基于完全分解模型的综合运输系统能耗影响因素研究

左大杰，赵柯达，谢媛娣

（西南交通大学 a.交通运输与物流学院；b.综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室; c.综合运输四川省重点实验室，成都610031）

基于完全分解模型的综合运输系统能耗影响因素研究

左大杰*a,b,c，赵柯达a,b,c，谢媛娣a

（西南交通大学 a.交通运输与物流学院；b.综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室; c.综合运输四川省重点实验室，成都610031）

随着工业化和城市化程度的提高，交通与能源矛盾日益突出.现有研究认为运输业能源消耗与运输量、能源消耗强度有关，然而忽视了综合运输系统结构对能源消耗的影响.为了解综合运输系统能耗与运输量、能耗强度、运输系统结构三者的定性与定量关系，找出综合运输系统能耗快速增长的真正推动因素，本文以综合运输系统为研究对象，建立基于完全分解的综合运输系统能耗影响分析模型，将能耗的影响因素分解成系统结构、运输量、能源消耗强度三大因子，并对1995-2011年的统计数据进行实例计算.研究发现，运输量的大量增加是运输业能耗显著增加的主要因素.但值得关注的是，运输结构对能源消耗的影响日益突出.所以，我国进一步构建综合运输系统时，应当做好各种运输方式在能耗方面的优势比较及合理的整体发展规划，使得各种运输方式协调发展.应该大力发展能源消耗率低且对环境影响小的铁路和水路运输.

综合交通运输；能耗分解；完全分解模型；综合运输系统；能耗强度

1 引 言

综合运输系统作为经济社会的重要基础，为经济社会发展提供运力保障的同时，其自身的快速发展使得行业能耗量迅速增加，在能源消耗等方面已经带来了一系列问题.据统计，2011年交通运输行业能耗占整个第三产业能耗30%以上.因此，研究综合运输系统能源消耗的影响因素，对于建设节能环保与可持续发展的综合运输系统具有重要意义.

现有研究认为交通运输业能耗与运输量（包括客、货运）、能源消耗强度两个因素有关.Xi Ji、李春荣研究表明运输业能耗与运输量增加密不可分[1,2]；EDIGER V Ş、SAIDUR R分别研究了土耳其、马来西亚两国交通运输领域能源强度对能源消耗的影响[3,4].然而，综合运输系统结构对能源消耗的影响却被忽略.

探究综合运输系统能耗增长与运输量、能源消耗强度、运输系统结构的关系，需要将综合运输系统能源消耗问题进行分解，以量化分析预定的三个因子对综合运输系统能源消耗变化产生的影响，这与Myers，Nakamura[5]提出的分解算法的核心思想相符.分解模型中指数分解模型被广泛应用于能源问题的研究.但目前最常用的拉氏指数分解模型（Laspeyres index Decomposition model）和迪氏指数分解模型（Divisia index Decomposition model）在残值项的处理上都存在分解不完全的问题.Sun对拉氏指数分解模型改良后的完全分解模型（Complete Decomposition model）继承了分解算法的核心思想并在分解过程中对残值项以“共同产生，平均分配”的方法进行处理，将残值项中忽略的影响效果补充到计算结果中，从而有效减少了残值项对结果的影响，提高计算结果的可靠性[6].完全分解模型在能源消耗研究中已被广泛使用[7-12].通过分析目前完全分解模型的应用状况可以看出,完全分解模型的利用具有一定的理论基础并发现其尚未在我国近期综合运输系统的能源问题上应用过.所以，本文尝试通过完全分解模型分析我国综合运输系统能耗的影响因素，以期尽可能减少残值项干扰，提高计算结果的可靠性，客观分析三大因素对我国综合运输系统能源消耗的影响.然后利用国家统计局1995-2011年能源消耗、换算周转量等数据，进行算例分析.

