基于灰色系统GM（1，1）模型的内蒙古地区能源消费趋势预测

王 娟，何莉敏，孙庆雪

（内蒙古科技大学 理学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

随着中国工业化、城市化进程的加快以及居民消费结构的不断升级，未来中国能源消费结构中石油、天然气等高效清洁能源将位居重要地位.内蒙古是我国重要的能源生产和供应基地，与此同时也是最大的能源消费地.“十五”以来，内蒙古工业化的前进速度明显加快，工业在社会发展中的地位不仅居高不下，还在上升，随着工业发展的加快，使得一次性资源，例如：煤、石油等的消耗和浪费越来越多，资源的高度消耗导致内蒙古资源对经济发展的保障面临着巨大的挑战.在该背景下对内蒙古未来能源消费趋势进行预测，有着十分重要的意义.

长期以来，许多学者致力于能源消费趋势预测的研究.其中，李龙全等［1］采用最小化方差的办法进行权重分配，运用组合预测模型对江苏省2004—2015年的能源消费量进行了预测.王铮等［2］通过借助马尔科夫链的方法预测了河南省2007—2050年的能源消费结构.汪京徽等［3］采取Holt线性趋势模型和ARI⁃MA模型对安徽省2018年到2022年的能源消耗量进行预测.丁非白在文献［4］中从产业结构、经济增长分别与能源消费总量2个角度运用灰色关联分析法来研究呼包鄂经济增长与能源消费之间的关系.同时利用GM（1，1）模型对未来10年呼包鄂的能源消费情况进行相关预测.张衍广等［5］运用EMD方法对中国能源供需情况进行多尺度分析及预测，并提出虚拟能源理论.

通过查阅《内蒙古统计年鉴》相关数据，可知从1985到2000年期间，内蒙古自治区能源消费总量的增长始终在4%～7%之间，相对来说比较平稳.进入新世纪后，内蒙古在牢牢抓住西部大开发机遇的前提下，通过依靠资源的大力开发，加速工业化的前进步伐，实现了经济的超速增长，能源消费量也呈现急剧上升的趋势.进入“十二五”以后，内蒙古能源消费总量增速慢慢下降.工业内部，以重化工业为主的依靠大量消耗能源和自然资源的发展格局，快速转向资源与非资源型工业并举的格局，加工制造业地位凸显.与此同时，现代服务业、旅游文化产业等也加速促进了经济的飞速增长.与重化工业相比这些产业对能源消费总量的需求较低.因此，内蒙古产业结构升级的结果必然使能源消费总量的增长速度变慢.

本文选取内蒙古地区2008—2017年能源消费总量及能源结构消费总量的数据，运用灰色系统GM（1，1）模型对内蒙古自治区未来10年能源消费趋势的预测，为内蒙古自治区制定能源战略提供参考依据，同时也有利于推动内蒙古产业结构的调整，为内蒙古自治区经济的可持续发展提供有利的条件.

1 GM（1，1）模型

GM（1，1）模型是各种预测理论体系中一个可行的研究方向，是用来研究“小样本”与“不确定性”问题的常用方法，是在对原始数据进行处理的基础上建立数学模型的，其具体建模步骤如下：

第一步：建立一次累加生成序列.设X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n))为非负序列，对其作一次累加生成得1—AGO序列：X(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))，其中

故灰导数为：

第二步：求紧邻均值序列.

其中

由此建立GM（1，1）模型

相应的白化方程（影子方程）为

其中，a为发展系数，b为灰色作用量.

第三步：模型检验.通常有平均相对误差、绝对关联度、均方差比值、最小误差概率4种模型检验的方法.

这一新理论由于“贫信息”问题的普遍存在，从而具有了十分广阔的发展前景.目前灰色系统理论已经在医学、能源、军事、社会等相关领域获得十分广泛的应用［6—10］，成功地处理了生产生活中的大量实际问题，并赢得了国内外学术界的广泛肯定和积极关注.

2 内蒙古能源消费总量预测

2.1 样本选取本文选取内蒙古2008—2017年能源消费总量的数据，基于GM（1，1）模型对未来10年内蒙古能源消费总量进行预测.搜集的数据来源于《内蒙古统计年鉴》.

