本发明涉及能源供需技术领域，具体涉及一种煤炭供需格局优化方法。
背景技术：
煤炭为区域社会经济发展提供必要的物质资源支撑，而其在空间维度上的变化对供需格局的影响越来越突出，并决定调配的难易程度。具体，煤炭供需格局是指特定时期内，某一地区煤炭的生产、消费与运输状况，以及不同区域之间煤炭调配规模以及供需均衡程度，其核心要素是指煤炭在某段时期内供需发展的总量、结构、布局、流向，其中流向包括煤炭流动的规模与方向，反映了某一时期内煤炭的生产消费情况以及在某一时点上的流动情况。
目前，我国的煤炭生产集中于北方的河北、内蒙古和山西，中部的河南、山东和安徽，西南的贵州、云南、四川和重庆，西北的陕西、甘肃、宁夏和新疆等4大生产集聚区；但煤炭消费地分布较分散，煤炭调配问题相对复杂。基于空间分布的不均衡性，我国煤炭产消区矛盾日益突出，西煤东运和北煤南运难以满足东南沿海地区的煤炭需求，东南沿海地区的煤炭缺口主要通过进口来补给，国内运力不足及进口煤相对国内煤炭的价格优势导致煤炭进口量长期居高不下。因此，合理优化煤炭流动格局，实现最佳效率的煤炭贸易流向是解决煤炭供需矛盾的当务之急，需要探索科学合理的方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种煤炭供需格局优化方法，解决国家煤炭生产与消费格局存在的供需矛盾，提出在划分供给地、需求地的基础上构建运输规划模型来调整优化国家的煤炭供需格局。
本发明所采用的技术方案为：
煤炭供需格局优化方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：确定不同区域的煤炭配给情况，即需求地的煤炭缺口量以及供给地的煤炭盈余量；
步骤二：采用自给率指标来测度不同地区不同时期的煤炭供需情况，并判断煤炭资源的流动倾向；
步骤三：采用流动比率指标来划分其煤炭流动职能，进一步结合我国煤炭资源流动的情况，把流动比率大于1的地区划分为供应地，小于1的地区划分为需求地；
步骤四：在区域供需角色界定的基础上，把煤炭供需格局优化描述为n个供应地向m个需求地供货的运输规划问题，确定目标函数与约束条件；
步骤五：根据铁路运输成本确定各参数取值，并运用MATLAB求解确定优化的煤炭供需方案。
步骤三中，采用流动比率来确定煤炭流动职能，流动比率是煤炭资源输出量与输入量的比值，计算公式为：
式中：
Rit—i地区t时期的煤炭流动比率；
Oit—i地区t时期的煤炭输出量；
Iit—i地区t时期的煤炭输入量。
步骤四中，目标函数与约束条件确定包括以下步骤：
在各供给地的能力、需求地的需求以及供需节点之间运输成本已知的前提下，煤炭供需格局优化问题就是解决如何以最小的成本从供给系统调运合理规模的煤炭至需求系统，因此将地区之间的煤炭调拨量xij作为决策变量，总的运输成本最小作为优化目标，表示如下：
式中：
Z—目标函数；
xij—供应地j向需求地i的煤炭调拨量；
cij—供应地j向需求地i调拨煤炭的单位运输成本，铁路煤炭运送费用的计算公式为：运费＝发到基价+(运行基价+铁路建设基金)*运价里程+运杂费。
约束条件包括两个：(1)各供给地调拨量之和大于需求地i的需求总量；(2)供应地j给各需求地的调拨量之和小于其供给能力，表示如下：
式中：
Ri—需求地i的需求总量，亿吨；
Sj—供应地j的供给能力，亿吨。
步骤五中，优化模型构建的操作步骤为：
构建煤炭供需格局优化模型如下：
本发明具有以下优点：
1、基于国家煤炭生产与消费的总体布局，确定国家煤炭的生产集中度、消费集中度以及总体供需格局现状，保证计算结果科学准确。
2、借助自给率、流动比率等指标界定区域的煤炭供需职能，将区域划分为供给地与需求地，为煤炭资源的合理调配与均衡配置提供重要依据。
3、综合考虑调运成本最小、实现供需均衡等目标建立运输规划模型求解煤炭供需格局的优化问题，有助于得到适宜的优化方案。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明在国家煤炭分布形态与供需格局的基础上，针对煤炭供需存在的矛盾，采用自给率、流动比率测度煤炭资源职能，并以此划分供给地与需求地，进一步将煤炭运输格局问题转化为供应地向需求地供货的运输规划模型，在运输成本最小、供需合理匹配等目标条件下求解确定最佳的分配方案。
