基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視角的中國精銅消費預(yù)測研究

張 念，曾洪生，劉宏浩

（1.中國有色金屬工業(yè)協(xié)會，北京 100814；2.江西銅業(yè)加工事業(yè)部 銅材公司，江西 貴溪 335424）

1 研究意義及研究綜述

1.1 研究意義

銅是人類經(jīng)濟社會進步與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和保障，隨著國家經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，對銅資源的需求呈階段性變化特點。在農(nóng)業(yè)社會中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門處于國家經(jīng)濟的主導(dǎo)地位，對銅的需求較小，其增長也較緩慢。進入工業(yè)化發(fā)展階段后，第二產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，逐步處于國民經(jīng)濟的主導(dǎo)地位。銅，特別是精銅的需求量呈快速增長之勢。因為工業(yè)化是人類大量耗費各種金屬，快速積累社會財富，不斷提高人民生活水平的過程，在工業(yè)化結(jié)束后，國家基礎(chǔ)設(shè)施和社會財富趨向飽和，加之科技水平不斷進步、資源節(jié)約繼續(xù)推進，精銅的需求增長也由急而緩并呈下降趨勢。研究表明，先期工業(yè)化國家經(jīng)濟增長與礦產(chǎn)品消費之間存在一定相關(guān)性，即人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）與人均礦產(chǎn)消費量呈“S”形曲線變化（見圖1）。

圖1 人均礦產(chǎn)資源消費與人均GDP“S”形規(guī)律

具體而言，自建國以來，我國銅資源消費一直呈現(xiàn)增長的趨勢。20世紀(jì)中期，由于建國初期國民經(jīng)濟恢復(fù)以及重點發(fā)展重工業(yè)的需求，我國銅消費年均增長率曾達(dá)到22.1%［1］；經(jīng)過60、70年代的較緩慢發(fā)展階段，改革開放后我國銅消費需求量增速加快；從20世紀(jì)90年代初以來，我國銅消費年均增長率超過13%，是全球平均消費增速的2.4倍。這一時期又可分為2個階段：第一階段（1991-1999年），這一階段的平均消費增速為7.05%，稍低于我國國內(nèi)生產(chǎn)總值年均增速；第二階段（2000年至今），銅資源消費量快速增長，這一階段的年均消費增速達(dá)到12.8%，大大高于我國國內(nèi)生產(chǎn)總值增速和全球精銅消費年均2.8%的增長速度［5］。據(jù)有關(guān)資料，2008年中國精煉銅消費量273.69萬t，超過美國的237.05萬t消費量，成為世界第一大銅消費國（中國經(jīng)濟信息網(wǎng)，2009）。2010年我國精銅表觀消費量達(dá)到745萬t，占世界的 40%［2］。

隨著我國經(jīng)濟新常態(tài)特點日益明顯，各類礦產(chǎn)資源的需求量增速也逐漸趨緩，銅消費拐點問題也變得逐漸突出，如何準(zhǔn)確預(yù)測這個拐點是目前學(xué)術(shù)界研究的熱點問題。本研究正是為此目的應(yīng)運而生的，準(zhǔn)確預(yù)測精銅的消費拐點會對促進銅產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)順利升級，推動整個國民經(jīng)濟健康發(fā)展都會有重要的指導(dǎo)意義。

