一种碳排放策略优化方法及系统

技术领域

本发明涉及节能减排模拟技术领域，特别是涉及一种碳排放策略优化方法及系统。

背景技术

随着全球气候变暖、温室效应的加剧，大气中二氧化碳浓度升高引起了所有国家的关注。在此背景下，衍生出了各种减排的经济手段，其中最重要的是碳排放权交易。

理想的碳排放权交易市场应当能够有效地促进碳排放权资源优化配置，在保障生产-消费市场供需平衡的前提下达到节能减排的目的。并且，碳排放权交易机制不能影响正常生产过程，这主要依靠生产-消费市场的供需平衡来进行调节，当市场上流通的商品减少，商品价格上升从而使投入生产变得更加有利可图。当企业生产并出售产品获得的利润大于对应碳排放权出售获得的收益，企业就会适时调整生产策略，直到两者的价值再次达到均衡。碳排放主体如何通过优化碳排放策略以获得最大的经济效益是本领域亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对如何对碳排放策略进行优化的技术问题，提供一种碳排放策略优化方法及优化系统。

本发明提出的一种碳排放策略优化方法，所述碳排放策略优化方法包括以下步骤：

构建基于主体代理模型的异质主体与市场模型；

获取所述异质主体与市场模型的基础参数；

构建若干减排策略模型；

根据所述异质主体与市场模型对所述减排策略模型进行仿真模拟，获取收益最高的优化减排策略；

其中，所述异质主体与市场模型中涉及的市场至少包括生产市场与碳排放权交易市场。

本发明还提出了一种碳排放策略优化系统，所述碳排放策略优化系统包括以下模块：

异质主体与市场模块，所述异质主体与市场模块用于构建基于主体代理模型的异质主体与市场模型；

参数获取模块，所述参数获取模块用于获取所述异质主体与市场模型的基础参数；

减排策略模块，所述减排策略模块用于构建若干减排策略模型；

优化减排策略获取模块，所述优化减排策略获取模块用于根据所述异质主体与市场模型对所述减排策略模型进行仿真模拟，获取收益最高的优化减排策略；

其中，所述异质主体与市场模型中涉及的市场至少包括生产市场与碳排放权交易市场。

在上述优化方法和系统其中的一个实施例中，所述异质主体与市场模型中，所述异质主体的异质性的刻画参数包括单位耗碳量以及议价系数。

在上述优化方法和系统其中的一个实施例中，所述异质主体与市场模型包括生产市场机制模型、碳排放权交易市场机制模型以及低碳技术模型。

在上述优化方法和系统其中的一个实施例中，所述减排策略模型包括生产调整策略模型、碳排放权交易策略模型、低碳技术投资策略模型中的至少任意两种。

在上述优化方法和系统其中的一个实施例中，所述减排策略模型还包括混合策略模型，所述混合策略模型为根据生产调整策略模型、碳排放权交易策略模型、低碳技术投资策略模型通过遗传算法优化的混合策略模型。

上述碳排放策略优化方法及系统，生产市场与碳排放权交易市场的交易机制看似独立运行，实质上通过产品的成本变量进行关联，是两个联动的交易体系，本发明构建的异质主体与市场模型中涉及的市场包括生产市场与碳排放权交易市场，能够使构建的异质主体与市场模型更真实地反映现实交易情况，从而获得更准确的优化结果，为异质主体进行碳排放权交易计划提供科学的应用指导。

附图说明

图1为本发明的碳排放策略优化方法步骤流程图；

图2为基于主体代理模型的异质主体与市场模型框架图；

图3为碳排放权充足条件下的减排策略流程图；

图4为碳排放权不足条件下的减排策略流程图；

图5为低碳技术投资策略流程图；

图6为混合策略构型的策略池选择流程图；

图7为混合策略构型的遗传算法优化流程图；

图8为生产调整策略模型下市场碳排放权剩余量变化图；

图9为生产调整策略模型下企业产出情况变化图；

图10为生产调整策略模型下企业产品价格、单位成本情况变化图；

图11为生产调整策略模型下企业利润情况变化图；

图12为碳排放权交易策略模型下市场碳排放权剩余量变化图；

图13为碳排放权交易策略模型下企业产出情况变化图；

图14为碳排放权交易策略模型下企业产品价格、单位成本情况变化图；

图15为碳排放权交易策略模型下碳排放权市场价格变化图；

图16为碳排放权交易策略模型下企业利润情况变化图；

图17为低碳技术投资策略模型下市场碳排放权剩余量变化图；

图18为低碳技术投资策略模型下企业产出情况变化图；

图19为低碳技术投资策略模型下企业利润情况变化图；

图20为混合策略下市场碳排放权剩余量变化图；

图21为混合策略下企业产出情况变化图；

图22为混合策略下碳排放权市场价格变化图；

图23为四种减排策略下市场碳排放权存量对比图；

图24为四种减排策略下市场碳排放权市场价格对比图；

图25为四种减排策略下市场总体产出情况对比图；

图26为四种减排策略下代理主体利润累计情况对比图。

具体实施方式

如图1至图26所示，本发明第一大方面提出了一种碳排放策略优化方法，该碳排放策略优化方法包括以下步骤：

S100，构建基于主体代理模型的异质主体与市场模型；

S200，获取异质主体与市场模型的基础参数；

S300，构建若干减排策略模型；

S400，根据异质主体与市场模型对减排策略模型进行仿真模拟，获取收益最高的优化减排策略；

其中，异质主体与市场模型中涉及的市场至少包括生产市场与碳排放权交易市场。

如图1至26所示，本发明第二大方面还提出了一种碳排放策略优化系统，该碳排放策略优化系统包括以下模块：

异质主体与市场模块，异质主体与市场模块用于构建基于主体代理模型的异质主体与市场模型；

参数获取模块，参数获取模块用于获取异质主体与市场模型的基础参数；

减排策略模块，减排策略模块用于构建若干减排策略模型；

优化减排策略获取模块，优化减排策略获取模块用于根据异质主体对市场模型与减排策略模型进行仿真模拟，获取收益最高的优化减排策略；

其中，异质主体与市场模型中涉及的市场至少包括生产市场与碳排放权交易市场。

上述碳排放策略优化方法及系统，生产市场与碳排放权交易市场的交易机制看似独立运行，实质上通过产品的成本变量进行关联，是两个联动的交易体系，本发明构建的异质主体与市场模型中涉及的市场包括生产市场与碳排放权交易市场，能够使构建的异质主体与市场模型更真实地反映现实交易情况，从而获得更准确的优化结果，为异质主体进行碳排放权交易计划提供科学的应用指导。

