数学建模--碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测.doc

1、2012年第九届苏北数学建模联赛承 诺 书 我们仔细阅读了第九届苏北数学建模联赛的竞赛规则。我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与本队以外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其它公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们愿意承担由此引起的一切后果。我们的参赛报名号为：1768 参赛组别（研究生或本科或专科）：本科参赛队员 (签名) ：队员1：唐彤彤队员2：吕广旭 队员3：彭衍博获奖证书邮寄地址:青岛山东科技大学信息科学与工程学院电子信息科学与技术10-2班2012年第九届苏北数学建模联赛编 号 专 用 页参赛队伍的参赛号码：（请各个参赛队提前填写好）：1768竞赛统一编号（由竞赛组委会送至评委团前编号）：竞赛评阅编号（由竞赛评委团评阅前进行编号）：2012年第九届苏北数学建模联赛题目 碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测

2、摘要 受能源消费结构的影响，煤炭作为我国经济发展的资源支柱，一方面推动着经济快速增长，另一方面也对中国节能减排、降低碳排放强度提出了挑战，这是一个能源开发利用的两难问题，这个两难问题中的重点是未来煤炭能源的需求预测问题。本文通过对题目给出的近年来相关数据的分析，以及对节能、减排和经济增长的目标等相关因素的深入探讨，建立了对未来十年江苏省能源消费结构和煤炭消费量的预测和相关的优化模型。 针对问题一，首先查找了影响江苏省煤炭消费量及第一、二、三产业煤炭消费量的主要指标，并对不同的指标的影响做了详细的分析。运用相关系数分析法，说明了第一、二、三煤炭消费量的变动对节能、减排和经济增长等指标的影响。 针对问题二，通过采用人工神经网络的模型，对未来十年江苏省主要能源消费的结构进行预测，并且采用二次规划的方法对主要能源消费的结构进行了优化。该模型采用了三层前向神经网络模型，网络模型的第一层为输入层，中间层为隐含层,第三层为输出层。经过人工神经网络的训练，验证了神经网络模型的合理性，进而对未来十年能源消费的结构进行了预测。又通过二次规划对未来煤炭、石油、天然气的消费结构进行了优化，最后对江苏省能源消费

3、的结构调整进行了总结。 针对问题三，通过采用灰色的模型，对未来十年江苏省煤炭消费量以及第一、二、三产业煤炭消费量进行了预测。该模型采用了建立一般的灰色微分方程，然后通过对数据序列的拟合，求得微分方程的系数，从而获得灰色预测模型的方程。经过对近几年的数据的拟合，验证了该模型的合理性，进而对未来十年江苏省煤炭消费量以及第一、二、三产业煤炭消费量进行了预测优化。 最后在碳排放约束下，考虑江苏省“十二五”期间要完成节能及经济增长的目标和基于以上模型分析的结果，给出了几点建议。关键词：人工神经网络模型；灰色模型；二次规划；煤炭消费量； 能源消费结构 问题的重述及背景1.问题的重述 2011年12月1日，国务印发了“十二五”控制温室气体排放工作方案的通知，方案对目标任务作了分解，明确了各地区单位生产总值二氧化碳排放下降指标，江苏省的下降目标是19%，略低于广东省的19.5%。江苏省“十二五”规划中也给出了到2015年非化石能源占一次能源消费比重为7%左右的目标。至于到2020年的减排目标，参考以及国务院在2009年公布的我国到2020年单位GDP二氧化碳排放减少40-45%的目标。以煤炭为主的化石

4、能源的消费是引以温室气体排放的主要诱因。一方面，经济的发展离不开煤炭为主的能源支撑；另一方面，环境承载力迫使煤炭为主的化石能源不能盲目的无限制利用，这是一个有能源开发利用的两难问题。这个两难问题中的重点是未来煤炭能源的需求预测问题。科学准确的预测未来地区煤炭消费状况，可以对国家和地区政府相关职能部门制定相关发展规划和政策起到关键性作用。准确把握煤炭消费量的变化趋势，对煤炭未来需求量的精确预测，可及时指导煤炭生产供应工作，对保障我国煤炭安全供应具有重要的意义。江苏省的国土面积仅占全国1.1%，却承载着占全国5.6%的人口，并且创造了全国10%的经济总量。但是，江苏省经济快速发展已经给环境质量造成巨大的压力，并且付出了沉重的资源和环境代价，发展受到环境强烈的约束正在日益体现出来。从环境污染的情况来看，江苏单位经济产值的主要污染物排放量均超过全国平均水平，江苏省面临的能源瓶颈、环境承载力等环境资源约束日益增多。江苏省煤炭资源匮乏而煤炭消费总量逐年增长，煤炭消耗问题成为影响江苏经济发展的重要因素。因此，解决好未来江苏巨大的煤炭供需缺口，分析预测江苏未来的煤炭消费，可以为江苏战略性能源开发供应提

