一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法和系统

1.本发明涉及城市规划、产业结构调整技术领域，具体涉及一种基于多目标 规划的区域产业结构调整优化方法和系统。


背景技术：

2.我国煤炭占比、碳排强度逐渐下降，但是产业结构仍然存在着很多问题， 最主要的问题就是产业经济价值与所消耗的能源、排放的碳排不能与之匹配。 通过产业结构的合理调动，升高能源的利用效能，实现节能减排的最优经济发 展。
3.区域产业结构能源低碳转型优化的任务是找出经济-能源-环境协同管理模 式下最优的产业转型方案。该方案包括转型的目的和路径。现有的产业转型优 化方法一般将原问题构建为一个描述了成本最小化，受能源总量约束的线性规 划问题或动态生产规划问题，优化的决策变量为资金投入，生产规模、能源消 耗等。该方法处于微观视角，不利于解决中宏观的经济-能源-环境问题，也不能 明晰和输出减排目标与产业结构调整路径。
4.然而，经济社会的发展断不能以能源消耗、气候变化或者无效利用做代价， 尤其我国目前刚刚步入构建现代能源体系的新阶段，力争如期实现碳达峰、碳 中和目标，推动社会经济高质量发展。
5.由于目标函数是多样的，且交互影响，优化模型成为多目标规划问题。显 然，现有的线性规划问题或动态生产规划算法无法适用于多目标性规划问题， 亟需提出新的优化方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于多目标规划的区域产 业结构调整优化方法和系统。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
8.第一方面，本发明提出了一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化方 法，包括以下步骤：
9.s1、基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对产业部门进 行排序，得到部门分类结果；
10.s2、以经济增长最大化和碳排最小化作为目标函数，能源消耗约束、带动 力导向的经济抑制约束、推动力导向的经济支持约束、以及产业结构和政策导 向的适应度约束作为约束条件，构建经济-能源-环境多目标规划模型；
11.s3、对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调整路径；
12.s4、根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。
13.可选地，步骤s1中基于投入产出表计算产业关联系数具体包括：
14.基于投入产出表计算里昂惕夫逆矩阵；
15.基于里昂惕夫逆矩阵分别计算各个产业部门的产业带动系数和产业推动系 数。
16.可选地，所述里昂惕夫逆矩阵的计算方式表示为：
[0017][0018]
其中，l
i,i
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素，z
i,i
表示第i个产 业部门得到一个货币单位产出所需要第i个产业部门投入的货币单位。
[0019]
可选地，所述产业带动系数的计算方式表示为：
[0020][0021]
其中，l
i,j
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素。
[0022]
可选地，所述产业推动系数的计算方式表示为：
[0023][0024]
其中，l
i,j
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素。
[0025]
可选地，步骤s2中根据产业关联系数对产业部门进行排序，得到部门分类 结果，具体包括：
[0026]
根据各个产业部门的产业带动系数按大小进行排序，并将前50％的部门对 应的产业发展分类为高，后50％的部门对应的产业发展分类为低；
[0027]
根据各个产业部门的产业推动系数按大小进行排序，并将前50％的部门对 应的产业发展分类为高，后50％的部门对应的产业发展分类为低；
[0028]
根据各个产业部门的分类结果，将所有的产业部门的产业类型划分为四类， 并确定各类产业类型的产业部门的产业发展选择。
[0029]
可选地，步骤s2中构建的经济-能源-环境多目标规划模型具体为：
[0030]
f(x)＝[f1(x),f2(x)]
[0031][0032][0033]
[0034][0035][0036][0037]
其中，f(x)表示总目标函数，f1(x)表示经济增长最大化目标函数，f2(x)表 示碳排最小化目标函数，vi表示第i个产业部门的增加值率，xi表示第i个产业 部门的产出，qi表示碳排放系数，wi表示第i个产业部门的每万元经济增加值 的能源消耗量，c表示能源消耗总量，δm表示是否被限制发展的0-1变量，m 表示需要被限制发展的产业部门序号，s表示产业规模抑制发展比例，δn表示是 否被支持发展的0-1变量，n表示需要被支持发展的产业部门序号，t表示产业 规模鼓励发展比例，a,b,c,d表示部门所属的产业，θ
l
表示表示当前规划期的 产业发展占比。
[0038]
可选地，步骤s3对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构 调整路径具体包括：
[0039]
对经济-能源-环境多目标规划模型求解区域产业结构调整的决策参数，所述 决策参数包括是否被限制发展的0-1变量、是否被支持发展的0-1变量、以及各 个产业部门的产出；
