基于灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型的內(nèi)蒙古地區(qū)能源消費(fèi)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

王 娟，何莉敏，孫慶雪

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 理學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快以及居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，未來(lái)中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中石油、天然氣等高效清潔能源將位居重要地位.內(nèi)蒙古是我國(guó)重要的能源生產(chǎn)和供應(yīng)基地，與此同時(shí)也是最大的能源消費(fèi)地.“十五”以來(lái)，內(nèi)蒙古工業(yè)化的前進(jìn)速度明顯加快，工業(yè)在社會(huì)發(fā)展中的地位不僅居高不下，還在上升，隨著工業(yè)發(fā)展的加快，使得一次性資源，例如：煤、石油等的消耗和浪費(fèi)越來(lái)越多，資源的高度消耗導(dǎo)致內(nèi)蒙古資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障面臨著巨大的挑戰(zhàn).在該背景下對(duì)內(nèi)蒙古未來(lái)能源消費(fèi)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，有著十分重要的意義.

長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者致力于能源消費(fèi)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的研究.其中，李龍全等［1］采用最小化方差的辦法進(jìn)行權(quán)重分配，運(yùn)用組合預(yù)測(cè)模型對(duì)江蘇省2004—2015年的能源消費(fèi)量進(jìn)行了預(yù)測(cè).王錚等［2］通過(guò)借助馬爾科夫鏈的方法預(yù)測(cè)了河南省2007—2050年的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu).汪京徽等［3］采取Holt線性趨勢(shì)模型和ARI?MA模型對(duì)安徽省2018年到2022年的能源消耗量進(jìn)行預(yù)測(cè).丁非白在文獻(xiàn)［4］中從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)分別與能源消費(fèi)總量2個(gè)角度運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法來(lái)研究呼包鄂經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消費(fèi)之間的關(guān)系.同時(shí)利用GM（1，1）模型對(duì)未來(lái)10年呼包鄂的能源消費(fèi)情況進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè).張衍廣等［5］運(yùn)用EMD方法對(duì)中國(guó)能源供需情況進(jìn)行多尺度分析及預(yù)測(cè)，并提出虛擬能源理論.

通過(guò)查閱《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》相關(guān)數(shù)據(jù)，可知從1985到2000年期間，內(nèi)蒙古自治區(qū)能源消費(fèi)總量的增長(zhǎng)始終在4%～7%之間，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較平穩(wěn).進(jìn)入新世紀(jì)后，內(nèi)蒙古在牢牢抓住西部大開發(fā)機(jī)遇的前提下，通過(guò)依靠資源的大力開發(fā)，加速工業(yè)化的前進(jìn)步伐，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的超速增長(zhǎng)，能源消費(fèi)量也呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì).進(jìn)入“十二五”以后，內(nèi)蒙古能源消費(fèi)總量增速慢慢下降.工業(yè)內(nèi)部，以重化工業(yè)為主的依靠大量消耗能源和自然資源的發(fā)展格局，快速轉(zhuǎn)向資源與非資源型工業(yè)并舉的格局，加工制造業(yè)地位凸顯.與此同時(shí)，現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、旅游文化產(chǎn)業(yè)等也加速促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng).與重化工業(yè)相比這些產(chǎn)業(yè)對(duì)能源消費(fèi)總量的需求較低.因此，內(nèi)蒙古產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的結(jié)果必然使能源消費(fèi)總量的增長(zhǎng)速度變慢.

本文選取內(nèi)蒙古地區(qū)2008—2017年能源消費(fèi)總量及能源結(jié)構(gòu)消費(fèi)總量的數(shù)據(jù)，運(yùn)用灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)未來(lái)10年能源消費(fèi)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，為內(nèi)蒙古自治區(qū)制定能源戰(zhàn)略提供參考依據(jù)，同時(shí)也有利于推動(dòng)內(nèi)蒙古產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，為內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供有利的條件.

1 GM（1，1）模型

GM（1，1）模型是各種預(yù)測(cè)理論體系中一個(gè)可行的研究方向，是用來(lái)研究“小樣本”與“不確定性”問題的常用方法，是在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型的，其具體建模步驟如下：

第一步：建立一次累加生成序列.設(shè)X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n))為非負(fù)序列，對(duì)其作一次累加生成得1—AGO序列：X(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))，其中

故灰導(dǎo)數(shù)為：

第二步：求緊鄰均值序列.

其中

由此建立GM（1，1）模型

相應(yīng)的白化方程（影子方程）為

其中，a為發(fā)展系數(shù)，b為灰色作用量.

第三步：模型檢驗(yàn).通常有平均相對(duì)誤差、絕對(duì)關(guān)聯(lián)度、均方差比值、最小誤差概率4種模型檢驗(yàn)的方法.

這一新理論由于“貧信息”問題的普遍存在，從而具有了十分廣闊的發(fā)展前景.目前灰色系統(tǒng)理論已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、能源、軍事、社會(huì)等相關(guān)領(lǐng)域獲得十分廣泛的應(yīng)用［6—10］，成功地處理了生產(chǎn)生活中的大量實(shí)際問題，并贏得了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛肯定和積極關(guān)注.

2 內(nèi)蒙古能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)

2.1 樣本選取本文選取內(nèi)蒙古2008—2017年能源消費(fèi)總量的數(shù)據(jù)，基于GM（1，1）模型對(duì)未來(lái)10年內(nèi)蒙古能源消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè).搜集的數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》.

