基于自适应控制的石油产量预测方法与模型研究

易洁芯，张　松，吴　剑

(中国石油勘探开发研究院， 北京　100083)

基于自适应控制的石油产量预测方法与模型研究

易洁芯，张松，吴剑

(中国石油勘探开发研究院， 北京100083)

摘要：通过对比温控系统与石油系统控制原理，分析自动控制理论与石油系统控制理论存在的差异，建立能够刻画石油系统自适应机理的产量预测模型。自动控制原理侧重研究系统内部的控制机理，而石油系统中的控制机理更加复杂化。根据石油系统自控原理的特殊性，分析石油系统下各种环境的反馈关系，构建一种石油产量预测新思路。

关键词：温控系统；石油系统；PID控制；自适应控制

中图分类号：F206

文献标识码：标识码：A

文章编号：：1674-8425(2015)10-0033-05

Abstract:The difference between the temperature-control model and the oil system adaptive model was researched and put forward. A production forecast model of oil system based on adaptive mechanism was built. Automatic control theory emphasizes on control mechanism in the inner system, while automatic control in oil system is more complicated. A new method which considered the complex feedback between energy system and its environment was applied to forecast oil production.

收稿日期：2014-11-26

基金项目：国家自然科学基金项目“企业员工工作疏离感影响因素、形成机制及干预策略实证研究”(71272210)

作者简介：余璇(1986—)，男，湖北天门人，博士研究生，研究方向：企业组织与人力资源管理；陈维政(1951—)，男，重庆人，教授，博士生导师，加拿大约克大学亚洲研究中心客座研究员；贺倩(1987—)，女，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：人力资源管理。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(s).2015.10.007

Study on Oil Supply Forecast Model Based on Adaptive Control

YI Jie-xin, ZHANG Song, WU Jian

(Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

Key words: temperature control system; oil system; PID control; adaptive control

控制论是20世纪40年代开始形成的一门新兴学科，1948年美国数学家维纳出版的专著《控制论：或关于动物和机器中控制和通信的科学》被公认为是控制论诞生的标志[1]。控制论最初应用于工程系统，随着学科之间应用的渗透，控制论已从控制工程、系统工程的应用领域扩展到包含人类活动本身的社会经济系统。其中经济控制论的思想早已在经济学中有所体现，亚当·斯密在《国富论》中指出，自由市场表面看似混乱而毫无拘束，实际上却是由一只 “看不见的手”所指引，引导市场生产出正确的产品数量和种类[2]。经济控制论的完整理论体系形成于20世纪40年代，代表人物为波兰著名经济学家奥斯卡·兰格，他在《经济控制论导论》一书中首次将控制论应用于经济问题研究之中，并定义了经济控制论。

尽管经济控制论的定义繁多，但其基本思想是一致的，经济控制论作为控制论的一个分支，是将控制论的一般原理和方法应用于经济系统问题研究，并由此不断发展形成的一门新的学科。经济控制论延续了控制论的基本思路，目前主要用于处理社会、经济和管理中的最优控制问题。本文主要以石油系统为研究对象，遵循经济控制论的基本原理，提出适合复杂能源经济系统的自适应控制。

一、温控模型与石油系统自控模型对比分析

(一)温控模型与石油系统自控模型对比

在工程系统下，自动控制是指在无人直接干预的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程等的某一工作状态或参数自动、准确地按照预期的规律运行[3]。如温控模型即是一个自控系统，在特定房间内放置一个热源和传感器，通过对热源的控制和传感器的信息反馈，将温度控制在一个固定值。首先，传感器感应房间温度，将温度信息传递给控制器，控制器根据温度发出指令，如果房间温度高于设定温度，则让热源降低温度，如果房间温度低于设定温度，则提高温度，一直到房间温度达到设定温度。其自适应控制机理如图1。

图1　闭环控制系统

由于石油系统所处环境的复杂性，系统内部参数关系复杂化以及环境对系统的变化敏感性强，系统内部与外界环境存在复杂的反馈关系。石油系统的反馈关系如图2。

图2　石油系统反馈关系

由于石油系统存在复杂的反馈关系，其自适应机理有别于工程控制的机理。石油系统的自适应控制流程如下：输入石油的供给与需求，测算出供需差，如果供需差在合理范围，则输出石油供给与需求，否则模型将对供需进行调整，直到供需达到动态平衡。

石油系统的调整过程如下：当供需差超出合理范围，供需差的变化引起石油价格的波动，价格的波动影响到外部环境，这种影响又反馈到石油系统内部，作用于被控对象，即石油的供需。其控制系统如图3。