[0040]
根据区域产业结构调整的决策参数确定区域产业结构调整路径。
[0041]
可选地，步骤s4根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化具体 包括：
[0042]
判断区域产业结构调整路径中各个产业部门是否被支持发展；若是，则进 行下一步判断；否则继续判断下一个产业部门；
[0043]
判断该产业部门的产业类型是否为不确定的产业发展选择；若是；则进行 下一步判断；否则返回上一步判断；
[0044]
判断该产业部门的每万元经济增加值的能源消耗量是否大于设定的能源消 耗量阈值；若是，则将该产业部门的是否被支持发展的0-1变量修改为0；否则 继续保存区域产业结构调整路径。
[0045]
第二方面，本发明提出了一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化系 统，包括：
[0046]
分类模块，用于基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对 产业部门进行排序，得到部门分类结果；
[0047]
建模模块，用于以经济增长最大化和碳排最小化作为目标函数，能源消耗 约束、带动力导向的经济抑制约束、推动力导向的经济支持约束、以及产业结 构和政策导向的适应度约束作为约束条件，构建经济-能源-环境多目标规划模型；
[0048]
求解模块，用于对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调 整路径；
[0049]
优化模块，用于根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。
[0050]
本发明具有以下有益效果：
[0051]
本发明考虑产业间关联，即经济发展中某一部门的带动力和推动里，并考 虑能源消费特点，能够提高区域发展过程中的产业结构调整优化效率；并且选 取经济收益最大化、碳排放最小化为目标函数，并建立结构调整的约束环境， 从而能够更加准确、合理、全面的设计和优化产业部门节能成效、产业结构调 整以及区域经济发展，进而作为政策制定的关键因素，从而全面深入分析经济
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能源-环境面临的问题，为制定更加有效的产业结构调整、节能减排措施提供参 考。
附图说明
[0052]
图1为本发明实施例1中一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化方 法的流程示意图；
[0053]
图2为本发明实施例2中一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化系 统的结构示意图。
具体实施方式
[0054]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。
[0055]
实施例1
[0056]
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于多目标规划的区域产业结构调 整优化方法，包括以下步骤s1至s4：
[0057]
s1、基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对产业部门进 行排序，得到部门分类结果；
[0058]
在本发明的一个可选实施例中，本发明首先获取需要进行区域产业结构调 整优化的各个产业部门的投入产出表，如表1所示。
[0059]
表1投入产出表
[0060][0061]
本发明获取各个产业部门的投入产出表后，基于投入产出表计算产业关联 系数，具体包括：
[0062]
基于投入产出表计算里昂惕夫逆矩阵；
[0063]
基于里昂惕夫逆矩阵分别计算各个产业部门的产业带动系数和产业推动系 数。
[0064]
然后根据产业关联系数对产业部门进行排序，得到部门分类结果，具体包 括：
[0065]
根据各个产业部门的产业带动系数按大小进行排序，并将前50％的部门对 应的产业发展分类为高，后50％的部门对应的产业发展分类为低；
[0066]
根据各个产业部门的产业推动系数按大小进行排序，并将前50％的部门对 应的产业发展分类为高，后50％的部门对应的产业发展分类为低；
[0067]
根据各个产业部门的分类结果，将所有的产业部门的产业类型划分为四类， 并确定各类产业类型的产业部门的产业发展选择。
[0068]
具体而言，本发明采用影响力因子作为产业带动系数来表示一个部门对另 外部门的影响，即当部门i加码一单位时，对其他部门产值的拉动水平。产业带 动系数mi可由里昂惕夫逆矩阵计算得出。其中，l
ij
为里昂惕夫逆矩阵中第i行以 及第j列的值。
[0069]
其中里昂惕夫逆矩阵的计算方式表示为：
[0070][0071]
其中，l
i,i
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素，z
i,i
表示第i个产 业部门得到一个货币单位产出所需要第i个产业部门投入的货币单位。
[0072]
产业带动系数的计算方式表示为：
[0073][0074]
其中，l
i,j
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素。
[0075]
