基于哈肯模型的省域间碳效率与国家质量基础设施（NQI）协同发展演化机制

王 斌，龙 妍

（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

全球气候变化是当今世界各国需要共同面临的重大议题，中国发布《2030 年前碳达峰行动方案》对推进碳达峰工作作出总体部署，现阶段保证我国社会经济高质量发展与实现碳达峰碳中和宏伟目标的过程中离不开国家质量基础设施（national quality infrastructure，NQI）的深度参与。中国计量科学研究院、中国标准化研究院、中国合格评定国家认可中心共同发布《计量、标准、认可携手支撑碳达峰、碳中和目标共同宣言》，在此共同宣言框架下，国家质量基础设施（NQI）的组成工具计量、标准和认可将协同发展，为共同支持我国碳达峰、碳中和目标作出贡献。

1 相关研究基础

1.1 省域层级低碳发展水平的研究概况

关于在省域层级开展碳排放水平发展的研究，通常结合宏观层面碳排放大数据进行分析，主要内容一般可分为3 个层次。第一种是基于面板数据进行省域间的排放量对比分析。这一方面的研究内容与方法较为丰富，杨红雄等［1］通过全国及各地统计年鉴等面板数据筛选构造反映经济水平、社会发展及能源消耗等大数据中构造研究指标，再基于面板数据进行数据分析并集合数学模型探寻地区间碳排放的特征差异和演变趋势。刘自敏等［2］在此基础上部分研究重点分析地区间碳排放量的时空演变特征，在省域尺度分析碳排放量的集聚水平、流动路径、增减转折趋势等时空特征；张诗卉等［3］、姜博等［4］研究侧重碳排放量的影响关联因素，构建起经济发展水平、生态环境质量与社会生产碳排放的耦合演变关系，以及数字经济、消费结构和产业结构对碳排放的联动关系。第二种是针对特定省份或地区内部碳排放结构及因素的解析。特定省份的研究更能凸显出地区自身发展过程中存在的特征，如关伟等［5］针对东北地区的研究表明产业结构、能源消费强度和经济水平中产业结构调整对当地碳排放影响最大，李永明等［6］、吴唯等［7］研究长三角地区将重点依靠新能源与新兴产业升级完成碳达峰任务，丁凡琳等［8］研究西北地区经济对能源消耗依赖巨大，人均碳排放、碳排放强度和碳排放总量控制间已展现出强脱钩迹象。针对具有不同碳排放特征的地区应采取的节能降碳措施也将充分围绕经济增长、产业转型、环境治理、能源消耗与地方需求、城市建设、绿色经济、能源供应之间的复杂关系来合理制定。第三种是在省域地区层面对该地区未来碳排放数据进行建模预测以及能源体系谋划。基于历史数据分析地区发展方向及能源需求和碳排放，郝瑞军等［9］、潘喜莲等［10］主要通过分析不同类型产业和能源消费在碳排放总量中占比值进行未来合理布局，分时间与举措研究对减排降碳的贡献值。Alexandros 等［11］结合不同情景下环境、经济与社会多领域的政策工具实现控制未来省域层面各部门间的能源活动水平和温室气体排放量的总量目标。

1.2 国家质量基础设施状况的研究概况

我国经济发展需求现已由高增速发展转为高质量发展，实现高质量发展对全社会未来经济发展思路与政策规划提出了新要求与新任务。国家质量基础设施作为提供社会生产标准、保证产品服务质量、推进发展模式转变的重要工具，在企业提升发展效益、政府提高服务效率和社会增强发展潜力方面能够提供重要支持作用。中共中央、国务院印发的《质量强国建设纲要》指出，建设质量强国是推动高质量发展、促进我国经济由大向强转变的重要举措，是满足人民美好生活需要的重要途径［12］。

国家质量基础设施的发展理念在我国日益得到重视，通过加强对计量、标准、检验检测与认证认可的发展布局不断完善NQI 的整体建设。目前关于NQI 体系发展的研究主要呈现出三大特点：一是偏向宏观整体结构分析，缺少具体领用应用总结。陈岳飞等［13］、程彦等［14］的研究从政策支持、技术措施及市场机制等顶层概念入手，强调政府决策加强对NQI 的考虑倾向，从人才培养、财政投入、创新能力研究、体系建设、国际交流等角度分析现阶段发展水平，在具体行业应用中，仅有少数如光伏、纺织等领域初步构建了系统性体系。二是要素单体独立发展缺少协同互通。由于NQI 单体要素内容较多，在我国行政管理体系上“条块化”管理，在实际效果上也形成了“碎片化”发展态势，计量数据与方法与标准制定水平不协调，检测验证水平整体落后于计量标准建设要求［14］，难以提供有权威保证作用。三是多地正积极尝试城市试点服务平台建设。地方政府也意识到NQI 工具能为新兴产业转型和高质量发展提供保障服务，通过政府试点建设质量服务平台，服务部分企业如广西建成“一站式”服务平台、泰州“泰检易”［15］、烟台NQI+服务云平台［16］、武汉形成“岱家山模式”等政府机构整合当地计量［17］、标准、合格评定等服务要素探索NQI 发展模式经验，促进NQI 服务效果与经济发展模式深入融合。

