运筹与 管理
OPERATIONS RESEARCH AND MANAGEMENT SCIENCE
第30卷第3期2421年3月
Vol. 30,No. 8Mae 2021
陈振，张康辉，贾书伟
（河南农业大学 信息与管理科学学院，河南 郑州45 472）
摘 要：面对日益严峻的环境问题，为减少机动车排放污染气体，我国各地政府纷纷出台相应鼓励发展新能源汽车
的政策。新能源汽车主要是采用电作为推动力，能够有效降低空气污染程度。本文运用系统动力学方法建立模 型，从系统的角度出发，采用VENSIM 软件进行仿真模拟，探究产生“绿悖论”的原因。动态仿真结果显示，政策 对新能源汽车的影响实施阶段有显著效果，旦是随着时间的推移，政策的边际效用会
逐渐降低；新能源汽车总量的 上升直接吞噬甚至超出了其节约的资源，而且带来了停车位紧张、道路拥挤度上升的不良后果。关键词：系统动力学；仿真；绿悖论；新能源汽车
中图分类号:TP39E9；N940 文章标识码：A 文章编号：105X22：（202：）05X232X8 doi ：1. 12000/ormz. 2029 01：
“Green Paradox ” Eff e ct of New-energy Vehicles Based on System Dynamics
CHEN Zhen , ZHANG Kiy-hul , JIV Shu-wel
（C o 2_—e of Information, ad Maagwmwh Sciencc , Henan Agricultura ） Universit/, Zhengzhou 450002 , China ）
Abstract ： Face/ with incmasOgW severe envi/nmental p/bWms : in order to re/uce the emission of pollutants
/om motor vehicles , Chinese yovernments have issue/ cen/sponUOo policies to encen/ae the UeveWpment of
new enerpy vehicles. New enerpy vehWles mainly use electricity as the U/vOy force : whWh
con Sfectively re/uce the deyree of air yolluPon. In this paper, the system Uyeamics method is use/ to build the model. F/m the peupecOve of the system , the VENSIM so/wam is use/ for simulaPon to explore the conses of the u green pa/box ” . The UypamP simulaPon msults show that the policy has a spniPcont effect on the imyWmentaPon
phase of the impact of new enerpy vehicles : but with the passaye of time , the maryinai utOity of the policy wil l g/buady re/uce ; and the increase of the total amount of new enerpy vehicles directly eats up vs even excee/s the resources save/ , and b/ngs akont the abverse censequences of the shodaye of yarding spaces and the increase of
mxh codgesOon. In padicoWs , this paper uses UyeamW simulation to explore the effects of the UeveWpment policy of new enerpy vehicles on the total enerpy censumypon , deyree of traf/c cenoesPon , side eXects and parbOg space chanoes : so as to achieve the quantPatme analysis of the u green pa/hvx ” effect and explore their