由于碳排放策略优化系统解决问题的原理与前述一种碳排放策略优化方法相似，因此该系统的实施可以参见下述优化方法的实施，重复之处不再赘述。

从理论意义来看，生产市场与碳排放权交易市场是两个联动的市场体系。两者的交易机制看似独立运行，实质上通过产品的成本变量进行关联。参与生产的异质主体需要依据两大市场的均衡条件作出决策，即以利润最大化作为目标优化减排策略。而每个异质主体作出的决策又会影响未来期间两大市场的均衡状态。因此，基于宏观上的生产市场、碳排放权交易市场的均衡状态，从微观上研究异质主体减排策略具有重要的理论意义。从现实意义来看，中国正在大力建设并完善碳交易市场。因此，研究碳交易市场运行以及均衡问题，特别是引入不同行业的异质主体作为研究对象将有助于发现碳交易市场运行规律，为完善碳交易市场机制提供理论指导，有着广阔的应用前景。

本发明的碳排放策略优化方法通过构建包括生产市场交易框架以及碳排放权交易框架的基于主体代理模型(Agent-based Model，ABM)的异质主体与市场模型，并构建了多个减排策略模型，通过基于主体代理模型异质主体与市场模型模拟单位周期内生产市场以及碳排放权交易市场的产出情况、产品定价情况以及异质主体(企业)的收益情况，其中，产品定价情况包括碳排放权定价情况。由于基于主体代理模型异质主体与市场模型包括生产市场交易框架和碳排放权交易市场框架，故此得出的产出情况、产品定价情况以及异质主体的收益情况反映了减排策略对生产市场以及碳排放权交易市场均衡的影响，并提出了通过遗传算法优化的混合减排策略，故该优化减排策略具有整体性，无论从来理论上还是从指导现实减排策略上，都具有重要意义。

本发明构建的异质主体与市场模型，在以下实施例中通过仿真模拟方式验证了碳排放权交易市场对生产市场的资源配置作用，并且也会引起生产市场上产出周期的缩短。此外还通过采用半参数法对一些初始参数进行设定，并与真实市场数据进行运用与校准，从而能够获得更好的模拟仿真结果。

在以下实施例中，本发明通过仿真模拟了三种减排策略模型对碳排放权交易市场的均衡效果，并且通过优化方法的仿真模拟分析了不同减排策略对个体企业的利润、成本的影响，并分析了各策略的优劣势，对政策分析具有实际意义。

在以下实施例中，还提出了一种优化混合策略，并进一步通过仿真模拟验证了优化混合策略可以获得最优的生产效率和总体产出，企业主体通过学习市场信息作出最优减排决策，使得市场处于有序生产与资源配置的最佳状态。

在步骤S100中，构建的异质主体与市场模型中，不仅涉及异质主体常规关注的生产市场，还涉及碳排放权交易市场。在碳排放权交易市场中，碳排放权的初始分配是其基础和前提，碳排放权交易市场基础、碳排放权交易市场研究分析工具也是碳排放权交易领域的主要关键技术。

首先，关于碳排放权的初始分配，碳排放权初始配额分配方式对于碳交易市场的发展有重要影响，不同的分配方案影响碳配额的利用效率、碳交易市场的价格、碳配额在市场上的流动性及环境经济效益等。

其次，碳排放权交易市场基础对碳排放权交易市场具有重要影响。其中，碳排放权交易市场基础主要涉及三个方面，分别是碳排放权交易机制、价格影响因素和碳税征收。

最后，关于碳排放权交易市场的研究分析工具是本领域的关键技术。传统的关于碳排放权交易市场研究分析工具研究领域，主要是基于主体构建的模型，用于研究ETS政策的最受欢迎的数值工具是仿真模拟模型、优化编程模型和实验分析方法。其中，创建基于代理的模型(ABM)作为经济过程的替代建模范例，经济过程被建模为相互作用主体的动态系统，这些主体可能是有限理性的，异质的并且信息不完整。

围绕本发明碳排放策略优化方法，在前文内容中对碳排放权的初始分配、碳排放权交易市场基础以及碳排放权交易市场研究分析工具进行了相关研究。在构建本发明的异质主体与市场模型，涉及的价格形成机制、市场参与主体设定、市场微观结构设计以及初始配额分配制度等问题可参照前文内容进行解决。一是在碳排放权的初始分配方面，可根据本发明方法实际应用的地域领域的具体碳排放权初始分配方法为准，也可以根据研究目的的不同设定不同的碳排放权初始分配模型。二是在碳排放交易机制方面，已有的文献主要采用拍卖模型或者博弈模型进行研究，其中拍卖以双向拍卖模型最为典型，因此本发明的下述实施例中将采用双向拍卖模型构建市场交易过程。三是在碳价格影响因素方面，相对于传统的主要涉及单一市场的研究方法，本发明主要以能源市场需求、宏观经济发展因素、产品市场的供需平衡以及政府政策的干预几大核心影响因素，建立生产市场与碳排放权交易市场联动的研究框架，并适当考虑其他要素(如政府罚金)对碳排放权交易价格的影响。四是在碳税征收方面，基于碳税征收的影响机制以及对企业生产效率的影响，本发明提出以低碳技术作为针对类似碳税征收性质因数的减排策略手段，并通过研究确定了低碳技术对两个联动市场的影响。五是碳排放权交易市场研究分析工具方面，以基于主体代理模型(Agent-based Model，主体代理模型)研究分析工具为主，然而，传统的仅从碳排放权交易市场内的均衡角度出发研究碳市场设计定价、交易机制以及碳中和效率的问题，没有考虑产品产出市场对碳排放权需求的传导效应；在本发明中，分别构建了包括生产市场和碳排放权交易市场的整体模型，考虑了生产市场与碳排放权交易市场之间的联动关系，因此更有利于仿真模拟研究单一减排策略对市场效率的效果，并且可以使用经典的均衡理论、融资和投资理论进行解释，并且能够使通过本发明方法优化获得的优化减排策略更具有整体性，反映的预测结果也更为准确，更有利于企业的生产效益实现最优结果。

