唐麗敏，王玲麗，秦思思，蔡昭堃

(1.大連海事大學交通運輸管理學院，遼寧大連 116026; 2.中國科技大學數(shù)學科學學院，合肥 230026)

基于系統(tǒng)動力學的交通運輸業(yè)節(jié)能減排技術路徑模擬研究

唐麗敏1，王玲麗1，秦思思1，蔡昭堃2

(1.大連海事大學交通運輸管理學院，遼寧大連 116026; 2.中國科技大學數(shù)學科學學院，合肥 230026)

在相關研究的基礎上，利用系統(tǒng)動力學構建包含多條反饋回路、多個變量以及變量之間關系的交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)并展開分析。交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)是以交通運輸業(yè)能源消耗以及碳排放為研究對象，考慮能源消耗結構、交通運輸方式結構、環(huán)保投入等主要影響因素，包括多種運輸方式的交通運輸子系統(tǒng)，同時也是包括多種能源和節(jié)能技術的能源子系統(tǒng)、包括多個減排技術的環(huán)境子系統(tǒng)、代表經濟增長及城市化進程的經濟子系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)動力學模型的構建，對節(jié)能減排技術方法進行模擬仿真，并對模擬結果進行分析評價。

系統(tǒng)動力學；交通運輸業(yè)；節(jié)能減排；技術路徑

伴隨著節(jié)能減排活動在全球范圍內的興起，全新的交通運輸業(yè)節(jié)能減排時代已經到來，“低能耗、低排放、低污染”成為全球新的目標。在哥本哈根會議上，我國政府承諾2020年全國單位國內生產總值二氧化碳排放量較2005年下降40%～45%，國家“十二五”規(guī)劃明確提出建設“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會，并且在“十一五”節(jié)能減排的基礎上提出了“十二五”規(guī)劃的節(jié)能減排新目標。[1]

國內多位學者對交通運輸業(yè)在節(jié)能減排方面作出了研究。石友蓉、趙威[2]分析了各種措施產生的節(jié)能減排效果，提出公路水路交通運輸節(jié)能減排的綜合管理體系。呂正昱[3]、石靜雅[4]、習江鵬[5]等多位學者對節(jié)能減排的評價進行了研究。陶冶[6]、宋維明[7]、曾德麗[8]、楊靖[9]通過對我國道路節(jié)能減排現(xiàn)狀分析，從多角度出發(fā)對未來交通運輸業(yè)提出了宏觀政策和微觀措施。

一、交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)分析

1.系統(tǒng)邊界確立

交通運輸業(yè)與經濟、能源、環(huán)境之間構成了一個相互關聯(lián)的復雜系統(tǒng)，它們之間的關系如圖1所示：

圖1 交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)起源于國民經濟，其與交通運輸業(yè)之間是相互促進的正向關系；交通運輸業(yè)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，帶來了污染物的大量排放，加重了環(huán)境污染；環(huán)境污染制約經濟的可持續(xù)發(fā)展，從而制約了交通運輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；國民經濟增長帶來環(huán)保投資能力增加，改善自然環(huán)境。國家從“犧牲環(huán)境帶來經濟發(fā)展”向“經濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展”進行戰(zhàn)略轉變，節(jié)能減排的意識逐漸增強。

2.模型假設

交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)是一個相互作用、相互制約、關系錯綜復雜的巨型系統(tǒng)，影響因素眾多，不能一一考慮，因此，對交通運輸業(yè)節(jié)能減排模型有以下主要假設。

假設1：該模型只考慮交通運輸和國民經濟之間的關系，而不直接考慮國民經濟和其他產業(yè)之間的關系。

假設2：經濟持續(xù)穩(wěn)定增長，貨物周轉量也持續(xù)穩(wěn)定增長。

假設3：該模型從交通運輸業(yè)的二氧化碳排放入手，來研究交通運輸業(yè)的污染物排放情況。

3.因果關系圖

結合交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)的邊界以及系統(tǒng)假設，對系統(tǒng)進行進一步的因果關系分析，得到各因素之間的因果關系(如圖2所示)。

圖2 交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)因果關系圖

該因果關系圖主要包括三條回路。

回路1：GDP→+貨物周轉量→+能源消耗量→+能源成本→+運輸成本→+交通運輸業(yè)物流增加值→+GDP。

回路2：GDP→+貨物周轉量→+能源消耗量→+二氧化碳排放量→+二氧化碳污染量→+二氧化碳污染損失→-GDP。

回路3：GDP→+環(huán)保投入→+交通運輸二氧化碳治理費用→+二氧化碳減少量→-二氧化碳污染量→+二氧化碳污染損失→-GDP。

二、交通運輸業(yè)節(jié)能減排模型構建

1.交通運輸業(yè)節(jié)能減排流圖確定

經過對交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)的影響因素分析，結合系統(tǒng)各變量之間的因果關系，運用Vensim軟件，建立交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)流圖(如圖3所示)。

