基于主成分的省域3E系统耦合协调度研究

徐小雅 胡超竹 李翰芳

［收稿日期］2022-0517

［基金项目］国家自然科学基金青年项目（11701161）；湖北省教育厅人文社科重点项目（20D043）；湖北工业大学博士科研启动基金（BSQD2020103）；教育部人文社科基金项目（17YJA790098）

［第一作者］徐小雅（1998-），女，湖北宜昌人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为数据挖掘

［通信作者］李翰芳（1979-），女，湖北麻城人，统计学博士，湖北工业大学讲师，研究方向为统计建模

［文章编号］1003-4684（2023）02-0103-04

［摘要］在信息时代大数据发展迅猛，海量的数据使得统计工作面临前所未有的挑战。从经济、能源、环境三个宏观层面出发，选取2003-2019年我国30个省市的各项指标，在主成分分析的基础上构建“经济-能源-环境”耦合系统（3E系统），探讨各个系统得分的时空差异，并分析系统的耦合协调度，旨在简化宏观高维数据，为宏观研究提供便利。研究结果发现：我国经济子系统在2003-2019年内逐年提升，而环境子系统得分与经济子系统相反，经济发达地区环境得分停滞不前，甚至有逐年下降的趋势，能源子系统各区域发展稳定；同时我国3E系统的耦合协调性处于高协调水平，经济子系统与环境子系统的耦合协调性是影响3E系统协调性的最主要原因，经济子系统在环境子系统与能源子系统间充当媒介作用。

［关键词］3E系统； 区域发展； 主成分分析; 耦合协调性

［中图分类号］X24  ［文献标识码］A

21世纪以来全球气候不断变暖。伴随着目前我国能源利用的效率持续下降，环境治理也进入了攻坚战，同时随着“大数据”时代的来临和发展，将能源和大数据融合发展是解决当今能源问题的重要革新力量。我国政府数据开放平台数量增长迅速，覆盖面广，同时实施大数据平台建设的政策法规制度体系逐步完善，我国发展泛能源大数据的必要条件基本成熟。建立以能源为中心并广泛关联多维度的泛能源大数据体系，构建统揽环境、经济与能源的智慧系统，可为我国在新一轮工业革命中塑造国家发展新优势提供坚实的信息和决策支撑，同时有利于优化大型数据中心整体创新布局和加快实现绿色转型发展。

1    研究現状

能源、经济和环境之间的相互关系一直受到学术界的广泛关注。从不同的视角来看，大致可以将对能源经济环境耦合系统（3E）的研究分为三类：1）对区域内的能源经济环境系统协调度进行评价[2，5，7，11]，能源、经济和环境相辅相成，研究它们之间的协调度可为地区实现可持续发展提供政策意见；2）对现有评价3E系统耦合协调度的模型进行改进，例如运用距离协调度模型和加入GM灰色预测模型[6]、结合压力状态响应评价体系[4]、采用模糊物元理论[1]等；3）外部因素对3E系统的影响分析，包括节能减排政策、能源结构、碳排放、技术创新等方面的影响[3，8-10]。

纵观国内外学者的研究，大多集中在时间及空间上，这些研究的基础离不开稳定的3E耦合系统，而耦合协调度取决于3E系统的内部结构，系统内部所含数据信息越多，3E系统的耦合协调度解释程度越高，而这方面的研究较为缺乏。另外，3E系统面临着3个主要问题，第一是高维数据处理，第二是数据收集难度，第三是缺失值的处理。故笔者从这三个角度出发，在基于大数据分析基础上，构建更为科学、合理的3E系统耦合模型，为3E系统的扩展研究打下稳定的基础。

2    评价方法及数据来源

2.1    基于主成分分析法的3E系统耦合协调度的评价模型

由于笔者拟从大数据的角度构建3E系统协调度评价指标体系，各二元子系统内部所含的信息数据增多，指标之间的相关性也随之增强，故提出通过使用主成分分析法建立综合发展水平模型，使用主成分分析法降维后的指标继续构造3E系统耦合协调度评价模型，来有效避免指标之间内在影响与主观因素引起的不必要的系统偏差和高维数据带来的维数灾难。

