CN113051744A - 一种区域大气污染调控方案的评估系统及其评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种区域大气污染调控方案的评估系统和评估方法，所述评估系统包括：仿真系统结构模块，因果关系模块，系统动力学模型模块，计算模块和仿真分析模块。本发明还公开了区域大气污染调控方案的评估方法。本发明利用Vensim软件建立系统动力学模型，通过模拟经济、人口、能源与大气环境之间的相互关系，分析系统内部结构与其动态行为，并与历史数据比较验证模型的真实性和有效性，从而解决了经济社会难以直接试验的问题，为政府决策提供参考。
Description
技术领域
本发明属于大气污染防治领域，具体涉及一种区域大气污染调控方案的评估系统及其评 估方法。
背景技术
为了促进大气污染防治工作顺利有效的进行，专家学者们从协同治理、法律规制、节 能减排、绩效评估等多个方面展开了研究，并在此基础上提出了相应建议，但总体来看，研究视角大多聚集在单方面的影响因素上，无法模拟因素之间的反馈影响和动态交互关系， 无法进行系统整体与局部、内部与外部相结合的系统研究，难以评估政策实施后对于经济、 社会和环境的整体影响。
大气污染综合调控政策的实施会对经济、社会、能源、环境产生多方面的复杂影响， 形成一个极其复杂的大系统，依靠直觉和主观判断制定政策难以确保实施效果，实际实施 测验成本太高，为此，需要借助计算机仿真模拟，模拟并分析不同政策实施的效果，尝试 不同的政策组合，并以此为依据提出相应建议。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于系统动力学模型的区域大气污染 调控方案的评估系统和评估方法，该评估系统和方法利用Vensim软件建立系统动力学模型， 通过模拟经济、人口、能源与大气环境之间的相互关系，分析系统内部结构与其动态行为， 并与历史数据比较验证模型的真实性和有效性，从而解决了经济社会难以直接试验的问题， 为政府决策提供参考。
本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种区域大气污染调控方案的评估系统，包括：
仿真系统结构模块：根据大气环境理论和生态经济学理论建立仿真系统结构模块，其中 包括经济子系统、人口子系统、能源子系统、环境子系统和政府子系统；
因果关系模块：根据所述评估系统的结构和功能，人工选取方案变量，确定变量之间的 因果关系，并绘制成因果回路图；
系统动力学模型模块：根据所述因果关系模块获得的因果关系，利用Vensim软件建立 系统动力学模型，确定系统动力学模型中的仿真变量；
计算模块：根据所述因果关系模块获得的因果关系和系统动力学模型获得的模型，确定 所述仿真变量的数学方程和系数；
仿真分析模块：根据所述计算模块获取的方程与系数添加至所述系统动力学模型获得的 模型中，设置基准情景与模拟情景进行仿真分析。
一种区域大气污染调控方案的评估方法，包括：
步骤1：创建区域大气污染调控方案仿真系统结构
根据大气环境理论和生态经济学理论，明确大气污染调控方案仿真系统包含经济、人口、 能源、环境、政府五个组成部分，各组成部分之间相互影响和制约，且每个部分构成一个 子系统由此创建区域大气污染调控方案仿真系统结构；
所述结构包括经济子系统、人口子系统、能源子系统、环境子系统和政府子系统；
所述经济子系统用于分析经济总量、经济结构和政策实施过程中的经济成本；
所述人口子系统用于分析人口总量以及人口结构变化；
所述能源子系统用于计算能源的消耗量并分析能源结构变化；
所述环境子系统用于分析大气污染物的产生、治理和排放；
所述政府子系统用于根据选取的历史政策措施，分析各种政策的实施效果；
步骤2：确定方案变量与因果关系
根据步骤1中系统的结构和功能，人工选取方案变量，确定变量之间的因果关系，并绘 制成因果回路图；确定历史数据的起止时间，从现有的统计资料中获取所述变量的历史数 据。
其中所述方案变量包括：经济数据，人口数据，能源种类，能源结构，大气污染物种类， 大气污染物来源，经济类政策，产能政策，能源政策，技术进步；
