上海市汽車燃油消耗因素的系統(tǒng)動力學研究

李哲豐,　嚴廣樂

(上海理工大學 管理學院,上?！?00093)

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上海市汽車燃油消耗因素的系統(tǒng)動力學研究

李哲豐,嚴廣樂

(上海理工大學 管理學院,上海200093)

汽車燃油產(chǎn)生的尾氣是造成空氣污染的重要因素,有效控制汽車燃油消耗,可以降低空氣污染水平.采用系統(tǒng)動力學的方法和Vensim仿真軟件,并基于2004—2014年上海市城市交通的相關數(shù)據(jù),構建出上海市汽車燃油消耗的系統(tǒng)動力學模型,利用控制變量法對道路管理水平、汽車限購政策觸發(fā)條件以及報廢率分別進行模擬仿真.分析仿真的結果后發(fā)現(xiàn)道路的管理水平與汽車燃油消耗成反比,把汽車限購政策的觸發(fā)條件設置在230～250萬輛之間,汽車報廢率維持在5.6%～5.8%,其產(chǎn)生的節(jié)能減排效果最為明顯.最后基于現(xiàn)階段上海市節(jié)能減排的要求,制定出上、中、下3套降低汽車燃油消耗的方案,為決策者的決策提供理論上的支持.

系統(tǒng)動力學; 仿真; 汽車燃油消耗; 節(jié)能

空氣污染是人們當前面臨的重大環(huán)境問題,汽車尾氣的排放是引起這一問題的主要原因.相較于北方城市因燃煤和汽車尾氣排放綜合作用造成的空氣污染,上海的空氣污染主要來源于汽車的尾氣排放[1],而減少汽車尾氣排放的最直接方法就是降低汽車的燃油消耗.當前減少汽車燃油消耗的研究主要集中在汽車發(fā)動機的設計改良[2]、控制汽車保有量[3]、道路擁擠程度對汽車燃油消耗的影響[4]等方面.但影響汽車燃油消耗的因素是多方面的,單從一個角度去分析就與實際情況不相符,因此從宏觀角度去研究影響汽車燃油消耗問題對于改善空氣污染具有重要意義.系統(tǒng)動力學正是從宏觀角度去探究解決問題的一個重要方法,所以本文將基于系統(tǒng)動力學的方法建立汽車燃油消耗相關模型,通過對模型的研究,給出影響汽車燃油消耗的相關因素,提出減少燃油消耗的相關措施,從而有效降低空氣污染,并為相關的決策者提供理論依據(jù).

1　國內外研究現(xiàn)狀

國內對于汽車油耗的研究相較于國外起步較晚,主要是基于在靜態(tài)環(huán)境下建立汽車燃油消耗的預測模型.趙志國等[5]提出汽車的燃油消耗與環(huán)境、道路、駕駛水平有關;項喬軍[6]以發(fā)動機臺架實驗的數(shù)據(jù)為基礎,建立了燃油消耗的預測模型;華智等[7]根據(jù)道路在暢通條件下和擁堵條件下得到的數(shù)據(jù),建立了燃油消耗的模型.

國外對于汽車油耗的研究多關注于汽車的硬件方面,主要是基于發(fā)動機改進和汽車外形的設計改進從而減少汽車的耗油量[8].另一方面,由于20世紀發(fā)生過石油危機,在那段時間里,對于汽車耗油量的研究主要在于疏通交通、建設道路方面[9].

從上述文獻可知,這些研究大多數(shù)都是基于靜態(tài)系統(tǒng)的,而靜態(tài)系統(tǒng)對于現(xiàn)實社會顯然是不適用的.社會是一個開放的大系統(tǒng),時時刻刻都在發(fā)生著變化,因此,要得到一個可信度較高的汽車燃油消耗模型,就需要從宏觀、動態(tài)的角度去研究,而系統(tǒng)動力學就十分符合這一標準.

2　建立系統(tǒng)動力學模型

2.1相關理論的介紹

系統(tǒng)動力學( system dynamics,SD) 是由美國麻省理工學院教授Forrester 在20世紀60年代創(chuàng)立的,該方法注重系統(tǒng)內部結構和反饋機制,擅長處理長周期、高階次、非線性、多變量、多反饋的復雜系統(tǒng)問題,自創(chuàng)立以來已在多領域得到廣泛運用[10].汽車耗油量的分析牽扯的關系眾多,屬于復雜系統(tǒng)的范疇,因此利用系統(tǒng)動力學研究該問題是合適的.

