（环境工程专业论文）基于双层规划模型的经济新区碳规划方法研究.pdfVIP

摘要 经济新区作为推动整体区域经济快速发展及提高区域综合竞争力的重要依 托，其发展和示范作用对区域具有全局性战略意义。经济建设和资源环境可持续 发展的矛盾，是目前经济新区建设发展面临的重大问题，因此，如何对经济新区 进行科学合理地规划，使其实现经济系统与资源环境系统双赢，是当前研究的热 点。 以实现碳减排约束下的经济发展为目标和依据，本文进行了基于双层规划模 型的经济新区碳规划方法研究，目的是准确把握经济新区建设中的突出问题，合 理安排环境容量下的经济建设，为社会、经济、环境的可持续发展提供科学依据， 主要的工作如下： 首先，进行了双层规划的理论综述，叙述双层规划模型的产生背景及特点， 分析双层规划模型的应用及面临的主要问题，重点叙述将其引入到经济新区发展 规划中的意义； 其次，针对经济新区经济快速发展和碳减排的双重要求，开发了双层规划模 型，目的在于通过合理安排碳规划和经济发展的关系，实现经济新区建设发展的 目标，以提高规划对社会经济环境协调发展全面、科学和可行的指导作用； 然后，本文提出了“全碳效率”这个新概念，对其进行验证，在获得较满意 结果的基础上，将其引入到经济新区建设发展的可持续性研究中，为未来经济新 区合理安排碳减排工作提供科学的参考； 最后，应用本文提出的理论方法及优化决策支持技术，进行“基于双层规划 模型的滨海新区碳规划方法”实践研究，并运用g o l d s i m 软件对滨海新区的双层 规划模型求解，结果显示，该模型可以较全面地考虑地区经济发展及碳减排的双 重要求，保障城市的良好发展，从而为经济新区社会、经济、资源和环境的可持 续发展提供科学依据。 关键词：双层规划碳规划经济新区全碳效率滨海新区 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n dd e m o n s t r a t i o ne f f e c to fe c o n o m i cn e w a r e a ，a ni m p o r t a n t s u p p o r tf o rs p e e d i n gu pr e g i o n a le c o n o m i c sa n de n h a n c i n gr e g i o n a lc o m p e t i t i v e n e s s ， h a v e i m p o r t a n ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c ef o r r e g i o n s t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e n e c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n ti sa c o n s i d e r a b l ep r o b l e mf o rt h ec o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n to fc u r r e n te c o n o m i cn e w a r e a t h e r e f o r e ，h o wt om a k es c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ep l a n n i n gf o re c o n o m i cn e w a r e aa n dt om a k ee c o n o m i cs y s t e ma n dr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n ts y s t e ma c h i e v e w i n w i ns i t u a t i o na r et h ef o c u s e so fc u r r e n tr e s e a r c h t a k i n ge c o n o m i cd e v e l o p m e n tu n d e rt h er e s t r i c t i o no fc a r b o ne m i s s i o na st h e t a r g e ta n db a s i s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sac a r b o np l a n n i n gm e t h o db a s e do nb i l e v e l p r o g r a m m i n gm o d e lf o re c o n o m i cn e wa r e a ，a i m i n gt og r a s pt h eo u t s t a n d i n gi s s u e so f t h ec o n s t r u c t i o no fe c o n o m i cn e wa r e aa c c u r a t e l ya n d a r r a n g ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n u n d e rt h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yr e a s o n a b l y ，t h e r e b yp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o r s o c i a l e c o n o m i c - e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec i t y t h ec o n t e n t so f t h ep a p e ra l eo r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rm a k e sal i t e r a t u r er e v i e wo ft h eb i l e v e lp r o g r a m m i n g t h e o r y ，n a r r a t e st h eb a c k g r o u n da n dc h a r a c t e r i s t i c so fb i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e l ， a n a l y s e si t sa p p l i c a t i o na n dp r o b l e m s ，w i t ht h ee m p h a s i so nt h es i g n i f i c a n c eo fi t s i n t r o d u c t i o nt oe c o n o m i ca r e ad e v e l o p m e n tp l a n n i n g ； s e c o n d l y ，w i t ht h ed o u b l er e q u i r e m e n t so fr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d c a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o n ，, t h i sp a p e rd e v e l o p sab i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e la i m i n g t o i m p l e m e n tn e we c o n o m y a r e ac o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n tt h r o u g ht h e r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a r b o np l a n n i n ga n de c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，f u r t h e rt op r o v i d eac o m p r e h e n s i v e ，s c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a lp l a n n i n g n e c e s s a r yf o rr e g i o n a lc o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n ta m o n gs o c i e t y , e c o n o m ya n d e n v i r o n m e n t ； t h e n ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h en e wc o n c e p to f “f u l lc a r b o ne f f i c i e n c y ”w i t h t h es a t i s f a c t o r yr e s u l to fi t sv e r i f i c a t i o n ，a u t h o ra p p l i e si tt ot h es u s t a i n a b i l i t yr e s e a r c h o fe c o n o m i cn e wa r e ad e v e l o p m e n tf o rp r o v i d i n gs c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o rt h e r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to fc a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o nw o r ki