基于GM(1,1)模型的江苏制造业能源消耗需求预测研究
2020-12-10
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第2期 阅江学刊 No.2 2010年4月 Yuejiang Academic Journal Apr.2010 啼IJ造业研究・ 基于GM(1,1)模型的江苏制造业能源消耗需求 预测研究 朱晓东,曹 杰 (南京信息工程大学,江苏南京210044) 摘要:制造业能源消耗预测能够为各级部门制定能源发展战略提供决策依据。针对制造业 能源消耗不确定的特点,应用灰色系统理论中的GM(1,1)模型,对江苏省1999年-2008年间 制造业能源消耗量进行模拟,对模拟结果采用多种方法进行检验,并对江苏省2009年_一2015 年间的制造业能源消耗量进行了预测,结果表明GM(1,1)模型能够很好地模拟能源消耗数据, 具有较高的模拟精度。根据预测结果进行分析,提出江苏省制造业在“十一五”末期和“十二 五”期间的能源对策。 关键词:制造业;能源消耗;GM(1,1);江苏省 中图分类号:F124.5; 24.9 文献标识码:A 文章分类号:1674-7089(2010)02-0039-08 制造业的发展也表现出 一、引 言 具有较强的能源依赖特征,高耗能的特点。制造业在国内生产总值中的比重 资源约束一直以来都是人类经济发展中面临 基本维持在40%以上,国家税收的50%来自于制 的最主要障碍,因此,可持续发展及能源问题被学 造业。①制造业也是耗能大户,根据中国统计年鉴数 者大量研究。工业化尤其是制造业的发展主要建 据分析可知,我国制造业能源消费量占能源消费总 立在大量消耗不可再生能源的基础上,这就使得资 量的比例基本维持在54%左右。因此,对制造业能 源约束与可持续发展成为当今的热点问题。科学 源消费进行综合评价,提出制造业能源发展对策, 发展观中明确指出要“建设资源节约型、环境友好 有着非常重要的现实意义。被誉为“世界制造业加 型社会”,能源是国民经济发展的重要条件,也是制 工基地”的江苏省是能源相对匮乏的省份,近几年 造业赖以生存和发展的物质基础。我国经济发展 在国家政策的倡导下,虽然在资源节约和综合利用 收稿日期:2010—01—12 基金项目:江苏省社科院科研项目“基于资源约束的中国制造业发展能源需求预测与对策研究”(院阅 B0705);2008年度江苏省社科联研究课题“基于资源约束的江苏制造业发展能源需求预测与对策研 究”(08一B一29) 作者简介:朱晓东,男,山东淄博人,在读博士,南京信息工程大学经济管理学院讲师,主要从事制造业、 数据挖掘研究;曹杰,男,安徽舒城人,博士,南京信息工程大学经济管理学院副院长,教授,主要从事 制造业、数据挖掘研究。 39 阅江学刊:2010年第2期 等方面取得了一定的成效,但从总体上看与国际先 业经济发展迅猛,已成为江苏省制造业快速发展 进水平相比还存在资源消耗过高、环境污染严重、 浪费较大等问题。因此,在了解江苏省能源消费现 状的基础上,对2009年_一2015年间江苏省制造业 能源消耗状况进行预测,可以为有关部门制定能源 的“领头羊”。与此同时,国有及国有控股企业、 集体企业经济的比重则呈现逐年下降趋势。 2.地区分布 发展战略提供重要的参考依据,对落实科学发展观 苏南地区的优势进一步加强。从江苏省地域 也具有重要的指导意义。 鲁成军 、杨中东@等学者主要从中国制造业 能源替代的方面展开研究,分别使用不同的模型验 证能源与资本、劳动之问的替代关系。孙海 和孔 婷 等学者对制造业能源消耗强度进行研究,指出 了能源价格、产业结构、能源效率等因素对制造业 能源消耗的影响。另外,还有很多学者针对制造业 内部细分行业的能源消耗展开研究,例如周鸿锦 对水泥制造业与环境的关系进行了研究。目前针 对制造业能源消耗的预测研究还没有学者涉足。 在能源预测的研究方法上,研究者大都利用 遗传算法、神经网络、灰色关联分析及GM(1,1) 原始模型进行分析讨论,部分学者利用一些组合 模型进行预测以弥补单一模型的不足。本文利用 灰色系统理论中的缓冲算子预测原理,引入一阶 弱化算子对江苏省制造业能源消费进行了预测, 在方法上具有创新性。 