翟清云 慶亞敏 王默玉
摘要
能源是人民生產(chǎn)生活的物質基礎,是發(fā)展社會經(jīng)濟的重要保證,也是推動我國社會持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展的源動力。隨著能源環(huán)境約束的進一步強化,能源壓力空前增大,能源需求不斷變化,城市發(fā)展導致的能源供需矛盾也愈加突出,因此更需不斷重塑能源安全理念。本文通過層次分析法構建區(qū)域能源安全綜合評價,基于指數(shù)平滑法對京津冀地區(qū)的能源安全進行預測,同時,運用黃金分割法不斷縮小平滑指數(shù)區(qū)間,最終選取出最合適的平滑指數(shù),提高預測的精度和準確性。
【關鍵詞】層次分析法 指數(shù)平滑法 黃金分割法 能源綜合安全
1 引言
20世紀90年代后,我國經(jīng)濟一直呈現(xiàn)中高速發(fā)展狀態(tài),能源需求不斷增大,能源安全問題逐漸顯現(xiàn),而能源問題與經(jīng)濟、環(huán)境問題緊密相關,由于能源安全問題的不斷突出,導致經(jīng)濟安全、環(huán)境污染問題的加劇。近年來,隨著能源危機的不斷加深,在國家政策的指引下,我國經(jīng)濟增速逐漸放緩,積極調(diào)整以化石能源為主的能源結構,發(fā)展新能源新技術,推動科學技術進步,努力實現(xiàn)社會的穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。京津冀區(qū)域作為我國的政治、經(jīng)濟、文化中心,擁有我國最密集的人口,政府將京津冀一體化協(xié)同發(fā)展作為一個重大的國家戰(zhàn)略,實現(xiàn)優(yōu)勢互補、互利共贏。目前我國京津冀區(qū)域能源安全總體情況偏弱,該區(qū)域能源匱乏,主要能源過度依賴外部運輸,同時由于地理人口條件的限制,能源風險應對能力不足,制約其經(jīng)濟、環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展。以往的能源安全研究主要集中在供應側安全方面,重點研究供應的可靠性、供應的可負擔性以及能源供應風險的應對等問題,而忽略了能源結構、能源環(huán)境和能源經(jīng)濟方面的綜合能源安全研究。隨著近年來,環(huán)境友好型社會與低碳經(jīng)濟的提倡,對能源安全發(fā)展提出新的挑戰(zhàn)。研究能源發(fā)展現(xiàn)狀,預測中短期的能源安全程度,對于實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
運用算法對能源安全程度進行預測分析,是制定和實施能源戰(zhàn)略和保障能源發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。由于預測的范圍、時間、對象性質等的不同,預測方法也多種多樣,依據(jù)預測方法的特點可以將將預測方法分為三類,包括:定性預測法、時間序列分析和因果關系預測。本文選取時間序列中的指數(shù)平滑法對京津冀區(qū)域能源綜合安全進行預測,該算法是在移動平均法基礎上發(fā)展起來的一種時間序列分析預測法,它是通過計算指數(shù)平滑值,配合一定的時間序列預測模型對現(xiàn)象進行預測。
2 研究方法
2.1 層次分析法
層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)是一種定性和定量相結合的分析方法,它將復雜的決策系統(tǒng)層次化,通過逐層比較各種關聯(lián)因素的組建模型,為分析和決策提供定量依據(jù),具有系統(tǒng)、靈活和簡潔的優(yōu)點,廣泛應用于政治、經(jīng)濟、社會等各個領域。層次分析法的主要計算步驟為:
2.1.1 構造層次結構模型
對能源系統(tǒng)進行調(diào)查研究,將目標準則體系所包含的因素劃分為不同層次,構建層次結構模型。用不同形式的框圖標明層次的遞階結構和元素的從屬關系,抓住關鍵因素,每一層元素不宜過多。
2.1.2 構造判斷矩陣
按照層次結構,從上到下構造判斷矩陣,本節(jié)采用1~9標度方法構造兩兩判斷矩陣。
2.1.3 層次單排序及其一致性檢驗
求解判斷矩陣最大特征值所對應的特征向量。對層次單排序進行一致性檢驗,修正不合格的判斷矩陣。
2.1.4 層次總排序及其一致性檢驗
