考慮多方互動的節(jié)能減排多代理模擬方法研究

羊 靜，楊勇波，陳 纓，劉明忠，姜振超，曾 榮

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

中國經(jīng)濟(jì)近年來突飛猛進(jìn)，已雄踞世界第二大經(jīng)濟(jì)體，但也存在如下問題［1－2］:一是經(jīng)濟(jì)增長對能源資源需求日益增大，盡管我國總地質(zhì)儲量居世界第三，但人均能源占有量較少，使得中國對國際能源資源的依賴程度日漸提高，給經(jīng)濟(jì)增長和國家安全帶來威脅;二是由于經(jīng)濟(jì)增長方式粗放、技術(shù)水平限制等原因?qū)е碌哪茉蠢眯什桓?。隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，節(jié)能減排是保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

我國政府高度重視節(jié)能減排成效，據(jù)統(tǒng)計，我國從20 世紀(jì)80 年代開始就頒布了大量促進(jìn)節(jié)能減排的政策［3］，并已將其作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中長期規(guī)劃，提出“十一五”期間單位GDP 能耗降低20%的目標(biāo)［4］。目前，雖已取得了積極進(jìn)展，但是節(jié)能減排的壓力依然很大［5］。

針對以上問題，國內(nèi)外學(xué)者運用一般均衡模型、投入產(chǎn)出模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型、委托—代理、博弈論等建模分析工具，對節(jié)能減排政策制定及相應(yīng)市場機制設(shè)計過程中所涉及的關(guān)鍵問題進(jìn)行了大量有利探討，并提出很多實用化政策建議。文獻(xiàn)［6］建立了動態(tài)CGE 模型分析CO2減排對GDP、能源價格、資本價格等的影響;文獻(xiàn)［7］運用投入產(chǎn)出模型量化了差別電價給全社會帶來的直接影響和間接影響，包括對經(jīng)濟(jì)、社會、能源和環(huán)境方面的影響。文獻(xiàn)［8］通過建立政府與企業(yè)之間的委托－代理模型和線性支付合同的激勵函數(shù)，利用政府效用最大化原值對模型求解，得出最優(yōu)的政府固定補貼和激勵強度因子，提出了促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排的對策。文獻(xiàn)［4，9］分析了政府和企業(yè)之間的博弈關(guān)系，探討了節(jié)能減排過程中矛盾雙方對立統(tǒng)一的基本規(guī)律，指出節(jié)能減排的政策措施必須是多元化、綜合性的，需要多種政策措施的綜合運用，并從不同方面給出了建議。文獻(xiàn)［10］從建立節(jié)能減排長效機制的角度，提出了市場機制加上促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的政策機制、有效監(jiān)管及節(jié)能減排技術(shù)支撐體系的節(jié)能減排“組合拳”，給出了中國節(jié)能減排市場機制的路徑選擇、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的政策機制、節(jié)能減排的技術(shù)支撐體系。

已有成果主要側(cè)重于宏觀意義上的研究，缺乏對節(jié)能減排所涉及的各行為主體:政府、節(jié)能服務(wù)公司和耗能企業(yè)等個體行為特性的考慮。然而，不同利益主體的個體特征、行為目標(biāo)顯著不同，甚至相互沖突，為了更準(zhǔn)確地分析不同節(jié)能減排政策、機制的影響，需予以充分考慮。Multi － Agent 技術(shù)作為一種通過微觀個體行為反映宏觀現(xiàn)象的一種模擬方法［11］，能模擬不同個體的目標(biāo)及行為特性，極其適合于解決節(jié)能減排復(fù)雜系統(tǒng)的建模問題。為此，本文提出基于多代理系統(tǒng)開發(fā)框架JADE 建立涵蓋政府、節(jié)能服務(wù)公司和多個重點耗能企業(yè)的多代理能效模擬系統(tǒng)的方法，為節(jié)能減排機制設(shè)定提供技術(shù)支撐。

1 多代理系統(tǒng)

1．1 多代理系統(tǒng)的概念

多代理技術(shù)由分布式計算和人工智能發(fā)展而來［10］，已廣泛使用于各行各業(yè)［12］。智能代理(Agent)為在一定的環(huán)境下，獨立的、具有一定的自主性和推斷能力，又能夠和系統(tǒng)中其他代理通信交互以及能對周圍的環(huán)境做出反應(yīng)，從而完成一個或者多個功能目標(biāo)的軟硬件實體。靈活自治的智能代理具有如下三個特性［13］:

(1)反應(yīng)性，智能代理能夠及時地對環(huán)境的變化作出反應(yīng)，并根據(jù)設(shè)計所需達(dá)到的功能，針對這些變化采取相應(yīng)措施;

(2)自主性，智能代理表現(xiàn)出目標(biāo)導(dǎo)向行為，即Agent 能夠動態(tài)改變行為以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。比如，某代理與另一為其提供服務(wù)的代理失去聯(lián)系，則會自主搜尋其他能夠提供相同服務(wù)的Agent;

(3)社會性，智能代理能夠與其他代理交互?；诖斫换フZ言(agent communication language，ACL)，Agent 之間不僅能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)傳送，還能夠進(jìn)行談判和以合作的方式進(jìn)行交互。

多代理系統(tǒng)(Multi Agent System，MAS)為由兩個及兩個以上Agent 組成的系統(tǒng)，用于解決單個Agent 無法處理的問題。因此它不但涉及設(shè)計單個Agent 體系結(jié)構(gòu)開發(fā)手段等問題，更重要的是處理好代理間的組織策略、消息傳遞、沖突化解、協(xié)調(diào)協(xié)作與協(xié)商等?？偟膩碚f，MAS 具備如下特點［10，12］:

(1)每個代理都具有不完全的信息和問題求解能力;

(2)整個系統(tǒng)中不存在全局的控制機構(gòu)，只擁有多個具有局部目標(biāo)的Agent;

(3)數(shù)據(jù)分布性或分散性;

(4)計算過程異步并發(fā)或并行。

1．2 多代理系統(tǒng)的開發(fā)方法

1．2．1 系統(tǒng)開發(fā)步驟

多代理系統(tǒng)開發(fā)步驟如圖1 所示［14］。首先，需要明確系統(tǒng)的需求，獲取并掌握完成這些任務(wù)所需的基本知識和技能;然后，將提出的具體需求和任務(wù)分解成一個個具有層次的子任務(wù)，之后設(shè)計系統(tǒng)所需本體;在Agent 建模階段，讓獨立自主的Agent 實現(xiàn)各個具體的任務(wù)，每個Agent 可以封裝一個或者多個任務(wù)，每個任務(wù)至少要屬于某一個Agent。Agent功能設(shè)計完成后，需要設(shè)計代理之間的交互機制予以支持。最后，設(shè)計開發(fā)完成每個Agent 的具體行為，包括交互功能和控制功能。

圖1 Multi－Agent 系統(tǒng)開發(fā)步驟

1．2．2 MAS 系統(tǒng)開發(fā)平臺

隨著多代理技術(shù)的推廣應(yīng)用，研究機構(gòu)和公司根據(jù)相關(guān)規(guī)則推出了一系列多代理系統(tǒng)平臺，如AgentBuilder、AgentX、Hive、JATLite 和JADE 等。本文采用Java Agent 開發(fā)框架JADE 進(jìn)行多代理系統(tǒng)開發(fā)，JADE 是Java 語言編寫的免費開源多Agent 開發(fā)框架，遵循FIPA 規(guī)范，提供了基本的命名服務(wù)、黃頁服務(wù)、通信機制等，確保系統(tǒng)的可靠性和較好的技術(shù)和功能支持，極大地簡化了開發(fā)多Agent 系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，JADE 結(jié)構(gòu)如圖2 所示［15］。

JADE 平臺由分散的容器組成，一個容器可以為多個Agent 提供運行環(huán)境。主容器提供兩類特殊的Agent:Agent 管理系統(tǒng)(AMS)和目錄服務(wù)(DF)，其中，AMS 負(fù)責(zé)平臺內(nèi)所有Agent 的命名、定位和控制服務(wù);DF 對平臺內(nèi)的Agent 提供黃頁服務(wù)。

圖2 JADE 平臺結(jié)構(gòu)

2 節(jié)能減排多代理模擬系統(tǒng)框架

2．1 系統(tǒng)分析

節(jié)能減排模擬涉及三類不同的利益主體:政府、高耗能企業(yè)以及提供節(jié)能減排服務(wù)的能源服務(wù)公司，他們擁有不同的行為規(guī)則、目標(biāo)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束:

(1)政府是社會公共利益的代表，是國家的行政領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)，負(fù)責(zé)制定節(jié)能減排相關(guān)法律或者經(jīng)濟(jì)激勵機制，在保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的前提下，促使相關(guān)行業(yè)積極參與節(jié)能減排工作，完成節(jié)能減排目標(biāo)。

