煤炭城市3E系统协调度组合赋权云模型评价

张璐璐，万志军，张 源，苟 红，彭 迪，闫万梓

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.湖南大学工商管理学院，湖南 长沙 410012)

随着可持续发展理念深入人心，以及“碳达峰、碳中和”目标的明确提出，探寻能源、环境和经济(energy-economic-environment，3E)系统之间的动态相互作用及协调发展状况逐渐成为研究的热点[1]。内蒙古自治区(以下简称“内蒙古”)当前已探明煤炭资源储量高达8 000多亿t，居全国第一位。作为重要的战略性资源，煤炭的需求量也在逐渐增长，内蒙古年平均煤炭消耗量为5 803.44万t标准煤，逐年升高的煤炭消费量支撑了内蒙古经济的高速发展[2]。与此同时，由于煤炭的开采作业引起的温室效应等环境问题制约了环境的可持续发展。因此，提高能源利用率，确保3E系统的协调发展是内蒙古乃至全国需要重视的关键问题[3-4]。

我国对3E系统的研究自20世纪70年代开始，相较于以往的二维系统，如能源-环境系统、经济-环境系统、能源-经济系统等而言，3E系统凭借整体性、统一性、多维度等优势，在能源[5]、环境[6]、技术工程[7]等诸多领域中已经得到了较好的应用。WU等[8]以上海宝山区为例，以系统动力学模型为基础，模拟了土地资源变化对生态环境及经济发展的影响；常玉苗等[9]从系统角度出发，使用耦合协调度模型分析了由于水资源环境的变化对工业经济的影响。在矿产资源方面，汪中华等[10]以内蒙古草原环境为例，使用耦合协调度模型，对草原矿产资源开发与利用及草原环境协调发展进行了评价；杨永均等[11]利用耦合协调度模型对贵州省所赋存的矿产资源、区域经济发展和矿区生态环境三者之间的协调关系进行评价与分析；王雪芹等[12]也利用耦合协调度模型对山西省“经济-能源-环境”系统协调发展水平进行多维评价与分析。随着研究的不断深入，许多学者将能源类型不断进行细化与外延[13]，评价的模型与方法也逐渐丰富。崔和瑞等[14]整合了我国3E系统的动态关系，在此基础上总结了向量自回归(VAR)模型的优缺点，建立我国3E系统模型；毕宏杰等[15]通过对城市间3E系统结构特征与各子系统之间相互作用机制的研究，明确了3E系统的变化规律，构建了3E系统的Brusselator模型；王锋等[16]对我国城市间3E系统协调度的差异性进行研究，运用空间统计与空间计量方法确定空间差异、动态演化趋势，并进行了预测；严雨男等[17]使用远距离协调度模型和GM灰色预测模型开展了四川省3E系统协调度实证评价；AMIRMOHAMMAD等[18]基于太阳能和地热的综合能源系统建立了3E模型，并使用遗传算法实现了多目标优化；LOPEZ[19]采用定性方法和定量方法，建立了3E评价体系评估泰国孔敬省旅游政策和环境的可持续性。

通过对上述文献梳理分析，总结3E系统协调度评价方法，发现在现有的3E系统协调度评价过程中，针对矿业尤其是某一特定能源型行业的研究较少，在构建评价指标开展评价时，环境指标和经济指标往往采用全社会总量指标，无法体现具体行业的特殊性；同时，在基于数据驱动的3E系统协调度评价模型中指标的选取也存在一定的随机性，评价结果的准确性主要受主观因素影响，包括专家的专业水平、实践经验、个人偏好，以及其他因素；此外，3E系统指标数据与协调度之间的关系没有考虑模糊不确定性，导致协调度评价结果的可信度不高。

为了解决上述评价过程中的问题，本文以内蒙古为例，结合内蒙古拥有丰富的煤炭资源这一地域特色，将“能源-环境-经济”系统细化为“煤炭-经济-环境”3E系统，针对指标选取的差异性与特殊性，结合经济、环境相关典型指标选取具有煤炭行业特色的指标数据，构建完善了3E系统协调度评价指标体系。针对传统评价模型的评价方式单一、评价受主客观影响等消极因素，运用博弈论组合主客观权重，提高了权重计算的准确性。为了弱化各系统协调度影响因素存在的模糊性与不确定性的影响，将标准化云模型引入评价模型中，对研究区3E系统协调度等级进行评价，以期为不同区域内的相同3E系统协调度等级评价提供思路与方法。