nt h ef u t u r e ； f i n a l l y , a p p l y i n gt h em e t h o d o l o g yo fc a r b o np l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o no f d e c i s i o ns u p p o r tt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l ec o n d u c t sas t u d yo nc a r b o np l a n n i n go f b i n h a in e wa r e a a u t h o ru s e sg o l d s i ms o f t w a r et os o l v eb i l e v e ip r o g r a m m i n gm o d e l o f b i n h a in e wa r e ae c o - c i t y t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o d e lc a nc o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e ra b o u tt h ed o u b l ed e m a n d so ff a s te c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc a r b o n e m i s s i o nr e d u c t i o nf o rt h er e g i o n ，g u a r a n t e eb e n i g nd e v e l o p m e n to ft h ep l a c e ，t h e r e b y p r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rs o c i a l e c o n o m i c e n v i r o n m e n t a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fe c o n o m i cn e wa r e a k e yw o r d s ：b i l e v e lp r o g r a m m i n g ，c a r b o np l a n n i n g ，f u l lc a r b o ne f f i c i e n c y , e c o n o m i cn e wa r e a ，b i n h a in e wa r e a 第一章绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 研究背景 第一章绪论 经济新区作为推动整体区域经济快速发展及提高区域综合竞争力的重要依 托，其发展和示范作用对区域具有全局性战略意义。首先，经济新区具有特定的 优势，加快其发展，不仅有利于探索新形势下深化改革开放的新经验，还可促进 区域经济协调发展，提高区域国际竞争力；其次，推动经济新区开发开放，有利 于探索区域发展的新模式，从而走出一条区域创新发展的新路；最后，经济新区 的经济社会发展经验十分重要，在经济、社会、资源和环境协调发展方面的示范 作用对于区域乃至全国有重大影响。 经济新区给区域经济带来巨大推动力的同时，也带来了一系列的环境和资源 问题。经济建设和资源环境可持续发展的矛盾难以避免。，在经济新区复杂系统的 众多环境问题中，二氧化碳等一系列温室气体对环境产生的影响越来越不容忽 视，有效控制二氧化碳的排放，完成碳减排要求下的经济发展，是实现经济新区 又快又好发展的首要条件。因此，将二氧化碳测算引入到这种“循环式城市”发 展的可持续性的研究中，用碳效率衡量一个地区可持续发展水平具有重要意义。 经济新区作为城市序列的新亮点，建设发展具有特殊性，要想在其经济快速 稳定发展的基础上，实现特殊的功能定位，必须有科学的高水平的规划作为指导。 那么，如何科学地对一个经济新区进行规划，使其实现社会、经济、资源和环境 的可持续发展已然成为了研究的前沿和热点。 经济新区是一个复杂系统，生态与环境问题表现出系统性、区域性、复合性 和长期性的特征，并且随着区域的发展进步，系统的规模越来越大，层次性也越 来越明显，由此，采用分析系统层次性的方法来进行区域规划有重要意义。本文 拟采用一种全新的规划方法即双层规划，对经济新区碳减排及经济发展做一个合 理的规划，为经济新区建设规划提供参考，进而促进区域科学发展、和谐发展、 率先发展的规划工作。 1 1 2 研究目的 如今在全球化和区域化进程的交互作用下，区域不仅日益成为多元利益主体 第一章绪论 进行协调与合作的重要平台，而且也成为全球竞争中最重要的空间载体【1 1 。区域 规划的观念、模式、机制等问题对指导区域建设发展起着举足轻重的作用。 经济新区作为区域发展的榜样，其功能定位和战略地位更是决定了规划的特 殊性和重要性，而目前的区域规划的方法大多沿袭传统城市规划、生态规划以及 环境规划的方法技术，还不能充分有效地解决经济新区规划的问题，更不能适应 其规划高度集成综合发展的要求。