文摘

3 es (economy-energy-environment)系统的和谐发展是实现区域可持续发展的关键。3 es系统的结构和成分进行了分析。基于因果关系图的分析,选择GDP和产业结构经济子系统的目标参数,选择能源消耗强度作为能源子系统的目标参数,和COD的排放,氨氮,所以₂,和有限公司₂排放强度作为目标参数选择的环境系统。固定资产投资的三个行业,能源消费总量和投资选择在环境污染控制决策变量。3 es系统优化的参数作为模糊数,模糊机会约束目标规划(FCCGP)模型和一种混合智能算法包括模糊模拟和遗传算法求解。中国山东实证分析的结果表明,FCCGP模型能反映3 es系统的内在关系和演化规律,并提供有效的决策支持3 es系统优化。

1。介绍

如何平衡经济发展、能源安全、实现可持续发展和环境保护是21世纪面临的最大挑战之一。称为3 es (economy-energy-environment)问题,他们经常需要同时考虑经济发展的速度和质量,能源消耗,污染物和温室气体排放(温室气体)排放。因此,必须优化3 es系统为了实现协调发展。协调不仅是基本保证能源安全和可持续发展的经济,但也减少环境污染的有效途径。

有一些研究3 es系统的优化,并提出了优化模型。根据建模方法,3 es模型可分为三类,即自上而下模式、自下而上模型和混合模型(1]。CGE模型(可计算的一般均衡)是一个代表自上而下的模式,将经济模式为核心技术,关注能源价格之间的相互作用,经济弹性,能源消耗,能源生产(2- - - - - -4]。马卡尔(市场配置模型),EFOM(能量流优化模型),和跳跃(远程替代性能源规划模型)被广泛使用自底向上的模型,并应用优化和仿真预测和优化3 es的元素。最具代表性的混合模型是NEMS(国家能源建模系统)和IIASA-WEC 3 es (IIASA-WEC energy-economic-environment模型),并通过仿真和优化整个3 es系统模拟。因为自上而下模型不需要详细描述能源和环境技术,许多研究人员构建自上而下模型。张先生和李构造TH-3EM(清华混合energy-economy-environment评估模型)(5),由CSCGEM IESOM, SICGE和其他模块。张等人应用IESOM模拟能源消耗,能源结构,在不同条件下的碳排放减排(6]。DeCarolis等人应用ESOMs发现刀刃的解决方案,探索替代系统配置,并提出不同的方法来实现政策目标深度不确定的条件下(7]。Kambo等人建立了一个线性目标规划模型为城市energy-economy-environment互动(8),使用的能源需求,节能、空气污染、能源系统的经济成本,能源进口和利用能力目标和约束。奥利维拉和安图内斯建造的多目标模型3 es interindustry基于线性输入输出结构相互作用[9]。魏等人申请北京市的历史统计数据构建一个多目标的目标编程模型对北京人口协调发展,资源,环境,经济(10]。胡锦涛等人提出一个economy-energy-electricity-environment框架,总结了中国能源使用管理和综合资源战略规划(11]。上面的模型都是实数的确定性的编程模型系数。实际上,由于系统演化和预测的不确定性,最好看到3 es系统模型的参数不确定的参数。刘等人建造了一个机会约束整数线性规划模型与混合区间参数不可再生能源资源管理不确定性,与客观约束下的经济回报最大化的资源可用性和环保法规(12]。蔡等人开发了一个交互式决策支持系统基于一个区间参数线性规划模型来帮助决策者在规划能源管理系统13]。日内瓦Fragniere和Haurie建造马卡尔模型(14),认为不同的政策场景与某种可能性分布的随机事件,和能源规划进行随机决策树技术。林和黄发达一个区间参数两阶段随机市政规划模型支持决策的能源系统规划和温室气体排放管理市政水平(15]。博尔赫斯和安图内斯认为右边的输入-输出模型三角模糊数,构建了一个模糊多目标能源经济规划决策支持模型16]。韦伯和Martinsen构造了一个能量系统基于模糊线性规划优化模型,实现了最优折衷系统可持续性和成本最小化17]。张等人采用了模糊积分方法提供了一个有效的决策支持南京市可持续能源规划(18]。

