构建多Agent模型研究差别电价对行业的影响

谭显东¹，胡兆光²，张克虎³，李存斌¹，徐敏杰⁴

(1. 华北电力大学 工商管理学院，北京，102206；

2. 国网北京经济技术研究院，北京，100761；

3. 山东水利职业学院，山东 日照，276826；

4. 北京交通大学 电气工程学院，北京，100044)

摘  要：运用基于Agent模拟的建模方法构建研究差别电价影响效果的多Agent模型，设计由政府Agent、电力Agent及行业Agent组成的多Agent框架，分析Agent的目标及行为策略，设计系统的仿真流程。以高耗能行业实施差别电价为例，模拟对化学工业、建筑材料业、金属冶炼业实施差别电价对我国物价水平及电力消费所造成的影响。研究结果表明：所构建的多Agent模型突破了传统数学模型考虑因素不足的缺点，充分考虑了经济系统中个体自身的目标以及与周围环境的相互作用等因素，更好地反映了微观个体与宏观经济之间的联系；对高耗能行业实施差别电价不但不会使物价明显上涨，而且具有较好的节电效果。

关键词：智能体；仿真流程；差别电价；建模

中图分类号：TP18; TM74         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2008)01-0172-06

Constitution of multi-Agent to study influence of discriminating power price on sectors

TAN Xian-dong¹, HU Zhao-guang², ZHANG Ke-hu³, LI Cun-bin¹, XU Min-jie⁴

(1. School of Business Administration, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2. State Power Economic Research Institute, Beijing 100761, China;

3. Shandong Water Polytechnic, Rizhao 276826, China;

4. College of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract: A multi-Agent model was set up to simulate the effects of discriminating power price policy using Agent based modeling method, a structure of the multi-Agent system was designed, which consisted of government Agent, electric Agent and sectoral Agents, and the goal and behavior of each Agent was analyzed, the simulation procedure was also put forward. The model was applied to simulate the rise in power price of chemical industry, building materials industry and metal products manufacturing industry. The results show that the model overcomes some shortcomings of the traditional models, the goal of each Agent in the economic system and the relationship between them are fully considered, so it can describe the relationship between the micro-unit and macro-economy. The model is valid and the discriminating power price policy will not bring an obvious rise in prices, what’s more, it can reduce electricity consumption.

Key words: Agent; simulation procedure; discriminating power price; modeling

基于Agent模拟的建模方法是20世纪80年代发展起来的通过微观个体行为反映宏观现象的一种模拟方法，它突破了传统物理模型、数学模型、图示模型的缺点，为研究社会系统、经济系统等提供了更有效的建模框架^[1]。目前，这种方法已被应用于经济系统模拟^[2-4]，在电力系统中也得到广泛研究与应用。袁家海等^[5-9]对Agent技术在电力系统中的应用进行了综述，建立了供电企业和电力用户两类Agent，并设计了各自的学习策略，以此模拟了大用户对峰谷分时电价的响应；此外，建立了合约市场协商过程的多Agent模型，并设计了基于多Agent协商的软件模拟系统构架。YU等^[10]设计了一个基于Agent的电力零售市场并以此模拟了该市场中的交易过程；康重庆等^[11]提出了基于Agent信念学习的电力市场演变规律模拟思路，并建立了电力市场模拟的总体架构；任玉珑等^[12]根据各发电Agent在竞争中所获得信息的多少将发电市场的博弈分为2个阶段，并建立了二阶段博弈模型来描述Agent自身的演化过程；宋依群^[13]建立了基于猜测供应函数均衡的重复博弈电力市场的多代理模型；邹斌等^[14]提出了一种电力拍卖市场智能Agent模型，并给出了发电厂基于选择概率的随机选择报价  形式。