在某种意义上可以说，方法的不足限制了经济 新区的发展，建立良好的规划模型和行之有效的定量研究方法，指导经济新区向 着健康、稳定、和谐高效的方向发展，是经济新区规划发展的当务之急。 本文应用定量化分析手段与方法，针对经济新区社会一经济一自然复杂系统 的特殊要求，开发现实可行的数学模型，以提高预测的精确性和优化决策的科学 合理性。选取典型案例，应用本文提出的理论方法及优化决策支持技术，进行“基 于双层规划模型的滨海新区碳规划方法”实践研究，为加快推进经济新区规划实 现功能、模式及体制等方面的重大战略转型提供科学有效的参考。 1 1 3 研究意义 ( 1 ) 理论意义 本文以前人对双层规划理论及方法的研究为基础，充分利用双层规划能够解 决有多个矛盾的目标函数需要实现最优化问题的特点，建立全新的模型，将其应 用到经济新区环境规划中，使经济新区发展满足经济发展与碳减排的双重要求， 不仅在一定程度上弥补了传统方法的缺陷与不足，还为区域环境规划提供了一种 全新的方法，是对区域规划领域又一次有益地探索，实现了多学科领域的交叉融 合，具有重要的理论意义。 目前的研究中尚未存在对全碳效率的明确定义，本文试图根据传统碳效率的 概念，结合本文在碳排放计算中的创新，总结得出“全碳效率”这个新概念。同 时，根据基于能值一生态足迹模型【2 】的理论基础，归纳提炼出全碳效率的算法， 通过分析产生碳排放量的主要因素，为控制碳排放和实施碳减排提供科学合理的 参考。 ( 2 ) 现实意义 我国区域建设虽取得了许多成功的经验，但针对经济新区及特点的建设适用 理论、规划与评估方法尚不完善。本文在探索区域演变规律、建设模式和发展要 求的基础上，开发一套经济新区建设规划适用理论、方法与技术，用以指导经济 新区建设发展，并通过典型区域一天津滨海新区的应用示范研究，为其乃至环渤 海地区生态城市建设规划的研制提供参考。 第一章绪论 1 2 研究的内容、创新性及技术路线 1 2 1 研究的内容 本文进行了基于双层规划模型的经济新区碳规划方法研究，并应用本文提出 的决策支持技术和优化方法，对天津市滨海新区经济发展及资源环境约束进行合 理科学的规划，研究内容具体包括： ( 1 ) 对双层规划方法进行综述，叙述双层规划产生的背景、概念及特点等， 分析其应用和求解现状面临的主要问题，提出对其研究的期望； ( 2 ) 应用定量化分析手段与方法，针对经济新区复杂系统，探索建立区域优 化决策支持系统的方法，开发现实可行的数学模型即双层规划模型，以提高预测 的精确性和优化决策的科学合理性； ( 3 ) 在能值一生态足迹模型基础上，总结提炼出“全碳效率”的概念和算法， 分别选取具有典型代表意义的四个直辖市及天津市2 0 0 5 2 0 0 9 年的动态发展作为 全碳效率算法的验证区域，证明其算法的切实可行； ( 4 ) 选取典型案例，应用本文提出的理论方法及优化决策支持技术，进行“基 于双层规划模型的滨海新区碳规划方法”实践研究，以检验理论的正确性、方法 的可行性和模型的有效性； ( 5 ) 对模型的应用情况进行评价，运用g o l d s i m 软件对滨海新区的双层规划模 型求解，结果显示，该模型可以较全面地考虑地区经济发展及碳减排的双重要求， 保障区域的良好发展； ( 6 ) 探索双层规划模型在经济新区规划中的优势与发现的主要问题，并对模 型以后的改进进行展望，给出相应的建议。 1 2 2 研究的创新性 本文在以往研究的基础上，做出如下创新： ( 1 ) 将双层规划模型引入到经济新区环境规划研究中 随着区域的进步、经济的发展，区域的规模越来越大，层次性越来越明显， 采用分析系统层次性的方法对经济新区规划进行研究具有重要意义。目前尚未见 到将双层规划方法应用到区域规划中的研究和报道，本文进行基于双层规划模型 的经济新区规划方法研究，希望在这一方面有所突破。 ( 2 ) 提出全碳效率概念及其计算方法 本文提出全碳效率的概念对传统碳效率未包括的城市工业废弃物、生活垃 圾、工业废水、工业废气给予了一定的考虑，将二氧化碳排放量、g d p 及人口 第一章绪论 三个方面统一在一个指标内，使碳效率的计算更加精确。 ( 3 ) 以全碳效率算法为经济新区碳规划提供参考 经济新区复杂系统面临的问题较多，如环境污染严重、交通拥挤、基础设施 不足和住房短缺等，这些问题中哪些是关键性问题、哪些是需要迫切解决的，在 规划过程中应予以充分的考虑。中国作为国际上主要的碳排放国家，碳减排行动 极其重要，有必要将二氧化碳排放的测算引入到区域发展的可持续性研究中，以 全碳效率算法为经济新区碳规划提供参考。 用全碳效率算法为经济新区碳规划提供参考，不仅具有说服性，容易被社会 认可，并且能够通过分析产生二氧化碳的主要消费，进行能源结构、产业结构以 及相关政策和技术的调整等，使经济新区在经济快速发展和碳减排双重要求下的 区域及城市规划更加科学和合理。 1 2 3 研究的技术路线 了解研究区域 士 收集数据 验证 有效 全碳效率 查文献，了解研究动态 区域规划方法 双层规划 医区困 经济新区碳规划方法研究 案例研究：天津滨海新区2 0 1 5 年碳规划 研究结论及展望 图1 1 论文技术路线 第：二章双层规划理论基础 2 1 双层规划理论 第二章双层规划理论基石出 2 1 1 双层规划产生的背景 阶层性是系统的主要特征，对于复杂的大系统，这种特性更明显。