第二节 能源系统工程的基本方法
能源系统工程中的基本方法有仿真方法、最优化方法和评价方法。
仿真是利用各种数学公式(函数式、微分方程、矩阵等)或图形客观地描述能源系统各要素的活动，以及各要素之间的相互关系，建立相应的数学模型，并通过计算机进行数值计算。它可以用于研究各种可能出现的条件或者人们期望的情况下，系统发展变化的趋势和后果。因而仿真方法可以取代或者减少那些费用昂贵的试验，提供预测和分析的手段。
最优化方法不仅是对能源系统的客观描述和分析，它寻求的是最佳方案，即以仿真模型或初期计划为基础，建立优化分析的数学模型，以达到能源系统整体目标的最优或最令人满意的方案。最优化方法及其计算结果，比人们以常规经验作出的决策要好得多。
评价方法通常用于对各种优化的结果进行分析和对比，判定并研究它们是否能够真正使用，能否获得预期的效果。上述三种方法通常联合运用，以取得能源系统的整体最佳效果。
在能源系统工程中常用的仿真方法有投入产出分析;在最优化方法中多用线性规划;层次分析则常在评价方法中使用。
一、能源投入产出分析法
(一)概述和预备知识
1.预备知识
能源问题同样是经济问题的一种，随着经济的发展以及能源在经济发展中凸现出越来越重要的作用，人们将分析经济问题的许多方法也用于能源问题的研究，投入产出分析法就是一种。投入产出分析法在定量研究社会总产品再生产过程中的某些经济规律方面越来越得到广泛应用。投入产出分析中的投入，是指生产过程中投入的劳动对象、劳动资料和活劳动的数量，产出是指产品的分配使用方向及其数量。投入产出分析首先将各部门的投入和产出编制成一张棋盘式的投入产出表，然后利用这一模型以及矩阵运算和计算机算法来综合地分析和考察国民经济各部门在产品的生产和消耗之间的综合平衡。投入产出分析法也能够对未来进行预测，还能够对经济结构、经济效益、经济政策和商品价格等问题进行综合分析。
20世纪30年代，美籍俄裔经济学家列昂杰夫在前人工作的基础上，提出了投入产出分析法，他把国民经济所有部门的投入与产出放在一个表格，即投入产出表中联系起来加以考察，把简明有用的矩阵代数与实际编制的投入产出表结合起来，创造性的建立了投入产出数学模型，并且计算了各部门的直接消耗系数。人们可以借助列昂杰夫的数学模型进行经济分析、经济预测、编制经济计划，使得投入产出表从一般的统计表发展成为现代化的经济数学模型。
由于投入产出分析的科学性、先进性和实用性，自20世纪50年代以来世界各国纷纷研究投入产出分析，编制和应用投入产出分析表，许多科学家也继续发展列昂杰夫的成果，使得投入产出分析的内容越来越丰富和深入。
我国是应用投入产出分析较晚的国家，20世纪60年代初期，中国科学院成立了专门的研究小组来研究投入产出分析，并进行这方面的宣传和理论探讨工作。在我国，投入产出分析的应用时间不是很长，但是已经在我国国家、地区、部门和企业等各个方面展开，促进了我国经济管理的现代化，带来了明确的经济效益。
2.投入产出分析的理论基础
我国投入产出分析的理论基础是马克思的再生产理论。马克思的再生产理论把整个社会生产划分为生产资料的生产(第1部类)和消费资料的生产(第Ⅱ部类)，与此相适应，把社会总产品按照经济用途划分为生产资料和消费资料。马克思还把社会产品按照价值特征划分为不变资本(C)、可变资本(V)和剩余价值(M)。
3.投入产出分析在经济中的应用情况
(1)经济分析，为编制中长期计划提供服务。这是投入产出分析最重要的应用之一，由于投入产出表清楚地描述了最终需求的各个部门和生产部门的关系，利用这些数量关系可以分析国民经济中的各种比例关系，并编制中长期计划服务。从目前看，投入产出分析在经济分析和计划中的作用主要有：①分析报告国民经济中的各种重要的比例关系，并可以进一步分析如果计划期最终需求发坐变动，整个国民经济的结构将发生什么样的变化;②在编制国民经济发展的中长期计划的草案计算阶段，利用投入产出分析方法进行多方案计算，对各种设想进行论证和估价，调整部门间的比例，以便编制出各部门相互衔接、比例关系得当的经济发展计划;③编制国民经济最优计划。
(2)利用投入产出分析法进行经济预测。这是投入产出分析法应用最广泛的一个方面。当编制了若干年份的投入产出表以后，就可以对它们进行动态预测，掌握各种经济数据的变化规律，从而对整个国民经济或地区、企业的未来发展趋势作出预测。
(3)政策模拟，分析重大决策对经济的影响。在社会化大生产中，各部门之间存在着各种各样直接和间接的关系，一项新的经济政策的实施往往会引起部门之间的连锁反应，如何估价它的影响以便作出相应的决策是一个复杂的问题，投入产出模型在这个方面有较强的功能。
(4)利用投入产出分析法研究一些专门的社会问题。利用投入产出分析法可以研究污染问题、人口问题、就业问题、军备开支问题、投资分配问题、能耗平衡问题等多种社会问题，这些都是投入产出分析的一些新的领域。
(二)投入产出表
1.概念
