第二節(jié)  能源系統(tǒng)工程的基本方法

能源系統(tǒng)工程中的基本方法有仿真方法、最優(yōu)化方法和評價方法。

仿真是利用各種數(shù)學(xué)公式(函數(shù)式、微分方程、矩陣等)或圖形客觀地描述能源系統(tǒng)各要素的活動，以及各要素之間的相互關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計算。它可以用于研究各種可能出現(xiàn)的條件或者人們期望的情況下，系統(tǒng)發(fā)展變化的趨勢和后果。因而仿真方法可以取代或者減少那些費用昂貴的試驗，提供預(yù)測和分析的手段。

最優(yōu)化方法不僅是對能源系統(tǒng)的客觀描述和分析，它尋求的是最佳方案，即以仿真模型或初期計劃為基礎(chǔ)，建立優(yōu)化分析的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到能源系統(tǒng)整體目標(biāo)的最優(yōu)或最令人滿意的方案。最優(yōu)化方法及其計算結(jié)果，比人們以常規(guī)經(jīng)驗作出的決策要好得多。

評價方法通常用于對各種優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行分析和對比，判定并研究它們是否能夠真正使用，能否獲得預(yù)期的效果。上述三種方法通常聯(lián)合運用，以取得能源系統(tǒng)的整體最佳效果。

在能源系統(tǒng)工程中常用的仿真方法有投入產(chǎn)出分析;在最優(yōu)化方法中多用線性規(guī)劃;層次分析則常在評價方法中使用。

一、能源投入產(chǎn)出分析法

(一)概述和預(yù)備知識

1.預(yù)備知識

能源問題同樣是經(jīng)濟(jì)問題的一種，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及能源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中凸現(xiàn)出越來越重要的作用，人們將分析經(jīng)濟(jì)問題的許多方法也用于能源問題的研究，投入產(chǎn)出分析法就是一種。投入產(chǎn)出分析法在定量研究社會總產(chǎn)品再生產(chǎn)過程中的某些經(jīng)濟(jì)規(guī)律方面越來越得到廣泛應(yīng)用。投入產(chǎn)出分析中的投入，是指生產(chǎn)過程中投入的勞動對象、勞動資料和活勞動的數(shù)量，產(chǎn)出是指產(chǎn)品的分配使用方向及其數(shù)量。投入產(chǎn)出分析首先將各部門的投入和產(chǎn)出編制成一張棋盤式的投入產(chǎn)出表，然后利用這一模型以及矩陣運算和計算機(jī)算法來綜合地分析和考察國民經(jīng)濟(jì)各部門在產(chǎn)品的生產(chǎn)和消耗之間的綜合平衡。投入產(chǎn)出分析法也能夠?qū)ξ磥磉M(jìn)行預(yù)測，還能夠?qū)?jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)效益、經(jīng)濟(jì)政策和商品價格等問題進(jìn)行綜合分析。

20世紀(jì)30年代，美籍俄裔經(jīng)濟(jì)學(xué)家列昂杰夫在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了投入產(chǎn)出分析法，他把國民經(jīng)濟(jì)所有部門的投入與產(chǎn)出放在一個表格，即投入產(chǎn)出表中聯(lián)系起來加以考察，把簡明有用的矩陣代數(shù)與實際編制的投入產(chǎn)出表結(jié)合起來，創(chuàng)造性的建立了投入產(chǎn)出數(shù)學(xué)模型，并且計算了各部門的直接消耗系數(shù)。人們可以借助列昂杰夫的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析、經(jīng)濟(jì)預(yù)測、編制經(jīng)濟(jì)計劃，使得投入產(chǎn)出表從一般的統(tǒng)計表發(fā)展成為現(xiàn)代化的經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型。

由于投入產(chǎn)出分析的科學(xué)性、先進(jìn)性和實用性，自20世紀(jì)50年代以來世界各國紛紛研究投入產(chǎn)出分析，編制和應(yīng)用投入產(chǎn)出分析表，許多科學(xué)家也繼續(xù)發(fā)展列昂杰夫的成果，使得投入產(chǎn)出分析的內(nèi)容越來越豐富和深入。

我國是應(yīng)用投入產(chǎn)出分析較晚的國家，20世紀(jì)60年代初期，中國科學(xué)院成立了專門的研究小組來研究投入產(chǎn)出分析，并進(jìn)行這方面的宣傳和理論探討工作。在我國，投入產(chǎn)出分析的應(yīng)用時間不是很長，但是已經(jīng)在我國國家、地區(qū)、部門和企業(yè)等各個方面展開，促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)管理的現(xiàn)代化，帶來了明確的經(jīng)濟(jì)效益。

2.投入產(chǎn)出分析的理論基礎(chǔ)

我國投入產(chǎn)出分析的理論基礎(chǔ)是馬克思的再生產(chǎn)理論。馬克思的再生產(chǎn)理論把整個社會生產(chǎn)劃分為生產(chǎn)資料的生產(chǎn)(第1部類)和消費資料的生產(chǎn)(第Ⅱ部類)，與此相適應(yīng)，把社會總產(chǎn)品按照經(jīng)濟(jì)用途劃分為生產(chǎn)資料和消費資料。馬克思還把社會產(chǎn)品按照價值特征劃分為不變資本(C)、可變資本(V)和剩余價值(M)。

