基于合作博弈-云模型的農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價

譚忠富，薛帆，樊偉，德格吉日夫，李華，梁燕

（1.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院，北京 02206；2.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 102209；3.廣州供電局，廣東廣州 510620；4.國網(wǎng)山西電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，山西太原 030002；5.延安大學經(jīng)濟與管理學院，陜西延安 716000）

0 引言

2021 年，國家能源局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家鄉(xiāng)村振興局聯(lián)合印發(fā)了《加快農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展助力鄉(xiāng)村振興的實施意見》。建立農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價體系，對農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度進行評價，能夠量化農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)水平，指導未來農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方向。

在已有相關(guān)文獻中，綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，其發(fā)展的相關(guān)評價研究開展較早，且成果比較豐富，可為農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度的評價研究提供參考。文獻[1]從經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性、效率性4 個方面構(gòu)建了新能源滲透率對多能源主體影響的評級指標體系。文獻[2]從能源生產(chǎn)、輸配和消費環(huán)節(jié)構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)評價指標。文獻[3]從經(jīng)濟效益、能源服務(wù)質(zhì)量、可持續(xù)經(jīng)營能力、節(jié)能減排效果和社會發(fā)展帶動能力5 個方面構(gòu)建了能源互聯(lián)商業(yè)模式評價指標。文獻[4]從經(jīng)濟性、可靠性和適應(yīng)性3 個方面構(gòu)建了柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級評級指標。文獻[5]從電能替代、技術(shù)性和經(jīng)濟性3 個維度提出了綜合能源系統(tǒng)效益評價指標體系。文獻[1-5]中，缺乏對農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度的評價。此外，在評價指標方面少有考慮能源互聯(lián)網(wǎng)對居民生活的影響。

在指標權(quán)重計算方面，常見的方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，不同的權(quán)重確定方法有其優(yōu)點和缺點。文獻[6]采用最佳-最差法對指標進行權(quán)重賦值。文獻[7]采用層次分析法確定指標權(quán)重。文獻[8]采用改進層次分析法確定風光儲能電站評價指標的權(quán)重。采用單一方法確定權(quán)重具有一定的局限性。為解決這一問題，文獻[9-10]利用最小二乘法將兩種權(quán)重計算方法結(jié)合確定組合權(quán)重。文獻[11-12]依據(jù)最小鑒別信息原理將改進層次分析法和CRITIC 法結(jié)合確定組合權(quán)重。文獻[13]采用乘積法確定G1 法（Order Relation Analysis Method）、熵權(quán)法和獨立性權(quán)系數(shù)法的組合權(quán)重。文獻[14-16]運用合作博弈理論確定多種方法的組合權(quán)重。其中，利用合作博弈理論確定的組合權(quán)重計及了不同權(quán)重確定方法間的相關(guān)性，更加精確有效。在評價方法方面，文獻[17]采用熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)度分析法對高壓直流輸電換流閥空冷器狀態(tài)進行評價。文獻[18] 采用優(yōu)劣解距離法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）對新能源功率預測進行了評價。文獻[19]采用信息熵融合多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法對電能替代進行綜合評估。文獻[20]對傳統(tǒng)優(yōu)劣解距離法進行了改進。文獻[21]將層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）與可變模糊集理論相結(jié)合對抽水蓄能電站灌漿質(zhì)量進行綜合評價。文獻[6-21]采用的評價方法，無法有效解決部分指標存在模糊性和隨機性的問題。文獻[22-23]針對評價目標的模糊性和隨機性采用云模型進行評價，有效解決了這一問題。

綜上，當前針對能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)評價少有計及農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度這一對象。此外，在評價指標方面少有考慮能源互聯(lián)網(wǎng)對居民生活的影響，在評價方法上難以考慮部分指標存在模糊性和隨機性的問題。因此，本文提出農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價，結(jié)合合作博弈理論計算指標權(quán)重，通過云模型對農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度進行評價。以河南省某農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)示范為實例驗證了所提方法的合理性。

1 農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)綜合評價指標體系

依據(jù)指標選取的綜合性原則、客觀性原則和可獲得性原則，結(jié)合農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展實際情況和能源互聯(lián)網(wǎng)評價相關(guān)文獻，采用解釋結(jié)構(gòu)模型[24]對指標進行優(yōu)化，具體過程如圖1 所示。

圖1 指標體系構(gòu)建思路Fig.1 Idea of constructing indicator system

優(yōu)化后的評價指標，分別從資源能源化、用能低碳化、能源智慧化和發(fā)展普惠化4 個維度，設(shè)計了農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價指標體系，如表1 所示。