2.1.1    3E系统协调度评价指标体系的构建旨在全面地了解我国能源、经济、环境系统的发展历程与现状，进而系统地表征三者的协调状况，因此遵循系统性、科学性和可操作性等指标构建原则，建立如下 3E 系统指标评价体系，如图1所示。

构建的体系中，能源系统有26个评价指标（表1），经济系统有20个评价指标（表2），环境系统有18个评价指标（表3）。

其中能源子系统描述了当前自然界能源状况，同时也考虑了人类活动对能源资源的影响；经济发展是实现绿色永续发展的基础，若经济发展不稳定，能源技术改革就难以实现，生态环境保护也将举步维艰，故经济子系统刻画了社会经济发展行为；环境子系统既考虑了自然环境，也将人类活动的城市环境考虑在内，同时也涵盖了环境治理保护。

2.1.2    3E系统综合发展水平模型    3E系统综合发展水平模型能够将其内部各个子系统的综合发展水平进行量化处理，从而完成对相对抽象的能源、经济、环境3E概念的定量描述。同时由于原始数据样本指标中存在不同维度的计量单位，因此在用主成分分析法构建相应的系统综合发展水平模型前，先对原数据指标进行标准化处理而消除样本量纲对模型计算结果的影响，获得合理、正确的计算结果。构建如下3E系统综合发展水平模型：

f（A）=ZA×TAf（B）=ZB×TBf（C）=ZC×TC（1）

其中：

TA=pA    λA，TB=pB    λB，TC=pC    λC

式中，f（A）、f（B）、f（C）分别为能源、经济、环境子系统的综合发展水平模型；ZA、ZB、ZC分别表示为能源、经济、环境子系统标准化之后的数据；TA、TB、TC分别表示能源、经济、环境子系统的综合权重，综合权重由累计贡献率λ和因子载荷矩阵p求得。

2.1.3    3E系统综合耦合协调度模型经济和环境系统之间的内在关联能有效反映耦合机制。耦合度被用来衡量系统间相互作用与影响的程度大小，通常来说它越大越好，说明系统间的协调程度好。故根据2.1.2中所构建的综合发展水平模型，构建出如下3E系统综合耦合协调度模型：

D=    O×V（2）

其中：

O=f（A）·f（B）·f（C）f（A）+f（B）+f（C）3313

V=13f（A）+13f（B）+13f（C）

式中，D表示系统耦合协调度（D∈0，1），O表示系统耦合度，V表示能源经济环境各系统的综合评价指数，f（A）、f（B）、f（C）由式（1）所求。

2.1.4    3E系统内部耦合协调度模型为了进一步探索3E系统之间耦合与协调关系，明确对3E系统的协调度产生变化的关键因素，考虑3E系统中的每个子系统两两之间的协调情况，构建如下3E系统内部耦合协调度模型：

DAB=    OAB×VABDAC=    OAC×VACDBC=    OBC×VBC（3）

其中：

OAB=f（A）·f（B）f（A）+f（B）2212OAC=f（A）·f（C）f（A）+f（C）2212OBC=f（B）·f（C）f（B）+f（C）2212；

VAB=12f（A）+12f（B）VAC=12f（A）+12f（C）VBC=12f（B）+12f（C）

式中DAB、DAC、DBC为能源子系统与经济子系统、能源子系统与环境子系统、经济子系统与环境子系统的耦合协调度模型（DAB∈［0，1］、DAC∈［0，1］、DBC∈［0，1］）；OAB、OAC、OBC分別为三个子系统间两两的耦合度（OAB∈［0，1］，OAC∈［0，1］，OBC∈［0，1］）。

2.2    数据来源及处理

选取2003-2019年我国30个省市的64个具有代表性的指标进行3E系统建模，数据来源于2003年-2019年的《中国统计年鉴》《中国金融统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国环境统计年鉴》以及各省统计年鉴，数据中包含的缺失值使用多重回归进行插补。

