3E系統視角下能源結構合理度評價研究

曹 靜,賈 娜,李 根,范德成

(1.哈爾濱工程大學經濟管理學院,黑龍江哈爾濱150001;2.江蘇科技大學經濟管理學院,江蘇鎮江212003)

1 引 言

伴隨著工業化的發展,能源供需結構之間的矛盾愈發尖銳,能源結構優化的必要性凸顯.2016年,國內外油氣行業發展報告公布2015年我國石油對外依存度首次突破60%.當前國際政治經濟形勢錯綜復雜,中國經濟發展進入新常態,能源作為經濟發展的基礎與動力,其結構合理與否將直接影響到國家的經濟、環境系統的穩定性,因此能源結構優化一直以來都是我國戰略決策層長期重視的熱點.

目前,相關學者對能源結構合理度的內涵大都從廣義及狹義兩方面理解:狹義表現為能源結構使碳生產力提高的程度;廣義表現為提高3E(能源、經濟、環境)系統間的運行協調度,具體涵蓋各子系統內部協調以及系統間運行協調度.合理的能源結構是指不以犧牲經濟發展,減緩經濟增長作為代價來實現低碳目標.因此,在研究包含復雜、不確定性、多領域的能源范式下的結構合理度時應基于3E(能源、經濟、環境)系統的協調運行過程來分析能源結構與經濟、環境之間的相互作用與相互影響的內在關系,并以此作為能源結構合理度評價的基礎[1-3].

文獻[4]以能源經濟學理論為基礎,從環境、社會經濟與能源發展這三個維度對能源結構合理度進行實證分析,發現能源結構合理度呈持續波動狀態,還有文獻[5–8]就此三個維度中的一個或多個進行研究分析,探討能源消耗和廢氣排放的關系,從經濟與能源兩個維度切入,對比分析中國能源成本和能源技術發展的演化趨勢;文獻[9]就能源結構視角構建了一個包含3E三個子系統的綜合能源利用效率評價指標體系;文獻[10]利用一般均衡模型分析能源與環境問題,預測了我國經濟增長速度與碳排放強度和能源強度發展趨勢;文獻[11,12]用閾值非線性模型分析降低能源強度的因素,得出GDP與技術進步兩大因素對我國能源強度影響最大.

國外學者們對能源系統和經濟、環境系統做了許多理論和實證方面的研究,對能源結構合理度評價方法較少研究,多以評估能源間的可替代性為主要內容[13,14].文獻[15]的研究表明原油、原煤以及電力資源包括水電和火電可以互相替代,從而緩解能源短缺問題.文獻[16–18]同樣也得出了這樣的結論.文獻[19,,20]對能源之間的替代系數與替代彈性等等一些衡量變量估計的定量研究方法做了探討.就能源結構層面,文獻[21,22]主要建立了對于能源消費的研究框架,文獻[23]使用控制論思想進行能源結構分析,而文獻[24]則使用模擬的方法對能源消費結構進行模擬和組合.

通過文獻梳理發現,國內外學者對能源結構以及能源系統本身均進行了較為深入的研究,為本文研究提供了有益借鑒.能源結構合理度評價是評判能源結構優化結果的標準,評價體系以及評價方法的科學合理性是不容忽視的.但是,現有研究卻忽略了這個重點,對能源結構合理度評價較少研究,在指標選取、評價體系建立以及最終科學評價方面具有不精確性、廣泛性.就評價這個單一的環節而言,傳統的方法多是基于評價體系,分析影響因素之間的計量關系或是以權重與樣本數據乘積值來詮釋評價結果,單一的定量或定性的評價方法往往只能從某一層面分析評價結果,并不能系統、全面的統籌兼顧評價樣本的確定性與不確定性間相互影響,同時存在權值確定方法粗糙、分級模糊、評價結果粗糙的缺陷.

