参数化建模

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇参数化建模范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

参数化建模范文第1篇

关键词：转向器；齿轮齿条；参数化；建模

0引言

根据某车的性能参数、市场需求及价格定位来对该车的转向系统进行设计，结合同级车型的转向器的选取将本次设计的转向器确定为齿轮齿条式转向器。对本次设计的转向器的结构形式和在汽车中的布置形式进行分析确定。

1选型

由于直齿圆柱齿轮和直齿齿条啮合会使转向器的运转平稳性下降，冲击增大，工作噪声增加等，本次设计采用的是斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合，可以使转向器的重合度增加，运转稳定、冲击力和工作噪声都有所减小，并且这样设计使齿轮轴轴线与齿条的轴线之间的夹角更符合本次的设计要求，降低了设计难度，简化了设计过程。从上述分析可以看出，齿条圆形断面不仅满足了本次的设计要求，而且制作工艺比较简单，结构也比较简单；有效地降低了设计难度和制造成本。所以选择的是齿条断面形状为圆形[1-2]。最终的方案确定为：侧面输入两端输出的输出形式；齿轮齿条为斜齿；齿条断面形状为圆形。

2参数化建模

CATIA是法国达索公司于1975年起开始发展的一套完整的3DCAD/CAM/CAE一体化软件。在对于小齿轮的建模主要用到起3D建模功能。由于采用包络原理仿真法建模，以小齿轮作为刀具，齿轮的建模精度直接影响到齿条的精度。通过熟悉软件的相关功能，并根据齿轮的相关几何特征，参考其他软件中的建模方法，总结出的CATIA建模方法，主要步骤如下[3-4]：在CATIA中的f（x）工具输入齿轮参数，通过fog功能定制齿轮渐开线的公式，绘制基圆、分度圆、齿根圆、齿顶圆及渐开线。将轮廓线与齿根圆倒角。建立一个平面A（通过z轴和渐开线与分度圆的交点），再建新平面B与A平面成一夹角，转角基准为Z轴，将轮廓线关于新建的对称平面做镜像，将轮廓线剪裁出来。平移和旋转工具，做出另一端面的轮廓线，用多截面曲面multisections做出齿曲面，插入零件设计模块，用closesurface命令分别将两个曲面闭合成实体，用环形阵列将齿轮的所有轮齿阵列出来得到齿轮。在零件设计模块中制作出的齿轮轴三维模型。结合齿轮和齿条的尺寸和配合尺寸，在考虑加工和轻量化等条件下进行建模。支架和齿条套建模。在catia转配设计模块中将上面所有零件进行装配，装配出的转向器三维模型如图1所示。

3结论

本设计通过资料的查询，了解到转向器的结构、原理以及国内外的发展，对转向器的分类和不同车型上的使用进行了分析。同时对转向器的设计也有了初步的方案；对转向器的类型的确定—齿轮齿条式转向器。

参考文献：

[1]胡海峰.转向器齿轮齿条设计与受力分析[J].科技创新与应用，2013.

[2]贾巨民，张蕾，唐天元，吴宏基，刘健.汽车变速比齿轮齿条式转向器的啮合原理[J].机械科学与技术，1998.

[3]邹光明，尹志朋，王东雄，刘源泂，汪豪蒂.基于不完全齿轮齿条机构的小车转向系统研究[J].机械工程师，2014.

参数化建模范文第2篇

一、三种传统参数化建模方法及其缺陷

方法一：使用特征与参数相结合的方式完成回转支承结建模，是最基础的参数建模方法，仅适用单种结构形式。

方法二：使用特征、参数、关系相结合的方式建模，运用Pro/PROGRAM对模型特征进行显隐控制来完成单种系列的回转支承建模。这种建模方式虽实现了回转支承的参数化建模，但存在以下问题：①建模者必须依据相关标准或将自己定义的回转支承参数输入到基础模型中，再生模型。②建立的各回转支承模型间，除建模方式一致外，无关联，无法体现模型的系列化。③在主机厂的设计过程中，对回转支承选型方面，无法提供帮助。本文所提及的方法一定程度上借鉴了该方法，并对其进行了改良，以实现更多的功能。

方法三：通过结合Pro/Toolkit与VC++对Pro/ENGINEER进行二次开发实现回转支承建模。此方法的开发难度较大，开发成本高，开发者需熟练运用三项软件，另外Pro/Toolkit不属于Pro/ENGINEER标准模块，且该模块价格昂贵。

二、标准与模型特征结构分析

以JB2300-1999为例，该标准将回转支承按照滚道形式的不同，分为单排四点接触球式、双排异径球式、单排交叉滚柱式、三排滚柱式四个系列；又分为三种传动形式，即无齿式、外齿式、内齿式；另外安装孔形式也分为螺纹孔和通孔。

回转支承根据所属系列的不同、传动形式的不同、安装孔形式的不同可衍生出二十四种结构形式。虽结构形式较多，但可结合J B2300-1999的型号编制方法与基本参数表来表示其结构尺寸，同时这方面也就形成了回转支承的参数化建模与族表管理的基础。

另外，在JB2300-1999参数表中出现了齿轮变位系数x ，而没有规定x 数值，但规定了齿顶圆d a直径。根据相关公式进行换算可得x=0.4，但实际应取x=0.5，原因为目前各回转支承制造厂商均以x =0.5进行齿轮变位，再以参数表中d a值对内外圈加工。

三、参数化建模

1.参数类型及定义

首先，根据回转支承的基本参数表定义结构参数，如图1和表1。其次规划渐开线齿轮绘制所需要的齿轮参数，如表2。表2的参数需通过表1，结合齿轮与渐开线绘制的相关公式计算生成。最后，规定安装及传动参数，如表3。

