基于自適應控制的石油產量預測方法與模型研究

易潔芯，張　松，吳　劍

(中國石油勘探開發研究院， 北京　100083)

基于自適應控制的石油產量預測方法與模型研究

易潔芯，張松，吳劍

(中國石油勘探開發研究院， 北京100083)

摘要：通過對比溫控系統與石油系統控制原理，分析自動控制理論與石油系統控制理論存在的差異，建立能夠刻畫石油系統自適應機理的產量預測模型。自動控制原理側重研究系統內部的控制機理，而石油系統中的控制機理更加復雜化。根據石油系統自控原理的特殊性，分析石油系統下各種環境的反饋關系，構建一種石油產量預測新思路。

關鍵詞：溫控系統；石油系統；PID控制；自適應控制

中圖分類號：F206

文獻標識碼：標識碼：A

文章編號：：1674-8425(2015)10-0033-05

Abstract:The difference between the temperature-control model and the oil system adaptive model was researched and put forward. A production forecast model of oil system based on adaptive mechanism was built. Automatic control theory emphasizes on control mechanism in the inner system, while automatic control in oil system is more complicated. A new method which considered the complex feedback between energy system and its environment was applied to forecast oil production.

收稿日期：2014-11-26

基金項目：國家自然科學基金項目“企業員工工作疏離感影響因素、形成機制及干預策略實證研究”(71272210)

作者簡介：余璇(1986—)，男，湖北天門人，博士研究生，研究方向：企業組織與人力資源管理；陳維政(1951—)，男，重慶人，教授，博士生導師，加拿大約克大學亞洲研究中心客座研究員；賀倩(1987—)，女，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：人力資源管理。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(s).2015.10.007

Study on Oil Supply Forecast Model Based on Adaptive Control

YI Jie-xin, ZHANG Song, WU Jian

(Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

Key words: temperature control system; oil system; PID control; adaptive control

控制論是20世紀40年代開始形成的一門新興學科，1948年美國數學家維納出版的專著《控制論：或關于動物和機器中控制和通信的科學》被公認為是控制論誕生的標志[1]。控制論最初應用于工程系統，隨著學科之間應用的滲透，控制論已從控制工程、系統工程的應用領域擴展到包含人類活動本身的社會經濟系統。其中經濟控制論的思想早已在經濟學中有所體現，亞當·斯密在《國富論》中指出，自由市場表面看似混亂而毫無拘束，實際上卻是由一只 “看不見的手”所指引，引導市場生產出正確的產品數量和種類[2]。經濟控制論的完整理論體系形成于20世紀40年代，代表人物為波蘭著名經濟學家奧斯卡·蘭格，他在《經濟控制論導論》一書中首次將控制論應用于經濟問題研究之中，并定義了經濟控制論。

盡管經濟控制論的定義繁多，但其基本思想是一致的，經濟控制論作為控制論的一個分支，是將控制論的一般原理和方法應用于經濟系統問題研究，并由此不斷發展形成的一門新的學科。經濟控制論延續了控制論的基本思路，目前主要用于處理社會、經濟和管理中的最優控制問題。本文主要以石油系統為研究對象，遵循經濟控制論的基本原理，提出適合復雜能源經濟系統的自適應控制。

一、溫控模型與石油系統自控模型對比分析

(一)溫控模型與石油系統自控模型對比

在工程系統下，自動控制是指在無人直接干預的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程等的某一工作狀態或參數自動、準確地按照預期的規律運行[3]。如溫控模型即是一個自控系統，在特定房間內放置一個熱源和傳感器，通過對熱源的控制和傳感器的信息反饋，將溫度控制在一個固定值。首先，傳感器感應房間溫度，將溫度信息傳遞給控制器，控制器根據溫度發出指令，如果房間溫度高于設定溫度，則讓熱源降低溫度，如果房間溫度低于設定溫度，則提高溫度，一直到房間溫度達到設定溫度。其自適應控制機理如圖1。