reasons. Finady , some suagesPons am put foruarb from the aspects of technoWye and policy.
Key WO res ： system Uyeamics ; simulaPon ; green parabvc ; new-enerpy vehicle
0引言
随着全球环境污染加重，汽车尾气排放占很大
一部分比例。新能源汽车主要有减少机油泄露带 来的水污染、降低温室气体的排放、运行平稳、无噪
声、减少能源消耗量等优点。因此，得到部分政府
的大力推广。虽然新能源汽车优点很明显，但新能 源汽车是否是最好的，仍有待商榷。为发展新能源
汽车政府出台了相应的补贴优惠政策，如上海市的
“免牌”政策和北京市的“单独摇号”政策。虽然政 府颁布了支持新能源汽车生产和销售的补贴政策,
收稿日期：2719-75X7
基金项目：国家自然科学基全资助项目(l — lK)；河南省哲学社会科学规划项目阶段性成果(2719BJJ738 )；河南省软科学研究重点
项目(272477410751)；郑州市软科学研究计划项目(2720RKXF0793 )
作者简介：陈振(1974-)，男，河南汝南人，教授，硕士生导师，主要从事运筹学与控制论、不确定性决策理论与方法的研究；张康辉
(1995-) ，男，河南周口人，硕士研究生，主要从事复杂系统建模与仿真、不确定性决策理论与方法的研究；贾书伟(1982-)，通讯作者，男，河
南平顶山人，博士，主要研究方向为复杂系统建模与仿真、系统工程。
第3期陈振，等：基于系统动力学的新能源汽车“绿悖论”效应研究233
但对新能源汽车产业链的研发支持较少［」。这会导致新能源汽车的需求量不断飙升，与之相随的社会问题也会逐渐显露。目前国内外对新能源汽车的研究较为丰富，不同的学者从不同角度对新能源汽车进行了相关的研究，而目前的研究大致可分为三类。
（1政策角度。部分研究者采用博弈论对新能源汽车补贴策略［7］和在双积分政策下汽车生产商决策［」进行了优化。另有部分学者采用博弈论研究了影响新能源汽车合作创新的因素JL］和在政府管制下新能源汽车的发展状况⑸。缪小明等对电动汽车政策（政府产业化投入、政府采购、优惠税率和购置补贴率）进行了研究〔6」。Hong等研究了韩国政府补贴政策对新能源汽车和消费者需求的影响⑺。卢健等认为目前我国政策对新能源汽车产业化激励不足，运用系统动力学对新能源汽车优惠税率
和传统汽车加征所得税进行了模拟与仿真⑻。Dimitropoolos等采用汽车税率和车辆环境影响相结合的政策方法，分析了汽车优惠税率政策对福利的影响〔9」。WWOm等利用专利和原型对技术强制政策进行初步评估，结果表明，当专利嵌入全球工业的角度时，可以用来分析强制技术的政策［—」。也有部分研究者从政策工具和价值链两大维度对新能源汽车产业进行了内容分析［/」。这些研究为新能源汽车发展政策的修订与完善提供了有益的借鉴。
（2）整体产业发展角度。陈芳等基于协同学理论以美国新能源汽车为例，将新兴产业发展分为孕育、萌芽和成长三个阶段J0」。任海英等将区域新能源汽车产业化系统划分为3个子系统（产业化投入子系统、产业化过程子系统和产业化效益子系统）探究了产业化发展政策和模式［3」；并且研究了混合动力汽车产业化发展，并对四个阶段（导入阶段、成长阶段、扩展阶段、成熟阶段）的发展提出了相关的建议［4」。刘刚以电动汽车产业为例研究了如何推动新兴产业快速成长［3」。李苏秀等以新能源汽车产业中国市场为例，应用理论框架对新兴产业（新能源汽车产业）商业模式创新进行了剖析［6」。王宏起等基于综合优势理论思想，以中国新能源汽车产业为例，揭示基于主导优势的战略性新兴产业核心能力形成机理［7」。这些研究成果为新能源汽车产业的创新提供了智力支持。
（3）在能源节约、消费者购买意愿、市场需求及关键技术的研发与创新等方面。Hillman等研究了瑞典2007〜2020年替代运输能源的发展［8］。任斌等研究者考虑了基础设施和价格对中国电动汽车影响的扩散模型，结果显示基础设施的完善程度比价格更能够影响消费者的购买决策［9］。Gnann等研