特殊用途参数定义的目的是为了使参数化建模更简捷方便。如外圈安装孔，当外圈安装孔为螺纹孔时，采用dm1=M14，L=28mm；外圈安装孔为通孔时，dn1=16mm，通孔无孔深，但实际上孔的深度等于内外圈高度即L =50mm，如此应两组参数对应两个孔特征。为简化建模步骤，在此省略螺纹孔的绘制，用盲孔替代，设定ASM_ND1参数为安装孔径，ASM_NH1为安装孔深度。在后续的关系设定中通过结构形式的判定，对孔径、深度进行赋值，如此即可用一个孔特征来完成该步骤建模，如图2。

2.全特征基础建模

在J B2300-1999标准的基本参数表中挑选一组参数，进行相关计算后将参数填入之前创建的参数表，在“Part_No”参数中填写“BASE”标识该模型为基础模型。然后依据填写的参数尺寸，对内外圈分别进行建模，内外圈建议建模顺序为：①结构体基础拉伸；②安装孔及其阵列；③外（内）齿轮特征组；④黄油孔及其阵列；⑤中心滚道的旋转实体去除。

建模中应该注意以下几点：①确保二十四种结构的任何一种特征都存在于模型中。例如，同时在内圈和外圈中创建齿轮；各种黄油孔特征都放置在模型上，如01系无齿、内齿结构形式的黄油孔放置在外圈圆柱表面，01系的外齿结构放置在外圈下表面，而在本模型中两处都应放置；②除结构体基础拉伸外，其他特征建立完成后应进行隐含，防止特征间的参照问题导致后续模型的再生失败，待建模完全结束后恢复各隐含特征；③齿轮特征组的制作在其他文献中已有详细描述。结果如图3所示。

同时，需建立滚动体模型，即钢球、滚柱两种模型，并根据J B2300-1999中钢球、滚柱的规定及参数表对模型创建族表。若无特殊需求，如主机厂设计者并不需要对回转支承的内部结构进行分析，则建议省略滚动体及其阵列特征，甚至是滚道特征，以减少在Pro/ENGINEER的内存消耗。

3.参数化驱动模型

完成基础建模后，打开Pro/ENGINEER工具菜单中的“关系”，在查找范围中选择特征（对于旋转及拉伸特征建议选择截面），并依次对各个特征的尺寸参数等进行参数赋值，实现参数化驱动，如图4。

4.关系运算及参数赋值

参数化驱动完成后，打开Pro/ENGINEER工具菜单中的“关系”，在组件中创建关系公式。参数化建模阶段，完成组件参数关系需进行以下三个步骤。

第一，根据“Part_No”选项判定模型的结构形式，并赋值于参数P_Ty pe。在关系中仅可以运用“If...EndIF”语句进行条件判定，判定的依据为读取“Part_No”中的字符串类型。其中需多次运用到函数extract（提取的字符串，提取起始位，提取位数）来提取“Part_No”中的信息，如If extract（Part_No，1，2）==”10”；P_Type0=1；Endif；本语句用于判定该结构形式是否属于单排四点接触球式系列，同理对其他系列、传动方式、安装孔及黄油孔的布置方式进行一一判定。

第二，根据“P_Type2”的类型为条件，对齿轮参数、安装孔参数赋值。

If P_Type2==1；

判定该模型为外齿轮传动形式，如果为真则进行下列计算；

分度圆直径CL_1_D=JB_M×JB_Z；

齿顶高CL_HA=（1+JB_X）×JB_M；

齿顶圆直径CL_1_DA=CL_1_D+2×CL_1_HA；

基圆直径CL_1_RB=CL_1_D×cos（20）/2；

齿根高CL_1_HF=（1+0.5-JB_X）×JB_M；

齿根圆直径CL_1_DF=CL_1_D-2×CL_1_HF；

Endif；

结束判定。

同理判定无齿、内齿轮传动形式。

判定内外圈的安装孔形式，通孔形式：

If P_Type2==0；

ASM_ND1=JB_DN1；

ASM_DH1=JB_OH1/2；

Endif；

螺纹孔形式：If P_Type2==1；

ASM_ND1=JB_DM1；

ASM_DH1=JB_L；

Endif。

第三，将建立的运算关系及所有参数进行复制，拷贝到内外圈零件中。实现零件与组件的同步。

5.Pro/GROGRAM的特征显隐驱动

打开内圈零件，记录齿轮特征组的特征ID，从工具选项卡中选择“程序”，开启Pro/PROGRAM，搜索记录的齿轮特征组特征ID，并在其代码END FEATURE前，增加语句：If P_Type1==1 | Part_No==”BASE”；寻找特征组中的最后一个特征，在其END FEATURE后添加EndIF。以上做法实现后，如果判定模型传动形式为外齿轮或者模型为基础模型（基础模型显示全特征），则创建外齿轮特征。同理，我们可以用这种方法来判定应创建的滚道类型、黄油孔类型等，如图5。

6.基于标准构建族表

接下来在Pro/ENGINEER中选择“族表”，并创建族表。选择表1中的参数以及内圈、外圈、滚动体元件作为族表的列。添加结束后，选择用Excel编辑，将JB2300-1999标准中参数表中的所有参数进行填写，保存并退出Excel，族表编辑完毕。在此应注意，“Part_No”列需根据J B2300-1999的命名标准进行填写，并在IFJB参数中填写“是”。完成后校验族表，至此已经完成J B2300-1999参数列表中所有回转支承的建模。