本发明的碳排放策略优化方法，主要解决企业行/异质主体为对碳排放约束机制下企业减排策略优化的问题，即生产策略、投资策略、交易策略的组合如何最大程度满足企业生产利润最大化的目标，并且由此对整体市场的产出以及宏观减排目标产生的影响及反馈。

可选的，本发明的异质主体与市场模型基于主体代理模型构建异质主体的生产市场与碳排放权交易市场，建立自下而上的市场结构体系。并且为了保持仿真模拟结果贴近真实市场环境，对异质主体进行设定，即建立电力、钢铁、造纸、水泥等不同行业的Agent主体，采用真实行业碳转换率、产能等数据。此外，还以欧洲碳排放交易市场(ETS EU)的市场基准数据为依据，获取了异质主体与市场模型的基础参数，如初始碳排放权分配量(基于行业基准的无偿分配法)、监管机构罚金、交易周期、生产周期等基础参数。

优选的，在步骤S100中的生产市场建模方面，采用一般市场均衡模型，即以供需平衡为基础的产品定价线性模型。经典微观经济学理论认为市场中实现供给与需求双方平衡时的价格，即为市场出清价格。当市场上产品供给量超过市场所需，产品的价格就会下降，反正产品的价格就会上升。因此，市场产品的标准价格可以看作市场供给与需求的函数。当假定市场需求保持稳定，产品价格就与市场供给量呈反向变动的关系。即假设代理主体i在此期间生产的产品数量为

优选的，在步骤S100中的碳排放权交易市场建模方面，采用双向拍卖定价模型(Double Auction Pricing Model)。该模型主要用于碳排放权市场交易策略下的碳排放权报价机制。碳排放权交易是买方与卖方双向报价并撮合的过程，因此碳排放权成交价应当视为每一轮交易中出价与要价的均衡价格。本发明采用Shortkin和Samuelson建立的双向拍卖定价模型，对碳排放权在二级市场中的交易行为进行定价，并记录每一期碳排放权市场价格的变动。

具体的，在双向拍卖定价模型中，通过拍卖的形式进行交易，可以起到有效的价格发现功能，并且有利于降低交易过程中的成本费用。在进行拍卖交易时，由于存在信息不对称，参与方不知道其他参与方的风险偏好、交易成本或者产品估值情况。因此，一些学者将不完全信息下的博弈相关的理论应用到拍卖交易中。Harsanyi提出了贝叶斯-纳什均衡，指在不完全信息下交易所获得的最大期望效益值。具体公式为：E(γ)＝[x

Chatterjee and Samuelson首次提出将贝叶斯-纳什均衡模型应用到双向拍卖交易中。在进行模型应用时，假设市场上只有一个卖方和买方进行交易，且交易的为一件商品的简单拍卖形式。在拍卖中，卖方报价为s，买方报价为b，均衡价格为：kb+(1-k)s，且0≤k≤1。Satterthwaite and Williams又将Samuelson的结论推广到包含m个卖方及m个买方的交易情形中。其研究发现：在双向拍卖市场中，应用贝叶斯-纳什均衡模型制定报价策略的卖方的报价与成本之间的差值符合S(c)-c≤0(k/m)，买方的报价与估价的差符合v-S(v)≤0(k/m)，并且在进行双向拍卖时，市场损失的收益是0(k/m

在本发明的一个实施例中，可将异质主体减排策略分为生产调整策略、碳排放权市场交易策略以及减排技术投资策略三大类。本发明在基于双向拍卖定价模型构建的碳排放交易市场运行框架模型内，通过将三类减排策略模型(生产调整策略模型、碳排放权市场交易策略模型以及减排技术投资策略模型)引入异质主体与市场模型进行模拟仿真分析出对碳排放权剩余量、产品生产周期、产品市场总体产出、碳排放权价格变化、单个企业利润的影响，进而从中获取收益最高的优化减排策略。减排策略在同一生产时点是多个并行的，可以选择使用单一减排策略或减排策略组合使模拟过程更加贴近现实。

进一步优选的，在以上三类减排策略模型的基础上，本发明还提出了一种混合策略模型，即企业主体/异质主体通过学习其他市场参与主体减排策略与收益的基础上，对下期采用何种减排策略或减排策略的组合进行模拟仿真预测，获取混合策略对整体市场均衡与产出效率的优化情况。

竞标企业在学习个体历史竞标经验的同时也可以根据市场公开信息(群体竞标结果)观察其他中标的控排企业的报价行为并进行借鉴和报价学习，不断调整竞标策略。如遗传算法(Genetic Algorithm)结合了个体学习和群体学习行为,更接近人类决策行为。因此，本发明采用该类算法对每个主体的减排策略进行优化并进行分析。

本发明提出的通过混合策略评估其对生产市场、碳排放权交易市场效率的影响，从策略优化的角度研究在碳排放量约束条件下企业的生产、减排行为，并从微观个体的策略选择研究整体市场的均衡与产出效率。

优选的，在步骤S300中的低碳技术投资建模方面，采用现金流折现模型(Discounted Cashflow Model)，主要用于判断每种技术投资产生的成本。现金流折现是产生跨期收益的资产估值的基本理论方法，他可以衡量特定投资项目在初始投入时点的投资损益，因此可以作为判断某一项目在初始时间节点是否具备投资价值的依据。本发明结合部分低碳技术的技术参数构建现金流折现模型，对低碳技术投资策略进行建模。

在本发明的中，构建的低碳技术投资策略模型考虑更多的技术参数，例如可以包括采用成本、运营和维护成本和节能系数，这符合项目评估的基本原则。在该低碳技术投资策略模型中，企业的单位碳耗能是变化的，采用低碳技术的企业在投资回收期内减少单位碳耗能，逐渐积累能耗优势，在碳排放权交易市场上成为碳排放权的供给方，获得正向的激励反馈，并且使用折价模型作为建模框架可以好地反映技术投资的实质，并解释技术项目投资回收所带来的减排收益。

