全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化導(dǎo)致了能源需求的顯著增加。為了滿足這一不斷增長(zhǎng)的需求，當(dāng)前的能源系統(tǒng)仍然嚴(yán)重依賴化石燃料，這加速了資源枯竭[1]、環(huán)境退化[2]和地緣政治緊張[3]，從而削弱了全球能源安全。為了提高能源安全并促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型[4]，可再生能源已成為未來(lái)能源系統(tǒng)的重要組成部分。在這種情況下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可再生能源消費(fèi)（REC）對(duì)于平衡能源供需、推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和增強(qiáng)能源安全至關(guān)重要[5]。然而，可再生能源的發(fā)展在區(qū)域?qū)用姹憩F(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性[6]。在中國(guó)30個(gè)省份中，可再生能源的發(fā)展在資源稟賦、技術(shù)準(zhǔn)備和電網(wǎng)整合能力方面存在明顯的區(qū)域差異。這些差異導(dǎo)致發(fā)展?jié)摿屠眯什痪鵞7]，增加了能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和資源分配的復(fù)雜性。因此，可靠的REC預(yù)測(cè)對(duì)于應(yīng)對(duì)這些新興挑戰(zhàn)至關(guān)重要。
對(duì)空間自相關(guān)性和區(qū)域異質(zhì)性的研究加深了對(duì)REC的研究。這些發(fā)現(xiàn)表明，REC模式不僅受到內(nèi)在區(qū)域特征的影響，還受到與鄰近地區(qū)的空間相互作用的影響。此外，空間相關(guān)性的時(shí)間演變也為預(yù)測(cè)增加了不確定性。這一視角為REC預(yù)測(cè)開(kāi)辟了新的研究方向，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的預(yù)測(cè)模型僅關(guān)注時(shí)間模式。因此，將時(shí)空動(dòng)態(tài)特征納入預(yù)測(cè)模型對(duì)于提高預(yù)測(cè)性能和支持能源規(guī)劃至關(guān)重要。
此外，省級(jí)REC數(shù)據(jù)的有限可用性對(duì)預(yù)測(cè)模型提出了更高的要求。灰色預(yù)測(cè)模型已成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的有效方法。第2.2節(jié)中的研究為REC預(yù)測(cè)提供了有價(jià)值的結(jié)果。然而，這些研究也揭示了一些挑戰(zhàn)：（1）現(xiàn)有的灰色模型主要關(guān)注時(shí)間演變，常常忽略起關(guān)鍵作用的空間維度。盡管一些研究試圖納入空間信息，但捕捉時(shí)空自相關(guān)結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性，尤其是在非平穩(wěn)和空間分布稀疏的數(shù)據(jù)情況下。（2）隨著區(qū)域間空間關(guān)系的動(dòng)態(tài)演變，空間溢出效應(yīng)也表現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化特征。然而，具有固定時(shí)間效應(yīng)的空間交互矩陣無(wú)法捕捉這些溢出的時(shí)間傳遞和傳輸，限制了它們描述可再生能源消費(fèi)動(dòng)態(tài)時(shí)空模式的能力。為此，本研究開(kāi)發(fā)了一種新型灰色預(yù)測(cè)模型，用于預(yù)測(cè)2014-2024年期間的可再生能源消費(fèi)。本研究的核心貢獻(xiàn)可以概括為：
(1) 為了解決灰色系統(tǒng)中描述時(shí)空依賴性的挑戰(zhàn)，本文提出了一種將幾何濾波器與不可分割的時(shí)空模型相結(jié)合的方法。首先使用時(shí)空幾何濾波分離空間和時(shí)間隨機(jī)變化，從而建立描述空間和時(shí)間自相關(guān)結(jié)構(gòu)的一般變化函數(shù)。隨后，通過(guò)不可分割的時(shí)空模型將這些結(jié)構(gòu)耦合起來(lái)，生成一個(gè)統(tǒng)一的函數(shù)來(lái)捕捉時(shí)空交互信息。
(2) 開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有時(shí)空交互矩陣的動(dòng)態(tài)多輸出灰色模型，解決了傳統(tǒng)灰色模型在捕捉動(dòng)態(tài)時(shí)空特征和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性方面的局限性。該模型模擬了空間溢出效應(yīng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)傳遞和傳輸效應(yīng)。通過(guò)將時(shí)空交互矩陣和空間分?jǐn)?shù)累積算子納入預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，不僅擴(kuò)展了模型的適用范圍，還推動(dòng)了現(xiàn)有灰色預(yù)測(cè)的理論發(fā)展。
(3) 確定了在動(dòng)態(tài)空間擾動(dòng)下信息優(yōu)先級(jí)與響應(yīng)邊界之間的新型關(guān)聯(lián)。在新的信息優(yōu)先級(jí)設(shè)置（ω ≥ 1.5,τ ≥ 6）下，新信息的響應(yīng)幅度高于歷史信息，表明系統(tǒng)對(duì)最近的信息輸入更為敏感。在舊的信息優(yōu)先級(jí)設(shè)置（0 < ω < 1,τ ≥ 5）下，舊信息對(duì)擾動(dòng)邊界的影響更為明顯。
(4) 該研究對(duì)中國(guó)30個(gè)省份的REC進(jìn)行了時(shí)空預(yù)測(cè)，揭示了發(fā)展軌跡的顯著區(qū)域異質(zhì)性。發(fā)現(xiàn)了不同的模式，包括西部地區(qū)的資源驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)、東部的穩(wěn)定沿海擴(kuò)張以及中部和東北部的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。預(yù)測(cè)進(jìn)一步表明，中國(guó)的REC將呈現(xiàn)從西南部到中東部地區(qū)的逐步增加趨勢(shì)。
結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)指出當(dāng)前的局限性和關(guān)鍵成就。第3節(jié)提出了一種新型的時(shí)空灰色預(yù)測(cè)模型。第4節(jié)研究了REC的動(dòng)態(tài)空間特征。第5節(jié)評(píng)估了模型的性能。第6節(jié)將模型應(yīng)用于實(shí)際預(yù)測(cè)場(chǎng)景。第7節(jié)總結(jié)了研究并提出了后續(xù)研究的潛在方向。