7.标准件选用与非标件创建

打开基础模型，根据设计者的需要选择结构尺寸、系列等，然后直接打开选定的回转支承标准件的模型。同时也可以使用族表中的查找功能进行筛选选取。

对于非标件，可以在普通模型的族表下增加行，填写参数，即可生成模型。值得注意的是Part_No参数应该根据命名标准进行填写，并在IFJB参数中填写“否”，以此来区分标准件和非标件。非标件建立后，选用方式与标准件相同。

四、辅助回转支承选型计算

利用参数建模、族表管理等方法，可以创建所有回转支承标准模型。同样也可以利用这种方法来辅助设计选型。

首先，在参数中添加回转支承选型用参数，如表4；并添加到族表列中。然后将回转支承性能方面的计算公式添加到关系中。

以挖掘机回转支承选型计算为例， 存在经验公式D02*d0/2T =f （f= 1 ～ 1 . 1 ）。因此在关系参数中添加“P _FMin=（JB_0DL/1000）2*JB_0DW/1.8、P_FMin=（JB_0DL/1000）2*JB_0DW/2.4。”

注：D0的单位为m，d 0的单位为mm；因为初次选型，故再次将安全系数范围扩大到0.9～1.2。

完成上述定义后，对族表进行重新校验，然后选择查找功能，输入选定条件P_MminEXT；其中，EXT为所设计挖掘机的目标吨位。族表过滤器将会推荐符合经验公式的回转支承供设计者选择，并提供所推荐回转支承的其他性能参数。图7中列出了满足30吨挖掘机的01系列、安装孔均为通孔的内齿轮回转支承。

参数化建模范文第3篇

【关键词】人机工程；眼点；SGRP；参数化；Catia

一、前言

任何产品最终面向的客户都是人，产品给人带来的感受决定了产品的市场占有率。因此所有产品的设计也就优先要考虑人机工程。可以说汽车造型决定客户看不看车，而人机工程则决定客户买不买车。汽车的人机设计的目的就是要开发出对于绝大部分百分位人体来说具有驾驶操纵高效、方便、舒适、不易疲劳、安全的乘坐驾驶环境。因此人机工程的设计也成为整车设计中主要的性能之一。目前也有很多专业用于人机设计软件例如：UG，RAMSIS等。但是作为设计人员来讲这些专门的软件有一定的弊端：或者是价格昂贵、或者与数据建模的软件版本不兼容需要转换数据、或者因为这些专业软件的设计过程都是固化的灵活性不能让设计师满意。使用Catia参数化设计可以完成人机设计和法规校核等工作，并且可以直接修改参数更新数模一劳永逸。本文将以内后视野设计为例进行参数化设计。

二、汽车人机工程设计内容介绍

三、后视野设计Catia参数化建模步骤

1.内后视镜法规要求

a.后视镜必须能在其反射面上绘出一个以高度为40mm底边长为a的矩形，其中：

，如图1所示。

b.后视镜必须为球状凸面镜或平面镜镜。

c.r值对于I类内后视镜必须大于1200mm。

d.反射面边缘在框架内，框架周边点C值≧2.5mm；若不在框架内，则其周边点C值≧2.5mm，且突出部位在50N的作用力下，能回到框架内。

e.内后视镜应在驾驶员位置上可以调节。

f.在驾驶员眼点后60000mm处能看见20000mm的视野区域。如图2所示。

g.对内后视镜：遮挡部分在与汽车纵向基准面垂直的铅垂面上时，其总和占所规定视野的15%以下。

h.后视镜的位置应保证驾驶员在正常驾驶状态下，能看清汽车后方和两侧道路上的路况。

2.Catia绘制步骤

1）输入从项目组得到的处于整车坐标系下后视镜数据。

2）在后视镜镜面上绘制国标要求矩形区域（如图1所示）。

3）确定驾驶员的眼点（如图3所示）。

4）确定后视镜旋转轴线（如图4所示）。

在常规曲面设计中用提取铰接轴销，并用绘制铰接轴销中心点，用绘制以中心点为原点，方向分别为z轴和y轴的两条线段，此两条线段即为旋转轴线（提示：应根据实际情况确定轴线）；

5）抽取镜面及镜面边界。

在常规曲面设计中用命令抽取内后视镜镜面，并用相同的命令抽取内后视镜镜面边界。

6）作镜面边界等分点。

用命令等分左右镜面边界，一般等分为30-50个点为宜。

7）通过等分点作镜面的垂线（镜像入射光线时会用到）。

用命令中的选项，依次通过每个等分点做镜面的垂线，长度自定（建议取30mm-50mm）。（结果如5图所示）

8）通过左右眼点作入射光线。

用命令中的选项，依次连接驾驶员左右眼点和镜面边界等分点。如图6所示（提示：在作入射光线时，左右眼点所发出入射光线颜色最好不一致，以免在以后的校核过程中出现错误）

9）通过镜面边界等分点垂线作入射光线的反射光线。

用命令依次将左右眼点的入射光线通过各自的镜面铅垂线进行镜像操作（如图7所示）。

10）延长反射光线并调整后视镜位置。

用命令中的选项，依次延长各条反射线。（提示：因后视野有风挡玻璃黑边等遮挡物建议此反射光线延长至车长即可。）

若反射光线区域不在后风挡玻璃中心区，用命令转动镜面使反射光线中心区处于后风挡玻璃中心区。判断：若反射光线包含玻璃黑边则等分玻璃黑边，连接左右眼点的虚像与玻璃黑边并延长70m处地面。若不包含则直接延长反射光线至70m处地面。

