李 壯 胡炳清

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，沈陽(yáng) 110142;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

引言

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前我國(guó)正處于加速推進(jìn)工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化階段，能源的消費(fèi)量在飛速增加，我國(guó)已成為能源消費(fèi)第一大國(guó)。而河南省又是能源消費(fèi)大省(2012年全國(guó)排名第5 位)，2012年河南省能源消費(fèi)量達(dá)23647 萬(wàn)噸標(biāo)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的6.54%，且單位GDP 能耗較高，雖然“十一五”期間全省萬(wàn)元GDP 能耗下降20.12%，但仍高于全國(guó)平均水平8%以上。煤炭消費(fèi)在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例高達(dá)80%以上。面對(duì)能源消費(fèi)量的逐年增加和煤炭消費(fèi)比重居高不下的嚴(yán)峻形勢(shì)，科學(xué)預(yù)測(cè)未來(lái)能源消費(fèi)對(duì)于制定能源消費(fèi)總量控制和消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。

對(duì)能源消費(fèi)預(yù)測(cè)方面的研究，不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)總結(jié)了許多方法模型。陳正［1］基于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消費(fèi)關(guān)系，建立了簡(jiǎn)單回歸模型，并對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)、能源消費(fèi)增長(zhǎng)趨勢(shì)做了預(yù)測(cè)。蘇瑾［2］研究了能源消費(fèi)彈性計(jì)算方法，并以北京能源消費(fèi)為例作了實(shí)證分析，指出了自“十五”以來(lái)，北京市能源消費(fèi)彈性系數(shù)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平，這主要原因是此期間對(duì)能源的依賴度較小，第二產(chǎn)業(yè)能耗量占全市總能耗量比重在大大降低，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整較好。劉勇［3］將ARMA 模型應(yīng)用于我國(guó)能源消費(fèi)預(yù)測(cè)，模型擬合效果較好，精度較高。Gabriel［4］利用NEMS 模型預(yù)測(cè)了美國(guó)的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Gauss－Seidel 方法改進(jìn)了NEMS 模型，對(duì)原預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。Ujjwal Kumar［5］應(yīng)用三個(gè)時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)了印度傳統(tǒng)能源消費(fèi)，對(duì)原油、煤炭、天然氣能源消費(fèi)的預(yù)測(cè)，分別依次對(duì)應(yīng)采用了馬爾可夫模型、灰色模型、奇異譜分析模型。

1 GM(1，1)模型

灰色系統(tǒng)理論是由我國(guó)鄧聚龍［6］教授在20 世紀(jì)80年代首次提出來(lái)的，用于研究“小樣本”、“貧信息”不確定系統(tǒng)問(wèn)題的一種數(shù)學(xué)理論方法。一階微分GM(1，1)預(yù)測(cè)模型是灰色理論系統(tǒng)的核心內(nèi)容，廣泛應(yīng)用于物流、交通、工業(yè)等經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。可對(duì)能源消費(fèi)進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，且精度較高。

1.1 GM(1，1)模型基本原理

灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)模型是將離散原始序列數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，生成新的規(guī)律性較強(qiáng)的序列，而后建立一階微分方程模型［7］，作最小二乘法估算，再由生成的模型數(shù)據(jù)累減得到原始數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值，最后通過(guò)殘差檢驗(yàn)、后驗(yàn)差檢驗(yàn)對(duì)模型精度與誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2 建立GM(1，1)模型

給定原始序列x(0)

對(duì)x(0)作1—AGO，生成新的序列x(1)

建立GM(1，1)模型的必要條件［8］:

那天，一起床，頭爆炸般地疼痛，惡心要嘔似的，他沒(méi)把這疼痛放在心上，吃完早飯去了郵局，剛把信放進(jìn)郵筒眼前一黑，一股血往腦上沖，頓時(shí)，四肢無(wú)力天翻地轉(zhuǎn)。第三天，頭不痛精神也好，可以起床了。他對(duì)何美寧說(shuō)，我不住院，你幫我把出院手續(xù)辦了。