为了抑制高耗能行业盲目发展，促进结构调整和产业升级，我国先后出台了针对高耗能行业的差别电价政策^[15]。差别电价的核心就是针对不同的行业实行不同的电价，若电价定得太高，将增加企业成本，使社会物价上涨，对国民经济造成不良影响；若电价定得太低，又不能达到预期目的。因此，为了提高差别电价的科学性和有效性，有必要事先模拟差别电价对各行业及国民经济的影响。目前，国内外对这方面的研究不多，张友国^[16]利用CGE模型分析了电价提高对国民经济的影响，利用电力行业利润率的变动幅度代替电价的变动幅度，并没有直接分析电价变动的影响，更没有研究差别电价的影响；汪拥军等^[17]利用福利经济学的原理建立了差别电价的定价模型，其核心是在已知供电边际成本和用户电力需求函数的前提下确定最合适的电价水平，这并不能分析电价变动对国民经济的影响。

由于Agent模拟所具有的优势，在此，本文作者采用基于Agent模拟的建模方法建立了研究差别电价对社会物价及行业用电影响的多Agent模型，以期为制定差别电价政策提供决策支持。

1  基于Agent模拟的建模方法

1.1  Agent的基本概念

Agent原意为代理，又称为智能体、主体等，是一个物理的或抽象的实体，它能够作用于自身与环境，并能对环境的变化做出反应。自从20世纪50年代Agent被提出以来，Agent技术一直是人工智能领域的一个重要研究内容。Agent包含知识、目标和能力等。知识指Agent关于它所处的世界或它所要求解的问题的描述；目标指Agent所采取的一切行动都是面向目标的；而能力则指Agent具有推理、决策、规划和控制能力。一般而言，Agent具有4个基本特性：自治性、反应性、预动性和社会性。自治性是指Agent对自己的行为或动作具有控制权，可自主实现其目标；反应性是指Agent能够感知所处的环境，并对环境的变化做出及时反应；预动性指Agent为了实现其目标，可以主动发起1个动作；社会性指Agent可以与其他Agent进行交互，共同完成目标。

由多个Agent构成了多Agent系统(multi-Agent system, MAS)，通过各 Agent之间相互合作、协作通讯等，形成统一协调的整体，系统中Agent以独立的方式或者以一起协作的方式来解决问题。

1.2  基于Agent模拟的建模方法

基于Agent模拟的建模方法是一种由底向上的建模方法。它把Agent作为系统的基本抽象单位，采用相关的Agent技术，先建立组成系统的每个个体的Agent模型，然后，采用适合的MAS体系结构组织这些个体Agent，最终建立整个系统的Agent模型。这种建模方法的流程如图1所示。

图1  基于Agent模拟的建模流程

Fig.1  Procedure based Agent modeling

这种基于Agent模拟的建模方法突破了传统物理模型、数学模型、图示模型等缺乏对个体成员目标、偏好以及相互联系等方面的考虑，它充分考虑了系统中个体自身的目标以及与周围环境的相互作用等因素，可以更好地反映微观个体和宏观系统之间的联系，实现对系统多层次的分析与研究。

2  基于Agent模拟的差别电价模型

2.1  模型机理

电力作为各行业的中间投入，某行业电价的变动将会直接影响该行业的生产成本，从而影响其产品价格，这又进一步影响以这些行业为中间投入的行业生产成本及价格，这种影响不断重复、交叉，表现出各行业产品价格联动上涨，直到最后各行业产品价格处于均衡状态为止。同时，由于电价上涨，一些行业可能会降低对电力的需求。

图2所示为差别电价模拟的多Agent框架，包含1个政府Agent、1个电力Agent和n个行业Agent。其中：政府Agent是差别电价的制定者；电力Agent代表“电力的生产和供应业”；行业Agent分别代表除“电力的生产和供应业”以外的其他n个行业。电力Agent只是政府Agent与行业Agent之间的桥梁，其行为很简单，只按照差别电价向电力用户供电，并且其产品价格由政府Agent确定而不能自行确定；政府Agent需要根据各行业Agent对差别电价政策的响应确定合适的差别电价政策；行业Agent按照差别电价用电，并在用电成本上升后提高自身产品的价格，这将进一步带动其他行业Agent产品价格的联动上涨。