针对NQI 发展总体而言偏重理论层面分析，重政策经验梳理而缺少实证类定量研究，并且缺乏在独立的产业领域内调研分析的经验。在《质量强国建设纲要》中提出对碳减排领域中的重点行业产品节能降耗、绿色供应链建设与低碳零碳负碳技术攻关进程中作出了独立规划，将建设健全统一的绿色碳计量检测机制、低碳标准、认证标识体系作为重点研究方向［18］。结合新时代下碳达峰碳中和目标与NQI 协同发展的实际需求，实现降低碳排放与高质量发展协同演化，本文借助协同理论思想建立起省域层面碳排放效率与NQI 协同演化模型，根据面板统计数据和质量发展指标参数进行实证分析，探究我国省域层面碳效率与NQI 协同演化机制。

2 系统协同演化的模型构建

2.1 构造运动演化方程

协同学的主要内容是利用演化方程来研究子系统之间的动态相互作用，Haken［19］模型用以描述具有自组织特征的系统在演变过程中所呈现的协同效果与趋势。将省域层面碳效率发展情况看作一个子系统，各地区的NQI 建设发展情况看作另一个子系统［20］，在推进经济社会高质量转型发展的背景下，碳效率控制与NQI 建设之间相互影响，彼此适应从低耦合和协同到强关联适配、从无序到有序的复杂系统演变过程，可以看作区域高质量发展系统。因此，本文所构造的研究对象在实际发展过程中具有自组织演化特征。

运用哈肯模型构造自组织演化系统要求系统具备开放性、非线性、远离平衡状态、涨落性这4 个基本特征［21］。区域高质量发展系统中NQI 作为服务高质量生产建设的支撑工具，运用技术规范、数据核验、计量检测等工具在省域层面碳监测时与社会系统交互影响，因此具备开放性。区域高质量发展系统的NQI 服务工具建设具备非线性特征。碳达峰路径下省际区域碳效率变化将脱离原有发展模式下平衡状态。可以预见的是省际区域发展碳效率将总体逐步提升，NQI 建设水平逐步强化，碳达峰碳中和总体进程中呈现波动前进特征具备涨落性特点。

Haken 模型描述了系统在两个变量交互作用下的演化过程，其中慢变量主导系统演化，并对快变量产生影响，哈肯模型公式如式（1）和式（2）所示：

基于Hermann Haken的协同理论和自组织理论，在研究区域高质量发展系统的协同作用时，方程式（1）和（2）可进一步离散化和改进如下：

其中t为以年为单位的时间计量参数。

2.2 求解势函数

物理学中因为物体位置的改变会产生势能。势函数可以用来判别系统是否处在一种相对稳定的状态。哈肯基于此通过对系统演化方程以及序参量求出势函数，来判断系统所处状态。对的相反数积分可以求得系统的势函数，判断系统所处状态：

3 变量选取与数据来源

随着中央与各地区《碳达峰行动方案》出台，针对省域层面的节能降碳任务已成为地区发展重要目标与转型动力。实现高质量推进碳减排任务实施离不开NQI 工具提供多方面的技术支持与监督保证作用，计量、标准和合格评定协同发展，共同支持碳达峰、碳中和目标，能够为实现可持续发展、高质量发展作出贡献。为研究现阶段中国省域地区间碳排放控制水平与NQI 低碳建设之间的协同进度，将碳排放控制领域在此划分为省域间碳效率控制发展和省域间NQI 建设低碳应用两个子系统，选取两个指标变量来描述子系统的发展水平：一是选取碳效率发展指数表示省域间碳效率控制发展子系统演化水平；二是选取NQI 低碳应用指数来表示省域间NQI 建设低碳应用子系统发展水平。本文以和为哈肯模型的代表变量分析中国省域间碳排放控制与NQI 低碳建设应用间的系统协同演化机制。

3.1 碳效率指数

碳排放作为社会行业生产运作必然的产物之一，来源广泛且治理难度较大。在评价一个大范围地区的碳排放总量的时空演变特征时就需要选择一些关键指标，碳效率研究成熟、应用广泛，不仅直指碳排放本身，并且兼顾了地区对比中重要的经济发展和环境质量。本文选取碳排放总量、碳排放强度、碳电效率、人均碳排放量这些关键因素共同构成碳效率指数，指标内涵见表1，2021 年中国碳效率指数省份分布情况如图1 至图4 所示。

