控排企业碳资源配置风险决策—基于离散仿真的建模分析

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义
近年来，随着经济的快速发展，温室效应与气候变暖问题越来越受到全球各个国家和地区的关注。温室效应和气候变暖导致海平面上升，极端气候频发，对人类的生产与生活产生了不容忽视的影响。联合国政府间气候变化专门委员会 IPCC（全称：Intergovernmental Panel on Climate Change）在其 2013 年的报告中指出，在过去的一百多年间全球的平均气温上升了 0.85℃，而导致这一变化的主要原因是人类的活动，如果继续任由温室气体毫无节制的排放，而不采取积极有效的行动，那么到本世纪末，全球的平均气温最多可升高 4.8℃，海平面会上升 82cm，将出现大片的陆地面积被海水淹没。由非政府组织发展援助研究协会（DARA）和气候脆弱论坛共同发布的《气候脆弱性监测》报告也指出，气候变化每年已经夺去近 40 万人的生命，而由全球变暖带来的经济损失也已经超过 1.2 万亿美元/年，这相当于全球 GDP 的 1.6%。报告还预测到2030 年，气候变暖加速及日益严重的碳污染会令全球 GDP 损失将从从 1.6%增至 3.2%。可见应对全球气候变暖和碳污染问题刻不容缓，如不采取行动，势必会给人类文明和建设带来灾难性的打击。
面对全球变暖和碳污染问题，国际社会高度重视，积极探讨降低温室气体排放的有效措施，并付诸实施。从1992年的《联合国气候变化框架公约》签署，到1997年的《京都议定书》，再到 2007 年的《哥本哈根议定书》、2015 年的《巴黎协定》，各国政府经过不断的商讨，达成了一系列的国际协议和措施，明确了世界各个国家为控制气候变暖问题所应承担的义务，明确了各个协议国家的减排任务和减排指标。
中国作为世界最大的发展中国家和世界第二大经济体，积极加入全球碳减排的行列，担当起一个大国的责任。2009 年，在哥本哈根会议上中国政府代表宣布在 2020 年单位国内生产总值的二氧化碳排放量要比 2005 年下降 40%～45%，并将“加快推进资源节约和环境保护”纳入国家经济发展战略。《“十三五”控制温室气体排放工作方案》明确指出“十三五”期间的控排目标：到 2020 年，能耗的强度要下降 15%，碳强度要下降 18%，非化石能源的占比要达到 15%。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 企业生产与碳资源配置的决策策略研究
企业贯彻落实绿色可持续发展战略既是企业自身的发展需要，也是环境与社会的必然要求，因而指导企业实施碳资源配置方面的指标体系、影响企业决策的重要因素和决策体系的构建是企业必须关注的。
面对强制性碳减排和碳限额约束，一些学者从减排策略的影响以及应对策略方面展开研究。Kockar 等（2009）将碳排放交易成本和碳排放配额引入运作成本函数和约束条件中，构建了单周期确定性数学规划模型，用于优化电厂在购买碳排放权与承担超排罚款之间的权衡决策；Hua 等（2011）提出具有排放约束的经济订货批量（EOQ）模型，在确定性需求条件下，通过解析求解的方法研究了碳排放配额、碳权交易价格、碳排放与总成本的关系；马常松等人（2015），通过建立碳限额政策约束下的生产策略模型，探讨考虑绿色技术投入的企业生产策略问题，研究绿色技术投入与企业期望利润的关系；何大义等(2011)则建立了企业的产品生产和排放权交易的解析模型，得到产量是产品价格的增函数，碳权交易价格的减函数的结论，并对该模型进行了优化；魏一鸣等（2010）采用多智能体模型模拟碳配额机制与相关政策变量对电价和电源结构的影响，进而对基于排放和基于产出的配额方式进行比较；郑燕等（2006）针对受碳减排约束的火电生产企业，基于维纳过程－伊滕引理，构建了随机动态规划模型，通过解析求解和简单的数值实验，分析了购买碳排放权和转换燃料两种资源配置策略之间的内在联系和成本、收益特征；针对国内碳交易市场的现状和企业面临的决策问题，杜少甫（2009）、杜云苗（2011）等人的研究明确指出了企业获得排放权的三种渠道:政府配额、市场交易和净化处理, 建立企业生产优化模型,得到了有排放限额下的最优生产策略。
近年来也有学者通过博弈论来对企业资源配置决策进行研究，认为企业决策是博弈下的结果。侯玉梅等（2013）研究在对称信息的垄断市场情形下，考虑两寡头企业的生产决策，建立企业的生产利润函数，分析净化水平与减排策略之间的关系。谭飞燕（2012）基于双寡头的博弈模型，考虑碳减排约束下的低碳技术研发和差异化策略两种行为。赵令锐等（2013）针对碳排放权交易中有限理性企业的减排行为的策略选择问题，建立了有限理性企业的减排行为的演化博弈模型，研究减排成本变化、交易价格变化、政府补贴等情况下的两企业之间减排策略。