二、江苏省制造业的发展现状 经过20世纪后期以来的两次大发展,江苏省 提出了加快建设现代制造业高地和国际制造业基 地的目标,制造业的规模和水平都上了一个新台 阶。根据《江苏省统计年鉴》的数据,到2008年末 江苏省规模以上制造业生产企业由1998年的 17 516家发展到28 096家,资产总额由8 085.08亿元 增加到2l 510.57亿元,从业人员达897.51万人,经 济总量与市场占有率仅次于广东省,在全国位列第 二。从内部结构看,江苏省制造业存在如下特征: 1.所有制格局 非公有制经济成为主体。制造业市场开放度 较高,行业进入门槛较低,促使多种经济成分积极 进入和竞争。股份有限公司、三资企业和私营企 40 分布来看,苏南地区占制造业中的大部分,其总量 为全省的70.5%。而苏北、苏中地区的比重则逐 年下降。同时,江苏省制造业产业区域的集中度 日渐上升。目前苏州一南京的信息产业带,苏南 沿江新材料和重化工产业带,沿长江两岸新医药 产业带,苏北农副产品、海产品加工产业带是江苏 省产业分布格局显著的几大产业带,这几大产业 带形成于各自的技术和基础优势。 3.产业结构 以劳动密集型为主要特征的传统行业和以技 术资本密集型为特征的高新技术行业在江苏省制 造业构成中都保持着一定的发展速度。江苏省制 造业的二元发展态势在很长一段时期将不会有太 大的改变。 二、预测方法与模型 1.预测方法 灰色系统理论认为对既含有已知信息又含有 未知或非确定信息的系统进行预测,就是对在一 定方位内变化的、与时间有关的灰色过程的预测。 尽管过程中所显示的现象是随机的、杂乱无章的, 但毕竟是有序的、有界的,因此这一数据集合具备 潜在的规律,灰色预测就是利用这种规律,通过 原始数据的处理和灰色模型的建立,发现、掌握系 统发展规律,对系统的未来状态作出科学的定量 预测。灰色系统理论自1982年由邓聚龙教授提 出后,在工业、农业等众多领域得到广泛应用,成 功解决了大量实际问题。灰色系统理论的特点是 “少数据建模”,着重研究概率统计、模糊数学所 难以解决的“小样本”、“贫信息”、不确定性问题, 并依据信息覆盖,通过序列算子的作用探索事物 运动的现实规律。 朱晓东,曹杰:基于GM(1,1)模型的江苏制造业能源消耗需求预测研究 由于制造业能源消耗的数据量有限,本文将 运用基于“小样本”、“贫数据”的GM(1,1)灰色 预测模型来预测能源消耗的需求量。 2.GM(1,1)模型的建模步骤④ 灰色系统理论是用时间数据序列建立系统的 动态模型,把一组离散的、随机的原始数据列经过 m次累加生成规律性强的累加生成序列,从而达 到使原始序列随机性弱化的目的。然后对累加数 据列建模,最后进行m次累减还原成预测值。由 于一般取值为1,并作一次累加生成列建模,即 GM(1,1)模型。 第1步:获得要分析的原始数据序列: ‘。 =( ‘。 (1), ‘。 (2),…, ‘。 ( )); 第2步:对原始数据做一次累加 k ¨ ( )=∑ 1 ( ); =得至0: ‘ =( ’(1), ‘ (2),… ‘ (n)); 第3步:由此,得到微分方程为: +blx㈩( ):6 ; 这是一个1阶1个变量的微分方程,即为GM (1,1)模型。 第4步:若a=[口,b 为参数列,且 ‘。’(1) Y= 。 (2) ● : X‘。 (凡) 一号( l(1) (2)) 一 B= ( 。(2) (3)) i 一号( (n—1) (… 则GM(1,1)模型的最小二乘估计参数列满足 = (B B) B Y。 第5步:求解GM(1,1)模型方程: 得到模型的时间响应序列为 ‘ ’(k+1)= ( (。’(1)一 )e + ;(k:1,2,…,n) “ “ 第6步:对预测值进行一次累减,得到还原值: 未‘。’(k+1)=曼 ’(k+1)一 ‘ (k)(k=1, 2,…, ) 第7步:对得到的预测值进行误差检验。若 预测数列与原始数列拟合的精度高,则直接用于 预测;若预测数列与原始数列拟合的精度不高,则 必须经残差修正后,再进行预测。可以采用相对 误差、后验差比值和小误差概率作为检验拟合精 度的标准,其中相对误差检验最为常用。 