基于主成分的省域3E系统耦合协调度研究_徐小雅.pdf

第 卷第期湖北工业大学学报 年 月 收稿日期 基金项目国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 项 目（）；湖 北 省 教 育 厅 人 文 社 科 重 点 项 目（）；湖 北 工 业 大 学 博 士 科 研 启 动 基 金（）；教育部人文社科基金项目（）第一作者徐小雅（），女，湖北宜昌人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为数据挖掘 通信作者李翰芳（），女，湖北麻城人，统计学博士，湖北工业大学讲师，研究方向为统计建模 文章编号 （）基于主成分的省域 系统耦合协调度研究徐小雅，胡超竹，李翰芳（湖北工业大学理学院，湖北 武汉 ）摘要在信息时代大数据发展迅猛，海量的数据使得统计工作面临前所未有的挑战。从经济、能源、环境三个宏观层面出发，选取 年我国 个省市的各项指标，在主成分分析的基础上构建“经济能源环境”耦合系统（系统），探讨各个系统得分的时空差异，并分析系统的耦合协调度，旨在简化宏观高维数据，为宏观研究提供便利。研究结果发现：我国经济子系统在 年内逐年提升，而环境子系统得分与经济子系统相反，经济发达地区环境得分停滞不前，甚至有逐年下降的趋势，能源子系统各区域发展稳定；同时我国 系统的耦合协调性处于高协调水平，经济子系统与环境子系统的耦合协调性是影响 系统协调性的最主要原因，经济子系统在环境子系统与能源子系统间充当媒介作用。关键词 系统；区域发展；主成分分析；耦合协调性 中图分类号 文献标识码 世纪以来全球气候不断变暖。伴随着目前我国能源利用的效率持续下降，环境治理也进入了攻坚战，同时随着“大数据”时代的来临和发展，将能源和大数据融合发展是解决当今能源问题的重要革新力量。我国政府数据开放平台数量增长迅速，覆盖面广，同时实施大数据平台建设的政策法规制度体系逐步完善，我国发展泛能源大数据的必要条件基本成熟。建立以能源为中心并广泛关联多维度的泛能源大数据体系，构建统揽环境、经济与能源的智慧系统，可为我国在新一轮工业革命中塑造国家发展新优势提供坚实的信息和决策支撑，同时有利于优化大型数据中心整体创新布局和加快实现绿色转型发展。研究现状能源、经济和环境之间的相互关系一直受到学术界的广泛关注。从不同的视角来看，大致可以将对能源经济环境耦合系统（）的研究分为三类：）对区域内的能源经济环境系统协调度进行评价，能源、经济和环境相辅相成，研究它们之间的协调度可为地区实现可持续发展提供政策意见；）对现有评价 系统耦合协调度的模型进行改进，例如运用距离协调度模型和加入 灰色预测模型、结合压力状态响应评价体系、采用模糊物元理论等；）外部因素对 系统的影响分析，包括节能减排政策、能源结构、碳排放、技术创新等方面的影响，。纵观国内外学者的研究，大多集中在时间及空间上，这些研究的基础离不开稳定的 耦合系统，而耦合协调度取决于 系统的内部结构，系统内部所含数据信息越多，系统的耦合协调度解释程度越高，而这方面的研究较为缺乏。另外，系统面临着个主要问题，第一是高维数据处理，第二是数据收集难度，第三是缺失值的处理。故笔者从这三个角度出发，在基于大数据分析基础上，构建更为科学、合理的 系统耦合模型，为 系统的扩展研究打下稳定的基础。评价方法及数据来源基于主成分分析法的 系统耦合协调度的评价模型由于笔者拟从大数据的角度构建 系统协调度评价指标体系，各二元子系统内部所含的信息数据增多，指标之间的相关性也随之增强，故提出通过使用主成分分析法建立综合发展水平模型，使用主成分分析法降维后的指标继续构造 系统耦合协调度评价模型，来有效避免指标之间内在影响与主观因素引起的不必要的系统偏差和高维数据带来的维数灾难。系统协调度评价指标体系的构建旨在全面地了解我国能源、经济、环境系统的发展历程与现状，进而系统地表征三者的协调状况，因此遵循系统性、科学性和可操作性等指标构建原则，建立如下 系统指标评价体系，如图所示。图能源经济环境系统指标体系构建的体系中，能源系统有 个评价指标（表），经济系统有 个评价指标（表），环境系统有 个评价指标（表）。