3    研究结果与分析

3.1    3E体系综合指标

基于前文构建的指标体系，使用R软件（R 4.1.3）分别对经济、能源、环境指标体系进行主成分分析，首先对三个子系统进行 KMO与球形检验，可以发现表4中经济、能源、环境KMO值分为0.888、0.755、0.706，接近于1，这说明三个系统各自内部变量之间的相关程度很强，变量间存在多重共线性，适合做因子分析。另外球形检验的P值接近于0，说明各变量间不相互独立，因此可以进行后续分析（详细分析以经济子系统为例）。

通过检验后，求出非特征根并提取出主成分。如表5所示，其中4个因子的特征值大于1且累积贡献率达到89.39%，这说明这4个因子能够大致解释经济子系统中的所有信息。为此，选取这4个因子表示经济子系统的综合发展水平。

随后我们获取得到4个成分中各个变量的得分，根据各个成分的方差百分比得到最终的经济子系统发展水平。由4个成分的特征值（11.35，2.828，1.762，1.044）和4个成分的得分可以由式（1）得到经济子系统的综合得分公式：

f（B）=0.6683α1·XB+0.1665α2·XB+0.1037α3·XB+0.0615α4·XB（4）

式中，

α1=（0.0834，-0.338，0.709，0.887，0.337，0.66，0.956，0.885，0.881，0.906，0.738，0.824，0.769，0.737，0.53，0.942，0.858，0.82，0.69），

α1由经济子系统主成分1的系数构成，同理可以得到α2、α3和α4，分别由经济子系统的主成分2、主成分3和主成分4的系数构成；XB为经济子系统所有的指标变量。

由式（4）可以计算出各年份经济子系统的综合得分，结果如表6所示。

同理重复以上步骤可由能源子系统和环境子系统的得分表构建如下环境与能源综合得分公式：

f（A）=0.3296β1·XA+0.2671β2·XA+0.1121β3·XA+0.0875β4·XA+0.082β5·XA+0.0684β6·XA+0.0532β7·XA（5）

f（C）=0.4303γ1·XC+0.2752γ2·XC+0.1841γ3·XC+0.1104γ4·XC（6）

式中XA和XC分别为能源子系统和环境子系统中的所有指标变量，βi（i=1，2，…，7）对应能源子系统得分表中对应主成分i的系数，γi（i=1，2，3，4）对应环境子系统得分表中对应主成分i的系数。根据式（5）和式（6）分别计算出相应的综合得分，如表7所示。

能源综合得分于2010年首达正值，环境综合得分和经济综合得分均于2011年首变为正。为了更好的了解得分的变化情况，根据表6中的数据绘制出三个系统的得分走势图，如图2所示。

通过观察环境、经济、能源三部分综合发展得分的逐年变化，发现它们都整体呈上升趋势，且趋势较为明显。同时，得分增速排序为：经济综合得分>環境综合得分>能源综合得分。在研究的初始年份2003年，三项指标的排序为：能源>环境>经济。但研究的最后一年，即2019年，三项指标的排序为：经济>环境>能源。

为使数据的呈现结果更加直观，且相对来说经济综合得分的上升趋势更迅猛，故选择用地图形式分析2003年、2008年、2015年、2019年经济发展水平的时间变化情况（图3）。

图3    2003年、2008年、2015年、2019年经济得分时空演化

通过2003年经济得分时空演化图，显而易见沿海地区的经济得分相较于内陆城市高，特别是广东省、山东省、江苏省、浙江省、上海市这些东南且沿海区域。甘肃、云南、贵州、广西四块省域得分处于最末尾，中西部地区的经济发展较为落后。与2003年相比较，2008年存在部分省市的得分层级变化，表现在该区域的颜色变化上。经过五年的发展，经济得分升高到上一层级的区域有：内蒙古、广西、四川、宁夏、湖南等等。经济得分下降的区域有：青海、吉林、湖北、陕西等等。除未收集到数据的西藏、香港、澳门、台湾这些区域，可以认为其余区域的经济均在稳中向好的发展。综合全国范围内各区域的发展水平变化来看，在2003-2019年期间，东部的综合发展指数得分最高，西部的综合发展指数得分最低。其中东南部地区的经济发展水平较为平稳，东北部地区尤其是黑龙江省，经济得分呈下降趋势。西北部地区经济得分波动不大，大部分地区都稳中向好。中部地区作为连接枢纽，其综合发展指数得分也处于中间位置，其中部分地区的经济水平稍有下降，后有上升并恢复平稳，但整体呈上升趋势。