1 评价体系构建及解析

3E系统主要是指能源系统、经济系统、环境系统三者共同构成的集合体，由于本文的研究区内蒙古为我国煤炭主要富集区，因此将3E系统细化为“煤炭-经济-环境”系统。协调度评价研究主要探讨区域内“煤炭-经济-环境”复合系统中能源产量、人类经济社会活动、环境资源的相互作用关系和反馈机制，三者之间的关系如图1所示。

图1 “煤炭-经济-环境”系统关系图Fig.1 “Coal-economy-environment” system

由图1可知，三种系统之间相互影响，相互关联，“煤炭-经济-环境”系统既存在制约关系也有互相促进的关系[20]。能源是人类生存发展的物质基础，是促进经济增长和社会进步的动力，在3E系统中处于核心地位。截至2022年底，内蒙古在产煤矿312处，其中，鄂尔多斯市231处在产煤矿日生产煤炭280.12万t。良好的资源赋存条件与优越的开采条件使得内蒙古的工业经济得到了大力发展，增加了当地居民的就业机会，为经济发展提供了原材料。经济发展是社会稳定前进与人民幸福生活的基础条件， 在3E系统中处于关键地位。 在国家发展和改革委员会、国家矿山安全监察局等支持下，2022年内蒙古为115处煤矿核增产能1.69亿t，调增10处建设煤矿规模，增加产能2 160万t。在经济效益的驱使下，整个煤炭行业的关注重点集中于利润，而对技术创新和生态环境等问题关注较少。生态环境健康是一个城市持续发展的保障，也是人民对良好居住环境的追求，在3E系统中处于保障地位。能源在开发过程中会对生态环境产生影响，包括直接影响或间接影响，如土地资源损毁、地质灾害等，这些对环境的负面影响不仅会对资源的赋存造成破坏，同时也增加了环境治理的成本，对能源整体的开发与利用产生了不利的影响。

3E系统是一个复杂、动态、多层次的开放系统。本文根据数据的可获取性以及指标选取的科学性、系统性和可操作性原则，参考国内外有关3E系统协调度评价指标体系，并结合煤炭行业的特点，根据《内蒙古自治区统计年鉴》相关数据，从煤炭子系统、环境子系统和经济效益子系统3个维度出发，构建了“煤炭-经济-环境”协调度评价指标体系，如图2所示。

图2 “煤炭-经济-环境”系统协调度评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of coordination degree of “coal-economy-environment” system

1.1 煤炭子系统

煤炭子系统体现了煤炭开发利用的综合水平，可以有效反映煤炭准则层下的指标对3E系统体系协调度的影响，是重要的子系统之一。为有效评价协调度，通过总结过滤已有指标，结合内蒙古能源特色分析煤炭行业典型指标，本文最终选择了五个具有代表性的子指标。煤炭生产总量和煤炭消费总量是最直观衡量煤炭能源开发利用能力的指标；科学产能得分反映了煤炭工业科技、安全、绿色等综合水平；占一次能源消费比例反映了煤炭在能源结构中的重要地位；煤炭加工转换效率则反应了煤炭在深加工转换工程中的利用程度。

1.2 环境子系统

环境子系统主要表现在环境的承载能力及质量水平两个方面，主要参照《中华人民共和国环境保护法》《环境影响评价准则》等规章制度与标准依据进行选择。由于煤中含有碳、氢、氧、氮、硫等多种微量元素，在燃烧状态下，释放最多的气体是二氧化硫(SO2)。同时在煤炭开采作业与运输过程中也伴随着烟粉尘污染、矸石排放与水体污染等。综合考虑环境的污染程度、控制水平、污染治理与损失等情况，选择了SO2排放量、烟粉尘排放量、废水排放量、固体废弃物排放量和水质优良率等五个指标。