11）作地平面。

根据R点到地平面的距离，用命令创建平面，并在该平面内作地平面。

12）作地平面与反射光线的交点并以此连接交点。

双击命令，依次选择地平面和反射光线，作出地平面和反射光线的交点，用命令，依次选择反射线与地平面的交点。作出的曲线如下图所示（如图8所示）。

13）绘制国标规定可见区域。

选择地平面，通过进入草图绘制界面，根据国家标准绘制下图所示线框区域。

14）判断后视野是否满足相关国家标准。

观察上一步骤绘制的线框是否在反射光线与地平面交点所连接曲线之内。若在内，则表明该汽车后视野满足国家标准；若线框落在交点连接曲线之外（如9图所示）则表明该汽车后视野不能满足相关国家标准，需要进行调整或加大镜片等后续操作。

15）若因设计变更需要调整内后视镜布置位置或者更换镜面时可直接在结构树上修改参数和替换镜面曲面即可（如图10、11）。

四、总结

本文只是一内后视镜视野设计为例简单说明了Catia参数化设计在人机工程设计中的应用。上文中所有人机设计均可采用catia参数化设计，不再依赖UG、RAMSIS等专业的人机设计软件。运用参数化设计使得设计和修改过程变得十分简单，节省大量工作时间提高项目进展效率。

作者简介：

衣丽（1987—），女，辽宁抚顺人，工学学士，助理工程师，现供职于辽宁曙光汽车集团股份有限公司，主要从事汽车研发及工业生产过程控制。

田欣（1987—），男，辽宁锦州人，工学学士，助理工程师，现供职于辽宁曙光汽车集团股份有限公司，主要从事汽车研发及工业生产过程控制。

参数化建模范文第4篇

一、前言

在企业Pro/ENGINEER三维基础标准件库中，有大量螺栓、螺母和垫圈等外形相近的系列族表件模型，标准件库中族表建模与完善也是提高设计效率至关重要的一环。其中，有一类族表，其子实例是随着设计尺寸输入而定的，甚至还需要进行计算。随着设计产品的增加，其实例也不断增加，族表数据也越来越多，如果每次增加的实例都用手工输入，不仅增加工作量，而且容易产生重复实例及一物多码的现象。即使对于专门的标准件人员也需要对照图样逐个核对并计算，极大地影响了生产效率和产品设计周期，也加大了非设计因素错误。对于设计者，随着实例的增加，族表中的数据会变得非常庞大，设计时难以找到所需求的实例。

本文就以实际应用中“L”型管系为例，建立分层族表，加入参数关系的应用减少不必要的数据输入和计算，使其适用三维零件在Windchill标准件库中通用化、系列化要求。

二、L型管系族表模型的建立

1.模型分析

如图1所示 “L”型管系，该不锈钢弯管图号为：QBA-00-01；材料为：WC1Cr18Ni9Ti-d1×t； d1为27mm， L3为600mm， L4为350mm；弯管名称为：弯管27×600×350。

要建立该弯管的族表模型，如果把所有族表数据放在一起，如图2所示，标准件人员需要逐个输入弯管的外壁、厚度、长度和名称等各个参数，不但工作量大，也容易出错，随着产品实例的增加，设计者难以查找和使用。

2.分层族表

为提高设计效率和设计的准确性，减少标准件人员的工作量及非设计性因素的错误，可以采用分层族表形式，按照公称通径将外壁、厚度、折弯半径和材质等参数固定在第一级族表，如图3所示。而变化的参数则放在二级族表中，如图4所示。采用分层族表结构后，将一级族表锁定，其数据参数也不需要再重复输入，设计人员使用起来也很简洁方便。

3.关系式

分层族表建模后，为减少手工输入数据的工作量及非设计性错误，尤其是将实例名规范统一，避免一物多码的现象，利用尺寸驱动采用全参数化设计，标准件人员只需要输入L3和L4两个参数，校验后，其余参数通过添加关系式由系统自动计算生成。其中，在关系中添加程序如下：

WLJC=CNAME

TH="QBA-00-01"

STANDTH=TH /*二维图号生成关系式*/

DJZL=MP_MASS（""）

if DJZL

num_dec_place=4

else

num_dec_place=2

endif

CMASS=ceil（DJZL，num_dec_place） /*质量生成关系式*/

IF D==17

DT=10

ELSE

IF D==21

DT=15

……

ENDIF

TT3=FLOOR（L3）

TT4=FLOOR（L4）

IF（TT3！=L3&TT4==L4）

CNAME ="弯管"+ITOS（D）+"X"+ITOS（L3 -1）+".5"+"X"+ITOS（L4）

实例名=" QBA-00-01_DN"+ITOS（DT）+"_"+ITOS（L3-1）+"-5"+"X"+ITOS（L4）

……

ELSE

CNAME="弯管"+ITOS（D）+"X"+ITOS（L3）+"X"+ITOS （L4） /*名称生成关系式*/

实例名=" QBA-00-01_DN"+ITOS（DT）+"_"+ITOS（L3） +"X"+ITOS（L4） /*实例名生成关系式*/

ENDIF

三、L型管系装配族表模型的建立

1.模型分析

如图5所示“L”型组装管系图号：QBA-00-00；当 d1为27mm， L3为600mm， L4为350mm；两端均凸法兰的组装管系名称为：弯管组成DN20 A 27×614×364。

对于该组装管系，可以把所有参数放在一个族表数据中。在实际应用中，该方法不仅耗费了大量的精力去输入族表数据，还产生了很多尺寸计算的错误，也影响后期的编码和生产。

2.分层族表

如图6所示，按照法兰组合形式及管径将一级族表固定下来，这样标准件人员不需要对照图样去逐个选型，输入实例和其余变化的参数，如序号2弯管放置在二级族表中，打开DN32A为例，如图7所示，其中序号2零件M56模型实例名（可直接复制）输入后，利用关系式进行校验即可自动生成其他参数。