2 完全分解模型的建立与因子影响分析

本文假设在研究时段内，综合运输系统能耗的影响因素与运输量、运输结构、能源消耗强度有关，忽略其他影响因素的作用.以下应用完全分解模型[13]，将影响综合运输系统能耗的因子分解为运输量、运输结构和能源消耗强度3个因素，具体分解分析为

式中 t——为t时段；

i=1,2,3,4,5——分别代表铁路、公路、民航、水路和管道等5种运输方式；

E(t)——运输业的能源消耗总量（吨石油当量）；

ΔE(t)——相对于参考时段，运输业能源消耗总量的增加额；

Ei(t)——i种运输方式的能源消耗总量；

EIi(t)——i种运输方式的能源消耗强度；

EIi(0)——i种运输方式在参考时段内能源消耗强度；

ΔEIi(t)——相对于参考时段，第i种运输方式能源消耗强度的增加额；

VA(t)——运输业完成的周转量；

VA(0)——运输业在参考时段内完成的周转量；

ΔVA(t)——相对于参考时段，在t时段内完成的周转量中的增加额；

SVi(t)——在t时段内，第i种运输方式在总运输量中的运输结构比例；

SVi(0)——在参考时段内，第i种运输方式在总运输量中的运输结构比例；

ΔSVi(t)——相对于参考时段，第i种运输方式在t时段内完成的总运输量中运输结构比例的增量.

根据“共同产生，平均分配”理论，可以求得运输量VA(t)、运输结构SV(t)和运输能源消耗强度EI(t)这3个因子的贡献.各因素影响程度分析如下.

（1）运输量VA(t)变化对能源消耗的影响ΔEVA(t).

（2）运输结构SV(t)变化对能源消耗的影响

（3）能源消耗强度(EI)变化对能源消耗的影响

（4）式（3）-式（5）间存在如下关系式

通过“共同产生，平均分配”的方法避开残值项的影响，达到完全分解的效果.结合运输量、能源消耗等数据能够得到三大因素对能源消耗的影响.

3 算例分析

3.1 数据资料及处理

以1995-2011作为研究时段，分析综合运输系统（管道运输只运输石油和天然气，不予考虑；水运方面只考虑内河运输）中三大因素对能源消耗的贡献.由于已有的运输周转量分客货进行统计，所以需要将旅客周转量以一定比例转化成货物周转量，参考相关资料[14,15]，确定如下转换系数：铁路1人公里=1吨公里；公路10人公里=1吨公里；水运3人公里=1吨公里；航空13人公里=1吨公里.

周转量数据来源于1995-2011年中国统计年鉴，能源消耗数据来源于IEA能源平衡表[16].将旅客周转量转化成货物周转量后，可以得到总的换算周转量（VA），通过不同运输方式的周转量来计算各种运输方式在综合运输系统中所占的比例（SV），结合其能源消费得到能源消耗强度（EI）.根据VA、SV及EI的数值，计算相应因子对能源增长的贡献.

3.2 计算结果

经过换算后的综合运输系统换算周转量、结构及能源消耗强度如表1所示，根据完全分解模型求得综合运输系统不同因子对能源消耗的贡献如表2所示.

根据上述数据，将综合运输系统三大因素对能源消耗的贡献率表示如图1所示.

表1 1995-2011年中国综合运输系统换算周转量、结构及能源消耗强度Table 1 Converted traffic turnover,structure and energy intensity of comprehensive transportation system in China from 1995 to 2011

表2 综合运输系统不同因子对能源消耗的贡献Table 2 Contribution of different factors on energy consumption of comprehensive transportation (105吨标油)

图1 1995-2011年中国综合运输系统三大因素能耗贡献率Fig.1 Contribution rate of three factors of comprehensive transportation system in China from 1995 to 2011

3.3 结果讨论

（1）运输量是能源消耗增加的主要因素.

如图1所示，1995-2000年运输量的能耗贡献率为99.5%，2000-2005年为114.7%，可见这段时期内运输领域能耗几乎完全是由于运输量增加导致的；2005-2010年运输量的贡献率下降到54.9%，原因很可能是2008金融危机对运输量的影响；随后经济回暖2010-2011年运输量增长率回升到142%.通过以上分析可以看出经济社会与整个综合运输的紧密联系.经济社会的快速发展使得运输需求量倍增，换算周转量由1995年的40 020.66亿吨公里增加到2011年的170 963.17亿吨公里，增长了约2倍（如图2所示）.可见，其是直接导致整个综合运输系统能耗持续增长的主要原因.

（2）运输结构对能耗的贡献率越来越大.