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第 2 章 碳资源配置风险决策与评估系统仿真概念建模

2.1 概念建模概述
企业碳资源配置决策，需要企业根据当时的企业运营情况和外部环境变化进行定期决策，所以该过程可看作成一个离散系统。离散系统是指那些系统的状态知识在一些随机的时间点上由于某种时间的驱动而发生改变的系统。由于离散系统事件固有的随机性，对这类系统的研究往往十分困难。经典的概率及数量统计理论、随机过程理论虽然为这类系统的研究提供了理论基础，并能对一些简单系统提供解析解，但对工程实际中的大量系统，唯有依靠计算机仿真技术才能提供较为完整的结果。而要实现仿真模型，首先要建立起概念模型。
概念模型作为对真实世界的第一次抽象，是沟通真实世界和仿真世界的桥梁，为后续的仿真分析，设计和实现提供可靠依据，为仿真模型的检验、验证和确认奠定基础。概念模型作为把实际系统抽象为仿真系统执行模型的一个中间环节，必须容易被领域人员和仿真人员掌握和运用，便于他们对所研究的问题产生一致的理解。对于概念模型的定义，目前尚未形成统一的定论。Pace（1999）认为概念模型是将“仿真需求转化成一个能指导仿真开发和执行的详细规格说明”；Lacy（2001）认为概念模型是建立在详细的需求分析基础之上，为仿真设计提供支持的模型，是一种比较抽象的设计框架；国内学者柏彦奇等人（2001）站在军事建模仿真的角度定义概念模型是用通用的、独立于任何仿真实现的语义、语法和图、表等工具对作战系统的一种表达，它为仿真开发者提供与特定任务相关联的行动的严格描述。王杏林等人（2007）人总结前人的定义，认为概念模型是对真实世界系统信息的抽象和简化，是一个集中的概念知识体，它是由研究者在概念分析阶段对研究问题中提取出关于其结构特征、功能特征、行为特征等关键要素，并在概念描述阶段，根据要素之间的相互关系，采取一定的形式精确地描述出来的。
概念建模的方法分为基于过程的概念建模方法和基于实体的概念建模方法两类。基于过程概念建模就是将客观世界的活动细化成为一个个相关的问题，只要找出了问题的解决过程或方案，也就建立了概念模型；而基于实体的概念建模，认为任何事物都是一个对象，每个对象都有自己的规定性和运动变化规律，识别出不同的对象类，然后将概念映射为“类”和“对象”，找出“类”和“对象”并建立“类”结果，也就建立了概念模型。Zhou 和 Son（2007）等人建立了仿真概念模型的规范模式，指出一个仿真概念模型的框架包括模型关键元素（实体、资源、工作站...）、实体流模板、专业化算法等内容。
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2.2 企业碳资源配置决策问题概述
2017 年是全国性建立碳减排市场的开局之年，从“两省五市”的试点情况来看，碳交易市场已经有了一定的规模，阶段性的控排目标也已经实现。而对于企业而言，碳减排政策的实施和交易市场的建立，无疑是新的机遇和挑战。控排企业，特别是能耗量大的制造类企业，目前面临的问题是：如何在面对多源风险的情况下，实现对碳资源的合理科学配置。
从目前深圳市试点碳交办和排放权交易所的政策可以看到，政府每年会向企业发放一定数量的二氧化碳排放配额（简称“碳配额”），该部分配额可以用来抵扣企业因生产和运营而带来的二氧化碳的排放量（简称“碳排放”），而超出碳配额的部分碳排放则需要通过到碳交易市场的进行购买碳配额来补足。同时亦要求企业每年减少的二氧化碳排放量达到一定的水平（简称“碳减排量”），对于碳减排量未能达标的企业将进行严厉的处罚。目前深圳市对于由超出排放配额的处罚规定是：对违规量按照以前六个月碳交易价格的三倍价格进行处罚。因此，在此背景下，企业每一期生产运营都会带来碳排放，对于每一期的碳资源配置，企业面临的决策由以下四种：
一是使用政府碳配额（简称“使用配额”）来满足当期的碳排放需求。由于政府碳配额是无偿获得的，因而该决策不会给企业带来任何的经济支出。如果企业在满足自身的碳排放需求前提下，企业多余的配额还可以到碳交易市场出售，以获取收益。但某一期使用配额的决策面临着减排目标没完成的风险，可能会延误了实施绿色生产项目的合适时机，最终导致减排目标未能完成而带来惩罚；
二是到排放权交易市场购买碳排放权（简称“购碳”）来满足当期的碳排放需求。企业的购碳行为便于企业根据其需求购买一定量的排放权，购买时间、购买量均由企业决策，相对于采用绿色减排技术，有一定的灵活性、及时性。但购碳决策同时也面临着市场碳价波动的风险和因延期而导致减排目标未能完成的风险；
三是通过实施绿色减排项目，例如更换节能设备、采用绿色低能耗材料、使用新能源等，来降低企业的排放水平（简称“自净”）。自净决策相对于其他决策能实质性的降低企业的排放水平，同时也具有周期性长、初期投入大、减排效果明显等特点。由于企业的自净实施措施通常是以项目形式开展的，因而在减排量作为项目的属性之一，企业难以随意更改，同时也面临着项目工程的风险，即超工期风险和超成本风险；
四是企业可能采用不作为的决策而最后导致企业面临罚款（简称“接受罚款”）。接受罚款的决策是企业是在主观意愿的选择，表示企业在碳配额为零时，既不购碳，也不自净的决策。对于那些注重企业形象的决策者往往不会考虑该决策。
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第 3 章 企业碳资源配置风险决策仿真模型开发和实现 ...............28
3.1 ARENA 仿真平台概述 .................28
3.2 基于制造业的碳资源配置风险决策的实验系统设计 .........28
第 4 章 仿真实验与数据分析.....................................44
4.1 仿真模型的 VV&T ......................................4
44.2 仿真模型的功能性验证 .................................44
第 5 章 结论与展望.............................................82
5.1 研究结论 .............................................82
5.2 不足与展望 ...........................................82