3.关系式

建立分层族表后，利用关系式将序号2尺寸传递到组装族表实例，法兰组合形式类型可以从组装族表实例名称中添加关系式提取，所以标准件人员需要什么规格族表实例时，只需要将序号2中管系实例名直接复制到图7的M56实例中，校验后系统可以自动计算名称、重量和组件实例名等。采用该方式族表建模，在设计过程中可以很方便地修改实例尺寸，不会因为忘记修改参数变量而出现二维图错误，很适合设计人员的使用要求，也极大地减少了建模的工作量。其中，二维图生成关系式、质量关系式和零件类族表类似；不同的是，装配族表件参数化过程中，需要提取零件参数，部分关系如下：

IF D：CID_56==17

DT=10

ELSE

IF D：CID_56==21

……

ENDIF

NAME1=REL_MODEL_NAME：1（）

JTLX=EXTRACT（NAME1，15，1） /*提取A、B、C法兰组合型号代码*/

TT3=FLOOR（L3：CID_56）

TT4=FLOOR（L4：CID_56）

IF（TT3！=L3：CID_56&TT4==L4：CID_56）

CNAME="弯管组成DN"+ITOS（DT）+" "+JTLX+" "+ITOS（L3：CID_56+14-1）+".5"+"X"+ITOS（L4：CID_56+14）

实例名="QBA-00-00_DN"+ITOS（DT）+JTLX+"_"+ITO S（L3：CID_56+14-1）+"-5"+"X"+ITOS（L4：CID_56+14）

4.零件编码和挠性设置

族表建模完成后，零件编码（LJBM）在Windchill升级时自动生成，其中，加入关系式后，CNAME和CMASS也可以不显示在族表中。同时，由于Windchill识别的唯一性，在装配时需满足两端法兰连接可以围绕弯管随意调整角度，同一管系在装配不同角度时，二维图中显示必须是同一个件，而不是两个不同件，这里，建模时还需加入角度和挠性设置，建模如图8所示。

四、族表在Windchill库中的使用和效果

实际应用中，包括杠杆、拉杆和其他各型管系等尺寸不断变化的标准件都可以采用上述方法进行参数化建模，即使是设计人员在本机上进行修改和添加实例时，因其参数化、规范化实例命名，也能够和Windchill服务器得到很好的更新和应用，而不必等标准化人员先输入实例再设计，节约了设计的时间和成本，也减少了人工输入的错误，提高了设计人员的工作效率和装配的准确性，应用效果如图9所示。

参数化建模范文第5篇

基金项目：教育部人文社会科学研究项目“基于产业链一体化视角下的中国经济圈能源效率差异研究”（10YJA790053）、四川循环经济研究中心项目（XHJJ-1028）、四川高校科研创新团队建设计划（13TD0009）资助おおお

摘 要：基于时变参数状态空间模型，以人均GDP和工业增加值占GDP的比重作为衡量工业化阶段的主要指标，以单位能耗GDP作为能源效率的衡量指标，实证分析工业化不同阶段对能源效率的影响。研究结果表明：在工业化发展的初期，工业成为经济发展的主导产业，工业对能源的巨大需求导致经济发展对能源的依赖性增强，人均GDP和工业增加值占比对能源效率的影响均较为明显；在工业化发展的中期，人均GDP对能源效率的影响趋于稳定，工业增加值占比对能源效率的影响逐渐趋于零。产业结构调整对改善能源效率的作用很小，加强区域间和国家间的节能技术合作可有效改善能源利用效率。

关键词：能源效率；时变参数；状态空间模型；产业结构；人均GDP

中图分类号： F206文献标志码： A 文章编号：16720539(2014)04007406

自改革开放以来，中国经济迅猛发展，能源消费量快速增长。2011年6月，中国能源消费量占世界消费总量的20.3%，超出美国19%，成为世界能源消费第一大国。中国高速的经济增长来自于重工业发展优先的经济发展战略，能源消费总量中工业能源消耗占比也较高。2011年起，中国工业能源消耗占能源消费总量的70%。中国工业发展 “高投入、低产出”导致中国能源利用效率远低于美国、日本等发达国家。随着工业化、城镇化进程逐步加快，经济发展与资源环境之间的矛盾日益加剧，提高能源效率成为中国一个亟待解决的问题。

以1978年不变价的GDP计算，1978年-2012年间，中国单位能耗GDP的变化趋势如图1所示。从总体上来看，中国单位能耗GDP逐步增加，由1978年的638元/t标准煤上升至2012年的2442元/t标准煤。从分段情况来看，1978年-1988年和1989年-1998年间，单位能耗GDP均处于上升趋势，但是后者的上升速度快于前者，这两个阶段均处于中国工业化发展的起步阶段。在2002年-2004年间，单位能耗GDP存在一定程度的下降，随后又出现增长，这一阶段对应于中国的工业化中期。目前，中国工业占比正在逐步下降，服务业快速发展，能源效率又将发生变化。中国工业化过程中，工业化的变动与能源效率是否存在一定的关系，两者之间的作用机制是什么？这是本文将要解决的问题。

一、研究综述

关于能源效率，国内外学者都进行了大量的研究，成果丰富。能源效率的评价与测算，主要分为两类：一类是单要素能源效率评价，通过计算能源强度或能源生产率进行测算和比较［1］；一类是全要素能源效率评价，主要基于生产函数进行测度［2］。能源效率影响因素是国内外学者研究的热点，经济发展水平［3］、产业结构［4］、技术进步［5］、能源价格［6］、对外开放程度［7］、市场化水平［8］等都是影响能源效率最主要的因素。