表1 評價指標體系Table 1 Evaluation index system

表1 指標體系中部分指標較為常見，因此僅對部分不常見指標進行解釋說明。農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便資源化利用率是指將秸稈、畜禽糞便作為肥料、飼料、燃料等的數(shù)量占秸稈、畜禽糞便總量的比例。公眾綠色出行率指農(nóng)村居民使用公共交通或新能源汽車出行的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電氣化水平指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中使用電氣機械完成的工作量占工作總量的比例。

2 基于博弈思想的指標權(quán)重設(shè)置

2.1 指標權(quán)重計算方法

本文先采用決策實驗室法（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL）、CRITIC法和G1 法分別計算指標權(quán)重。

1）DEMATEL 法是一種確定主觀權(quán)重的方法，其分析各指標之間的影響程度和被影響程度，進而確定指標權(quán)重。具體步驟參考文獻[3]。

2）CRITIC 法考慮各指標之間的相關(guān)性和沖突性，利用各指標數(shù)據(jù)的信息量來確定指標權(quán)重，完全利用數(shù)據(jù)自身的客觀屬性進行科學評價。具體計算步驟參考文獻[11-12]。

3）G1 法是一種確定主觀權(quán)重的方法，相較與常見的層次分析法，G1 法無需進行一致性檢驗，并且能夠快速確定主觀權(quán)重。具體步驟參考文獻[13]。

2.2 基于合作博弈的組合權(quán)重

借鑒合作博弈思想，將不同權(quán)重計算方法看作一個整體，確定組合權(quán)重，從而提高權(quán)重的精確程度。該方法既能結(jié)合各權(quán)重計算方法的優(yōu)點，又能避免各權(quán)重計算方法的缺點。具體計算步驟如下[14-16]：

1）計算W(i)和W(m_i)的相關(guān)系數(shù)：

式中：L(i)為W(i)和W(m_i)的相關(guān)系數(shù)；W(i)為使用第i種方法得到的權(quán)重；為使用第i種方法得到的n項指標權(quán)重的平均值；Wj(m_i)為除第i種方法外的m-1 種方法的組合權(quán)重；為Wj(m_i)n項指標權(quán)重的平均值。

2）計算組合權(quán)重W：

3 基于云模型的農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價

3.1 云模型基本理論

云模型可以解決研究對象不確定性問題，實現(xiàn)了定性評價指標和定量評價指標的自然轉(zhuǎn)換。針對農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價問題，棄風棄光率、公眾綠色出行率、供電可靠率等指標是在不斷變化的，具有一定的隨機性和模糊性。為解決這一問題，采用云模型對農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度進行評價。

3.2 評價等級標準云構(gòu)建

將農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度在[0，100]間劃分為5 個等級[25-26]，利用正向云發(fā)生器生成農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評估標準云。5 個等級為低、較低、中等、較高和高，分別對應(yīng)區(qū)間[0，20），[20，40），[40，60），[60，80），[80，100]。每個區(qū)間作為一個標準云，標準云的3 個數(shù)字特征Exi，Eni，Hei計算方法如下所示：

依次計算出5 個區(qū)間的數(shù)字特征分別為T1(10,6.67,0.5)，T2(30,6.67,0.5)，T3(50,6.67,0.5)，T4(70,6.67,0.5)，T5(90,6.67,0.5)，從而得到標準云，如圖2 所示。

圖2 農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價標準云Fig.2 Maturity evaluation standard cloud of rural energy Internet construction

4 實例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以河南省某農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)示范為對象，選取2018—2020 年3 年的數(shù)據(jù)進行分析。對收集到的數(shù)據(jù)進行一致化處理得到指標得分，如表2所示。

表2 原始數(shù)據(jù)一致化Table 2 Consistency of raw data

4.2 指標權(quán)重計算

1）運用DEMATEL 法計算指標權(quán)重，以一級指標為例，對每個一級指標對其他一級指標的影響程度進行判斷，構(gòu)建關(guān)系矩陣。基于關(guān)系矩陣得到綜合影響矩陣，最后得到一級指標權(quán)重如表3 所示。

表3 一級指標權(quán)重Table 3 Index weights of first-level indexes

由表3 可知，資源能源化和能源智慧化為原因指標，用能低碳化和發(fā)展普惠化為結(jié)果指標。各一級指標間的影響關(guān)系如圖3 所示。運用同樣的方法可以求出各一級指標下二級指標的權(quán)重。

圖3 一級指標間的影響關(guān)系Fig.3 Influence relationship between first-level indexes

2）運用CRITIC 法計算指標權(quán)重。將2018—2020 年3 年的數(shù)據(jù)輸入SPSSAU 軟件，求得各指標變異性、沖突性、信息量和權(quán)重，如表4 所示。

