馮夕文 閻 冬 賈紅果

（山東科技大學，山東省青島市，266590）

目前，煤炭在我國的能源消費結構中仍居主導地位，經(jīng)濟社會的發(fā)展離不開煤炭資源，而作為一種非可再生資源，對其的開發(fā)能達到安全、綠色和高效三方面基本要求的全部產(chǎn)能僅占全國煤炭產(chǎn)量的1／3左右。在現(xiàn)有煤炭開采技術條件下，中國煤炭產(chǎn)量已經(jīng)大大超出了煤炭行業(yè)在資源、環(huán)境、安全等方面所承載的生產(chǎn)能力。因此合理、規(guī)范、科學地開采煤炭資源，對于解決煤炭資源浪費、產(chǎn)能過剩、緩解環(huán)境承載力問題和加快煤炭產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整等具有重要意義，同時也將為我國煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供基本保障。

當前，結合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和煤炭企業(yè)成本、利潤來定量分析與預測煤炭資源合理產(chǎn)能的研究并不多。張士強等探討了以經(jīng)濟調(diào)控為主的煤炭產(chǎn)能調(diào)控機制建立方法。李瑞峰對煤炭科學產(chǎn)能的影響因素和實現(xiàn)機制進行了探討。區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)是一個受區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、煤炭企業(yè)成本控制、安全生產(chǎn)、環(huán)境承載力等多重約束條件影響的復雜大系統(tǒng)，而系統(tǒng)動力學理論為我們分析并預測煤炭合理產(chǎn)能提供了有效的研究方法。

1 系統(tǒng)模型構建

1.1 建模目的及邊界確定

本文建立的區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)模型的邊界確定為某個區(qū)域內(nèi)的主要煤炭礦區(qū)，目的是綜合分析區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展水平并結合整個煤炭企業(yè)煤炭總成本 （包括安全生產(chǎn)投入、環(huán)境成本、職工薪酬、稅費）對煤炭產(chǎn)能的制約影響，從而得出區(qū)域內(nèi)煤炭資源的一個合理、適度的生產(chǎn)能力。

1.2 繪制因果關系圖

區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)是一個多變量、多重反饋回路的非線性動態(tài)系統(tǒng)，受到多種影響因素的促進或制約。本文運用系統(tǒng)動力學原理和方法對區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)的特點進行分析，繪制出區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)因果關系，見圖1。

圖1 區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)因果關系圖

由圖1可以看出，在區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)因果關系圖的6個反饋回路中既有正相關關系又有負相關關系。

（1）回路1：↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能→↑區(qū)域內(nèi)煤炭消費量→↑區(qū)域內(nèi)煤炭動用量→↑區(qū)域內(nèi)煤炭生產(chǎn)量→↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能。

（2）回路2：↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能→↑區(qū)域內(nèi)煤炭消費量→↑區(qū)域內(nèi)煤炭動用量→↑ （環(huán)境成本、煤炭安全生產(chǎn)成本、員工薪酬）→↑區(qū)域內(nèi)煤炭總成本→↓企業(yè)利潤→↓企業(yè)經(jīng)濟合理度→↓區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度→↓區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能。

（3）回路3：↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能→↑區(qū)域內(nèi)煤炭消費量→↑區(qū)域生產(chǎn)總值→↑區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟合理度→↑區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度→↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能。

（4）回路4：↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能→↑區(qū)域內(nèi)煤炭消費量→↑區(qū)域內(nèi)煤炭價格→↑企業(yè)利潤→↑企業(yè)經(jīng)濟合理度→↑區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度→↑區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能。

（5）回路5：↑區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度→↑政策增支→↑區(qū)域內(nèi)煤炭價格→↑企業(yè)利潤→↑企業(yè)經(jīng)濟合理度→↑區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度。

（6）回路6：↑區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度→↑政策增支→↑GDP 增長率→↑期望區(qū)域生產(chǎn)總值→↑區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟合理度→↑區(qū)域煤炭產(chǎn)能綜合合理度。

1.3 建立系統(tǒng)流圖

在以上因果關系圖的基礎上，確定可采儲量、期望區(qū)域生產(chǎn)總值、區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能為狀態(tài)變量，相應的區(qū)域內(nèi)煤炭動用量、生產(chǎn)總值增加值、區(qū)域內(nèi)煤炭生產(chǎn)量為速率變量，利用系統(tǒng)動力學建模軟件Vensim 建立區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)流圖，如圖2所示。

1.4 系統(tǒng)方程

從上述區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)流圖中可以看出，該系統(tǒng)包含3個狀態(tài)變量L 和3個速率變量R，其他變量為輔助變量A 或常量C。如下表1所示本文中構建的模型所用到的具體變量。