图3　石油系统的控制原理

比照温控系统，我们设定在石油系统中传感器为价格，石油系统的环境为社会政治环境、经济环境、自然环境以及其他环境，热源为影响石油系统供给与需求的主控因素，目标为供需平衡，被控对象为能源的供给与需求，如表1。

表1　温控系统与石油系统对比

对比两种自适应控制系统，在工程系统中，闭环控制系统通过反馈使控制系统的输出对外部扰动和内部参数的变动都很不敏感，从而使得控制系统达到预期的控制性能[1,3]。由于控制系统的输出对环境的影响确实不大，控制系统可忽视外界环境与系统本身之间的反馈作用，强调系统内部的控制作用，通过调整系统内部的参数使得整个系统达到控制目标。石油系统环境复杂，外部环境对系统内部变化敏感性强并对系统产生反馈作用，在这种自适应控制下石油系统最终实现动态平衡。

(二)石油系统与环境反馈关系分析

石油系统与环境之间的反馈关系包括石油系统与经济环境的反馈关系、与社会政治环境的反馈关系以及与资源环境的反馈关系。从经济环境看，油价的上涨会影响石油上游投资和实体经济等方面。国内外大量文献研究能源价格与实体经济的反馈关系，如Rasche和Tatom[4]，Hamilton和Janes[5]，Santini和Danilo[6]，Gisser等[7]，Rotemberg等[8]，Daniel[9]，Raymond等[10]均通过研究得到能源价格与累积产出或者就业为负相关关系。

从社会政治环境看，由于油价的持续上涨，各国政府从政治层面采取措施缓解油气供需矛盾，如美国政府为应对油价上涨推行可再生能源和非常规能源激励政策。2012年美国EPA组织批准燃料中乙醇含量可达到15%(之前比例为10%)，这给生物燃料的发展创造了机会。美国政府还通过税收激励政策、可再生能源补贴以及贷款等形式支持可再生能源的发展[11]。

从资源层面看，油价上涨将加快技术进步以提高油气产量。近年来，油价不断攀升，美国非常规水力压裂及水平井技术的突破，非常规成为未来能源接替的焦点。2012年，美国的致密油产量为210万桶/日，占其石油产量的24%，页岩气产量为240亿立方英尺/日，占其天然气产量的37%[12]。在过去5年，非常规资源将美国的油气产量分别提高了30%和20%[12]。

二、石油系统供需平衡自适应机理模型

(一)石油系统自适应模型描述

模型存在以下假设：(1)模型关于供需平衡的调整仅涉及到供给层面的调整，没有考虑供需不平衡对需求层面的影响；(2)石油投资指的是上游勘探开发投资，其主控因素为油价；(3)假定石油产量与石油价格存在相互影响关系。原油产量是原油价格的格兰杰原因[13]。原油价格通过影响上游勘探开发投资，间接影响原油产量。

模型的框架如图4，石油的产量主控因素为资源因素与经济因素，其中资源因素输入为石油探明储量，经济因素的输入为油价和投资。模型设置的目标为供需平衡，如果供需差额超过预定范围，模型将通过自适应机理进行调整。

图4　供给预测模型流程

模型的具体表达式如下：

(1)

(2)

文中利用相关系数来表示实际产量的增长率与投资增长率及哈波特产量的关系。

(3)

(4)

(5)

Y_productioni=Y_productioni-1(1+Y_production_ratei)

(6)

(7)

当供需不平衡时，模型将调整产量的初始值，根据PID控制中的比例控制得出调整值：

Y_production_adjusti=λei+Y_productioni

(8)

产量的调整将导致石油价格发生变化，表达式如下：

price_ratei=f(Y_production_ratei)

(9)

油价变动从而引起石油投资的变动，最终使得产量发生变化，根据变化的产量与石油需求对比，即重复式(1)～(7)。如符合供需平衡条件，则模型输出结果，如果不符合供需平衡调节，模型继续进行迭代。

其中，k为投资，c为成本，price为油价，Q_hubbert为根据哈伯特模型计算的产量，NR为探明储量，Y_production为石油产量，Y_production_rate为石油产量变化率，k_rate为投资变化率，Q_hubbert_rate为哈伯特产量的变化率，e为供需差，price_rate为价格变化率，Y_demand为石油需求。