首先,為應對指標體系的不精確性,本文以3E系統視角為切入點,DPEIR模型為指標篩選基礎,構建了一個以能源結構合理度評價為目標層的多指標、全方位的綜合測度與評價指標體系.其次,由于3E系統表現出諸多不確定性與復雜性,而集對分析在處理不確定性問題層面已經取得了巨大的成就,本文提出將其應用于管理科學中關于能源結構合理度的評價領域.采用熵權–集對分析模型,從“同–異–反”三個維度量析樣本與標準間的聯系度并對樣本進行評價,將評價等級劃分為五個等級,該方法改變傳統主觀評價為數據驅動的較為精確的評價,具有較強的推廣價值.最后,對我國30年來能源結構合理度的變化趨勢進行實證研究,識別影響能源結構的關鍵因子,進而揭示能源結構在這個復雜大系統中如何最優化達到能源結構合理度的要求.

2 3 E系統能源結構作用機理

3E系統,是由能源、經濟和環境三個子系統并聯構成的一個有機大系統,其中能源系統是3E系統運行的動力支持,經濟系統為其他系統提供物資支持,環境系統是3E系統的空間支持,是環境中各種關系的整體,也是能源系統的載體.王柳葉等[1]認為3E系統理論是結合系統工程理論思想,全面深入的分析能源、經濟、環境系統間的關聯關系.3E系統結構分析見圖1.

圖1 3E系統能源結構關系框圖Fig.1 Relationship of energy structure in a 3E system

總的來說,環境保護、社會經濟和能源開發是個有機整體,社會經濟發展要以能源開發為基礎,但能源開發過程中不可避免要污染環境,只有經濟發展了才能為環境保護.因此,在實現3E各系統的和諧穩步發展時,不能孤立考慮單個系統的問題,應以能源系統為媒介,通過提高能源加工轉換效率,開發新能源,調整能源結構,兼顧環境系統承載能力,實現經濟環境的穩定協調發展.

本文將3E復雜系統協調運行機制詮釋為3E系統達到系統和諧穩步狀態時,三個子系統內部運行過程以及各子系統之間運行的過程.3E系統中,能源消費是經濟提升的動力和基礎,包含能源結構調整和技術開發;經濟穩步增長有助于能源飛速發展,若能源消費總量和經濟總量之比與能源消費提升速度和經濟增加速度之比呈區間穩態狀態,則“能源–經濟”系統的替代關系為能源與經濟增長間的關系.因此,若經濟形式出現短期高速增長,由于能源資源的限制,該狀態將不會持續,最終經濟發展將被嚴重抑制.能源大量開采同時會導致能源系統運轉失效,能源消費繼發性導致的大量污染物產生.如圖1所示,“能源–環境”系統之間的主要關系表現為能源系統加工轉換環境中的各類資源,能源工業活動產生污染物排放到環境系統中此兩點.能源從開發運輸到加工、轉換和利用的過程,均會對環境系統產生影響.掠奪式、粗放式能源開發更是會對環境造成不可逆破壞,尤其是戰爭對環境系統的巨大破壞力.環境系統對能源系統的逆效用表現在各系統的內資源狀態彼此影響,與此同時,能源結構的轉型,能源產業的運作,環境受到破壞的程度均會對能源開采產生不同等級的影響,因此,能源結構合理度研究的最優視角為3E大視角.

3 基于DPSIR模型的能源結構合理度測度指標體系

DPSIR模型即驅動力、壓力、狀態、影響和響應五維度模型,是基于PSR模型即(壓力–狀態–響應)模型的理論基礎上由經濟合作與發展組織(OEDC)于1993年提出,研究對象所處狀態引起變化對人類社會的影響[1,4].該模型將社會、經濟、環境與資源因素集合在一起,清晰再現了經濟社會發展以及人類生產活動對環境的影響,同時也體現了由于人類紛繁社會行為引起的環境狀態對社會、經濟的影響.因此,DPSIR模型涵蓋了3E系統的內容,本文即選擇該模型進行能源結構合理度的測度研究.

