基于系统动力学的交通运输业节能减排技术路径模拟研究

唐丽敏，王玲丽，秦思思，蔡昭堃

(1.大连海事大学交通运输管理学院，辽宁大连 116026; 2.中国科技大学数学科学学院，合肥 230026)

基于系统动力学的交通运输业节能减排技术路径模拟研究

唐丽敏1，王玲丽1，秦思思1，蔡昭堃2

(1.大连海事大学交通运输管理学院，辽宁大连 116026; 2.中国科技大学数学科学学院，合肥 230026)

在相关研究的基础上，利用系统动力学构建包含多条反馈回路、多个变量以及变量之间关系的交通运输业节能减排系统并展开分析。交通运输业节能减排系统是以交通运输业能源消耗以及碳排放为研究对象，考虑能源消耗结构、交通运输方式结构、环保投入等主要影响因素，包括多种运输方式的交通运输子系统，同时也是包括多种能源和节能技术的能源子系统、包括多个减排技术的环境子系统、代表经济增长及城市化进程的经济子系统。通过对系统动力学模型的构建，对节能减排技术方法进行模拟仿真，并对模拟结果进行分析评价。

系统动力学；交通运输业；节能减排；技术路径

伴随着节能减排活动在全球范围内的兴起，全新的交通运输业节能减排时代已经到来，“低能耗、低排放、低污染”成为全球新的目标。在哥本哈根会议上，我国政府承诺2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量较2005年下降40%～45%，国家“十二五”规划明确提出建设“资源节约型、环境友好型”社会，并且在“十一五”节能减排的基础上提出了“十二五”规划的节能减排新目标。[1]

国内多位学者对交通运输业在节能减排方面作出了研究。石友蓉、赵威[2]分析了各种措施产生的节能减排效果，提出公路水路交通运输节能减排的综合管理体系。吕正昱[3]、石静雅[4]、习江鹏[5]等多位学者对节能减排的评价进行了研究。陶冶[6]、宋维明[7]、曾德丽[8]、杨靖[9]通过对我国道路节能减排现状分析，从多角度出发对未来交通运输业提出了宏观政策和微观措施。

一、交通运输业节能减排系统分析

1.系统边界确立

交通运输业与经济、能源、环境之间构成了一个相互关联的复杂系统，它们之间的关系如图1所示：

图1 交通运输业节能减排系统结构图

系统起源于国民经济，其与交通运输业之间是相互促进的正向关系；交通运输业的发展伴随着能源消耗的增加，带来了污染物的大量排放，加重了环境污染；环境污染制约经济的可持续发展，从而制约了交通运输业的可持续发展；国民经济增长带来环保投资能力增加，改善自然环境。国家从“牺牲环境带来经济发展”向“经济与环境协调发展”进行战略转变，节能减排的意识逐渐增强。

2.模型假设

交通运输业节能减排系统是一个相互作用、相互制约、关系错综复杂的巨型系统，影响因素众多，不能一一考虑，因此，对交通运输业节能减排模型有以下主要假设。

假设1：该模型只考虑交通运输和国民经济之间的关系，而不直接考虑国民经济和其他产业之间的关系。

假设2：经济持续稳定增长，货物周转量也持续稳定增长。

假设3：该模型从交通运输业的二氧化碳排放入手，来研究交通运输业的污染物排放情况。

3.因果关系图

结合交通运输业节能减排系统的边界以及系统假设，对系统进行进一步的因果关系分析，得到各因素之间的因果关系(如图2所示)。

图2 交通运输业节能减排系统因果关系图

该因果关系图主要包括三条回路。

回路1：GDP→+货物周转量→+能源消耗量→+能源成本→+运输成本→+交通运输业物流增加值→+GDP。

回路2：GDP→+货物周转量→+能源消耗量→+二氧化碳排放量→+二氧化碳污染量→+二氧化碳污染损失→-GDP。

回路3：GDP→+环保投入→+交通运输二氧化碳治理费用→+二氧化碳减少量→-二氧化碳污染量→+二氧化碳污染损失→-GDP。

二、交通运输业节能减排模型构建

1.交通运输业节能减排流图确定

经过对交通运输业节能减排系统的影响因素分析，结合系统各变量之间的因果关系，运用Vensim软件，建立交通运输业节能减排系统流图(如图3所示)。

2.模型参数界定

该模型参数表达式主要采用时间序列回归及数学推导方式得到，回归预测用于宏观经济数据预测，而数学推导主要用在交通运输业能源消耗与二氧化碳排放的计算方面。

图3 交通运输业节能减排系统动力学模型流图

(1)主要参数的确定。

①货物周转量与GDP关系。 如表1所示。

表1 货物周转量与GDP数据表

表1数据来自国家统计局网站，利用SPSS软件对表中货物周转量和GDP进行回归分析，进行参数估计，得到回归方程为

式中：y表示货物周转量，x表示GDP。R2=0.9921，线性拟合度高。

②经济增长系数。

实际增长率=报告期国内生产总值数值/上一年国内生产总值数值×100%-100%

模型经济增长率=(报告期国内生产总值数值-交通运输业物流增加值)/上一年国内生产总值数值×100%-100%

利用2001—2011年的模型经济增长系数(通过调试，降低实际系数数值得到)，经过预测，得出2012—2020年的增长系数(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不同运输方式货物周转量比重。