2.模型參數(shù)界定

該模型參數(shù)表達式主要采用時間序列回歸及數(shù)學推導方式得到，回歸預測用于宏觀經濟數(shù)據(jù)預測，而數(shù)學推導主要用在交通運輸業(yè)能源消耗與二氧化碳排放的計算方面。

圖3 交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)動力學模型流圖

(1)主要參數(shù)的確定。

①貨物周轉量與GDP關系。 如表1所示。

表1 貨物周轉量與GDP數(shù)據(jù)表

表1數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計局網站，利用SPSS軟件對表中貨物周轉量和GDP進行回歸分析，進行參數(shù)估計，得到回歸方程為

式中：y表示貨物周轉量，x表示GDP。R2=0.9921，線性擬合度高。

②經濟增長系數(shù)。

實際增長率=報告期國內生產總值數(shù)值/上一年國內生產總值數(shù)值×100%-100%

模型經濟增長率=(報告期國內生產總值數(shù)值-交通運輸業(yè)物流增加值)/上一年國內生產總值數(shù)值×100%-100%

利用2001—2011年的模型經濟增長系數(shù)(通過調試，降低實際系數(shù)數(shù)值得到)，經過預測，得出2012—2020年的增長系數(shù)(2012，0.0785)(2013，0.0852)(2014，0.1036)(2015，0.1165)(2016，0.1288)(2017，0.1435)(2018，0.1546)(2019，0.1678)(2020，0.1712)。

③不同運輸方式貨物周轉量比重。

貨物周轉包括五種運輸方式，即鐵路、公路、水運、民航和管道(本文不考慮管道運輸)。2001—2012年水運和民航貨運比重變化不大，且影響能耗與排放變化的運輸方式主要是鐵路，因此水運與民航比重取2001—2012年的平均值，分別為0.5373和0.001。公路比重為時間的表函數(shù)，鐵路貨物周轉量為貨物周轉量剔除水運、公路以及航空貨物周轉量的部分，具體數(shù)值見表2。

表2 2001—2012年不同運輸方式貨物周轉量比重

④單位能耗。

根據(jù)統(tǒng)計資料，蒸汽機車單位能耗為0.2722萬t標煤/億tkm。歷年內燃機車與電力機車的單位能耗見表3。

表3 2001—2012年內燃機車、電力機車能源單耗

⑤能源消耗。

能源消耗單位是萬t標煤，將不同運輸工具的能耗通過各種能源折標準煤參考系數(shù)折算成標準煤來進行計算，如表4所示。

表4 各種能源折算標準煤參考系數(shù)

(2)其他參數(shù)。

其他主要參數(shù)如表5所示。

表5 其他參數(shù)及表達式

3.模型檢驗

(1)模型行為能否重現(xiàn)參考模式。

本文研究的是交通運輸業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)，可以分別用“GDP”、“貨物周轉量”、“能源消耗量”與“二氧化碳排放量”代表經濟、交通運輸業(yè)、能源、環(huán)境四個子系統(tǒng)，對檢驗模型行為具有可比性與準確性。通過模擬得到“GDP”、“貨物周轉量”、“能源消耗量”與“二氧化碳排放”的行為模式如圖4所示，符合最初的參考模式。

圖4 模型參考模式檢驗

(2)模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)是否一致。

同樣選擇“GDP”、“貨物周轉量”、“能源消耗量”與“二氧化碳排放量”四個變量，將模型運行結果與實際數(shù)據(jù)相對比，得到表6和表7。通過對相對誤差的分析可知，模型的模擬值與實際值的誤差絕對值不超過10%，說明運行結果與實際數(shù)據(jù)高度擬合。

三、模型仿真

1.交通運輸業(yè)節(jié)能減排技術路徑分析

交通運輸業(yè)占據(jù)著國民經濟的重要地位，同時交通運輸業(yè)對全社會總能耗與二氧化碳排放都有著極大的貢獻，隨著經濟的發(fā)展，能源與環(huán)境問題越來越受到社會的關注。為應對此種現(xiàn)狀，國家提出經濟發(fā)展與環(huán)境資源保護協(xié)調統(tǒng)一的發(fā)展模式，這就要求改變經濟發(fā)展模式，探索節(jié)能減排新方法，改變靠犧牲資源環(huán)境換取經濟發(fā)展的模式，同時采取措施改善環(huán)境現(xiàn)狀。