图2 中国火力发电量分布

图3 中国各省份人均碳排放分布

图4 中国各省份碳排放量分布

表1 碳效率指数指标

3.2 NQI 低碳应用指数

NQI 作为完成社会发展质量提升的技术支撑体系，主要包括标准、计量和合格评定（认证认可和检验检测）。NQI 整体结构概念尚未在碳排放控制领域形成系统结构，但其包含的要素单体在低碳领域已形成部分基础。计量主要通过计量器具实现数据质量保证，实现量值传递与溯源；标准作为计量与合格评定的技术要求，也引领着NQI 整体发展方向；合格评定通过提高检测水平和提升认证能力实现质量监督和权威保障作用。加强碳计量技术攻关，积极融入国际碳排放标准研制体系，提升检验检测、校准认证在绿色低碳领域的关键技术支撑作用，将为实现“双碳”目标提供重要支撑力量，因此选取NQI 在低碳领域重要评价指标构成NQI低碳应用指数，指标要素见表2，2021 年中国NQI 低碳应用指数省份分布情况如图5 至图8 所示。

图5 中国计量检定机构省份分布

图6 中国各省份标准研制综合指数

图7 中国CNAS 认可检验校准实验室分布

图8 中国碳核查机构省份分布

图9 中国省域间碳排放控制系统势函数曲线

表2 NQI 低碳应用指数指标

本文选取中国省域层面年鉴统计数据和专职部门与机构的年度统计报告数据为研究样本，以省级单位为整体对象开展实证分析，分析地区间碳排放控制与NQI 协同建设的地域差异，总结NQI 低碳应用建设与省域碳效率协同演变关系。数据来源《中国统计年鉴》、中国碳核算数据库（CEADs）、中国国家市场监督管理总局、中国质量协会、国家标准馆标准大数据平台、全国团体标准查询网站、中国标准服务网、中国合格评定国家认可委员会以及官方发布的《全国检验检测服务业统计报告》《中国质量监督检验检疫年鉴》《认证机构年度工作报告》等，通过对30 个省份（未含港澳台和西藏地区）面板数据汇总处理，用以揭示地区发展差异和演变趋势。具体处理数据见表3。

表3 中国省域间碳效率与NQI 低碳应用指数数据统计

4 实证分析

分时间段观察，从2017 年与2021 年两年综合指标结果来看，本文涵盖的全国30 个省份碳效率指数与NQI 低碳应用指数均有所提高，表明所有省份在完成社会经济发展工作中不仅更加注重减少产生单位社会效益时带来的碳排放，而且也在推进NQI这一新型工具在碳排放控制中的建设应用。两项指标数据直接对比来看，碳效率指数指标得分均高于NQI 低碳应用指标得分，这表明在控制碳排放控制方面结果经验更为丰富，可执行措施更多，这也符合NQI 建设理念在我国开展时间较短，基础建设较少的实际情况。

分地区来看，两项指标以华北地区、华中地区得分领先，西北地区、西南地区得分靠后，较明显与地区经济发展水平呈现高度相关。表明在我国东部地区践行绿色低碳发展、高质量高标准发展水平更高，西北、西南地区发展不足。无论是控制碳排放还是开展NQI 工具建设都是推动地区高质量发展的重要方向，一方面良好的经济发展水平能为低排放、高质量发展提供基础支撑，另一方面高水平发展能促进经济加速向高质量发展转型，两者耦合促进，关系紧密。

5 结论

本文在省域层面针对碳排放控制效率与NQI 低碳建设应用之间的相互关系，分别构建起碳效率指数和NQI 低碳应用指数指标变量为基础，运用哈肯模型借助协同演化理论与序参量识别方法研究我国现阶段省域层面碳排放控制与NQI 建设的协同演化关系模型。运用实证分析方法确定碳排放效率控制作为序参量主导着地区低碳发展进程，分析省域NQI低碳应用建设产生的重要影响，并得到以下结论。

第一，根据省域层面碳效率指数和NQI 低碳应用指数数据结果看，全国整体碳排放控制效率都在进步，NQI 低碳工具建设也呈现全面开展的良好局面。以碳排放控制和NQI 在低碳领域应用所构成的大系统符合哈肯模型依赖的自组织系统，并呈现出开放性与自组织演化特点。

第二，省域层面的碳效率控制发展是主导区域低碳排放发展的序参量，是决定系统演化方向与速度的决定性变量；NQI 低碳建设应用是大系统的快变量，对系统演化起关键影响。两者互相变化演变实现达到大系统回归稳定状态。

第三，现阶段NQI 低碳建设应用是促进地区碳排放效率控制的重要工具，但NQI 工具建设以及与碳排放有效协同发展进度缓慢，如何在两者之间建立起广泛充分的正反馈机制是接下来发展的重点。