2012年-苏北赛

题目碳排放约束下的江苏省煤炭消费量预测摘要近年来，中国经济的高速发展，给中国的能源消耗和环境保护带来了巨大的压力。煤炭是我国经济发展不可缺少的基础能源，中国煤炭消费量呈现指数增长形式。煤炭消费引起的温室气体的排放加重了全球气候变暖，给人类的可持续发展带来了严峻的挑战。所以，科学准确的预测未来地区煤炭消费状况，对国家和地区政府相关职能部门制定相关发展规划和政策起到关键性作用。本文先对江苏煤炭消费量的影响指标进行分析，然后又对能源结构和未来煤炭的消费量进行了预测和优化。最后对能源与经济的发展提出了相应的意见和建议。针对问题一，根据题目所给的资料和查阅的相关资料，初步确定了影响煤炭消费量的四个主要指标即GDP、固定资产投资、人口总数、煤炭调入量。用变异系数法计算出各个指标的权重，通过各指标权重大小可以确定固定资产投资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最大，其次是GDP、和煤炭调入量，人口总数的影响是最小的。针对问题二，首先，对能源、煤炭、石油、天然气的消费量与年份的关系进行多次拟合，得到了多种函数关系，通过拟合函数对各种能源的消费量进行预测，根据预测结果做出相应的能源比重图，从而得到了主要能源结消费的结构图。然后，结合具体的约束条件，对模型进行了优化。针对问题三，要求对煤炭消费量进行预测和优化。本文首先从题目所给出的1985-2010年的煤炭消费总量样本数据中抽取了部分数据，以这些数据为基础借助GM（1,1）模型对其进行预测，然后通过其真实值与预测值的相对误差及残差等指标对模型进行分析检验。最后利用通过检验的模型，对“十二五”期间及未来十年江苏省的煤炭能源消费总量进行预测，得出了所要求预测的相关煤炭消费量。针对问题四，根据分析的结果和结论在结合我们查阅的相关资料，从节能减排目标的实现路径、能源结构的调整、煤炭消费政策这几个主要方面提出了具体的建议和意见。以便保证全省经济的健康持续增长。然后，我们对所建模型的优缺点进行了分析。最后，我们对模型的应用做了进一步的推广。关键词：变异系数拟合灰色预测能源消费一、问题重述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。江苏省的资源严重短缺，无论从煤炭储蓄还是从煤炭的产量和需求来看，江苏的经济增长与煤炭资源紧缺的矛盾突出。江苏的煤炭资源匮乏而煤炭消费总量逐年增长，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，从而保证全省经济社会的绿色发展。基于此，请根据附录中的数据，结合你们收集到的相关资料，建立数学模型，完成以下问题：（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、模型假设结合本题的实际，为了确保所建模型的合理性和准确性，排除一些因素的干扰，我们做了如下假设：1、假设题目所给的数据均真实可靠，没有错误数据。2、假设“十二五”期间及未来十年能源需求与经济发展平稳。3、假设GDP、人口总数、固定资产投资、煤炭调入量是影响煤炭消费量的主要指标。4、假设煤炭的供应与价格在未来十年间不会有太大的波动。5、假设未来十年间没有一种能源能够替代煤炭在能源结构中是主导能源的地位。。三、符号说明为了方便问题的求解，我们给出以下符号说明:(其它未说明的符号在第一次出现时会作详细的说明)。符号含义iV指标的变异系数i指标的标准差_ix指标的均值iW指标的权重0H预测的能源消费量1H预测的煤炭消费量2H预测的石油消费量3H预测的天然气消费量M预测的2015年三产业GDP总值Q2010年能源消费量,,abc分别对应2010年煤炭、石油、天然气消费量111,,xyz分别对应2015年煤炭、石油、天然气消费量N2010年三产业总GDPP2010三产业总煤炭消费量0G2010碳排放量四、问题分析4.1背景资料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。但是中国经济的高速增长是建立在高投入、高消耗、低效益的粗放型生产方式上，对中国的能源消耗和环境保护产生了巨大的压力。煤炭是我国经济发展不可缺少的基础资源，中国煤炭消费量呈现指数形式增长，从1953年的7145万吨到2010年的312236万吨，翻了近44倍。然而研究表明，人类使用的煤炭、石油等化石燃料的燃烧产生的温室气体引起全球气候的变暖，这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。不断加剧的温室效应还将严重影响全球经济发展。以煤炭为主的化石能源的消费是引起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。这个两难问题中的重点是未来煤炭能源的需求预测问题。科学准确的预测未来地区煤炭消费状况，可以对国家和地区政府相关职能部门制定相关发展规划和政策起到关键性作用。准确把握煤炭消费量的变化趋势，对煤炭未来需求量的精确预测，可及时指导煤炭生产供应工作，对保障我国煤炭安全供应具有重要的意义。4.2问题一的分析首先，对第一小问，根据题目所给的资料及我们所查阅的相关资料，初步确定影响江苏省煤炭消费总量及第一、二、三产业的煤炭消费量的主要指标。对第二小问，通过收集相关数据，用变异系数法确定每个指标的权重大小，通过比较各个指标的权重来说明各个指标对江苏煤炭消费量的影响情况。