通过因果关系回路图定性描述方案变量之间的因果关系，由两个或两个以上因果关系组 合形成反馈回路，体现系统的动态变化；
步骤3：利用Vensim软件建立系统动力学模型；
根据步骤2中确定的方案变量和因果关系图，人工选取系统动力学模型中的仿真变量， 并利用Vensim软件建立系统动力学模型，
其中所述仿真变量包括状态变量、速率变量和辅助变量，状态变量体现累积的效果，反 映系统状态，速率变量反映状态变化，辅助变量帮助形成完整反馈回路；
步骤4：确定仿真变量的数学方程及方程中的系数
步骤401：根据步骤2获得的因果关系及步骤3获得的模型，确定所述仿真变量的数学 方程；
步骤402：采用专家评估、现有资料借鉴的方式确定部分方程中的系数；
步骤403：将上述获取的方程与部分系数添加至步骤3获得的模型中；
步骤404：对于未确定的方程中的系数，随机确定一组初始值，添加至步骤3获得的模 型中并进行仿真；
步骤405：如仿真值与真实值的相对误差大于20％，则返回步骤404修改系数数值，继 续模拟直至仿真值与真实值数值的相对误差不大于20％结束。
步骤5：仿真分析与预测
将步骤4获取的方程与系数添加至步骤3获得的模型中，设置基准情景与模拟情景进行 仿真分析。
进一步的，所述大气污染物种类包括SO2、NOx、VOCs和烟粉尘。
与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：
本发明提出的区域大气污染调控方案的评估系统和方法真实地模拟了经济、人口、能 源与大气环境之间的相互关系，分析了系统内部结构与其动态行为，并与历史数据比较验 证了模型的真实性和有效性；
建立的系统动力学模型中包含多种大气污染调控政策，可以通过改变政策参数来控制 每项政策是否实施以及实施力度，观察系统中各个变量的变化趋势，分析政策的实施效果 和实施成本，综合考量政策所带来的经济和环境效益；同时可设置多种政策组合，使得多 种政策相互取长补短，寻求最优的政策组合，尽可能的实现经济与环境效益的最大化，解 决了经济社会难以直接试验的问题，为政府决策提供参考。
附图说明
图1是本发明所述的区域大气污染调控方案的评估方法的流程图；
图2是本发明实施例1创建的区域大气污染调控方案结构图；
图3是本发明实施例1的因果关系回路图；
图4是本发明实施例1的确定的系数真实值与仿真值的对比图；其中图4a示出GDP值 真实值与仿真值的对比,图4b示出SO2真实值与仿真值的对比,图4c示出NOx值真实值与仿 真值的对比,图4d示出烟粉尘排放量的真实值与仿真值的对比；以及
图5是本发明实施例1的基准情景与模拟情景结果对比图；其中，图5a示出GDP值的基准情景与模拟情景结果对比图；图5b示出能源消耗总量的基准情景与模拟情景结果对比图；图5c示出SO2的基准情景与模拟情景结果对比图；图5d示出NOx排放量的基准情景 与模拟情景结果对比图；图5e示出烟粉尘排放量的基准情景与模拟情景结果对比图；图5f 示出VOCs排放量的基准情景与模拟情景结果对比图；
图6是本发明实施例1利用Vensim软件建立系统动力学模型中经济子系统的仿真流图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合 本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种区域大气污染调控方案的评估方法，包括：
步骤1：创建区域大气污染调控方案仿真系统结构
大气污染物种类考虑SO2、NOx、VOCs和烟粉尘四种污染物，从大气污染物来源分析， 大气污染物主要由化石能源消耗产生，能源消耗主要发生于工业生产和居民生活，而大气 污染调控方案通常包括经济类政策(如环保税等)、产能政策(如淘汰落后产能等)、能源 政策(如煤改气、煤改电等)、技术进步(如污染物末端治理等)，实施过程中会对经济、社会、能源、环境产生多方面的复杂影响，为保证真实地模拟经济、人口、能源与大气环 境之间的相互关系，综合评估大气污染调控方案的环境和经济效益，确定仿真系统包括经济、人口、能源、环境、政府五个子系统。