層次總排序是從上到下逐層進行的。設相鄰兩層次中,層次A包含m個元素A1、A2、…、Am,層次B包含n個元素B1、B2、…、Bn。上一層元素A總排序權重分別為Wj,下一層次元素B關于上一層次元素A的層次單排序權重向量為(p1j,pwj,…,pnj)T,層次B的總排序權重值為:
2.2 指數(shù)平滑法
指數(shù)平滑法是一種基于時間序列的預測分析方法,結合了全期平均法和移動平均法的優(yōu)點,通常用于中短期生產(chǎn)趨勢的預測?;跁r間序列的數(shù)據(jù)往往可以提取相似的特征與規(guī)則,而指數(shù)平滑法認為最近的數(shù)據(jù)態(tài)勢可以延續(xù)到最近的未來,因此對過去的數(shù)據(jù)給予逐漸減弱的影響程度,即隨著數(shù)據(jù)距現(xiàn)在的時間長度的增加,賦予的權數(shù)逐漸收斂。而二次指數(shù)平滑法是對指數(shù)平滑值再次計算的方法,其適應性強、結果準確,同時對于非平穩(wěn)時間序列的預測也十分有用,不僅考慮了時間序列上的線性增長因素,也考慮了二次拋物線的增長因素。二次指數(shù)平滑法的計算步驟可以分為以下四個步驟:
(1)計算t時期的單指數(shù)平滑值St(1),雙指數(shù)平滑值St(2)、三重指數(shù)平滑值St(3)
(2)計算t時期的水平At、線性增量Bt及拋物線增量Ct
(3)預測m時期以后,即(t+m)時期的數(shù)值Ft+m數(shù)且m31
(4)二次曲線指數(shù)平滑法的初始值依賴于兩個時期的觀測值x1和x2。已知x1和x2,假設:S1(1)=S1(2)=S1(3)=x1那么:
其中,α為平滑常數(shù),1吵α0。
從表1可以看出,α取值不同,隨著指數(shù)的增加,權數(shù)也不斷的變化。當α接近1時,這一情況較為明顯,此時,預測值包括對前一期預測誤差的全部修正值;當α接近0時,新的預測值只包括很小的一部分修正值。一般來說,平滑常數(shù)α取的比較大時,預測值Ft+1能夠比較快地反映出時間序列實際的變化情況;當平滑常數(shù)α取的比較小時,預測值Ft+1對時間序列的變化反映比較慢,但比較平穩(wěn)。
因此,平滑常數(shù)采用最小均方差的原則進行選取,先選取一組恰當?shù)摩林?,分別計算其均方差,從中找出使均方差最小的α值,此時的平滑常數(shù)為最佳。
2.3 黃金分割法
在選取α值的時候,存在一定的人為因素,導致α在選取的時候具有不確定性,所以為了達到預測的準確與精度,在本章節(jié)中采用一種新的α選取方法一黃金分割法,通過實例證明,該方法在一定程度上提高了預測的精度與準確性。黃金分割平滑指數(shù)選取步驟如下:
(1)選取[0,1]區(qū)間上的黃金分割點作為平滑常數(shù),即α1=0.618及α2=0.382,將這兩個平滑常數(shù)分別帶入二次曲線平滑法中,進行預測,分別計算不同平滑常數(shù)下所對應的均差S,和S2。若是S12,說明α1比α2更優(yōu)的平滑常數(shù),故較優(yōu)的平滑常數(shù)應處于[0.382,1]上。
(2)選取[0.382,1]上的黃金分割點作為平滑常數(shù),即取α1=0.618及α3-0.764。按照步驟1中可計算對應α3=0.764的標準誤差S3,若是S31,故較優(yōu)的平滑常數(shù)應處于[0.682,1]上。
(3)重復上述步驟,可得出較優(yōu)的平滑常數(shù)所在的區(qū)間。
(4)當某一區(qū)間上的平滑常數(shù)對應的標準誤差變化非常小的時候,可以認為此時的平滑常數(shù)較為精確了,或者兩者的標準誤差是相等的。此時該區(qū)間的中點作為較優(yōu)的平滑常數(shù)。
3 實證分析
3.1 京津冀區(qū)域能源綜合安全預測
根據(jù)層次分析方法建立能源綜合安全評價A指標體系,如圖1所示,根據(jù)層次總排序的原則,得出各層次的得分計算公式:
能源供應安全計算公式:
B1=0.586?C1 0.414?C2
能源結構評價計算公式:
B2=0.141,D1 0.141,D2 0.263,D3 0.455,D4
能源環(huán)境安全計算公式:
B3=0.6,E1 0.2?E2 0.2?E3
能源經(jīng)濟安全計算公式:
E4=0.3094?F1 0.1335,F(xiàn)2 0.5030,F(xiàn)3 0.0586?F4
城市能源安全計算公式:
