基于系統(tǒng)動力學(xué)的道路運輸能源需求預(yù)測
——以遼寧省為例

唐麗敏， 王藝澄， 王 盼

(大連海事大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

在現(xiàn)代社會發(fā)展過程中，能源對于國家經(jīng)濟甚至安全起到了非常重要的作用。交通運輸業(yè)單位產(chǎn)值能源消耗量已成為各行業(yè)最高，伴隨著能源消耗量的持續(xù)增加，國家能源安全受到威脅，環(huán)境污染也逐漸加劇。其中，道路運輸作為能耗占比最大的交通運輸方式[1]，對其能耗影響因素進(jìn)行深入研究，預(yù)測其能源需求，探究其節(jié)能減排措施，對于推進(jìn)節(jié)能減排工作意義重大。

以往圍繞交通運輸業(yè)能源消耗展開的研究較多，且大都集中于能源需求影響因素分析和能源消耗預(yù)測。W. G. ZONG[2]通過回歸分析和建立多個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對韓國的交通運輸能源需求進(jìn)行了預(yù)測。M. FOROUZANFAR等[3]先利用遺傳算法得到自變量的預(yù)測值，繼而基于預(yù)測值用遺傳算法進(jìn)行計算，最后得出伊朗交通運輸能源消耗量。T. PUKEC等[4]采用自下而上模型，對克羅地亞的交通運輸業(yè)能耗進(jìn)行了預(yù)測。而深入研究道路運輸能源需求的文章則較少，且一般是定性分析節(jié)能減排措施，缺乏數(shù)據(jù)和定量分析。OU Xunmin等[5]對中國道路運輸能耗進(jìn)行了全生命周期情景分析，發(fā)現(xiàn)新能源和替代性能源的新型汽車將可能帶來能源消耗的減少。王瑞軍等[6]利用完全分解模型分析了運輸結(jié)構(gòu)、能耗強度和貨物周轉(zhuǎn)量3個因素對貨物運輸能耗的影響，發(fā)現(xiàn)貨物運輸量的增長是能耗增長的主要原因。姜軍等[7]梳理了道路運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了節(jié)能減排的系統(tǒng)化措施。

道路運輸能源消耗系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，與GDP、人口及政策規(guī)劃等關(guān)系緊密，受眾多因素影響。系統(tǒng)動力學(xué)則側(cè)重于研究系統(tǒng)內(nèi)作用規(guī)律和動態(tài)反饋機制，適用于處理道路運輸能源消耗量預(yù)測這種非線性和多重反饋問題，并能進(jìn)行情景模擬分析。因此，筆者以遼寧省為例，深入分析其道路運輸與經(jīng)濟、人口及能源系統(tǒng)之間相互影響與制約，最終建立道路運輸能源需求的系統(tǒng)動力學(xué)模型，并通過預(yù)測和模擬，為相關(guān)決策及節(jié)能減排工作提供理論依據(jù)及參考。

1 遼寧省道路運輸能源需求系統(tǒng)分析

1.1 道路運輸與經(jīng)濟關(guān)系分析

筆者選取客運周轉(zhuǎn)量(PT)和貨運周轉(zhuǎn)量(FT)代表道路運輸子系統(tǒng)同國民生產(chǎn)總值GDP進(jìn)行Granger因果關(guān)系檢驗，結(jié)果如表1。

表1 PT/FT與GDP的Granger因果關(guān)系檢驗結(jié)果Table 1 Granger causality test results between PT/FT and GDP

由表1可見，在5%置信水平條件下，道路運輸客貨運周轉(zhuǎn)量同為GDP的Granger原因，且客運周轉(zhuǎn)量對GDP影響大于貨運周轉(zhuǎn)量。

另外，國民生產(chǎn)總值GDP可細(xì)劃為第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值和第三產(chǎn)業(yè)增加值。其中，第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是推動貨物運輸需求增長的主要原因，因此筆者將考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對道路運輸?shù)挠绊憽?/p>

1.2 道路運輸與人口關(guān)系分析

由于人口增長率相對于GDP增長率較小，不易觀察，我們采用人均GDP增長率來代替人口增長率，同GDP增長率進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1。

圖1 遼寧省GDP與人均GDP增長率變化趨勢Fig. 1 The growth rate trend of GDP and per capita GDP in Liaoning

圖1中可明顯看出，人均GDP增長率同GDP增長率變化趨勢基本一致，結(jié)合道路運輸和GDP的密切關(guān)系，可間接說明人口對整個系統(tǒng)亦產(chǎn)生影響。具體而言，人口變化一方面影響私家車需求，另一方面作用于營運客車客源，從而影響道路運輸周轉(zhuǎn)量及能源需求。

1.3 道路運輸與能源關(guān)系分析

道路運輸是能源消耗量最大的交通方式，且汽油和柴油是主要的燃料類型，天然氣和電力消耗較少。近年來，遼寧省各類燃料的消費量如圖2。

圖2 遼寧省道路運輸能源消費量Fig. 2 Energy consumption of road transportation in Liaoning

1.4 因果關(guān)系分析

綜上得出遼寧省道路運輸能源需求的因果關(guān)系，如圖3。

圖3 遼寧省道路運輸能源需求因果關(guān)系Fig. 3 Causality of energy demand for road transportation in Liaoning