列昂杰夫解释说：“一个表扼要地概括一个经济系统中所有部门各种投入的来源和所有各类产出的去向，这个表就叫做投入产出表。”
投入产出表的形式有很多，可以分成以下几类：
(1)按照不同的目的可以分成：投入产出报告表、投入产出计划表。
(2)按照表中数据的计量单位可以分成：实物形态投入产出表、价值形态投入产出表。
(3)按照表中所反映的经济内容可以分成：产品投入产出表、劳动投入产出表、固定资产投入产出表、能源投入产出表等。
2.消耗系数
根据投入产出表的平衡关系建立的数学模型称为投入产出模型，依据平衡关系的横行和纵行可以分别建立行模型和列模型。
在产出方程组中，以流量的形式表示各个部门之间的投入产出关系，这样定义直接消耗系数：第J部门生产单位产品所直接消耗第i部门的产品的数量，这个系数反映了国民经济各个部门之间的生产技术联系。在实际生产中，各个部门之间的消耗美系是相当复杂的，除了直接消耗各部门的产品外，还要通过中间需求消耗某些产品，这种消耗叫做间接消耗，例如，在炼钢的过程中消耗了电力，这是钢对电力的直接消耗，但是由于炼钢的过程中还消耗了生铁、煤、耐火材料等，在这些物质的生产过程中也消耗了电力，由于这些物质是用于炼钢的，所以它们对电力的使用可以看作是炼钢对电力的间接消耗，称为第一次间接消耗。依次类推，在炼生铁的过程中消耗了铁矿石、焦炭、冶金设备等，在煤的生产过程中消耗了坑木、钢材、机械设备等，在铁矿石这些物质的生产过程中也消耗了电力，这是炼钢对电力的第二次间接消耗;这个过程可以无限制地进行下去，从而可以得到无数次地间接消耗。因此，只有直接消耗不足以充分反映部门之间的完全联系，只有将直接消耗和间接联系起来考虑，才能充分地反映部门之间的联系，将直接消耗和间接消耗的总和称为完全消耗。
3.投入产出法的应用
投入产出分析法在经济结构的调整、国民经济计划的编制、经济政策评价、经济发展预测等方面有着广泛的应用。
投入产出分析法可以用于分析国民经济中两大部类的比例关系，积累和消费的比例关系，国民经济各部门之间的比例关系;可以用于经济效益的分析;可以用于价格的分折。投入产出分析法在计划工作中有着很大的作用，它可以用来计算各部门的计划产值，计算计划期内各部门的劳动报酬、社会纯收入和固定资产折旧，用来修订计划，与数学规划结合编制最佳计划。
4.能源系统投入产出表
投入产出表中如果把能源部门扩大，以适应研究能源系统和国民经济其他部门联系的需求，就叫做能源系统投入产出表。这种表可以以一个国家或地区为对象来编制。
二、线性规划法
(一)基本概念
整体全局最优化是能源系统工程的主要特点之一，这些最优化问题通常都是采用数学规划方法来求解。所谓数学规划方法就是指研究多变量函数在变量受多种约束条件限制下最优化问题求解的运筹方法。数学规划包括线性规划、非线性规划、动态规划等。线性规划是其中最简单的、最基本的一种，其特点在于各待选变量在各自约束条件和目标函数中均具有线性关系，即约束条件和目标函数均为线性等式或线性不等式。
线性规划就是把企业经营活动的内在规律抽象出来，归纳为一些特定的类型，形成简练易懂的数学表达式，帮助人们进行科学的思考，定量的分析问题，从而作出最优的决策。线性规划在国外企业中已经推广应用了几十年，取得了不小的成绩。我国由于管理落后，长期以来没有引用线性规划等经济数学方法，近些年来，不少先进企业开始采用线性规划法并取得了较好的效果，这样，线性规划终于提到了我国企业管理的日程上来。
总的来讲，线性规划是解决企业中合理利用现有资源，以发挥最大效益的问题，具体有两大类：一类是确定了一项任务，研究怎样精打细算，使用最少的人力、财力和物力去完成它;另一类是已有一定量的人力、财力和物力.研究怎样合理安排，使之发挥最大限度地作用，而完成最多的任务。主要有以下几个方面的问题：
1.生产计划与组织问题
如何组织生产是企业经营的关键环节之一。企业的领导者不仅要了解市场、开发新的产品，而且还要研究如何把企业内部的人力、物力和自然资源合理地组织起来，充分挖掘企业内部的潜力，为社会提供尽可能多的产品和创造最大的利润。它包括生产方法的选择、企业长远发展规划的论证、生产计划的综合平衡、生产计划的制定、生产任务的分配和产业结构的配比等。
2.运输与布局问题
企业的经营活动是一个投入与产出的有机活动过程，既是一个生产过程，又是一个消费过程。供、产、消贯穿企业活动的整个过程，它们之间的关系是很复杂的，定量研究这些活动关系对于搞好企业的经营管理、提高经济效益都是相当重要的。它包括：从产地到消费的运输问题，生产中的成品、半成品、原材料的调运问题，厂址、供应站的布置问题等。
3.配料与下料问题
配料是产品生产过程中的一个重要环节，采用不同配方进行配料，不仅会带来产品质量的差异，而且会使原料成本发生很大的变化，这些都将影响企业的综合经济效益。因此，在各个不同的行业，研究在不同要求条件下的最佳配方问题是管理与技木相结合的优化方法，通过最优配方来组织生产，能够合理地使用原材料、降低成本，达到提高企业经济效益的目的。