圖1　閉環控制系統

由于石油系統所處環境的復雜性，系統內部參數關系復雜化以及環境對系統的變化敏感性強，系統內部與外界環境存在復雜的反饋關系。石油系統的反饋關系如圖2。

圖2　石油系統反饋關系

由于石油系統存在復雜的反饋關系，其自適應機理有別于工程控制的機理。石油系統的自適應控制流程如下：輸入石油的供給與需求，測算出供需差，如果供需差在合理范圍，則輸出石油供給與需求，否則模型將對供需進行調整，直到供需達到動態平衡。

石油系統的調整過程如下：當供需差超出合理范圍，供需差的變化引起石油價格的波動，價格的波動影響到外部環境，這種影響又反饋到石油系統內部，作用于被控對象，即石油的供需。其控制系統如圖3。

圖3　石油系統的控制原理

比照溫控系統，我們設定在石油系統中傳感器為價格，石油系統的環境為社會政治環境、經濟環境、自然環境以及其他環境，熱源為影響石油系統供給與需求的主控因素，目標為供需平衡，被控對象為能源的供給與需求，如表1。

表1　溫控系統與石油系統對比

對比兩種自適應控制系統，在工程系統中，閉環控制系統通過反饋使控制系統的輸出對外部擾動和內部參數的變動都很不敏感，從而使得控制系統達到預期的控制性能[1,3]。由于控制系統的輸出對環境的影響確實不大，控制系統可忽視外界環境與系統本身之間的反饋作用，強調系統內部的控制作用，通過調整系統內部的參數使得整個系統達到控制目標。石油系統環境復雜，外部環境對系統內部變化敏感性強并對系統產生反饋作用，在這種自適應控制下石油系統最終實現動態平衡。

(二)石油系統與環境反饋關系分析

石油系統與環境之間的反饋關系包括石油系統與經濟環境的反饋關系、與社會政治環境的反饋關系以及與資源環境的反饋關系。從經濟環境看，油價的上漲會影響石油上游投資和實體經濟等方面。國內外大量文獻研究能源價格與實體經濟的反饋關系，如Rasche和Tatom[4]，Hamilton和Janes[5]，Santini和Danilo[6]，Gisser等[7]，Rotemberg等[8]，Daniel[9]，Raymond等[10]均通過研究得到能源價格與累積產出或者就業為負相關關系。

從社會政治環境看，由于油價的持續上漲，各國政府從政治層面采取措施緩解油氣供需矛盾，如美國政府為應對油價上漲推行可再生能源和非常規能源激勵政策。2012年美國EPA組織批準燃料中乙醇含量可達到15%(之前比例為10%)，這給生物燃料的發展創造了機會。美國政府還通過稅收激勵政策、可再生能源補貼以及貸款等形式支持可再生能源的發展[11]。

從資源層面看，油價上漲將加快技術進步以提高油氣產量。近年來，油價不斷攀升，美國非常規水力壓裂及水平井技術的突破，非常規成為未來能源接替的焦點。2012年，美國的致密油產量為210萬桶/日，占其石油產量的24%，頁巖氣產量為240億立方英尺/日，占其天然氣產量的37%[12]。在過去5年，非常規資源將美國的油氣產量分別提高了30%和20%[12]。

二、石油系統供需平衡自適應機理模型

(一)石油系統自適應模型描述

模型存在以下假設：(1)模型關于供需平衡的調整僅涉及到供給層面的調整，沒有考慮供需不平衡對需求層面的影響；(2)石油投資指的是上游勘探開發投資，其主控因素為油價；(3)假定石油產量與石油價格存在相互影響關系。原油產量是原油價格的格蘭杰原因[13]。原油價格通過影響上游勘探開發投資，間接影響原油產量。

