碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测

1碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测摘要本文针对江苏省近些年来煤炭消耗以及影响煤炭消耗的各项指标进行讨论，通过问题分析，模型假设，模型建立和求解对江苏省未来十年煤炭消耗情况、能源结构作出预测。对于问题一，我们对比题目中给出的相关数表，找出可能影响煤炭消耗的指标，将这些数据整理在一起，通过excel软件查找出它们之间的相关系数，从而确定出所求的具体指标，同时也得出了各指标影响江苏省煤炭消耗量的比重；对于问题二，我们同样先将各个能源数据整合到一起，用excel画出数据变化图，进而得到拟合曲线函数式，带入所求年份对应的数字就得到了对应年份的能源消耗量，根据题目中的指标约束条件我们对得到的函数式加以优化，得到最终函数式，并对未来十年能源消耗量做出预测；对于问题三，我们采用灰色GM（1,1）预测模型，文中选取2001到2010十年间的数据进行建模、求解，利用模型我们又求出这十年中煤炭消耗的相关数据，通过残差检验法对模型进行检验，并且预测出随后十年中各产业煤炭消耗情况和产业结构。对于问题四，我们通过分析以上数据和模型的预测，建议江苏省应尽快调整能源结构，加大低能耗，高产出的第三产业的发展力度，提高能源的利用率，加快能源结构的转型，走高科技、低能耗的新型工业化道路！关键词：excel关联度优化灰色预测GM（1，1）2一、问题重述背景：1978年改革开放以来，中国的经济发展取得了举世瞩目的成就。2010年国内生产总值达到39.8万亿元，跃居世界第二位，国家财政收入达到8.3万亿元，“十一五”期间实现GDP年均增长11.2%。但是，我国的煤炭消耗量从1953到2010年翻了近44倍。过去50年间，全球气候变暖超过90%的可能性与人类使用的石油等化石燃料产生的温室气体有关。现有研究表明，全球气候变暖危及能源、粮食、水资源、生态和公共卫生等，将直接影响人类的生存和发展，给全球的可持续发展带来了严峻的挑战，已经被国际社会公认为威胁人类生存安全的最重大环境问题。为了遏制全球气候变暖，联合国、国际性组织和世界各国政府展开了积极的努力。1992年签署的《公约》，《议定书》于2005年2月16日正式生效。在此背景下，以减少碳排放为核心内容的低碳经济应运而生。以煤炭为主的化石能源的消费是引以温室气体排放的主要诱因。一方面，经济的发展离不开煤炭为主的能源支撑；另一方面，环境承载力迫使煤炭为主的化石能源不能盲目的无限制利用，这是一个有能源开发利用的两难问题。而江苏省的国土面积仅占全国1.1%，却承载着占全国5.6%的人口，并且创造了全国10%的经济总量。从环境污染的情况来看，江苏单位经济产值的主要污染物排放量均超过全国平均水平，江苏省面临的能源瓶颈、环境承载力等环境资源约束日益增多。煤炭消耗问题成为影响江苏经济发展的重要因素。因此，解决好未来江苏巨大的煤炭供需缺口，分析预测江苏未来的煤炭消费，可以为江苏战略性能源开发供应提供依据，进而确保全省的经济健康发展。问题：（1）影响江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的指标有哪些？各指标对江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的影响情况怎样？江苏省煤炭消费总量及其占能源消费量的比重、第一、二、三产业煤炭消费量的变动对节能、减排和经济增长等指标产生怎样的影响？（2）在整个碳排放约束下，考虑节能目标和江苏省经济发展目标，建立数学模型，对“十二五”期间及未来十年江苏省主要能源（煤炭、石油、天然气等）消费的结构进行预测和优化。（3）在整个碳排放约束下，考虑节能目标和江苏省经济发展目标，建立数学模型，对“十二五”期间及未来十年江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量进行预测和优化。请对预测模型和预测结果的合理性进行检验和说明。（4）根据分析的结果和结论，对江苏省节能、减排目标的实现路径以及能源结构调整、煤炭消费政策等方面提出意见和建议。二、问题分析3近年来江苏省经济快速发展已经给环境质量造成巨大的压力，并且付出了沉重的资源和环境代价，发展受到环境强烈的约束正在日益体现出来。而煤炭是主要的能源，所以加强对煤炭的调节控制有着至关重要的意义。要求我们找出影响江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的指标及其影响情况，考虑节能目标和江苏省经济发展目标，预测和优化未来十年江苏省主要能源消费的结构。并且根据分析的结果和结论，对江苏省节能、减排目标的实现路径以及能源结构调整、煤炭消费政策等方面提出意见。对问题一，我们先将题目中给出的各项数据处理到excel中，并且做出相关的图形，通过比较相关的数据后我们得到了影响江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的指标、各指标对第一、二、三产业煤炭消费量的相关度系数，并分析了其相关程度。这样就分析出江苏省煤炭消费总量及其占能源消费量的比重、第一、二、三产业煤炭消费量的变动对节能、减排和经济增长等指标产生的影响。对问题二，我们同样先将各个能源数据整合到一起，用excel画出数据变化图，进而得到拟合曲线函数式，带入所求年份对应的数字就得到了对应年份的能源消耗量，根据题目中的指标约束条件我们对得到的函数式加以优化，得到最终函数式，并对未来十年能源消耗量做出预测；对问题三，我们运用了灰色系统理论中的GM(1,1)模型来进行处理，用近十年的数据预测出来未来十年江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量。并用残差检验法对模型进行验证。对问题四，根据分析的结果和结论，对江苏省节能、减排目标的实现路径以及能源结构调整、煤炭消费政策等方面提出意见和建议。运用前面几道题的结果，我们从能源，人口，产业结构等方面提出自己的意见和建议。