基于滾動GM(1,1)的江蘇省天然氣消費預測

王飛飛，周偉杰

（常州大學, 江蘇 常州 213164）

能源對經濟具有支撐作用，但能源消費的持續增長，將會導致大氣中碳排放增多。為了能實現綠色經濟和可持續發展，碳的排放量應逐步減少。增加天然氣消費是減少碳排放的可選路徑之一。為此，準確預測天然氣消費具有重要意義。江蘇省位于我國東部沿海，屬于長三角經濟帶。其自然資源較少，能源較為短缺。長期以來，江蘇經濟發展受到能源制約。從2002年開始江蘇省能源消費進入了快速增長階段，且江蘇省能源消費結構嚴重不合理，使得環境問題也逐步凸顯出來。為此，準確預測天然氣消費能為江蘇省能源規劃提供政策建議。

1. 天然氣消費研究現狀

天然氣消費系統有非線性、復雜性、不確定等特點，其影響因素較多。利用統計計量和人工智能模型可以獲得較高的建模精度。然而，統計計量和人工智能模型需要大量的樣本才能確保建模結果的穩定性和精確性。而在實際中，大樣本量可能難以滿足。如經濟指標統計口徑的改變導致收集到的目標樣本變少，數據收集成本因素導致的樣本過少等。這使得部分學者開始尋求對樣本量要求較低的模型來預測。灰色系統以“部分信息已知，部分信息未知”“小樣本”、“貧信息”的不確定性系統為研究對象，通過提取系統內部的部分已知信息，達到認識系統規律的目的。鑒于灰色系統對樣本量及其分布要求并不嚴苛，以及在貧信息、不確定系統中也能維持較高的精度[1-2]，越來越多的學者應用灰色系統理論對其建模分析[3-5]。如天然氣預測、霧霾[6]、冰凌災害[7]、復雜裝備預測等[8]。全延增利用北京市2013年-2017年天然氣消費量數據,使用灰色分數階FGM(1,1)模型,對北京市天然氣消耗量進行預測,為政府、企業提供決策參考[9]。Shaikh提出優化的非線性灰色模型用于中國天然氣需求量預測中[10]。單一的灰色模型適合研究波動較小的時間序列，而對于具有明顯非線性季節特征的時間序列，其數據波動較大。為此有一些學者提出了組合預測方法。魏云云構建基于灰色關聯下的GA—Bp模型，用于能源需求預測季節序列[11]。盧奇構建組合預測模型應用于我國能源消費系統中[12]。Wang等人通過將季節性時間序列按月或季度劃分為不同的集，引入了一種數據分組的灰色組合模型來預測季度水力發電量[13]。結果表明，該方法優于其它基準方法。然而，灰色模型針對季節序列的預測并不多見。為了描述并處理月度、季度序列存在的季節性特征，有學者將季節因子與灰色模型結合來對季節序列建模，取得一定的預測效果。如針對南澳月度電力預測提出的SFGM(1,1)模型和針對中國季度電力數據構建的SGM(1,1)模型[14-15]。

本文將利用灰色GM(1,1)模型對江蘇省的天然氣消費進行預測，并根據預測結果，對未來能源規劃給出相應的政策建議。

2. 模型構建

定義1[16]設X(0)為非負序列，，1—AGO序列，Z(1)為X(1)的緊鄰均值生成序列，稱為GM（1，1）的灰色微分方程模型，同時，稱為灰色微分方程。

3. 江蘇省天然氣消費預測

基于國家統計局數據庫收集的江蘇省2005-2020年的天然氣數值，見圖1左側。可以看出，天然氣消費呈逐年遞增趨勢。同時，從圖1右側可見天然氣消費的增速在2008年后有較大幅度降低，在2011、2015、2017年有較大的增幅，整體而言，天然氣消費的增速呈現波動形態。這意味著在建模預測時需要考慮不同發展時期的特征，而不能用一個模型將所有年份數據都考慮在內。考慮到GM(1,1)滑動窗模型可以刻畫不同階段的發展速度，因此將利用GM(1,1)滑動窗模型來預測江蘇省天然氣消費數據。

圖1 江蘇省天然氣消費

在利用GM(1,1)滑動窗滾動建模時，采用多少個數據建模是需要分析的。為了計算簡便，本文將研究滑動窗口為固定常數下的GM(1,1)建模問題，對于變動窗口下的GM(1,1)模型暫不考慮。建模的步驟如下：

Step1.選擇建模個數為4、5、6、7、8、9、10、11， 4為GM(1,1)建模最少個數。預測個數為5，即h=5。

Step2.根據不同的建模擬合個數，對其分別進行滑動窗建模，如建模個數為6，則從原始序列中前6個數來構建GM(1,1)模型；并向前進行5步預測。

Step3.對不同窗口長度下的滑動GM(1,1)模型的5步向前預測計算其平均絕對誤差，從中找到建模的最優長度。

表1 不同窗口長度下的GM(1,1)建模精度

通過對江蘇省能天然氣耗費量在不同窗口長度下的建立GM(1,1)模型5步向前預測，其MApE可見表1。從表1可以看出，天然氣的最優建模長度為10。為此，本文利用2011-2020年的10個數據對江蘇省天然氣消費進行預測。結果見圖2。江蘇省天然氣在四十五期間的預測值分別為：372.20、426.11、487.82、558.47、639.35億立方米，總體上呈現遞增形態，這表明在未來5年，天然氣消費將逐步增加，這將有利于碳排放的降低，為江蘇省的經濟平穩健康發展提供保障，實現經濟的綠色發展。

圖2 江蘇省天然氣預測

4. 結論與建議

本文利用GM(1,1)模型對江蘇省天然氣消費進行預測，首先利用滾動GM(1,1)模型選出最優建模個數，其次在此基礎上，對在十四五期間的江蘇省天然氣消費進行預測。根據預測結果，提出以下相關建議。

4.1 努力增加天然氣產量

天然氣作為一種清潔能源，燃燒時產生的二氧化碳少于其他化石燃料，可以有效降低碳排放。在保持江蘇省現有天然氣產量的同時，要加大對揚子、鹽城地區天然氣的勘探開發力度，同時也要加大對礦業創新技術的重視。此外，為保證天然氣的穩定供應，采取多種途徑尋求天然氣來源也是十分必要的，如不僅可以從中亞國家進口液化石油氣，還能夠從俄羅斯和美國進口液化石油氣。

4.2 推進天然氣儲備體系建設

為了刺激天然氣消費的穩定增長，需要進一步提高江蘇省的調峰和應急供應能力。首先,在調峰設施的建設方面,優先建設儲氣庫和配備多種互補的渠道，由多個運營商,構建城市應急儲備設施，以便液化天然氣接收站天然氣管道加壓存儲。盡管江蘇省有3個儲氣庫，但仍需新建儲氣庫以提高調峰能力。其次，在應急供氣保障機制上，建立集供氣、儲氣、調峰、應急供氣、保障聯動為一體的綜合協調體系，積累相應的經驗，滿足高峰時期的天然氣需求。

4.3 建立天然氣市場化定價機制

理順天然氣價格形成過程，改革天然氣定價機制，既能有效釋放天然氣市場活力，又激發競爭力的重要因素。在借鑒美、英天然氣市場化定價的基礎上，江蘇省可以根據天然氣消費情況擇優開展天然氣價格改革試點。此外，要增加天然氣消費，既要優化能源消費，也需要鼓勵部分行業或企業選擇天然氣能源，同時也要逐步培養公眾環保習慣，增強公眾的環境意識。