第 4 章 仿真实验与数据分析

4.1 仿真模型的 VV&T
本模型的 VV＆T 主要从以下各个方面展开：
（1）研究小组对整个模型对仿真模型的逻辑推理、概念模型构建、仿真模型的实现以及结果输出数据进行了多次反复分析与论证，对模型进行了功能性验证和有效性检验；
（2）研究小组调研了深圳市力可兴电池等多家控排企业，并与相关负责人进行深入的访谈，了解企业决策偏好，获取了企业经营和在强制性碳减排下减排情况资料，包括企业碳核查报告、企业自净技术参考文件等；
（3）本研究关于决策者分类、仿真模型的参数设置、排放计算等均有理有据。针对积极型和保守型两类决策者的特征和决策逻辑构建，是基于对多家企业调研、负责人访谈的结果，课题组还举行了校外专家论证会，邀请众多企业专家对概念模型进行讨论。而仿真模型的参数设置和相关计算也是基于对企业调研资料、深圳市标准化指导技术文件、国家统计局能源排放数据等资料的参考。这些数据均得到了普遍认可，具有很高的权威性。
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第 5 章 结论与展望

5.1 研究结论
本研究采用离散仿真建模的方法，以制造业类型企业的碳资源配置决策过程为对象，构建了在总量控制与交易条件下，积极型和保守型两类决策者的碳资源配置风险决策的仿真模型。回顾全文，本研究完成以下两个研究目标：
（1）建立了具有代表性的、鲁棒性良好的计算机仿真模型，基于决策偏好的不同和是否对风险进行评估，构建出了四个基准仿真模型——积极型评估风险模型、积极型不评估风险模型、保守型评估风险模型、保守型不评估风险模型，深入刻画了两类决策者在碳资源配置决策过程中风险决策过程特征与行为逻辑，系统有效地分析多源风险所带来的不确定影响。
（2）模型通过了大量模拟实验，模拟了两类决策者的碳资源配置决策，对模型的有效性和功能性进行了验证，同时获得了大量关于碳排放、实际决策成本、实际风险损失等指标输出数据，完成了对四个基准模型输出指标的配对 T 检验，并对相关输入进行了敏感性分析，为企业在碳资源配置决策过程中的风险决策提供了有效的参考。
参考文献（略）