货物周转包括五种运输方式，即铁路、公路、水运、民航和管道(本文不考虑管道运输)。2001—2012年水运和民航货运比重变化不大，且影响能耗与排放变化的运输方式主要是铁路，因此水运与民航比重取2001—2012年的平均值，分别为0.5373和0.001。公路比重为时间的表函数，铁路货物周转量为货物周转量剔除水运、公路以及航空货物周转量的部分，具体数值见表2。

表2 2001—2012年不同运输方式货物周转量比重

④单位能耗。

根据统计资料，蒸汽机车单位能耗为0.2722万t标煤/亿tkm。历年内燃机车与电力机车的单位能耗见表3。

表3 2001—2012年内燃机车、电力机车能源单耗

⑤能源消耗。

能源消耗单位是万t标煤，将不同运输工具的能耗通过各种能源折标准煤参考系数折算成标准煤来进行计算，如表4所示。

表4 各种能源折算标准煤参考系数

(2)其他参数。

其他主要参数如表5所示。

表5 其他参数及表达式

3.模型检验

(1)模型行为能否重现参考模式。

本文研究的是交通运输业节能减排系统，可以分别用“GDP”、“货物周转量”、“能源消耗量”与“二氧化碳排放量”代表经济、交通运输业、能源、环境四个子系统，对检验模型行为具有可比性与准确性。通过模拟得到“GDP”、“货物周转量”、“能源消耗量”与“二氧化碳排放”的行为模式如图4所示，符合最初的参考模式。

图4 模型参考模式检验

(2)模拟数据与实际数据是否一致。

同样选择“GDP”、“货物周转量”、“能源消耗量”与“二氧化碳排放量”四个变量，将模型运行结果与实际数据相对比，得到表6和表7。通过对相对误差的分析可知，模型的模拟值与实际值的误差绝对值不超过10%，说明运行结果与实际数据高度拟合。

三、模型仿真

1.交通运输业节能减排技术路径分析

交通运输业占据着国民经济的重要地位，同时交通运输业对全社会总能耗与二氧化碳排放都有着极大的贡献，随着经济的发展，能源与环境问题越来越受到社会的关注。为应对此种现状，国家提出经济发展与环境资源保护协调统一的发展模式，这就要求改变经济发展模式，探索节能减排新方法，改变靠牺牲资源环境换取经济发展的模式，同时采取措施改善环境现状。

通过对交通运输业节能减排与经济、能源、环境等子系统进行深度分析，发现交通运输业节能减排工作需要多方面的措施，本文从增加治理投资、降低单位能耗、降低排放因子、改变运输方式比重四个方面入手，制定相应的节能减排方案，改善自然环境与能源利用。

表6 GDP与货物周转量模拟效果对比

表7 交通运输业能源消耗量与二氧化碳排放量模拟效果对比

注：表7数据根据《中国交通年鉴》和世界银行统计的中国运输部门二氧化碳排放量，能耗量实际值计算时将旅客周转量换算成货物周转量计算得出。

2.交通运输业节能减排技术路径模拟

在哥本哈根会议上，我国政府作出了到2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量较2005年下降40%～45%的郑重承诺。在2012—2020年期间我国又提出新的目标，到2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量下降21%，单位国内生产总值能源消耗20%，对于交通运输业来说，到2020年单位货物周转量能耗和二氧化碳排放量分别下降11%和12%。

(1)增加治理投资。

增加治理投资有两种方式：增加环保投入；提高环保投入中CO2治理投资系数。

国家环保投入最高达到2%左右，将环保投入提高1%，以2020年为基准，CO2污染量降低4.88%(见图5)，从表8得知单位货物周转量二氧化碳污染量相对于2012年降低6.89%；将交通运输业二氧化碳治理投资系数分别增加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%(见图6)，从表8得知单位货物周转量二氧化碳污染量比2012年分别降低1.49%、5.69%、9.89%、11.57%、12.41%，只有将交通运输业二氧化碳治理投资系数增加将近27%，才能完成单位货物周转量二氧化碳减排目标。