在本发明的以下实施例中，主要分以下三类情景设定开展仿真模拟优化。

(1)仅采用生产调整策略。该情景作为基准对照，即企业在不参与碳排放权交易的情况下，根据上期的市场均衡价格与利润作出下期的扩产与减产的决策。该情景研究在仅考虑生产市场的均衡情况下，市场整体碳排放权配额数量的变化与产出效率，同时讨论企业的盈利情况。

(2)在生产调整策略基础上引入碳排放权交易策略。即企业比较单位碳排放权产生的净利润以及交易碳排放权的收益(成本)作出调整生产与进行碳排放权的交易。在该情景下，讨论的是引入碳排放权交易机制后，市场剩余碳配额变化情况、市场整体产出效率、产品与碳排放权定价以及企业获利情况，研究设定碳交易策略是否能优化企业整体的生产过程。

(3)在生产调整策略、碳排放权交易策略的基础上引入低碳技术投资策略。与第(2)种情景相比，企业用于交易的碳排放权不仅仅来自于减产带来的剩余排放权，还可能来自于以前期间采用低碳减排策略产生的减排盈余。低碳技术投资策略是在企业在前期需要投入固定成本，在后期逐渐回收技术带来的减排收益。在本发明的以下实施例的仿真模拟中，采取现金流折现的方式作为企业选择技术投产的依据。该情景研究低碳技术投资这种减排策略对生产市场以及碳排放权交易市场均衡的影响。

作为一种可选实施方式，异质主体与市场模型中，异质主体的异质性的刻画参数包括单位耗碳量以及议价系数。

在本发明中，异质主体是指参与碳排放的企业，而这些企业并不属于同一领域，同一技术层面，具有企业异质性。企业异质性指的是企业在规模、生产方式、产出水平、资源消耗、组织形式等方面特征的综合差异，是区分不同企业质量与效率的主要依据。在经济社会中，为了统计与管理的便利性，监管部门会对企业依照不同特性划分管理，因为不同特性企业对资源的依赖程度存在巨大差异。市场也因为企业异质特性而衍生出需求方与供给方，进而产生交易与流通，可以视为市场运行的动机与内生条件。

在本发明的市场建模中，参与生产与流通的企业也被赋予异质性，因此能保证其根据自身特点做出不同的决策。为了简化设定，本发明引入单位耗碳量

单位耗碳量代表生产一标准单位产品需要消耗的二氧化碳数量，单位为ton CO2/tce，代表企业的行业特征。议价系数代表企业参与碳排放权报价时的议价能力，议价能力越强，报出的卖价越高，买价越低，通常跟企业自身的规模与产能实力相匹配，代表产能规模特征。在本发明的具体实施例中，参考了Tobias Fleiter(2018)等人整理的欧洲发电、钢铁、水泥、造纸、煤炭行业的碳转换率等数据设定不同行业市场参与代理主体(Agent)的初始刻画参数，具体的参数如表1所示：

表1企业主体初始刻画参数

在其他实施例中，也可以根据不同的数据设定不同行业市场参与企业主体的初始刻画参数。

在一个实施例中，本发明的基于主体代理模型的异质主体与市场模型的构建总体思路如下：

如图2所示，首先对市场模型进行一般性假设，在仿真过程中，有n个代表异构企业的实体，这些公司(即异质主体，或称为企业)需要在生产过程中排放二氧化碳。地方政府给予每家公司相等的碳排放量。一旦公司在某个运营阶段超过了设定的排放限值，政府将对公司处以超额交付的高额罚款。另外，我们假设模拟过程的期限最长为一年，并且每个过程都记录为T。

单个模拟中有不同的阶段，每个阶段用t表示，每个t假定为1天。在仿真模拟的每个阶段，公司必须根据当前的排放量独立确定下一个减排策略。这些减排策略包括生产监管，采用减排技术以及碳排放权交易。本发明认为公司可以结合三种策略，其最终目标是最大程度地提高公司利润和最小化成本。

其中，生产市场的构建如下：

在每个阶段，每个代理主体(异质主体，即企业)都根据前一时期的减排决定进行生产调整，并在此期间进行新一轮的生产。q

然后，可以基于线性需求函数来计算产品价格。线性需求函数如下式所示：

假设每单位产品的碳排放系数为

我们使用

将

其中，碳排放权交易市场的构建如下：

假设某个地区有B+S家公司参与碳排放权交易，其中B是买主，S是卖主。假设第i个买家的报价为

在碳排放权交易中，买卖双方应满足碳配额交易利润最大化与效用最大化时，均衡价格的优化条件为：

w

根据萨缪尔森经典双重拍卖模型的推解，碳拍卖的交易价格为：

假设买方和卖方均受统一分配，其中买方期望要约

买方i拍卖收益最大化公式为：

通过采用上述等式的导数，碳拍卖的价格为：

w

其中，低碳技术模型的构建如下：

考虑将低碳技术应用到的模型中。每种减排技术均记录为技术k，每种减排技术的特征在于三个参数：采用成本系数(IC

r

然后，基于代理主体i的所有可用低碳技术选择的

在步骤S200中，获取额异质主体与市场模型的基础参数是通过认为设定的。其中，主要包括以下基础参数的设定。

初始碳排放权配额参数的设定：

考虑到本发明实施例中通过模拟的方法对生产与碳交易进行建模仿真，缺乏较长窗口期的历史数据，因此采用第一种基于行业基准法的无偿分配初始碳排放权方法，来确定初始期间各生产主体拥有的碳排放权份额。

在模拟过程中，将分配给每个企业的碳排放量设置为每年5000吨，这记录为变量参数Q

低碳技术模型主要参数的设定：

在前文中定义了低碳技术相关的三个参数：采用成本系数(IC

表2低碳技术主要参数及设定数值实例

低碳技术参数主要用于评估代理主体在当期采用某一技术的可行性，此外假定折现采用的标准年利率为5％。如果企业采用低碳技术的时间点至模拟周期结束未满所投技术的投资回收期，则将Pb

