第三组-第十队：碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测模型

碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测第三组-第十队 颜琴 谢飞平 苏林伟摘要本文建立数学模型研究了低碳经济下江苏省煤炭消费量的预测问题，先定性地分析出影响指标，再利用实际的统计数据从定量角度系统、深入的研究了影响指标、能源消费结构及煤炭消费两的预测问题，深化了对煤炭消费的研究和认识，有较强的实际应用价值。对于问题一，我们首先通过定性的方法分析了影响煤炭消费量的可能指标：煤炭调入量、能源总消耗、第一产业生产总值、第二产业生产总值、第三产业生产总值、GDP 增长率、人均生产总值；而后我们分析所给数据，为使年份统一，只选取了 1995-2010 年的有关数据，采用主成分分析法确定主要影响指标的个数为 2，并对影响指标进行定量分析，得到各指标对煤炭消费量的影响程度分别为：第一产业生产总值 GDP增长率 > 第三产业生产总值 > 第二产业生产总值 > 第一产业生产总值 > 能源总消耗，但主要影响因素是 GDP 增长率和人均生产总值，且人均生产总值影响最大。5.1.3 问题一的第三小问：我们对数据进行了处理，并作出图表（图一至图五） ，观察在煤炭消费总量、煤炭消费总量占能源消费量的比重、第一、二、三产业煤炭消费量在增加时，节能、减排和经济增长各自的变化趋势，并分析了它们对节能、减排和经济增长的影响。煤 炭 消 费 总 量 的 变 动 对 节 能 、 减 排 和 经 济 增 长 影 响 图01000020000300004000050000600006153.136261.436312.916439.027808.8412164.714464.315003.1煤 炭 消 费 总 量CO2排 放 量 （ 万 t)能 源GDP增 长 率 00图一：煤炭消费总量的变动对节能、减排和经济增长影响图观察图一可知随着煤炭总量的增加，CO2 的排放量和能源都相应的增加，而 GDP 增长率的变化趋势较不明显，故煤炭总量的增加不利于节能、减排，煤炭总量对经济增长的影响较小。煤 炭 消 费 总 量 占 总 能 源 比 重 的 变 动 对 节 能 、 减 排 和 经 济 增 长 影 响图01000020000300004000050000600000.63280020.67500080.702001030.713999420.725000560.733002420.767003120.77800325煤 炭 消 费 总 量 占 总 能 源 比 重CO2排 放 量 （ 万 t)能 源GDP增 长 率 00图二：煤炭消费总量占能源比重的变动对节能、减排和经济增长影响图观察图二可知当煤炭总量占总能源比重小于 0.73 时，CO2 排放量和能源的波动较大，CO2 排放量和能源局部无规则，但总体趋于减小；当煤炭总量占总能源比重大于 0.73 时，CO2 排放量和能源趋于稳定，而 GDP 增长率的波动较小。故在煤炭总量占总能源比重小于 0.73 时，比重增加，总体有利于节能、减排，当煤炭总量占总能源比重大于 0.73 时，对节能、减排无影响；煤炭总量占能源比重对经济增长的影响较小。第 一 产 业 煤 炭 消 费 总 量 的 变 动 对 节 能 、 减 排 和 经 济 增 长 影 响 图010000200003000040000500006000050.7 57.5 60.1 61.7 63 65.6 75.5 116.2第 一 产 业 煤 炭 消 费 总 量CO2排 放 量 （ 万 t)能 源GDP增 长 率 00图三：第一产业煤炭消费总量的变动对节能、减排和经济增长影响图观察图三可知随着第一产业煤炭消费总量的增加，CO2 的排放量和能源处于无规则变化，而 GDP 增长率的变化虽无规则但总体呈现围绕固定值上下波动，故第一产业煤炭消费总量的增加对节能、减排和经济增长的影响都较小。第 二 产 业 煤 炭 消 费 总 量 的 变 动 对 节 能 、 减 排 和 经 济 增 长 影 响 图01000020000300004000050000600004377.78007.38347.78624.29403.113071.519709.320780.2第 二 产 业 煤 炭 消 费 总 量CO2排 放 量 （ 万 t)能 源GDP增 长 率 00图四：第二产业煤炭消费总量的变动对节能、减排和经济增长影响图观察图四可知随着第二产业煤炭消费总量的增加，CO2 的排放量和能源都相应的增加；而 GDP 增长率的波动较小。故第二产业煤炭消费总量的增加不利于节能、减排，第二产业煤炭消费总量对经济增长的影响较小。第 三 产 业 煤 炭 消 费 总 量 的 变 动 对 节 能 、 减 排 和 经 济 增 长 影 响 图010000200003000040000500006000051.5 53.5 55.8 62.5 70.6 82.3 87.3 106.7第 三 产 业 煤 炭 消 费 总 量CO2排 放 量 （ 万 t)能 源GDP增 长 率 00图五：第三产业煤炭消费总量的变动对节能、减排和经济增长影响图观察图五可知随着第三产业煤炭消费总量的增加，CO2 的排放量和能源以及 GDP 增长率的变化情况与第三产业煤炭消费总量的变动情况类似，故第三产业煤炭消费总量的增加对节能、减排和经济增长的影响都较小。5.2 问题二模型的建立与求解5.2.1 问题二中的的预测模型模型一：时间序列模型时间序列预测法原理：一方面承认事物发展的延续性，因为任何事物的发展总是同他过去有着密切的联系的。因此运用过去时间序列的数据进行统计分析，就能够推测事物的发展趋势；另一方面，又充分考虑到事物发展偶然因素的影响而产生的随机性和不规律性，为了消除随即波动的影响，利用历史数据，进行统计分析，并用移动平均法对数据加以适当的处理，进行趋势预测。