3.投入產(chǎn)出分析在經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用情況

(1)經(jīng)濟(jì)分析，為編制中長期計劃提供服務(wù)。這是投入產(chǎn)出分析最重要的應(yīng)用之一，由于投入產(chǎn)出表清楚地描述了最終需求的各個部門和生產(chǎn)部門的關(guān)系，利用這些數(shù)量關(guān)系可以分析國民經(jīng)濟(jì)中的各種比例關(guān)系，并編制中長期計劃服務(wù)。從目前看，投入產(chǎn)出分析在經(jīng)濟(jì)分析和計劃中的作用主要有：①分析報告國民經(jīng)濟(jì)中的各種重要的比例關(guān)系，并可以進(jìn)一步分析如果計劃期最終需求發(fā)坐變動，整個國民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生什么樣的變化;②在編制國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中長期計劃的草案計算階段，利用投入產(chǎn)出分析方法進(jìn)行多方案計算，對各種設(shè)想進(jìn)行論證和估價，調(diào)整部門間的比例，以便編制出各部門相互銜接、比例關(guān)系得當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)發(fā)展計劃;③編制國民經(jīng)濟(jì)最優(yōu)計劃。

(2)利用投入產(chǎn)出分析法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)測。這是投入產(chǎn)出分析法應(yīng)用最廣泛的一個方面。當(dāng)編制了若干年份的投入產(chǎn)出表以后，就可以對它們進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，掌握各種經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，從而對整個國民經(jīng)濟(jì)或地區(qū)、企業(yè)的未來發(fā)展趨勢作出預(yù)測。

(3)政策模擬，分析重大決策對經(jīng)濟(jì)的影響。在社會化大生產(chǎn)中，各部門之間存在著各種各樣直接和間接的關(guān)系，一項新的經(jīng)濟(jì)政策的實施往往會引起部門之間的連鎖反應(yīng)，如何估價它的影響以便作出相應(yīng)的決策是一個復(fù)雜的問題，投入產(chǎn)出模型在這個方面有較強(qiáng)的功能。

(4)利用投入產(chǎn)出分析法研究一些專門的社會問題。利用投入產(chǎn)出分析法可以研究污染問題、人口問題、就業(yè)問題、軍備開支問題、投資分配問題、能耗平衡問題等多種社會問題，這些都是投入產(chǎn)出分析的一些新的領(lǐng)域。

(二)投入產(chǎn)出表

1.概念

列昂杰夫解釋說：“一個表扼要地概括一個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中所有部門各種投入的來源和所有各類產(chǎn)出的去向，這個表就叫做投入產(chǎn)出表。”

投入產(chǎn)出表的形式有很多，可以分成以下幾類：

(1)按照不同的目的可以分成：投入產(chǎn)出報告表、投入產(chǎn)出計劃表。

(2)按照表中數(shù)據(jù)的計量單位可以分成：實物形態(tài)投入產(chǎn)出表、價值形態(tài)投入產(chǎn)出表。

(3)按照表中所反映的經(jīng)濟(jì)內(nèi)容可以分成：產(chǎn)品投入產(chǎn)出表、勞動投入產(chǎn)出表、固定資產(chǎn)投入產(chǎn)出表、能源投入產(chǎn)出表等。

2.消耗系數(shù)

根據(jù)投入產(chǎn)出表的平衡關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型稱為投入產(chǎn)出模型，依據(jù)平衡關(guān)系的橫行和縱行可以分別建立行模型和列模型。

在產(chǎn)出方程組中，以流量的形式表示各個部門之間的投入產(chǎn)出關(guān)系，這樣定義直接消耗系數(shù)：第J部門生產(chǎn)單位產(chǎn)品所直接消耗第i部門的產(chǎn)品的數(shù)量，這個系數(shù)反映了國民經(jīng)濟(jì)各個部門之間的生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)系。在實際生產(chǎn)中，各個部門之間的消耗美系是相當(dāng)復(fù)雜的，除了直接消耗各部門的產(chǎn)品外，還要通過中間需求消耗某些產(chǎn)品，這種消耗叫做間接消耗，例如，在煉鋼的過程中消耗了電力，這是鋼對電力的直接消耗，但是由于煉鋼的過程中還消耗了生鐵、煤、耐火材料等，在這些物質(zhì)的生產(chǎn)過程中也消耗了電力，由于這些物質(zhì)是用于煉鋼的，所以它們對電力的使用可以看作是煉鋼對電力的間接消耗，稱為第一次間接消耗。依次類推，在煉生鐵的過程中消耗了鐵礦石、焦炭、冶金設(shè)備等，在煤的生產(chǎn)過程中消耗了坑木、鋼材、機(jī)械設(shè)備等，在鐵礦石這些物質(zhì)的生產(chǎn)過程中也消耗了電力，這是煉鋼對電力的第二次間接消耗;這個過程可以無限制地進(jìn)行下去，從而可以得到無數(shù)次地間接消耗。因此，只有直接消耗不足以充分反映部門之間的完全聯(lián)系，只有將直接消耗和間接聯(lián)系起來考慮，才能充分地反映部門之間的聯(lián)系，將直接消耗和間接消耗的總和稱為完全消耗。