表能源子系统评价指标体系准则层单指标层符号能源生产原煤生产量万 焦炭生产量万 原油生产量万 汽油生产量万 燃料油生产量万 煤油生产量万 天然气生产量亿 水力发电量亿 火力发电量亿 城市天然气供应量万 城市发电量亿 城市液化石油气供应量 能源消费总量万标煤 能源消费煤炭消费量万 焦炭消费量万 石油消费量万 原油消费量万 汽油消费量万 煤油消费量万 燃料油消费量万 柴油消费量万 液化石油气消费量万 天然气消费量亿 电气消费量亿 天然气用气人口万人 液化石油气用气人口万人 表经济子系统评价指标体系准则层单指标层符号生产水平国内生产总值亿元第二产业占 比重第三产业占 比重人均地区生产总值元城镇化水平城市人口比重乡村个体就业人员占总人口比重工业增加值占农业增加值比重农业劳动力占社会劳动总人数比重外贸出口总额万美元进口总额万美元 收支水平外商投资企业数个 财政收入十亿 财政支出十亿 固定资产投资总额亿元 股票市价总值亿元 消费水平保险业保费百万元 城镇居民家庭人均全年消费性支出元 城镇居民家庭人均全年可支配收入元 全国居民消费水平元 存款亿元 表环境子系统评价指标体系准则层单指标层符号城市环境人均用水量 污水处理总量万 人均水资源量（人）二氧化硫排放总量吨节水灌溉面积合计 工业固体废物产生量万 工业固体废物综合利用量万 水土流失治理面积 污水处理厂座环境治理生态环境补水亿 城镇环境基础设施建设投资亿元 林业本年完成投资万元 污染治理项目本年完成投资万元 工业废气治理设施套 绿化状态林地面积（万公顷）沙化土地面积万 湿地总面积占国土面积比重 造林总面积 其中能源子系统描述了当前自然界能源状况，同时也考虑了人类活动对能源资源的影响；经济发展是实现绿色永续发展的基础，若经济发展不稳定，能源技术改革就难以实现，生态环境保护也将举步维艰，故经济子系统刻画了社会经济发展行为；环境子系统既考虑了自然环境，也将人类活动的城市环境考虑在内，同时也涵盖了环境治理保护。系统综合发展水平模型 系统综合发展水平模型能够将其内部各个子系统的综合发展水平进行量化处理，从而完成对相对抽象的能源、经济、环境 概念的定量描述。同时由于原始数据样本指标中存在不同维度的计量单位，因此在用主湖北工业大学学报 年第期成分分析法构建相应的系统综合发展水平模型前，先对原数据指标进行标准化处理而消除样本量纲对模型计算结果的影响，获得合理、正确的计算结果。构建如下 系统综合发展水平模型：（）（）（）（）其中：，式中，（）、（）、（）分别为能源、经济、环境子系统的综合发展水平模型；、分别表示为能源、经济、环境子系统标准化之后的数据；、分别表示能源、经济、环境子系统的综合权重，综合权重由累计贡献率和因子载荷矩阵求得。系统综合耦合协调度模型经济和环境系统之间的内在关联能有效反映耦合机制。耦合度被用来衡量系统间相互作用与影响的程度大小，通常来说它越大越好，说明系统间的协调程度好。故根据中所构建的综合发展水平模型，构建出如下 系统综合耦合协调度模型：（）其中：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，表示系统耦合协调度（，），表示系统耦合度，表示能源经济环境各系统的综合评价指数，（）、（）、（）由式（）所求。系统内部耦合协调度模型为了进一步探索 系统之间耦合与协调关系，明确对 系统的协调度产生变化的关键因素，考虑 系统中的每个子系统两两之间的协调情况，构建如下 系统内部耦合协调度模型：（）其中：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）；（）（）（）（）（）（）式中、为能源子系统与经济子系统、能源子系统与环境子系统、经济子系统与环境子系统的耦合协调度模型（，、，、，）；、分别为三个子系统间两两的耦合度（，）。数据来源及处理选取 年我国 个省市的 个具有代表性的指标进行 系统建模，数据来源于 年 年的 中国统计年鉴 中国金融统计年鉴 中国能源统计年鉴 中国环境统计年鉴 以及各省统计年鉴，数据中包含的缺失值使用多重回归进行插补。