如图2所示，所述结构包括经济、人口、能源、环境、政府五个子系统。其中环境子系统主要分析大气污染物的产生、治理和排放；能源子系统考虑煤、石油、天然气、电、可 再生能源五种，计算各种能源的消耗量并分析能源结构变化；人口子系统分析人口总量以 及人口结构变化，人口结构影响经济发展；经济子系统主要分析经济总量、经济结构和政 策实施过程中的经济成本，除包括能源工业、冶金建材业、装备制造业、轻工业和高技术 产业各工业行业的产值外还包括第一、三产业和建筑业产值；政府子系统主要包括政府实 施的各项政策措施，分析各种政策的实施效果。
步骤2：确定方案变量与因果关系
根据步骤1中系统的结构和功能，人工选取方案变量，确定变量之间的因果关系，并绘 制成因果回路图；确定历史数据的起止时间，从现有的统计资料中获取所述变量的历史数 据。
选取的方案变量如下：
经济子系统：各行业产值、各行业固定资产、各行业固定资产投资、GDP、人均GDP；
人口子系统：总人口、出生人口、死亡人口、机械人口、各行业劳动力；
能源子系统：各行业煤炭、石油、天然气、电力消耗量，生活用油、用煤、用气、用电量、清洁能源消耗量、本地发电量、外部购电量、火力发电量、清洁能源发电量、火电装 机容量、清洁能源装机容量、清洁能源发电比例；
环境子系统：各行业污染物产生量、各行业污染物排放量、污染物去除率、生活污染物 排放量、环境污染度；
政策子系统：污染治理成本、环保税、煤改气、煤改电、各行业能源变动成本、清洁能 源发电比例目标、清洁能源政策成本、各行业产能变化率、单位GDP能耗目标、能耗控制政策因子、能源设备投资增量、政策实施成本。
通过因果关系回路图定性描述仿真变量之间的因果关系，由两个或两个以上因果关系组 合形成反馈回路，体现系统的动态变化；如图3所示，其中最主要的因果回路为行业产值 增长，能源消耗增多，污染物排放增多，环境质量下降，环境成本增多，对产值增长产生 不利影响；同时，总人口增多，劳动力总量增多，产值增长且生活能源消耗增多，生活污染物排放增多，环境质量下降，死亡人口增多，总人口减少；大气污染防治政策使得能源 消耗总量减少以减少污染物产生量，或直接减少污染物排放量。
确定数据的起止时间为2006-2017年，从现有统计资料可获得所述变量的统计数据，部 分数据如表1-1和表1-2所示。
表1-1区域大气污染调控方案仿真系统中主要数据
表1-2区域大气污染调控方案仿真系统中主要数据
步骤3：利用Vensim软件建立系统动力学模型；
根据步骤2中绘制的因果关系图，确定系统动力学模型中的仿真变量，并利用Vensim 软件建立系统动力学模型，以便进行定量计算。其中所述仿真变量包括状态变量、速率变 量和辅助变量，状态变量体现累积的效果，反映系统状态，速率变量反映状态变化，辅助 变量帮助形成完整反馈回路。图6示例的示出利用Vensim软件建立系统动力学模型中经济 子系统的仿真流图。
在模型中，总人口、固定资产、产值、单位产值能源消耗、装机容量设置为状态变量， 与状态变量变化相关的变量如产值增长量、固定资产投资、出生人口、死亡人口、装机容 量增长量等，设置为速率变量，能源消耗总量、污染物排放量、政策参数等设置为辅助变量。
步骤4：根据步骤2获得的因果关系及步骤3获得的模型，确定各子系统的所述仿真变 量的数学方程；采用专家评估、现有资料借鉴的方式确定部分方程中的系数，如：污染物治理成本、能源变动成本、污染物排放因子、环境污染度等；再将上述获取的方程与部分 系数添加至步骤3获得的模型中；对于未确定的方程中的系数，随机确定一组初始值，添 加至步骤3获得的模型中并进行仿真；如仿真值与真实值的相对误差大于20％，则返回步骤 404修改系数数值，继续模拟直至仿真值与真实值数值的相对误差不大于20％结束。
收集整理模型所需的各项数据，以天津2006-2017年统计数据为标准，依据上述因果关 系及系统流图，运用数据拟合、专家评估、资料借鉴等方式确立主要方程及参数，如下所 示：
(1)经济子系统
经济子系统中行业划分为第一产业、第三产业、建筑业、能源工业、冶金建材业、装备 制造业、轻工业和高技术产业，各行业计算公式相同，仅部分系数不同。
第三产业固定资产＝INTEG(第三产业资产投资-第三产业资产折旧，909.098)
第三产业产值增长率＝0.427·第三产业固定资产增长率+0.304·第三产业劳动力增长率
第三产业产值增长量＝第三产业产值增长率*第三产业总产值/(1+0.05*环境污染度)