现实中， 层次递阶系统比比皆是，如管理机构的上级与下级关系、企业的公司与分公司关 系等。随着社会发展及全球化趋势的加快，系统的规模越来愈大，复杂性也随之 提升，阶层性更是成为了其主要特征，因此，对于系统阶层性的研究就具有相当 重要的意义，多层规划正是伴随着对系统层次性的研究而产生的。 多层规划是具有特殊结构的一集嵌套着的数学规划问题，即在约束条件中含 有优化问题的数学规划，研究的是多个各具目标函数的决策者之间按非合作和有 序的方式进行的相互作用，任何一方的决策行为对其他：疗的策略选择和目标实现 都存在着影响，但任何一方又不能完全控制其他方的选择【3 】。 现实中大多数决策问题都可看作是上下两层的决策问题，并且多层决策问题 可看作是多个双层决策问题的复合，因此双层规划是多层规划最常见的一种形 式。因其能解决现实中很多具有矛盾目标的决策问题，具有很强的实用价值，很 多学者已经开始对其进行集中系统的研究，使得关于双层规划理论和求解的研究 及其在众多领域的应用取得了较大的发展，为后续的进一步深入研究提供了重要 的指导和参考。 2 1 2 双层规划的概念及特点 在层次递阶系统中引入定量的最优决策概念，对其进行数学建模，使整个系 统发挥最大效益，即得到双层规划问题。双层规划是种具有二层递阶结构的系 统优化问题，上层和下层问题都有各自的决策变量、约束条件和目标函数。上层 问题的目标函数和约束条件不仅与上层决策变量有关，而且还依赖于下层问题的 最优解，同时下层问题的目标函数和约束条件又受到上层决策变量的影响l 4 j 。二 层规划一般可分为以下几种类型：上层为单目标、下层为多目标的二层规划，上 层为多目标、下层为单目标的二层规划，上、下层均为多目标的二层规划，上、 下层均为单目标的二层规划等。 双层规划可以同时分析决策过程中两个不同的，相互矛盾的目标，并且双层 第二章双层规划理论基础 规划方法的多价值决策方法更接近实际情况，可以将一个复杂问题分成两个相互 作用相互影响的层面考虑，能够解决有多个矛盾的目标函数需要实现最优化的问 题。 根据以上对双层规划概念的解析，双层规划问题主要有以下特点： ( 1 ) 层次性：系统分层管理，各层决策者依次做出决策，下层服从上层； ( 2 ) 自主性：下层并不完全无条件服从上层，其有自己相当的自主权； ( 3 ) 冲突性：各层决策者有各自不同的目标，这些目标往往是相互矛盾的； ( 4 ) 优先性：上层决策者优先做出决策，下层决策者在优化自己的目标而选 择决策时，不能与上层的决策相违背； ( 5 ) 独立性：各层决策者各自控制一部分决策变量，以优化各自的目标； ( 6 ) 带t j 约性：下层决策不但决定着自身目标的达成，而且也影响着上层目标 的实现，上层在选择策略以优化自己目标的同时，必须考虑到下层可能采取的策 略对自己的不利影响； ( 7 ) 依赖性：各层决策者的容许策略集通常是不可分离的，他们往往形成一 个相互关联的整体。 2 1 3 双层规划的模型 双层规划是在研究非平衡经济市场竞争时首先提出的。1 9 7 3 年，b r a c k e n 和 m c g i l l 5 】提出了双层规划数学模型。在双层规划模型中，不同的决策者控制着相 应的决策变量，并对各自的目标函数进行优化，双方可供选择的策略集是相互影 响、相互依赖的，上层做出的决策会影响下层决策的选择和目标的实现，并且下 层的决策亦会对上层决策产生影响。 设上层决策者控制的变量为x = g ，x 2 ，x n ) 7 xcr ”，下层决策者控制的变 量为y = 1 ，y 2 ，y 。) 。yc r 聊，双层规划数学模型的一般形式可描述为： 啤f g ，少) s t g b ，y ) 0 ，其中y 解 曾s ( x ，y ) 2 - 1 s t g ( x ，y ) 0 其中，f ，x xy 寸r 7 ，g ：r ”r m 专r p ，g ”r 脚jr 9 ，且f ， g ，g 为二阶连续可微函数。集合x 和l ，包含了变量的其它约束，如非负性或整 数性要求等。 第二章双层规划理论基础 与一般的数学规划不同，即使当f ，g ，g 均是连续函数，并且集合x 和 】，是紧的，上述模型也可能没有最优解。假设上层决策者选定了i 后，下层决策 者将以i 为参数优化自己的目标函数，但是对于给定的牙，下层问题可能有无穷 多个最优解，这些解，对于下层目标函数来说是无差别的，但是对上层目标函数 来说可能是有差别的，这样就增加了上层优化自身目标函数的难度。 2 2 双层规划的应用 双层规划与一般的单层规划相比，其优点主要体现在：可以同时分析决策 过程中两个不同的、相互矛盾的目标主体；双层规划的多价值决策方法与现实 中的实际情况更接近；可以将一个复杂问题分解为相：豆关联、相互作用和影响 的两个层面进行考虑，因此双层规划在大规模复杂系统具有广泛的应用。 对于一般双层规划问题，文献中出现的最早应用是在区域或国家水平上的总 的经济计划问题。现在已有大量的文献将双层规划应用于交通领域、管理领域及 数学领域等，均取得了满意的结果。 交通领域：城市交通供需矛盾日益突出，例如，如何进行规划，使整个交通 网络的总阻抗最小，同时所能容纳的出行量最大等问题。