Pb

其他主要参数设定：

前文市场模型构建中部分模型参数我们视为固定常数。其中q的初始值设置为10，

在每个时期t，代理主体首先完成生产过程。代理主体i的输出记录为

表3列出了本发明使用的某些参数的特定经济含义和数值。在特定的模拟实验中还具体描述了其他变量。

表3仿真模拟主要参数设定实例

在以下实施方式中，按照步骤S300，构建了若干减排策略模型并对其行为进行了设定。

在该步骤中，假设公司根据自己的情况做出减排决策，并且决策始终是最优的，即这些决策可以使公司利润最大化或成本最小化。下面讨论不同剩余排放公司的最佳减排策略。本实施例假设公司在一年内将生产周期划分为不同的生产单元。每个生产单元都被分配了不同的碳排放权，并具有特定的生产目标，保证不会由于碳市场的套利而被放弃。

生产调整策略模型与碳排放权交易策略模型的构建如下：

情形1：碳排放权充足条件下代理主体的生产调整策略模型与碳排放权交易策略模型

如图3所示，当企业前期生产的排放总量小于企业的排放限额时，即当

同时公司也可以出售其部分碳排放权以获得价差收益。如果公司出售碳排放权，则当前碳市场上的交易价格为

具体的决策过程为：将

情形2：剩余碳排放权不足条件下代理主体的生产调整策略模型与碳排放权交易策略模型

如图4所示，如果代理主体的碳排放权超过了配额分配，政府将对其处以罚款。将其记录为Fine，这是代理主体考虑生产和交易的重要因素。此外，代理主体只能通过购买碳市场中的排放权来维持生产，代理主体此时只能进行单向交易。

假设代理主体还是优先考虑生产策略与交易策略的选择或结合。代理主体是否决定继续生产，主要取决于买入碳排放权的成本以及罚金的成本。若当期生产利润不能覆盖碳交易成本或者罚金成本，则代理主体会停止生产。只有当

比较单位超排罚金成本、上一期形成的碳市场交易价格与单位排放产生利润的大小，若

当产量持续上升，价格持续下降，单位利润下降，直至

若

配额的购入数量增多会引起碳市场上碳配额价格的上涨，最终超过INT

低碳技术投资策略模型的构建如下：

如图5所示，在考虑了生产策略和交易策略之后，代理主体会考虑技术策略。技术的采用是一项考虑长期回报的长期投资。上一章介绍了使用折现模型来表示每个时期采用新技术的摊销成本，并获得每个时期的边际成本，通过比较当前的生产收入和当前的摊销成本来确定是否采用新技术。两者之间的差异可以记录为Diff(n)。

Diff(n)＝tea

当Diff(n)为正时，代理主体将采用低碳减排技术。对于同类代理主体和不同技术，运行基本模型可最大程度地减少能源系统的总折价成本。当代理主体选择何时以及如何使用全部技术手段时，通常会考虑此时成本最低的技术解决方案。在某个时候设定了代理主体的最佳技术决策，并优先选择投入最少，成本最优的减排技术。

对于第t年的代理主体i，最优技术选择约束条件可以表示为如下所示：

max{tea

式(1)表示最小减排投入成本的最佳需求。式(2)表示，最佳技术可以将对当前生产资源占用的影响降到最低。式(3)代表了可以在未来带来最佳利润回报的最佳技术。

进一步优选的，本发明提出的混合策略模型的构建如下：

如图6所示，混合策略是每个代理主体在感知市场环境和学习其他代理主体的行为策略的基础上做出的战略选择。假设第i个代理主体可以在第t个时期之前学习和感知决策信息，并将净现金流量最大化作为决策目标。第t期第i个代理的策略池为

策略的选择主要取决于生产决策模块。生产决策模块的主体主要包括感知器，信息库，规则库，推理机和效应器。感知器接受产品市场和碳市场的价格，并通过信息库对市场价格做出判断。推断每个代理主体的下一个生产计划，然后效应器将产品生产信息反馈给市场。

如图7所示，每个代理主体的目标是获取最高现金净流入，其可以表示为：

各项参数的具体经济含义与计算方法与前文一致。每个代理主体以最大利润值为目标函数采用遗传算法对其进行寻优，对生产方案进行调整。

λ是生产调整临界值参数，

遗传算法的其他参数设置如下。

(1)参数编码

根据市场交易规则，选择4-10个报价点形成一条染色体，即一个初始报价计划。由于价格在其范围内是连续的，因此实数编码比二进制编码可以更准确地表示价格变化。此外，实数编码不需要编译和解码过程，就运算速度而言，其比二进制要快。

(2)生产初始报价计划

根据预测的产品价格，在满足碳排放配额约束的条件下构建初始报价计划组。初始种群的选择通常是随机进行的，本文确定的初始种群被控制在20-40。

(3)适应功能

出价方案的适合度值是遗传算法中衡量出价方案优缺点的一个原理。考虑约束条件对投标方案的影响，并引入惩罚函数。如果目标函数的值较大而违反约束条件的情况较小，则该计划为好，并且应为相应的报价计划提供较大的适用性值。单个k的适应度值F

违规变量V

V

V

V

在公式【】中，A是一个正数，可以确保个体适应度值为正：E是目标函数，在本文中，目标函数为

E

Φ

每个代理主体首先从市场上读取产品的价格，产生改进的初始算法运算符，并通过遗传算法生成当前的最优生产输出，以模拟每个代理的博弈。设定代数运算后，达到收敛条件以实现制造商的现金最大化净流量。

通过遗传算法优化策略设定不同的策略选择，最终使得代理主体获得更优化的行为结果。

进一步的，遗传算法优化策略模型的构建如下：

遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是进化计算的一部分，是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。该算法简单、通用，鲁棒性强，适于并行处理。基本遗传算法只使用选择算子、交叉算子和变异算子这三种基本遗传算子。

1、基本遗传算法的构成要素

染色体编码方法。基本遗传算法使用固定长度的二进制符号串来表示群体中的个体，其等位基因是由二值符号集{0，1}所组成的。初始群体中各个个体的基因值可用均匀分布的随机数来生成。

个体适应度评价。基本遗传算法按与个体适应度成正比的概率来决定当前群体中每个个体遗传到下一代群体中的机会多少。为正确计算这个概率，这里要求所有个体的适应度必须为正数或零。需要预先确定好由目标函数值到个体适应度之间的转换规则，特别是要预先确定好当目标函数值为负数时的处理方法。

