碳排放約束下的江蘇省煤炭消費(fèi)量預(yù)測(cè)_大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽(編輯修改稿)
2024-10-05 13:58 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 節(jié)能、煤炭供應(yīng)量、減排，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)第二、三產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量影響最大，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)第一產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量影響最大。 多元線性回歸模型的建立 節(jié)能減排政策只能通過宣傳教育對(duì)第一、三產(chǎn)業(yè)用煤產(chǎn)生影響，此舉也不會(huì)導(dǎo)致煤炭?jī)r(jià)格上升而減少煤炭的使用，故節(jié)能減排主要影響第二產(chǎn)業(yè)用煤量，根據(jù)節(jié)能、減排 7 指標(biāo)，會(huì)較大程度地改變煤炭使用量，故對(duì)煤炭消費(fèi)總量也會(huì)較大程度地減少。 根據(jù)附件中的表 11，利用 SPSS 分別對(duì)第一、二、三產(chǎn)業(yè)的耗煤量和 GDP 進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)性分析圖（見附錄），可知，第二產(chǎn)業(yè)的耗煤量和 GDP 之間高度相關(guān)，第一、三產(chǎn)業(yè)的耗煤量和 GDP 之間的相關(guān)性不高，說明第二產(chǎn)業(yè)的煤炭消費(fèi)量的變動(dòng)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響很大，第一、三 產(chǎn)業(yè)的耗煤量變動(dòng)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)影響不大。 圖一是煤炭消費(fèi)總量變化量隨時(shí)間變化的條形圖： 圖一：煤炭消耗總量變化量變化圖 圖二是煤炭耗能比，耗煤變化率，第二產(chǎn)業(yè)耗煤增長(zhǎng)率以及 GDP 的變化趨勢(shì)： 圖二：各個(gè)變化率的變化趨勢(shì) 相關(guān)性分析已經(jīng)表明，第一、三產(chǎn)業(yè)用煤量少，耗煤變化不顯著，同經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、節(jié)能、減排的關(guān)系不明確，故主要分析耗煤總量，第二產(chǎn)業(yè)耗煤量，煤炭耗能比同個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)，主要是減少使用煤炭等化石能源的高污染、高耗能的第二產(chǎn)業(yè)，以上兩表數(shù)據(jù)顯示： 2020 年之前，煤炭使 用量在增加，但能耗比在減少，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率有所提高；《京都議定書》生效之后，煤炭使用量在減少，能耗比也在減少，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率有所下降。 隨著經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)，煤炭使用年增加量的減少，意味著高污染、高耗能企業(yè)增長(zhǎng)率的減少；煤炭耗能比的下降，意味著新能源使用的增加；它們都促進(jìn)節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)。 煤炭耗能比的降低，主要是因?yàn)樾履茉吹陌l(fā)展；總耗煤量、第二產(chǎn)業(yè)耗煤量的增加，引起產(chǎn)能的增加；自然它們都促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的實(shí)現(xiàn)； 8 由圖二可以看出，用多元線性回歸模型，解釋煤炭耗能比、總耗煤量變化、第二產(chǎn)業(yè)耗煤變化同經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率之間的關(guān) 系是合理的。 設(shè)回歸方程為 其中， 是 GDP 增長(zhǎng)率 , (i=1,2,3)分別為耗能比、總耗煤量變化。 根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)利用 MATLAB 進(jìn)行線性回歸運(yùn)算，得到回歸模型： 原圖及擬合圖像（紅線）如圖三： 1996 1998 2020 2020 2020 2020 2020 2020 0 . 100 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 8能耗比總耗煤量變化經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率 圖三：回歸方程擬合圖 由圖三可以看出，擬合圖像較好的反映出了它們之間的關(guān)系。 綜合以上分析得出結(jié)論： 第一、三產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi) 量的變動(dòng)相比第二產(chǎn)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)影響不大；如果減少第二產(chǎn)業(yè)中高排放、高消耗的企業(yè)，對(duì)于節(jié)能、減排指標(biāo)非常有利，但是對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的消極影響，能夠致使經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度減緩，煤炭消費(fèi)總量在能源中所占比重（見附錄）對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響是極其重要的。 問題二的求解 GM(1,1)預(yù)測(cè)主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu) 根據(jù)已有數(shù)據(jù)，用 MATLAB 畫出煤炭消費(fèi)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)用二次擬合效果不錯(cuò)，但是，由于該數(shù)據(jù)屬于小樣本，所以采用灰色預(yù)測(cè)也可以，通過計(jì)算得出，二次擬合的方差比灰色預(yù)測(cè)的方差大，所以采用 GM(1,1)模型對(duì) “十二五”期間及未來(lái)十年江蘇省主要能源消費(fèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 假設(shè)第二個(gè)五年計(jì)劃和第一個(gè)計(jì)劃的執(zhí)行力度大體相同，都能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的目標(biāo)。 煤炭消費(fèi)量預(yù)測(cè)具體步驟如下： 1）構(gòu)造累加生成序列 設(shè)觀察值序列為 =( ） 9 累加生成序列為 =( ) 2)構(gòu)造矩陣 和向量 緊鄰均值生成序列為 =( ) 所以矩陣 ,向量 3)計(jì)算 ，得出： 4)時(shí)間響應(yīng)序列為： ， k=1,…,11 （ 1） 5） 殘差檢驗(yàn) 絕對(duì)殘差序列為： 相對(duì)殘差序列為： 相對(duì)殘差不超過 16%,所以模型精確度很高。 同樣地，石油和天然氣消費(fèi)量的時(shí)間相應(yīng)序列分別為： ，11,...,1k? （ 2） ， ,..., （ 3） 10 下面根據(jù)（ 1）（ 2）（ 3）對(duì)“十二五”規(guī)劃期間和未來(lái)十年的消費(fèi)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，如表三： 表三：對(duì)主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè) 年份 能源 2020 2020 2020 2020 2020 2020 2017 2018 2019 2020 煤炭 % % % % % % % % % % 石油 % % % % % % % % % % 天然氣 % % % % % % % % % % 根據(jù)表三可以看出，“十二五”規(guī)劃期間和未來(lái)十年江蘇省的主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)沒有太大變化，整體結(jié)構(gòu)依然是煤炭消費(fèi)量居于主導(dǎo)地位，石油和天然氣位居其后，但是煤炭消費(fèi)量所占比重有所下降，石油消費(fèi)量所占比重變化不大，天然氣消 費(fèi)量所占比重有大幅度上升。 非線性優(yōu)化主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu) 對(duì)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的目的是最大化地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)和節(jié)能目標(biāo)，基于此問題，我們將節(jié)能和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)兩個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為能源總消費(fèi)量和 GDP 的比值，在碳約束條件下，利用非線性規(guī)劃，對(duì)“十二五”期間和未來(lái)十年江蘇省的主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 目標(biāo)函數(shù)為： 約束條件為： 通過對(duì)約束條件的變換，得到下面的約束條件 : 11 ? 其中 , ,當(dāng) i=5 時(shí) ， i=10 時(shí)， ， 為第 2020+i 年的 GDP（ i=0,1， ? ， 10）， ， ， 分別為 2020 年的攤、石油和天然氣的消費(fèi)量， ， ， 分別為 2020 年的煤炭、石油和天然氣的消費(fèi)量， 為 2020 年能源消費(fèi)總量和 GDP 的比值。 問題三的求解
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