2.2系統(tǒng)分析

2.2.1任務調研與目標分析

近年來不斷加重的空氣污染導致每年的秋冬季節(jié)霧霾頻發(fā).北方的空氣污染問題主要源于冬季供暖燃煤排放以及汽車尾氣排放.上海作為南方城市,由于沒有冬季集中供暖的傳統(tǒng),因此本地燃煤排放不是造成空氣污染的主要原因,而汽車尾氣就成了空氣污染的主要來源.控制汽車尾氣排放能夠極大地減少空氣污染問題,而建立汽車燃油消耗模型的意義就在于降低汽車油耗可以顯著降低汽車尾氣排放.通過對模型的分析,本文將提出減少燃油消耗的可行方法,從而降低汽車尾氣對空氣造成的污染.

2.2.2邊界劃分

系統(tǒng)動力學分析的方法是基于系統(tǒng)內部各要素之間的關系進行研究的,假設這個系統(tǒng)的外部環(huán)境對系統(tǒng)內部各個要素沒有影響,并且內部環(huán)境對外部環(huán)境也沒有影響.因此要確定一個系統(tǒng)的邊界,對這個邊界內的變量進行研究,排除外部變量[11].

通過閱讀相關文獻并結合實際情況發(fā)現(xiàn),汽車的燃油消耗不單單與汽車的保有量有關,還與下述變量有直接關系,于是本文把這些變量設置為研究對象:汽車的需求量、汽車的報廢量、一輛汽車平均行駛的里程、一輛汽車在路上平均消耗的時間、道路的擁擠程度、道路的管理水平、汽車限購的政策條件等水平量.

2.3因果關系和系統(tǒng)動力學模型

系統(tǒng)內部各要素之間的因果關系的相互作用影響著系統(tǒng)的變化,而影響系統(tǒng)變化的因素主要有:汽車保有量、年報廢量、平均燃油消耗、平均行駛時間、擁擠度、管理水平、行駛里程、年需求量、年增長量和政策條件.其因果關系圖如圖1所示.

由圖1所示的因果關系圖可以發(fā)現(xiàn),影響汽車燃油總量的因素主要有:平均燃油消耗、汽車保有量和行駛里程這3個要素,因此本文將會圍繞著這3個變量對模型進行研究.本動力學模型將以2004年為仿真的元年,模型中的相關數(shù)據(jù)也采用2004年上海市的相關數(shù)據(jù).

圖1　燃油消耗因果圖

通過對因果圖的分析,可以獲得對應的汽車燃油消耗系統(tǒng)動力學模型,如圖2所示.

圖2　汽車燃油消耗系統(tǒng)動力學模型

2.4假設與模型方程

由于該模型是以上海市為例的,因此其中的一些變量就直接利用上海市的相關數(shù)據(jù)進行直接的輸入,例如汽車的年增長率、汽車的年報廢量、年需求量以及汽車保有量等,因此在后續(xù)的模型運行中,對于不同的城市,這些參數(shù)應當作出相應的變化.

參數(shù)設定:

a. 假定政策條件只與汽車的數(shù)量有關,當汽車的保有量超過事先界定的數(shù)量時,便會觸發(fā)限購政策,對汽車的需求量和增長率進行控制,在本模型中,初定的限購數(shù)量為230萬輛.

b. 本模型的仿真元年是2004年,因此在設定汽車保有量初始值時,根據(jù)上海市統(tǒng)計年鑒的統(tǒng)計顯示,把汽車的初始保有量設置為202.85萬輛,第一年的需求設置為2005年與2004年汽車保有量的差值.

c. 根據(jù)上海市統(tǒng)計年鑒,分析2004—2014年的上海市汽車保有量,可以發(fā)現(xiàn)這10年中,上海市汽車保有量的年增長率約為8%,因此在相關數(shù)據(jù)的使用中,汽車需求量的年增長率即為該數(shù)值.

d. 本文在決策時以減少燃油消耗為主要標準,暫未考慮經(jīng)濟因素.

e. 巴黎氣候大會在2015年12月份剛剛結束,大會通過的氣候公約顯示,到2050年全球的碳排放量要減少50%.因此本文在政策討論時以在現(xiàn)有基礎上減少50%的燃油消耗作為上等決策目標,35%作為中等決策目標,20%作為基本決策目標.