合理地安排有限的空间， 尽可能地满足各级用户的需求，提出科学的、系统的、优化的交通方案，改善城 市交通等问题促使了双层规划在交通领域的大量应用。 为了减少碳排放，提高道路网络的效率，z h a n g 6 】等建立了考虑碳排放行为 下的路线指引信息的双层规划模型。决策者旨在减少二氧化碳排放量和优化道路 网络的效率，在分析影响车辆的碳排放量和道路网络效率的同时，根据路线指引 信息，控制车辆的废气排放。运用启发式算法对双层规划模型进行求解，并举例 验证了模型和算法的可行性。 z h a n g 7 】等通过巧妙地处理旅行成本函数，将运输混合网络设计问题构造成 了一个混合整数非线性两层规划问题，通过优化方法将其转化为等价的单层规划 模型，证明了下层优化问题具有严格的可微分特性，由此建立了针对混合网络设 计问题的严格可微并且非凸的优化算法，最后以小型的交通网络和大型的网络问 题证明了其算法和理论的有效性。 管理领域：资源分配是一类比较复杂的管理问题，上层拥有有限的资源，下 层各个部门的效益不同，如何使有限的资源产生最大的效益是上层面临的最大问 题，正是基于这个矛盾，双层规划模型能很好地描述这类问题。 b a r d i s 等提出一种针对于领导者和服从者之间的双层规划算法，主要用于帮 助领导者提供一种合理的政策，即通过减免税收的方式来鼓励服从者生产生物燃 第二章双层规划理论基础 料，一方面尽量减少对税收的减免，另一方面鼓励服从者通过对植物种植的最优 组合使生物燃料产量最大，模型的合理设计和求解，为领导者提供了有效的决策 意见。 针对新的公司进入充满竞争对手的市场而需要确定其位置的问题， k u x i k a y d n 9 】等构造了一个以进入市场的公司为上层优化问题的主体，以竞争对 手为下层优化问题的主体的双层混合整数非线性规划模型。在模型中，客户访问 设施的概率与设施的吸引力成正比，而与设施用地和需求点之间的距离成反比。 结合搜索的启发式算法，提出确切的解决方法，为新公司实现利润最大化提供了 一定的参考。 价格控制：杨华【1 0 】等利用双层规划模型研究了钢铁企业价格与产品结构的决 策问题，在价格不确定的情况下，采用模糊数字表示价格的可能分布，并将价格 与产品结构综合决策问题，构造成二层优化模型进行求解，以实例验证了算法的 有效性，为实现钢铁企业价格与产品结构综合决策提供了一条有效的途径，具有 一定的借鉴意义。 有研究者用双层规划对竞争环境下有多目标的生产和市场决策问题、资源分 配问题、多头垄断市场的决策等一系列问题进行建模、求解，并对所得结果进行 分析后表明用双层规划建模均优于传统的建模方法。 数学领域：在非线性等式约束规划的置信域算法中，对于步长选择子问题的 分析中，双层规划提供了一种新颖的方法，并且已经用于判别式问题；还有其他 领域的应用，这里不再展开。 以上对双层规划的应用取得了令人满意的结果，但是也存在一定程度的不 足。由于求解困难，研究者对模型做了相应的假设或简化。很多文献都没有提出 针对非线性规划的一般意义上的算法，都是针对一些比较特殊的情况或结构。例 如，单连龙】对初始公交网络进行了简化，并在下层问题中利用了近似的变分不 等式，使模型得到了一定的简化。杨华等对上层决策变量的隶属度函数进行了离 散化处理，使问题简化，计算方便。 双层规划在很多领域都具有较广泛的应用，但目前尚未见到将双层规划方法 应用于区域规划的研究和报道。考虑城市区域问题的层次性、复杂性等特征，将 分析系统层次性问题的研究方法应用到区域规划中，指导其建设发展，对于实现 区域建设的全面可持续发展具有重要意义，于是本文利用双层规划方法的特性， 进行区域环境规划的研究，期望在这一方面有所突破。 第二章双层规划理论基础 2 3 双层规划的求解方法研究 一般来说，求解双层规划是非常困难的，主要原因j 卣两方面： ( 1 ) 双层规划是一个n p h a r d 问题 n p h a r d 问题，也称n p 难问题，n p 是n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l 即非确 定性多项式的缩写，n p h a r d 问题也即是多项式复杂程度的非确定性问题。一般 而言，将可由多项式时间算法求解的问题看作是易处理的问题，通常称为p 问题， 而将需要超多项式时间才能求解的复杂问题看作是难处：理问题，通常称为n p 难 问题【1 2 】。j e r o s l o w 1 3 1 首先证明了线性双层规划是n p h a r d 问题，后来h a n s e n 1 4 】 等人提出更最严格的证明，v i c e n t e 1 5 】等人证明了寻找双层规划的局部最优解， 也是一个n p h a r d 问题。 典型的n p h a r d 问题是推销员旅行问题：假设一个推销员需要从a 地出发， 经过m 座城市，最后返回a 地，任意两个城市之间都有飞机直达，但票价不等， 假设公司只给报销s 元钱，问是否存在一个行程安排，使得他能遍历所有城市， 而且总的路费小于s 任意给出一个行程安排，可以很容易算出旅行总开销。但是， 要想知道一条总路费小于s 的行程是否存在，在最坏情况下，必须检查所有可能 的旅行安排，这将是个天文数字。求解这个问题，连大型计算机也望之兴叹，于 是数学家们认为没有比硬排更好的方法，这类问题即为n p h a r d 问题。 ( 2 ) 双层规划的非凸性 双层规划的非凸性，是造成求解复杂性的另一重要原因，即使最简单的线性 双层规划，一般来说它也是一个非凸优化问题，即系统的目标函数有多个极值， 即使能找到问题的解，通常也只是局部最优解而非全局最优解。并且，由于实际 问题的多样性，产生了各种类型的双层规划模型，不同类型的双层规划模型需采 取不同的求解方法，很多文献都没有提出一般意义上的算法，都是针对一些比较 特殊的情况或结构，因此，双层规划并不存在统一的求解方法，这给模型的求解 也带来了一定程度的困难。 到目前为止，求解双层规划主要有以下几类算法： ( 1 ) 极点算法 1 6 - 1 7 】 这类算法主要针对线性双层规划，基本思想是线性双层规划的全局最优解一 定能出现在问题对应的约束域的极点上，因此在约束域空间的极点上能搜索到问 题的全局最优解。 ( 2 ) 分支定界算法1 1 8 j 这种方法是将双层规划的下层问题用它的k t 条件代替，构造与原双层规 划等价的k t 模型，然后用分支定界技术处理k t 模型中的互补项，求解一个 第二章双层规划理论基础 易于求解的标准数学规划问题。此类方法随着变量的增加计算量成指数增长，不 适用于规模较大的实际交通网络，主要用于求解线性和凸双层规划。 ( 3 ) 罚函数算法【1 9 j 该方法主要应用非线性规划理论中的罚函数原理，利用不同形式的惩罚项， 把下层问题转化为一个无约束数学规划，然后把惩罚项加到上层目标函数中，将 问题转化为一个带惩罚参数的单层问题，再通过求解一系列非线性规划来获得问 题的全局最优解。 ( 4 ) 互补旋转算法【2 0 j 其主要思想是将问题转化为一个带参数的互补问题，然后用受限基算法，也 就是带参数的互补主元算法进行求解。 ( 5 ) 非数值优化算法【2 1 - 2 2 主要包括遗传算法和模拟退火算法等，这种非数值优化方法目前主要用于工 程问题，但收敛性一般难以保证。 l i 2 3 】提出了基于模拟植物生长算法( p g s a ) 的智能优化算法，用以求解线性 和非线性双层规划。该算法显示了其高度的精确性和强烈的收敛性。比较典型的 线性和非线性二层规划的实际测试问题，此方法获得最佳的解决方案，也显示了 其良好的有效性和可行性，为双层规划的求解提供了新的思路。 迄今为止，n p h a r d 问题中没有一个有效算法。目前倾向于接受n p h a r d 问 题不存在有效算法这一猜想，认为这类问题的大型实例不能用精确算法求解，必 须寻求这类问题的有效的近似算法。从现有文献来看，求解线性双层规划的算法 好于非线性双层规划，这由于线性问题比非线性问题易于求解。 从上世纪9 0 年代开始，国内也有部分学者开始研究和应用双层规划模型和 优化技术，但主要集中在应用方面，对双层规划求解方法的研究还不多，并且与 国外学者的成果存在不小差距。随着计算机技术的发展，各种智能算法逐渐被应 用到双层规划的求解中，而求解途径的拓宽使得双层规划在区域及城市规划方面 的应用会越来越多。 第三章经济新区碳排放与经济发展的规划方法研究 第三章经济新区碳排放与经济发展的规划方法研究 3 1 模型开发意义 区域的众多规划方法中，定性方法的实际可操作性较弱，在两大类定量方法 一系统动态模拟选优法和数学优化模型决策法中，数学优化模型方法可以实现确 定条件及不确定随机【2 5 】条件下，对各个决策点最优解集的自动搜索，优化技 术己愈来愈多地应用各类规划研究中。 本文应用定量化分析手段与方法，探索建立经济新区复杂系统优化决策支持 系统的方法，开发现实可行的数学模型，以提高系统描：述的正确性、评价的客观 性、预测的精确性和优化决策的科学合理性。 经济快速发展与资源环境相矛盾，是经济新区建设：荧展面临的不可避免的问 题，要想实现经济新区特殊的功能定位，起到良好示范作用，必须有科学的高水 平的规划，对区域社会经济环境协调发展做出全面、科学和可行的指导，由此， 本文围绕碳排放量与经济发展的关系，进行基于双层规：划模型的经济新区碳规划 方法研究，旨在协调经济发展与资源环境的矛盾，进而促进经济新区全面可持续 发展。 3 2 模型结构介绍 在进行碳排放量预测时，由于影响二氧化碳排放量的因素众多，很难确定一 个合理的精确的碳排放量，然而，对于决策者来说，通过一定的计算以及结合专 家的知识与经验，可以预测出一个碳排放量的最可能值以及可能的变化范围或可 能分布，由此想到用模糊数对碳排放量进行分析，更符合实际情况及人们的思维 习惯。 三角模糊数为了解决不确定环境下的问题而产生的一种理论研究方法，其在 质量管理、风险管理、模糊层次分析法、绩效评价、决策和模糊规划等方面有较 广泛的应用。鉴于三角模糊数既把问题的模糊性考虑在内，又便于计算的特点， 参照相关研究，本文设定地区碳排放量由三角模糊数表示。 设决策者可以确定碳排放量的最可能值及上下波动的可能范围。令x “表示 碳排放量的最可能值，s ，晓0 分别表示排放量的下、上偏差，三角模糊数表示 第三章经济新区碳排放与经济发展的规划方法研究 炭3 2 6 1 ：一x - ( x 埘，s ，万) ，相应隶属函数可以表示为： f 0 x x 棚+ 万 刖2 l iv , ：谖x x m ”一 x - 一x m + ”6 p t ， 隶属度的大小表明了碳排放量取值的可能程度。