总之,3 es系统优化是实现区域可持续发展的重要途径。广泛的数学规划模型提出了演示3 es系统的关系,获得最优决策方案。从现实的角度来看,包括区间不确定性模型,随机和模糊编程模型比确定性模型。因为需要大量的统计数据的随机规划模型来确定变量的概率分布,它是很少直接用于3 es优化。许多区间和模糊规划模型构建和申请微能源系统优化,交互参数转化为确定性模型。一些研究构建专门区域3 es系统考虑的不确定性模型的目标经济,能源,同时与环境子系统。在这篇文章中,一个模糊机会约束目标规划模型(FCCGP)及其混合智能算法提出了优化3 es系统,并进行实证分析山东省应用上述模型和算法。

本文的组织结构如下:部分2分析3 es系统的结构和组件,选择目标参数和决策变量,并构造一个FCCGP 3 es系统优化模型。部分3提供了一种混合智能算法求解模糊模型。部分4给出了实证分析3 es系统优化山东省作证的可行性和有效性FCCGP模型和混合智能算法。结论提出了在上一节。

2。FCCGP 3 es系统优化模型

2.1。Economy-Energy-Environment系统分析

3 es系统包含三个子系统,即能源子系统、经济子系统、环境子系统,相互关连,相互影响。每个子系统的发展不仅取决于其自身的结构,还取决于其他子系统。3 es系统的元素和成分结构如图所示1。能源子系统是经济发展的动力,为经济提供了电源子系统。一旦能源供应受到威胁和不可靠的,它将直接影响到经济产出,甚至导致经济衰退。与此同时,经济子系统子系统的能量发挥重要的积极作用:首先,经济发展刺激能源需求和能源子系统提供了发展空间;其次,经济增长提供了人类的物质基础,材料,和金融资源的发展能源子系统;第三,经济增长驱动技术投资和进步能源子系统,从而促进能源子系统的开发。能源子系统和环境子系统冲突和相互协调。能源的过度开发利用子系统会加重环境承载力和环境的退化和破坏子系统将使能源子系统失去开发的基础。经济子系统的发展,尤其是工业零部件,伴随着废水,废气,固体废物,和温室气体,会造成环境污染,危害人类健康,妨碍经济发展。

由于能源投资价值的影响和环境污染对经济产出难以估计,环境子系统经济落后的影响从能源子系统通常不会考虑到3 es系统优化模型。指的是文献[8- - - - - -10中国)和省发展计划,选择典型的指标构建因果关系图如图2。主要的因果关系如下:(1)在固定资产投资国内生产总值++能源消耗+有限公司₂排放+有限公司₂排放强度。(2)国内生产总值+第二产业的国内生产总值+污染物生产+污染物排放。(3)国内生产总值(GDP)的比例高等−能源消耗+能源消耗强度。(4)环境污染控制投资删除+污染物−污染物排放。

2.2。选择目标参数和决策变量

每个子系统3 es系统有相应的目标。一般来说,经济子系统追求高GDP增长率和科学的产业结构。GDP和三产业结构经济子系统的选择作为目标参数: 在哪里和是基本一年的国内生产总值和目标年吗年均GDP增长率。

能源子系统追求低增长的能源消耗和降低能源消耗强度。基于目标减速比,目标年的能源消费强度可以获得的 在哪里和能源消费强度的基础和目标每年和能源消费强度的减速比。

环境子系统追求更少的污染物和温室气体的排放。污染物和温室气体通常包括化学需氧量(COD)、氨氮、二氧化硫(₂),氮氧化物()和二氧化碳(有限公司₂)。基于减少比率,他们可以通过以下公式计算: 在哪里,,,是鳕鱼的排放,氨氮,所以呢₂,基本的,,,,的排放目标,和碳排放强度的基本年和目标,然后呢,,,,是上面的比率减少污染物和公司吗₂。

根据可控性原则和exogenesis 3 es系统的决策变量包括三个行业的固定资产投资,能源消费总量和总投资环境污染控制。

2.3。制定FCCGP模型

3 es系统是一个复杂的系统,包含多个优化目标。一般来说,经济子系统的目标包括两个方面:目标不低于一年的国内生产总值(GDP)规划价值;产业结构实现规划目标;也就是说,第一产业和第二产业的国内生产总值(GDP)的比例不高于目标值和第三产业不低于其目标价值。能源子系统的目标是能源消耗强度不高于计划的价值。环境子系统的目标包括两个方面:污染物的排放包括COD、氨氮,所以₂,不高于自己的计划值;有限公司₂排放强度不高于其计划值。

