個方面,本文中該詞代表能源結構因壓力影響而顯示的系統(tǒng)情況.模型中影響因素指標源于狀態(tài)因素在3E系統(tǒng)下各系統(tǒng)改變情況,主要有能源系統(tǒng)、經濟系統(tǒng)及環(huán)境系統(tǒng)三種影響因素;響應因素則是由技術創(chuàng)新及政府響應兩個影響因素組成,本文的能源結構合理度測度指標篩選邏輯如圖2所示.
圖2 能源結構合理度測度指標篩選邏輯圖Fig.2 Screening logic of energy structure measure index
本文以DPSIR模型為基礎,根據(jù)圖2篩選出能源結構合理度測度初始指標見表1.
熵權法是一種根據(jù)實際的樣本數(shù)據(jù)值觀測指標的信息量大小的客觀賦權方法.熵權法作為客觀賦權法,一定程度上能避免主觀因素引起的誤差,熵權法是“差異”驅動,反映信息熵的最優(yōu)效用價值,具有較高的再現(xiàn)性和可信度,本文將其應用于指標篩選.求指標權重的具體計算過程如下:
步驟1建立原始數(shù)據(jù)的決策矩陣,Xij表示對象集相對于指標集的原始樣本數(shù)據(jù)值,即第i個指標在第j年的實測值,其中i=1,2,...,m,j=1,2,...,n.則決策矩陣為
步驟2標準化決策矩陣:因屬性量綱間存在差異,導致無法建立屬性間的聯(lián)系.為了實現(xiàn)評價值間的度量統(tǒng)一,確定各屬性的重要程度,需要實現(xiàn)對評價值的預處理,將每個屬性變?yōu)闊o量綱.
效益型指標
成本型指標
適度型指標
其中I1、I2和I3分別對應表1中的指標方向為正、負、適度指標的集合,最后,本文采用標準0-1變換以實現(xiàn)矩陣Y的同趨化處理結果;
步驟3計算Yij在第i個指標項目下的比重值.設Yij在第i個指標下的比重為
步驟4計算指標i的熵
其中當ρij=1或ρij=0時,ρijln(ρij)=0,熵大小與反映信息量的大小成負相關;
步驟5θj←1-Ej,指標差異性大小與熵意義相反,因此本文計算熵權的數(shù)據(jù)作為指標間的差異系數(shù);
步驟6設ωi表示指標i在指標體系中所占的權重
由于原始數(shù)據(jù)量綱差異化導致運算受阻,首先應標準化處理數(shù)據(jù)以消除量綱差異性的影響,本文采用歸一化方法對數(shù)據(jù)進行無量綱處理,具有魯棒性較好、縮放無關性與總量恒定性均較憂的特點,初始指標體系賦權結果見表1.
因此本文樣本數(shù)據(jù)中m=53,n=30,即53個指標在1985年~2014年,共計30年的統(tǒng)計值.根據(jù)熵權法確定的權重值對指標采取末位淘汰制,即將指標按照權重大小排列,舍去權重靠后的40%的指標,同時結合Delphi專家打分法.選取五位行業(yè)專家,在熵權法篩選指標的基礎上,規(guī)定指標評價范圍為[0,1],由五位專家對各指標情況進行評分,取評分誤差為30%.評分差額大于30%的情況,則由專家碰面頭腦風暴重新商定指標問題,討論后確定各自分數(shù),直至評分差額小于30%,最后根據(jù)專家打分結果排序確定最終的指標體系并對各指標的權重作歸一化處理[1],構成集合W.約簡后的測度指標體系及其賦權結果見表2.
表1 能源結構合理度測度初始指標Table 1 Initial index of measure of energy structure
表2 指標權重表Table 2 Entropy weight of each index
集對分析法,是趙克勤[25]于1989年提出的一種關于復雜系統(tǒng)“同–異–反”定量分析的系統(tǒng)分析方法.該方法可完整有效地刻畫“確定–不確定系統(tǒng)”的對立統(tǒng)一關系,符合自然辯證法和人類思維方式,具有方法論的意義,本文從定性、定量兩個角度分析分析不同指標的“同–異–反”程度,能夠較好的衡量樣本之間的聯(lián)系度.集對分析法分析步驟如下:
步驟1對一個不確定性問題,定義樣本屬性實測值構成集合A,屬性的分級標準值為集合B,則集合A與集合B構成集對H,集對H共包含N個特性,其中S個為共有,P個為對立,其余F=N-S-P為既不對立也不統(tǒng)一的,被稱為“比值”.