首先我们通过处理所给历史数据：选取 20012010 年的数据进行分析得出下表：表二：20012010 年各种能源消耗情况表利用上面表二数据，采用二次移动平均法，设时序为x1，x2，x10，对其中连续 N=3(n)个数据点进行算术平均，得 t 时点的一次移动平均值和二次移动平均值，分别记为 ， ；1tM2t一次移动平均值的表达式：；NxxMtttt )1(211 同理对 再进行移动平均可得到二次移动平均值 ，其表达式为1t 2t；MNttttt1)(212 二次移动平均法的预测模型为:；TbaMttTt年份 煤炭消费量石油消费量天然气消费量其他能源2001 6439.02 1882.86 2.79 556.732002 6975.84 2008.2 9.61 614.952003 7808.84 2444.41 11.06 796.392004 9542.53 2675.73 40.96 1392.482005 12164.68 3227.02 185.85 1317.852006 13381.92 3298.63 412.33 1649.322007 14464.31 3502.75 597.53 2039.812008 14698.48 3309.88 849.25 2917.892009 15003.06 3802.13 843.62 4060.192010 16500.33 4283.73 951.88 4038.06模型中的参数 21tttMa；tttb按以上过程在 excel 中进行数据处理可得下表：表三：20112020 年能源结构预测表年份 煤炭消费量 石油消费量 天然气消费量 其他能源2011 0.613746489 0.156792553 0.041795223 0.1876657362012 0.599495752 0.155504855 0.043721618 0.2012777762013 0.586831358 0.154360499 0.045433574 0.213374572014 0.575502393 0.153336812 0.046965008 0.2241957872015 0.56530821 0.152415665 0.048343043 0.2339330822016 0.55608644 0.151582385 0.04958963 0.2427415462017 0.54770428 0.150824972 0.050722719 0.2507480292018 0.540052058 0.150133517 0.051757136 0.258057292019 0.533038405 0.149499762 0.052705232 0.2647566012020 0.526586592 0.148916776 0.053577379 0.270919254模型二：GM（1,1）灰色预测模型根据表三数据建立 GM（1,1）预测模型，我们先建立煤炭消费量的预测模型：1、 原始序列：=（ 6439，6976，7809，9543，12165，13382，14464，14698，1)0(X5003，16500）;2、 对 进行一次累加得)0(=（ 64400，13410，21220，30770，42930， 156310，70780，85480，100480，116980） ；3、 对 做紧邻均值生成得)1(X=（ 9930， 17320，25990，36850，49620， Z63540，78130，92980，108730） ；4、 令 ， ， ；1)9(2)(11ZB )10(3)2(1XYba5、 对 进行最小二乘估计得 = ；ayBaT 73.25896-6、 预测函数： .akebekX)1()()1)0)0(其他能源消费量的预测步骤同上。按照上述步骤，我们最终可得出 20112020年能源结构预测如下表：表四：20112020 年能源结构预测表年份 煤炭消耗量 石油消耗量 天然气消耗量 其他能源2011 0.609342 0.145341 0.067517 0.1778012012 0.585137 0.137213 0.078658 0.1989922013 0.553668 0.127644 0.090295 0.2283922014 0.503557 0.114133 0.099631 0.2826782015 0.478181 0.106554 0.114781 0.3004842016 0.436007 0.095518 0.126971 0.3415052017 0.391933 0.084414 0.138469 0.3851842018 0.334542 0.070838 0.143391 0.4512292019 0.278565 0.05376 0.144854 0.5228212020 0.251755 0.051525 0.158823 0.537897对比两结果，发现采用时间序列得到的结构较为稳定有利于可持续发展，而 GM（1,1）模型得出结果也比较符合现在迅速发展的经济趋势，所以模型各有各的道理。5.2.2 问题二中的优化模型在整个碳排放约束下，从节能和经济发展综合考虑建立双目标模型。（1） 经济发展：生产总值 达到最大；41iijXV（2） 节能：能源总消耗 最小。41iijX建立目标函数时，把经济发展放第一位，节能放第二位，引入权重系数分别为0.6,0.4；将上面两个目标转化为单目标；根据问题要求：1、单位国内生产总值能耗降低率达到 18%，2、单位国内生产总值二氧化碳排放下降 19%；最后得出目标函数及约束条件如下：目标函数： 4141.06.0maxiijiijXVz约束条件：0)1(5609.)1(3.048.2