首先计算原始数列的方差和标准差,分别记 为s 和S ,再求残差及其方差和标准差,残差 (k)= ‘。 (k)一 ‘。 (k),k=1,2,…,n。记残差 的方差和标准差分别为s;和S ,由此可得: 后检验比值为:c=S2/s。. 小误差概率为:P={£(k)一 <0.6745S }, k=1,2,・一,n. 按后检验比值和小误差概率将预测精度分为 四类,如表1: 表1预测精度评判标准 \ \ 指标 界值 相对误差 关联度 均方差 小误差 精比值 概率 等级\J \ \\ 0【 80 Co Po 一级 O.0l O.90 O.35 0.95 二级 0.05 0.80 0.50 O.80 三级 0.10 0.70 0.65 0.70 四级 O.20 0.6O 0.8O 0.60 三、基础数据及分析 在利用GM(1,1)预测模型来预测未来年份 制造业能源消费需求时,应采用一个历史时期内 制造业能源消费增长的多年统计数据值,本文数 据均来源于《江苏省统计年鉴》1999年_2O08年 的江苏省制造业能源消耗量,将主要能源分为煤 炭(单位:万吨)、焦炭(单位:万吨)、原油(单位: 万吨)、汽油(单位:万吨)、煤油(单位:万吨)、柴 41 阅江学刊:2010年第2期 油(单位:万吨)、燃料油(单位:万吨)、液化石油 因此按照折换参考系数表折算成同一标准计量单 气(单位:万吨)、电力(单位:亿千瓦时)等九类⑧, 位才能汇总、对比和分析。本文采用标准计量单 具体数据见表2。由于原始计量单位、热值不同, 位“万吨标准煤”。 表2江苏省规模以上制造业企业主要能源消费量 单位:万吨标准煤 名称 2001年 2002正 2003年 2004正 2005焦 2006年 2007焦 2008焦 煤炭 8 243.97 8 901.06 10 056.44 11 542.66 14 260.59 16 490.60 17 750.78 20 O0o.28 焦炭 3l1.11 368.27 446.11 618.15 1 057.33 1 562.66 l 908.74 2 270.20 原油 1 383.59 1 312.76 1 422.52 1 705.02 1 865.04 2 250.86 2 293.19 2 444.20 汽油 26.94 29.32 29.87 34.11 33.41 32.07 35.29 40.98 煤油 26.01 62.67 4.O3 5.80 7.78 3.75 3.43 4.40 柴油 62.90 58.57 67.75 90.48 134.35 l17.88 103.58 l14.0o 燃料油 165.03 l52.06 173.51 199.74 302.03 212.52 186.43 177.44 液化石油气 35.20 26.51 33.79 48.97 46.40 53.04 2 244.63 2 2 l 43.37 1 l 1 电力 709.78 804.19 967.53 1 185.o6 1 451.96 1 771.28 ∞∞∞∞∞∞∞∞ 1伽瑚 645.82 咖 1 928.80 伽抛 上述各种能源的消费量分析如图l__9所示 (以下9张图表的单位均为“万吨标准煤”)。 220o0 20 0()0 18 Ooo 1600o 14Ooo l2 o()0 l00o0 8 Ooo 图1 江苏省规模以上制造业企业煤炭消费图 图3 江苏省规模以上制造业企业原油消费图 图2江苏省规模以上制造业企业焦炭消费图 图4江苏省规模以上制造业企业汽油消费图 42 ∞∞加m∞ 舳加∞∞ 朱晓东,曹杰:基于GM(1,1)模型的江苏制造业能源消耗需求预测研究 ——KER0SENE 图5 江苏省规模以上制造业企业煤油消费图 ——DIESEL 图6江苏省规模以上制造业企业柴油消费图 ——FUEL 图7江苏省规模以上制造业企业燃料油消费图 一LPG 图8 江苏省规模以上制造业企业液化石油气消费图 —P0WER 图9 江苏省规模以上制造业企业电力消费图 一EC 图10江苏省规模以上制造业企业能源消费图 (单位:万吨标准煤) 从以上图中可知:煤炭、焦炭、原油、汽油、电 力等能源消耗量逐年上升,煤油、燃料油、液化石 油气的使用量在近几年呈递减状态。 