3.2    3E系统耦合协调度分析

能源经济环境系统是一个内部关系复杂交错的系统，要从多角度去深入分析其相互影响的因素，因此从省级层面测算了经济能源、经济环境、能源环境三个子系统的耦合协调度和能源经济环境系统综合的耦合协调度，以协调度为依据更深入地研究和掌握能源、经济、环境三个子系统的发展规律，以便在实践中采取科学决策，更好实现3E系统的协调发展。

3.2.1    3E系统耦合协调度变化的时间分析基于上述对综合发展指数的分析，根据3E系统耦合协调度模型式（2）和式（3）得到了全国范围内2003—2019年逐年3E系统内部及综合的耦合协调度，其结果如表8所示。

从表8中可以看出我国3E系统综合耦合协调度D整体在0.9上下波动，根据耦合协调度等级划分标准，D>0.8表明我国能源、经济、环境综合协调水平处于优质协调的状态，说明我国能源供需平衡，经济稳步发展，生态环境在可承受范围内得到了更好的改善，能源、经济与环境子系统之间能够很好地协调发展。

但是经济能源、经济环境和能源环境这三个二元子系统的耦合协调度DAB、DAC和DBC却在（0.6，0.7）这个区间变化，说明经济能源、经济环境和能源环境这三个子系统协调度水平处于中度协调的状态，且整体来看DAB>DBC>DAC，表明在能源和环境的可接受范围内，经济发展在国家政策的引导和扶持下，正在寻找新的增长点和突破口，在促进经济发展的同时注重节约能源和保护环境，因此能源、经济、环境子系统之间基本能够较和谐发展。

能源、经济、环境综合协调度高，但内部协调度低，说明系统内部具有耦合脆弱性。同时从时间变化来看，虽然综合协调度很高，波动较小，但是整体还是呈一个小幅下降的趋势，各子系统的协调度同

样存在小幅度下降，说明我国能源、经济与环境之间的发展目前虽然很好，但是不能掉以轻心，仍需花费时间精力保持我国能源、经济和环境的高质量协调发展，减少发展的脆弱性。

从另一个角度来看，能源、经济、环境三个子系统的综合得分在逐年升高的同时又保持了各协调度的稳定，说明我国政府在能源、经济和环境上的出台政策和管控力度很到位，有效引领经济新常态发展，推动全面深化改革，个人和企业也能够积极配合国家的各项行动，共同贯彻落实新发展理念，以保持能源、经济和环境的协调发展。

3.2.2    3E系统耦合协调度变化的空间分析与全国范围内的耦合协调性相比，各地区的耦合协调度差异较大，以福建省、江苏省、上海市、浙江省、青海省与新疆维吾尔自治区为例进行不同地区的耦合协调性分析。

由图4可以发现福建省、江苏省、上海市、浙江省地区3E系统的协调性在逐年大幅提高，而青海省与新疆维吾尔自治区的3E协调度发展缓慢，这说明3E协调度依赖高质量经济环境，经济发展能够驱动能源及环境发展，反之能源与经济的发展能够推动经济的高质量发展，进而推动3E系统的协调发展。

从经济环境二元耦合协调度来看，经济较发达区域的协调度在三个系统中最薄弱，这说明在经济发展的同时也不能忽略对环境的发展，不应该让环境成为经济发展中牺牲品，经济与环境的不协调发展会增加3E系统的脆弱性与敏感度，导致3E系统发展不稳定。经济较为落后的地区经济与环境的发展虽然较为稳定，但3E系统也发展落后，经济发展需要环境的支撑，环境的维系需要经济的牵引。

