能源是現代經濟的重要支撐，能源戰略是國家發展戰略的重要組成部分，能源規劃模型是分析研判能源戰略的有力工具，模型背后所蘊含的理念認識將直接影響能源決策判斷的質量。當前，世界政治、經濟格局深刻調整，能源供求關系深刻變化，我國能源資源約束日益加劇，生態環境問題突出，調整能源結構、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，能源發展的內外部形勢和發展階段出現重大變化，能源規劃模型的建模理念、理論和方法等應充分考慮這些新變化。

一、能源發展趨勢及能源規劃模型演變過程簡要回顧

能源規劃模型的演變與能源發展形態緊密相連，不同時期的能源發展形態影響了能源規劃模型的規劃理念、規劃對象、建模方法和精細化程度等。因此，在研究新一代能源規劃模型時需對能源發展形態進行分析研判，提出與新一代能源形態相適應的能源規劃模型。

（一）能源發展趨勢

縱觀人類能源史，能源的發展經歷了漫長的薪柴時代、異軍突起的煤炭時代、全面爆發的石油時代、激流勇進的天然氣時代、蓬勃發展的電氣時代和新能源時代。歸納分析能源發展軌跡能清晰的認識其發展脈絡，為研判未來能源變化趨勢提供思路。

從能源物理形態上看，能源發展史是一個從固體（如薪柴和煤）到液體（石油）、氣體（天然氣）再到波、場（風能、光能可視為光波的直接利用）等形態變化的利用過程。

從能源化學構成上看，能源轉型是一個不斷氫化的過程。木柴中氫碳原子數比例為1:10，煤炭為1:2，石油為2:1，天然氣則為4:1。據專家計算，目前的能源結構中有2/3是氫原子，海夫納1甚至預言21世紀內剩余的1/3碳原子將會全被消除，為人類提供完全依賴氫能的可持續能源系統，這將是能源大轉型的最終格局。

從能源利用形式上看，能源轉型是一個從太陽能的間接利用到直接利用的過程。煤油氣等化石能源均是太陽能經漫長的地質反應轉化而來，風能、光能等新能源則省去了很多中間轉換環節，變為太陽能的直接利用。該過程中能源的能量密度呈逐漸降低的趨勢，風能、光能等低能源品質的開發利用需配合儲能等手段改善能源利用品質。

綜上判斷，未來能源系統將朝著以風能、光能等低密度能源為主的太陽能直接利用方式轉變，走可再生能源和新能源的能源發展新路是不斷減緩能源系統“熵增”的過程，建立新一代能源系統是構建環境友好和諧社會的重要基礎。

（二）能源規劃模型演變

伴隨著能源發展趨勢的不同，能源規劃模型也經歷了不同階段。從建模方法來看，傳統刻畫能源技術與能源經濟的模型主要有自上而下、自下而上以及綜合模型等。自下而上模型的歷史可以追溯到上世紀70年代，1973年Hoffman開發出BESOM模型，自此拉開了自下而上模型發展的序幕，這一時期的代表模型有國際能源署（IEA）開發的MARKAL模型等；此后，為分析石油危機等能源問題對經濟的影響，很多自上而下模型得以開發，以美國太平洋西北實驗室1991年開發的SGM模型較為有名；之后，基于以上兩類模型開發的基礎，很多機構開發出混合模型，如美國Brookhaven實驗室和斯坦福大學開發的MARKAL-MACRO模型。自此，能源系統模型進入了快速發展時期。隨著一般均衡理論的發展，一大批以GREEN、PAGE和EPPA為代表的可計算一般均衡（CGE）模型得到了快速發展；之后以AIM、MESSAGE和TIMES模型為代表的自下而上模型，以及以MERGE、MESSAGE-MACRO和IPAC等模型為代表的綜合評價模型也不斷涌現出來。

