Trường Đai Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học & Kỹ Thuật Máy Tính

MÔN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Báo cáo bài tập
Mô Hình Toán Học Cải Tiến Đánh Giá
Lợi Ích Hợp Tác Quốc Tế Trong Việc Giảm Thiểu Khí C02

CBGD:
TS. Nguyễn Văn Minh Mẫn

Nhóm 5:
Phạm Phi Long - 7140245
Lê Trương Trọng Duy - 7140227
Trịnh Thị Hồng Nhung - 7140672


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

Mục lục
1 Giới thiệu

3

2 Biến đổi khí hậu
2.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Nguyên nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Hậu quả của biến đổi khí hậu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

9
9

5 Mô
5.1
5.2
5.3

hình hóa bài toán:
Mô hình EFOM và MARKAL trong quốc gia . . . . . . . . .
Mô hình EFOM-MARKAL đa quốc gia . . . . . . . . . . . . .
Thuế suất thống nhất hoặc thị trường cho giấy phép phát thải
Thanh toán chuyển khoản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Phương pháp một thị trường cho phép phát thải . . . .
3.4.2 Phương pháp dựa trên giá trị Shapley . . . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.


trường với mức độ ngày càng nghiêm trọng. Nhằm khuyến khích các quốc gia
tích cực tham gia giảm phát xạ khí CO2 . Bài báo đã đề xuất phương pháp
ghép các mô hình năng lượng quốc gia nhằm đánh giá lợi ích sẽ có được khi
các quốc gia tham gia xử lý khí thải CO2 . Mô hình này sẽ được đánh giá dựa
trên sự tham gia của 4 nước Châu Âu: Hà Lan, Bỉ, Thụy sĩ, Đức.
Keywords: Kiểm soát lượng khí thải CO2 , mô hình năng lượng , kỹ thuật giải quyết toán
học.

2


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

1

Giới thiệu

Mục đích của bài báo gồm 3 phần:
• Đề xuất một phương pháp để ghép mô hình năng lượng để đánh giá lợi ích hợp tác
trong việc giảm các khí thải gây ô nhiễm môi trường.
• Mô hình toán học và kỹ thuật phân tích giải quyết các mô hình năng lượng đa quốc
gia.
• Mô phỏng một sự hợp tác giữa bốn nước châu Âu Bỉ, Đức, Hà Lan và Thụy Sĩ trong
việc kiềm chế lượng khí thải CO2 của họ.

2

Biến đổi khí hậu


Hậu quả của biến đổi khí hậu

• Mưa acid, thủng tần Ozon, cháy rừng, lũ lụt, hạn hán, sa mạc hóa, băng tan.
• Hệ sinh thái bị phá hủy
• Mất đa dạng sinh học
• Thiệt hại về kinh tế
• Dịch bệnh

3

Mô hình hóa bài toán:

Trong phần này,chúng ta sẽ xem xét mô hình EFOM và MARKAL của mỗi quốc gia. Sau
đó, là mô hình kết hợp EFOM và MARKAL đa quốc gia, chúng ta sẽ thấy rằng mô hình
này có liên quan trong bối cảnh thuế suất thống nhất chung trong các quốc gia và một thị
trường giấy phép phát thải cân bằng. Cuối cùng, là đề xuất hai phương pháp để tính toán
chuyển khoản các khoản chi phí cần thiết (trong phương pháp tính thuế) để tạo công bằng
về lợi ích khi các nước hợp tác với nhau.

3.1

Mô hình EFOM và MARKAL trong quốc gia

EFOM và MARKAL là mô hình bottom-up hay còn gọi là tổng hợp hoặc quy nạp. Mô
hình mô phỏng thị trường cạnh tranh của các hãng năng lượng và công nghệ năng lượng

PPNCKH

Trang 4/14


• E là hệ số phát thải CO2 của ma trận.
• e là các vector mục tiêu phát thải CO2.
• P là các mô tả ràng buộc ma trận hệ thống năng lượng.
• p là Right-hand-side vector.[3]
Trong EFOM, những biến số chính là dòng chảy năng lượng di chuyển qua các hệ thống và
năng lực cần thiết để vận chuyển các dòng chảy. Trong MARKAL,các biến mô tả chủ yếu
là các công nghệ.Hơn nữa các nội dung chi tiết của các ràng buộc P x ≤ p là khác nhau
trong hai mô hình, đặc biệt là việc xây dựng các cơ chế cân bằng.
PPNCKH