四、实证分析 采用GM(1,1)模型,并以江苏省1999年一 2008年制造业能源消耗数据为原始数列: 令X‘。 =( ‘。 (1), ‘。 (2)…., ‘。 (10)) =(6581.24,6743.95,6878.82,7069. 87,8222.98,11041.13,13748.43, 15401.34,16973.62 18323.77) 引入一阶弱化算子D,令 ‘。 D=( ‘。’(1)d, ‘。’(2)d,… ‘。 (10)d) 其中 ‘。 (I}i)d= ( ‘。 ( )+ ‘。 ( +1)+ …+ ‘。 (10));k=1,2….,10 于是 ‘∽D=(11100.51,11602.65,12209.99, 43 阅江学刊:2010年第2期 12968.73,13951.88,15097.66,16111.79,16899. 全(△。,△ ,…,△ 。) 平均相对误差 △ :0・01234= ・234%<o・o5 58,17648.70,18323.77) 令 ‘。 D=X=( (1),x(2)…., (10)) 则 的1.AGO序列为: 模拟误差△ <0.01,其中k=1,2….10,精度为 X‘ =( ‘ (1), ‘ (2)…., ’(4)) =(11100.51,22703.16,34913.15, 47881.89,61833.77,76931.42,93043. 21,109942.80,127591.50,145915.30) 设 ——_+ +口 、 ,)_b= b dt 按最小二乘法求得参数口,b的估计值 a=一0.058819.6=10709.48 可得GM(1,1)模型白化方程 一0.058819x(1):10709.48 d£ 其时间响应式为 r ( ’(k+1)=193175.29e。・∞。。‘ 一182074.78 I 。 (k+1)= ‘ (k+1)一 ‘ (k) 由此得模拟序列 X=(互(1), (2)…., (10)) =(11100.51,11703.22,12412.24,13164. 21,13961.75,14807.60,15704.69, 16656,14,17665.22,18735.44) 残差序列 £‘。 =(8‘。’(1),£‘。 (2)….,8‘。 (10)) =(0,一100.57,一202.25,一195.48,一 9.87,290.06,407.10,243.45,一l6. 52,一411.67) 相对误差序列 I I’I ' J『)=(0,0.87%,1.66%,1.51%,0.07%,1.92%, 2.53%.1.44%。0.09%。2.25%) 二级。 计算 与 的灰色绝对关联度8: =fI kk =2 Ix(k) 1)]+ (110) 1)]l- =31298.51 =l 9=2 一 I ]+吉[- l0)一 ] I=31088.44 令 。: 【 (后)一 (1)一( (|i})一 (1))], = [ 0)一 )一( 0)一 ))】. 则l;一s I=I l+ I=210.09 从而 1+I s I+l I = 1+I s l+l;I+l;一s 一 ±兰! 墨: ±三 苎苎: 一1+31298.52+31088.44+210.09 =0.997>0.90 故关联度为一级。 计算均方差比C: 1 10 = ( )=14591・53, ( (k)一 ) :6100534.57, S1=2469.93 1 10 ; s( )=0.4252, 1 10 ; ( ( )一;) =56820.37, 所以 S,=238.37 G= SV =2 46 9 93-0.097<0.35 … 。… 1 ● m朱晓东,曹杰:基于GM(1,1)模型的江苏制造业能源消耗需求预测研究 均方差比值为一级。 r ‘ (k+1)=193175.29e。・。 。 一182074.78 计算小误差概率: 【 ‘。 (k+1)= ‘ (k+1)一 ‘ ( ) 0.6745Sl=1665.97 进行预测。