研究结果与分析 体系综合指标基于 前 文 构 建 的 指 标 体 系，使 用软 件（）分别对经济、能源、环境指标体系进行主成分分析，首先对三个子系统进行与球形检验，可以发现表中经济、能源、环境 值分为 、，接近于，这说明三个系统各自内部变量之间的相关程度很强，变量间存在多重共线性，适合做因子分析。另外球形检验的 值接近于，说明各变量间不相互独立，因此可以进行后续分析（详细分析以经济子系统为例）。表经济、能源和环境系统的 和 检验经济系统能源系统环境系统取样适切性量数 的球形度检验近似卡方 自由度 显著性 通过检验后，求出非特征根并提取出主成分。如表所示，其中个因子的特征值大于且累积贡献率达到 ，这说明这个因子能够大致解释经济子系统中的所有信息。为此，选取这个因子表示经济子系统的综合发展水平。随后我们获取得到个成分中各个变量的得分，根据各个成分的方差百分比得到最终的经济子系统 发 展 水 平。由 个 成 分 的 特 征 值（，）和个成分的得分可以由式（）得到经济子系统的综合得分公式：第 卷第期徐小雅，等基于主成分的省域 系统耦合协调度研究表方差解释表组件初始特征值总计方差百分比累积 组件提取载荷平方和总计方差百分比累积 （）.（）式中，（.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.），由经济子系统主成分的系数构成，同理可以得到、和，分别由经济子系统的主成分、主成分和主成分的系数构成；为经济子系统所有的指标变量。由式（）可以计算出各年份经济子系统的综合得分，结果如表所示。同理重复以上步骤可由能源子系统和环境子系统的得分表构建如下环境与能源综合得分公式：（）.（）（）.（）式中和分别为能源子系统和环境子系统中的所有指标变量，（，）对应能源子系统得分表中对应主成分的系数，（，）对应环境子系统得分表中对应主成分的系数。根据式（）和式（）分别计算出相应的综合得分，如表所示。表经济系统综合得分年份主成分得分主成分得分主成分得分主成分得分经济综合得分 表经济、能源、环境系统综合得分年份能源综合得分环境综合得分经济综合得分 能源综合得分于 年首达正值，环境综合得分和经济综合得分均于 年首变为正。为了更好的了解得分的变化情况，根据表中的数据绘制出三个系统的得分走势图，如图所示。图全国地区三个系统的综合得分湖北工业大学学报 年第期通过观察环境、经济、能源三部分综合发展得分的逐年变化，发现它们都整体呈上升趋势，且趋势较为明显。同时，得分增速排序为：经济综合得分环境综合得分能源综合得分。在研究的初始年份 年，三项指标的排序为：能源环境经济。但研究的最后一年，即 年，三项指标的排序为：经济环境能源。为使数据的呈现结果更加直观，且相对来说经济综合得分的上升趋势更迅猛，故选择用地图形式分析 年、年、年、年经济发展水平的时间变化情况（图）。图经济得分时空演化通过 年经济得分时空演化图，显而易见沿海地区的经济得分相较于内陆城市高，特别是广东省、山东省、江苏省、浙江省、上海市这些东南且沿海区域。甘肃、云南、贵州、广西四块省域得分处于最末尾，中西部地区的经济发展较为落后。与 年相比较，年存在部分省市的得分层级变化，表现在该区域的颜色变化上。经过五年的发展，经济得分升高到上一层级的区域有：内蒙古、广西、四川、宁夏、湖南等等。经济得分下降的区域有：青海、吉林、湖北、陕西等等。除未收集到数据的西藏、香港、澳门、台湾这些区域，可以认为其余区域的经济均在稳中向好的发展。综合全国范围内各区域的发展水平变化来看，在 年期间，东部的综合发展指数得分最高，西部的综合发展指数得分最低。其中东南部地区的经济发展水平较为平稳，东北部地区尤其是黑龙江省，经济得分呈下降趋势。西北部地区经济得分波动不大，大部分地区都稳中向好。中部地区作为连接枢纽，其综合发展指数得分也处于中间位置，其中部分地区的经济水平稍有下降，后有上升并恢复平稳，但整体呈上升趋势。系统耦合协调度分析能源经济环境系统是一个内部关系复杂交错的系统，要从多角度去深入分析其相互影响的因素，因此从省级层面测算了经济能源、经济环境、能源环境三个子系统的耦合协调度和能源经济环境系统综合的耦合协调度，以协调度为依据更深入地研究和掌握能源、经济、环境三个子系统的发展规律，以便在实践中采取科学决策，更好实现 系统的协调发展。