Trang 5/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

3.2

Mô hình EFOM-MARKAL đa quốc gia

Bắt đầu từ sự khác nhau giữa mô hình EFOM và mô hình MARKAL trong mỗi quốc gia,
chúng tôi đã thiết kế một mô hình EFOM - MARKAL đa quốc gia lớn hơn. Nó liên kết
các mô hình quốc gia thông qua một tập các ràng buộc toàn cầu về khí thải CO2, vì thế
cho phép một nghiên cứu về hợp tác quốc tế để hài hòa trong nỗ lực giảm khí thải.Dạng
tuyến tính của mô hình EFOM và MARKAL cho N quốc gia có thể biểu đồ hóa như sau :
N

cTr xr

(1a)

(1a). Nó tương ứng để giảm thiểu tổng chi phí hệ thống cho N nước. Các chi phí này được
chuyển đổi trước với cùng 1 loại tiền tệ và do đó có thể được tăng thêm lên. Bài báo đã giả
định rằng các nền kinh tế của N các nước tương đối có cùng một trạng thái phát triển. Để
đưa vào tài khoản nền kinh tế của các quốc gia phát triển khác nhau, chi phí quốc gia có
thể có trọng lượng khác nhau, sử dụng các tỷ suất điện được mua khách nhau. Cuối cùng,
lưu ý rằng tổng giá trị của hàm mục tiêu có thể là vô nghĩa, như trong mô hình này các
PPNCKH

Trang 6/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

quốc gia không nhất thiết chiếm chi phí cố định như nhau. Tuy nhiên, sự biến thiên của
hàm mục tiêu có giá trị trong hai tình huống khác nhau (ví dụ, có và không có phối hợp
chính sách) có ý nghĩa vì nó đại diện cho tiết kiệm hoặc thêm chi phí phát sinh.

3.3

Thuế suất thống nhất hoặc thị trường cho giấy phép
phát thải

Các mô hình đa quốc gia EFOM-MARKAL (1) cho phép chúng ta xem xét một nhóm các
quốc gia, mà họ cam kết giảm lượng khí thải CO2 của họ theo một tỷ lệ nhất định. Để
thực hiện cam kết này,mỗi nước r = 1,...,N có thể đạt được một mục tiêu CO2 tương ứng
er . Có nhiều cách hiệu quả là cho các nước đang tồn tại đạt được hàm mục tiêu tổng thể
N

e=

r=1 er )bẳng cách sử dụng một loại thuế
thống nhất. Cách này hiệu quả hơn là mỗi nước tự quy định mức giảm, nó mang lại lợi ích
tài chính được gọi là "cổ tức hợp tác". Tuy nhiên, theo một thuế suất thống nhất như vậy,
một số nước r trong số N sẽ thải nhiều hơn mục tiêu ban đầu er và các nước còn lại phải
bồi thường bằng cách giảm nhiều khí thải của mình lại. Để đảm bảo lợi ích cho các nước
tham gia giảm lượng khí thải thì phương pháp này đòi hỏi phân chia công bằng các khoản
thanh toán chuyển giao giữa các nước. Việc tính toán được thể hiện qua 2 công thức sau:

PPNCKH

Trang 7/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

3.4.1

Phương pháp một thị trường cho phép phát thải

Có công thức là:
t∗r = v ∗T (er − Er x∗r )

(2)

• t∗r (t∗r ≥) là khoản nhận
• t∗r (t∗r ≤) là khoản trả
• v ∗ và x∗r là vector tối ưu.

3.4.2


PPNCKH

Trang 8/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

4.1

Tiếp cận trực tiếp

Trong hướng tiếp cận này, 2 phương pháp chủ yếu được sử dụng là "interior point" và
"simplex". Theo đánh giá, phương pháp interior point dù có ưu điểm hơn so với simplex,
nhưng có nhu cầu cần bộ nhớ vượt quá khả năng cung cấp của một máy tính đơn lẻ. Để
vượt qua trở ngại này, một số tác giả khác đã sử dụng biện pháp song song hóa. Tuy nhiên,
vào thời điểm năm 1998, phần cứng và phần mềm hỗ trợ cho giải pháp song song hóa đều
chưa phổ biến.