2.2 能源消费总量预测第一步：建立一次累加生成序列.原始数据序列为2008—2017年内蒙古能源消费总量数据：

因此，X（0）序列的一阶弱化缓冲算子为

计算结果如下：

则X的1—AGO序列为：

第二步：设d为GM（1，1）模型，其中a，b为常数.通过最小二乘法估计a，b的值为：.可得GM（1，1）模型的方程为，时间响应式为：

得到的模拟序列为：

第三步：模型检验.根据模拟序列可以得到相对应的残差序列为：

②根据序列X与模拟序列，可得灰色关联度为ε=0.673 1>0.6，关联度精度为四级.

④计算最小误差概率：P=P(||ε(k)-ε̇<0.647 5S1)=0.6≥0.6，精度等级为四级.故可用（1）式来进行预测，从而得出未来10年的能源消费总量的预测值：

由此可得未来10年内蒙古自治区能源消费总量的预测图如图1所示（单位为万吨标准煤）.

图1 未来10年能源消费总量预测折线图Fig.1 Line chart of predicted total energy consumption in the next decade

从图1可以看出，未来10年，内蒙古自治区能源消费总量仍在继续增加，呈上升趋势，所以有关部门可以以此作为参考为新一年的能源生产制定更合理的计划，更有助于内蒙古自治区经济的协调发展.

3 内蒙古能源消费结构预测

3.1 样本选取本文选取内蒙古2008—2017年消费结构数据进行预测，在对内蒙古能源消费总量预测的基础上，对煤炭、石油、天然气和电力等4种主要能源分别进行预测，以便考察内蒙古能源消费结构的未来变动趋势.本文数据来源于《内蒙古统计年鉴》.

3.2 能源消费结构预测同理，重复上述步骤，可以得到内蒙古能源消费结构预测数据.未来10年内蒙古煤炭消费量的预测值为：

由此可得未来10年内蒙古煤炭消费量的预测图如图2所示（单位为万吨标准煤）.

图2 未来10年煤炭消费量预测折线图Fig.2 Line chart of predicted coal consumption in the next decade

从图2可以看出，内蒙古能源消费结构一直以煤炭为主；在整个能源结构中，煤炭消费一直占据着相当大的比重且在未来10年内蒙古煤炭消费量略呈下降趋势.

同理，根据未来10年内蒙古石油消费量、天然气消费量、水电消费量的预测值，可得未来10年内蒙古石油消费量、天然气消费量、水电消费量的预测图依次如图3、图4、图5所示（单位均为万吨标准煤）.

图3 未来10年石油消费量预测折线图Fig.3 Line chart of predicted oil consumption in the next decade

图4 未来10年天然气消费量预测折线图Fig.4 Line chart of predicted natural gas consumption in the next decade

图5 未来10年水电消费量预测折线图Fig.5 Line chart of predicted hydropower consumption in the next decade

从图3可见，未来10年内蒙古石油消费量不再继续增加，反而呈下降趋势，且前两年内的下降趋势很小，接下来8年的消费量下降趋势较明显.从图4可以直观地看到，未来10年内蒙古然气消费量不再继续持续增加，略呈小幅度下降趋势.从图5可见，未来10年内蒙古水电消费量将呈现递增趋势，且增长幅度较大，但仍需要政府加强能源消费调控.

4 相关建议

根据以上分析可以发现，由于内蒙古地区的经济增长主要依赖能源消费，加上能源存量的约束，要使经济的高速发展持续下去，首先就要使经济不再过分地依赖能源，同时还要加强政策有力支持.本文在对内蒙古地区能源消费趋势进行研究后，提出以下政策意见：

（1）对产业结构进行适当调整，推动产业结构优化升级.内蒙古地区在2019年的3次产业结构分别为10.8%、39.6%和49.6%，与2011年3次产业结构比例9.1∶56.0∶34.9相比，呈现出3次产业协同发展的局面.因此，今后应继续夯实优势产业，着力提升传统产业，加速服务业的发展，促进形成优良产业集群.

（2）加强技术创新，提高能源利用效率.尽快淘汰落后产能，大力开发和推广新工艺是内蒙古地区能源效率提高最有效的途径之一.大力开发可再生能源，诸如在文献［11］中提到的“光伏行业”等.

（3）加大环境保护，建立循环经济模式.促进全民环保的社会文化，养成节约能源和保护环境理念，努力建成节约型社会；有关政府要制定有关废水、废气、噪声和固体废弃物等的污染防治法；收集和再利用废弃物，使其减量化、无害化和资源化，实现少投入、高产出.