(2)高耗能企業(yè)作為獨立運行的經(jīng)濟(jì)實體，既是大部分物質(zhì)產(chǎn)品的直接提供者，又是絕大多數(shù)能源資源的消耗者和污染物的直接排放者，也是GDP的主要貢獻(xiàn)者，最大化利益是其生產(chǎn)運營的最終目的。

(3)節(jié)能服務(wù)公司作為以營利為目的的市場參與主體［16］，基于合同能源管理機制向用能單位提供用能狀況診斷、節(jié)能項目設(shè)計、融資、改造(施工、設(shè)備安裝、調(diào)試)、運行管理等服務(wù)，通過利用成熟的節(jié)能技術(shù)和規(guī)范的設(shè)備，最大化自身利益。

若在法律政策和市場機制的制定過程中不考慮所涉各利益主體的行為特性，難以制定出一套科學(xué)、合理、高效的節(jié)能減排長效機制。本文用代表各利益主體的智能代理Agent 模擬各自在節(jié)能減排工作中的行為，為節(jié)能減排機制的制定提供技術(shù)支撐。

2．2 多代理系統(tǒng)框架

圖3 為節(jié)能減排多代理模擬系統(tǒng)框架，由政府Agent、節(jié)能服務(wù)公司Agent 和多個耗能企業(yè)Agent組成。

圖3 節(jié)能減排MAS 模擬系統(tǒng)框架

政府Agent 負(fù)責(zé)制定耗能企業(yè)節(jié)能減排政策以及節(jié)能服務(wù)公司的政策激勵機制，并通過實時感知其響應(yīng)情況不斷予以動態(tài)調(diào)整，以期達(dá)到節(jié)能減排規(guī)劃目標(biāo);節(jié)能服務(wù)公司Agent 根據(jù)政府Agent 制定的激勵機制，優(yōu)化決策其運營規(guī)模和運營模式，并向耗能企業(yè)Agent 提供診斷、設(shè)計、融資、改造和運行管理等服務(wù)，以減少的能源費用來支付節(jié)能項目全部成本，并期望最大化公司經(jīng)濟(jì)收益;耗能企業(yè)Agent 根據(jù)政府制定的節(jié)能減排機制以及節(jié)能服務(wù)公司情況，優(yōu)化決策企業(yè)節(jié)能措施，如加強管理、進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級、投資節(jié)能設(shè)備或者接受合同能源管理以及如何參與碳排放交易等。

2．3 Agent 交互機制

各類Agent 之間的交互機制如圖4 所示。

圖4 Agent 交互機制

3 Agent 行為模型

3．1 Agent 交互機制

3．1．1 行為流程

政府Agent 代表政府制定節(jié)能減排長效機制，其行為流程如圖5 所示。

圖5 政府Agent 行為流程

3．1．2 行為策略

(1)政府Agent 的行為目標(biāo)

政府Agent 代表社會公共利益，以全社會綜合效用最大化為目標(biāo)，既希望國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，又要保證環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，目標(biāo)關(guān)系可表示為

式中

U——全社會綜合效用;

μ1——節(jié)能減排機制的經(jīng)濟(jì)效益;

μ2——節(jié)能減排機制的環(huán)保效用;

x1——針對耗能企業(yè)的強制性法律政策措施;

x2——針對耗能企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性激勵機制;

x3——節(jié)能減排相關(guān)市場機制;

y——針對節(jié)能服務(wù)公司的政府補貼激勵政策。

(2)政府Agent 的決策空間

政府Agent 根據(jù)耗能企業(yè)Agent 和節(jié)能服務(wù)公司Agent 的響應(yīng)不斷優(yōu)化調(diào)整其決策變量，其決策空間如表1 所示。

表1 政府Agent 的決策空間

3．2 節(jié)能服務(wù)公司Agent

3．2．1 行為流程

節(jié)能服務(wù)公司Agent 利用自己在節(jié)能技術(shù)及管理水平上的優(yōu)勢，為耗能企業(yè)提供節(jié)能減排服務(wù)，并從中獲利，其行為流程如圖6 所示。

圖6 節(jié)能服務(wù)公司Agent 行為流程圖

3．2．2 行為策略

節(jié)能服務(wù)公司Agent 通過投資收益分析，優(yōu)化決策運營模式及投資項目，以期在合同能源管理期內(nèi)最大化收益的凈現(xiàn)值，可表示為

式中

B——節(jié)能項目總收益;

Tc——項目合同期限;

R(t)——第t 年的收入，與節(jié)能改造前后的

節(jié)能量對應(yīng)，包括節(jié)能收益和政府節(jié)能減排

獎勵;

C(t)——第t 年運行成本;

r——表示預(yù)定的貼現(xiàn)率;