Ⅰ準(zhǔn)光滑性

Ⅱ指數(shù)性規(guī)律

x(1)的緊鄰均值生成序列為z(1)

對(duì)序列x(1)(k)建立一階動(dòng)態(tài)微分方程

式中:a 為發(fā)展系數(shù);u 為灰色作用量;a、u 為待定參數(shù)。

令a^=［a，u］T作a^最小二乘法，a^=(BTB)－1BTY

其中Y=［x(0)(2)，x(0)(3)，…，x(0)(n)］TB=

解其微分方程知:

對(duì)模型數(shù)據(jù)通過(guò)累減還原序列x(0)

得到灰色預(yù)測(cè)模型GM(1，1)

1.3 檢驗(yàn)誤差

(1)殘差檢驗(yàn)

令絕對(duì)殘差序列ε(0)=(ε(0)(1)，ε(0)(2)，…，ε(0)(n))

其中

令相對(duì)殘差序列β=(β1，β2，…，βn)

相對(duì)誤差

則平均相對(duì)誤差

(2)后驗(yàn)差檢驗(yàn)［9］

計(jì)算原始數(shù)列均值與標(biāo)準(zhǔn)差

計(jì)算殘差數(shù)列均值與標(biāo)準(zhǔn)差

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差比值C 與小誤差概率P

表1 為模型精度及誤差檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 模型精度及誤差檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［10］

2 GM(1，1)預(yù)測(cè)模型實(shí)例應(yīng)用

選取河南省2004－2012年能源消費(fèi)量，應(yīng)用灰色模型GM(1，1)理論，可計(jì)算得知a=－0.06601，u=13897.72，模型預(yù)測(cè)公式為:223613.62e0.06601k－210539.62，預(yù)測(cè)情況見(jiàn)表2。

表2 河南省能源消費(fèi)量模型模擬效果檢驗(yàn)

河南省2013－2020年能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)結(jié)果如表3。

表3 2013－2020年河南省能源消費(fèi)量預(yù)測(cè)(萬(wàn)噸標(biāo)煤)

圖1 模型擬合效果

從模型預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，2020年河南省能源消費(fèi)總量達(dá)到41071 萬(wàn)噸標(biāo)煤，預(yù)測(cè)2012－2020年能源消費(fèi)年平均增長(zhǎng)率為7.14%，而2004－2012年能源實(shí)際消費(fèi)年平均增長(zhǎng)率為7.69%，河南省未來(lái)8年間能源消費(fèi)年均增長(zhǎng)率雖略微降低，但是由于能源消費(fèi)總量基數(shù)增大，預(yù)測(cè)期間每年的能源消費(fèi)新增量高于樣本期，能源消費(fèi)量仍在迅速增加。

3 河南省能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2004－2012年河南省按一次能源分類的消費(fèi)量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。

表4 2004－2012年河南省一次能源消費(fèi)量統(tǒng)計(jì)(萬(wàn)噸標(biāo)煤)

2012年河南省一次能源消費(fèi)構(gòu)成比例圖見(jiàn)圖2。

綜合表4 與圖2 知:河南省能源消費(fèi)單一，主要以化石能源為主，占能源消費(fèi)總量的96%以上，煤炭消費(fèi)比例近幾年雖有所降低，但仍在80%以上。2012年河南省煤炭消費(fèi)量為18965 萬(wàn)噸標(biāo)煤，占總能源消費(fèi)量的80%，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平66.6%。