如图1所以，1995-2000年运输结构的能耗贡献仅为15.4%；接着2000-2005年运输结构对能耗的贡献率为-10.4%，分析图3发现，1995-2003年水运换算周转量的增长率较为均衡保持在1%，2003-2005年水运换算周转量增长率突然增大.正是由于能耗最小的水运在综合运输系统结构所占的比例增加，导致了运输结构对能耗增长起了负作用，这也从侧面反映出综合运输系统结构对能源消耗影响的重要性；2005-2010年运输结构的能耗贡献率上升到52.5%，2010-2011年为54%.通过以上分析可以看出运输结构对能耗的影响正逐年增强.

（3）能源消耗强度在减少能源消耗方面发挥着重要作用.

Chunbo Ma认为科学技术的发展是能源消耗强度减少的主要原因.由于随着新技术的成熟与应用，每种运输方式中的运输设备得以更新换代，使其完成单位换算周转量的能耗减少，导致能源消耗强度对能源消耗贡献率的负增长增加.

图2 1995-2011年综合运输系统换算周转量变化趋势Fig.2 Trend of change on converted traffic turnover of comprehensive transportation system from 1995 to 2011

图3 1995-2011年综合运输系统结构组成Fig.3 Structure of comprehensive transportation system from 1995 to 2011

4 研究结论

本文基于完全分解模型剖析了综合运输系统能源消耗的推动因素，避免了以往指数分解过程中残值所造成的偏差，为日后研究相关问题提供了借鉴.分解过程中考虑了综合运输系统结构对能源消耗的影响，确定了运输量、能源消耗强度、综合运输系统结构三大能耗影响因子，并通过实例，分析了三大影响因子对能源消耗的贡献率及其随时间的变化规律.

研究结果表明，经济社会的快速发展使得运输需求量快速上升，导致运输量成为综合运输能耗的主要推动力；为了满足巨大的社会需求，能源消耗强度较大的公路运输快速发展，使其在整个综合运输系统中所占比例持续增长，而能源消耗强度较小的铁路、水运等运输方式的运输量虽然也在增长，但在综合运输系统中所占比例却在下降.综合运输系统结构不合理导致能耗影响开始显现并越发严重；从长远来看，随着中国进入工业化中后期和高级阶段，交通基础设施将逐渐完善，运输服务量的增速将逐渐放缓，综合运输系统结构对能耗的影响将越来越明显，所以未来综合运输结构将成为影响我国综合运输能源消耗的重要因素.

基于以上结论提出以下两点建议：

（1）在运输需求量无法改变的前提下，加强综合运输系统结构的优化，在发展规划中，注重综合运输的整体性，做到各种运输方式协调发展，并把能耗低、污染小的铁路和水运作为重点发展对象，这将有利于缓解运输业对能耗的影响；

（2）加大低能耗技术设备在运输领域的应用，进一步降低能源消耗强度，在政策上制定相关法律法规鼓励选用公共交通，完善公共交通设备设施，在战略上加紧新能源的开发与运用，推动混合动力汽车、高性能的电力牵引机车的应用，改善运输设备的能耗性能，缓解我国能源紧张的局面.

[1] XI Ji,CHEN G q.Exergy analysis of energy utilization in the transportation sector in China[J].Energy Policy, 2006,34(14):1709-1719.

[2] 李春荣．吉林省交通运输行业能源消耗分析与能源需求预测研究[D]．长春：吉林大学，2012.[Li C R. Research on energy consumption analysis and energy demand forecast of traffic transport industry in jilin province[D].ChangChun:Jilin University,2012.]

[3] Ediger V Ş,Çamdali Ü.Energy and exergy efficiencies in Turkish transportation sector,1988-2004[J].Energy Policy,2007,35(2):1238-1244.

[4] Saidur R,Sattar M A,Masjuki H H,et al.An estimation of the energy and exergy efficiencies for the energy resources consumption in the transportation sector in Malaysia[J].Energy Policy,2007,35(8):4018-4026.

[5] Myers J G,Nakamura L I.Saving energy in manufacturing:the post-embargo record[M].United States:Ballinger Publishing Company,1978.

[6] Sun J-w.Changes in energy consumption and energy intensity:A complete decomposition model[J].Energy Economics,1998,20(1):85-100.

[7] ZHOU Yang, ZONG Ke. Analysis of energy consumption in Shandong Province-Based on Complete Decomposition Model[J].Energy Procedia,2011,5: 1647-1653.