图2  差别电价模拟的多Agent框架

Fig.2  Multi-Agent structure of discriminating power price

2.2  政府agent

2.2.1  政府agent的目标

政府希望在不影响我国经济正常运行的前提下提高某些行业的电价，减少这些行业的用电量，促进节能降耗，其目标可以表示为：

2.2.2  政府Agent的行为策略

政府Agent的体系结构如图3所示，由目标、推理机、模型库、感知器、效应器、数据库6部分组成。它首先按一定比例提高某些行业的电价，通过效应器直接作用于外部环境；然后，通过感知器从外部环境中获取行业Agent产品价格及用电量的变动信息；推理机根据此信息利用模型计算Y和，并确定电价调整策略；通过效应器作用于外部环境，再根据各行业Agent新的响应信息确定新一轮的电价调整策略，直到满足目标要求为止。

图3  政府Agent的结构

Fig.3  Structure of government Agent

政府Agent采用遗传算法根据各行业Agent对差别电价的响应以式(1)为适应度函数确定行业差别电价，由于差别电价是一个调整范围，所以，这里采用十进制编码。

2.3  行业Agent

2.3.1  行业Agent的目标

行业Agent作为盈利主体，其目标是实现一定生产规模的成本最小化(或利润最大化)，可表示为：

2.3.2  行业Agent的行为策略

行业Agent的行为是确定对中间投入的需求和自身的产出价格。对式(2)进行推导可以得出对中间投入的需求是中间投入价格的减函数，而产出价格是中间投入价格的增函数^[18]。通过行业电价的变动情况即可分析行业用电量和行业产品价格的变动情况。行业Agent的结构与政府Agent的结构相同。

因电价上升，行业Agent i (i=1, 2, …, n)将减少用电量，用该Agent用电量的价格弹性来描述：

对于产品价格，行业Agent i (i=1, 2, …, n)首先通过感知器从外部环境中获取电价的变动信息?p_ie；接着确定自身产品价格上涨的幅度?p_i，并通过效应器直接作用于外部环境；其他行业Agent根据此价格变动信息调整自身的产品销售价格；行业Agent i根据此时的外部环境又重新确定自身的调价策略，直到各行业Agent的产品价格处于均衡状态为止。各行业Agent的这种价格调整策略可以利用投入产出模型确定^[19]：

3  仿真流程

根据各Agent的行为，图4所示为政府制定差别电价的仿真流程。

图4  政府制定差别电价仿真流程

Fig.4  Simulation procedures to stipulate for discriminating power price

步骤 1  政府agent确定初始的电价上调幅度。

步骤2  根据政府Agent的调价信息，各行业Agent确定用电量和产品价格的变动。

步骤 3  根据行业Agent的响应信息，政府Agent计算实施差别电价后行业减少的用电量合计和I_CP的变动幅度。

步骤 4  根据计算结果，政府Agent判断目标是否满足。若目标已被满足，则输出此时的差别电价、减少的合计用电量、各行业价格变动幅度，然后结束模拟；若不满足条件，则政府Agent调整差别电价策略，系统返回到步骤2。

4  实例分析

2006年9月，国务院办公厅转发了国家发改委《关于完善差别电价政策的意见》，该意见明确规定对电解铝、铁合金、电石、烧碱、水泥、钢铁、黄磷、锌冶炼8个大高耗能行业实行差别电价。在此利用所设计的多Agent模型，对其进行模拟，以便为制定差别电价政策提供科学的依据。

由于我国现有的投入产出核算中没有把行业细分至以上8个大型高耗能行业，所以，很难直接分析电价调整对它们所带来的影响，但由于电解铝、铁合金、钢铁、锌冶炼是金属冶炼业的主要行业，电石、烧碱、黄磷是化学工业的主要行业，水泥是建筑材料业的主要行业，因此，利用所设计的Agent模型，首先将国民经济的各行业抽象为电力Agent和其他14个行业Agent，Agent1~Agent14分别代表农业、采掘业、食品制造业、纺织缝纫业、炼焦及石油加工业、化学工业、建筑材料业、金属冶炼业、机械工业、其他制造业、建筑业、运输邮电业、商业饮食业、其他服务业；然后，分析对Agent 6 (化学工业)、Agent 7 (建筑材料业)及Agent 8 (金属冶炼业)实行差别电价的影响。