这里我们给出7个预测值如下: 8(1)一8I=0.43,l 8(2)一£I=100.99, x‘。 =( ‘。 (11),曼‘。 (12), 。 (13), 3/(3)一s I=202.67,I/3(4)一s I=195.91, ‘。’(14),曼‘。 (15),吏‘。 (16),曼‘。 (17)) £(5)一8 l=10.29,I£(6)一£I=289.64, =(19870.50,21074.32,22351.07,23705.18, 8(7)一£I:406.67,I 8(8)一8l=243.02, 25141.32,26664.46,28279.89) 8(9)一8 J=16.95,I£(1O)一8I=412.10 即2009年_20l5年间江苏省规模以上制造 所以 业企业能源消费量如表4所示: P=P(I 8(Ii})一s I<0.6745S】)=1>0.95 小误差概率为一级,故可用 表3江苏省规模以上制造业企业能源消费总量 单位:万吨标准煤 年份 1999年 2000年 2001钲 2002矩 2003矩 2004正 2005矩 2006矩 2007芷 2008年 I能源消耗量 6 581.24 6 743.95 6 898.78 7 O69.87 8 222.98 l1 041.13 l3 748.43 15 401.34 16 973.62 18 323.77 表4江苏省规模以上制造业企业能源消费预测量 单位:万吨标准煤 1年份 2009年 2010钲 2011年 2012钲 2013焦 2014正 2015年 l能源消耗量 19 870.50 21 O74.32 22 351.07 23 705.18 25 141.32 26 664.46 28 279.89 五、结果分析 减少环境负荷,以较少的能源投入和消耗使利益 最大化,从而实现经济和社会可持续发展的 通过对江苏省1999年—20o8年间能源消耗数 目标。⑨ 据预测出的未来七年的能源消耗量,可以看出江苏 1.发展先进制造技术和提高自主创新能力。 省制造业的能源消耗呈现上升趋势,并得出如下 有意识地进行创新努力和实践,提高我省的科技 结论: 自主创新能力,建设创新型江苏。 1.在政策不变的情况下,未来7年江苏省制 2.大力发展节能技术。为适应目前江苏省 造业的能源消耗将逐年增长。因此,必须采取和 高速发展的经济,要控制高耗能企业的产量并不 贯彻正确的能源战略和相应的政策措施,未来几 可行,所以我们只有从技术上进行改造,或制定相 年江苏省制造业的能源需求才有可能保持相对较 关的行业节能标准,才能将制造业中总的能源消 低的增长速度。 耗量降下来。 2.在保证制造业经济增长目标的前提下,如 3.加快推广新能源与可再生能源的利用,促 果要想减少对能源的消费总量,必须选择新的能 进能源结构多元化、清洁化。江苏省制造业能源 源发展战略。 消费对外依存度高达80%以上,应尽量减少不可 六、对策和建议 再生常规能源的消耗量,依靠强大的科研创新能 力,积极开发和推广使用新能源、可再生能源,例 针对预测结果提出以下对策和建议来调整江 如太阳能、风能、潮汐能等,促进能源消费结构的 苏省制造业的能源消费结构,以期优化能源结构, 多元化、清洁化。 45 阅江学刊:2010年第2期 4.提高能源的利用效率。要让有些能源能 ②鲁成军,邵光黎.中国制造业的能源替代研究——基于分行 业面板数据的分析[J].开发研究,2008(4):1—7. 够重复使用来提高能源利用率。比如通过能源的 多次使用,能源的转换等手段来充分使用能源,从 而提高能源利用率,减少能源消耗。 5.提倡绿色制造。绿色制造是一种综合考 虑资源消耗和环境影响的现代制造模式,其目标 是产品在设计、制造、包装、使用与报废处理的整 个生命周期中,资源利用率最高,对环境的负面影 ③杨中东.对我国制造业的能源替代关系研究[J].当代经济科 学.2007(3):1_7. ④孙海,王元地,许正权.我国制造业能源消耗强度变化的因素 分解——基于结构份额和效率份额视角[J].科技进步与对 策,2009(2O):62—65. ⑤孔婷.能源价格对制造业能源强度调节效应的实证研究[J]. 管理科学,2008(3):2—8. 