部分方程示例:

報廢率=0.048;平均行駛時間=24×擁擠度+72,年需求量=INTEG (年增長量,25),汽車保有量=INTEG(+年需求量-年報廢量,202.85),政策條件=IF THEN ELSE(汽車保有量>230,1,0);擁擠度=ln(汽車保有量/50).因模型方程較多故不一一舉例,該模型考慮了影響汽車燃油消耗的主要因素,可動態(tài)演示目標變量的長期發(fā)展情況.

2.5系統(tǒng)模型試驗

由于無法獲得上海市汽車燃油總量的真實數(shù)據(jù),故本文選取上海市2004—2014年汽車保有量的數(shù)據(jù)對模型的可靠性進行檢驗.仿真的具體結果如表1所示,其中Step 1,Step 2和Step 3,分別代表仿真時選取的步長為一年、半年和一個季度.

表1汽車保有量模型仿真結果表

Tab.1Simulation results by the model of automobile capacity 萬輛

年份Step1Step2Step32004202.850202.850202.8502005212.003212.276212.4172006222.247222.829223.1302007233.653234.585235.0682008246.300247.024246.8272009257.863258.403257.5782010268.402268.784267.3782011277.978278.221276.2812012286.645286.770284.3372013295.446295.432292.5272014302.493302.430299.107

對模型選取不同步長(1;0.5;0.25)進行仿真檢驗,1;0.5;0.25分別代表仿真的時間量綱為一年、半年和一個季.從圖3(見下頁)中可知仿真的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定,所建立的模型參數(shù)敏感性較弱,反映了該系統(tǒng)的復雜性,因此該模型基本可行,具備魯棒性.

對比上海市2004—2014年汽車實際保有量與仿真的數(shù)據(jù)結果后可知,相對誤差在可接受的范圍內,模型預測的結果與實際結果基本相似,如表2所示(見下頁),證明模型可行.

圖3　模型穩(wěn)定性分析

年份實際汽車保有量/萬輛仿真汽車保有量/萬輛誤差/%2004202.85202.8500.002005221.74212.003-4.392006238.13222.247-6.672007253.60233.653-7.872008261.50246.300-5.812009285.00257.863-9.522010309.70268.402-13.342011329.17277.978-15.552012260.90286.6459.872013282.46`295.4464.602014304.45302.493-0.66

3　模型使用

3.1控制汽車保有量政策

首先,對汽車的保有量進行控制,對于模型中的“政策條件”參數(shù)進行控制,改變觸發(fā)“控制政策”的汽車數(shù)量.假設以2014年的汽車保有量作為觸發(fā)條件,以20萬輛汽車為差量進行仿真,得到相應的汽車燃油消耗量Q,得到圖4的結果.

從圖4可發(fā)現(xiàn)隨著汽車限購的觸發(fā)條件不斷降低,燃油減排效果先變大后減小,其變化是非線性的,觸發(fā)條件控制在230～250萬輛區(qū)間,減排效果最明顯.并且在仿真中發(fā)現(xiàn)控制的差值在10萬輛以內,燃油消耗的下降量沒有明顯改變.

3.2控制報廢率政策

報廢率的變化對燃油消耗有很大影響,特別地,年代越久的汽車單位距離的燃油消耗越大.數(shù)據(jù)顯示上海市的汽車報廢率為4.8%,故在此次仿真中以4.8%為基礎,以0.2%遞增進行仿真,最終使報廢率達到6%,汽車的限購政策維持在310萬輛,大致為2014年的汽車保有量水平,得到圖5數(shù)據(jù).

圖4　不同限購條件觸發(fā)數(shù)量下的燃油消耗

從圖5中分析發(fā)現(xiàn)報廢率在5.2%～5.4%之間時汽車的燃油消耗不降反升,因此這個數(shù)值的報廢率是不合理的,并且隨著報廢率的上升,燃油消耗降低的數(shù)量越不明顯.

圖5　不同報廢率條件下的燃油消耗

3.3控制擁擠度

加強道路疏通管理,建設更多道路也是減少汽車尾氣排放的一個重要措施,保持汽車限購觸發(fā)量為310萬輛,報廢率為4.8%進行仿真,得到圖6的結果.

從圖6分析可以看出隨著擁擠度的降低,汽車燃油消耗的降低效果明顯,越通暢的道路對于降低汽車燃油消耗的效果越明顯.

3.4政策分析

在現(xiàn)有條件下,到2050年上海的汽車燃油消耗為74 752.6×105L,那么按照上等、中等和基本政策所需要的燃油消耗量分別為37 376.3×105L,48 589.19×105L,59 802.08×105L,對所需的目標值分別進行仿真.