由于小样本的历史数据和预测的不确定性,许多参数3 es系统可以被视为模糊参数。在这篇文章中,一个模糊机会约束目标规划模型(FCCGP)优化3 es系统的构造。根据上述3 es系统的目标,约束条件包括两种类型:(a)不确定的约束,每个子系统实现其目标保持一定的置信水平;(b)技术约束。不确定的约束如下。(1)目标年的国内生产总值等于添加值之和的三个行业: 在哪里GDP的目标,固定资产投资吗行业,单位投资的附加值th行业,是模糊变量,。(2)模糊机会约束三年行业结构的目标应该达到预期的结构一定的信心水平感到满意: 在哪里表达模糊事件的可信度发生时,的目标价值占GDP的比例吗th行业,预定的信心水平的决策者,。(3)目标的约束,GDP每年不低于规划价值一定置信水平感到满意: 在哪里GDP的目标值,吗是预定的信心水平。(4)约束,目标年的能源消费强度并不高于计划价值一定置信水平感到满意: 在哪里能源消费总量,能源消费强度的目标价值,β是预定的信心水平。(5)鳕鱼的排放的限制,氨氮,所以₂,、有限公司₂不高于他们的计划值一定的信心水平感到满意: 在哪里在环境污染控制总投资,鳕鱼的产量系数、氨氮₂,的作品,也就是说,鳕鱼,氨氮,所以₂,第二产业增加值的单位,分别COD的去除系数、氨氮₂,,即删除的鳕鱼,氨氮,所以₂,单位投资的环境污染控制,分别是有限公司₂发射系数,即有限公司₂排放的单位能源消耗,,,,鳕鱼的目标排放,氨氮,所以呢₂,,是目标公司₂排放强度,,,是模糊变量,,是预定的决策者的信心水平。

包括以下技术约束。(1)每个决策变量应该在一定的范围内: 在哪里和的下限和上限吗决策变量。(2)三个行业固定资产投资的总和应在一定的范围内: 在哪里和下限和上限的三个行业的固定资产投资。(3)所有的非负偏差变量:

模型的目标是最小化总偏差根据设定的优先级结构和目标水平决策者: 在哪里抢占式优先级因素表达经济的相对重要性,能源,和环境目标,分别。例如,如果是经济的优先顺序能源环境,然后,,,。和是对应的权重因素经济子系统和环境子系统的偏差,,分别,他们都是积极的。

3所示。FCCGP模型的解决方法

3.1。模糊仿真

模糊模拟技术抽样测试的模糊系统模型。如果信誉上定义的是一个模糊向量空间,预定的信心水平,模糊模拟的算法吗如下(19]。

步骤1。生成从这样Cr(),是一个足够小的数字。

步骤2。发现的最大价值这样采用二分搜索的方法,在那里

步骤3。返回的估计。

3.2。混合智能算法

可以使用一种混合智能算法求解模糊机会约束目标规划模型,集模糊模拟和遗传算法。该算法程序如下(20.]。

步骤1。初始化一个人口染色体随机,th染色体满足约束条件如下:

步骤2。根据可信度分布的模糊变量包括,,,、模糊模拟应用于生成数据不确定的函数()像

步骤3。计算每个染色体的偏差变量的值:,,,,,,,,,,并计算其加权和 作为客观价值。

步骤4。比较所有的客观价值染色体,降序排列。计算累积的可能性排序染色体: 在哪里是评价函数参数,。

第5步。选择染色体通过旋转轮盘赌;也就是说,重复下面的过程:生成一个随机数在(0,),rth染色体被选中。输出新的人口,。

步骤6。设置一个参数交叉的概率,重复下面的过程来:生成一个随机数的时间间隔的染色体被选中作为一个家长如果。家长,使线性交叉操作和输出新的人口,。

步骤7。设置一个参数突变的概率,重复下面的过程来:生成一个随机数的时间间隔的染色体被选中作为一个家长如果。让家长,变异操作和输出新的人口,,所有染色体满足约束。

步骤8。重复第二个七步骤周期,和输出最好的染色体作为最优解决方案。

4所示。实证分析山东

4.1。数据的参数

中国作为一个经济大省,山东省取得了显著的经济增长,并自2007年以来,其经济产出已经在31个省排名第三。虽然已经进行了很多努力节约能源和减少污染物,山东省的能源效率水平仍落后于国家平均水平(21,22),和主要污染物的排放仍然是最大的。本文是在山东上进行实证分析,提供以上FCCGP模型的建模过程和有效的决策支持为其3 es系统优化。