3.1 建立能源結構合理度指標體系

本文基于DPSIR模型,根據能源結構合理度的內在本質,構建能源結構合理度評價體系.范德成等[4]認為模型中的驅動力因素是導致能源結構發生變化的內在影響因子之一,包括我國經濟相關部門活動、消費趨勢以及經濟發展趨勢等,本文將制約3E系統穩定運行的約束視為正負評判標準.模型中“壓力”一詞指代因群眾日常生活給生態環境及社會資源造成的不可逆影響,導致能源結構不符合作為低碳經濟及3E系統穩定運行約束的條件,從而出現能源結構合理度失衡的現象.這種現象多來自于環境系統所要求的直接壓力,諸如能源使用效率低、二氧化硫排放量和碳排放量等因素,為防止出現由壓力影響因子顯示出的信息復現,本文從能源使用和環境污染兩方面來描述壓力因素.模型中狀態因素原本指代因壓力因素的影響所顯示的系統情況,多顯示為資源供給情況、資源消耗情況、環境污染程度及經濟發展水平四個方面,本文中該詞代表能源結構因壓力影響而顯示的系統情況.模型中影響因素指標源于狀態因素在3E系統下各系統改變情況,主要有能源系統、經濟系統及環境系統三種影響因素;響應因素則是由技術創新及政府響應兩個影響因素組成,本文的能源結構合理度測度指標篩選邏輯如圖2所示.

圖2 能源結構合理度測度指標篩選邏輯圖Fig.2 Screening logic of energy structure measure index

本文以DPSIR模型為基礎,根據圖2篩選出能源結構合理度測度初始指標見表1.

3.2 熵權法(Delphi method)確定指標權重

熵權法是一種根據實際的樣本數據值觀測指標的信息量大小的客觀賦權方法.熵權法作為客觀賦權法,一定程度上能避免主觀因素引起的誤差,熵權法是“差異”驅動,反映信息熵的最優效用價值,具有較高的再現性和可信度,本文將其應用于指標篩選.求指標權重的具體計算過程如下:

步驟1建立原始數據的決策矩陣,Xij表示對象集相對于指標集的原始樣本數據值,即第i個指標在第j年的實測值,其中i=1,2,...,m,j=1,2,...,n.則決策矩陣為

步驟2標準化決策矩陣:因屬性量綱間存在差異,導致無法建立屬性間的聯系.為了實現評價值間的度量統一,確定各屬性的重要程度,需要實現對評價值的預處理,將每個屬性變為無量綱.

效益型指標

成本型指標

適度型指標

其中I1、I2和I3分別對應表1中的指標方向為正、負、適度指標的集合,最后,本文采用標準0-1變換以實現矩陣Y的同趨化處理結果;

步驟3計算Yij在第i個指標項目下的比重值.設Yij在第i個指標下的比重為

步驟4計算指標i的熵

其中當ρij=1或ρij=0時,ρijln(ρij)=0,熵大小與反映信息量的大小成負相關;

步驟5θj←1-Ej,指標差異性大小與熵意義相反,因此本文計算熵權的數據作為指標間的差異系數;

步驟6設ωi表示指標i在指標體系中所占的權重

由于原始數據量綱差異化導致運算受阻,首先應標準化處理數據以消除量綱差異性的影響,本文采用歸一化方法對數據進行無量綱處理,具有魯棒性較好、縮放無關性與總量恒定性均較憂的特點,初始指標體系賦權結果見表1.

因此本文樣本數據中m=53,n=30,即53個指標在1985年～2014年,共計30年的統計值.根據熵權法確定的權重值對指標采取末位淘汰制,即將指標按照權重大小排列,舍去權重靠后的40%的指標,同時結合Delphi專家打分法.選取五位行業專家,在熵權法篩選指標的基礎上,規定指標評價范圍為[0,1],由五位專家對各指標情況進行評分,取評分誤差為30%.評分差額大于30%的情況,則由專家碰面頭腦風暴重新商定指標問題,討論后確定各自分數,直至評分差額小于30%,最后根據專家打分結果排序確定最終的指標體系并對各指標的權重作歸一化處理[1],構成集合W.約簡后的測度指標體系及其賦權結果見表2.