圖2 2012年河南省一次能源消費(fèi)構(gòu)成變化

河南省能源消費(fèi)具有化石能源消費(fèi)為主、煤炭消費(fèi)比例居高不下、清潔能源占比低和單位GDP 能耗較高等特點(diǎn)，究其原因主要是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。從表5 可見(jiàn)，全國(guó)及三省市歷年來(lái)第二產(chǎn)業(yè)在三產(chǎn)業(yè)中占比總體變化趨勢(shì):河南省有上升趨勢(shì)，全國(guó)趨勢(shì)變化不大，北京、江蘇、浙江有下降趨勢(shì)。而河南省第二產(chǎn)業(yè)比重較大，第三產(chǎn)業(yè)相對(duì)全國(guó)及其他發(fā)達(dá)地區(qū)依然較低。第二產(chǎn)業(yè)在三大產(chǎn)業(yè)中占比超過(guò)50%，2012年達(dá)56.3%，高出全國(guó)平均水平11 個(gè)百分點(diǎn)，第三產(chǎn)業(yè)占比為31%，低于全國(guó)平均水平13.6 個(gè)百分點(diǎn)，與發(fā)達(dá)城市也存在著一定差距。從表6 可見(jiàn)，河南省重工業(yè)在工業(yè)構(gòu)成中比例偏高且逐年增加，鋼鐵、電力、水泥三大重點(diǎn)行業(yè)耗煤比較嚴(yán)重，2012年耗煤量達(dá)56.4%。傳統(tǒng)高耗能、高排放、高污染產(chǎn)業(yè)仍然比較突出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理問(wèn)題仍未得到根本性地解決。

4 結(jié)論

基于建立的灰色模型GM(1，1)對(duì)河南省能源消費(fèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)，方法可行，結(jié)果可信，擬合效果較好，且總體符合一級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到河南省未來(lái)幾年能源消費(fèi)總量會(huì)持續(xù)增加，且增速會(huì)稍放緩，此樣本模型恰與實(shí)際能源消費(fèi)趨勢(shì)相符。

根據(jù)《河南省“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃》、《河南省中長(zhǎng)期能源發(fā)展規(guī)劃(2012－2030)》、《河南省藍(lán)天工程行動(dòng)計(jì)劃》，本文對(duì)河南省2020年能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)值同中長(zhǎng)期規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)值相比略有偏高(河南省中長(zhǎng)期能源消費(fèi)總量規(guī)劃目標(biāo):到2020年全省能源消費(fèi)總量不突破3.8 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤)，未來(lái)對(duì)該省實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量控制及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整難度依然較大，建議從以下三方面著手做起:①優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);②深化節(jié)能減排，提高能效水平;③調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力倡導(dǎo)發(fā)展清潔能源。

表5 全國(guó)及三省市歷年來(lái)三產(chǎn)業(yè)比例

表6 河南省歷年來(lái)工業(yè)構(gòu)成比例

［1］陳正．基于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消費(fèi)關(guān)系的中國(guó)能源消費(fèi)預(yù)測(cè)［J］．西北大學(xué)學(xué)報(bào):哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2011，41(5):65－70．

［2］蘇璟，譚忠富，嚴(yán)菲．能源消費(fèi)彈性系數(shù)計(jì)算方法及其實(shí)例分析［J］．中國(guó)能源，2008，30(8):26－29．

［3］劉勇，汪旭暉．ARIMA 模型在我國(guó)能源消費(fèi)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］．經(jīng)濟(jì)經(jīng)緯，2008(5):11－13．

［4］Gabriel S A，Kydes A S，Whitman P．The National Energy Modeling System:a large－scale energy－economic equilibrium model［J］．Operations Research，2001，49(1):14－25．

［5］Kumar U，Jain V K．Time series models(Grey－Markov，Grey Model with rolling mechanism and singular spectrum analysis)to forecast energy consumption in India［J］．Energy，2010，35(4):1709－1716．

［6］鄧聚龍．灰色預(yù)測(cè)與灰決策［J］．2002．

［7］楊華龍，劉金霞，鄭斌．灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)模型的改進(jìn)及應(yīng)用［J］．?dāng)?shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2011，41(23):39－46．

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［9］徐步然．灰色GM(1，1)模型在能源消費(fèi)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，28(9):130－133．

［10］朱登遠(yuǎn)，常曉鳳．灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)模型的Matlab 實(shí)現(xiàn)［J］．河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，22(3):40－46．