I——節(jié)能改造投資成本;

S——政府財政投資補貼;

BL——收益的最小限值，表示項目投資收益必須大于按一定投資回報率w 測算的投資回報額;

Amax——表示公司的技術(shù)經(jīng)濟(jì)限制。

3．3 耗能企業(yè)Agent

3．3．1 行為流程

耗能企業(yè)Agent 作為以利益為導(dǎo)向的市場參與主體，在滿足相關(guān)法律政策硬性要求的條件下，合理采取節(jié)能減排應(yīng)對行為，優(yōu)化決策節(jié)能減排措施，積極參與節(jié)能減排市場以及與節(jié)能服務(wù)公司簽訂能源管理合同，其行為流程如圖7 所示。

圖7 耗能企業(yè)Agent 行為流程圖

3．2．2 行為策略

耗能企業(yè)Agent 以利益最大化為目標(biāo)進(jìn)行節(jié)能減排措施的優(yōu)化決策，由合同能源管理決策模塊、節(jié)能減排市場決策模塊和企業(yè)節(jié)能降耗提升決策模塊三個功能模塊組成。其中，合同能源管理決策模塊決定是否參與合同能源管理;節(jié)能減排市場決策模塊確定如何優(yōu)化排污權(quán)交易與發(fā)電權(quán)交易;企業(yè)節(jié)能降耗提升決策模塊通過加強企業(yè)管理、改進(jìn)生產(chǎn)工藝或者產(chǎn)業(yè)設(shè)備升級等措施完成企業(yè)節(jié)能減排能力的自我提升。其行為宏觀模型可表示為

式中

P——企業(yè)考察年限內(nèi)的總利潤;

R——企業(yè)考察年限內(nèi)的總收入;

C——企業(yè)考察年限內(nèi)的總成本;

t——考察年限;

Rp(t)——第t 年企業(yè)的產(chǎn)品收入;

Rt(t)——企業(yè)參與節(jié)能減排市場的收益，包括排污權(quán)交易收益和生產(chǎn)權(quán)交易收益;

Rc(t)——參與合同能源管理后分配的純利潤;

C(t)——企業(yè)第t 年的運營成本，包括生產(chǎn)資料成本、能源成本、管理成本和稅收等;

P(t)——企業(yè)沒達(dá)到節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的罰款

(或為政府給與的節(jié)能減排獎勵，為負(fù)值);

r——預(yù)定的貼現(xiàn)率;

I——節(jié)能改造的一次投資成本;

S——政府節(jié)能改造補貼;

EL——法律規(guī)定的能效下限;

ηU——法律規(guī)定的排污率上限;

Amax——企業(yè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束。

4 節(jié)能減排MAS 模擬系統(tǒng)示例

4．1 模型構(gòu)建與模擬系統(tǒng)開發(fā)

利用Java 語言基于多代理開發(fā)平臺JADE 開發(fā)由政府Agent、節(jié)能服務(wù)公司Agent 和火力發(fā)電企業(yè)Agent 組成的節(jié)能減排MAS 模擬系統(tǒng)示例，用以展示CO2排放政策的制定過程，模擬系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 基于JADE 的節(jié)能減排MAS 模擬系統(tǒng)

(1)政府Agent 制定火力發(fā)電企業(yè)的CO2的排放量標(biāo)準(zhǔn)(按月計)，并實時監(jiān)測其排放水平，若排放量超過排放標(biāo)準(zhǔn)，則予以罰款

式中 α——懲罰力度;

E——排放量;

Es——排放標(biāo)準(zhǔn)。

若排放量低于排放標(biāo)準(zhǔn)，則予以獎勵(也可理解為存在碳交易機制時的收益)

式中 β——獎勵力度(碳交易價格)，取β=kα。

政府Agent 首先根據(jù)當(dāng)前排放水平E0和減排目標(biāo)Φ=10%，確定懲罰力度初值α0=100 元/t 以及排放標(biāo)準(zhǔn)Es，并告知發(fā)電公司Agent 和節(jié)能服務(wù)公司Agent;接收在該排放政策下的減排效果，判斷是否達(dá)到減排目標(biāo)，若沒有，則增加懲罰力度α(k+1)=α(k)+Δ ，迭代直到達(dá)到減排目標(biāo)，為了更快的達(dá)到均衡，取元/t，當(dāng)排放量距離排放目標(biāo)越遠(yuǎn)時，調(diào)整量越大，反之，越小。