究了德国插入式电动汽车（plue-in electric vehicle-发现由于商用车辆年平均行驶里程高且驾驶更有规律，商用车辆比私人车辆更适合使用PEV［2—」。谢志明等对我国新能源汽车行业的市场需求、产业发展和研发基础进行了定性分析，得出 我国新能源汽车产业关键技术以及预期的实现时间［0/」。另有部分研究者分析并总结了政府、工厂、高校以及研发机构在宇通新能源汽车协同创新中的作用也」。Steenhof等对加拿大客运部门碳化替代技术进行了比较，发现到2050年乙醇几乎都将以纤维素为原料能够实现真正的减排效果Z」。这些研究为新能源汽车发展模式的优化提供了一定的决策依据。
新能源汽车的大力推广是否会诱发“绿悖论”效应？这是本文研究的一个重点。“绿悖论”是指那些意图减少温室气体排放的环境政策的收益，至少在一定时期内，恰好被与其初始预期相反的结果所取代⑦」。以上文献基本上都是对如何更好地发展新能源汽车做出的研究，很少有对研究新能源汽车发展带来的后果进行讨论。例如201年新乡毒小麦事件（废弃电池导致小麦镉含量超标）和苏州吉姆西客车制造有限公司骗补事件是新能源汽车的高速发展所导致的问题。文献［75］指出目前新能源汽车产能过剩风险正在不断积累。文献⑦」针对新能源汽车的发展带来的一系列问题进行了定性讨论，但未引用实际数据进行定量的分析。
回路创
'回路5
，
汽车总量
I路1
回路2彳
新能源汽
车保有量
其他机动
车增长率新能源汽
车增长率
新能源汽车发
展副作用强度
_'副彳乍甬速率需位
碱策支持力度\—
何路•
道路拥挤度
能源消费总量W
、、4回路3
图i新能源汽车系统因果关系图
为此，本文以上海市为例，采用VENSIM软件结合相关数据，从系统的角度建立动态模型，利用模型结构行为方面的测试和检验来验证模型的合理性及可靠性。采用动态仿真来探索新能源汽车的发展政策在能源消费总量、道路拥挤程度、副作用程度及停车位数量变化等方面的影响，进而实现
234运筹与管理2021年第30卷
“绿悖论”效应的定量化分析，并从技术、政策等方面提出相关建议。
-模型建立与分析
1.3系统边界确立
系统动力学（System Dyaamics,SD）由Jay W Forrester于1456年创立'f］，它是一种以计算机仿真技术为手段、以反馈控制理论为基础、用于复杂的社会经济系统定量研究的方法。系统动力学三个重要的建模组件分别是：因果反馈图、流图以及方程式［f］。新能源汽车的相关问题是一个复杂的社会问题。它包括新能源汽车研发、政策支持力度、GDP发展状况、废旧电池回收程序以及对社会发展的影响等。根据本文的研究目的，最终确定所研究的系统范围，如图-所示，其中“+”代表正效应，“-”代表负效应。
边界是由系统的各个组成部分确定，在边界之内称为系统，在边界之外称为环境。通过对现实情况的了解与分析，本文把政策支持、新能源汽车保有量、能源消费总量、副作用速率、新能源汽车发展副作用等变量设置为研究对象。系统边界确立后，需对系统内部回路进行具体分析。由图1可以看出主要变量的反馈回路如下：
新能源汽车回路中包括4个正（负）反馈回路。其中正反馈回路具有增强效果和不稳定性，表示一个初始参数的增加（减少、可以通过一系列的作用后将这种效果增强（减少）而负反馈回路具有减弱作用和稳定性，作用与正反馈相反。
回路1能源消费总量f+副作用速率f+新能源汽车发展副作用强度f-新能源汽车增长率f+新能源汽车保有
量f+能源消费总量。
回路2汽车总量f+需要停车位数量f+副作用速率f+新能源汽车发展副作用强度f+其他机动车增长率f+其他机动车保有量f+汽车总量。
回路3汽车总量f+需要停车位数量f+副作用速率f+新能源汽车发展副作用强度f-新能源汽车增长率f+新能源汽车保有量f+汽车总量。
回路4能源消费总量f+副作用速率f+新能源汽车发展副作用强度f+其他机动车增长率f+其他机动车保有量f+能源消费总量。
回路5道路拥挤f+度副作用速率f+新能源汽车发展副作用强度f-新能源汽车增长率—f+新能源汽车保有量一f+汽车出行总量一f+道路拥挤度。
回路6汽车出行总量f+道路拥挤度f+副作用速率f+新能源汽车发展副作用强度f+其他机动车增长率f+其他机动车保有量f+汽车出行总量。
其中，回路—回路3和回路5为负反馈回路。在回路1中，能源消费总量的增长使副作用速率增加，进而增加了新能源汽车发展副作用强度，副作用强度增加使新能源汽车增长率降低，导致新能源汽车保有量减少，进一步导致能源消费总量减少。回路3和回路5与回路1解释相似。回路2、回路4和回路4为正