圖3中，3條反饋回路較為重要：

1)GDP→+道路運輸貨運周轉(zhuǎn)量→+道路運輸周轉(zhuǎn)量→+交通運輸產(chǎn)業(yè)增加值→+交通運輸業(yè)總能耗→+社會總能耗→+產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整→+第三產(chǎn)業(yè)增加值→+GDP。

2)GDP→+居民消費水平→+私家車擁有量→+道路運輸客運周轉(zhuǎn)量→+道路運輸周轉(zhuǎn)量→+交通運輸業(yè)產(chǎn)業(yè)增加值→+交通運輸業(yè)總能耗→+社會總能耗→+產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整→+第三產(chǎn)業(yè)增加值→+GDP 。

3)GDP→+人均GDP→+道路運輸客運周轉(zhuǎn)量→+道路運輸周轉(zhuǎn)量→+交通運輸業(yè)產(chǎn)業(yè)增加值→+GDP 。

2 遼寧省道路運輸能源需求系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 模型假設(shè)

由于影響道路運輸能源需求的因素眾多，在選擇影響因素建模時，基于以下假設(shè)：

1)僅考慮經(jīng)濟、人口、道路運輸與能源需求的關(guān)系，不涉及其他外界因素。

2)模型因素不會發(fā)生突變，不考慮自然災(zāi)害等不可抗事件的影響。

3)僅考慮對模型影響較大的因素，保有量較小的車種(如拖拉機、校車、掛車等)不考慮。

4)單位周轉(zhuǎn)量能源消耗量走勢保持一致，燃油的品種、質(zhì)量及密度不發(fā)生變化。

5)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能源消耗和耗材損耗不作考慮，僅考慮移動運輸源的能源需求。

2.2 遼寧省道路運輸能源需求系統(tǒng)SD流圖

基于上述假設(shè)，結(jié)合對系統(tǒng)因果關(guān)系的分析，利用Venism軟件，構(gòu)建SD(系統(tǒng)動力學(xué))流圖，如圖4。

圖4 遼寧省道路運輸能源需求SD模型Fig. 4 SD model of energy demand for road transportation in Liaoning

2.3 模型參數(shù)及表達(dá)式說明

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和回歸分析等方法，建立參數(shù)間的關(guān)系式。原始數(shù)據(jù)源自《中國能源統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》和《遼寧省統(tǒng)計年鑒》，還有遼寧省交通廳運輸管理局、遼寧統(tǒng)計數(shù)據(jù)網(wǎng)、遼寧省統(tǒng)計局等相關(guān)網(wǎng)站及部門。模型主要參數(shù)能源需求量表達(dá)式如式(1)，其他參數(shù)及表達(dá)式如表2：

(1)

式中：E為道路運輸能源需求量；Vk為各類運營方式車輛的周轉(zhuǎn)量；Rk為各類運營方式車輛的單位周轉(zhuǎn)量能源消耗量，包括客運營運類、貨運營運類和貨運非營運類；Nk為各類車輛的保有量，包括摩托車和私家車；ek為消耗各類燃料的車輛的每百公里能源消耗量；Mk為各類車輛的年平均行駛里程。

表2 主要參數(shù)及表達(dá)式Table 2 Main parameters and their expressions

2.4 模型檢驗

筆者主要檢驗?zāi)Ｐ托袨槭欠衽c實際系統(tǒng)一致，該檢驗強調(diào)模型能夠重現(xiàn)實際系統(tǒng)行為，與歷史數(shù)據(jù)的相對誤差處于合理范圍內(nèi)[8]。筆者選取“客運周轉(zhuǎn)量”、“貨運周轉(zhuǎn)量”和“能源消耗量”進(jìn)行一致性檢驗，結(jié)果如表3。由表3可見，客貨運周轉(zhuǎn)量與能源消耗量的真實值與模型模擬值間的相對誤差基本不超過10%，說明模型能夠反映真實系統(tǒng)行為，其輸出結(jié)果具有一定可靠性。

表3 客運周轉(zhuǎn)量、貨運周轉(zhuǎn)量和能源消耗量誤差檢驗結(jié)果Table 3 Error inspection results of passenger, freight turnover and energy consumption

3 預(yù)測與情景模擬

3.1 客貨運周轉(zhuǎn)量預(yù)測

利用所建模型對“十三五”期間客貨周轉(zhuǎn)量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如表4。

表4 客貨運周轉(zhuǎn)量預(yù)測結(jié)果Table 4 Forecasting results of freight and passenger turnover

由表4可見，2020年遼寧省客運周轉(zhuǎn)量可達(dá)1 384.29億人公里，貨運周轉(zhuǎn)量可達(dá)13 329.46億噸公里。與《遼寧省交通運輸建設(shè)“十三五”規(guī)劃》預(yù)期目標(biāo)相比，貨物周轉(zhuǎn)量年均增長率為2.38%，可達(dá)到2.3%的目標(biāo)，而客運周轉(zhuǎn)量年均增長率為4.2%，難以達(dá)到5.5%的目標(biāo)。