通過對交通運輸業(yè)節(jié)能減排與經濟、能源、環(huán)境等子系統(tǒng)進行深度分析，發(fā)現(xiàn)交通運輸業(yè)節(jié)能減排工作需要多方面的措施，本文從增加治理投資、降低單位能耗、降低排放因子、改變運輸方式比重四個方面入手，制定相應的節(jié)能減排方案，改善自然環(huán)境與能源利用。

表6 GDP與貨物周轉量模擬效果對比

表7 交通運輸業(yè)能源消耗量與二氧化碳排放量模擬效果對比

注：表7數(shù)據(jù)根據(jù)《中國交通年鑒》和世界銀行統(tǒng)計的中國運輸部門二氧化碳排放量，能耗量實際值計算時將旅客周轉量換算成貨物周轉量計算得出。

2.交通運輸業(yè)節(jié)能減排技術路徑模擬

在哥本哈根會議上，我國政府作出了到2020年全國單位國內生產總值二氧化碳排放量較2005年下降40%～45%的鄭重承諾。在2012—2020年期間我國又提出新的目標，到2020年全國單位國內生產總值二氧化碳排放量下降21%，單位國內生產總值能源消耗20%，對于交通運輸業(yè)來說，到2020年單位貨物周轉量能耗和二氧化碳排放量分別下降11%和12%。

(1)增加治理投資。

增加治理投資有兩種方式：增加環(huán)保投入；提高環(huán)保投入中CO2治理投資系數(shù)。

國家環(huán)保投入最高達到2%左右，將環(huán)保投入提高1%，以2020年為基準，CO2污染量降低4.88%(見圖5)，從表8得知單位貨物周轉量二氧化碳污染量相對于2012年降低6.89%；將交通運輸業(yè)二氧化碳治理投資系數(shù)分別增加15%、20%、25%、27%、28%，得到2020年二氧化碳污染量降低12.56%、18.81%、23.28%、25.04%、25.91%(見圖6)，從表8得知單位貨物周轉量二氧化碳污染量比2012年分別降低1.49%、5.69%、9.89%、11.57%、12.41%，只有將交通運輸業(yè)二氧化碳治理投資系數(shù)增加將近27%，才能完成單位貨物周轉量二氧化碳減排目標。

圖5 環(huán)保投入增加二氧化碳污染量模擬

圖6 治理投資增加二氧化碳污染量模擬

表8 單位貨物周轉量二氧化碳污染量模擬效果表

(2)降低運輸工具單位能耗。

分別對公鐵水航四種運輸方式的貨運單耗進行模擬，從模擬結果可以看出，公路和水運單位能耗降低對于節(jié)能減排的效果明顯，所以當公路和水路能耗以相同比例下降時，節(jié)能減排模擬結果如圖7和圖8所示。從表9可以看出當公路與水運單耗降低比例為22%時，可以達到單位貨物周轉量節(jié)能減排目標，而且降低比例接近21%時，已經完成單位貨物周轉量減排目標。

圖7 能源消耗量模擬圖

圖8 二氧化碳污染量模擬圖

表9 公路與水運單耗降低模擬效果表

(3)降低排放系數(shù)。

交通運輸業(yè)化石燃料主要有柴油、汽油、燃料油和煤油，分別將這四種燃料排放系數(shù)降低10%、20%、30%進行模擬，從模擬結果可以觀察到柴油與燃料油的排放系數(shù)對交通運輸業(yè)的減排影響較大，因此同時將柴油與燃料油的排放系數(shù)降低相同的比例，具體做法就是將柴油車、內燃機車和燃油船排放系數(shù)同時降低15%、20%、21%、22%，結果如圖9與表10所示。從表10可以看出當柴油與燃料油排放系數(shù)同時降低22%，可以完成單位貨物周轉量減排目標。

圖9 柴油與燃料油排放系數(shù)降低二氧化碳污染量模擬圖

表10 柴油與燃料油排放系數(shù)降低二氧化碳污染量模擬表

(4)改變運輸方式結構。

公路運輸占貨物周轉量比重較大，單位能耗高，在能源消費中占有很大比例，同時目前鐵路運輸還有很大的潛力，因此本文考慮將公路運輸減少的貨物周轉量轉移到鐵路運輸上，加大鐵路貨運比重，從而減少能源消耗。通過將公路貨物周轉量比重分別下降15%、20%、24%、25%進行模擬仿真得到圖10和圖11。從表11可以看出當公路貨物周轉量降低25%時，可以完成單位貨物周轉量節(jié)能減排目標。將公路比重降低25%的目標可以通過大力發(fā)展鐵路運輸實現(xiàn)。