系统耦合协调度变化的时间分析基于上述对综合发展指数的分析，根据 系统耦合协调度模型式（）和式（）得到了全国范围内 年逐年 系统内部及综合的耦合协调度，其结果如表所示。表全国范围内逐年耦合度协调度以及综合得分年份能源系统综合得分环境综合得分经济综合得分综合耦合协调度经济能源经济环境能源环境 从表中可以看出我国 系统综合耦合协调度 整体在上下波动，根据耦合协调度等级划分标准，.表明我国能源、经济、环境综合协调水平处于优质协调的状态，说明我国能源供需平衡，经济稳步发展，生态环境在可承受范围内得到了更好的改善，能源、经济与环境子系统之间能够很好第 卷第期徐小雅，等基于主成分的省域 系统耦合协调度研究地协调发展。但是经济能源、经济环境和能源环境这三个二元子系统的耦合协调度、和 却在（.，.）这个区间变化，说明经济能源、经济环境和能源环境这三个子系统协调度水平处于中度协调的状态，且整体来看 ，表明在能源和环境的可接受范围内，经济发展在国家政策的引导和扶持下，正在寻找新的增长点和突破口，在促进经济发展的同时注重节约能源和保护环境，因此能源、经济、环境子系统之间基本能够较和谐发展。能源、经济、环境综合协调度高，但内部协调度低，说明系统内部具有耦合脆弱性。同时从时间变化来看，虽然综合协调度很高，波动较小，但是整体还是呈一个小幅下降的趋势，各子系统的协调度同样存在小幅度下降，说明我国能源、经济与环境之间的发展目前虽然很好，但是不能掉以轻心，仍需花费时间精力保持我国能源、经济和环境的高质量协调发展，减少发展的脆弱性。从另一个角度来看，能源、经济、环境三个子系统的综合得分在逐年升高的同时又保持了各协调度的稳定，说明我国政府在能源、经济和环境上的出台政策和管控力度很到位，有效引领经济新常态发展，推动全面深化改革，个人和企业也能够积极配合国家的各项行动，共同贯彻落实新发展理念，以保持能源、经济和环境的协调发展。系统耦合协调度变化的空间分析与全国范围内的耦合协调性相比，各地区的耦合协调度差异较大，以福建省、江苏省、上海市、浙江省、青海省与新疆维吾尔自治区为例进行不同地区的耦合协调性分析。由图可以发现福建省、江苏省、上海市、浙江省地区 系统的协调性在逐年大幅提高，而青海省与新疆维吾尔自治区的 协调度发展缓慢，这说明 协调度依赖高质量经济环境，经济发展能够驱动能源及环境发展，反之能源与经济的发展能够推动经济的高质量发展，进而推动 系统的协调发展。从经济环境二元耦合协调度来看，经济较发达区域的协调度在三个系统中最薄弱，这说明在经济发展的同时也不能忽略对环境的发展，不应该让环境成为经济发展中牺牲品，经济与环境的不协调发展会增加 系统的脆弱性与敏感度，导致 系统发展不稳定。经济较为落后的地区经济与环境的发展虽然较为稳定，但 系统也发展落后，经济发展需要环境的支撑，环境的维系需要经济的牵引。图不同地区的耦合协调性分析从经济与能源的协调性来看，各区域的协调度都维持在中等水平，能源是一个地区发展的基础保障，能源与经济的稳定协调能够降低 系统发生脆弱性风险，因此保障能源与经济系统的耦合稳定性是至关重要的。从环境与能源的协调性来看，各地区的发展水平差异不大，且较为稳定，能源的开采是影响环境的重要原因之一，能源的过量开采会导致地区环境系统循环被打破，增加 系统耦合的系统性风险。由此看来，环境与经济的协调发展是影响 系统耦合协调度波动的最主要原因，在维系我国经济高质量可持续发展的同时，也需要加强环境与能源系统的建设，提高污染物处置回收能力、能源的利用率以及环境的保护。环境与能源是 系统的生态，而经济是 系统的引擎，三者缺一不可。结论与政策建议结论先经过主成分分析，分别构建了经济、环境和能源的发展指数，然后再通过 体系耦合建模，对我国各个省市的经济、环境和能源系统在 年的发展情况和耦合协调度进行描述，并且从时间、空间以及地理区域这三个角度进行了综合分析，通湖北工业大学学报 年第期过以上研究，得到了如下结论：）我国 系统综合耦合协调度 整体在上下波动，说明我国能源、经济、环境综合协调水平处于优质协调的状态，能源、经济与环境子系统之间能够很好的协调发展。