[8] LIU C.A stud on decomposition of industry energy consumption[J].Wseas Transactions on Mathematics, 2007,6(6):741-744.

[9] NING Y,DING T,TONOOKA Y.Feature analysis of Chinese energy consumption based on a complete decomposition model[C]∕ICMREE 2011-Proceedings 2011 International Confer,2．Shanghai,China,United States：IEEE Computer Society,2011:1313-1317.

[10] KANG R,YANG F,GUAN Y.Energy consumption reduction decomposition model based on input-output analysis and comprehensive evaluation[C]∕2012 International Conference on Sustainable Energ．Guangzhou, China, Switzerland： Trans Tech Publications Ltd,2013:1221-1226.

[11] 姜秀山,于立凯,胡思继.基于完全分解模型的能源消费变动及影响因素分析[J].北京交通大学学报(社会科学版),2012,(3)：38-42.[JIANG X S,YU L K,HU S J.An analysis of changes and influnencing factors of energyconsumption in Chinabased on complete decomposition model[J].Journal of Beijing Jiaotong University(Social Sciences Edition),2012,(3):38-42.]

[12] 李凯,李明玉,郁培丽,等.辽宁省能源消费的因素分解——基于完全分解模型[J].东北大学学报(自然科学版),2007,28(11)：1656-1659.[LI K,LI M Y,YU P L.Economic factorsanalysisbased on complete decomposition modal for energy consumption in liaoning province[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2007,28(11):1656-1659.]

[13] FULTON L,EADS.IEA∕SMP model documentation and reference case projection[R],2004.

[14] 孙启鹏，王庆云，毛保华.不同交通方式能耗因子及其可比性研究框架设计[J].交通运输系统工程与信息,2009,（9）4：10-14．[SUN Q P,WANG Q Y,MAO B H.Framework design of different tranportation modes' energy consunption factors and comparabilities study[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology,2009,9(4):10-14.]

[15] 毛保华，贾顺平，孙启鹏，等.不同交通方式能耗因子及其可比性研究[R].北京交通大学中国综合交通研究中心,2009．[MAO B H,JIA S P,SUN Q P,et al. Analysis ofdifferenttranportation modes'energy consunption factors and comparabilities[R].Integrated Transport Research Center of China,Beijing Jiaotong University,2009.]

[16] IEA.Energy statistics and balances(1995-2011)[DB∕OL],1995-2011.

Influencing Factors of Energy Consumption for Integrated Transportation System Based on Complete Decomposition Model

ZUO Da-jiea,b,c,ZHAO Ke-daa,b,c,XIE Yuan-dia
（a.School of Transportation and Logistics;b.Comprehensive Transportation Intelligent national local United Engineering Laboratory;c.Key Laboratory of Comprehensive Transportation of Sichuan Province,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China）

The contradiction between transportation and energy increased with the development of industrialization and urbanization.Current research indicates that energy consumption of transportation are related with traffic volume and energy consumption intensity,however,neglecting impaction of system structure of integrated transportation.This paper takes the integrated transportation system as a research object,and the complete decomposition model is built up.The influencing factors of energy consumption is divided into three parts,traffic volume,energy consumption intensity and system structure of integrated transportation.A calculation example is gave based on the statistical data of 1995-2011,to discuss thequalitative and quantitative relationship between energy consumption of transportation and its influencing factors,and find out the main promotion factor that effects energy consumption increasing.By analyzing the data，we can draw the conclusion that the energy consumption of transportation increase significantly with the increase of traffic volume.But it is necessary to point out that the effects of transport structure become more and more outstanding.Therefore,when government constructing integrated transportation system, should analysis comparative advantage energy consumption of each transportation ways and make the whole developing planning to realize the coordination of transport modes.In particular,should greatly develop transportation of railway and waterway which are low energy consumption and little effect on environment.

integrated transportation;energy consumption decomposition;completely decomposition model;integrated transportation system;energy consumption intensity

2014-06-30

2014-08-21录用日期：2014-09-23

西部交通战略与区域发展研究中心项目（XJQ010）；综合运输四川省重点实验室项目（B01A1202）；中央高校基本科研业务费专项资金科技创新项目（A0920502051413-108）.

左大杰（1978－），男，副教授，博士.*通讯作者:zuodajie@home.swjtu.edu.cn

1009-6744（2014）06-0015-06

U491

A