1.2 相關(guān)研究綜述

Takashi Nishiyama研究了影響銅需求的主要因素，包括人口增長、生活水平的提高、技術(shù)進步以及經(jīng)濟增長等，他認(rèn)為生活水平的提高是最大的影響因素［3］。Lei Shen分析了城鎮(zhèn)化、主要能源及礦產(chǎn)資源供求與國內(nèi)生產(chǎn)總值增長之間的關(guān)系，認(rèn)為如果保持目前礦產(chǎn)資源的消耗速度，中國將長期面臨嚴(yán)重的資源短缺問題［4］。陳甲斌等定性分析了國際銅資源的供需狀況，指出世界精銅生產(chǎn)與消費的增長都在趨緩，基本可以達(dá)到供需平衡的局面［5］。陳甲斌等根據(jù)中國經(jīng)濟增長及社會用電需求量的增長趨勢預(yù)測至少在未來5-10年內(nèi)，中國銅消費與經(jīng)濟增長之間還將保持一種正相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為2010年中國的銅需求量應(yīng)在530萬t［5］。但2010年的實際消費量是680萬t，與其預(yù)測相差較大。汪鳴定性地分析了中國持續(xù)上升的銅需求及其主要問題和挑戰(zhàn)，預(yù)計未來幾年銅消費量將以600萬t/年的速度增長，同時銅消費量將因節(jié)能型社會的建設(shè)而穩(wěn)步增加［6］。也有些文獻從定量角度進行了分析，王健等研究了中國工業(yè)化及城市化兩個因素與銅需求之間的關(guān)系，指出銅消費在周期上與工業(yè)化的相關(guān)性明顯，在趨勢上與城市化發(fā)展的相關(guān)性略高于工業(yè)化發(fā)展趨勢［7］。

目前對銅消費量的預(yù)測主要傾向于定性預(yù)測或基于情景分析對已有數(shù)據(jù)的經(jīng)驗外推。徐曙光等根據(jù)銅消費增長的“S”型理論，認(rèn)為中國在2030年前都將處于曲線的中段，以人均銅消費與人均國內(nèi)生產(chǎn)總值之間的函數(shù)關(guān)系得出，2025年左右中國快速工業(yè)化將結(jié)束，精煉銅消費量將達(dá)到1000萬t左右的峰值，2030年的銅消費量不會超過1000萬t［8］。張峰基于情景分析法對中國2020年銅消費需求進行了展望，認(rèn)為2020年中國銅的消費量有2712.4萬 t、1774.1 萬 t、1074.5 萬 t三種可能［9］。理論上說，情景分析法在分析過程中根據(jù)不同情景采取不同的預(yù)測方法，定量、定性分析相結(jié)合，彌補了定性預(yù)測和定量預(yù)測的各自缺陷。但是在應(yīng)用于銅消費預(yù)測時，以上研究一般只考慮了與國內(nèi)生產(chǎn)總值增長的關(guān)系，而學(xué)者們對國內(nèi)生產(chǎn)總值未來增長的看法不一，這也是預(yù)測結(jié)果相差較大的原因。姜昌武指出電力、家電和建筑三大產(chǎn)業(yè)是銅消費的重要潛在動力，基于三大產(chǎn)業(yè)的未來可能發(fā)展推導(dǎo)出中國銅消費總量在2010年達(dá)到520萬t，2010-2020年之間平均增長率繼續(xù)放緩至3%左右，2020年中國銅消費總量將達(dá)到720萬t。消費總量可能在2015-2020年之間達(dá)到階段性高峰［10］。龔婷等深入分析了影響我國銅礦需求的五大主要因素，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了銅礦需求情景分析模型，對1991-2011年的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了測算，預(yù)測了2015-2025年我國銅礦產(chǎn)資源需求情景［11］。