能源、经济与环境系统整体发展稳中求精，积极响应国家政策，从高速发展转向高质量发展。）从空间和地理分布上来看，我国整体的发展水平有明显的上升，每个地理区域之间的差异也在慢慢降低，但是地理区域的差异依旧存在，而且呈现东部地区中部地区西部地区。从发展指数上来看，东部地区的发展呈现平稳上升的趋势，而中部地区和西部地区上升的速度比较快，但同时其环境系统的指数比较低、波动大，说明其环境破坏比较严重，而东部地区的环境系数变化不大，波动比较小。）能源、经济、环境综合协调度高，但内部协调度低，说明系统内部具有耦合脆弱性。同时从时间变化来看，虽然综合协调度很高，波动较小，但是整体还是呈一个小幅下降的趋势，各子系统的协调度同样存在小幅度下降。在空间上，全国范围的区域耦合协调度表现为：东部地区中部地区西部地区。其中东部地区的耦合协调度在时间上变化不大，发展比较稳定，波动比较小；西部地区和中部地区的耦合协调度在时间上变化比较大，没有明显的增长趋势。政策建议）提高经济发展的效率，降低对环境的破坏。从上述研究可以发现，我国经济从 年每年都有大幅度的提升，但是消耗过高，发展过程中带来的高污染对环境系统造成了很严重的破坏。所以，应该加大投资力度，改善工业上的技术，推进供给侧改革，将节能减排进行到底，从而改善我国整体的经济环境，大幅度减少环境系统对区域经济发展的危害。如：减少大气中二氧化碳的排放；提升对废水回收的利用率；将垃圾分类进行到底；加大对水资源的保护和利用；提高废弃物排放的标准，从根源上实现对土地的保护。）完善对环境保护的法律法规，加大对企业和个人的监管。第一步，要完善对应的环保政策，加大对企业和个人的监管，加强环保的治理过程。所以，必须要完善一些污染排放量比较大的企业减排的法律法规，让企业为自己的行为买单，为节能减排工作提供有力的法律保护。第二步，要加快对重污染地区的修复和治理，从而恢复当地的生态环境。加大对重污染地区环保资金的投入，改善已经被污染的地区，将经济区域和生态区域加以区分，加大对生态环境的恢复，同时应扩大对生态环境保护的宣传，加强人民群众生态保护的意识。第三步，应该意识到每个区域环境污染问题的复杂性，东部地区和西部地区存在很大的差异，不应该采用“一刀切”的方式，应做到具体问题具体分析，分清每个地区发展的主次矛盾，根据每个地区的具体情况制定相应的环保政策。）加大协调每个系统的内部关系，弥补每个区域的发展漏洞。应该认清每个区域的协调类型和短板，我国各省之间联系紧密，各区域的发展存在一定的关联性，所以在区域的协调发展进程中，各省不仅要注重经济系统、环境系统和能源系统自身的协调发展，还应当做到友好互邻，加大合作力度，做到共同协调发展。同时区域发展是一个长期而又复杂的过程，涉及到的利益群体众多，涉及到的范围也比较广，不仅关系到经济、环境和能源的协调统一，同时也受到自然因素、人口和城市发展的约束，所以协调发展的同时还应将自然因素、人口和城市发展的因素考虑在内，实现全方位的发展。参考文献安贵鑫，姚帅基于熵权模糊物元模型的山东省 系统协调发 展 评 价 研 究 河 南 科 学，（）：陈黎明，王颖，田建芳中国省域能源经济环境系统协调 性 实 证 研 究 财 经 理 论 与 实 践，（）：罗福周，张诺楠中国省际能源利用经济发展环境保护系统的时空耦合协调度分析环境污染与防治，（）：刘引鸽，王少雄基于熵权模型陕西省 系统协调度综合评价 环境保护科学，（）：王锋，傅利芳，秦豫徽省域“能源经济环境”（）系统协调度的时空差异与趋势预测 山西财经大学学报，（）：严雨男，刘玉邦基于距离协调度和模型的四川 系统耦合协调度评价研究 数学的实践与认识，（）：杨志清河南省能源、经济与环境（）系统绿色发展评价与分析河南农业大学学报，（）：赵迪 节能减排政策对我国能源经济环境系统的影响效果 北京：华北电力大学，赵涛，于晨霞，潘辉 低碳城市 系统耦合协调度研究统计与决策，（）：，：第 卷第期徐小雅，等基于主成分的省域 系统耦合协调度研究 ，：，：，（）：，（，.，）：，（），：，：；责任编校：闫品（上接第 页），（.，.，）：，：；责任编校：裴琴湖北工业大学学报 年第期