对第三小问，结合题目所给附表9、10、11中的数据对江苏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进行了分析说明。4.3问题二的分析问题要求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。本题需要建立数学模型来对江苏省主要能源消费的结构进行预测和优化，根据题目所给的资料可知，煤炭是我国经济发展不可缺少的基础能源，中国煤炭消费量呈现指数形式增长。结合江苏经济发展的趋势及能源消费量的增长情况，根据题目所给的表9江苏省主要能源消费量中的相关数据，分别绘制出能源量、煤炭消费量、石油消费量和天然气消费量与年份之间的散点图。观察各种能源消费量与年份之间的关系，求出年份与能源消费量的拟合函数，利用拟合函数预测“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。4.4问题三的分析问题要求预测“十二五”期间及未来十年江苏省的煤炭能源消费总量及第一、二、三产业的煤炭消费量。鉴于煤炭消费量的数据统计困难，数据关系模糊，又结合国家十一五期间环境政策的相关变化，本文首先从题目所给出的1985-2010年的煤炭消费总量样本数据中抽取了2006-2010年（即十一五期间）的数据，以这五年的数据为基础借助GM（1,1）模型进行预测，然后通过其真实值与预测值的相对误差及残差等指标对模型进行分析检验。最后利用通过检验的模型，对“十二五”期间及未来十年江苏省的煤炭能源消费总量进行预测，得出“十二五”期间及未来十年江苏省的煤炭能源消费量预测值。同理再对第一、二、三产业的煤炭消费量进行预测。4.5问题四的分析根据问题的要求，结合以上三问分析的结果和结论，在通过查阅相应的资料，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了具体的意见和建议。五、模型的建立与求解5.1问题一模型的建立与求解根据题目所给的资料及收集到的相关资料，初步确定影响江苏省煤炭消费总量及第一、二、三产业的煤炭消费量的主要指标是GDP、固定资产投资、人口总数、煤炭调入量。我们收集到的数据如下表所示：表1：各指标具体数据值年份GDP（亿元）固定资产投资（亿元）人口总数（万人）煤炭调入量（万t）19955155.251680.177766.02690019966004.211949.537147.86733819976680.342203.097147.86654819987199.952535.57182.46679119997697.822742.657213.13709820008553.692995.437327.24676320019456.843302.967354.927097200210606.853849.247382.977678200312442.875335.87405.828525200415003.606827.597432.511020200518598.698739.717474.514496200621742.0510071.427549.515811200726018.4812268.077624.517948200830981.9815060.457676.519467200934457.3018949.887724.518706根据表中各指标历年的数据，通过EXCEL可以求出各指标的平均值和标准差如下表所示：表2：各指标的平均值与标准差1xGDP（亿元）2x固定资产投资（亿元）3x人口总数（万人）6x煤炭调入量（万t）平均值14706.6606567.4337427.35210812.400标准差8915.8405015.493193.79464660.446根据均值和标准差来计算变异系数:1_iiVx计算的结果如下表所示：表3：各指标变异系数1xGDP（亿元）2x固定资产投资（亿元）3x人口总数（万人）6x煤炭调入量（万t）变异系数0.6062450.7636920.0260920.431027计算这4个指标的权重：41iiiiVWV得出的各指标权重如下表所示：表4：各指标权重表指标GDP固定资产投资人口总数煤炭调入量权重0.3318150.417990.0142810.235913通过权重的比较可知，在所确定的指标中，固定资产投资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最大，其次是GDP、和煤炭调入量，人口总数的影响是最小的。对于第三小问，结合题目所给的附录表9和附录表10,可知煤炭消费总量从1985-2010年持续增长，相对应的碳排放量也在不断增长，这不利于节能减排目标的实现，随着煤炭消费量的增长促进了经济的增长。结合题目附录中的数据通过excel计算出从1985-2010年煤炭消费量占能源消费量的比重变化如下图所示：00.10.20.30.40.50.60.70.80.919851986198719881989199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010煤炭消费占能源消费比重图1：煤炭消费占能源消费比重图通过上图可以看出，煤炭消费量一直在能源消费中占有很大的比重。尤其是上世纪末江苏的GDP增长迅速，但是对煤炭的消耗量也在不断增加。直至2008年，煤炭消费总量占能源消费总量的比重才稍有下降。虽然近二十年江苏的经济增长迅猛，但是对能源的消耗也是极大。由题目所给的附表101985-2010年江苏省碳排放量数据，可以看出CO2排放强度（tCO2/