第二節  能源系統工程的基本方法

能源系統工程中的基本方法有仿真方法、最優化方法和評價方法。

仿真是利用各種數學公式(函數式、微分方程、矩陣等)或圖形客觀地描述能源系統各要素的活動，以及各要素之間的相互關系，建立相應的數學模型，并通過計算機進行數值計算。它可以用于研究各種可能出現的條件或者人們期望的情況下，系統發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，提供預測和分析的手段。

最優化方法不僅是對能源系統的客觀描述和分析，它尋求的是最佳方案，即以仿真模型或初期計劃為基礎，建立優化分析的數學模型，以達到能源系統整體目標的最優或最令人滿意的方案。最優化方法及其計算結果，比人們以常規經驗作出的決策要好得多。

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

在能源系統工程中常用的仿真方法有投入產出分析;在最優化方法中多用線性規劃;層次分析則常在評價方法中使用。

一、能源投入產出分析法

(一)概述和預備知識

1.預備知識

能源問題同樣是經濟問題的一種，隨著經濟的發展以及能源在經濟發展中凸現出越來越重要的作用，人們將分析經濟問題的許多方法也用于能源問題的研究，投入產出分析法就是一種。投入產出分析法在定量研究社會總產品再生產過程中的某些經濟規律方面越來越得到廣泛應用。投入產出分析中的投入，是指生產過程中投入的勞動對象、勞動資料和活勞動的數量，產出是指產品的分配使用方向及其數量。投入產出分析首先將各部門的投入和產出編制成一張棋盤式的投入產出表，然后利用這一模型以及矩陣運算和計算機算法來綜合地分析和考察國民經濟各部門在產品的生產和消耗之間的綜合平衡。投入產出分析法也能夠對未來進行預測，還能夠對經濟結構、經濟效益、經濟政策和商品價格等問題進行綜合分析。

20世紀30年代，美籍俄裔經濟學家列昂杰夫在前人工作的基礎上，提出了投入產出分析法，他把國民經濟所有部門的投入與產出放在一個表格，即投入產出表中聯系起來加以考察，把簡明有用的矩陣代數與實際編制的投入產出表結合起來，創造性的建立了投入產出數學模型，并且計算了各部門的直接消耗系數。人們可以借助列昂杰夫的數學模型進行經濟分析、經濟預測、編制經濟計劃，使得投入產出表從一般的統計表發展成為現代化的經濟數學模型。

由于投入產出分析的科學性、先進性和實用性，自20世紀50年代以來世界各國紛紛研究投入產出分析，編制和應用投入產出分析表，許多科學家也繼續發展列昂杰夫的成果，使得投入產出分析的內容越來越豐富和深入。

我國是應用投入產出分析較晚的國家，20世紀60年代初期，中國科學院成立了專門的研究小組來研究投入產出分析，并進行這方面的宣傳和理論探討工作。在我國，投入產出分析的應用時間不是很長，但是已經在我國國家、地區、部門和企業等各個方面展開，促進了我國經濟管理的現代化，帶來了明確的經濟效益。

2.投入產出分析的理論基礎

我國投入產出分析的理論基礎是馬克思的再生產理論。馬克思的再生產理論把整個社會生產劃分為生產資料的生產(第1部類)和消費資料的生產(第Ⅱ部類)，與此相適應，把社會總產品按照經濟用途劃分為生產資料和消費資料。馬克思還把社會產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.投入產出分析在經濟中的應用情況

(1)經濟分析，為編制中長期計劃提供服務。這是投入產出分析最重要的應用之一，由于投入產出表清楚地描述了最終需求的各個部門和生產部門的關系，利用這些數量關系可以分析國民經濟中的各種比例關系，并編制中長期計劃服務。從目前看，投入產出分析在經濟分析和計劃中的作用主要有：①分析報告國民經濟中的各種重要的比例關系，并可以進一步分析如果計劃期最終需求發坐變動，整個國民經濟的結構將發生什么樣的變化;②在編制國民經濟發展的中長期計劃的草案計算階段，利用投入產出分析方法進行多方案計算，對各種設想進行論證和估價，調整部門間的比例，以便編制出各部門相互銜接、比例關系得當的經濟發展計劃;③編制國民經濟最優計劃。

(2)利用投入產出分析法進行經濟預測。這是投入產出分析法應用最廣泛的一個方面。當編制了若干年份的投入產出表以后，就可以對它們進行動態預測，掌握各種經濟數據的變化規律，從而對整個國民經濟或地區、企業的未來發展趨勢作出預測。

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

(4)利用投入產出分析法研究一些專門的社會問題。利用投入產出分析法可以研究污染問題、人口問題、就業問題、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，這些都是投入產出分析的一些新的領域。