(二)结果分析

模型中产量、油价、探明储量历史数据均来源于BP《2012统计年鉴》，投资数据来源于IEA，石油需求预测来源于IEA《2012世界能源展望》。

模型计算中设置了3种情景，分别计算在3种情景下石油系统如何实现自适应机理。3种情景假设分别是：(1) 假定未来需求曲线的变化形式为y=αtβ,模型计算中的公式为y=4 300t0.056 52，即未来需求变化由快到慢；(2) 假定未来需求曲线的变化形式为y=Aeδt，模型计算中的公式为y=4 100e0.02t，即未来需求变化由慢变快；(3) 假定未来需求曲线的变化形式为y=εt+γ，模型计算中的公式为y=36.63t+4 255。3种情景下，产量预测结果如表2，当需求曲线发生变化，其供给市场将根据需求曲线的变化，调整自身的石油供给。

图5　各类情景下需求曲线

年份情景1/百万吨情景2/百万吨情景3/百万吨2015432841464146202046534590445620254835503646822030488055274880

三、结束语

本文讨论温控系统和石油系统的差异。温控系统侧重研究系统内部的控制作用，较少涉及环境的反馈，采取直接手段达到控制目的，比如温控系统为达到设定温度，热源直接调整室内温度。石油系统为复杂系统，系统对于环境敏感性高，石油系统内部的动态稳定建立在系统与环境相互作用的基础上。因此与工程系统控制论观点比较，石油系统控制论更侧重环境对系统的反馈作用。随后，本文根据石油系统的自适应机理建立产量预测模型。该模型的意义在于考虑了环境的反馈作用，模型为研究能源供给的内在机理提供了一种新思路。在模型计算过程中，设置了3种未来需求曲线的变化形式，根据模型计算结果，分析石油系统如何达到供需的动态平衡。模型的不足是仅考虑到经济层面的反馈作用，而忽视资源、社会政治等其他层面的反馈作用。资源、社会政治等其他层面的反馈作用将纳入以后的研究范畴。

参考文献：

[1]王晶,王志胜,陆宁云,等.经济控制论——理论、应用与matlab仿真[M].北京:科学出版社,2008.

[2]亚当·斯密.国富论[M].郭大力,王亚南，译.上海:上海三联书店,2009.

[3]陈复扬,姜斌.自适应控制与应用[M].北京:国防工业出版社,2009.

[4]RASCHE R H,TATOM J A.Energy Resources and Potential GNP[J].Federal Reserve Bank of St.Louis Review,1977,59(6):10-24.

[5]HAMILTON,JAMES D.Oil and the Macroeconomy Since World WarⅡ[J].Journal of Political Economy,1983,91:228-248.

[6]SANTINI,DANILO J.The Energy-Squeeze Model:Energy Price Dynamics in U.S.Business Cycles[J].International Journal of Energy Systems,1985,5:18-25.

[7]GISSER,MICHA,THOMAS H G.Crude Oil and the Macroeconomy:Tests of Some Popular Notions[J].Journal of Money,Credit,and Banking,1986,18:95-103.

[8]ROTEMBERG,JULIO J,WOODFORD .Imperfect Competition and the Effects of Energy Price Increases[J].Journal of Money,Credit,and Banking.1996,28:549-577.

[9]DANIEL,BETTY C.International Interdependence of National Growth Rates:A Structural Trends Analysis[J].Journal of Monetary Economics,1997,40:73-96.

[10]RAYMOND,JENNIE E,ROBERT W,et al.Oil and the Macroeconomy:A Markov State-Switching Approach[J].Journal of Money,Credit and Banking,1997，29(5)：193-213.

[11]IEA(international Energy Agecy).World Energy Outlook 2012[M].Paris:OECD/IEA，2011.

[12]李向阳.非常规资源将影响全球能源格局——《BP2030年世界能源展望》解读[J].国际石油经济，2013(4)：17-24.

[13]缪建营，李治国.国际原油价格影响因素实证分析——基于协整分析和格兰杰因果关系检验[J].重庆工商大学学报：自然科学版,2011,28(5):484-488.

(责任编辑魏艳君)

引用格式：余璇，陈维政，贺倩.工作要求对新生代员工工作态度影响的实证研究——以父辈支持为调节变量[J].重庆理工大学学报:社会科学，2015(10):38-44.

Citation format：YU Xuan，CHEN Wei-zheng，HE Qian.Empirical Study of Impact of Work Demand on Millennial Employees’ Attitude Toward Work: Elder Support as A Moderating Variable[J].Journal of Chongqing University of Technology:Social Science，2015(10):38-44.