三、模型假设（1）假设能源的供给量充足且稳定，不会发生能源短缺；（2）假设国家甚至国际的市场经济和国家的经济政策稳定；（3）假设在2000年之前的能源消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量对未来十年的预测结果不产生很大影响；4四、符号说明x：表示年份代表的数字；y：表示能源消耗量；()ix：表示第i次数列；(1)z：表示)()1(kx紧邻均值生成获得紧邻均值生成序;,BY:表示矩阵;ˆ(,)Taab:表示参数列；(0)：表示残差序列；：表示相对残差序列;:表示平均相对残差；五、模型建立与求解问题一：为了找出影响江苏省煤炭消费总量以及第一、二、三产业煤炭消费量的指标有哪些，我们选取了以下相关数据：江苏省主要年份地区生产总值（单位：亿元）；江苏省主要能源消费量（单位：tec）；1995-2010年江苏省三次产业产值及煤炭消费量；（以上数据详见附录一）为了分析以上几组数据随时间的变化关系，我们使用excel分别做出以下指标的折线图：5图一江苏省主要年份地区生产总值（单位：亿元）05000100001500020000250003000035000400004500019521962197519781981198419871990199319961999200220052008地区生产总值第一产业第二产业第三产业由图一可知，随时间变化，江苏省地区生产总值和第二产业生产总值增加最快，尤其是从1996年之后；图二江苏省主要能源消费量（单位：tec）0500010000150002000025000300001985198719891991199319951997199920012003200520072009能源煤炭消费量石油消费量天然气消费量由图二可知随着时间增长，能源和煤炭消费量增长最快；同时可以通过江苏省主要年份地区生产总值和人均地区生产总值算出人口数，如下表：表一年份人口数（亿）年份人口数（亿）19520.36954219900.67164519550.39306719910.68056919570.41471319920.68770819620.42981419930.69385819650.45721219940.69942919700.51899619950.70436519750.55975719960.70879619760.56617519970.712874619770.57337119980.71648419780.57962819990.71975919790.58654220000.72704519800.59112820010.73428419810.59730420020.73817619820.60491520030.74316819830.61124320040.74901919840.6154820050.75555319850.61901220060.76218419860.62442620070.76893619870.63086920080.77427919880.63926520090.77864319890.64860220100.78398根据上述处理的图和表，我们挑选出最符合影响条件的几个因素：时间（年）地区生产总值(亿元)第一产业生产总值（亿元）第二产业生产总值(亿元)第三产业生产总值(亿元)能源消耗量（tec）人口总数（亿）第一产业耗煤量（万t）第二产业耗煤量（万t）第三产业耗煤量（万t）煤炭消费总量（万t）19955155.25866.242715.261573.758047.20.704365116.28624.270.66357.2719966004.21989.183074.121940.918111.20.7087961508007.382.36310.5419976680.341035.83411.862232.687991.10.712874110.77977.4132.86153.1319987199.951047.163640.12512.6981180.71648461.78186.4536153.4119997697.821037.373920.152740.38163.50.71975957.58347.755.86261.4320008553.691048.344435.893069.468612.40.72704560.18455.865.56312.9120019456.841094.484907.463454.98881.40.73428450.78714.558.56439.02200210606.851110.445604.493891.929608.60.73817675.59403.153.56975.84200312442.871162.456787.114493.3111060.70.74316865.610608.954.67808.84200415003.61367.588437.995198.0313651.70.7490196013071.551.59542.53200518598.691461.5110524.966612.2216895.40.75555374.44377.7106.712164.68200621742.051545.0512282.897914.1118742.20.76218460.918180.793.513381.92200726018.481816.3114471.269730.9120604.40.7689366319709.382.314464.31200830981.982100.1116993.3411888.5321775.50.77427963.120504.387.314698.48200934457.32261.8618566.3713629.07237090.7786436320780.281.815003.06201041425.482540.121753.9317131.45257740.7839850.722940.462.516500.33（为了找出影响江苏省煤炭消耗总量以及第一，二，三产业煤炭消耗量的指标和权重，我们统一都取1995年之后的数据进行分析）由以上表和图我们得出影响江苏省煤炭消耗总量以及第一，二，三产业煤炭消耗量的指标和相关程度如下表：7表二第一产业煤炭消耗量第