2.2 能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)第一步：建立一次累加生成序列.原始數(shù)據(jù)序列為2008—2017年內(nèi)蒙古能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)：

因此，X（0）序列的一階弱化緩沖算子為

計(jì)算結(jié)果如下：

則X的1—AGO序列為：

第二步：設(shè)d為GM（1，1）模型，其中a，b為常數(shù).通過(guò)最小二乘法估計(jì)a，b的值為：.可得GM（1，1）模型的方程為，時(shí)間響應(yīng)式為：

得到的模擬序列為：

第三步：模型檢驗(yàn).根據(jù)模擬序列可以得到相對(duì)應(yīng)的殘差序列為：

②根據(jù)序列X與模擬序列，可得灰色關(guān)聯(lián)度為ε=0.673 1>0.6，關(guān)聯(lián)度精度為四級(jí).

④計(jì)算最小誤差概率：P=P(||ε(k)-ε?<0.647 5S1)=0.6≥0.6，精度等級(jí)為四級(jí).故可用（1）式來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而得出未來(lái)10年的能源消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)值：

由此可得未來(lái)10年內(nèi)蒙古自治區(qū)能源消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)圖如圖1所示（單位為萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤）.

圖1 未來(lái)10年能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)折線圖Fig.1 Line chart of predicted total energy consumption in the next decade

從圖1可以看出，未來(lái)10年，內(nèi)蒙古自治區(qū)能源消費(fèi)總量仍在繼續(xù)增加，呈上升趨勢(shì)，所以有關(guān)部門可以以此作為參考為新一年的能源生產(chǎn)制定更合理的計(jì)劃，更有助于內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展.

3 內(nèi)蒙古能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

3.1 樣本選取本文選取內(nèi)蒙古2008—2017年消費(fèi)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在對(duì)內(nèi)蒙古能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤炭、石油、天然氣和電力等4種主要能源分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便考察內(nèi)蒙古能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的未來(lái)變動(dòng)趨勢(shì).本文數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》.

3.2 能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)同理，重復(fù)上述步驟，可以得到內(nèi)蒙古能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù).未來(lái)10年內(nèi)蒙古煤炭消費(fèi)量的預(yù)測(cè)值為：

由此可得未來(lái)10年內(nèi)蒙古煤炭消費(fèi)量的預(yù)測(cè)圖如圖2所示（單位為萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤）.

圖2 未來(lái)10年煤炭消費(fèi)量預(yù)測(cè)折線圖Fig.2 Line chart of predicted coal consumption in the next decade

從圖2可以看出，內(nèi)蒙古能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)一直以煤炭為主；在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中，煤炭消費(fèi)一直占據(jù)著相當(dāng)大的比重且在未來(lái)10年內(nèi)蒙古煤炭消費(fèi)量略呈下降趨勢(shì).

同理，根據(jù)未來(lái)10年內(nèi)蒙古石油消費(fèi)量、天然氣消費(fèi)量、水電消費(fèi)量的預(yù)測(cè)值，可得未來(lái)10年內(nèi)蒙古石油消費(fèi)量、天然氣消費(fèi)量、水電消費(fèi)量的預(yù)測(cè)圖依次如圖3、圖4、圖5所示（單位均為萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤）.

圖3 未來(lái)10年石油消費(fèi)量預(yù)測(cè)折線圖Fig.3 Line chart of predicted oil consumption in the next decade

圖4 未來(lái)10年天然氣消費(fèi)量預(yù)測(cè)折線圖Fig.4 Line chart of predicted natural gas consumption in the next decade

圖5 未來(lái)10年水電消費(fèi)量預(yù)測(cè)折線圖Fig.5 Line chart of predicted hydropower consumption in the next decade

從圖3可見，未來(lái)10年內(nèi)蒙古石油消費(fèi)量不再繼續(xù)增加，反而呈下降趨勢(shì)，且前兩年內(nèi)的下降趨勢(shì)很小，接下來(lái)8年的消費(fèi)量下降趨勢(shì)較明顯.從圖4可以直觀地看到，未來(lái)10年內(nèi)蒙古然氣消費(fèi)量不再繼續(xù)持續(xù)增加，略呈小幅度下降趨勢(shì).從圖5可見，未來(lái)10年內(nèi)蒙古水電消費(fèi)量將呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度較大，但仍需要政府加強(qiáng)能源消費(fèi)調(diào)控.

4 相關(guān)建議

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)蒙古地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)主要依賴能源消費(fèi)，加上能源存量的約束，要使經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展持續(xù)下去，首先就要使經(jīng)濟(jì)不再過(guò)分地依賴能源，同時(shí)還要加強(qiáng)政策有力支持.本文在對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)能源消費(fèi)趨勢(shì)進(jìn)行研究后，提出以下政策意見：

（1）對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí).內(nèi)蒙古地區(qū)在2019年的3次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分別為10.8%、39.6%和49.6%，與2011年3次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例9.1∶56.0∶34.9相比，呈現(xiàn)出3次產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的局面.因此，今后應(yīng)繼續(xù)夯實(shí)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，著力提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，加速服務(wù)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)形成優(yōu)良產(chǎn)業(yè)集群.

（2）加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高能源利用效率.盡快淘汰落后產(chǎn)能，大力開發(fā)和推廣新工藝是內(nèi)蒙古地區(qū)能源效率提高最有效的途徑之一.大力開發(fā)可再生能源，諸如在文獻(xiàn)［11］中提到的“光伏行業(yè)”等.

（3）加大環(huán)境保護(hù)，建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式.促進(jìn)全民環(huán)保的社會(huì)文化，養(yǎng)成節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境理念，努力建成節(jié)約型社會(huì)；有關(guān)政府要制定有關(guān)廢水、廢氣、噪聲和固體廢棄物等的污染防治法；收集和再利用廢棄物，使其減量化、無(wú)害化和資源化，實(shí)現(xiàn)少投入、高產(chǎn)出.