实现煤炭供需格局的最佳需要借助科学的理论方法，本发明以全国煤炭供需格局现状为基础，深度挖掘煤炭流动的特征，运用科学指标划分供需区域，进而建立数学模型求解确定最佳的供需结构，从根本上解决了煤炭供需矛盾的问题，为实现能源的合理调配提供技术支持，是有效优化国家煤炭供需格局的科学技术手段。
本发明具体包括以下步骤：
步骤一：基于国家煤炭生产与消费的总体布局，判断煤炭流动的格局特征，确定不同区域的煤炭配给情况，即需求地的煤炭缺口量以及供给地的煤炭盈余量；
步骤二：采用自给率指标来测度不同地区不同时期的煤炭供需情况，确定煤炭资源的流动倾向；
步骤三：采用流动比率指标来划分其煤炭流动职能，进一步结合我国煤炭资源流动的情况，把流动比率大于1的地区划分为供应地，小于1的地区划分为需求地；
步骤四：在区域供需角色界定的基础上，把煤炭供需格局优化转化为n个供应地向m个需求地供货的运输规划问题，确定目标函数与约束条件；
步骤五：根据铁路运输成本确定主要参数取值，并运用MATLAB编程求解确定优化的煤炭供需方案。
本发明提供了一种解决煤炭供需矛盾的科学方法，统筹考虑煤炭分布格局与流动倾向构建科学的规划模型进行优化，对于确定合理的供需格局、实现煤炭资源效用最大化意义重大。下面通过实例将对本发明进行详细地说明。
步骤一：中国煤炭生产与消费格局确定
中国煤炭资源分布与消费的区域不均衡性，导致形成了“北煤南运”和“西煤东运”的煤炭流动格局。具体，采用数量集中度、面积集中度指标明确各产消地区的煤炭资源分布情况，计算公式如下。
式中：
Rn—数量集中度；
Nk—主要生产地(或消费地)k的煤炭生产量(或消费量)，万吨；
N总—全国煤炭生产(消费)总量，万吨。
式中：
Ra—面积集中度；
Ak—主要煤炭生产地(或消费地)k的区域面积，km2；
A总—全国煤炭生产(消费)地的总面积，km2。
1、生产集中度计算
中国煤炭资源在地理空间的分布格局呈现西多东少、北富南贫的特征，主要集中分布在经济欠发达的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等地区，其中，山西、内蒙古、陕西和新疆四个省份的煤炭基础储量占全国的67.6％。而其他煤炭资源赋存较差地区不仅煤炭资源少，而且大多数属于开采条件复杂区，煤炭品质也较差，不但开发成本大，而且煤炭的综合利用价值不高，如浙江煤炭储量为0.44亿吨，广东煤炭储量仅为0.23亿吨，上海至今未发现有煤炭资源赋存。
具体从数量与面积两方面计算煤炭集中度：从数量集中度来看，从2000年的45.2％提升到目前65％左右，煤炭生产区域的集中效果越来越明显；在面积集中度方面，由于我国煤炭主要产地基本保持不变，因此面积集中度水平变化不大。
2、消费集中度计算
根据煤炭消费情况，目前我国煤炭消费总量的数量集中度远低于生产集中度，但收敛系数却明显高于数量集中度，说明我国煤炭消费大省的单位面积消费强度更大。同时，近年来我国能源消费数量集中度呈快速增长趋势，已达到50％；而面积集中度不足20％，空间收敛系数大于6。
目前，我国煤炭消费主体基本集中在经济发达的东部地区以及个别能源生产大省，其中煤炭消费最多的地区是山东、江苏、内蒙古和河北等地。
3、总体格局判定
根据各区域的煤炭产消情况，计算得出其煤炭调入(调出)规模如下表。
分区域煤炭生产与消费情况(亿吨)
根据上表可知，中国煤炭盈余区域主要集中在“三西地区”，而东南沿海地区的煤炭短缺，并且短缺地区数量和煤炭短缺量均有扩大趋势，煤炭产消区的矛盾日益突出，西煤东运和北煤南运难以满足东南沿海地区的煤炭需求，东南沿海地区的煤炭缺口主要通过进口来弥补，国内运力不足及进口煤相对国内煤炭的价格优势导致煤炭进口量长期居高不下。因此，虽然煤炭进口在一定程度上满足了我国东南沿海地区的煤炭需求，但基于我国煤炭产消严重失衡的国情，以及国际煤炭市场价格波动、煤炭进口管理和政策等因素，我国北煤南运、西煤东运的基本流动格局不会有大的变化。因此，如何优化国内煤炭流动格局，实现最佳效率的煤炭贸易流向是解决中国煤炭供需矛盾的当务之急。