1.3 经济子系统

经济子系统是反映3E系统是否协调发展的重要子系统之一，主要是指经济总量、经济结构和经济质量的综合发展水平。本文从经济学与统计学的角度分析，根据相关经济学理论，结合煤炭行业自身发展状况，对已有指标进行筛选，最终选取了六个子指标。其中，地区生产总值、社会固定资产投资反映了内蒙古经济的整体发展水平；对于能源城市经济发展而言，第二产业占GDP比重、第三产业占GDP比重反应了经济结构的发展水平；煤炭消费弹性系数、居民可支配收入则体现了经济系统发展过程中重要的质量特征。

2 基于组合权重的正态云协调度评价模型

2.1 基本理论原理

2.1.1 基于“博弈论”的组合权重法

评价应用单一的主观权重或客观权重都可导致结果与实际存在差异，因此本文应用组合权重来解决这一问题，以博弈论[21]求解。该方法是通过组合各种方法确定的权重间的离差最小化，在各种可能权重之间达成一种平衡，提高了评价的科学性与可靠性，其主要步骤如下所述。

(1)

2) 确定组合权重，得到对策模型，见式(2)。

(2)

3) 求解式(2)可得到αp，组合权重向量见式(3)。

(3)

2.1.2 云模型理论

我国学者李德毅提出了一种新型不确定性推理理论——云模型[24]，该理论通过对定量数值：期望Ex、熵En和超熵He的计算与评价事物的模糊性与不确定性进行了转化。其中，各指标正态云参数释义如图3所示。

图3 云模型参数特征示意图Fig.3 Schematic diagram of cloud modelparameter characteristics

云发生器(cloud generator，CG)是实现云模型过程的基本算法，通过计算机运算来实现定性模糊概念与定量确定数值之间的转换，主要有正向云发生器(CG)与逆向云发生器(CG-1)两类。CG与CG-1的具体算法步骤如图4所示。

图4 云发生器算法Fig.4 Cloud generator algorithm

2.2 云模型构建流程

本文首先对收集的数据进行处理，采用主观性较强的层次分析法计算各指标的主观权重值，再通过熵权法计算指标客观权重值，由于主客观权重存在一定差异，遂采用基于“博弈论”的组合权重方法集成主客观权重值并得到指标最后的组合权重值。此外，“煤炭-环境-经济”协调度系统是一个非线性多因素复杂系统，各子系统密切相关，所以利用云模型将评价指标的模糊性和随机性有效结合起来，主要评价流程如图5所示。

图5 评价模型构建流程图Fig.5 Evaluation model construction flow chart

2.2.1 标准云构建

标准评价云是协调度评价的基准对照图，本文将协调度等级分为严重失调、轻度失调、一般协调、良好协调、健康协调五个等级，使用黄金比率分割法对于标准云模型的评价等级进行分级赋值。黄金比率分割法主要原理是以云特征参数中的En和He对评价区间进行分割，以0.618为比较参数，比较后数值更高者乘以0.618即可等于数值更低者，通过这种方式实现标准云模型的评价等级的确定。各评价等级云数字特征见表1。

本文根据评价体系将评价区间划分为[0,0.5]，结合评价对象特点，将超熵值定为0.005，根据黄金比率分割法计算标准云数字特征(表1)。设置云滴数为5 000通过正向云发生器得风险评价标准云如图6所示。

表1 各评价等级的云数字特征Table 1 Cloud digital characteristics of each evaluation level

图6 标准云图Fig.6 The standard cloud

2.2.2 实际云构建

1) 指标层云模型。邀请行业内相关专家对评价指标进行打分，分值区间为[0,1]，然后按照逆向云发生器算法分别计算出最低分和最高分云数字特征，经过综合云发生器计算出每个指标的云模型数字特征(Ex,C，En,C，He,C)，具体算法见式(4)。

(4)

2) 准则层云模型。根据指标层评价云数字特征和组合权重WC加权运算得到三个准则层指标云数字特征(Ex,B，En,B，He,B)，具体算法见式(5)。

(5)

3) 目标层云模型。根据准则层云数字特征和组合权重加权运算得到3E系统协调度综合评价云数字特征(Ex，En，He)，具体算法见式(6)。

(6)

