工程7（2021）1678意见和评论用新范式黄文来，李景海中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京1001901. 介绍制定实现二氧化碳达峰和碳中和目标的最佳路线图，需要系统分析多层次的中尺度结构及其在不同部门和领域的治理多目标机制。然而，目前可用的分析大多基于传统方法，这些方法没有充分考虑不同程度的复杂性和异质性，或者没有充分合理地考虑多个目标。在这篇透视文章中，我们试图找出一个新的框架来处理这个具有挑战性的问题，在一个完全不同的多尺度复杂系统的paradigm中，这样一个全球性的挑战和科学的范式转变需要共同解决2. 与挑战有关的关键科学问题实现碳中和和能源革命（例如，中国提出的能源战略[1]，需要一个可靠、科学、合理的能源战略。这涉及到能源和工业部门的重组，是一个非常复杂的系统性问题，不仅涉及到系统的建模，还涉及到基于模型框架的相应标准体系的开发。因此，如果没有联合的全球行动，或者更重要的是，如果没有对各种战略的全球协调，就不可能实现全球变化目标。没有一个国家能够单独实现这些目标;因此，为了有效地完成所涉及的挑战任务，必须采取制定这样的战略需要系统思维，这也可以被视为科学研究范式转变的一个具体案例。能源战略的可靠性和可及性取决于能源部门的数据和模型，而这些数据和模型又受到行业和社会因素的影响然而，目前流行的能源模型（包括自上而下模型、自下而上模型和混合模型）还不完善[2]，需要在新范式的框架还必须在同一框架内进一步收集和整理数据在模型方面，自上而下的模型通常基于一般均衡理论[3];它们忽略了动态异质性（例如，输入、分配和区域的结构），并使用平均参数，这可能导致实质性偏差脱离现实自下而上模型是基于部分均衡理论，其中经济是外生的，政策约束很难引入。所涉及的成本通常限于技术成本，并且通常采用的成本最小化的单目标优化是不切实际的，并且可能导致不合理的翻转结果[2]。此外，所涉及的计算成本很高，很难将这些模型应用于大规模场景。混合模型是自上而下和自下而上的简单组合，没有引入必要的机制，因此无法从根本上消除上述缺陷。在数据方面，原始数据通常是庞杂和分散的，主要是由于异质因素的影响，因此难以直接有效地应用。因此，必须对原始数据进行整理，并将其整合到二级或更高级别的数据中。迫切需要一个突破，以解决这些问题，为这样的复杂的巨大系统的边界条件，涉及资源的可获得性，负担能力，以及生态和气候目标所带来的要实现这一突破，需要科学研究范式的转变，以克服所涉及的时空复杂结构所带来的困难因此，应对这一重大挑战的关键在于建立复杂系统模型和相应的标准体系。当前，二氧化碳排放达峰和碳中和目标明确，迫切需要突破现有能源模型的局限，建立准确高效的能源系统模型，开发高效求解器，构建各级动态数据库只有完成这些任务，才能有力地支持能源战略研究。这是目前最紧迫的任务。3. 基于新的复杂性范式建立复杂系统模型和区域能源战略研究至少涉及到三个相互关联的层次：单元技术层次、技术链层次和区域以上层次。每一层都有三个典型的尺度：单位尺度、系统尺度和介于两者之间的中尺度。理解和调控这些层次上复杂的中尺度结构是优化、设计和预测系统行为的关键中尺度行为https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.0052095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engW.L. Huang和J.李工程7（2021）1678本质上反映了不同主导机制之间竞争的妥协，也对应于多目标优化或变分问题[4]。最关键也是最难处理的是技术链层面，这是一个目前可用模型没有很好解决的关键层面。在这一层次上，单元尺度是单元技术的尺度，系统尺度是整个技术链的尺度，中尺度是中间尺度，在中间尺度上存在着复杂的技术链结构。技术链结构是通过不同能源技术在不同能源种类之间进行转换的网络在这一层次上，系统的输入是能源或资源供应、现有技术、资本以及经济、环境和社会指标。输出是需求的能量和能量转换的副产品初步研究表明，两个竞争的主导机制，在这一水平上的中尺度行为是节能和减少能量损失，与成本节约和减排。第一种节能和减少能量损失的机制采取具有最大累积能量效率的能量转换路线，以最小的供应能量或资源量生产最大的需求能量。节能减排机制采取的是累积成本和排放最小这两种相互竞争的主导机制的妥协导致了实际能源技术链的复杂结构。