5、供依据，从而保证全省经济社会的绿色发展。现需解决以下问题：（1）各指标对江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的影响情况怎样？江苏省煤炭消费总量及其占能源消费量的比重、第一、二、三产业煤炭消费量的变动对节能、减排和经济增长等指标产生怎样的影响？（2）在整个碳排放约束下，考虑节能目标和江苏省经济发展目标，建立数学模型，对“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源（煤炭、石油、天然气等）消费的结构进行预测和优化；对“十二五”期间及未来十年江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量进行预测和优化。2背景 （1）煤炭资源消费在中国能源消费中的地位中国是世界第一产煤大国，煤炭产量占世界的37。煤炭作为中国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76和69，在未来相当长的时期内，中国仍将是以煤为主的能源结构。随着煤炭工业经济增长方式的转变、煤炭用途的扩展，煤炭的战略地位仍然十分重要。中国能源消费结构与目前世界上以石油为主的能源消费结构不同，而是由煤炭占据了能源消费的主导地位。2008年煤炭在中国能源消费总量中所占比例为68.7。虽然随着经济发展，其它一次能源(石油、天然气)消费的逐渐

6、增多，但中国“富煤、贫油、少气”的能源储备特点和经济发展阶段特点，以及煤炭明显的成本优势，决定了煤炭仍是中国最主要的一次能源。煤炭在中国一次能源消费结构中占主导地位的格局短时间内难以发生根本的改变1。（2）主要能源碳排放对比根据2007年IPCC第四次评估报告，温室气体增加的主要来源是化石燃料燃烧。其中化石燃料燃烧所导致的二氧化碳排放在2004年占总碳排放将近95.3%。CO2排放量采用排放系数法，碳排放系数是指每一种能源燃烧或使用过程中单位能源所产生的碳排放数量。排放系数法是一种由IPCC向各国推荐的温室气体排放的清单编制方法。碳排放量到CO2排放量的转换系数为44/12，即单位质量碳排放相当于44/12质量的CO2排放。对于每种能源的单位能耗碳排放系数，不同使用者采用的估计值是有差别的（见表1）。表1 各种能源的碳排放系数（单位：万t/万t）数据来源煤炭石油天然气水电DOE/EIAI0.70200.47800.38900日本能源经济研究所0.75600.58600.44900国家发改委能源所0.74760.58250.44350国家科委气候变化项目0.72600.58300.409

7、00（3）江苏省煤炭的消费现状1995- 2010年江苏省煤炭消费量、调入量见表3。江苏省煤炭消费量呈逐年上升趋势，从2000年的8770万吨上升到2009年 21003万吨，10年间消费量增长139.49%。从能源消费结构看，2009年江苏省煤炭消费量折算为标准煤后，占总能源消费量的 63.28%，而在 2000年该指标为72.74%，呈明显下降趋势。煤炭在江苏能源消费结构中的比重在1995年之前为80%以上，其后由于各方面重视能源结构的调整，风能、核能、太阳能等新能源消耗比重在逐年上升，所以煤炭在能源消费构成中的比重呈下降趋势， 2004年该指标首次降到 70%以下。预计煤炭在江苏省能源消费结构中的主导地位在今后相当长的时间内不会有太大的变化。通过近10年的统计资料计算可见，江苏全省年均原煤产量约2600万吨左右，而全省年均耗用煤炭量达15000万吨左右。江苏省是以建材、冶金、化工、机械和纺织等行业为主体的工业生产大省，并且全省火力发电占总发电量比重85%左右。经济的高速增长以及工业结构特点，决定了全省煤炭需求是不断增长的势头。江苏省作为国内经济大省、耗煤大省，寻找一条解决发展与节

8、能的最优路径也成为政府部门最紧迫的工作。3未来展望能源问题，尤其是作为占我国能源消费比重最高的煤炭问题，一直是国家制定的“2020发展规划”能否顺利实现的关键因素之一。近十几年来，特别是加入WTO以后，国内煤炭的消费占能源总消费的比例一直保持在70以上，尽管石油进口和天然气开发逐年增多，使煤炭的消费比例有所下降，但在未来很长时间内仍将维持在60左右，预计到2020年我国煤炭求量将达到22108t-24108t。问题的分析随着经济的发展和社会的进步，影响煤炭需求的因素发生了新的变化，并呈现出新的特点，从煤炭消费部门构成状况和主要耗煤部门煤炭消费状况、GDP、节能政策方面以及环境和煤炭需求关系方面进行分析，我们可以清晰直观的了解煤炭对经济环境的影响。1影响江苏煤炭消费的指标分析（1）主要耗能部门煤炭消费各部门煤炭消费状况及其比例变化(见表2)表明，工业煤炭消费一直是煤炭消费的主体，并且近年来比例有所上升，2005年工业煤炭消费量达202 444万吨，占煤炭消费总量的93.48，这与近年来冶金、化工和建材等高耗能产业迅速发展有着密切的关系。表2 各部门煤炭消费状况年份199019952000200320042005农林牧渔及水利业消费量/万吨209518571648168322512315比重/%1.991.351.250.991.161.07工业消费量/万吨81091117571119301156169180135202444比重/%76.8585.4090.3892.2893.0593.48建筑业消费量/万吨438440537577602604比重/%0.420.320.410.340.310.28交通运输仓储和邮政业消费量/万吨2161131511321067832815比重/%2.050.960.860.630.430.38批发零售和住宿及餐饮业消费量/万吨1058977815860872874比重/%1.000.710.620.510.450.40消费总量/万吨105523137677132000169232193596216558资料来源：中国统计年鉴（19

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