碳排放约束下的江苏省煤炭消费量的预测

窦菲菲 陈彦华

摘要：目前世界各国都采取措施遏制全球气候变暖带给人类的危害。我国也把降低二氧化碳排放量和能耗列入政府工作计划中。本文以江苏省为例，采用多项式拟合法来预测江苏省的能源消费趋势，利用Matabla软件中的多项式拟合函数进行拟合度运算，得出未来十年江苏省主要能源消费的结构预测以及未来十年各主要能源所占消费比例。

关键词：预测和优化;多项拟合法;层次分析

随着时代的发展，化石燃料被普遍地使用。但在它给人们带来便利的同时，也在破坏着我们的生存环境。化石燃料的使用给人类带来的最严重影响就是全球气候变暖。近年来，这一现象引起全世界人民的关注，世界各国纷纷采取措施去遏制全球气候变暖。我国也不例外，已将降低二氧化碳排放量和能耗列入政府工作计划中。为响应政府的号召，江苏省也积极的开展节能减排工作，虽然江苏省的煤炭资源匮乏，其需求量却大，本文通过分析预测江苏省在碳排放约束下煤炭的消费量来，以谋求为战略性资源的开发提供依据，从而保证全省经济社会的绿色发展。

一、问题提出

自1978年改革开放以后，中国的经济发展取得举世瞩目的成就，2010年我国的国内总产值跃居世界第二。但是，中国经济的高速发展是以能源的消耗和环境的破坏为代价的，是一种高投入，高消耗，低收益的经济发展模式。其中，煤炭是我国经济发展的基础能源，然而，从1953年到2010年，我国煤炭的消费量翻了近44倍，呈指数形式增长。

2007年2月至11月，联合国政府气候变化专门委员会陆续公布了一系列气候评估，其显示地球的表面温度上升了0.74℃，并且温度会越来越高。全球气候变暖主要是由石油化石燃料所产生的温室气体所致，气候变暖已被国际社会公认为威胁人类生存安全的最重大的环境问题。目前，大气层温气层的存量相当于430ppm二氧化碳，其浓度已经使全球气温变暖0.5℃，且由于气候系统的惯性，气温还继续上升，随着时间的推移，气温不断上升的几率至少是50%，气候不断的上升对人类的危害将不亚于两次世界大战及经济危机所带来的影响。

为了遏制全球气候变暖，联合国以及国际组织和世界各政府展开了积极的努力。从签订的一系列协约书，到2009年哥本哈根会议的召开等，都是国际社会所作出的标志性的努力。在这些背景下，以减少碳排放为核心的低碳经济应运而生。

中国始终把可持续发展战略作为基本国策，转变传统经济发展模式，努力实现经济可持续发展、社会全面进步、资源永续利用、环境不断改善和生态良性循环的协调统一。我国还逐步加强要求，努力做好降低二氧化碳的工作，并要求降低能耗。

二、问题分析

（一）问题的重要性分析

江苏作为中国一大省市，为积极响应国家的号召，展开了降低二氧化碳排放量和能耗的工作，由于江苏省煤炭资源相对匮乏，而煤炭的消费量又逐年增长。本文通过实证分析在碳排放约束下煤炭的消费量，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，本着节能和环保的原则，提出二氧化碳排放的约束条件，为谋求战略性资源的开发提供依据，从而保证全省经济社会的绿色发展。

（二）问题的思路分析

本文采用多项式拟合的方法来预测未来10年江苏省主要能源消费结构。首先，利用Matabla软件中的多项拟合函数得出1985-2010年的能源，煤炭消费量，石油消费量，天然气消费量的拟合曲线。根据所得的拟合曲线图来推测未来10年的数值，计算出拟合度，并进行拟合度检验。再分别计算出煤炭消费量、石油消费量、天然气消费量在能源总消费量中所占的比重，进而得出未来十年江苏省主要能源的消费结构变化。

其次，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，采用层次分析法来对其进行优化，并筛选出预测时间里最佳的能源消耗比例，从而得出最优结果。

三、实证分析

（一）模型的准备

通过分析数据的特征，决定采用多项式拟合的数学方法。拟合法是指已知某函数的若干离散函数值，通过调整该函数中的若干待定系数，使得该函数与已知点集的差别最小。

对于优化问题采用层次分析法来解决。层次分析法就是对一些较为复杂、较为模糊的问题作出决策的简易方法，它特别适用于那些难于完全定量分析的问题。运用层次分析法建模，大体上可按下面四个步骤进行：（i）建立递阶层次结构模型;（ii）构造出各层次中的所有判断矩阵;（iii）层次单排序及一致性检验;（iv）层次总排序及一致性检验。

（二）模型假设

（1）假设数据不存在明显性的误差;（2）假设一个度量表以根据此度量表建立模型;（3）假设影响江苏省煤炭消费总量的五个指标是江苏省GDP年增长率、空气污染指数、人口增长率、城镇化率、煤炭价格;（4）假设只考虑时间因素的影响，不考虑其它因素。