其中S/N表示同一度,記為a;F/N表示差異度,記為b;P/N表示對立度,記為c;i為差異度標記,j為對立度標記.l為用來劃分等級的限值數(shù),當集合B的分級標準具有多等級即l>3時,可根據(jù)系統(tǒng)不確定性將差異度bi規(guī)范化處理.
本文采取均值法用4個分界限值對聯(lián)系度的取值范圍劃分為5個等級即l=4.
步驟2sk為評價指標的門限值,指標評價等級劃分見下表3;
步驟3集合A的決策矩陣見式(1),針對不同指標存在指標值最優(yōu)的趨向不同,分為正向型指標與負向型指標,通過對a,b,c的比較即可初步描述合理度的差異,不同等級的“同–異–反”隸屬度不同,評價指標值相對于能源結構合理度聯(lián)系度如下,x表示第j年的第i項評價指標的實測值.
正向型指標
負向型指標
表3 指標限值表Table 3 Table of limits of different indexes
步驟4綜合評價指標聯(lián)系度的表達式為
其中μj表示第j年的綜合評價指標聯(lián)系數(shù),式中W表示指標權重矩陣即表2所示組合權重項,表示第j年各指標的值相對于標準集的“同–異–反”聯(lián)系度矩陣,v表示本文所取聯(lián)系度的不確定系數(shù)矩陣.
依據(jù)熵權法定義,計算不同年份樣本數(shù)據(jù)與標準集合間不同指標的“同–異–反”聯(lián)系度,篇幅限制本文列舉2010年各指標的聯(lián)系度如下.
朱兵等[26]認為不確定系數(shù)i的取值與序列之間的相關系數(shù)r,序列變差系數(shù)Cv以及標準系數(shù) 等因素有緊密關系,但不確定系數(shù)的取值不影響趨勢,這里將其賦值為0.5,即
以我國能源結構合理度為評價對象,查閱“中國統(tǒng)計年鑒”、“中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒”、“中國工業(yè)經濟年鑒”等文獻中1985年~2014年共計30年的相關數(shù)據(jù).依據(jù)式(12)計算能源結構合理度綜合評價等級,本文列舉2000年~2014年各指標“同–異–反”綜合聯(lián)系度計算結果見下表5,最后對照表4對集對分析結果進行分級.
根據(jù)表5所得結果,作我國能源結構合理度發(fā)展趨勢圖見下圖3,圖中折線即為我國能源結構合理度發(fā)展趨勢線,其余四條直線表示能源結構合理度分級界限.
結合表5與圖3,可以得出以下結論:2000年以來,我國能源結構合理度趨于合理,尤以2008年至2014年,我國能源結構合理度均為合理,但距離非常合理級別還有一定上升空間.就這30年的評價樣本來看,20世紀前數(shù)據(jù)波動較大,20世紀后除2002年~2006年與2009年~2011年呈現(xiàn)“U型”趨勢,其他年份均呈現(xiàn)穩(wěn)定上升狀態(tài).自鄧小平同志1992年南巡講話后的五年里,我國改革開放與經濟發(fā)展速度顯著提升,改變了原本壟斷的能源供需市場,不斷發(fā)展的第三產業(yè)逐步興起,能源需求鏈的增長加速了能源結構的不合理走勢.2002年~2006年間,我國正處于工業(yè)化中期,這一階段我國經濟發(fā)展較快,對能源需求也較大,而當時社會的現(xiàn)實情況是經濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾沖突日益明顯.2005年開始,政府開始重視能源結構問題,能源結構合理度呈現(xiàn)先降后升的趨勢.能源結構合理度很大程度上與能源價格、能源供需市場等政府的宏觀調控有關,在2009年之后,經濟系統(tǒng)對能源系統(tǒng)的反饋效用表現(xiàn)的愈發(fā)明顯.2009年~2014年,我國能源市場還存在經濟機制不穩(wěn)定、不健全兼能源改革不徹底等問題,2009年歐債危機的爆發(fā)直接威脅我國經濟市場,國內經濟疲軟、石油價格一降再降,迅速涉及整個工業(yè)市場,能源結構合理度呈現(xiàn)下降趨勢.2012年能源各領域“十二五”規(guī)劃相繼面世,行業(yè)發(fā)展的基本思路初步成型,各項目的發(fā)展目標浮出水面,為能源行業(yè)未來發(fā)展定下了基調.2013年,一系列能源價格改革進入密集出臺聯(lián)動煤炭,石油和天然氣等傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展;風電,光伏等新能源也在不斷地發(fā)展.我國能源結構合理度總體呈穩(wěn)定提升趨勢,并且我國近兩年能源結構優(yōu)化的努力已經初見成效,說明近年來我國不斷出臺的能源結構優(yōu)化相關政策是有效的,我國應繼續(xù)加強能源結構優(yōu)化力度.