從國內外已有研究進展來看，雖然相關成果側重于能源系統規劃模型的應用，但缺乏對能源轉型路徑設計、場景描述的系統性思考，也忽視了能源系統參與主體對能源規劃的影響。

二、對新一代能源規劃模型的新思考

能源規劃模型常因模型變量作用關系不準確、變量缺失、數據測量不準確等因素導致構建的模型僅僅是對高維復雜非線性能源系統的一個簡化近似，故其具有天然的局限性。雖然未來能源的發展不會完全按照能源規劃模型研判的結果去推進和演化，但我們仍可通過模型去揭示能源發展的部分規律，探索可能的轉型路徑，這正是其受到青睞的根本價值所在。綜合能源規劃模型的發展歷史及未來能源新形勢要求，新一代能源規劃建模應考慮以下因素：

（一）規劃者的雙重角色

傳統的基于全局優化的能源規劃模型存在以下不足：一是人為將規劃者和參與者分割，忽略了參與者對能源規劃本身的影響。在現實中，制定能源戰略及規劃的主體，同時也是完成規劃的參與者，存在雙重身份，其對能源規劃的實施和執行效果的影響不容忽略，應在能源規劃模型中將“人”（規劃者本身）的因素納入其中。二是由于規劃者的雙重角色，存在“觀察者效應”，當我們一旦給出能源規劃的目標后，人們為實現該目標采取的各項行為往往會加快或降低該目標的實現過程，導致在能源發展中存在能源目標實現的“測不準”現象。因此，能源規劃永遠是一個不斷迭代的反饋過程，能源規劃模型難以給出靜態的精確解，它更多是一個動態演化模型，并勾勒出未來能源發展大趨勢。

（二）有限理性思維視角下的多主體復雜系統建模思路

當前大部分基于優化規劃的能源模型都是基于“完全理性人”假設進行的完全理性決策理論，認為所有參與者均能按照最優標準追求理性。經濟學規律揭示這是一種難以用于指導實踐的理想狀態，并提出有限理性決策理論。能源系統作為“經濟人”社會的一部分，也具備有限理性的特點。

傳統的能源規劃模型主要對能源的開采、運輸、加工、轉換、利用等各環節進行物理層面的靜態刻畫，對參與其中的不同主體及社會經濟等因素的動態變化所帶來的影響刻畫不足。在有限理性的背景下，將多主體行為的刻畫納入常規的靜態能源模型中顯得尤為重要，并可觀察能源系統各主體的有限理性行為（如市場環境下的用戶行為等變化）對能源規劃產生的影響。由此，新一代能源規劃模型應具備自我調節功能，是一種基于用戶有限理性的市場思維下的反饋式規劃，其具有多主體下復雜系統的特點。

（三）基于多路徑演化的能源推演

傳統能源模型是目標導向式的建模，只能給出不同水平年能源狀態的靜態規劃結果，并未指明從一種能源狀態向另一種能源狀態轉變的可行路徑。從實施和執行的角度，能源轉型路徑的研究與科學轉型目標的確定同等重要，共同決定了方向、節奏及最終的質量。新一代能源規劃模型在規劃出能源發展目標的同時，應注重路徑規劃，給出可行路徑、演化過程及優劣比較等。

一段時期內，能源轉型不變的是目標，可變的是路徑。不同內外部環境（后文稱為“轉型阻力”，當然技術、經濟性、政策等很多變化發揮的是促進作用，但總體而言轉型需要克服的是阻力）的改變對實現能源目標的具體路徑都會產生影響，如何適應變化去追求相對固定的目標，成為能源規劃模型的重要功能。

圖1展示了在相同轉型起點和轉型目標下，不同轉型阻力對轉型路徑的影響。圖中左側場景下，有四條可行轉型路徑，當內外部環境發生改變后，僅有三條可行轉型路徑，且其具體路徑形態亦發生改變。

圖1：轉型目標不變時不同情景下的能源轉型路徑集合變化情況示意圖

（四）能源轉型從“最短路徑”到“最速路徑”的轉變

當能源轉型目標確定后，其從轉型起點到轉型目標間將有多種可行路徑，多樣性的轉型路徑將形成能源轉型路徑集合。為研判何種路徑更適合未來發展趨勢，需進行“最優路徑”的選擇。