如图3 1 所示，其中z ”表 示碳排放量的最可能值，x 聊+ 万表示最悲观值，即碳排放量最大不能超过的数值： x 聃一占表示最乐观值，即碳排放量所能达到的最小值。 a o 图3 1 碳排放隶属函数图 由全碳效率方法计算的碳排放量落在预测区间内，并且尽可能的与预测最可 能值接近，作为模型的上层目标函数，以二氧化碳排放量为决策变量，得出如下 模型： m a x b t = a ( c 0 2 ) 蚶倦篡 p 2 ， 其中，u 表示碳排放量的隶属度，取最大表示对碳排放量尽可能取最可能值 的一种期望。x 爿、分别为隶属度函数图中两个端点值，即x 一为图中的x ”一s 点，x c 为图中的x ”+ 万点，决策变量x 即二氧化碳的排放量须在两端点之间， 以保证模型有效的前提。 z 表示万元g d p 的二氧化碳排放量，上限约束表示复杂城市系统中，不能 第三章经济新区碳排放与经济发展的规划方法研究 因为对经济效益的一味追求而忽略了环境保护的重要性，此处限制也与城市建设 目标相切合。z h ，g h 为已知，根据不同的城市发展模式确定其数值。 由于万元g d p 的碳排放量是二氧化碳与g d p 的比值，对于城市发展来说， 期望此值越小越好，可通过两方面实现：一方面是减少二氧化碳的排放，另一方 面是增加g d p 产出。假设决策者期望实现这一目标采取最可能的预测策略，则 下层模型可表示为： | 3 m i nz ：x | jy j | = j y 2 a 2 y3 墨b 2 t c 2 ( 3 3 ) 其中，a ，、b ，r ( i = 1 ，2 ) 表示城市产业结构中各个产业的上下限，其值可根 据城市近年经济发展的实际情况和城市规划要求而定。c ，y c 。表示城市经 济总量存在上下限。 在上述模型中，上层以二氧化碳排放量为决策变量，寻求隶属度最高即最可 能的碳排放量；下层以g d p 为决策变量，以单位g d p ：二氧化碳排放量最小为目 标，确定最优产业结构。 3 3 模型求解方法 由前面的综述可知，目前研究者倾向于接受n p h a r d 问题不存在有效算法这 一猜想，认为这类问题的大型实例不能用精确算法求解，必须寻求这类问题的有 效的近似算法。于是针对不同类型的模型，需采取不同的求解方法。本文拟采用 g o l d s i m 软件对模型进行求解。 g o l d s i m 是首屈一指的蒙特卡罗模拟软件，用于商业、工程和科学等复杂系 统模型的求解。g o l d s i m 通过模拟系统未来特性，同时定量表征复杂系统中所有 不确定性和内在风险性来进行支持决策和风险分析。g o l d s i m 是一种通用的模拟 软件，是几种模拟方法的结合，其将系统动力学同离散仿真事件进行延伸结合， 在蒙特卡罗模拟框架内嵌入了动态仿真引擎。 g o l d s i m 仿真软件允许你创建模型，用以模拟商业、工程和科学复杂系统的 性能。通常，模型的目标是模拟系统未来的行为，并确定做些什么可以改善其性 能。使用这些模型，您可以获得对系统特征的了解，问系统“如果”的问题，对 ，i ，k 一， v | 一 能值境能墒；准煤一碳排放量 ( 4 1 ) 其中，由原始数据通过能量折算系数转化为有效能，能量换算系数参考中国 能源统计年鉴中的数值。参考美国生态学家o d u m 4 0 1 等：提出的能值分析理论，将 有效能经由能值转换率转化为能值，能值的概念为生产某种类别的能量所包含或 需要的另一类别能量的数量。能值转换率表示形成每单位某种能量( 或物质) 所需 的另一种能量的量，即单位能量j 或物质g 所具有的能值，实际应用的是太阳能 值转换率，即单位能量或物质相当于多少太阳能焦耳的能值转化而来，例如形成 1 j 木材的能量需要3 4 9 0 0 太阳能焦耳转化而来，那：幺木材的能值转换率就是 3 4 9 0 0 s e j j 。资源的能值转换率相关数据参考朱燕燕【4 l j 等的研究。 能值经由电能的能值转换率转化为电能，电能的能值转换率等于煤的太阳能 值转换率( s e j j ) 与电的煤炭能值转换率( j 煤炭j 电) 的乘积，其中煤的太阳能值转 换率为4 e + 0 4 s e j j 。电能的能值转换率随电的煤炭能值转换率的变化而变化。1 9 8 3 年电的煤炭能值转换率为4 j 煤炭j 电【4 2 1 ，则火力发电效率为2 5 ，根据当前火 电厂发电效率推算电能的能值转换率为1 0 5e + 0 5 s e j j 。 确定电能后，将其通过单位火力发电煤耗转化为标准煤，单位火力发电煤耗 第四章全碳效率的提出 根据国家发展与改革委员会公布的数据所得，其中火电厂玉f 均每千瓦时供电煤耗 为3 6 0 9 标准煤。标准煤火力发电燃烧碳排放量根据国家发展与改革委员会公布 的数据所得，l k g 标准煤火力发电燃烧排放约2 4 6 k g 二氧化碳4 3 1 。 4 4 全碳效率算法的检验 为了检验“全碳效率”计算方法的有效性，我们选取具有代表性的四个直辖 市作为验证区域，计算其2 0 0 9 年的碳排放量。同时，以天津市2 0 0 5 2 0 0 9 年的 动态数据为基础，根据全碳效率的方法对其碳排放量进行计算，与城市发展的实 际情况做比较，分析结果，验证全碳效率算法的可行性。 本文所用到的有关社会、经济、人口、资源、环境等原始数据均来自北京 市统计年鉴2 0 1 0 【4 4 1 、天