从经济与能源的协调性来看，各区域的协调度都维持在中等水平，能源是一个地区发展的基础保障，能源与经济的稳定协调能够降低3E系统发生脆弱性风险，因此保障能源与经济系统的耦合稳定性是至关重要的。

从环境与能源的协调性来看，各地区的发展水平差异不大，且较为稳定，能源的开采是影响环境的重要原因之一，能源的过量开采会导致地区环境系统循环被打破，增加3E系统耦合的系统性风险。

由此看来，环境与经济的协调发展是影响3E系统耦合协调度波动的最主要原因，在维系我国经济高质量可持续发展的同时，也需要加强环境与能源系统的建设，提高污染物处置回收能力、能源的利用率以及环境的保护。环境与能源是3E系统的生态，而经济是3E系统的引擎，三者缺一不可。

4    结论与政策建议

4.1    结论

先经过主成分分析，分别构建了经济、环境和能源的发展指数，然后再通过3E体系耦合建模，对我国各个省市的经济、环境和能源系统在2003-2019年的发展情况和耦合协调度进行描述，并且从时间、空间以及地理区域这三个角度进行了综合分析，通过以上研究，得到了如下结论：

1）我国3E系统综合耦合协调度D整体在0.9上下波动，说明我国能源、经济、环境综合协调水平处于优质协调的状态，能源、经济与环境子系统之间能够很好的协调发展。能源、经济与环境系统整体发展稳中求精，积极响应国家政策，从高速发展转向高质量发展。

2）从空间和地理分布上来看，我国整体的发展水平有明显的上升，每个地理区域之间的差异也在慢慢降低，但是地理区域的差异依旧存在，而且呈现东部地区＞中部地区＞西部地区。从发展指数上来看，东部地区的发展呈现平稳上升的趋势，而中部地区和西部地区上升的速度比较快，但同时其环境系统的指数比较低、波动大，说明其环境破坏比较严重，而东部地区的环境系数变化不大，波动比较小。

3）能源、经济、环境综合协调度高，但内部协调度低，说明系统内部具有耦合脆弱性。同时从时间变化来看，虽然综合协调度很高，波动较小，但是整体还是呈一个小幅下降的趋势，各子系统的协调度同样存在小幅度下降。在空间上，全国范围的区域耦合协调度表现为：东部地区＞中部地区＞西部地区。其中东部地区的耦合协调度在时间上变化不大，发展比较稳定，波动比较小；西部地区和中部地区的耦合协调度在时间上变化比较大，没有明显的增长趋势。

4.2    政策建议

1）提高经济发展的效率，降低对环境的破坏。从上述研究可以发现，我国经济从2003-2019年每年都有大幅度的提升，但是消耗过高，发展过程中带来的高污染对环境系统造成了很严重的破坏。所以，应该加大投资力度，改善工业上的技术，推进供给侧改革，将节能减排进行到底，从而改善我国整体的经济环境，大幅度减少环境系统对区域经济发展的危害。如：减少大气中二氧化碳的排放；提升对废水回收的利用率；将垃圾分类进行到底；加大对水资源的保护和利用；提高废弃物排放的标准，从根源上实现对土地的保护。

2）完善对环境保护的法律法规，加大对企业和个人的监管。第一步，要完善对应的环保政策，加大对企业和个人的监管，加强环保的治理过程。所以，必须要完善一些污染排放量比较大的企业减排的法律法规，让企业为自己的行为买单，为节能减排工作提供有力的法律保护。第二步，要加快对重污染地区的修复和治理，从而恢复当地的生态环境。加大对重污染地区环保资金的投入，改善已经被污染的地区，将经济区域和生态区域加以区分，加大对生态环境的恢复，同时应扩大对生态环境保护的宣传，加强人民群众生态保护的意识。第三步，应该意识到每个区域环境污染问题的复杂性，东部地区和西部地区存在很大的差异，不应该采用“一刀切”的方式，应做到具体问题具体分析，分清每个地区发展的主次矛盾，根据每个地区的具体情况制定相应的环保政策。