2 精銅消費拐點預(yù)測方法及模型的建立

本研究項目通過計算機軟件運算，得出實驗結(jié)果，其中主要軟件包括：灰色關(guān)聯(lián)分析軟件—Grey Modeling Software（GM）3.0和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱。該軟件廣泛運用于國內(nèi)外學(xué)術(shù)機構(gòu)，在涉及關(guān)聯(lián)度分析以及趨勢預(yù)測分析研究方面表現(xiàn)良好。灰色關(guān)聯(lián)分析法在使用過程中對于大樣本和數(shù)據(jù)服從典型分布并沒有要求，樣本量無論多少以及數(shù)據(jù)是否有規(guī)律均可使用。由于現(xiàn)在多部分抽象系統(tǒng)研究的實質(zhì)是由很多方面共同決定的，灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析法在這些方面具有明顯的優(yōu)越性，所以在研究多因素決定的數(shù)據(jù)時，我們一般采用灰色關(guān)聯(lián)分析法。灰色關(guān)聯(lián)分析是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展趨勢、對研究系統(tǒng)進行綜合考量基礎(chǔ)上的分析方法，所考察的相關(guān)程度的強弱是由系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度來決定的。在用灰色關(guān)聯(lián)分析方法分析各個因素內(nèi)部聯(lián)系是否緊密時，我們基本是采用考察空間序列或者時間序列曲線的幾何形狀的相似性，這樣我們就可以得出其在關(guān)聯(lián)度的聯(lián)系上是否緊密。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的科學(xué)意義是誤差逆向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)階段的學(xué)術(shù)研究和現(xiàn)實生活中，是一種應(yīng)用比較多的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于它的前向反饋特性，BP網(wǎng)絡(luò)又屬于前向網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由三層構(gòu)成，第一層是輸入層，主要是處理輸入的數(shù)據(jù)；第二層是中間層，這一層可是單層，也可擴展成多層，主要是對數(shù)據(jù)進行前向反饋和處理；第三層是輸出層，主要是對數(shù)據(jù)的輸出。各層次之間通過神經(jīng)元進行連接，并以教師示教的方式學(xué)習(xí)。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)后，輸入層的神經(jīng)元得到響應(yīng)，產(chǎn)生連接中間層和輸出層的權(quán)值，且在逐層連接的過程中不斷的修改這個權(quán)值，使得實際輸出和期望輸出之間的誤差最小化，最后再回到輸入層。全局誤差小于給定的誤差值是結(jié)束交替過程的終止條件。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對于其他方法具有以下好處：（1）能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)；（2）容錯性強；（3）自我調(diào)節(jié)能力強；（4）綜合推理能力或泛化能力強。

3 精銅消費影響因素及灰色關(guān)聯(lián)性分析

為保證本研究預(yù)測的準(zhǔn)確性，課題組根據(jù)對六種精銅需求的實際影響程度，結(jié)合行業(yè)專家的意見，特選定了城鎮(zhèn)化率、第二產(chǎn)業(yè)增加值、GDP、固定資產(chǎn)投資、發(fā)電量和建筑業(yè)房屋施工面積等六種因素，作為對本課題研究的精銅消費的印象指標(biāo)。

本文的影響指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)是從1991年到2016年共26個時間序列數(shù)據(jù)，為了更直觀的了解精銅需求量與城鎮(zhèn)化率、第二產(chǎn)業(yè)增加值、固定資產(chǎn)投資、GDP的變化關(guān)系，表1反映了1991-2016年我國精銅屬消費總量與影響指標(biāo)的變化關(guān)系。

具體步驟如下：

（1） 將樣本數(shù)據(jù)進行整體的分析，利用灰色系統(tǒng)軟件計算我國精銅需求量和城鎮(zhèn)化年增長率、第二產(chǎn)業(yè)增加值年增長率、固定資產(chǎn)投資年增長率、GDP年增長率、發(fā)電量年增長率和建筑業(yè)房屋施工面積年增長率之間的灰色關(guān)聯(lián)度。

（2）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

令分辨系數(shù)ξ為0.5，計算得到關(guān)聯(lián)系數(shù)。

表1 1991-2016年我國精銅消費量年增長率與各種影響指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)一覽表

（3）計算關(guān)聯(lián)度

結(jié)合上述對數(shù)函數(shù)相關(guān)性分析，可見固定資產(chǎn)投資年增長率、發(fā)電量年增長率、GDP年增長率、建筑業(yè)房屋施工面積年增長率、城鎮(zhèn)化年增長率和第二產(chǎn)業(yè)增加值年增長率等六個因素對精銅需求量的影響都非常大，其中固定資產(chǎn)投資、發(fā)電量及GDP對精銅需求量的影響最大。

4 測算結(jié)果與建議

4.1 測算結(jié)果

在預(yù)測未來精銅消費量之前，本文首先利用數(shù)據(jù)擬合法求得六個影響指標(biāo)的未來數(shù)值，考慮到采用數(shù)據(jù)擬合法預(yù)測未來值時，時間越久誤差越大，因此，本文的預(yù)測時間是未來13年（即截止到2030年），具體預(yù)測結(jié)果見表2。

圖2 2018-2030年我國精銅消費預(yù)測（基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）