产业带动系数越大，表示这个部门对其他部门的牵动作用越大。当mi》1时， 表明部门i经济发展对其他部门的牵动作用大于社会平均水准，当mi＝1时，表 明a产业单位的经济发展对除部门i之外其他部门的牵动作用等于社会平均水 准，mi《1时，表明部门i的经济发展对除部门i之外其他部门的牵动作用小于 社会平均水准。
[0076]
由此我们可以得知，增加产业带动系数高的部门的投入情况，可以牵动整 个产业单位经济的发展情况。尤其针对突发事件(疫情)的影响，企业的发展 受挫，居民消费积极性不高，政府便可以利用产业带动系数的这一特点，刺激 产业带动系数高的产业单位，令其带动经济的发展。
[0077]
本发明采用感应度因子作为产业推动系数来表示各部门的发展情况对某一 部门推动作用，产业推动系数nj同样可由里昂惕夫逆矩阵计算得出。
[0078]
其中产业推动系数的计算方式表示为：
[0079][0080]
其中，l
i,j
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素。
[0081]
产业推动系数的高低在某种层面上代表了各部门的发展情况对某一部门推 动作用，产业推动系数越高，表明这一产业越不可或缺，其他产业部门越离不 开它，该产业部门的发展严重制约着整个国民经济系统的发展。产业推动因子 与标准“1”比较，标准“1”代表的是社会平均水准，
[0082]
例如：当部门j的产业推动因子nj》1时，表明部门j受到的需求反应大于平 均水准，以此类推。由此我们可以得知，增加产业推动系数高的产业的投入情 况，可以限制部门j对其他部门的制约作用从而优化整个产业的结构升级。尤其 当经济发展形势迅猛时，部门j发展的需求感应程度要与其他部门的最终使用情 况相匹配，才能保证经济的持续平稳健康发展。
[0083]
基于此，根据产业带动系数和产业推动系数对产业部门进行排序，见下表2：
[0084]
表2产业关联测度系数排序
[0085][0086]
本发明根据排序结果将前50％的部门分类为高，后50％分类为低，从而将 产业发展划分为四种类型，如下表3所示。
[0087]
表3不同产业关联测度下产业规模调整表
[0088][0089]
从表3中可以看出，所有的部门被分为四类，对于高的部门，不管的大小， 均可以扩大部门生产规模，对于两者均小的情况下，应该限制该部门的发展， 而对于高、低的情况，视部门情况而定，根据该产业是能源密集型产业还是能 源节约型产业而定，若是能源密集型产业，应该缩减生产规模，并选择进口替 代，若是能源节约型产业，应该扩大生产规模。
[0090]
s2、以经济增长最大化和碳排最小化作为目标函数，能源消耗约束、带动 力导向的经济抑制约束、推动力导向的经济支持约束、以及产业结构和政策导 向的适应度约束作为约束条件，构建经济-能源-环境多目标规划模型；
[0091]
在本发明的一个可选实施例中，本发明基于产业关联系数的产业调整特征 识别能够处理类别i，ii和iv的区域产业结构调整问题，但面对类别iii，本发 明将原问题刻画为一个多目标优化问题，并设计经济-能源-环境多目标规划算法， 输出节能减排目标的区域产业调整路径。
[0092]
本发明构建的经济-能源-环境多目标规划模型具体为：
[0093]
f(x)＝[f1(x),f2(x)]
[0094][0095][0096][0097][0098][0099][0100]
其中，f(x)表示总目标函数，f1(x)表示经济增长最大化目标函数，f2(x)表 示碳排最小化目标函数；vi表示第i个产业部门的增加值率，可以根据以前历史 的投入产出表得出，增加值率是部门i的经济增加值除以总投入，那么vixi表示 部门i的经济增加值；xi表示第i个产业部门的产出；qi表示碳排放系数，即部 门i的单位能源消耗量的碳排；wi表示第i个产业部门的每万元经济增加值的能 源消耗量；c表示能源消耗总量，δm表示是否被限制发展的0-1变量，m表示 需要被限制发展的产业部门序号，s表示产业规模抑制发展比例，具体数值根据 需要被限制发展的部门的产值占总产值的比例而定；δn表示是否被支持发展的 0-1变量，n表示需要被支持发展的产业部门序号，t表示产业规模鼓励发展比例， 具体数值根据需要被鼓励发展的部门的产值占总产值的比例而定；a,b,c,d表 示部门所属的产业，分别表示农业、工业、能源生产与供应和服务业；θ
l
表示 表示当前规划期的产业发展占比。
[0101]
s3、对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调整路径；
[0102]
在本发明的一个可选实施例中，本发明对经济-能源-环境多目标规划模型求 解得到区域产业结构调整路径具体包括：
[0103]
对经济-能源-环境多目标规划模型求解区域产业结构调整的决策参数，所述 决策参数包括是否被限制发展的0-1变量、是否被支持发展的0-1变量、以及各 个产业部门的产出；
[0104]
根据区域产业结构调整的决策参数确定区域产业结构调整路径。
[0105]
具体而言，本发明采用利用带精英策略的快速非支配排序遗传算法 (nsga-ii)求解。决策变量是δm，δn，xi。δm是0-1变量，表示是否被限制发展， δn是0-1变量，表示是否被支持发展。xi(i＝1,2,...,i,i＝42)表示部门i的产出。
[0106]
s4、根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。
[0107]
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据部门分类结果对区域产业结构 调整路径进行优化具体包括：
