构建区域内煤炭资源合理产能系统模型

目前,煤炭在我国的能源消费结构中仍居主导地位,经济社会的发展离不开煤炭资源,而作为一种非可再生资源,对其的开发能达到安全、绿色和高效三方面基本要求的全部产能仅占全国煤炭产量的1/3左右。在现有煤炭开采技术条件下,中国煤炭产量已经大大超出了煤炭行业在资源
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  目前,煤炭在我国的能源消费结构中仍居主导地位,经济社会的发展离不开煤炭资源,而作为一种非可再生资源,对其的开发能达到安全、绿色和高效三方面基本要求的全部产能仅占全国煤炭产量的1/3左右。在现有煤炭开采技术条件下,中国煤炭产量已经大大超出了煤炭行业在资源、环境、安全等方面所承载的生产能力。因此合理、规范、科学地开采煤炭资源,对于解决煤炭资源浪费、产能过剩、缓解环境承载力问题和加快煤炭产业结构调整等具有重要意义,同时也将为我国煤炭行业的可持续发展提供基本保障。

  当前,结合区域经济发展和煤炭企业成本、利润来定量分析与预测煤炭资源合理产能的研究并不多。张士强等探讨了以经济调控为主的煤炭产能调控机制建立方法。李瑞峰对煤炭科学产能的影响因素和实现机制进行了探讨。区域内煤炭资源合理产能系统是一个受区域经济发展、煤炭企业成本控制、安全生产、环境承载力等多重约束条件影响的复杂大系统,而系统动力学理论为我们分析并预测煤炭合理产能提供了有效的研究方法 .

  1 系统模型构建
  
  1.1 建模目的及边界确定
  本文建立的区域内煤炭资源合理产能系统模型的边界确定为某个区域内的主要煤炭矿区,目的是综合分析区域内经济发展水平并结合整个煤炭企业煤炭总成本 (包括安全生产投入、环境成本、职工薪酬、税费)对煤炭产能的制约影响,从而得出区域内煤炭资源的一个合理、适度的生产能力。

  1.2 绘制因果关系图
  区域内煤炭资源合理产能系统是一个多变量、多重反馈回路的非线性动态系统,受到多种影响因素的促进或制约。本文运用系统动力学原理和方法对区域内煤炭资源合理产能系统的特点进行分析,绘制出区域内煤炭资源合理产能系统因果关系,见图1.【图1】
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  由图1可以看出,在区域内煤炭资源合理产能系统因果关系图的6个反馈回路中既有正相关关系又有负相关关系。

  (1)回路1:
  ↑区域煤炭合理产能→↑区域内煤炭消费量→↑区域内煤炭动用量→↑区域内煤炭生产量→↑区域煤炭合理产能。

  (2)回路2:
  ↑区域煤炭合理产能→↑区域内煤炭消费量→↑区域内煤炭动用量→↑(环境成本、煤炭安全生产成本、员工薪酬)→↑区域内煤炭总成本→↓企业利润→↓企业经济合理度→↓区域煤炭产能综合合理度→↓区域煤炭合理产能。

  (3)回路3:
  ↑区域煤炭合理产能→↑区域内煤炭消费量→↑区域生产总值→↑区域内经济合理度→↑区域煤炭产能综合合理度→↑区域煤炭合理产能。

  (4)回路4:
  ↑区域煤炭合理产能→↑区域内煤炭消费量→↑区域内煤炭价格→↑企业利润→↑企业经济合理度→↑区域煤炭产能综合合理度→↑区域煤炭合理产能。

  (5)回路5:
  ↑区域煤炭产能综合合理度→↑政策增支→↑区域内煤炭价格→↑企业利润→↑企业经济合理度→↑区域煤炭产能综合合理度。

  (6)回路6:
  ↑区域煤炭产能综合合理度→↑政策增支→↑GDP增长率→↑期望区域生产总值→↑区域内经济合理度→↑区域煤炭产能综合合理度。

  1.3 建立系统流图
  在以上因果关系图的基础上,确定可采储量、期望区域生产总值、区域煤炭合理产能为状态变量,相应的区域内煤炭动用量、生产总值增加值、区域内煤炭生产量为速率变量,利用系统动力学建模软件Vensim建立区域内煤炭资源合理产能系统流图,如图2所示。【图2】
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  1.4 系统方程
  从上述区域内煤炭资源合理产能系统流图中可以看出,该系统包含3个状态变量L和3个速率变量R,其他变量为辅助变量A或常量C.如下表1所示本文中构建的模型所用到的具体变量。建立区域内煤炭资源合理产能系统主要方程式如表2所示。【表2】