傳統能源規劃建模的重點是基于全社會供能成本最低的優化方法，可以將這一建模理念稱之為一種追求轉型“最短路徑”的方式，所謂“最短”僅用來表達靜態下的選擇邏輯，綜合成本、綠色、安全等的最優多目標考量也可視之為“最短”。但能源轉型除了有目標的限制還有時限的約束，故能源轉型的速度也是影響能源轉型是否順利完成的重要維度，甚至是剛性條件。由此，能源轉型是在最短的時間內以較低的成本實現轉型目標。

物理規律顯示兩點之間線段最短，但最短的線段并非是最快的，兩點間存在一條“最速路徑”。更為特別的是，位于“最速路徑”上不同起點的物體到達終點的時間相同，因而該“最速路徑”也稱為等時曲線。類比可知，在能源轉型路徑集合中存在一條“最速路徑”，其在內外部環境構成的合力驅動下，總是沿著阻力最小的路徑演化，實現最快速的能源轉型，且其與能源轉型的起點關系不大，最終將以相同的速度到達轉型目標。當然在克服阻力的過程中，不同能源現狀下的轉型所需要付出的代價不同。

圖2：能源轉型從“最短路徑”到“最速路徑”的轉變

由上述分析可知，新一代能源模型將以轉型阻力4最小而非單純的系統成本最小為目標函數，在內外部轉型合力驅動下實現能源轉型從“最短路徑”到“最速路徑”的轉變。

（五）基于場景思維實現“不測而測”

能源規劃模型不是為了預測未來，而是基于多場景模擬及仿真提供在不同時期可能的能源發展路徑。能源模型的實踐意義在于：通過多種典型場景和極端場景（如安全事故、氣象災害、網絡安全、戰爭、其他行業帶來的聯動影響等）的研究，發現多路徑，并基于不同時期的當下實踐，選擇最佳的能源轉型應對之法和轉型策略，而非單純的預測未來。實際中，由于內外部環境的變化及不可預測性，任何企圖通過模型規劃進行預測未來的嘗試往往事與愿違。

不同場景下，能源轉型將有不同的“最速路徑”，某時段內的“最速路徑”通常是由多個子時段不同場景下的“最速路徑”拼接而成。由此，新一代基于場景的能源模型實質是形成盡可能涵蓋各種場景的場景集合，并得到不同場景下的“最速路徑”集合，通過識別實際能源發展情景屬于場景集合中的哪一種，給出與該場景相適應的能源轉型應對策略即“最速路徑”，從而達到“不測而測”、以“策”代“測”的目的。

以圖3為例說明，模擬了三個不同場景，并得到3條“最速路徑”，結合實際情況，四個子時段所處的實際能源發展情景分別與場景3、場景2、場景1和場景3相對應，則整體的能源轉型路徑即為4段不同場景下的“最速路徑”的組合。隨著場景組合數的增多，其仿真過程將極為復雜，為便于決策者從未來多種可能形勢變化中研判得到一系列可視化的“最速路徑”，大數據、人工智能將在場景構建、“最速路徑”分析，尤其在挖掘海量“路徑集”找出潛藏關鍵規律方面將發揮獨特作用。

圖3：不同場景集合下的“最速路徑”集合及其應對策略

（六）構建多時空尺度下多層級的能源規劃模型體系

能源模型隨著時空尺度的不同，其規劃理念及方法呈現一定的相似性，同時也將表現一定的差異性。針對不同的時間尺度、空間尺度和應用場景有必要構建一套能涵蓋多時空尺度下的多層級能源規劃模型體系，兼顧宏觀和微觀、整體和局部間的協同規劃。

在時間方面，新一代能源系統中場景刻畫具備針對長期（5～10年及以上）、中期（5年及以下）、短期（月及日等）的仿真能力，且不同時間尺度及級別上的場景能互相校驗和生成，避免各時間尺度下的場景相對分割且獨立，即大時間尺度上的場景應由小時間尺度場景演化得到，小時間尺度下的場景應服從大時間尺度下場景的變化趨勢。在空間方面，應針對園區級、省級、區域級、國家級能源系統搭建簡易程度不同、刻畫精度各異的一套規劃模型體系，便于不同空間尺度模型的對接和校核，提升能源規劃模型的自檢能力及適應性。