遗传算子。基本遗传算法使用下述三种遗传算子：选择运算使用比例选择算子；交叉运算使用单点交叉算子；变异运算使用基本位变异算子或均匀变异算子。

基本遗传算法的运行参数。主要有下述4个运行参数需要提前设定：

M:群体大小，即群体中所含个体的数量。

T:遗传运算的终止进化代数，一般取为100-500.

p

p

在遗传算法的实际应用中，往往需要经过多次试算后才能确定参数合理的取值大小。

2、遗传算法的主要步骤

遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架，它不依赖于问题的领域和种类。对一个需要进行优化计算的实际应用问题，一般可按下述步骤来构造求解该问题的遗传算法。

第一步：确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型X和问题的解空间。

第二步：建立优化模型，即确定出目标函数的类型及其数学描述形式或量化方法。

第三步：确定表示可行解的染色体编码方法，也即确定出个体的基因型X及遗传算法的搜索空间。

第四步：确定解码方法，即确定出由个体基因型X到个体表现型X的对应关系或转换方法。

第五步：确定个体适应度的量化评价方法，即确定出由目标函数值f(X)到个体适应度F(X)的转换规则。

第六步：设计遗传算子，即确定出选择运算、交叉运算、变异运算等遗传算子的具体操作方法，

第七步：确定遗传算法的有关参数，即确定出遗传算法的M、T、p

3、遗传算法的应用

(1)初始种群设定

初始种群的设定包括两部分：种群规模和个体基因初始值的设定。

种群规模设定：种群规模的设定会根据寻优的复杂程度设定种群规模。种群规模越大，种群携带基因越多，进化为最优解的成功率越大，同时会导致运行效率的降低。反之，规模太小会增加运行效率但是容易陷入局部最优。

种群个人初始值的设定：个体初始值的设定对寻优过程有影响，初始值设计一般选择多样性的初始值，这样更有助于遗传算法快速找到最优解。为了解决多变量带来的寻优困难，并且不能通过种群规模的设定较大值来增加寻优的成功率，对于个体基因进行优化，在基本算子的基础上增加了范围选择算子。

式中i——寻优的变量数；

H

(2)适应度的求解方法及精英保留

适应度的求解因为增加了范围选择算子，对于解码的运算需要多运算一次，其过程为：

1)对于位置基因部分进行解码，其范围变量值L

2)将位置基因解码后解码数值基因，其数值变量值X

3)计算在范围(O

4)算出适应度值后，对每个个体的适应度值进行判断，选择最优秀的个体进行保存。

(3)选择

选择是种群优胜劣汰的操作算子，直接决定种群的发展方向，使用轮盘赌的方法对个体进行选择。

本发明还对选择算子做相应改进，具体操作如下：

1)适应度比例选择方法的选择依据是个体适应度的大小。适应度越高，该个体被选择的可能性越大，个体被选择的概率p

2)产生[0,1]均匀分布的随机数r；

3)将r与p

4)反复执行4)和5)，直到新个体数目等于父代群体规模。

(4)交叉

交叉是遗传算子中能够产生新个体的主要手段。本文对于二进制编码的遗传算法的交叉使用一种自适应交叉概率的交叉方法，即克服了子代个体局限于两个父代个体之间的缺陷，保持了群体基因库的多样性，有遗传了父代的基因，起到了交叉算子的作用。具体实现如下：

1)交叉对象的选择

从第1个个体开始，对第i个个体的交叉对象通过从(1，N)中随机生成一个不等于i的整数，则第i个个体为其交叉对象。

2)自适应交叉概率

对于交叉个体组来说，交叉概率p

式中P

F

η——自适应交叉概率因子，一般取0.1。

3)对于需要交叉的算子，从(0.47)中随机生成一个整数k，并对两个由步骤1选出的两个算子在第k位为进行交叉操作。

4)对下一个个体进行1～3的判断，直至最后一个个体。

(5)变异

在遗传算法中，变异算子也是产生种群新个体的方法，其步骤为：

1)从第1个个体开始，对于该个体基因的每一位都在(0，1)中生成一个实数β

2)对下一个个体进行步骤1的判断，直至最后一个个体。

在以下实施例中，首先分别依次对生产调整策略模型、碳排放权交易策略模型、低碳技术投资策略进行仿真模拟，若使用单个策略，需要比较三种策略的机会成本，以选择优化的策略。若使用混合策略，则通过仿真模型混合策略的优化效果，并对各策略下的市场均衡状况以及个体收益情况进行解释，研究企业减排策略对市场产出、经营利润的影响。

在本发明中，采用Netlogo软件对碳排放策略优化方法进行仿真研究。

生产调整策略模拟仿真结果与分析：

假设公司有足够的碳排放量并且没有二级市场可以交易碳排放权。该决定基于单位生产成本COST

如图8所示，市场碳排放权总量随生产周期推进而快速消耗。在0-60期期间，碳排放权的储备迅速下降；在第60-80期期间，碳排放权变化有短暂的放缓。在第80期之后，碳排放权储备处于缓慢消费状态。

当先前的配额足够时，企业便进入快速生产阶段。由于市场上的产品较少，因此产品的高价格促使公司采取扩张战略。因此，市场上的整体配额大大减少了。在第80期之后，生产过剩导致产品无法销售，价格下降，公司利润减少。越来越多的公司选择减少产量以实现平衡的产品市场，这也是后期碳排放储备消耗缓慢的原因。

如图9所示，

对应于碳排放权配额的变化，第0-60期期间，代理主体的整体产量呈上升趋势，在60时期达到顶峰。60期以后，代理主体的当前产量呈下降趋势，生产变化的原因与碳排放权储备变化的原因大致相同。我们可以从市场信息滞后和代理主体有限理性的角度来解释这种现象。在初期，市场上的产品数量很少，单位利润很高，因此代理主体采取扩大生产策略。在后期，由于碳排放权数量的收紧，代理主体被迫采取减产战略。

如图10所示，显示了单位生产成本的变化以及售价变化情况，单位生产成本发生了巨大变化。在产出调整策略下，成本变化主要与当前产出变化趋势一致。在更高的产出阶段，代理主体的生产成本被压缩，利润增加。在产量较低的阶段，代理主体没有规模优势，成本上升。