反馈回路。在回路2中，汽车总量的增加导致需要停车位数量增加，从而导致副作用速率增加，进一步导致新能源汽车发展副作用强度增加，因此使其他机动车增长率上升，其他机动车增长率上升使得其他机动车保有量增加，最终导致汽车总量的增加。回路4和回路4与回路2解释类似。
11系统流图建立
本文以上海市为例，相关数据由查询上海市统计年鉴或借鉴现有文献获得。使用VENSIM软件建立系统模型，运用软件了解变量之间的因果关系，进而了解新能源汽车的发展对能源消耗总量的影响。新能源汽车保有量由于数据缺失，由上海市销售量代替。随着空气污染状况的恶化，政府政策必然对传统汽车出行及购买进行限制，也就是抑制传统汽车的拥有量和出行量，对新能源汽车进行各种优惠政策补贴及鼓励出行。将系统中的能源消耗量转化为等价的碳消耗量。
模型假设：
假设1根据文献［f］，假定政府一直提倡新能源汽车的发展，相关增加新能源汽车销售量的相关政策一直存在，即政策支持＞：
假设2假定新能源汽车只能进行短途行驶，若进行长途出游必须使用燃油汽车。根据查的数据得知新能源一次充电能行驶：0-200公里，考虑到达目的并返回的情况，所以设0-20公里为短途出行,＞：0为长途出行。
假设3本文中的新能源汽车为纯电动汽车。
本文以上海市20—~2030年为研究时间段，步长设为：根据上述因果关系图的分析和实际情况，用Ve/Sim PLE软件建立系统流图，其中“f”代表物质流，“…a”代表信息流，得到新能源汽车系统动力学流图，如图2所示。
11数据来源及方程
本文数据来源于统计年鉴、现有文献的收集以及查询相关能源转换数据。
在仿真前需要对流图中变量编写适当的方程
第3期陈振，等：基于系统动力学的新能源汽车“绿悖论”效应研究235
式表达各个变量之间的因果关系。主要函数方程
式如下：
(1其他机动车保有量=INTEG(其他机动车增
长量-其他机动车报废量,320.1),Units：万辆；
能源消费总量
副作用出
现的概率
其他机动
车保有量
其他机动
车増长量
小汽车摇号查询其他机动
车报废率
其他机动
车报废量
其他机动
年増长率
副作帛速率
站拥挤度零鬻減
延迟丽
新能源汽政策支持丰増侍"
新能源汽
车孝废率
图7变量关系流图
(2)其他机动车增长量=其他机动车增长率X其他机动车保有量,Units：万辆；
(3)其他机动车报废量=其他机动车报废率X其他机动车保有量,Units：万辆；
(4)其他机动车出行量=其他机动车保有量X0.3,Units：万辆;
P)新能源汽车保有量=INTEG(新能源汽车保有量*新能源汽车增长率2.001) ,Units：万辆；
(6)副作用速率二LN((能源消费总量+道路拥挤度+需要停车位的数量)*副作用出现的概率);
(7)新能源汽车减排力度=1/(EXP(副作用程度)+0.1)；
(3)副作用程度=LN(新能源汽车发展的副作用+1；
(9)新能源汽车增长量=新能源汽车保有量*新能源汽车增长率,Units：万辆；
P0)新能源汽车报废量=新能源汽车保有量*新能源汽车报废率,Units：万辆；
P1报废率由国家发布汽车报废政策设为6.07%[34：；
(12)能源消费总量=其他机动车保有量* 0.3*(0.3*0.03*300/150*1.43+0.7*0.03 *10/150* 1.43)+新能源汽车保有量*0.1 *10*345/1000/1000*新能源汽车减排力度，Units：吨；
(1)道路拥挤度二LN(汽车出行总量/50)[8」。
7模型测试与检验
23模型测试
根据文献回」，分别将政策分为“不干预、鼓励、非常支持”三种政策类型对新能源汽车保有量进行测试。从图3中可以看出，三种政策对新能源汽车保有量具有不同的影响，其中，非常支持支持对其影响最强烈，鼓励支持次之，不干预政策对其影响最弱。即：在“不干预”政策下新能源汽车保有量一直处于平稳状态，这是由于新能源汽车产业为新兴产业，受到其技术局限性、知名程度以及消费者购买偏好等的影响使其发展较为缓慢；在“鼓励”政策下，与“不干预”政策相比新能源汽车保有量有微小的上升，这表明新能源汽车产业并未凸显其行驶里程短、充电桩设施不完善等的缺陷；在“非常支持”政策下，由于政府的大力提倡，在政策延迟一段时间后，新能源汽车保有量呈现指数型增长态势，这表明政策的支持力度大于新能源汽车本身的局限性，导致新能源汽车保有量快速增长。因此，模型与现实情况较为贴近，具有一定的可靠性和可用性。
图3现实性测试
2.2模型检验