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  2 系统模型仿真试验
  
  2.1 模型检验
  本文中建立的系统仿真模型能否准确可靠地反映出真实系统,将直接决定变量分析和模型仿真效果的好坏。因此,必须首先对模型进行有效性验证。经过多次研究分析,模型的边界、因果关系、各变量的定义以及方程式均通过检验。凭借Ven-sim建模软件自带的提示纠错和警告命令来检查模型的准确度,结果显示模型不存在错误,已通过运行检验。最后将模拟得出的数据与真实数据进行比较。该模型的数据来源是:山东省能源统计年鉴公布的相关数据、山东省煤炭工业局提供的煤炭储量、开采量和煤炭价格等以及山东省主要煤炭企业提供的煤炭成本类数据。运用所建立的区域内煤炭资源合理产能模型,输入山东省2003-2007年煤炭资源的历史数据,得出山东省2008-2012年的仿真值。

  图3所示的是区域内煤炭资源合理产能仿真值和真实值的比较图,从图中可以看出,区域内煤炭资源合理产能仿真值与真实值拟合度较好,相对误差小于10%,说明模型通过检验,可以用来预测未来煤炭资源合理产能情况。同时,模型输出的仿真值低于煤炭实际产量,这是由于过去几年煤炭企业为了尽可能满足区域内的煤炭需求而过度开采煤炭资源,造成了煤炭开采量大于实际应开采量。
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  2.2 模型仿真预测
  利用前面构建的系统动力学模型,可以对区域内煤炭资源合理产能情况 (以山东省为例)进行仿真预测。模型仿真起始年为2013年,终止 年为2022年,取仿真时间步长为1年。《山东省煤炭工业发展 “十二五”规划》预计未来山东省GDP年增长率为9%左右,到2020年山东省国民生产总值将实现84068亿元。因此,对山东省的煤炭合理产能作以下3种方案的模拟:

  (1)方案1(低方案):省内GDP增长率为7.8%,2013年煤炭企业利润期望值为279亿元,煤炭安全生产成本210亿元,环境成本19.4亿元,员工薪酬223.1亿元。

  (2)方案2(中方案):省内GDP增长率为9%,2013年煤炭企业利润期望值为322亿元,煤炭安全生产成本242亿元,环境成本22.4亿元,员工薪酬257.4亿元。

  (3)方案3(高方案):省内GDP增长率为9.5%,2013年煤炭企业利润期望值为340亿元,煤炭安全生产成本255.7亿元,环境成本23.6亿元,员工薪酬271.7亿元。

  将区域内煤炭资源合理产能系统模型在Ven-sim环境下运行,通过调整GDP增长率、期望企业利润、煤炭安全生产成本、环境成本、员工薪酬等变量的数值,可以得到上述3种方案的仿真模拟结果,如图4所示。【图4】
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  3 结论
  本文基于系统动力学原理,构建了区域内煤炭资源合理产能系统模型。通过对模型进行有效性验证,得到了与实际数据较为接近的仿真结果,表明了该系统模型的可行性和有效性。然后,利用该系统模型对未来10年区域内煤炭资源的合理生产能力进行了预测。从仿真输出的结果可以看出,3种不同的区域经济发展速度和煤炭企业期望利润、煤炭总成本的投入会产生不同的煤炭资源合理产能,低方案下的煤炭资源合理产能最小,高方案的煤炭资源合理产能最大。由于国家大力强调控制和减少化石能源消费总量,逐步提高清洁能源的使用比例。因此3种方案下的煤炭资源合理产能之差并不大,而且 煤 炭 资 源 合 理 产 能 都 有 下 降 趋 势,到2020年生产能力趋于平稳状态。鉴于山东省是我国煤炭资源消费大省,且煤炭储量不断下降,所以更应该合理控制煤炭资源开采量,以保证煤炭工业的可持续发展。

  参考文献
  [1] 谢和平。煤炭科学产能及发展战略初探 [J].中国工程科学,2011(13)
  [2] 张士强,曾宪迪。煤炭产能调控机制初探 [J].中国煤炭,2013(2)
  [3] 齐琪,张金锁,杰瑞·C·田。宏、微观视角下的我国煤炭科学产能内涵研究。中国煤炭,2012(8)
  [4] 王其藩。复杂大系统综合动态分析与模型体系[J].管理科学学报,1999(2)
  [5] 孙玉峰。煤炭资源开发系统动态仿真研究 [J].煤炭学报,2008(2)

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