3）加大协调每个系统的内部关系，弥补每个区域的发展漏洞。应该认清每个区域的协调类型和短板，我国各省之间联系紧密，各区域的发展存在一定的关联性，所以在区域的协调发展进程中，各省不仅要注重经济系统、环境系统和能源系统自身的协调发展，还应当做到友好互邻，加大合作力度，做到共同协调发展。同时区域发展是一个长期而又复杂的过程，涉及到的利益群体众多，涉及到的范围也比较广，不仅关系到经济、环境和能源的协调统一，同时也受到自然因素、人口和城市发展的约束，所以协调发展的同时还应将自然因素、人口和城市发展的因素考虑在内，实现全方位的发展。

［参考文献］

［1］安贵鑫，姚帅.基于熵權模糊物元模型的山东省3E系统协调发展评价研究[J].河南科学，2015，33（12）：2211-2216.

[2]陈黎明，王颖，田建芳.中国省域能源经济环境系统协调性实证研究[J].财经理论与实践，2015，36（01）：105-110.

[3]罗福周，张诺楠.中国省际能源利用经济发展环境保护系统的时空耦合协调度分析[J].环境污染与防治，2020，42（07）：884-889.

[4]刘引鸽，王少雄.基于熵权P-S-R模型陕西省3E系统协调度综合评价[J].环境保护科学，2018，44（06）：42-49.

[5]王锋，傅利芳，秦豫徽.省域“能源经济环境”（3E）系统协调度的时空差异与趋势预测[J].山西财经大学学报，2016，38（06）：15-27.

[6]严雨男，刘玉邦.基于距离协调度和GM模型的四川3E系统耦合协调度评价研究[J].数学的实践与认识，2020，50（24）：241-250.

[7]杨志清.河南省能源、经济与环境（3E）系统绿色发展评价与分析[J].河南农业大学学报，2021，55（01）：180-190.

[8]赵迪. 节能减排政策对我国能源经济环境系统的影响效果[D].北京：华北电力大学，2017.

[9]赵涛，于晨霞，潘辉.低碳城市3E1S系统耦合协调度研究[J].统计与决策，2019，35（22）：131-135.

[10] KHAN A，MUHAMMAD F，CHENGGANG Y，et al. The impression of technological innovations and natural resources in energy-growth-environment nexus：A new look into BRICS economies[J]. Science of The Total Environment，2020，727：138265.

[11] URIBE-TORIL J，RUIZ-REAL J L，MILN-GARCA J，et al. Energy，economy，and environment：A worldwide research update [J].Energies，2019（12）：1120.

An Empirical Study on Coupling Coordination Degree of Provincial 3ESystem Based on Principal Component Analysis

XU Xiaoya， HU Chaozhu， LI Hanfang

（School of Science， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China）

Abstract：With the rapid development of big data in the information age， the massive data make statistical work face unprecedented challenges. Starting from the three macro levels of economy， energy and environment， this paper selects various indicators of 30 provinces and cities in my country from 2003 to 2019， and builds an "economy energy environment" coupling system （3E system） on the basis of principal component analysis. The spatial and temporal differences in the scores of each system are discussed， and the coupling coordination degree of the system is analyzed， aiming to simplify macroscopic high dimensional data and facilitate macroscopic research. The research results show that： our country's economic subsystem has improved year by year from 2003 to 2019， while the score of environmental subsystem is opposite to that of economic subsystem. The environmental score of economically developed areas is stagnant， or even has a downward trend year by year， and the development of energy subsystem in each region is stable. At the same time， the coupling coordination of the country's 3E system is at a high level of coordination. The coupling coordination between the economic subsystem and the environmental subsystem is the most important factor affecting the coordination of the 3E system. The economic subsystem acts as a medium between the environmental subsystem and the energy subsystem effect.

Keywords：3e system; regional development; principal component analysis

［責任编校： 闫品］