如图11中所示，此模拟中的单个代理主体仅能够采用减产或者扩产的策略。代理主体的利润呈波动状态，一般在30-80单位之间浮动。该代理主体的利润和成本波动很大，主要是因为在此实验中仅采用了一种产量调整策略。

代理主体最终用尽了所有碳排放权。可以从产品价格波动和政府罚款这两个因素来解释图中的急剧变化，因为代理主体仅参考市场价格对产量进行调整，而价格取决于市场上流通的产品数量。由于市场价格处于剧烈波动的状态，因此代理主体的利润波动较大。当代理主体后期的碳排放权不足时，由于政府罚款的存在，利润将逐渐下降。

碳排放权交易策略仿真结果与分析：

在本实验中，在生产前确定一定数量的产出，并将每个期间的产出主要根据碳排放权交易的机会成本去调整。如果当前的碳排放量不能满足生产要求，则企业可以在交易市场上购买碳排放量，如果碳排放量过剩，公司可以出售以赚取收入。

使用双重拍卖定价模型来确定碳排放权的价格。报价是一个随机分配的值。当报价高于均衡拍卖价格时，公司获得碳排放量。如果报价低于排放量，该公司将被迫减少当前的产量。我们将企业的初始碳配额设置为5000，单位生产成本设置为50，当前单位罚款设置为4000。

在没有生产调整策略的市场中，公司的交易决策基于市场价格与生产成本之间的比较。如图12所示，为了追逐超额利润，公司可以购买碳市场中的碳排放权进行生产，而不必基于成本和交易价格的预测。

加入碳排放交易系统后，代理主体的碳排放储备量变化呈现出逐渐变化的趋势。在0到40期间，公司的碳排放储备处于快速消耗状态。进入第40个时期后，碳排放权的消耗速度放慢了，由于积极调整生产的能力，碳排放权的消耗非常快。在后期阶段，只有极少数的公司保留碳排放，因此后期的碳价较高。公司很难通过产生利润来弥补购买碳排放的成本，因此公司减少了生产并在碳市场上出售了碳排放。在后期，碳排放储备的消耗缓慢，主要是基于企业的自耗，并且耗尽了大约190个时期的总排放权。

由于没有根据预测进行调整，因此每个公司的产出差异很大。在图13中，企业的总产出正在下降，因为购买碳排放的成本在随后的时期中越来越高。尽管产品价格上涨了，但还不及碳排放权价格。否则，利润无法弥补成本，而是选择减少产量直到生产停止。

如图14所示，显示了单个代理主体的单位生产成本变化情况，以及对售价变化的模拟。在模拟中运行的单个代理主体的变量变动中。产品的价格以及单位成本在第100-180期达到了高值，这是由于碳排放权的逐渐消耗以及碳交易成本的推高，导致为减排需要付出的成本转嫁到了产品的单位成本上。另一方面，中后期碳排放权交易市场活跃度的上升，使得更多代理主体愿意将所持有的碳排放权投放到市场上，因此真正用于产品生产的企业逐渐减少，市场产出水平下降，产品价格上升。在180期以后，由于市场上可供出售的碳排放权耗尽，碳市场交易量逐渐衰竭，剩余碳排放量逐渐回归到产品生产，导致产量恢复又小幅回升，直至市场上的碳排放权完全消耗殆尽，代理主体停止生产，市场结束生产周期。

整体价格变化趋势如图15所示。由于碳排放权存量的减少，整个碳市场价格呈现出波动性。随着生产周期的推进，碳排放权的市场价格呈现出快速增长势。这是因为保留在生产市场中的碳排放量直线下降，无法满足所有企业的生产需求。因此，在盈利的前提下，企业将增加碳排放权的报价，以购买足够的碳排放权。

碳排放权平均市场价格维持在40-60元之间，整体趋势向上增长。波动性主要源自产品市场价格、成本引起的单位获利的变动，导致代理主体反复权衡交易与生产的决策倾向。在该类交易策略的设定下，企业仅能通过减少生产达到减少碳排放量的目的，因此可供出售的碳排放量相对是稀缺的，导致在生产周期的后期碳排放权的市场价格有快速的拉升并始终维持在高位。

图16显示了公司在生产周期中的利润。在早期，公司通过购买碳市场中的碳排放量来扩大生产，并获得了更高的超额收益。但是在后来的市场交易中，产品数量增长过快，产品的市场价格下降，企业的利润空间被压缩。在碳排放权消费过程中，碳排放权价格上涨，企业利润逐渐下降。

低碳技术投资策略模拟仿真结果与分析：

这种情况主要讨论技术采用对代理主体利润和宏观碳排放量消耗的影响。考虑到技术条件下的成本，如果采用新技术，则会产生该技术带来的单位减排成本。在这一轮实验中，代理主体随机采用8种减排技术，以帮助他们实现减排目标。

在随机采用新技术的战略下，排放权的消耗主要处于企业的初期，但是随着技术的采用，碳排放的消耗逐渐稳定，甚至在当前运营结束后也是如此，碳排放权仍然没有消耗殆尽，市场碳排放权总量的变化参见图17。

如图18所示的碳排放权产出变化，由于没有根据预测进行调整，因此每个代理主体的生产量差异很大。从平均值来看，代理主体的总产量在下降，但在后期逐渐趋于稳定。

图19显示了单个代理主体的利润变化的模拟。由于对技术的早期投资，代理主体的利润正在下降。一旦收回投资成本，就产生了公司的减排利益，最终利润增加了。企业的整体生产能力猛增，整体环境效益也得到快速提升。

混合策略模拟仿真结果与分析：

在生产调整，排放权交易和减排技术策略模拟的基础上，本实施例引入了混合策略。在此策略下，每个代理都根据当前期间的排放量，上一期间的市场价格，市场产出以及碳排放的市场价格来选择最佳策略。代理主体可以选择三种策略中的任何一种，也可以在同一个时间节点同时使用，只要代理主体认为自己可以产生最大的利润即可。分别选取代表5类不同耗碳规模的主体的代理主体主体的各项可比指标，分析优化后的企业减排行为是否可以对生产周期、产出水平、碳市场价格产生正面影响。