表2 2018-2030年我國精銅消費預(yù)測（基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）

4.2 建議

由以上計算可知，精銅消費在未來四年依然保持平穩(wěn)增長，直至2022年我國精銅需求將要到達(dá)峰值，即1118.1萬t，此后數(shù)年雖有小幅上揚（即2027年達(dá)1089.0萬t），但基本上將保持回落態(tài)勢。長遠(yuǎn)來看，銅資源和原料供應(yīng)瓶頸突出，在冶煉和加工環(huán)節(jié)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的勢頭有增無減，因此，應(yīng)該在科學(xué)掌控上游、確保原料供應(yīng)，優(yōu)化冶煉，跨越式發(fā)展深加工、扶植優(yōu)勢企業(yè)幾方面采取應(yīng)對措施。

（1）確保資源安全底線和原料保障。

資源不豐富，而且稟賦不好是我國銅工業(yè)長期發(fā)展過程中的短板，未來仍是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要制約因素。因此，最重要的是，要堅持實施“利用國內(nèi)外兩個市場、兩種資源”的資源戰(zhàn)略。一是堅持作為重點發(fā)現(xiàn)礦種，努力在國內(nèi)發(fā)現(xiàn)新資源，提高國內(nèi)礦山生產(chǎn)能力。《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》中明確規(guī)定，圍繞國家探礦突破行動，推動甘肅、新疆、云南、青海、內(nèi)蒙古等省（區(qū)）銅、鎳、鋰等重點成礦區(qū)帶礦產(chǎn)遠(yuǎn)景調(diào)查與找礦預(yù)測。大力開展礦山密集區(qū)和老礦山的深部邊部勘探，實現(xiàn)新老礦山有序接替。鼓勵銅、鋁、鎳等緊缺礦產(chǎn)以及金銀等貴金屬礦加速勘探開發(fā)；完善鎢等優(yōu)勢礦產(chǎn)限產(chǎn)保值機制，合理調(diào)控鎢礦開采總量控制指標(biāo)。特別強調(diào)要努力做好新疆天山、西南“三江”（金沙江、瀾滄江、怒江）、大興安嶺等銅資源前景較好成礦帶的地質(zhì)勘探工程。要盡快研究國內(nèi)礦山產(chǎn)能的安全底線以及相關(guān)扶持政策，通過債轉(zhuǎn)股、減稅清費、提高勞動生產(chǎn)率多種手段，保護好這些產(chǎn)能。運用經(jīng)濟手段，積極推動礦業(yè)整合，使有條件的銅礦山得到規(guī)模化，集約化開發(fā)，暫緩生產(chǎn)成本高，環(huán)境壓力大的新礦山的建設(shè)及保護現(xiàn)有的資源；二是開發(fā)利用好國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)的存量資源，如國外的普朗銅礦和秘魯特魯默克銅礦；三是努力獲取國外優(yōu)質(zhì)礦山，確保穩(wěn)定的國際原料供應(yīng)。

（2）對銅冶煉和加工產(chǎn)能增長實施總量控制。

中國一直以來都是電解銅和銅材的產(chǎn)銷大國，隨著經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的逐漸深化，技術(shù)進步使節(jié)約和替代使用步伐加快，我國銅消費增速放緩和產(chǎn)能快速增長的矛盾將日益突出。目前國內(nèi)銅精煉能力已經(jīng)超過精煉銅消費量，產(chǎn)能呈現(xiàn)過剩局面，但仍有較多的擬建和在建(含擴產(chǎn)改造)項目。單從資源角度看,銅的資源開發(fā)潛力遠(yuǎn)比鋁土礦、鉛鋅礦差,因此要有效控制銅冶煉產(chǎn)能過快增長，以免中國銅冶煉工業(yè)步電解鋁工業(yè)的后塵。加工方面，因為一些地方政府有著力發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的需要和冶煉企業(yè)向下游延伸的需求，近幾年銅加工投資增長很快，其主要集中在銅線桿和銅板帶領(lǐng)域。銅加工材多數(shù)品種也已經(jīng)處于產(chǎn)能過剩狀態(tài)。因此未來控制銅冶煉和加工產(chǎn)能的增長是結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵。