第三产业总产值＝INTEG(第三产业产值增长量-第三产业产值减少量，1917.67)
(2)人口子系统
总人口＝INTEG(出生人口+机械人口-死亡人口，1075)
总劳动力＝总人口*劳动力占比
死亡人口＝总人口*死亡率*(1+环境污染度*0.01)
(3)能源子系统
能源子系统中包括煤、石油、天然气、电、可再生能源五种能源，可计算经济子系统中每个行业生产过程中对于各种能源的消耗量，可再生能源主要由发电厂发电消耗。
各行业各能源消耗量＝各行业产值*各行业各能源单位产值消耗量
生活各能源消耗量＝人均各能源消耗量*总人口
本地发电量＝用电总需求-外部购电量
(4)环境子系统
环境子系统包含SO2、NOx、VOCs和烟粉尘五种污染物，每种污染物的排放量计算方法相同。
SO2排放量＝工业SO2排放量+火力发电SO2排放量+生活SO2排放量
(5)政府子系统
政府子系统包括大气污染防治措施以及实施过程中的经济成本，系统可模拟的政策如 表2所示，部分方程式如下所示。
表2可模拟的政策
第三产业单位产值煤炭减少量＝第三产业单位产值煤炭消耗*(能耗控制政策因子+煤改气)
第三产业单位产值天然气增长量＝ 第三产业单位产值天然气初始增长量+煤改气*第三产业单位产值煤炭消耗*0.7143/13.3
能源设备投资增量＝初始能源设备投资*能耗控制政策因子
在建模过程中，为了确定关系式中部分参数，利用了已有的历史数据，进行拟合和仿 真分析，部分参数如表3所示。
表3区域大气污染调控方案仿真系统中部分参数
| SO<sub>2</sub>排放因子 | NOx排放因子 | VOCs排放因子 | 烟粉尘排放因子 | |
| 煤炭燃烧 | 9.6 | 4 | 2.16 | 1.89 |
| 石油燃烧 | 3 | 9.62 | 2.88 | 0.5 |
| 天然气燃烧 | - | 2.09 | 0.12 | - |
| 火力发电 | 9.6 | 8.19 | 2.16 | 5.25 |
将上述方程与参数添加至系统流图中，设置以年为单位，仿真步长为1，起始年为2006 年，终止年为2017年，利用Vensim软件对所构建的“区域大气污染调控方案仿真系统”进行模拟，其中GDP值，SO2，NOx和烟粉尘排放量的真实值与仿真值模拟结果如图4所示。
从图4可知，仿真值与真实值的符合程度较好，变化趋势基本相同，GDP总量逐步上升，自2014年起，污染物排放量呈现大幅下降趋势，到2017年各污染物排放量仅为2014 年的三分之一左右，与实际情况基本一致。总体来说，模型能够较为准确得描述研究系统 的基本现状，系统参数设置合理，具有良好的预测效果，模型预测结果可信。
步骤5：仿真分析与预测
将步骤4获取的方法与参数添加至步骤3获得的模型中，设置起始年为2006年，终止 年为2030年。从现有统计资料中获取2018、2019年初始数据。对于劳动力比例、固定资产投资比例等由表函数确定的变量，根据历年统计资料与专家预测结果进行推算，得到2020-2030年预测数据。将上述数据输入模型中，保持政策变量的取值不变，运行模型得到基准情景。
在模型中，可通过修改起始和终止年份，相应改变存量初始值和部分辅助变量取值， 实现对未来经济社会和能源环境发展预测；同时，通过调整政策参数取值，可以模拟不同 政策及政策组合的实施效果，同时得到政策实施的经济成本。在此设置模拟情景，修改2018-2030年的政策参数，参数设置如表4所示，结果如图5所示。
表4基准情景与模拟情景政策参数设置表
由上述结果可知，实施大气污染防治措施时，污染物排放量减少，空气质量改善，同 时也会对GDP产生负面影响，因此可利用模型分析不同政策的减排效果和经济影响，不断 修改政策参数并仿真，筛选出最优的政策组合方式和政策实施强度，在保证空气质量达标 的同时减少经济损失，实现经济与环境双赢。