圖3 我國能源結構合理度趨勢圖Fig.3 Trend chart of the sanity degree of energy structure in China
表5 1985年~2014年各指標“同–異–反”綜合聯(lián)系度Table 5 Each index with identical discrepancy contrary connection degree from 1985 to 2014
表5 (續(xù))Table 5(Continue)
由于不同指標權重大小可以反映該指標在指標體系中的重要程度,就評價體系分析我國能源結構優(yōu)化方向,認為從驅動力角度考慮,政府應以提高D3(固定資產投資額)與D9(人均GDP)指標為抓手,加大投資力度,繼續(xù)發(fā)展經濟,使我國經濟保持平穩(wěn)上升的增長趨勢;壓力層面應以P7(工業(yè)廢氣排放總量)為著眼點,盡可能控制并降低工業(yè)廢氣排放量,減少對環(huán)境的壓力,從而降低環(huán)境系統(tǒng)對我國經濟、能源系統(tǒng)的負反饋作用;狀態(tài)層面應主要解決S5(能源價格)、S6(人均碳排放量)、S7(工業(yè)廢水排放量)及S8(森林覆蓋率)等問題,將能源價格控制在穩(wěn)定水平,提高森林覆蓋率面積,降低工業(yè)廢水排放,踐行低碳經濟;從影響因素得分角度應主要從提高I3(就業(yè)率)和I4(進出口貿易總額)著手,實現(xiàn)對響應因素的正向反饋;響應因素層面主要從提高R8(工業(yè)治污投資額)、R9(工業(yè)廢水排放達標率)和R11(自然保護區(qū)面積占比)這三個指標為方向提高對環(huán)境的重視程度.綜上所述,可以得出,在我國經濟發(fā)展處于有意放緩速度的當下,我國應繼續(xù)實施低碳經濟以及環(huán)境保護政策以實現(xiàn)我國能源結構合理度趨勢的正向移動,同時大力發(fā)展光伏、太陽能和風能等可再生清潔能源,實現(xiàn)能源結構的優(yōu)化.
本文以能源結構為研究對象,在3E系統(tǒng)的基礎上結合能源結構合理度內涵,詮釋3E系統(tǒng)協(xié)調運行過程,分析能源結構合理度測度的影響因素,引入DPSIR模型,分別從5個維度分析3E系統(tǒng)協(xié)調運行過程中的各因影響因子,研究支撐能源結構合理度評價指標體系的理論依據(jù)和內涵.同時采用“熵權–DELPHI”法對初始評價指標進行篩選并賦值,定性與定量方法結合,科學的實現(xiàn)精簡數(shù)據(jù)的同時降低數(shù)據(jù)冗余度,改善傳統(tǒng)能源結構合理度樣本權重乘積判斷各指標趨勢的評價方法,以集對分析聯(lián)系度作為評價標準,引入集對分析評價模型能源結構合理度進行評價,實證分析我國1985年~2014年的數(shù)據(jù),引入集對分析理論對這30年能源結構合理度進行了評價與分析,為未來能源結構優(yōu)化效果評價提供理論依據(jù).