图1 1978年-2012年中国单位能耗GDP变化趋势

（以1978年为不变价格）

关于产业结构对能源效率产生影响的论断最早源于结构红利的假说，是基于Lewis的二元经济模型［9］提出来的。随后，学者们进行了深入研究。研究发现，在不同的经济发展阶段，工业化水平高低与能源消费强度（能源利用效率的倒数）的变化关系存在差异，即在经济发展水平较低时期，工业能源强度几乎为零；当工业化水平处于最高峰时期，由于技术革新、新工艺的采用以及新兴部门的出现和发展，能源强度开始上升并逐渐稳定，之后呈现下降趋势；当经济发展进入后工业化时期，服务业逐渐成为主导产业，能源强度持续下降［10］。实证研究证明，产业结构对能源效率存在影响，然而这种影响因研究方法、样本数据选取等因素的存在而有所不同。

目前，研究产业结构对能源效率影响的实证方法主要有两种：一种是采用因素分解法，该方法将能源效率分解为结构影响和技术影响［11］；一种是通过构建不变参数计量模型来验证产业结构对能源效率的影响［12］。由此，对于产业结构对能源效率的影响，不同学者有不同的结论。部分学者认为，就全国总体情况而言，产业结构对能源效率提高的促进作用比较明显［13］；也有学者认为，与技术进步相比，产业结构对能源效率提升的作用不显著［14］。除此之外，还有学者认为，随着经济发展阶段的不同，产业结构对能源效率的作用存在差异［15］。

通过对相关研究文献的总结，大多数学者采用不变参数的计量模型实证分析产业结构对能源效率的影响机制，但却忽略了产业结构在时间阶段上对能源效率的影响存在差异。本文将构建时变参数状态空间模型［16］，以人均GDP和产业结构作为衡量中国工业化阶段变化的主要指标，进而分析1978年~2012年中国人均GDP和产业结构对能源效率的动态影响，为提高能源效率提供政策性建议。

二、时变参数状态空间模型的构建

一般而言，变量之间的关系用不变参数的模型进行回归估计就可以满足研究的需求，然而为了更加深入地分析变量之间的关系（如在不同阶段的关系），不变参数的模型越来越跟不上研究的步伐，于是引入状态空间模型。状态空间模型主要用于估计不可观测的时间变量，描述的是变量之间随时间变化的动态关系。下面将对状态空间模型的形式进行描述。

状态空间模型包括两个方程：一个是量测方程，描述的是变量之间的数量关系；另一个是状态方程，描述的是变量前系数随时间的变化关系。

设yt是包含kЦ鼍济变量的k×1维可观测向量，ZtП硎惊k×mЬ卣螅得到如下方程：

yt=Ztαt+dt+μtВ1）

其中，tП硎狙本长度，即时间期间；Е联tП硎惊m×1维向量，是解释变量前系数，描述其与被解释变量之间的数量关系；dtП硎窘鼐嘞睿是k×1维向量；Е酞t为随机扰动项，这里假设其均值为0，协方差为HtАU飧龇匠坛莆量测方程。

一般而言，Е联t是不可观测的，但是可以表示为一阶马尔科夫过程，式子如下：

Е联t=Ttαt－1+ct+RtεtВ2）

其中，TtП硎惊m×mЬ卣螅描述Е联t随时间变化的系数；ctП硎惊m×1维向量，为截距项；RtП硎惊m×gЬ卣螅华Е弄tП硎惊g×1向量，为随机扰动项，假设其均值为0，协方差为QtАU飧龇匠坛莆状态方程。

当模型构建完成之后，模型中的参数需要得到估计值。可用卡尔曼滤波法解决这一问题，其计算原理是：当扰动项和初始状态向量服从正态分布时，通过预测误差分解计算似然函数，估计未知参数，并且在新的观测值得到后连续的修正状态向量。

设at－1П硎净于信息集合Yt－1У莫Е联t－1У墓兰屏浚Pt－1П硎竟兰莆蟛畹莫m×m协方差矩阵，即有：

Pt－1=E[(αt－1－at－1)(αt－1－at－1)′]

（3）

由此，当给定at－1Ш酮Pt－1时，Е联tУ奶跫分布的均值为Е联t|t－1=Ttαt－1+ctА9兰莆蟛畹男方差矩阵为

Pt|t-1 = Tt Pt-1 T\prime t + Rt Qt R\prime t （4）

其中t=1,2,…,TАI鲜隽绞匠莆预测方程。得到了新的预测值后，可以得到修正的估计值，进而得到更新方程为：

αt = αt|t-1 + Pt|t-1 Z\prime t F-1t(yt -Zt αt|t-1 -dt )（5）

Pt = Pt|t-1 -Pt|t-1 Z\prime t F-1tZt Pt|t-1 （6）

其中，Ft = Zt Pt|t-1 Z\prime t + Ht ，t=1,2,…,TА＊

为了研究工业化的不同阶段产业结构变动对能源效率的影响，可构建相关变量之间的状态空间模型来满足研究需要。为了描述工业化的不同阶段，这里用人均GDP和工业增加值占GDP的比重作为工业化阶段变迁的总量因素和结构因素。能源效率采用单位能耗GDP来衡量，即用GDP除以能源消费总量。相关经济数据来源于1978年-2012年全国统计年鉴和相关年份的《中国能源统计年鉴》。由于统计年鉴中GDP和工业增加值都是名义值，因此采用1978年为不变价格，对名义值进行平减。为了解决模型异方差，对人均GDP、工业增加值比重以及能源效率进行对数化处理。由于状态空间模型无法解决多重共线性的问题，因此一个状态空间模型中只包含一个解释变量和一个被解释变量。本文需要构建2个状态空间模型。

Yt=Xtαt+μtВ7）

其中Yt为被解释变量，即能源效率；Xt为对数化后的人均GDP或者工业增加值占比；Е联t为T×1У南凳向量；随机扰动项Е酞tУ姆讲钗Е要2μВ华tП硎臼奔淝间为1到TА8媚P褪橇坎夥匠獭＊