因此，能源工业可以在新的范式下进行结构优化。单位技术水平包括与下列各项相邻的尺度：而小于技术链层次的系统，前一层次的系统是后一层次的单元，即能量转换的单元技术在技术链层面上，单元技术是一条具有确定技术参数的单一路线。在单元技术水平上，单元技术系统包括与大量不同技术参数相对应的所有可能的处理路线此级别的单位是任何可能的处理路线。中尺度结构是各单元工艺不同工艺路线应用量的时空分布基于相应主导机制之间竞争的折衷（目前正在探索中），预计将得出明确的技术参数值，并可随后在技术链一级使用例如，技术链层面采用每种技术的成本、排放和效率等技术参数最好通过相应的多目标优化来实现这些参数的确定值，该多目标优化反映了控制不同路线的时空幅度分布的竞争机制之间的折衷取一个瞬时值或局部值，或者不同路径的简单平均值，都是没有意义的。这在各种复杂系统中是区域或以上级别包括与以下级别相邻的级别：而技术链层次的单元则是技术链层次的系统，即一定经济社会区域内一定部门内的整个技术链这个层次的系统是多个技术链组件的集合它的输入和输出构成了相应区域的能量流和物质流（包括碳流）.其制约因素是经济、环境、气候和社会指标。这一层次的中尺度结构基于控制这一层中尺度结构的主导机制（希望在不久的将来能够确定）之间竞争的妥协而获得的多目标优化结果有望直接引导能量相应区域的发展规划。 在区域之外，可能存在更多的层面，如国家层面、大陆层面，最后是全球层面--实际的歧视当然受制于特定的经济和社会关系。关于标准系统的设计，也应该考虑到上述三个或更多的层次。首先，我们应该在这些层次上建立模型，比如单位技术模型、产业结构模型和区域模型随后，这些层次应相互关联，形成整个系统的综合多层次、多尺度结构化模型，并引入边界条件。应相应地为每一级以及整个系统制定标准，以便利系统分析。也就是说，只有基于相应的模型，我们才能制定出有针对性的标准体系和系统的政策依据。因此，整个能源系统（与工业系统相关）可以进行定量分析和调节。总之，揭示各层中尺度结构的主导机制及其竞争与妥协关系，建立各层之间的相关性，将有助于发展有效的新能源模式和多层次数据系统。随着相关求解器的开发，将开发出一种全新的能源战略研究方法，以支持一个地区、一个国家乃至全球能源革命的规划和部署。该方法还将对技术路线的设计、二氧化碳峰值排放和碳中和标准的制定起到重要的指导作用，为多目标问题提供最优解决方案，避免路线选择上的失误。这种模式也可能适用于联合国提出的17个可持续发展目标[5]。在为一个区域制定了模式之后，我们可以进一步将其推广到一个国家，甚至全球，从而帮助促进全球战略的协调机制这种方法有望为有效实现全球目标铺平一条独特的道路。优化碳中和路线图不仅是人类可持续发展的全球性挑战，也是一个重大的科学问题。解决这一问题需要全球思维，开放和包容的合作尤为重要。致谢我们感谢中国科学院战略重点研究计划（XDA21010102）、科学挑战 计 划 （ TZ2018001 ） 和 中 国 科 学 院 国 际 伙 伴 计 划（122111KYSB20170068）的资金支持。我们感谢唐荣达先生帮助我们准备这份英文版的手稿。引用[1] 国家发展和改革委员会、国家能源局。[能源生产和消费革命战略（2016-2030年）][ 互 联 网 ] 。 2016 年 12 月 [ 引 用 日 期 ： 2021 年 4 月 26 日 ] 。可 查 阅 ：https://www.ndrc.gov.cn/fggz/zcssfz/zcgh/201704/W020190910670685518802.pdf。中文.[2] 能源-经济-环境模型的现状与未来发展。Energy Techno Econo2010;22（2）：43-9.[3] 张X。可计算一般均衡（CGE）建模和编程原理。上海：格致出版社、上海人民出版社; 2010年。 中文.[4] 李杰，黄伟.从多尺度到中观科学：在不同层次的中观制度中解决中观问题。AnnuRev Chem Biomol Eng 2018;9（1）：41-60.[5] Fu B，Wang S，Zhang J，Hou Z，Li J. Unravelling the complicity in achieving the17Sustainable-Development Goals. Natl Sci Rev 2019;6（3）：386-8.1679