(二)投入產出表

1.概念

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

投入產出表的形式有很多，可以分成以下幾類：

(1)按照不同的目的可以分成：投入產出報告表、投入產出計劃表。

(2)按照表中數據的計量單位可以分成：實物形態投入產出表、價值形態投入產出表。

(3)按照表中所反映的經濟內容可以分成：產品投入產出表、勞動投入產出表、固定資產投入產出表、能源投入產出表等。

2.消耗系數

根據投入產出表的平衡關系建立的數學模型稱為投入產出模型，依據平衡關系的橫行和縱行可以分別建立行模型和列模型。

在產出方程組中，以流量的形式表示各個部門之間的投入產出關系，這樣定義直接消耗系數：第J部門生產單位產品所直接消耗第i部門的產品的數量，這個系數反映了國民經濟各個部門之間的生產技術聯系。在實際生產中，各個部門之間的消耗美系是相當復雜的，除了直接消耗各部門的產品外，還要通過中間需求消耗某些產品，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，在這些物質的生產過程中也消耗了電力，由于這些物質是用于煉鋼的，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、冶金設備等，在煤的生產過程中消耗了坑木、鋼材、機械設備等，在鐵礦石這些物質的生產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行下去，從而可以得到無數次地間接消耗。因此，只有直接消耗不足以充分反映部門之間的完全聯系，只有將直接消耗和間接聯系起來考慮，才能充分地反映部門之間的聯系，將直接消耗和間接消耗的總和稱為完全消耗。

3.投入產出法的應用

投入產出分析法在經濟結構的調整、國民經濟計劃的編制、經濟政策評價、經濟發展預測等方面有著廣泛的應用。

投入產出分析法可以用于分析國民經濟中兩大部類的比例關系，積累和消費的比例關系，國民經濟各部門之間的比例關系;可以用于經濟效益的分析;可以用于價格的分折。投入產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值，計算計劃期內各部門的勞動報酬、社會純收入和固定資產折舊，用來修訂計劃，與數學規劃結合編制最佳計劃。

4.能源系統投入產出表

投入產出表中如果把能源部門擴大，以適應研究能源系統和國民經濟其他部門聯系的需求，就叫做能源系統投入產出表。這種表可以以一個國家或地區為對象來編制。

二、線性規劃法

(一)基本概念

整體全局最優化是能源系統工程的主要特點之一，這些最優化問題通常都是采用數學規劃方法來求解。所謂數學規劃方法就是指研究多變量函數在變量受多種約束條件限制下最優化問題求解的運籌方法。數學規劃包括線性規劃、非線性規劃、動態規劃等。線性規劃是其中最簡單的、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函數中均具有線性關系，即約束條件和目標函數均為線性等式或線性不等式。

線性規劃就是把企業經營活動的內在規律抽象出來，歸納為一些特定的類型，形成簡練易懂的數學表達式，幫助人們進行科學的思考，定量的分析問題，從而作出最優的決策。線性規劃在國外企業中已經推廣應用了幾十年，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劃等經濟數學方法，近些年來，不少先進企業開始采用線性規劃法并取得了較好的效果，這樣，線性規劃終于提到了我國企業管理的日程上來。

總的來講，線性規劃是解決企業中合理利用現有資源，以發揮最大效益的問題，具體有兩大類：一類是確定了一項任務，研究怎樣精打細算，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，使之發揮最大限度地作用，而完成最多的任務。主要有以下幾個方面的問題：

1.生產計劃與組織問題

如何組織生產是企業經營的關鍵環節之一。企業的領導者不僅要了解市場、開發新的產品，而且還要研究如何把企業內部的人力、物力和自然資源合理地組織起來，充分挖掘企業內部的潛力，為社會提供盡可能多的產品和創造最大的利潤。它包括生產方法的選擇、企業長遠發展規劃的論證、生產計劃的綜合平衡、生產計劃的制定、生產任務的分配和產業結構的配比等。

2.運輸與布局問題

企業的經營活動是一個投入與產出的有機活動過程，既是一個生產過程，又是一個消費過程。供、產、消貫穿企業活動的整個過程，它們之間的關系是很復雜的，定量研究這些活動關系對于搞好企業的經營管理、提高經濟效益都是相當重要的。它包括：從產地到消費的運輸問題，生產中的成品、半成品、原材料的調運問題，廠址、供應站的布置問題等。

3.配料與下料問題

配料是產品生產過程中的一個重要環節，采用不同配方進行配料，不僅會帶來產品質量的差異，而且會使原料成本發生很大的變化，這些都將影響企業的綜合經濟效益。因此，在各個不同的行業，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合的優化方法，通過最優配方來組織生產，能夠合理地使用原材料、降低成本，達到提高企業經濟效益的目的。