（3）建設(shè)具有國際化經(jīng)營能力的大型跨國公司。

隨著中國銅企業(yè)更多地投入到國際化市場競爭，中國銅企業(yè)正逐步完成從“引進來”到“走出去”、從“學(xué)習(xí)技術(shù)”到“技術(shù)輸出”、從“實體收購”到“資本市場運作”的轉(zhuǎn)變。銅冶煉技術(shù)方面，我國自主研發(fā)的氧氣底吹熔煉工藝得到成功應(yīng)用，通過技術(shù)創(chuàng)新的強化，懸浮熔煉工藝已經(jīng)完成了技術(shù)輸出。加工材方面，我國銅管產(chǎn)業(yè)技術(shù)裝備水平達(dá)到世界水平，并引領(lǐng)著銅管業(yè)裝備技術(shù)的發(fā)展方向，是主要出口品種。進入新世紀(jì)以來，我國在國際合作，境外開發(fā)方面的步伐加快，合作方式也不斷推陳出新，既有通過競標(biāo)直接收購獲得資源，也有融資合作的方式，但更多的是通過資本運作的方式，二級市場間接收購。繼2013年12月11日，中國海外最大的銅礦項目——中鋁秘魯特羅莫克銅礦正式投產(chǎn)之后，2014年7月由中國五礦集團公司所屬五礦資源有限公司牽頭組成的聯(lián)合體正式接手秘魯邦巴斯特大銅礦。該項目的最終交割支付金額為70.05億美元，成為迄今為止海外最大的銅礦收購。中國銅企業(yè)正在從單一的生產(chǎn)企業(yè)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢▏H化運作能力的綜合性企業(yè)。但是也要清醒地認(rèn)識到我們離全球一些知名的資源型企業(yè)尚有較大差距。主要表現(xiàn)在缺少國際化運作的專業(yè)人才、缺乏全球資本運作經(jīng)驗、對市場的判斷力和控制力弱等方面。因此，必須加強和注重這些方面的能力建設(shè),力爭在五至十年內(nèi)形成5～7家世界級的跨國公司。根據(jù)安泰科數(shù)據(jù)，截止到2015年，中國在境外實施的33個重點礦山項目中，獲得銅金屬資源量大約1億t以上，已經(jīng)超過了目前國內(nèi)現(xiàn)有的銅資源的規(guī)模，2016年底礦山產(chǎn)能已達(dá)到120萬t，冶煉產(chǎn)能55萬t。同時“一帶一路”也會給中國銅工業(yè)的發(fā)展迎來新的機遇，尤其在冶煉和加工產(chǎn)能的轉(zhuǎn)移方面提供了很好的機遇，但是要嚴(yán)防“轉(zhuǎn)而不移”的現(xiàn)象，避免加劇全球范圍內(nèi)的冶煉和加工產(chǎn)能的過剩。

（4）積極擴大銅的下游應(yīng)用。

與西方傳統(tǒng)銅消費大國不同，中國銅消費60%在電力和家電行業(yè)。雖然銅在傳統(tǒng)消費領(lǐng)域達(dá)到或接近峰值，但仍有潛力可挖。首先是新能源汽車領(lǐng)域。據(jù)了解，一臺新能源汽車用銅量比傳統(tǒng)汽車用銅量多出約80kg左右。按照規(guī)劃，到2020年我國新能源汽車產(chǎn)銷總量將達(dá)到500萬輛，可累計新增銅消費約40萬t。其次是在傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域。我國是銅水管生產(chǎn)大國，但銅水管的應(yīng)用卻遠(yuǎn)落后其他國家，特別是在醫(yī)療建筑、重要公共設(shè)施建設(shè)等相關(guān)領(lǐng)域，所以要加強這方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定，推動應(yīng)用。第三是在新材料方面。目前我國銅基合金加工材仍是短板，每年要進口20～30萬t來滿足國內(nèi)需求，而這些產(chǎn)品附加值高，利潤率是傳統(tǒng)銅加工材的幾倍甚至十幾倍，大有潛力可挖。