以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参 照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等 同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案 的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本 发明所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种区域大气污染调控方案的评估系统，其特征在于，包括：
仿真系统结构模块：根据大气环境理论和生态经济学理论建立仿真系统结构模块，其中包括经济子系统、人口子系统、能源子系统、环境子系统和政府子系统；
因果关系模块：根据所述评估系统的结构和功能，人工选取方案变量，确定变量之间的因果关系，并绘制成因果回路图；
系统动力学模型模块：根据所述因果关系模块获得的因果关系，利用Vensim软件建立系统动力学模型，确定系统动力学模型中的仿真变量；
计算模块：根据所述因果关系模块获得的因果关系和系统动力学模型获得的模型，采用专家评估、现有资料借鉴的方式确定部分方程中的系数；对于未确定的方程中的系数，随机确定一组初始值，添加至所述模型中进行仿真；如仿真值与真实值的相对误差大于20％，则修改未确定的系数数值，继续模拟直至仿真值与真实值数值的相对误差不大于20％结束；经过计算获得全部确定的系数；
仿真分析模块：根据所述计算模块获取的方程与系数添加至所述系统动力学模型获得的模型中，设置基准情景与模拟情景进行仿真分析。
2.一种区域大气污染调控方案的评估方法，其特征在于，包括：
步骤1：创建区域大气污染调控方案仿真系统结构
根据大气环境理论和生态经济学理论，明确大气污染调控方案仿真系统包含经济、人口、能源、环境、政府五个组成部分，各组成部分之间相互影响和制约，且每个部分构成一个子系统，由此创建区域大气污染调控方案仿真系统结构；
所述结构包括经济子系统、人口子系统、能源子系统、环境子系统和政府子系统；
所述经济子系统用于分析经济总量、经济结构和政策实施过程中的经济成本；
所述人口子系统用于分析人口总量以及人口结构变化；
所述能源子系统用于计算能源的消耗量并分析能源结构变化；
所述环境子系统用于分析大气污染物的产生、治理和排放；
所述政府子系统用于根据选取的历史政策措施，分析各种政策的实施效果；
步骤2：确定方案变量与因果关系
根据步骤1中系统的结构和功能，人工选取方案变量，确定变量之间的因果关系，并绘制成因果回路图；确定历史数据的起止时间，从现有的统计资料中获取所述变量的历史数据；
通过因果关系回路图定性描述方案变量之间的因果关系，由两个或两个以上因果关系组合形成反馈回路，体现系统的动态变化；
步骤3：利用Vensim软件建立系统动力学模型；
根据步骤2中确定的方案变量和因果关系图，人工选取系统动力学模型中的仿真变量，并利用Vensim软件建立系统动力学模型；
步骤4：确定仿真变量的数学方程及方程中的系数
步骤401：根据步骤2获得的因果关系及步骤3获得的模型，确定所述仿真变量的数学方程；
步骤402：采用专家评估、现有资料借鉴的方式确定部分方程中的系数；
步骤403：将上述获取的方程与部分系数添加至步骤3获得的模型中；
步骤404：对于未确定的方程中的系数，随机确定一组初始值，添加至步骤3获得的模型中并进行仿真；
步骤405：如仿真值与真实值的相对误差大于20％，则返回步骤404修改系数数值，继续模拟直至仿真值与真实值数值的相对误差不大于20％结束；
步骤5：仿真分析与预测
将步骤4获取的方程与系数添加至步骤3获得的模型中，设置基准情景与模拟情景进行仿真分析。
3.根据权利要求2所述的区域大气污染调控方案的评估方法，其特征在于，所述方案变量包括：经济数据，人口数据，能源种类，能源结构，大气污染物种类，大气污染物来源，经济类政策，产能政策，能源政策，技术进步。
4.根据权利要求2所述的区域大气污染调控方案的评估方法，其特征在于，所述仿真变量包括状态变量、速率变量和辅助变量，状态变量体现累积的效果，反映系统状态，速率变量反映状态变化，辅助变量帮助形成完整反馈回路。
5.根据权利要求2所述的区域大气污染调控方案的评估方法，其特征在于，所述大气污染物种类包括SO2、NOx、VOCs和烟粉尘。
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