A=0.424?B1 0.122?B2 0.227,B3 0.227?B4
以北京市為例,計算出其在2009年到2015年的能源綜合安全得分,如表2所示。
通過黃金分割法計算得到,當平滑常數(shù)取值為α5=0.326時,其對應的S52=0.8247,當平滑常數(shù)取值為α6=0.292所對應的S62=0.8201.可以看出,α5和α6計算的平方差精確到小數(shù)點三位,此時可以認為這兩個平滑常數(shù)已經(jīng)相互接近,其誤差可以忽略不計。所以最終的平滑常數(shù)取α5與α6的中間值作為最優(yōu)的平滑常數(shù),該最優(yōu)平滑常數(shù)為α=(α5+α6)/2。
將選取的最優(yōu)平滑系數(shù)帶入到二次指數(shù)平滑法的公式中進行計算,預測出2016年到2020年的北京能源安全綜合得分,同理可以計算出天津、河北以及京津冀地區(qū)的能源安全綜合得分,如表3所示。
3.2 結果分析
京津冀區(qū)域能源綜合安全預測得分趨勢發(fā)展如圖2所示。在對于能源綜合安全的預測分析中,通常將能源綜合安全進行等級劃分。設能源安全的總得分為4分,則整個能源安全得分的區(qū)間在[0,4]上。由此設立相對應的評價等級如表4所示。
可以看出,在2016年到2020年北京、天津、河北以及京津冀地區(qū)能源綜合安全的整體趨勢發(fā)展是上升的。其中北京的能源安全上升趨勢比較大,其次天津、河北地區(qū)的能源安全增長趨勢比較緩慢。京津冀地區(qū)的能源安全得分整體趨勢先下降后增長,但是整體的能源安全得分沒有太大的變化,在預測的這5年中,整體的能源安全得分沒有太大漲幅。通過對比四條曲線可以得出能源安全的綜合排名,天津能源綜合安全得分>北京能源綜合安全得分>京津冀能源綜合安全得分>河北能源綜合安全得分。
4 結論
從以上對京津冀地區(qū)能源綜合安全分析預測中,可以得出,京津冀地區(qū)的整體能源安全發(fā)展處于“一般”等級,整體水平不高,需要進行調(diào)整,使得整個京津冀地區(qū)能源安全得到提升。從能源綜合安全的角度來看,河北是導致京津冀地區(qū)能源安全得分較低一個因素。綜合北京、天津以及河北地區(qū)在能源安全各個因素所存在的問題,可以提出相應的對策和建議,來提高京津冀整體的能源安全水平。
4.1 傳統(tǒng)用能企業(yè)轉型,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構
現(xiàn)如今,煤炭、石油的消費比重在京津冀地區(qū)占有很高的比重,給能源及環(huán)境都帶來了巨大壓力。傳統(tǒng)用能企業(yè)轉型,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構,一方面可以降低化石能源的使用,增加清潔能源的使用;另一方面可以促進新的能源技術的發(fā)展,提高能源利用率。尤其是以河北這種工業(yè)大省為代表,三個地區(qū)之間加強合作,整合能源企業(yè),健全產(chǎn)業(yè)鏈,加大技術創(chuàng)新投入,增強區(qū)域能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新能力。
4.2 提高新能源開發(fā)利用率,優(yōu)化能源結構
近年來我國加大了新能源的研發(fā)和利用,尤其是以風能、水能等可再生能源為主,投入大量的資金與人力突破新的技術瓶頸。鼓勵建設能源互聯(lián)網(wǎng),充分利用各種能源形式轉化為電能,加快能源的流轉速度,實現(xiàn)清潔替代、電能替代,完成新一輪能源建設的迭代發(fā)展。
4.3 優(yōu)化京津冀地區(qū)政府合作機制,協(xié)調(diào)各個地區(qū)的發(fā)展
京津冀地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展極不平衡,平衡三個地區(qū)的能源發(fā)展,需要各地區(qū)的政府相互協(xié)調(diào),對能源建設做出統(tǒng)一的規(guī)定,并監(jiān)督實施,保證能源產(chǎn)業(yè)鏈條的完整,消除三個地區(qū)能源發(fā)展的壁壘,提高整個京津冀地區(qū)能源綜合安全。
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