响最小,同时使企业经济效益和社会效益协调 优化。 ⑥周鸿锦.水泥制造业能源消耗与环境保护现状[J].中国水 泥,2007(7):24—25. ⑦邓聚龙.灰预测与灰决策[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002:103. 6.提倡发展新型制造业。∞新型制造业是依靠 科技创新、降低能源消耗、减少环境污染、增加就 业、提高经济效益、提升竞争能力,实现可持续发展 的和谐制造业,这是构建和谐社会的必然要求。 注释: ①邱晓华表示:制造业是增长的主要源泉[EB/OL].http:// www1.jlj.com.cn/NewsRead/detail.asp?newsid=676735. ⑧国家统计局能源统计司,国家能源局综合司.中国能源统计 年鉴(2005)[M].北京:中国统计出版社,2006:16. ⑨唐德才,李廉水,杜凯.基于资源约束的中国制造业发展路径 研究[J].江苏社会科学,2006(4):31—38. ⑩李廉水,等.中国制造业发展研究报告(2009)[M].北京:科 学出版社。2009. Study on Prediction on Demand of the Energy Consumption of Manufacturing Industry in Jiangsu Based on the GM(1,1)Model ZHU Xiao.dong.CAO Jie (School ofEconomics and Management,Nanjing University fInoformation Science&Technology, Nanjing,210044,China) Abstract:The prediction on energy consumption of manufacturing industry can provide a basis for deci— sion-making of departments at all levels in establishing the energy development strategy.Focusing on the uncer— tainty of enery consumptgion of manufacturing industry,by using GM(1,1)model in grey system theory,the enery consgumption of manufacturing industry during the period of 1999--2008 in Jiangsu Province is simula・ ted.The result of simulation is veriifed by various methods and the projection on the amount of energy con- sumption of manufacturing industry during the period of 2009--2015 is made.The results show that the GM (1,1)model can simulate the data of energy consumption well and has better precision in the simulation.Ac- cording to projection results,analysis is made and the energy measures of manufacturing industyr in Jiangsu Province during the late“Eleventh Five Year’’and“Twelfth Five Year”are proposed. Key words:manufacturing industry;energy consumption;GM(1,1);Jiangsu province (责任编辑:沈丹) 46