3.2 能源需求量和二氧化碳排放量預(yù)測

筆者對“十三五”期間，遼寧省道路客運及貨運能源需求量以及二氧化碳總排放量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖5。由圖5可見，“十三五”期間，遼寧省道路運輸能源需求量逐年增加，二氧化碳排放量也逐年增加，且總體增長趨勢呈現(xiàn)緩慢增加到快速增加再到較快增加的形態(tài)。

圖5 能源需求量和二氧化碳排放量預(yù)測結(jié)果Fig. 5 Forecasting results of energy demand and carbon dioxideemission

3.3 社會經(jīng)濟發(fā)展模擬分析

據(jù)《遼寧省國民經(jīng)濟社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》預(yù)期，2020年遼寧省GDP將比2010年翻一番，經(jīng)計算實現(xiàn)該目標(biāo)意味著GDP年均增長率為5.18%，現(xiàn)模擬實現(xiàn)該目標(biāo)情況下道路運輸能源需求量，結(jié)果如圖6。

圖6 GDP變化對道路運輸能耗的影響Fig. 6 The influence of GDP change on road transportation energy consumption

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將影響貨物運輸需求，進(jìn)而影響道路運輸能源消耗量。“十三五”期間，遼寧省的第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)比重調(diào)整預(yù)期目標(biāo)為：由當(dāng)前8.0∶50.2∶41.8調(diào)整為7.0∶46.0∶47.0，即逐步提高服務(wù)業(yè)比重，實現(xiàn)第三產(chǎn)業(yè)增加值趕超第二產(chǎn)業(yè)，成為促進(jìn)遼寧省經(jīng)濟增長的首要產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)分別模擬2020年第三產(chǎn)業(yè)比重增加5%和10%，觀察能源需求量的變化，如圖7。

圖7 第三產(chǎn)業(yè)比重變化對道路運輸能耗的影響Fig. 7 The influence of the change of tertiary industry proportion on road transportation energy consumption

由圖7可見，經(jīng)濟發(fā)展會引起能源需求量的增加，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整可一定程度上改變這種狀況。若第三產(chǎn)業(yè)占比提高5%，則能源需求量隨之下降1.1%，若第三產(chǎn)業(yè)占比提高10%，則能源需求量隨之下降2.7%，且第三產(chǎn)業(yè)占比越高，能源需求量降低速度越快。但根據(jù)相關(guān)規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的具體情況，第三產(chǎn)業(yè)比重增加5%是較為現(xiàn)實的。

3.4 單位運輸周轉(zhuǎn)量能耗模擬分析

根據(jù)《遼寧省綠色交通運輸發(fā)展專項規(guī)劃(2015—2020年)》要求，遼寧省營運車輛單位周轉(zhuǎn)量能源消耗量2020年將比2010年降低11.9%，其中營運客車、營運貨車分別降低7.3%和14.3%。筆者據(jù)此進(jìn)行模擬，當(dāng)營運貨車單位周轉(zhuǎn)量能源消耗量降低14.3%時，能源需求量結(jié)果如圖8。

圖8 單位周轉(zhuǎn)量能耗變化對道路運輸能耗的影響Fig. 8 The influence of unit turnover energy consumption change on road transportation energy consumption

由圖8可見，若營運貨車單位周轉(zhuǎn)量能源消耗量降低14.3%，那么道路運輸能源需求量將隨之下降2.2%，效果較為明顯。

4 結(jié) 語

筆者以遼寧省為例，構(gòu)建了道路運輸能源需求系統(tǒng)動力學(xué)模型，并對“十三五”期間遼寧省客貨運周轉(zhuǎn)量、能源需求量及二氧化碳排放量進(jìn)行了預(yù)測，同時從“增加第三產(chǎn)業(yè)比重”和“降低單位運輸周轉(zhuǎn)量能耗”兩方面進(jìn)行了模擬分析，得到以下結(jié)論：

1)“十三五”期間，遼寧省能源需求量及二氧化碳排放量將逐年增加。

2)降低單位運輸周轉(zhuǎn)量能耗和增加第三產(chǎn)業(yè)比重可有效減少能源需求量。

基于上述研究，對遼寧省道路運輸節(jié)能減排提出以下建議：

1)遼寧省應(yīng)抓住新一輪東北老工業(yè)基地振興的契機，結(jié)合自身實際情況，降低第一產(chǎn)業(yè)比重，優(yōu)化第二產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2)加大科研力度，增加資金和技術(shù)投入，鼓勵企業(yè)和高等院校深入研究挖掘綠色交通方式的核心技術(shù)與先進(jìn)產(chǎn)品。

3)鼓勵淘汰能耗高、效率低的車輛，將營運車輛消耗燃料限制落到實處，并且嚴(yán)格規(guī)范和遵守機動車排放標(biāo)準(zhǔn)。