(2)發(fā)電公司Agent 進(jìn)行電力生產(chǎn)，并根據(jù)排放政策向政府繳納罰金(接收獎金)，與節(jié)能公司共享減排效益，優(yōu)化碳捕集技術(shù)的改造力度，以追求利益的最大化，改造前后利益的變化函數(shù)為

式中 ρ——上網(wǎng)電價，取0．4 元/kW·h;

q——上網(wǎng)電量，取1 700 GW·h;

q'——碳捕集系統(tǒng)消耗的能量，取每噸CO2電耗100 kW·h;

ω——與節(jié)能服務(wù)公司達(dá)成的效益分享率?？傃b機容量為3 220 MW。發(fā)電成本函數(shù)為

其中，取a=1．8 元/MW·h;b=60 元/MW·h。CO2排放函數(shù)為

其中，第一部分為未進(jìn)行碳捕集技術(shù)的排放量，第二部分為來自碳捕集機組的排放量;μ 為碳捕集技術(shù)覆蓋率，本文初始值取0，都未安裝碳捕集系統(tǒng);ε 為常規(guī)機組排放率，取為1．2 kg/kW·h;ε'為碳捕集機組排放率，本文取ε' =0．65 ε。

(3)節(jié)能服務(wù)公司Agent 通過合同能源管理為發(fā)電公司提供節(jié)能技術(shù)(如碳捕集技術(shù)CCS)改造的技術(shù)支撐及管理運營，通過與發(fā)電企業(yè)分享減排效益和政府補貼獲益

其中，RE為分享的減排效益;S 為政府補貼;I 為綜合費用，包括為碳捕集系統(tǒng)造價、運行維護(hù)費用、壓縮傳輸費用、封存費用，具體計算模型及參數(shù)參照文獻(xiàn)［17］，本文假設(shè)政府補貼足夠大，讓其能夠積極參與到節(jié)能服務(wù)市場。

4．2 結(jié)果分析

當(dāng)政府的減排目標(biāo)設(shè)置為Φ =10%時，發(fā)電企業(yè)初始CO2排放量為204 萬t，經(jīng)過各Agent 之間的迭代交互，最后達(dá)到排放目標(biāo)183．6 萬t。其中，碳捕集技術(shù)覆蓋率和排放超標(biāo)時的懲罰力度的收斂過程分別如圖9、圖10 所示。

圖9 碳捕集技術(shù)覆蓋率

圖10 排放超標(biāo)時的懲罰力度

由圖可見，在第12 次迭代時系統(tǒng)達(dá)到均衡，此時，碳捕集技術(shù)的覆蓋率為29．5%，懲罰力度為305元/t。

分別設(shè)置減排目標(biāo)為10%、20%、30%進(jìn)行仿真，結(jié)果見表2 所示。

表2 仿真結(jié)果

該仿真示例證明了基于多代理的建模技術(shù)能很方便對各獨立決策主體的行為規(guī)則進(jìn)行建模，觀察各主體在整個過程中的決策軌跡。通過合理設(shè)置Agent 之間的交互機制及行為調(diào)整機制也能使系統(tǒng)較快的達(dá)到均衡狀態(tài)。

5 結(jié)語

節(jié)能減排工作涉及政府、節(jié)能服務(wù)公司、耗能企業(yè)等多個相互獨立的市場主體，節(jié)能減排機制涵蓋法律法規(guī)、政策激勵以及市場機制等不同層面的內(nèi)容。因此，節(jié)能減排長效機制的制定是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為讓其更加科學(xué)、高效、合理，在制定過程中需充分考慮各參與主體具體的行為特性和行為規(guī)則，而Multi－Agent 技術(shù)在處理這種多個主體建模問題具有獨特優(yōu)勢。

本文首先概述了MAS 的概念與特點，介紹了MAS 開發(fā)步驟和方法;在此基礎(chǔ)上深入分析了各參與主體在節(jié)能減排系統(tǒng)中的功能和角色，提出了由政府Agent、節(jié)能服務(wù)公司Agent 和多個耗能企業(yè)Agent 組成節(jié)能減排MAS 模擬系統(tǒng)框架，并設(shè)計了系統(tǒng)Agent 之間的交互機制;然后建立了各Agent 的節(jié)能減排優(yōu)化決策行為模型;最后給出了基于多代理開發(fā)框架JADE 開發(fā)節(jié)能減排MAS 模擬系統(tǒng)示例。所提方法能充分考慮各利益主體的實際行為特點，為節(jié)能減排長效機制的制定提供技術(shù)支撐。當(dāng)前各主體的行為模型大多還處于宏觀層面，具體的模型構(gòu)建和平臺開發(fā)為下一步研究重點。

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