3 实例分析

3.1 数据的收集与处理

根据《内蒙古自治区统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和《中国统计年鉴》等统计年鉴以及现有文献中已经提及的指标进行筛选，最终以内蒙古2014—2020年的统计指标数据为例进行模型的验证与分析，将收集到的数据进行标准化处理，见表2。

表2 内蒙古煤炭、环境、经济指标数据归一化结果Table 2 Normalization results of coal,environment and economic index data in Inner Mongolia

3.2 评价过程

1) 权重计算。以内蒙古为例，根据建立的评价指标体系，利用层次分析法与熵权法计算主客观权重并使用博弈论对权重进行组合，计算结果见表3。

表3 指标权重值Table 3 Index weight value

2) 生成评价云图。将评价数据带入逆向云发生器算法，得到准则层云数字特征参数见表4。云滴数设置为5 000生成准则层评价云图。

3.3 评价结果及分析

1) 煤炭子系统。根据表4准则层的各项云数字特征参数得到煤炭子系统协调度评价云图，如图7所示。

表4 准则层云数字特征Table 4 Standard stratus digital characteristics

图7 煤炭子系统协调度云图Fig.7 Coordination degree cloud map of coal subsystem

内蒙古煤炭子系统各指标整体呈现良好协调等级。其中煤炭生产总值表现最为优异，结合《内蒙古自治区能源发展报告》[25]可知，在2014—2020年间内蒙古煤炭生产量持续增加。但是对于煤炭消费来说，由于2017年国家在煤炭行业内推行去产能政策，所以即便生产总值表现优异，但是煤炭消费总量与生产总量之间供需没有达到平衡状态。随着煤炭产量的增加，煤炭企业科学绿色开采技术也随之大力发展，《能源发展战略行动计划2014—2020年》中提出，要加快产业结构、能源结构、运输结构和用地结构优化调整，提高煤炭加工转化率。在2017年中国煤炭企业科学产能排行榜中，内蒙古神华集团矿井包揽前五名，85%的矿井符合科学产能的要求，因此科学产能得分表现趋向良好等级。

2) 环境子系统。根据表4准则层的各项云数字特征参数得到环境子系统协调度评价云图，如图8所示。

图8 环境子系统协调度云图Fig.8 Coordination degree cloud map of environment subsystem

内蒙古环境子系统各指标整体等级呈现一般-良好交错分布。其中，SO2排放量、废水排放量均处于可控范围内，表现良好。烟粉尘排放量、固体废弃物排放量表现一般。这是由于煤炭生产总量较大，开采与使用环节会产生大量的粉尘及煤矸废料等，因此固体废弃物的堆积量增加，排放量也随之加大。

同时，由于煤炭消费水平不能与煤炭生产能力相协调，故煤炭消费带来的SO2、废水等排放量较少，所以这两项指标模型评价结果良好。内蒙古地处我国西部，属于水资源紧缺，干旱少雨的地区[26]，加之“三废”排放量依旧处于较高水平，污水处理能力不够高，故水体优良率评价结果一般。

3) 经济子系统。根据表4准则层的各项云数字特征参数得到经济子系统协调度评价云图，如图9所示。

图9 经济子系统协调度云图Fig.9 Coordination degree cloud map of economic subsystem

内蒙古经济子系统各指标等级整体在差-良好区间均匀分布。第二产业包含煤炭开采及相关加工制造业，第三产业包含煤炭生产过程中的辅助产业(如交通运输、设备机械等)，第二产业占GDP比重、第三产业占GDP比重指标均趋于良好。此外，地区生产总值评价等级一般，这是由于从2014年开始，经济新常态已经成为中国的总体经济态势，各行业也在努力向新常态的理念靠拢，努力适应经济新常态提出的要求，由于煤炭为内蒙古地区的主要能源，因此，地区生产总值受到了一定影响而产生波动。这些现象均从侧面印证了煤炭生产依旧处于高产量、高水平，但是煤炭消费水平有所降低。由于产量与消费能力不协调，就要求煤炭消费弹性强，这也间接解释了煤炭消费弹性系数指标表现良好的原因。

4) 3E系统。根据准则层云数字特征和组合权重加权运算得到3E系统协调度综合评价云数字特征为(0.686 9，0.066 3，0.012 2)，3E系统综合协调度评价云图如图10所示。