图5 环保投入增加二氧化碳污染量模拟

图6 治理投资增加二氧化碳污染量模拟

表8 单位货物周转量二氧化碳污染量模拟效果表

(2)降低运输工具单位能耗。

分别对公铁水航四种运输方式的货运单耗进行模拟，从模拟结果可以看出，公路和水运单位能耗降低对于节能减排的效果明显，所以当公路和水路能耗以相同比例下降时，节能减排模拟结果如图7和图8所示。从表9可以看出当公路与水运单耗降低比例为22%时，可以达到单位货物周转量节能减排目标，而且降低比例接近21%时，已经完成单位货物周转量减排目标。

图7 能源消耗量模拟图

图8 二氧化碳污染量模拟图

表9 公路与水运单耗降低模拟效果表

(3)降低排放系数。

交通运输业化石燃料主要有柴油、汽油、燃料油和煤油，分别将这四种燃料排放系数降低10%、20%、30%进行模拟，从模拟结果可以观察到柴油与燃料油的排放系数对交通运输业的减排影响较大，因此同时将柴油与燃料油的排放系数降低相同的比例，具体做法就是将柴油车、内燃机车和燃油船排放系数同时降低15%、20%、21%、22%，结果如图9与表10所示。从表10可以看出当柴油与燃料油排放系数同时降低22%，可以完成单位货物周转量减排目标。

图9 柴油与燃料油排放系数降低二氧化碳污染量模拟图

表10 柴油与燃料油排放系数降低二氧化碳污染量模拟表

(4)改变运输方式结构。

公路运输占货物周转量比重较大，单位能耗高，在能源消费中占有很大比例，同时目前铁路运输还有很大的潜力，因此本文考虑将公路运输减少的货物周转量转移到铁路运输上，加大铁路货运比重，从而减少能源消耗。通过将公路货物周转量比重分别下降15%、20%、24%、25%进行模拟仿真得到图10和图11。从表11可以看出当公路货物周转量降低25%时，可以完成单位货物周转量节能减排目标。将公路比重降低25%的目标可以通过大力发展铁路运输实现。

3.交通运输业节能减排模拟效果分析

本文对四个途径进行模拟，仿真结果发现改变运输方式结构节能减排效果最好，降低公路货运比重比较容易实现，加大铁路发展，提高铁路货运比重是未来发展的大方向；其次是降低运输工具单位能耗，但此技术需要投入巨大财力和时间以及其他节能减排技术方法才能实现；然后是降低排放系数，但此方法对降低能耗没有贡献；最后是增加治理投资，此方法可以在短期内降低CO2污染量，但并不是长久之计，其可以作为改善环境的辅助措施。

图10 改变运输方式比重能耗模拟图

图11 改变运输方式比重二氧化碳污染量模拟图

表11 改变运输方式比重模拟结果表

四、总 结

本文通过对交通运输业节能减排与经济、能源、环境子系统之间关系的深入分析，利用系统动力学找出影响系统的关键因素和反馈回路，建立交通运输业节能减排模型。根据2020年我国单位GDP节能减排目标，对节能减排技术方案进行仿真模拟，结果发现改变四种运输方式比重效果最好，减少公路货运比重，提高铁路货运比重，降低总能耗量和CO2排放量；降低运输工具单位能耗主要作用于公路运输中柴油车和汽油车以及水运中的燃油船，其中公路运输减排效果明显，但是仅靠降低单位能耗不能达到节能的目标，还需要其他技术方法的支持；降低排放系数和增加治理投资对于降低能耗效果不明显，同时需要大量投资。长久来看，发展铁路运输对于改善交通运输业节能减排现状具有战略性意义，应改善基础设施设备投入，提高运输效率以及燃油利用率，从而降低能耗和CO2排放。

[1]交通运输部.公路水路交通运输节能减排“十二五”规划[EB/OL].(2011-06-28)[2014-06-18].http://www.chinabuses.com/policy/2011/0628/article_2965.html.

[2]石友蓉,赵威.公路水路交通运输节能减排综合管理体系研究[J].武汉理工大学学报,2010(4)：31-37.

[3]吕正昱,季令.考虑能源安全与外部成本的交通运输成本分析[J].交通运输工程与信息学报，2004(1):92-98.

[4]石静雅,苏永清,岳继光.轨道交通能耗影响因素分析及能耗评价体系的建立[J].铁道运输与经济，2008(9)：46-49.

[5]习江鹏.道路运输节能减排问题研究[D].西安：长安大学，2008.

[6]陶冶,薛惠锋.交通能源决策系统模型研究[J].计算机工程与应用,2009(6):5.

[7]宋维明.对道路运输业节能减排的探讨[J].安全与环保，2009(4):81-83.

[8]曾德丽.道路交通运输结构性节能减排研究[D].重庆：重庆交通大学,2012.

[9]杨婧.道路交通行业节能减排战略措施研究[D].西安：长安大学，2009.

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2014-12-20

辽宁经济社会发展基金项目(2014slktzigjwt-03)

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

1671-7031(2015)01-0027-08

F512.5

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