步骤二：各地区煤炭资源流动职能的判定
综合采用自给率、流动比率两个指标计算各区域的煤炭供需规模，并以此界定其供需角色。
1、流动职能确定
自给率为某地区的煤炭生产量与消费量之比，用来测度煤炭资源流动的倾向，计算如下：
式中：
Sit—i地区t时期的煤炭自给率；
Pit—i地区t时期的煤炭生产量；
Cit—地区t时期的煤炭消费量。
Sit越高，表明i地区的煤炭供给能力越强，有煤炭外流倾向；反之，i地区的煤炭供给能力较弱，有煤炭流入的倾向。
进一步，采用流动比率来确定煤炭流动职能，流动比率是煤炭资源输出量与输入量的比值，计算公式为：
式中：
Rit—i地区t时期的煤炭流动比率；
Oit—i地区t时期的煤炭输出量；
Iit—i地区t时期的煤炭输入量。
流动比率越大，即Rit>1，表示该地区煤炭资源输出性越强，划分为供给地；流动比率越小，即Rit<1，表示该地区的煤炭资源输入性越强，界定为需求地；流动比率近似为1时，表示煤炭资源流出倾向与流入倾向相当，即交流性较强。
步骤三：煤炭供需格局优化模型构建
1、优化目标选取
在各供给地的能力、需求地的需求以及供需节点之间运输成本已知的前提下，煤炭供需格局优化问题就是解决如何以最小的成本从供给系统调运合理规模的煤炭至需求系统，因此将地区之间的煤炭调拨量xij作为决策变量，总的运输成本最小作为优化目标，表示如下：
式中：
Z—目标函数；
xij—供应地j向需求地i的煤炭调拨量，亿吨；
m—需求地的数量，个；
n—供给地的数量，个；
cij—供应地j向需求地i调拨煤炭的单位运输成本，铁路煤炭运送费用的计算公式为：运费＝发到基价+(运行基价+铁路建设基金)*运价里程+运杂费(如装卸费、保险费等)。
2、约束条件确定
由于不同地区的需求量与供给能力是一定的，因此需求地的煤炭调入量应该能够合理满足需要，供给地的煤炭调出总量不得超出供给能力上限，以此确定供需匹配约束，表示如下：
式中：
Ri—需求地i的需求总量，亿吨；
Sj—供应地j的供给能力，亿吨。
3、优化模型构建
根据上述结果，构建煤炭供需格局优化模型如下：
步骤四：优化方案确定
针对模型特点，利用MATLAB编程对问题进行求解，确定各供给地向不同需求地调运煤炭的规模，形成供需格局。
实例说明
1、区域供需职能确定
根据流动比率指标的计算结果，确定供应地系统主要包括山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州煤炭资源储备地，共5个，即n＝5；煤炭需求地系统包括由辽宁、山东、河北、浙江、江苏、广东、福建东部沿海地区构成的第一级系统，以及由内陆的湖北、江西、广西、四川、重庆构成的第二级系统，共17个，即m＝17。根据煤炭产、消的现状，确定各地区的煤炭供需规模如下表。
各供需地的煤炭供需量(亿吨)
2、运输成本计算
根据铁路运输费用的计算公式，确定各地区之间的运输距离以及煤炭调运成本如下表。
供应地到需求地的煤炭运输距离及运输费用
3、优化方案确定
综上，把煤炭运输格局问题描述为5个供应地向17个需求地调配能源的运输规划模型，按照上述模型与求解算法确定地区之间的煤炭分配规模如下表所示。
我国煤炭供需格局合理化分配方案(亿吨)
从上表可以看出，川渝两地的煤炭最优调入地是陕西省，且调入量均为0.27亿吨，其中四川省不足部分由新疆调入0.07亿吨。陕西省除供应川渝两地之外，其余主煤炭要供应省份为广东、湖北、福建、江西。其中，长江沿岸省份湖北省0.32亿吨、江西省0.34亿吨，在铁路运力不足的前提下，可考虑将重庆作为交流地，利用长江水道中转部分煤炭向两省调出。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。