4.2

Tiếp cận gián tiếp

Phương pháp được chọn để sử dụng ở đây là "phân rã". Ý tưởng chủ đạo là mô hình hóa
bài toán ban đầu vốn chứa rất nhiều biến về thành một bài toán mới có ít nghiệm hơn.
Bài toán mới này vẫn đảm bảo tính "lồi" nhưng không khả phân. Những kĩ thuật đặc biệt
được dùng để giải quyết khó khăn của vấn đề toán học này. Nguyên tắc "phân rã" có thể
được giải thích với ý nghĩa kinh tế như sau: trong vấn đề của chúng ta có một người điều
phối quốc tế và N đại diện các quốc gia. Người điều phối có nhiệm vụ quản lý các tài

r=1

(4)

Trang 9/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

Trong phương pháp phân rã theo tài nguyên, cơ quan điều phối phải tính toán sự phân
bổ tối ưu (e∗r )N = (Er x∗r )N của các tài nguyên chung giữa N quốc gia, theo đó sự tối ưu sẽ
đạt được khii từng quốc gia tối ưu được hàm sau với er = e∗r :
gr (er ) = min{cTr xr : Er xr ≤ er , Pr xr ≤ pr }
xr

(5)

Vấn đề của tổ chức điều phối tương ứng với công thức sau:
N

min {
(er )N

N

er ≤ e}

gr (er ) :
r=1

hợp mô hình năng lượng. Ba nước Bỉ, Hà Lan, Thụy sĩ sử dụng mô hình MARKAL còn
Đức là mô hình EFOM.
Quan sát biểu đồ ta thấy đường gạch đứt thể hiện mong đợi tổng lượg khí thải của 4
nước là giảm 30% cho đến năm 2020. Nhưng thực tế khi mỗi nước sử dụng mô hình riêng
thì tổng lượng khí thải CO2 giảm rất ít. Đồng thời nhận thấy lượng khí thải CO2 của nước
Đức còn cao hơn rất nhiều so với ba nước còn lại. Để đạt được mục tiêu giảm 30% lượng
khí thải CO2 và tạo sự công bằng trong lợi ích kinh tế của 4 nước thì mô hình cải tiến
EFOM-MARKAL ra đời.
PPNCKH

Trang 10/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

Hình 2: Biểu đồ phát xạ khí CO2

5.2

Đánh giá hợp tác

Dưới đây là bảng thể hiện lợi nhuận của 4 nước có được Nhận thấy chi phí chi trả cho việc

Hình 3: Bảng giảm thiểu chi phí và lợi ích của hợp tác

thải khí CO2 của 3 nước Bỉ, Hà Lan và Thụy sĩ khi chưa hợp tác là nhiều hơn sau khi hợp
tác, còn Đức thì ngược lại. Nhắm khuyến khích Đức tiếp tục tham gia mô hình ba nước
còn lại đã đồng ý chia sẽ lợi nhuận với Đức, với mục đích các bên đều có lợi bằng cách cho
phép mua bán khí thải CO2 .

gia tăng lên thì việc tính toán sẽ rất khó khăn.

Hình 5: Bảng lợi ích hợp tác với giá trị Shapley

PPNCKH

Trang 12/14


Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

6

Kết luận

Hợp tác quốc tế được ủng hộ bởi hiệp định UNFCCC là lựa chọn hiệu quả để giảm lượng
khí thải CO2 . Các mô hình năng lượng EFOM và MARKAL là công cụ tốt để đánh giá
chi phí xử lý CO2CO2 . Và sự kết hợp mô hình EFOM-MARKAL (mô hình xem xét cả
thuế suất thống nhất quốc tế và thị trường giấy phép phát thải quốc tế). Đã đánh giá lợi
ích của hợp tác về xử lý chất thải CO2 đối với các nước khác nhau và cung cấp cái nhìn
sâu sắc về tác động của các hợp tác về các chính sách kế hoạch năng lượng quốc gia.
Mô hình EFOM-MARKAL là vấn để cần giải quyết trong lập trình toán học. Để làm như
vậy, tác giả sử dụng các kỹ thuật phân rã để tách mô hình hợp tác đa quốc gia . Sau đó
tiếp tục được giải quyết bằng ACCPM, một thuật toán tiên tiến để tối ưu hóa. Các ưu
điểm chính của phương pháp phân rã là giảm bộ nhớ và khả năng tính toán song song.
Kết quả được trình bày minh họa cho những lợi ích của hợp tác quốc tế về cắt giảm khí
thải CO2 . Sự hợp tác đã mang lại một lợi ích cho mỗi quốc gia nhờ vào các khoản thanh
toán bồi thường.