3.交通運輸業(yè)節(jié)能減排模擬效果分析

本文對四個途徑進行模擬，仿真結果發(fā)現(xiàn)改變運輸方式結構節(jié)能減排效果最好，降低公路貨運比重比較容易實現(xiàn)，加大鐵路發(fā)展，提高鐵路貨運比重是未來發(fā)展的大方向；其次是降低運輸工具單位能耗，但此技術需要投入巨大財力和時間以及其他節(jié)能減排技術方法才能實現(xiàn)；然后是降低排放系數(shù)，但此方法對降低能耗沒有貢獻；最后是增加治理投資，此方法可以在短期內降低CO2污染量，但并不是長久之計，其可以作為改善環(huán)境的輔助措施。

圖10 改變運輸方式比重能耗模擬圖

圖11 改變運輸方式比重二氧化碳污染量模擬圖

表11 改變運輸方式比重模擬結果表

四、總 結

本文通過對交通運輸業(yè)節(jié)能減排與經濟、能源、環(huán)境子系統(tǒng)之間關系的深入分析，利用系統(tǒng)動力學找出影響系統(tǒng)的關鍵因素和反饋回路，建立交通運輸業(yè)節(jié)能減排模型。根據(jù)2020年我國單位GDP節(jié)能減排目標，對節(jié)能減排技術方案進行仿真模擬，結果發(fā)現(xiàn)改變四種運輸方式比重效果最好，減少公路貨運比重，提高鐵路貨運比重，降低總能耗量和CO2排放量；降低運輸工具單位能耗主要作用于公路運輸中柴油車和汽油車以及水運中的燃油船，其中公路運輸減排效果明顯，但是僅靠降低單位能耗不能達到節(jié)能的目標，還需要其他技術方法的支持；降低排放系數(shù)和增加治理投資對于降低能耗效果不明顯，同時需要大量投資。長久來看，發(fā)展鐵路運輸對于改善交通運輸業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀具有戰(zhàn)略性意義，應改善基礎設施設備投入，提高運輸效率以及燃油利用率，從而降低能耗和CO2排放。

[1]交通運輸部.公路水路交通運輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃[EB/OL].(2011-06-28)[2014-06-18].http://www.chinabuses.com/policy/2011/0628/article_2965.html.

[2]石友蓉,趙威.公路水路交通運輸節(jié)能減排綜合管理體系研究[J].武漢理工大學學報,2010(4)：31-37.

[3]呂正昱,季令.考慮能源安全與外部成本的交通運輸成本分析[J].交通運輸工程與信息學報，2004(1):92-98.

[4]石靜雅,蘇永清,岳繼光.軌道交通能耗影響因素分析及能耗評價體系的建立[J].鐵道運輸與經濟，2008(9)：46-49.

[5]習江鵬.道路運輸節(jié)能減排問題研究[D].西安：長安大學，2008.

[6]陶冶,薛惠鋒.交通能源決策系統(tǒng)模型研究[J].計算機工程與應用,2009(6):5.

[7]宋維明.對道路運輸業(yè)節(jié)能減排的探討[J].安全與環(huán)保，2009(4):81-83.

[8]曾德麗.道路交通運輸結構性節(jié)能減排研究[D].重慶：重慶交通大學,2012.

[9]楊婧.道路交通行業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略措施研究[D].西安：長安大學，2009.

本刊聲明

為擴大本刊及作者知識信息交流渠道，加強知識信息推廣力度，本刊已許可中國學術期刊(光盤版)電子雜志社在CNKI中國知網及其系列數(shù)據(jù)庫產品中，以及萬方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、中國學術期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫，以數(shù)字化方式復制、匯編、發(fā)行、信息網絡傳播本刊全文。該著作權使用費及相關稿酬，本刊均用作為作者文章發(fā)表、出版、推廣交流(含信息網絡)以及贈送樣刊之用途，即不再另行向作者支付。凡作者向本刊提交文章發(fā)表之行為即視為同意本刊上述聲明。

2014-12-20

遼寧經濟社會發(fā)展基金項目(2014slktzigjwt-03)

唐麗敏(1963-)，女，教授；E-mail:tlmin@dlmu.edu.cn

1671-7031(2015)01-0027-08

F512.5

A