3.投入產(chǎn)出法的應(yīng)用

投入產(chǎn)出分析法在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、國民經(jīng)濟(jì)計劃的編制、經(jīng)濟(jì)政策評價、經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測等方面有著廣泛的應(yīng)用。

投入產(chǎn)出分析法可以用于分析國民經(jīng)濟(jì)中兩大部類的比例關(guān)系，積累和消費的比例關(guān)系，國民經(jīng)濟(jì)各部門之間的比例關(guān)系;可以用于經(jīng)濟(jì)效益的分析;可以用于價格的分折。投入產(chǎn)出分析法在計劃工作中有著很大的作用，它可以用來計算各部門的計劃產(chǎn)值，計算計劃期內(nèi)各部門的勞動報酬、社會純收入和固定資產(chǎn)折舊，用來修訂計劃，與數(shù)學(xué)規(guī)劃結(jié)合編制最佳計劃。

4.能源系統(tǒng)投入產(chǎn)出表

投入產(chǎn)出表中如果把能源部門擴(kuò)大，以適應(yīng)研究能源系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)其他部門聯(lián)系的需求，就叫做能源系統(tǒng)投入產(chǎn)出表。這種表可以以一個國家或地區(qū)為對象來編制。

二、線性規(guī)劃法

(一)基本概念

整體全局最優(yōu)化是能源系統(tǒng)工程的主要特點之一，這些最優(yōu)化問題通常都是采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來求解。所謂數(shù)學(xué)規(guī)劃方法就是指研究多變量函數(shù)在變量受多種約束條件限制下最優(yōu)化問題求解的運籌方法。數(shù)學(xué)規(guī)劃包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等。線性規(guī)劃是其中最簡單的、最基本的一種，其特點在于各待選變量在各自約束條件和目標(biāo)函數(shù)中均具有線性關(guān)系，即約束條件和目標(biāo)函數(shù)均為線性等式或線性不等式。

線性規(guī)劃就是把企業(yè)經(jīng)營活動的內(nèi)在規(guī)律抽象出來，歸納為一些特定的類型，形成簡練易懂的數(shù)學(xué)表達(dá)式，幫助人們進(jìn)行科學(xué)的思考，定量的分析問題，從而作出最優(yōu)的決策。線性規(guī)劃在國外企業(yè)中已經(jīng)推廣應(yīng)用了幾十年，取得了不小的成績。我國由于管理落后，長期以來沒有引用線性規(guī)劃等經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)方法，近些年來，不少先進(jìn)企業(yè)開始采用線性規(guī)劃法并取得了較好的效果，這樣，線性規(guī)劃終于提到了我國企業(yè)管理的日程上來。

總的來講，線性規(guī)劃是解決企業(yè)中合理利用現(xiàn)有資源，以發(fā)揮最大效益的問題，具體有兩大類：一類是確定了一項任務(wù)，研究怎樣精打細(xì)算，使用最少的人力、財力和物力去完成它;另一類是已有一定量的人力、財力和物力.研究怎樣合理安排，使之發(fā)揮最大限度地作用，而完成最多的任務(wù)。主要有以下幾個方面的問題：

1.生產(chǎn)計劃與組織問題

如何組織生產(chǎn)是企業(yè)經(jīng)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者不僅要了解市場、開發(fā)新的產(chǎn)品，而且還要研究如何把企業(yè)內(nèi)部的人力、物力和自然資源合理地組織起來，充分挖掘企業(yè)內(nèi)部的潛力，為社會提供盡可能多的產(chǎn)品和創(chuàng)造最大的利潤。它包括生產(chǎn)方法的選擇、企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃的論證、生產(chǎn)計劃的綜合平衡、生產(chǎn)計劃的制定、生產(chǎn)任務(wù)的分配和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的配比等。

2.運輸與布局問題

企業(yè)的經(jīng)營活動是一個投入與產(chǎn)出的有機(jī)活動過程，既是一個生產(chǎn)過程，又是一個消費過程。供、產(chǎn)、消貫穿企業(yè)活動的整個過程，它們之間的關(guān)系是很復(fù)雜的，定量研究這些活動關(guān)系對于搞好企業(yè)的經(jīng)營管理、提高經(jīng)濟(jì)效益都是相當(dāng)重要的。它包括：從產(chǎn)地到消費的運輸問題，生產(chǎn)中的成品、半成品、原材料的調(diào)運問題，廠址、供應(yīng)站的布置問題等。

3.配料與下料問題

配料是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，采用不同配方進(jìn)行配料，不僅會帶來產(chǎn)品質(zhì)量的差異，而且會使原料成本發(fā)生很大的變化，這些都將影響企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。因此，在各個不同的行業(yè)，研究在不同要求條件下的最佳配方問題是管理與技木相結(jié)合的優(yōu)化方法，通過最優(yōu)配方來組織生產(chǎn)，能夠合理地使用原材料、降低成本，達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。