由于上述模型中的系数序列是不可观测的，为此可表示为一阶马尔科夫过程为：

Е联t=ρ0+ρ1αt－1+εtВ8）

其中Е血0Ш酮Е血1П硎敬估参数；Е弄tХ从均值为0，方差为Е要2εУ恼态分布。该模型为状态方程。

在状态空间模型中，假设Е弄tФ懒⒂讵Е酞tВЕ弄tв氇Е酞tУ姆植既缦拢邯

μtう弄t~N00,σ2μ 00 σ2ε〖HL)〗〖JB))〗〖JB))〗И

其中，NП硎颈淞糠从正态分布；随机扰动项Е酞tАЕ弄tУ姆讲罘直鹞Е要2μАЕ要2εА＊

三、人均GDP、产业结构对能源效率的影响实证分析

上面已经对状态空间模型进行了详细的阐述，下面将对状态空间模型的参数进行估计，采用的计量分析软件为Eviews7.0。

（一）人均GDP对能源效率的影响

首先，对人均GDP和能源效率进行统计描述分析。参考陈佳贵等［17］（2012）、张同斌等（2013）对工业化阶段的划分：1978年-2001年为工业化初期阶段，其中1978年-1994年为工业化初期的前半阶段，轻工业发展迅速，1995年-2001年为工业化初期的后半阶段，重化工业逐渐占主导；2002年以后为工业化中期阶段，2002年-2010年为工业化中期前半阶段，重化工业加速发展；2011年以后为工业中期后半阶段。

表1 1978年-2012年中国人均GDP和能源效率的统计描述数据

工业化初期阶段（1978-2001） 工业化中期阶段（2002以后）

前半阶段（1978-1994） 后半阶段（1995-2001） 前半阶段（2002-2010） 后半阶段（2011以后）

平均值

人均GDP 1309.98 6820.82 18051.16 36828.63

能源效率 973.35 1762.82 2038.29 2399.37

方差

人均GDP 1023.17 1203.80 7228.42 2306.36

能源效率 216.41 191.70 156.65 59.43

最大值

人均GDP 4044.00 8621.71 30015.05 38459.47

能源效率 1397.93 1994.61 2309.82 2441.39

最小值

人均GDP 381.23 5045.73 9398.05 35197.79

能源效率 638.00 1482.93 1856.97 2357.34

注：人均GDP/元；能源效率/元・吨标准煤-1

数据来源：1979年-2013年的《中国统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》的相关数据加工整理而来。

由表1可以看到，随着人均GDP的增长，能源效率也有大幅度的提高。在工业化初期的前半阶段，人均GDP的均值为1309.98元，能源效率均值为973.35元/吨标准煤，而在工业化初期的后半阶段，人均GDP的均值为6802.82元，远远大于前半阶段的均值，同时，能源效率的提升幅度较大。从工业化初期的前半阶段和后半阶段的方差来看，前半阶段的差异较大。在工业化中期阶段，人均GDP保持高速增长，同时，方差变为59.43，人均GDP和能源效率的变化逐渐平稳。由此可以初步判断，从总量来看，随着工业化阶段的变迁，能源效率变化趋势有差异。下面用状态空间模型进行进一步的证明。回归估计式如下：

lnYt=4.9608+αtlnGDPt+μt(9)

αt=0.005+0.9αt－1+εt(10)

回归估计式（9）是量测方程，描述了能源效率与人均GDP之间的总体回归关系。回归估计式（10）是状态方程，描述人均GDP对能源效率影响随时间变化的具体关系，可以看到该参数的自回归系数为0.9，状态序列具有显著的持续依赖特征。序列随时间变化的趋势图如图2所示。

图2 人均GDP对能源效率的动态影响

由图2可以看到，人均GDP对能源效率的影响系数变化范围为0.28～0.31。1978年起，工业开始发展，工业对能源的巨大需求导致经济发展对能源的依赖加大；1978年-1984年之间，工业化初期的前半阶段，能源消耗带来的经济生产总量提高迅速，能源效率持续提高；1984年-1992年，经济发展对能源效率的提升作用有所降低。其原因可能是能源的边际生产率有所下降，节能技术无法跟上生产的步伐，经济生产逐渐落入“高能耗、低效率”的粗放型生产方式中；1992年-1996年，经济发展的影响经过短暂的上升、回落后，开始迎来了提升的阶段，而该阶段是工业化初期的后半阶段。出现这一现象的原因可能是，工业化初期后半阶段，工业生产的技术有所提高和购买了国外先进的生产设备，能源利用效率有所提高，工业的快速发展再次带来了能源利用效率的快速提升。当工业发展进入中期阶段，“高能耗、低效率”的粗放型生产方式再次凸显，由于工业生产中节能技术的落后以及先进生产设备的缺乏，经济发展对能源效率的提升作用受到影响，且影响作用逐渐下降。

（二）产业结构对能源效率的影响

产业结构与能源效率之间的状态空间模型回归结果如下：

ИlnYt=9.4334+αtlnGYt+μt(11)

Е联t=0.006+0.9αt－1+εt(12)

回归估计式（11）是量测方程，描述了能源效率与产业结构之间的总体回归关系；回归估计式（12）是状态方程，描述了产业结构对能源效率影响随时间变化的具体关系。可以看到该参数的自回归系数为0.9，状态序列具有显著的持续依赖特征。序列随时间变化的趋势图如图3所示。