（三）符号说明

（四）模型的建立与求解

首先取{r1（x），…，rm+1（x）}={1，x，…，xm}，之后用m次多项式拟合给定数据。利用Matlab中的函数a=polyfit（x0，y0，m）：

（1）对1985-2010年的能源消费量进行拟合

通过Matablab软件里的多项式拟合函数计算得到当为4次多项式时拟合度最好，所以得拟合曲线为最好，下图为拟合曲线。

（2）对1985-2010的煤炭消费量进行拟合

通过Matablab软件里的多项式拟合函数计算得当为5 次多项式拟合度最好，所得拟合曲线为：

F（x）=-0.03702×x5+369.6×x4-1.476x3+2.947x2-2.943×x+1.175

之后所得预测数据如下：

（3）对1985-2010的石油消费量进行拟合

通过Matablab软件里的多项式拟合函数计算得当为 4次多项式拟合度最好，所得拟合曲线为：

F（x）=-0.03294×x4+263.4×x3-7.901×x2+1.053×x-5.264

之后所得预测数据如下：

（4）对1985-2010年的天然气消费量进行拟合

通过Matablab软件里的多项式拟合函数计算得当为5 次多项式拟合度最好，所得拟合曲线为：

图四天然气消费曲线

F（x）=-0.002557×x5+25.54×x4-1.02×x3+2.039×x2-2.037×x+8.138

之后得到预测数据如下：

[

然后对其进行拟合度的检验，用误差的平方和来衡量。设实际数据值为Y，平均值为Y1，曲线拟合所得的理论值为Y2，则可得其误差平方和为∑（Y-Y2）2，均方差为∑（Y-Y1）2。若误差平方和与均方差的比值越小，则说明实际观察值与估计值越接近，曲线拟合度就越好。定义相关指数R2，其计算公式为：

R2=1-∑（Y-Y2）2∑（Y-Y1）2

通过上式，求得煤炭消耗量的相关指数R2=0.9307，因为R2<1，说明拟合度较佳，误差较小，能够对其进行拟合预测。

通过图一及所预测数据可以看出，江苏省对煤炭消耗量的需求不断增加，基数不断增大，这与江苏省的经济发展迅速密不可分，但是从煤炭消耗量所占比例可以看出比例在逐年下降，煤炭使用效率在增大。同样的求得石油消耗量的相关指数R2=0.985，说明拟合度较好，误差较小，能够对其进行拟合预测。

通过图二及所预测数据可以看出，石油的消耗量与煤炭相似都逐年增加但所占总能源消耗比例在减小，与煤炭所不同的是石油的消耗量比煤炭有所增加，所占总能源的消耗比例下降的也比较小和缓慢。求得天然气的相关指数R2=0.988，说明拟合度较好，误差较小，能够对其进行拟合预测。

通过图三及所预测的数据可以看出，天然气的消耗量在近几年呈现出巨大的增长，所占比例也有大幅度的提升。说明江苏省在经济开发的同时对环境的保护有所重视，以及对新型环保能源的利用大大提高。从得出的数据中，可以计算出煤炭消费量，石油消费量，天然气消费量历年所占能源消费总量的比重，由此得出未来十年江苏省主要能源消费的结构预测以及以往各年和未来十年各主要能源所占消费比例。

由表看出煤炭所占能源比重越来越少，石油也在逐年减少，天然气所占比重基数相比其它两项要小很多，但是所占能源比重越来越大。体现了江苏省政府对环保的重视以及新能源的开发利用。考虑到节能目标和江苏省经济发展目标，需对未来十年的能源消费结构进行优化，得出最节能和经济发展最好的能源消费的结构。

采用层次分析法以节能与济发展为目标层，煤炭消费量，石油消费量和天然气消费量为准则层，以预测的未来10年的数据为措施层。然后总体考察十年里各消费结构的优劣。

（i）建立如图所示的层次结构图：

（ii）构造出各层次中的所有判断矩阵

根据条件构造判断矩阵A-B1，A-B2，A-B3

A-B1=

1131517

311315|

53113

7531

A-B2=1131517

311317

53113

9731

A-B3=1537

151133

13315

1713151

（iii）层次单排序及一致性检验

然后进行层次单排序与一致性检验，将判断矩阵的每一列元素作归一化处理，其一般项为：

bij=bij∑n1

bij（i，j=1，2，3，…，n）

将每一列经归一化处理后的判断矩阵按行相加为wi=∑njbij（i=1，2，…，n），对向量w=（w1，w2，…，wn）t，进行归一化处理，得到：

wti=wi∑niwj（1，2，…，n）

计算出判断矩阵最大特征根：λmax=∑n1（BW′）inW′t

经过计算，λmax=3.0384，CI=0.019，CR=0.033<0.1，满足一致性检验。

对于矩阵C1-p：经过计算，λmax=4.117，CI=0.039，CR=0.043<0.1，满足一致性检验。

对于矩阵C2-p：经过计算，λmax=4.087，C.I.=0.029，C.R.=0.032<0.1，满足一致性检验。

对于矩阵C3-p：经过计算，λmax=4.117，CI=0.039，CR=0.043<0.1，满足一致性检验。

（iv）层次总排序及一致性检验 然后再对目标作层次的总排序，其排序结果如下表所示：

由权重的大小进而确定出未来几年里消费结构优良的年份依次为：2014>2017>2016。 从预测数据来看，江苏省对煤炭的需求不断增加，但煤炭消耗量所占比例逐年下降，煤炭使用效率增大;石油的消耗量与煤炭相似都呈逐年增加但所占总能源消耗比例在减小，与煤炭所不同的是石油的消耗量比煤炭有所增加，所占总能源的消耗比例下降的也比较小和缓慢;天然气的消耗量在近几年增长较大，所占比例也大幅度提升。

四、结论

在约束碳排放的条件下，江苏省可以通过增加石油、天然气的消费量来降低煤炭的消耗。江苏省可采取以下措施来实现减排目标：首先，积极开发清洁资源，加快优化产业结构，鼓励企业自主创新，引进新能源，提高新能源的使用比例;其次，提高能源利用效率，节约资源，改变原有的粗放型的发展模式，大力发展可循环经济，走集约式发展道路;最后，制定相应的消费政策，控制煤炭的消费总量，鼓励企业居民使用石油、天然气等新能源。

参考文献：

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