假设政府允许由于差别电价政策所导致的I_CP波动上限为0.5%，各行业电价调整的下限为20%，上限为50%，结合我国最新的2002年的投入产出数据，利用Delphi 7开发仿真程序，得出模拟结果为：化学工业的电价将上调39%，建筑材料业的电价将上调35%，金属冶炼业的电价将上调28%；用电量共减少424亿kW?h，其中化学工业用电将减少234亿kW?h，建筑材料业用电将减少70亿kW?h，金属冶炼业用电将减少120亿kW?h；此时，I_CP上升0.499%，表1所示为各行业Agent产品价格变动数值。由表1可见：

表1  差别电价造成的各行业Agent的价格变化幅度

Table 1  Rising amplitudes in sectoral Agent’s price caused by discriminating power price policy

a. 差别电价政策带来的直接影响明显大于间接影响，化学工业、建筑材料业、金属冶炼业的产品价格上涨的幅度远远大于其他行业的价格上涨幅度。

b. 除了以上三大行业外，受差别电价政策影响较大的还有纺织缝纫业、机械工业、其他制造业、建筑业。

c. 从整个物价水平来看，I_CP上升约0.5%，这表明差别电价政策不会对社会物价水平造成较大的影响。

5  结  论

a. 利用基于Agent模拟的建模方法建立了模拟差别电价影响效果的多Agent模型，该模型中包含政府Agent、电力Agent、行业Agent三类Agent。该模型克服了传统数学模型考虑因素不足的缺点，能够更全面地反映微观个体与宏观经济之间的联系。模拟结果表明，采取差别电价政策将会提高社会的物价水平，同时还可以在一定程度上减少行业的用电量。

b. 当化学工业的电价上调39%，建筑材料业的电价上调35%，金属冶炼业的电价上调28%，居民消费价格指数(I_CP)上升约0.5 %，所以，我国的差别电价政策不会造成社会物价水平的明显上涨。

c. 本文没有涉及差别电价政策对经济系统中各行业产品的供应、需求等的影响，这有待进一步研究。

参考文献：

[1] 李 英. 多Agent系统及其在预测与智能交通系统中的应用[M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2004.
LI Ying. Multi-agent system and its application in forecasting and intelligent transportation system[M]. Shanghai: East China University of Science and Technology Press, 2004.

[2] 张世伟, 赵东奎. 一个基于主体的宏观经济模型[J]. 管理科学学报, 2005, 8(2): 7-11.
ZHANG Shi-wei, ZHAO Dong-kui. Agent-based model of economy[J]. Journal of Management Sciences in China, 2005, 8(2): 7-11.

[3] 傅 星, 林 寅. 基于多主体经济仿真的应用研究[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(2): 434-442.
FU Xing, LIN Yin. Application study of multi-Agent based simulation of economies[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(2): 434-442.

[4] 邓宏钟, 王军民, 谭跃进. 基于多智能体的整体建模仿真方法在经济系统中的应用研究[J]. 计算机应用研究, 2001, 18(10): 24-26.
DENG Hong-zhong, WANG Jun-min, TAN Yue-jin. The application of multiagent-based ensemble modeling and simulation method in the economic system[J]. Application Research of Computers, 2001, 18(10): 24-26.

[5] 袁家海, 丁 伟, 胡兆光. 基于AGENT的计算经济学及其在电力市场理论中的应用综述[J]. 电网技术, 2005, 29(11): 47-51.
YUAN Jia-hai, DING Wei, HU Zhao-guang. A critical study of agent based computational economics and its application in research of electricity market theory[J]. Power System Technology, 2005, 29(11): 47-51.

[6] 袁家海, 李 蒙, 胡兆光. 基于多Agent模拟方法的大用户峰谷电价响应研究[J]. 电网技术, 2005, 29(23): 44-49.
YUAN Jia-hai, LI Meng, HU Zhao-guang. Research on large customer response under time-of-use electricity pricing policy based on multi-Agent system simulation[J]. Power System Technology, 2005, 29(23): 44-49.

[7] 袁家海, 胡兆光. 基于智能体的电力合约市场协商模拟系统[J]. 电网技术, 2005, 29(11): 49-53.
YUAN Jia-hai, HU Zhao-guang. A multi-agent based negation simulation system for electricity contract market[J]. Power System Technology, 2005, 29(11): 49-53.