表4 CRITIC法計算結(jié)果Table 4 Calculation results by CRITIC method

3）運用G1 法計算指標權(quán)重，以一級指標為例。首先按照重要程度對4 個一級指標進行排序B1＞B4＞B2＞B3，從 而得到對比矩陣R=（1.2，1.4，1.2），最后確定各一級指標的權(quán)重，結(jié)果為（0.342，0.285，0.204，0.170）。運用同樣的方法可以求出各一級指標下二級指標的權(quán)重。

4）運用合作博弈理論計算組合權(quán)重，根據(jù)式（1）—式（2），使用MATLAB 計算W（i）和W（m_i）的相關(guān)系數(shù)，最后得到各二級指標的組合權(quán)重為（0.102，0.039，0.064，0.025，0.109，0.161，0.134，0.058，0.073，0.071，0.032，0.052，0.036，0.045）。

4.3 農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價

運用云模型評估該農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)示范的建設(shè)成熟度，選取2020 年作為評價對象，將2020年4 個季度共56 個數(shù)據(jù)輸入MATLAB 中，運用逆向云發(fā)生器求解出各級指標的3 個數(shù)字特征。根據(jù)一級指標的3 個數(shù)字特征，運用正向云發(fā)生器生成一級指標評估云，如圖4 所示。

由圖4 可知，2020 年該農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)示范的發(fā)展普惠化程度最高，在90.283 處的隸屬度最大，主要是由于在供電可靠率、電壓合格率和農(nóng)村家庭通電率這3 方面都處于“高”的水平；其次是用能低碳化程度，在77.051 處的隸屬度最大，主要是由于在清潔供暖普及率上處于“高”的水平；第三是資源能源化程度，在62.643 處的隸屬度最大，其中農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便資源化利用率和棄風棄光率處于“高”的水平，可再生能源發(fā)電量占比和屋頂光伏覆蓋率有待進一步提高；最后是能源智慧化程度，在24.511 處的隸屬度最大。

圖4 一級指標評價云圖Fig.4 Evaluation cloud map of first-level indexs

根據(jù)農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度的3 個數(shù)字特征，運用正向云發(fā)生器生成農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評估云，如圖5 所示。

圖5 農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價云圖Fig.5 Maturity evaluation cloud map of rural energy Internet construction

由圖5 可知，2020 年該建設(shè)示范的農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度更接近“較高”水平。該評價結(jié)果也比較符合該地區(qū)的實際發(fā)展情況，并且本文所提出的方法能夠?qū)⑥r(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度進行量化，更加直觀地體現(xiàn)農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度。隨著未來農(nóng)村基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善和技術(shù)水平的不斷進步，該地區(qū)農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度將由“較高”向“高”逐漸轉(zhuǎn)變。

4.4 對比和分析

為了驗證本文提出方法的優(yōu)越性，對4.2 中使用DEMATEL 法、G1 法和CRITIC 法計算出的權(quán)重及使用合作博弈理論計算出的3 種方法的組合權(quán)重進行對比分析，如圖6 所示。

圖6 DEMATEL法、CRITIC法、G1法計算出的權(quán)重及3種方法的組合權(quán)重Fig.6 Weights obtained by DEMATEL method，CRITIC method，G1 method and combined weights of three methods

由圖6 可知，當使用CRITIC 法計算指標權(quán)重時，電壓合格率及供電可靠率的權(quán)重為0，這是由于CRITIC 法是一種客觀權(quán)重計算方法，其根據(jù)指標的變異性和沖突性確定指標權(quán)重。由于評價對象的電壓合格率及供電可靠率穩(wěn)定地處于高水平，使用CRITIC 法計算指標權(quán)重就會得到一個非常低的結(jié)果。同理，由于清潔供暖普及率和公眾綠色出行率在2018—2020 年增長非常迅速，導致了二者的指標權(quán)重過高。本文提出的合作博弈-云模型能夠有效避免個別指標權(quán)重不合理的問題發(fā)生，在兼顧主觀和客觀的基礎(chǔ)上，考慮不同權(quán)重計算方法的相關(guān)關(guān)系，使得權(quán)重更加合理和準確，提高了評價結(jié)果的有效性。

5 結(jié)語

本文針對農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度評價進行研究。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，計及農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對居民的影響，從資源能源化、用能低碳化、能源智慧化和發(fā)展普惠化4 個方面構(gòu)建評價指標體系。結(jié)合合作博弈理論，將DEMATEL 法、G1 法和CRITIC 法3 種方法組合得到指標權(quán)重，提高了指標權(quán)重的準確性和合理性。針對部分指標存在模糊性和不確定性的問題，采用云模型確定了農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成熟度的5 個等級，對河南省某農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)示范進行評價，識別農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)，并通過對比分析驗證了所提模型的先進性。