表1 能源結構合理度測度初始指標Table 1 Initial index of measure of energy structure

表2 指標權重表Table 2 Entropy weight of each index

4 基于集對分析法建立能源結構合理度評價模型

集對分析法,是趙克勤[25]于1989年提出的一種關于復雜系統“同–異–反”定量分析的系統分析方法.該方法可完整有效地刻畫“確定–不確定系統”的對立統一關系,符合自然辯證法和人類思維方式,具有方法論的意義,本文從定性、定量兩個角度分析分析不同指標的“同–異–反”程度,能夠較好的衡量樣本之間的聯系度.集對分析法分析步驟如下:

步驟1對一個不確定性問題,定義樣本屬性實測值構成集合A,屬性的分級標準值為集合B,則集合A與集合B構成集對H,集對H共包含N個特性,其中S個為共有,P個為對立,其余F=N-S-P為既不對立也不統一的,被稱為“比值”.

其中S/N表示同一度,記為a;F/N表示差異度,記為b;P/N表示對立度,記為c;i為差異度標記,j為對立度標記.l為用來劃分等級的限值數,當集合B的分級標準具有多等級即l＞3時,可根據系統不確定性將差異度bi規范化處理.

本文采取均值法用4個分界限值對聯系度的取值范圍劃分為5個等級即l=4.

步驟2sk為評價指標的門限值,指標評價等級劃分見下表3;

步驟3集合A的決策矩陣見式(1),針對不同指標存在指標值最優的趨向不同,分為正向型指標與負向型指標,通過對a,b,c的比較即可初步描述合理度的差異,不同等級的“同–異–反”隸屬度不同,評價指標值相對于能源結構合理度聯系度如下,x表示第j年的第i項評價指標的實測值.

正向型指標

負向型指標

表3 指標限值表Table 3 Table of limits of different indexes

步驟4綜合評價指標聯系度的表達式為

其中μj表示第j年的綜合評價指標聯系數,式中W表示指標權重矩陣即表2所示組合權重項,表示第j年各指標的值相對于標準集的“同–異–反”聯系度矩陣,v表示本文所取聯系度的不確定系數矩陣.

依據熵權法定義,計算不同年份樣本數據與標準集合間不同指標的“同–異–反”聯系度,篇幅限制本文列舉2010年各指標的聯系度如下.

朱兵等[26]認為不確定系數i的取值與序列之間的相關系數r,序列變差系數Cv以及標準系數 等因素有緊密關系,但不確定系數的取值不影響趨勢,這里將其賦值為0.5,即

5 實證研究

以我國能源結構合理度為評價對象,查閱“中國統計年鑒”、“中國環境統計年鑒”、“中國工業經濟年鑒”等文獻中1985年～2014年共計30年的相關數據.依據式(12)計算能源結構合理度綜合評價等級,本文列舉2000年～2014年各指標“同–異–反”綜合聯系度計算結果見下表5,最后對照表4對集對分析結果進行分級.

根據表5所得結果,作我國能源結構合理度發展趨勢圖見下圖3,圖中折線即為我國能源結構合理度發展趨勢線,其余四條直線表示能源結構合理度分級界限.