[0108]
判断区域产业结构调整路径中各个产业部门是否被支持发展；若是，则进 行下一步判断；否则继续判断下一个产业部门；
[0109]
判断该产业部门的产业类型是否为不确定的产业发展选择；若是；则进行 下一步判断；否则返回上一步判断；
[0110]
判断该产业部门的每万元经济增加值的能源消耗量是否大于设定的能源消 耗量阈值；若是，则将该产业部门的是否被支持发展的0-1变量修改为0；否则 继续保存区域产业结构调整路径。
[0111]
实施例2
[0112]
如图2所示，本发明基于实施例1所描述的一种基于多目标规划的区域产 业结构调整优化方案，提出了一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化系 统，包括：
[0113]
分类模块，用于基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对 产业部门进行排序，得到部门分类结果；
[0114]
建模模块，用于以经济增长最大化和碳排最小化作为目标函数，能源消耗 约束、带动力导向的经济抑制约束、推动力导向的经济支持约束、以及产业结 构和政策导向的适应度约束作为约束条件，构建经济-能源-环境多目标规划模型；
[0115]
求解模块，用于对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调 整路径；
[0116]
优化模块，用于根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。
[0117]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的 流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框 图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。 可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他 可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程 数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程 和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0118]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0119]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理， 从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程 或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0120]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上 实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领 域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有 改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0121]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理 解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和 实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种 不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明 的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对产业部门进行排序，得到部门分类结果；s2、以经济增长最大化和碳排最小化作为目标函数，能源消耗约束、带动力导向的经济抑制约束、推动力导向的经济支持约束、以及产业结构和政策导向的适应度约束作为约束条件，构建经济-能源-环境多目标规划模型；s3、对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调整路径；s4、根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。2.根据权利要求1所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，步骤s1中基于投入产出表计算产业关联系数具体包括：基于投入产出表计算里昂惕夫逆矩阵；基于里昂惕夫逆矩阵分别计算各个产业部门的产业带动系数和产业推动系数。3.根据权利要求2所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，所述里昂惕夫逆矩阵的计算方式表示为：其中，l
i,i
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素，z