如图20中所示，选取了采用混合策略的5个代理主体主体(代表5类不同耗碳规模的主体)。从其碳排放权配额的变动趋势来看，混合策略下的碳减排过程比生产策略和交易策略持续性更好。

这是因为公司并不完全依赖碳排放交易，而是选择适当地减少生产减少碳排放。市场的碳排放储备在第348个时期就全部用尽了，这明显优于生产策略和交易策略。这是因为一些公司在生产周期中采用了减排技术，从而减少了碳排放的单位损失并实现了可持续发展，使得生产周期更长。通常，混合策略可以优化市场碳排放的市场分配。

如图21所示，在不同的混合策略下，不同代理主体的产出是完全不同的。这是因为代理主体通过调节产量和碳排放权交易而持有的碳排放量剧烈波动，从而导致竞争水平和风险偏好的差异。

碳排放量更多的代理主体可以采用积极的生产策略，从而在市场上占据主导地位。市场的整体产出水平比生产策略和交易策略更稳定，并且高于低碳技术投资策略。在整个生产周期内生产的产品数量超过了三个单独策略所运行的产出数量。

如图22所示，碳排放权价格的波动比交易策略的波动更大，价格水平也更高。这是因为市场交易只是公司调整排放水平的一种手段。每个时期市场上交易的代理主体数量存在巨大的波动性。供求的不稳定性加剧了市场价格的波动，也使碳排放交易市场和产出市场之间的联系更加明显。碳市场价格还可以为公司调整生产提供更多的决策信息，从而可以促进更理性的决策。

前文中分别描述了生产调整策略模型、碳排放权交易策略模型、低碳技术投资策略以及混合策略下市场碳排放权存量变化、碳市场价格、市场产出量以及企业利润变化。下面将综合分析各策略下市场均衡特征以及市场的产出效率，并解释差异产生的原因。

如图23所示，展示了市场碳排放权存量的变化特征。从消耗速率来看，技术策略下碳排放权减少速率更低，生产能维持的时间更长。这是因为大量企业采用了减排技术，生产一单位产品所消耗的碳排放量更小，因此具有最长的生产周期。其次是在混合策略下，企业也能维持较长的生产时间，碳排放权减少更为平稳，比市场交易策略与生产调整策略更加优化。而在市场交易策略下，由于前期碳排放权市场价格较高，企业认为有利可图便大量在市场上交易碳排放权，加上部分企业的无序产能扩张，碳排放权消耗最快。

如图24所示，展示了碳排放权市场价格的变化趋势。本文选用了市场交易策略、混合策略以及欧洲碳交易市场的真实价格数据进行对比。相对于真实数据，实验的模拟数据波动相对较大，这是因为在欧洲碳交易市场上有更多的市场交易者，同时也不受生产周期碳配额限定的约束，因此价格更加稳定。但与真实数据对比，实验所得碳排放权价格区间与真实市场较为接近，验证模型设定的合理性，同时本文所设定的策略也对真实市场有借鉴意义。与纯粹的市场交易策略相比，混合策略下的价格走势与真实市场数据趋势更贴近。同时在交易后期碳市场价格存在回落的现象，这是因为生产利润的边际递减效应使得在生产在后期变得微利甚至亏损，对碳价格有个负向调整作用。相对于市场交易策略，市场交易变得更加理性，生产对碳市场的影响更加显著。

如图25所示，展示了产品市场产出变化趋势。综合比较四种减排策略，混合策略的产出效率最高。这是因为混合策略既调整优化企业的生产计划保证生产的有序进行，又能通过市场交易优化配置碳排放权资源。当企业生产过度时，碳排放权极速消耗，交易市场上碳价格走高，导致生产利润降低，企业便会调整生产。因此，该策略得到最好的产出效果。而纯粹的市场交易策略由于前期的无序生产与交易，导致碳排放权过早消耗殆尽，产出效率最低。技术策略下，企业的产出较为平稳，但由于技术投入的支出，挤占了生产与交易的资金，使得总体产出效率不及混合策略。

如图26所示，展示了四种减排策略下企业在一个生产周期内的利润累积情况。综合比较四种减排策略，混合策略的累积利润最高。其次是低碳技术采用策略与生产调整策略，利润最低的为市场交易策略。技术策略削减了企业为了达到碳排放限制的生产成本，所以前期的利润累积最快，但后期随着低碳技术的投入与维护，资本性支出削减生产利润。而生产调整策略由于缺乏交易市场，剩余的碳排放权很难在主体之间流通，妨碍了生产效率，削减了企业综合利润。而市场交易策略下，前期的扩张性生产使得利润积累在前期较快。后期由于碳排放权的消耗殆尽，企业停滞生产，导致总体利润较低。

通过上述实施例模拟了企业的减排行为，分别评估生产调整策略，碳排放权交易策略和低碳技术投资策略对生产市场，碳排放市场和企业收益的影响。同时，本发明还模拟了混合策略的效果。通过上述模拟仿真结果及分析，可以得出：

(1)生产调整策略使得企业在初期盲目地扩大生产，在后期受限于个体所持碳排放权数量的减少，企业逐渐不合理地减产甚至停产，使企业的当期利润降低等级。但是，与此同时，它可以使产品市场保持良好的产出水平并延长生产周期(因为它不会耗尽碳排放权)。

(2)碳排放权交易策略可以使企业的碳排放权更好地流动，从而使具有较强生产能力的企业可以增加产量，降低实际产品成本，提高生产效率。另一方面，它也加速了碳排放权的消耗，从而缩短了生产周期。

(3)低碳技术投资策略在初期会带来较高的摊销成本，但可以提高碳排放权的生产效率并延长生产周期，从而可以最大限度地提高企业的长期利润。技术的好处取决于技术的选择。

(4)对于混合策略的分析，当企业采用产量调整策略，市场交易策略和低碳技术采用策略时，可以获得最优的生产效率和生产利润。混合策略可以有效地延长企业的生产周期，减少对碳排放权的耗用并降低生产成本。同时，为了实现利润最大化的目标，企业在市场上交易碳排放权，从而扩大产量，并以相对较低的价格供应最多的高质量产品。

通过以上仿真模拟，可以发现，企业通过本发明的碳排放策略优化方法可以得到适用于当前的最优减排策略，以达到实现利润最大化、最低成本和最优化市场效率的期望。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。