結合表5與圖3,可以得出以下結論:2000年以來,我國能源結構合理度趨于合理,尤以2008年至2014年,我國能源結構合理度均為合理,但距離非常合理級別還有一定上升空間.就這30年的評價樣本來看,20世紀前數據波動較大,20世紀后除2002年～2006年與2009年～2011年呈現“U型”趨勢,其他年份均呈現穩定上升狀態.自鄧小平同志1992年南巡講話后的五年里,我國改革開放與經濟發展速度顯著提升,改變了原本壟斷的能源供需市場,不斷發展的第三產業逐步興起,能源需求鏈的增長加速了能源結構的不合理走勢.2002年～2006年間,我國正處于工業化中期,這一階段我國經濟發展較快,對能源需求也較大,而當時社會的現實情況是經濟發展與環境保護之間的矛盾沖突日益明顯.2005年開始,政府開始重視能源結構問題,能源結構合理度呈現先降后升的趨勢.能源結構合理度很大程度上與能源價格、能源供需市場等政府的宏觀調控有關,在2009年之后,經濟系統對能源系統的反饋效用表現的愈發明顯.2009年～2014年,我國能源市場還存在經濟機制不穩定、不健全兼能源改革不徹底等問題,2009年歐債危機的爆發直接威脅我國經濟市場,國內經濟疲軟、石油價格一降再降,迅速涉及整個工業市場,能源結構合理度呈現下降趨勢.2012年能源各領域“十二五”規劃相繼面世,行業發展的基本思路初步成型,各項目的發展目標浮出水面,為能源行業未來發展定下了基調.2013年,一系列能源價格改革進入密集出臺聯動煤炭,石油和天然氣等傳統行業的發展;風電,光伏等新能源也在不斷地發展.我國能源結構合理度總體呈穩定提升趨勢,并且我國近兩年能源結構優化的努力已經初見成效,說明近年來我國不斷出臺的能源結構優化相關政策是有效的,我國應繼續加強能源結構優化力度.

圖3 我國能源結構合理度趨勢圖Fig.3 Trend chart of the sanity degree of energy structure in China

表5 1985年～2014年各指標“同–異–反”綜合聯系度Table 5 Each index with identical discrepancy contrary connection degree from 1985 to 2014

表5 (續)Table 5(Continue)

由于不同指標權重大小可以反映該指標在指標體系中的重要程度,就評價體系分析我國能源結構優化方向,認為從驅動力角度考慮,政府應以提高D3(固定資產投資額)與D9(人均GDP)指標為抓手,加大投資力度,繼續發展經濟,使我國經濟保持平穩上升的增長趨勢;壓力層面應以P7(工業廢氣排放總量)為著眼點,盡可能控制并降低工業廢氣排放量,減少對環境的壓力,從而降低環境系統對我國經濟、能源系統的負反饋作用;狀態層面應主要解決S5(能源價格)、S6(人均碳排放量)、S7(工業廢水排放量)及S8(森林覆蓋率)等問題,將能源價格控制在穩定水平,提高森林覆蓋率面積,降低工業廢水排放,踐行低碳經濟;從影響因素得分角度應主要從提高I3(就業率)和I4(進出口貿易總額)著手,實現對響應因素的正向反饋;響應因素層面主要從提高R8(工業治污投資額)、R9(工業廢水排放達標率)和R11(自然保護區面積占比)這三個指標為方向提高對環境的重視程度.綜上所述,可以得出,在我國經濟發展處于有意放緩速度的當下,我國應繼續實施低碳經濟以及環境保護政策以實現我國能源結構合理度趨勢的正向移動,同時大力發展光伏、太陽能和風能等可再生清潔能源,實現能源結構的優化.

6 結束語

本文以能源結構為研究對象,在3E系統的基礎上結合能源結構合理度內涵,詮釋3E系統協調運行過程,分析能源結構合理度測度的影響因素,引入DPSIR模型,分別從5個維度分析3E系統協調運行過程中的各因影響因子,研究支撐能源結構合理度評價指標體系的理論依據和內涵.同時采用“熵權–DELPHI”法對初始評價指標進行篩選并賦值,定性與定量方法結合,科學的實現精簡數據的同時降低數據冗余度,改善傳統能源結構合理度樣本權重乘積判斷各指標趨勢的評價方法,以集對分析聯系度作為評價標準,引入集對分析評價模型能源結構合理度進行評價,實證分析我國1985年～2014年的數據,引入集對分析理論對這30年能源結構合理度進行了評價與分析,為未來能源結構優化效果評價提供理論依據.