三个行业的固定资产投资数据在2000年的价格指数,总能源消耗,环境污染控制投资从2000年到2014年如表所示1。所有的指标显示上升趋势;因此,回归、灰色预测和其他预测方法理论上可以用来预测未来值。

预计固定资产投资的主要行业是作为一个例子来说明各种方法的应用。使用年度序号作为自变量,线性回归方程(LR)固定资产投资的主要行业可以获得如下:

注:括号中的数据表示t以及价值观。

t以及和F值表明回归方程,可用于短期预测具有重要意义。输入进入方程,主要行业的固定资产投资在2015年是1179亿元。

原始数据,通过一阶累积操作的累积值主要行业的固定资产投资可以表示成一个行向量,基本上满足灰指数律。根据灰色预测(GF)理论,白化方程可以写成: 在哪里和可以通过使用最小二乘估计,计算公式如下: 的结果和−0.0295和75.6988,灰色预测模型是什么 因为上面的公式是累积预测模型,回归操作应该实现恢复原始值。灰色预测结果和实际值固定资产投资的主要行业从2000年到2014年在图所示3。

残留试验和方差后测试的结果如下。的最大相对误差为5.10%,平均相对误差为1.89%,预测精度为98.11%,后验误差比率是0.1945,小错误频率是1。试验结果表明,灰色预测模型具有较高的精度,可用于短期预测。输入到模型中,第一产业的固定资产投资在2015年是1196亿元。

除了上面的预测方法中,指数回归(ER),幂函数回归(PR),二次回归(QR)和三次曲线回归(CR)也适用于适合的关系主要行业的固定资产投资和年度序列号码。得到的回归结果如下:

所有的相关系数平方值大于0.8,因此上述回归方程是显著的。输入,预测结果是120.2,109.6,130.7,和111.9,分别。的最大和最小值以上结果可以作为变量的上下界限在2015年。同样的,其他四个决策变量的预测结果,2015年他们的上下界限可以得到如表所示2。

添加值单位投资的三个行业从2000年到2014年在图所示4,所有三条曲线显示上升趋势。利用回归和灰色预测方法,在2015年预测的值如表所示3。

的生产系数四个污染物和有限公司₂排放系数从2000年到2014年如表所示4。2015年的预测价值通过不同的方法如表所示5,由于预测意义,有限公司₂排放系数是基于2005 - 2014年的样本的预测。

COD的去除系数,氨氮,所以₂,从2000年到2014年如表所示62015年,预期值如表所示7。

所有的预报方法应用根据他们的前提,因此上述结果理论上是合理的。由于更有效的预测结果,上述指标可以被视为区间或模糊变量。为了充分利用预测结果,所有的指标都认为服从三角模糊分布。三角模糊变量(,,)是完全由三联体(,,)的数字的隶属函数是由 在哪里,,现在最低、平均和最大的所有有效的预测结果,分别。三角模糊变量的参数的值FCCGP模型如表所示8。

4.2。FCCGP模型

根据山东省“十二五”规划,年度国内生产总值的平均增长率为9%,2015年产业结构7:48:45,固定资产投资的年平均增长率是15%左右,能源消耗强度和二氧化碳排放强度应该从2010年下降了17%和18%,COD的排放,氨氮,所以₂,应该下降12%,13.3%,14.9%,和16.1%,分别。GDP能耗强度、碳排放强度、COD的排放,氨氮,所以₂,2010年2.855321万亿元,每百万人民币,56.85吨标煤166.62吨每百万人民币,295127.6 t, 15441.3 t, 1382874 t, 1167190 t,分别高于2015年指标的目标是4.393265万亿元,每百万人民币,46.62吨标煤136.62吨每百万人民币,259712.3吨,13387.6 t, 1176826 t, 979272 t,分别。假定固定资产投资的年平均增长率从12%提高到18%,波动的上下边界三个行业的固定资产投资380.13和4004.9亿元。

根据新标准的要求经济强调结构调整,消除能源瓶颈和绿色低碳发展,和山东的影响取得了在早期的时候,第三产业的国内生产总值(GDP)的比例,能源消费强度和有限公司₂2015年排放强度应该更加关注。假设所有目标的预定的信心水平,,,,,,,,,三个子系统是经济,优先级的订单能源环境和偏差的加权因素对应经济子系统和环境子系统都等于1,可以构造和FCCGP模型如下: 上下边界的所有决策变量见表2,三角模糊变量的分布参数的值如表所示8。