3E系统整体协调度评价等级为良好。对于各个子系统协调度来说，煤炭子系统、环境子系统协调度整体良好，且趋于优异。经济子系统协调度介于一般至良好期间。3E系统综合评价云图表明了内蒙古地区2014—2020年对煤炭生产过程中的煤炭开采利用、环境保护和经济发展做出了有效举措，正在逐步摆脱低效、高能耗的局面。此外，随着内蒙古生态文明建设的逐步推进，绿色发展、可持续发展、环境友好、新能源革命等成为未来内蒙古经济、环境、能源发展的主方向。

4 研究结论与建议

4.1 结论

1) 本文针对内蒙古能源特色，构建了“煤炭-环境-经济”3E系统协调度综合评价指标体系，同时基于博弈论组合赋权法对传统的主观赋权法与客观赋权法进行改进，确定组合指标权重，解决了采用不同赋权法导致的评价结果不准确问题。基于云模型求得各级指标标准评价云，最后通过正向云发生器得到指标综合评价云图。此方法相对于传统的模糊评价对指标的模糊性考虑得更加全面，评价结果更加客观。

2) 实例分析显示，内蒙古2014—2020年间3E系统协调发展处于良好协调等级。此外，从各子系统协调度来看，相比于煤炭子系统与环境子系统的协调度，经济子系统较为滞后，这说明调整能源消费结构、改善产业结构、合理利用能源以及保护环境都是内蒙古面临的一大难题。

4.2 建议

制定科学、合理的煤炭、经济、环境政策体系是内蒙古实现3E系统协调发展的有效方法，具体来说，内蒙古3E系统协调发展的政策路径可以从以下三方面着手。

1) 优化能源消费结构，提高科学产能得分。在煤炭的生产加工过程中，大量的污染物被排放，每年用于治理由于污染物排放所带来的环境问题的支出增加，使得企业效益降低，煤炭市场化程度逐渐升高，煤炭价格不断走高，导致了煤炭消费水平与生产水平不协调。因此，内蒙古煤炭企业应该调整能源的消费结构，将单一煤炭生产向煤炭综合利用、深加工方向转变，延长产业链条，提高产业附加值。通过制定相关政策法规，规范煤炭企业生产加工标准与污染排放指标，与此同时，在增加能源供给的基础上，政府应当鼓励企业尽可能多地使用新能源，遏制资源浪费。除此之外，加快推动煤矿智能化发展，向安全高效、现代智能、绿色清洁方向发展，从而提高煤矿的科学产能得分。

2) 控制企业污染排放，完善相关政策法规。根据对环境子系统的分析可知，煤炭生产和使用过程中产生了大量废水、废气和固体污染物，破坏了生态环境，对能源发展产生了负面影响，导致了环境承载能力降低。因此，结合本文对煤炭子系统与环境子系统的分析，需正视能源与环境的发展关系，煤炭行业应坚持循环经济发展理念，推动节能降耗管理工作，促进科学技术创新与新技术开发，以推动煤矿向绿色矿山模式发展。在此基础上，政府关于能源利用政策和环保法律及管理的规定应该更加健全，对于在工业生产过程中严重污染环境的企业，应该加强惩戒力度；而政府作为市场监管者，也应该形成和全面落实政府监督制度，并以此对市场主体加以指导和控制，引导企业主动学习外国先进的减碳经验，并坚持执行国际严格的低碳准则，促进企业建立和健全相应规章制度，为中国低碳经济发展进一步增添了制度活力。

3) 优化产业结构，建立健全市场价格机制。内蒙古应调整产业结构，降低第二产业占GDP的比重，适当提高第三产业占GDP的比重，构建科技含量高、能源消耗少、环境污染低的产业体系。合理的能源价格体系，是在社会主义市场机制条件下推动节约和提升生产效率的最大驱动力量。所以，要彻底改变内蒙古过去只强调对环境成本变化的价格管制，而很少顾及环境外部成本的情况，尽快形成科学合理的能源价格制度。推动资源要素配置的市场化变革，尽早建立促进经济社会发展方式改革的价格引导制度，以促进内蒙古经济社会持续、高速、健康的发展。