图3 产业结构对能源效率的动态影响

由图3可以看到，产业结构对能源效率的影响随着时间的推进而逐渐降低。系数的变化区间为-0.4~-0.01。根据系数的符号，工业增加值占GDP的比重越大，能源效率越低。1978年-2001年是工业化初期阶段，在这一时期，产业结构调整对能源效率的影响作用逐渐降低；1978年-1990年，工业发展开始起步，工业经济发展对能源消耗的需求逐渐增加，然而中国工业发展始终是依靠大量的能源消耗换取经济总量增长的粗放型发展方式，产业结构中工业占比的增加对能源效率的影响始终是负面的；1991年-2001年，系数的下降速度加快，原因可能是出口逐渐成为拉动经济增长的主力，而出口产品中工业初级产品的比重较高，从而导致工业增加值进一步扩大，粗放型经济发展方式进一步凸显，产业结构的变动对能源效率的负面影响减弱；2002年-2004年，产业结构对能源效率的影响有所增强，原因是服务业开始发展，产业结构中工业占比的下降带来了能源效率的提高；同时，服务业占比的提高能够为工业生产提供节能技术研发等服务，从而促进能源效率的改善。自2005开始，产业结构对能源效率的负面影响越来越小，这也验证了部分学者的观点，这可能是影响能源效率的因素中技术进步成为主导。以往，中国工业生产主要是依靠能源消耗，在进行产业结构调整时，促使高能效的行业发展能够带来能源效率的提升，然而当调整达到一定的程度后，这种影响会越来越小，因此从产业自身的角度进行节能技术的研发、购买节能设备、共享节能研发成果等方式能更加有效地改善能源利用效率。

四、结论

本文采用状态空间模型，以人均GDP和工业增加值占GDP的比重作为工业化阶段变迁的主要指标，以单位能耗GDP作为能源效率的衡量指标，实证分析工业化阶段变迁对能源效率的影响。研究结果表明：人均GDP对能源效率的影响为正，而工业增加值占比对能源效率的影响为负；人均GDP对能源效率的影响随时间的变化呈“M”型变化，而工业增加值占比对能源效率的影响总体随时间逐渐减弱；在工业化发展的初期，工业成为经济发展的主导产业，工业对能源的巨大需求导致经济发展对能源的依赖性增强，人均GDP和工业增加值占比对能源效率的影响均较为明显；在工业化发展的中期，人均GDP对能源效率的影响趋于稳定，工业增加值占比对能源效率的影响逐渐趋于零。

由于在工业化发展的不同阶段，能源效率所受到的影响存在差异，因此在制定提高能源效率政策的时候也要根据具体的经济发展阶段有所区别。目前，经济发展对能源效率的影响趋于稳定，但是经济发展对能源的依赖仍然较高，因此限制能源使用的能源保护政策可以控制能源的消耗，但是会影响经济的发展。与“拉闸限电”类似的方式并不利于经济的发展。而现如今产业结构调整对改善能源效率的作用很小，因此需要从提高行业自身素质方面提高行业能源利用效率。同时应鼓励节能技术开发，加强区域间和国家间的节能技术合作，这样可以有效地改善能源利用效率，节省生产过程中消耗的能源总量。

お

参考文献：

［1］史丹.中国能源效率的地区差异与节能潜力分析［J］.中国工业经济,2006,(10):49-58.

［2］魏楚,沈满洪.能源效率及其影响因素：基于DEA的实证分析［J］.管理世界,2007,(08):66-76.

［3］师博,张良悦.我国区域能源效率收敛性分析［J］.当代财经,2008,(02):17-21.

［4］谭忠富,张金良.中国能源效率与其影响因素的动态关系研究［J］.中国人口・资源与环境,2010,20(04):43-49.

［5］傅晓霞,吴利学.中国能源效率及其决定机制的变化――基于变系数模型的影响因素分析［J］.管理世界,2010,(09):45-54.

［6］杭雷鸣,屠梅曾.能源价格对能源强度的影响――以国内制造业为例［J］.数量经济技术经济研究,2006,(12):93-100.

［7］胡宗义,刘静,刘亦文.中国省际能源效率差异及其影响因素分析［J］.中国人口・资源与环境,2011,21(07):33-39.

［8］贺灿飞,王俊松.经济转型与中国省区能源强度研究［J］.地理科学,2009,29(04):461-469.

［9］Lewis W A.Economic Development with Unlimited Supplies of Labour［J］.Manchester School of Social Science,1954:139-191.

［10］Nakicenovic N,et al.Special Report on Emissions Scenarios: Report of Working Group Three of the Intergovenmental Panel on Climate Change［M］.Cambridge:Cambridge University Press,1998.

［11］丁建勋,罗润东.技术进步和产业结构对能源利用效率的影响［J］.山西财经大学学报,2009,(05)：45-51.

［12］臧传琴,刘岩.山东省全要素能源效率及其影响因素分析［J］.中国人口・资源与环境,2012,22(08):107-113.

［13］张瑞,丁日佳,尹岚岚.中国产业结构变动对能源强度的影响［J］.统计与决策,2007,(05):73-74.

［14］王迪,聂锐,赵月英,等.结构变动、技术进步的节能测算与区域比较――基于中国东部的实证分析［J］.科研管理,2011,(06):59-66.

［15］沈能,王群伟.中国能源效率的空间模式与差异化节能路径――基于DEA三阶段模型的分析［J］.系统科学与数学,2013,33(04):457-467.

［16］高铁梅.计量经济分析方法与建模［M］.第二版.北京：清华大学出版社,2009.

［17］陈佳贵,黄群慧,吕铁,等.中国工业化进程报告（1995-2010）［M］.北京：社会科学文献出版社,2012.

お

A Research on Chinese Energy Efficiency Based on the

TimeVarying State Space Model

お

WU Hao，GAO Hui

(School of Business, Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan 610051, China)

お