i,i
表示第i个产业部门得到一个货币单位产出所需要第i个产业部门投入的货币单位。4.根据权利要求2所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，所述产业带动系数的计算方式表示为：其中，l
i,j
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素。5.根据权利要求2所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，所述产业推动系数的计算方式表示为：其中，l
i,j
表示里昂惕夫逆矩阵中第i行以及第i列的元素。6.根据权利要求2所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，步骤s2中根据产业关联系数对产业部门进行排序，得到部门分类结果，具体包括：根据各个产业部门的产业带动系数按大小进行排序，并将前50％的部门对应的产业发
展分类为高，后50％的部门对应的产业发展分类为低；根据各个产业部门的产业推动系数按大小进行排序，并将前50％的部门对应的产业发展分类为高，后50％的部门对应的产业发展分类为低；根据各个产业部门的分类结果，将所有的产业部门的产业类型划分为四类，并确定各类产业类型的产业部门的产业发展选择。7.根据权利要求1所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，步骤s2中构建的经济-能源-环境多目标规划模型具体为：f(x)＝[f1(x),f2(x)](x)](x)](x)](x)](x)]其中，f(x)表示总目标函数，f1(x)表示经济增长最大化目标函数，f2(x)表示碳排最小化目标函数，v
i
表示第i个产业部门的增加值率，x
i
表示第i个产业部门的产出，q
i
表示碳排放系数，w
i
表示第i个产业部门的每万元经济增加值的能源消耗量，c表示能源消耗总量，δ
m
表示是否被限制发展的0-1变量，m表示需要被限制发展的产业部门序号，s表示产业规模抑制发展比例，δ
n
表示是否被支持发展的0-1变量，n表示需要被支持发展的产业部门序号，t表示产业规模鼓励发展比例，a,b,c,d表示部门所属的产业，θ
l
表示表示当前规划期的产业发展占比。8.根据权利要求1所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，步骤s3对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调整路径具体包括：对经济-能源-环境多目标规划模型求解区域产业结构调整的决策参数，所述决策参数包括是否被限制发展的0-1变量、是否被支持发展的0-1变量、以及各个产业部门的产出；根据区域产业结构调整的决策参数确定区域产业结构调整路径。9.根据权利要求1所述的基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法，其特征在于，步骤s4根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化具体包括：判断区域产业结构调整路径中各个产业部门是否被支持发展；若是，则进行下一步判
断；否则继续判断下一个产业部门；判断该产业部门的产业类型是否为不确定的产业发展选择；若是；则进行下一步判断；否则返回上一步判断；判断该产业部门的每万元经济增加值的能源消耗量是否大于设定的能源消耗量阈值；若是，则将该产业部门的是否被支持发展的0-1变量修改为0；否则继续保存区域产业结构调整路径。10.一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化系统，其特征在于，包括：分类模块，用于基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对产业部门进行排序，得到部门分类结果；建模模块，用于以经济增长最大化和碳排最小化作为目标函数，能源消耗约束、带动力导向的经济抑制约束、推动力导向的经济支持约束、以及产业结构和政策导向的适应度约束作为约束条件，构建经济-能源-环境多目标规划模型；求解模块，用于对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调整路径；优化模块，用于根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。

技术总结
本发明公开了一种基于多目标规划的区域产业结构调整优化方法和系统，该方法包括基于投入产出表计算产业关联系数，根据产业关联系数对产业部门进行排序，得到部门分类结果；构建经济-能源-环境多目标规划模型；对经济-能源-环境多目标规划模型求解得到区域产业结构调整路径；根据部门分类结果对区域产业结构调整路径进行优化。本发明考虑产业间关联，能够提高区域发展过程中的产业结构调整优化效率；并且选取经济收益最大化、碳排放最小化为目标函数，并建立结构调整的约束环境，从而能够更加准确、合理、全面的设计和优化产业部门节能成效、产业结构调整以及区域经济发展。产业结构调整以及区域经济发展。产业结构调整以及区域经济发展。


技术研发人员：徐忠雯 姚黎明 陈艺 吴易琼
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2022.06.02
技术公布日：2022/11/1