4.3。解决方案和讨论

根据上面的混合智能算法,人口规模,评价函数参数,交叉概率变异概率和一代周期。运行的混合智能算法,3 es系统优化模型的最优解山东省如表所示9。经济优先场景的结果表明,经济子系统实现其目标,但能源和环境子系统不实现自己的目标。未曾实现的指标包括以下:每百万人民币,能源消费强度为54.49吨标煤的排放₂和1566900 t和979302 t,和公司吗₂排放强度是139.22吨每百万人民币。

在经济优先的场景中,有更大的优化结果和目标之间的差异在能源和环境子系统。考虑环境子系统可持续发展的重要性,环境优先场景定义的优先级顺序环境三个子系统经济能量。运行混合智能算法、最优解决方案如表所示10。结果表明,环境和能源子系统实现他们的目标,但经济子系统不实现其目标。走指标包括以下:优化的GDP是4.332194万亿元,产业结构是8:50:42。

场景赋予同等的地位三个子系统提出了比较与前两个场景。最优解决方案如表所示11。结果表明,这三个子系统不实现自己的目标。走指标包括以下:优化的GDP是4.338292万亿元,产业结构是8:50:42岁,能源消费强度为56.12吨标煤每百万人民币,和所以的排放₂是1340146吨。

可以从三种情况的比较,结果同等地位的场景并不是环境的改善优于优先的情况下,虽然环境优先场景比经济优先场景。因此,环境优先级情况下的优化结果可以用于指导实践3山东省es系统优化。2015年,13.07,171.62,和200.8一百亿元可以投资为主要的,次要的,和第三产业,分别应该低于3.70801亿吨标煤,控制能源消费总量和130.76一百亿元可以投入到环境污染控制。

优化结果表明,山东省应增加三个行业的固定资产投资,并在2015年环境污染控制。在固定资产投资的小学,中学,和2015年第三产业可以17%,4.73%,分别比2014年高出7.59%,。固定资产总投资和环境污染控制在2015年比2014年高出6.55%和6.81%。与此同时,能源消费总量在2015年可以仅仅比2014年增加了2.63%,这意味着经济增长应该放缓。实际上,山东省目前正在进行结构调整的关键时期。第二产业消耗了大量的能源,造成环境污染和碳排放;因此,它是合理的降低第二产业的投资增长。相反,增加第三产业的投资,加快其发展可以减少能源消耗和环境污染。此外,山东省能源资源的承载能力不断提高,因此有必要减少能源消耗的增长,同时保证经济发展,这意味着山东省应加强节能,提高能源效率,开发替代能源。

5。结论

在这项研究中,我们有3 es系统的结构分析,选择典型的指标论证的主要因果关系。目标参数和决策变量设置和FCCGP模型提出了3 es系统优化。FCCGP模型中的不确定参数是模糊变量,和模糊机会约束满意某些信心水平。该模型本质上是灵活的,任何数量和形式的模糊目标和约束可以包含进去。混合智能算法包括提出模糊模拟和遗传算法求解不确定模型。根据研究区域的性质,用户可以修改模型和算法输入得到期望的输出。在山东省实证分析之后,我们可以得出结论,3 es系统优化的参数可以被视为三角模糊数,和FCCGP模型与模糊变量可以展示三个子系统之间的互动关系。3的结果es系统优化山东省作证FCCGP模型的可行性,也可应用于指导实践3 es系统优化,实现和谐发展。根据优化结果,山东省应遵守环境规则优先级。在这个场景中,3 es系统可以实现相对更多的科学发展,尽管它可能降低经济发展在一定程度上。

限制了研究对象的定义和可用性的数据,在这篇文章中,我们既不包括进口和出口、家庭消费经济子系统和其他内容,也不考虑土地、森林、矿产、水资源、人口、科技、和其他子系统。这削弱了每个子系统之间复杂的关系在一定程度上可能影响编程结果的客观性,在未来的研究应该改进。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由山东省自然科学基金(ZR2015GM008)、MOE(中国教育部)项目的人文和社会科学(16 yjazh054),和基础研究基金为中央大学(15 cx04101b)。