本文以上海市为研究对象，上海市自2011年起新能源汽车销量不断上升，由于上海市新能源汽车保有量数据缺失，并由于数据的可查性，模型检验用其他机动车保有量进行检验。本文以灰综合关联度[37：作为检验方法。具体算法见图4，详细计算步骤如下：
图4
模型检验的算法流程图
236运筹与管理2423年第30卷
设存在两组等时距序列X-和X)，对两组序列使用始点零化算子D进行无量纲处理，得到序列始点零化象X-,X-O X_,X：分别是X-,X)的初值象,X,X：分别是x,x))的始点零化象，称g°)=[ +扇(2)++^(3)+•••++^(n--)+*耐(n、+
久-(2)+…+%-(n-3)+"C；%-(n)丨]x[3+l%-(2)
+砧(3)+…+—(n—-)+1-3n、]+]9(2、+—(3)+•••+—(n-：+( n、I+1(—(2)-—(2、、+(—(3)-—(3)、+…+(—(n-：-—(n -3、、+*[—(n、-—(n、1]一3和Y-=[3+1(3°
(2)+—°3、+…+—°(n--)+*3°3n)I+()°(2、+•••+—°(n--)+丁―°3n、1]x[3+]°°(2) +—°(3)+…+—°(n-3、+-——°(n)I+丨()°(2)+—°(3、+…+—°(n-3、+*—°(n、1+1(—°(2)-
9°-))+(—°(-))_—°(-)+…+(—°(n-3)-—°(n--))+*[—°(n)-—°(n)]I]-)分别为序列
X-,X)的灰绝对关联度和灰相对关联度，定义£。3=陷)+()-&)Y-为X-,X)的灰综合关联度，其中0e[0,3]，精度检验等级见表3o
灰关联度模型是基于整体视角，通过考察序列折线间的相似及接近程度，来判断二者相关联程度的强弱。其中，绝对关联度模型侧重于考察两个序列在形状上的相似程度，相似程度越大，绝对关联度的值就越大，反之，则越小。类似的，相对关联度侧重于考察两个序列相对于始点的变化速率。而综合关联度模型融合了二者的优点，既能表现出两序列间的相似程度，又能体现其相对于始点变化速率的接近程度。因此，综合关联度模型能够更加全面地表征出序列之间的联系。
表1精度检验参照表
精度等级一级二级三级四级
关联度&0.200.800.200.20
根据图-中的详细步骤，结合灰系统软件，能够计算出其他机动车保有量关联度。其他机动车保有量在2013~202年的真实值记为X-，模拟仿真值记为X)，则
X o=[—⑴2一(4)2-(3)，…2一(7)•
=[329.2264.33,282.46,04.45,34.35,359.48,90.5-
X-=[—(、2)(2),2)(3)，…2)(7)-
=[20.17,347.136,86.539,267.343,306.184,344.606,378.4—]
关联度检验：
g03=(+174.135+97.6951)x
(+174.135+77.675I+23.5835)-)
=0.3797
Y3=(+0.22533+0.29672)x
(+0.22533+0.29672+0.0736)-)
=0.7753
令0=0.5，则£-3=策一3+(--e)Y-3«0.7-73>0.7，根据表-可知，计算精度达到了一级的标准，模型具有一定的合理性。
3动态仿真分析
流图模型是根据新能源汽车发展及政府政策的实际情况进行的建模，模型具有一定的实际性，针对新能源汽车发展的形式进行模拟。系统动力学是现实社会的实验室，运用系统动力学研究社会问题有一定的前瞻性，为社会的发展带来积极的影响。
3.1政策对能源消费总量的影响
根据新能源汽车用电情况，将其消耗的电力换算成相应的炭消耗量，并将其他机动车消耗油量换算成相应的炭消耗量。从图5中可以看出：在非常支持政策下，曲线-在前期增长缓慢，但在政策实施中后期表现出快速增长态势。与此相对应的曲线2在初期略有下降，但中后期仍持续上升。即：提倡新能源汽车发展在前期带来了很好的效果，但持续性促进新能源汽车的发展会使能源消耗总量迅速攀升，能源消耗量的增加也意味着环境会得到一定的破坏，这与政府的本意是相悖的。虽然化石能源的消耗减少，但是煤炭的消耗却出现了增加的现象。新能源汽车单位节约的能源更是被其快速的发展总量所消耗的能源所超越，进而引发了“绿悖论”效应。
新能源汽车保有量：非常支持一,—,_,_!_!_!_万辆能源消费总量：非常支持2•-2•…2……2•••2•…2••2•…2•2•…2-吨
图-
新能源汽车能源消耗总量
发布评论