模型的框架如圖4，石油的產量主控因素為資源因素與經濟因素，其中資源因素輸入為石油探明儲量，經濟因素的輸入為油價和投資。模型設置的目標為供需平衡，如果供需差額超過預定范圍，模型將通過自適應機理進行調整。

圖4　供給預測模型流程

模型的具體表達式如下：

(1)

(2)

文中利用相關系數來表示實際產量的增長率與投資增長率及哈波特產量的關系。

(3)

(4)

(5)

Y_productioni=Y_productioni-1(1+Y_production_ratei)

(6)

(7)

當供需不平衡時，模型將調整產量的初始值，根據PID控制中的比例控制得出調整值：

Y_production_adjusti=λei+Y_productioni

(8)

產量的調整將導致石油價格發生變化，表達式如下：

price_ratei=f(Y_production_ratei)

(9)

油價變動從而引起石油投資的變動，最終使得產量發生變化，根據變化的產量與石油需求對比，即重復式(1)～(7)。如符合供需平衡條件，則模型輸出結果，如果不符合供需平衡調節，模型繼續進行迭代。

其中，k為投資，c為成本，price為油價，Q_hubbert為根據哈伯特模型計算的產量，NR為探明儲量，Y_production為石油產量，Y_production_rate為石油產量變化率，k_rate為投資變化率，Q_hubbert_rate為哈伯特產量的變化率，e為供需差，price_rate為價格變化率，Y_demand為石油需求。

(二)結果分析

模型中產量、油價、探明儲量歷史數據均來源于BP《2012統計年鑒》，投資數據來源于IEA，石油需求預測來源于IEA《2012世界能源展望》。

模型計算中設置了3種情景，分別計算在3種情景下石油系統如何實現自適應機理。3種情景假設分別是：(1) 假定未來需求曲線的變化形式為y=αtβ,模型計算中的公式為y=4 300t0.056 52，即未來需求變化由快到慢；(2) 假定未來需求曲線的變化形式為y=Aeδt，模型計算中的公式為y=4 100e0.02t，即未來需求變化由慢變快；(3) 假定未來需求曲線的變化形式為y=εt+γ，模型計算中的公式為y=36.63t+4 255。3種情景下，產量預測結果如表2，當需求曲線發生變化，其供給市場將根據需求曲線的變化，調整自身的石油供給。

圖5　各類情景下需求曲線

年份情景1/百萬噸情景2/百萬噸情景3/百萬噸2015432841464146202046534590445620254835503646822030488055274880

三、結束語

本文討論溫控系統和石油系統的差異。溫控系統側重研究系統內部的控制作用，較少涉及環境的反饋，采取直接手段達到控制目的，比如溫控系統為達到設定溫度，熱源直接調整室內溫度。石油系統為復雜系統，系統對于環境敏感性高，石油系統內部的動態穩定建立在系統與環境相互作用的基礎上。因此與工程系統控制論觀點比較，石油系統控制論更側重環境對系統的反饋作用。隨后，本文根據石油系統的自適應機理建立產量預測模型。該模型的意義在于考慮了環境的反饋作用，模型為研究能源供給的內在機理提供了一種新思路。在模型計算過程中，設置了3種未來需求曲線的變化形式，根據模型計算結果，分析石油系統如何達到供需的動態平衡。模型的不足是僅考慮到經濟層面的反饋作用，而忽視資源、社會政治等其他層面的反饋作用。資源、社會政治等其他層面的反饋作用將納入以后的研究范疇。

參考文獻：

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(責任編輯魏艷君)

引用格式：余璇，陳維政，賀倩.工作要求對新生代員工工作態度影響的實證研究——以父輩支持為調節變量[J].重慶理工大學學報:社會科學，2015(10):38-44.

Citation format：YU Xuan，CHEN Wei-zheng，HE Qian.Empirical Study of Impact of Work Demand on Millennial Employees’ Attitude Toward Work: Elder Support as A Moderating Variable[J].Journal of Chongqing University of Technology:Social Science，2015(10):38-44.