[8] 刘梅招, 杨 莉, 甘德强. 基于Agent的电力市场仿真研究综述[J]. 电网技术, 2005, 29(4): 76-80.
LIU Mei-zhao, YANG Li, GAN De-qiang. A study on Agent based electricity market simulation[J]. Power System Technology, 2005, 29(4): 76-79.

[9] 刘红进, 袁 斌, 戴宏伟, 等. 多代理系统及其在电力系统中的应用[J]. 电力系统自动化, 2001, 26(10): 45-52.
LIU Hong-jin, YUAN Bin, DAI Hong-wei, et al. Multi-Agent system and its application in power market[J]. Automation of Electric Power Systems, 2001, 26(10): 45-52.

[10] YU Jing, ZHOU Jian-zhong, YANG Jun-jie, et al. Agent-based retail electricity market: modeling and analysis[C]//Proceedings of the Third International Conference on Machine Learning and Cybernetics. Shanghai, 2004: 95-100.

[11] 康重庆, 江健健, 夏 清. 基于智能个体信念学习的电力市场模拟的理论框架[J]. 电网技术, 2005, 29(12): 10-15.
KANG Chong-qing, JIANG Jian-jian, XIA Qing. Theoretical fundamental and concepts of electricity market simulation based on Agents’ belief learning[J]. Power System Technology, 2005, 29(12): 10-15.

[12] 任玉珑, 刘 贞, 粟增德. 基于多主体的发电企业二阶段博弈模型仿真[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(17): 6-11.
REN Yu-long, LIU Zhen, SU Zeng-de. Simulation for two-phase game model of power plants based on multi-Agent[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2006, 26(17): 6-11.

[13] 宋依群. 电力市场的多代理模型[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(8): 80-83.
SONG Yi-qun. Multi-agent model of electricity market[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(8): 80-83.

[14] 邹 斌, 李庆华, 言茂松. 电力拍卖市场的智能代理仿真模型[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(15): 7-11.
ZOU Bin, LI Qing-hua, YAN Mao-song. An agent based simulation model on pool-based electricity market using locational marginal price[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(15): 7-11.

[15] 沈继楼. 完善差别电价政策促进资源节约和环境保护[J]. 价格理论与实践, 2006(10): 1.
SHEN Ji-lou. Improve power price discrimination and promote energy saving and environment protection[J]. Price: Theory & Practice, 2006(10): 1.

[16] 张友国. 电价波动的产业结构效应——基于CGE模型的分析[J]. 华北电力大学学报: 社会科学版, 2006(4): 36-41.
ZHANG You-guo. Potential effects of electricity price change on industrial structure—empirical analysis from different angles[J]. Journal of North China Electric Power University: Social Sciences, 2006(4): 36-41.

[17] 汪拥军, 文福拴, 孙东川. 基于价格歧视的区域差别电价机制[J]. 电力自动化设备, 2007, 27(3): 10-13.
WANG Yong-jun, WEN Fu-shuan, SUN Dong-chuan. Regional electricity pricing mechanism based on price discrimination[J]. Electric Power Automation Equipment, 2007, 27(3): 10-13.

[18] 郑玉歆, 樊明太. 中国CGE模型及政策分析[M]. 北京: 社会科学文献出版社, 1999.
ZHEN Yu-xin, FAN Ming-tai. China CGE model and policy analysis[M]. Beijing: Social Sciences Academic Press, 1999.

[19] 刘起运, 陈 璋, 苏汝劼. 投入产出分析[M]. 北京: 中国人民大学出版社, 2006.
LIU Qi-yun, CHEN Zhang, SU Yu-jie. Input-output analysis[M]. Beijing: China Renmin University Press, 2006.

收稿日期：2007-07-10；修回日期：2007-08-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(70572090)；美国能源基金会项目(G-0601-08211)

作者简介：谭显东(1979-)，男，四川彭州人，博士研究生，从事电力经济管理、电力经济政策模拟

通信作者：谭显东，男，博士研究生；E-mail: tanxiandong@163.com