圖2 區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)流圖

表1 區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)模型的具體變量表

中文變量 英文變量期望區(qū)域生產(chǎn)總值CQSZZ期望煤炭綜合合理度 CQZHD區(qū)域煤炭合理產(chǎn)能LMHCN

建立區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)主要方程式如表2所示。

2 系統(tǒng)模型仿真試驗

2.1 模型檢驗

本文中建立的系統(tǒng)仿真模型能否準確可靠地反映出真實系統(tǒng)，將直接決定變量分析和模型仿真效果的好壞。因此，必須首先對模型進行有效性驗證。經(jīng)過多次研究分析，模型的邊界、因果關系、各變量的定義以及方程式均通過檢驗。憑借Vensim 建模軟件自帶的提示糾錯和警告命令來檢查模型的準確度，結果顯示模型不存在錯誤，已通過運行檢驗。最后將模擬得出的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)進行比較。該模型的數(shù)據(jù)來源是：山東省能源統(tǒng)計年鑒公布的相關數(shù)據(jù)、山東省煤炭工業(yè)局提供的煤炭儲量、開采量和煤炭價格等以及山東省主要煤炭企業(yè)提供的煤炭成本類數(shù)據(jù)。運用所建立的區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能模型，輸入山東省2003-2007年煤炭資源的歷史數(shù)據(jù)，得出山東省2008-2012年的仿真值。

表2 區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)主要方程式表

圖3 區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能仿真值和真實值的比較圖

圖3所示的是區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能仿真值和真實值的比較圖，從圖中可以看出，區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能仿真值與真實值擬合度較好，相對誤差小于10%，說明模型通過檢驗，可以用來預測未來煤炭資源合理產(chǎn)能情況。同時，模型輸出的仿真值低于煤炭實際產(chǎn)量，這是由于過去幾年煤炭企業(yè)為了盡可能滿足區(qū)域內(nèi)的煤炭需求而過度開采煤炭資源，造成了煤炭開采量大于實際應開采量。

2.2 模型仿真預測

利用前面構建的系統(tǒng)動力學模型，可以對區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能情況 （以山東省為例）進行仿真預測。模型仿真起始年為2013 年，終止年為2022年，取仿真時間步長為1年?！渡綎|省煤炭工業(yè)發(fā)展 “十二五”規(guī)劃》預計未來山東省GDP 年增長率為9%左右，到2020年山東省國民生產(chǎn)總值將實現(xiàn)84068億元。因此，對山東省的煤炭合理產(chǎn)能作以下3種方案的模擬：

（1）方案1 （低方案）：省內(nèi)GDP 增長率為7.8%，2013年煤炭企業(yè)利潤期望值為279 億元，煤炭安全生產(chǎn)成本210億元，環(huán)境成本19.4億元，員工薪酬223.1億元。

（2）方案2 （中方案）：省內(nèi)GDP 增長率為9%，2013年煤炭企業(yè)利潤期望值為322億元，煤炭安全生產(chǎn)成本242 億元，環(huán)境成本22.4 億元，員工薪酬257.4億元。

（3）方案3 （高方案）：省內(nèi)GDP 增長率為9.5%，2013年煤炭企業(yè)利潤期望值為340 億元，煤炭安全生產(chǎn)成本255.7億元，環(huán)境成本23.6億元，員工薪酬271.7億元。

將區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)模型在Vensim 環(huán)境下運行，通過調(diào)整GDP 增長率、期望企業(yè)利潤、煤炭安全生產(chǎn)成本、環(huán)境成本、員工薪酬等變量的數(shù)值，可以得到上述3種方案的仿真模擬結果，如圖4所示。

圖4 區(qū)域內(nèi)煤炭合理產(chǎn)能仿真結果

3 結論

本文基于系統(tǒng)動力學原理，構建了區(qū)域內(nèi)煤炭資源合理產(chǎn)能系統(tǒng)模型。通過對模型進行有效性驗證，得到了與實際數(shù)據(jù)較為接近的仿真結果，表明了該系統(tǒng)模型的可行性和有效性。然后，利用該系統(tǒng)模型對未來10年區(qū)域內(nèi)煤炭資源的合理生產(chǎn)能力進行了預測。從仿真輸出的結果可以看出，3種不同的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展速度和煤炭企業(yè)期望利潤、煤炭總成本的投入會產(chǎn)生不同的煤炭資源合理產(chǎn)能，低方案下的煤炭資源合理產(chǎn)能最小，高方案的煤炭資源合理產(chǎn)能最大。由于國家大力強調(diào)控制和減少化石能源消費總量，逐步提高清潔能源的使用比例。因此3種方案下 的煤炭資源合理產(chǎn)能之差并不大，而且煤炭資源合理產(chǎn)能都有下降趨勢，到2020年生產(chǎn)能力趨于平穩(wěn)狀態(tài)。鑒于山東省是我國煤炭資源消費大省，且煤炭儲量不斷下降，所以更應該合理控制煤炭資源開采量，以保證煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ 謝和平.煤炭科學產(chǎn)能及發(fā)展戰(zhàn)略初探 ［J］.中國工程科學，2011 （13）

［2］ 張士強，曾憲迪.煤炭產(chǎn)能調(diào)控機制初探 ［J］.中國煤炭，2013（2）

［3］ 齊琪，張金鎖，杰瑞·C·田.宏、微觀視角下的我國煤炭科學產(chǎn)能內(nèi)涵研究.中國煤炭，2012 （8）

［4］ 王其藩.復雜大系統(tǒng)綜合動態(tài)分析與模型體系［J］.管理科學學報，1999 （2）

［5］ 孫玉峰.煤炭資源開發(fā)系統(tǒng)動態(tài)仿真研究 ［J］.煤炭學報，2008 （2）