圖6　不同擁擠度情況下的燃油消耗

為了減少燃油消耗量50%,在本文敘述的數(shù)據(jù)條件下,得到2050年最低的燃油消耗量為45 309.9×105L.由于現(xiàn)有的道路通暢程度和控制汽車購買的政策條件已經(jīng)不太容易修改,因此唯一的辦法就是提高汽車的報廢率.但通過不斷改變報廢率的數(shù)值,仍然無法達到降低燃油消耗50%的目標,可見這樣的一個目標就現(xiàn)有的技術條件和道路管理水平是難以實現(xiàn)的.

接著對減少燃油消耗量35%進行仿真,把汽車限購的觸發(fā)條件設置在220萬輛,報廢率設置為6%,道路管理水平設置為ln(汽車保有量/35)的情況下可以實現(xiàn)這樣一個目標,從仿真的結果來看燃油的消耗將在2033年達到峰值,隨后逐年降低,并且在2050年沒有再度增長的趨勢.

最后對減少燃油消耗量20%進行仿真,把汽車限購觸發(fā)條件設置為250萬輛,報廢率設置為5.8%,道路管理水平設置為ln(汽車保有量/35)的情況下可以實現(xiàn)這樣一個目標,燃油消耗的峰值仍然在2033年,隨后逐年降低,并且在2050年沒有再度增長的趨勢.

從上述的政策仿真來看,2033年上海的燃油消耗值將達到峰值,隨之而來的污染問題也將達到最大,為了平穩(wěn)度過這個峰值,加強管控,提高道路管理水平尤為關鍵,而控制汽車限購的觸發(fā)條件則不利于汽車工業(yè)的發(fā)展,應該慎重考慮.

4　結束語

本文通過建立汽車燃油消耗模型,分析影響汽車燃油消耗的各個因素,把這些因素設為變量,賦予不同的值就可以發(fā)現(xiàn)各因素對于減少燃油消耗作用的大小,選擇效果最明顯的因素對其進行優(yōu)化,有利于減少汽車燃油消耗.汽車尾氣的排放作為上?？諝馕廴镜闹匾蛩?此模型的提出對于從源頭上治理空氣污染問題具有實際意義.同時,上述3項措施實施的經(jīng)濟效益本文暫時沒有涉及,在今后的實際實施中,可以根據(jù)相關的條件,得到一個經(jīng)濟效益最高的方案.

[1]梁朝暉.上海市碳排放的歷史特征與遠期趨勢分析[J].上海經(jīng)濟研究,2009(7):79-87.

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[5]趙志國,王生昌.淺析影響汽車燃油消耗的外界因素[J].物流技術與應用(貨運車輛),2008(2):52-54.

[6]項喬君.城市交通系統(tǒng)汽車燃油消耗研究[D].南京:東南大學,2000.

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(編輯:丁紅藝)

Analysis on the Fuel Consumption of Automobile in Shanghai Based on System Dynamics

LI Zhefeng,YAN Guangle

(Business School,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Fuel consumption of automobile is one of the factors that cause air pollution.It is very effective for our environment protection to control the fuel consumption of automobile.According to the theories and methods of system dynamics (SD) and with the help of Vensim software,a SD model for the fuel consumption of automobile in Shanghai was constructed based on the traffic data of Shanghai from 2004 to 2014.The road management level,automobile purchase policy and automobile scrap rate were simulated by the method of control variables.The results show that the road management level is inversely proportional to the fuel consumption of the car and it is most effective for reducing automobile fuel consumption to maintain the number of automobiles between 2.3 million and 2.5 million,and keep the scrap rate between 5.6% and 5.8%.Three schemes were formulated to reduce the fuel consumption of automobile based on the requirements of energy conservation and emission reduction in Shanghai,which provided a theoretical support for the policy makers.

system dynamics; simulation;fuel consumption; energy conservation

1007-6735(2016)04-0357-05

10.13255/j.cnki.jusst.2016.04.009

2016-02-28

上海市一流學科建設資助項目(S1201YLXK)

李哲豐(1991-),男,碩士研究生.研究方向:社會經(jīng)濟復雜系統(tǒng).E-mail:peterleewell@sina.com

嚴廣樂(1957-),男,教授.研究方向:社會經(jīng)濟系統(tǒng)、系統(tǒng)科學.E-mail:glyan2003@sina.cn

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