基于灰色系統理論的中國天然氣供需預測預警研究

李洪兵 劉盈 唐紫涵 韓咪 羅雨 劉可

（1.四川師范大學工學院，四川 成都 610101；2.中國石油集團共享運營有限公司成都中心，四川 成都 610051；3.西南石油大學經濟管理學院，四川 成都 610500)

0 引言

中國能源消耗量現居世界首位，碳排放量不斷增加［1］。2020 年，習近平總書記提出了“碳達峰、碳中和”（以下簡稱“雙碳”）目標。隨著“雙碳”目標的實施，天然氣已成為能源低碳轉型期最具消費潛力的重要化石能源。在實現碳達峰前，天然氣消費量持續上升［2-5］，未來天然氣消費快速反彈的現象將涌現。隨著“十四五”能源規劃的推出，加速了能源結構優化升級的進程，天然氣已成為中國能源低碳轉型期不可替代的重要能源［6］。天然氣相較于煤炭、石油，其碳排放量更低且比電能、煤炭、石油效率更高［7］。與此同時，在“一帶一路”和新型城鎮化的推動下，天然氣在能源結構中的地位顯著提高，天然氣將成為未來能源發展的主流，天然氣行業具有巨大的發展空間［8］。天然氣在一次能源消費中占比持續提高，供不應求現象明顯，致使中國天然氣供需矛盾加劇。全球天然氣供需市場格局正悄然發生變化，國際天然氣貿易的不確定性日漸凸顯。能源安全與社會穩定和經濟發展息息相關，天然氣安全又是能源安全不可或缺的部分，影響天然氣安全的核心是天然氣供需狀態的變化。因此為保障能源安全，維護社會穩定和經濟健康持續發展，開展天然氣供需預測預警研究迫在眉睫，基于灰色系統理論對中國天然氣供需進行預測預警研究十分必要。

1 理論方法與模型

1.1 GM（1，1）預測模型

GM（1，1）模型在灰色系統理論中不僅是最基本也是被運用最廣泛的一種預測模型。該預測模型主要應用于解決存在指數變化規律的數據預測。優點是不需要大量的數據就可以對中短期進行預測，可以解決因數據不全和可靠性較低的問題，且精確度高、易于檢驗、計算簡便。計算步驟如下：已知數據X(0)＝X(0)(1 )，X(0)( 2 )，…，X(0)(n)

（1）對已知數據進行級比檢驗

如果所有的級比λ(k)都落在內，即符合模型灰色預測初等條件。反之則需要對序列x(0)做必要的變換處理，使其可以包含于θ內。

（2）根據方程式x(0)(k)＋az(1)(k)＝b計算a和b的值

計算已知數據的一階方程

（4）得到非齊次函數

其中a為GM（1，1）模型的發展系數，b為灰作用量。

1.2 預警評價方法與模型

1.2.1 預警指標權重的確定方法

為實現預警指標權重值準確性提高的目標，分別運用熵值法和序關系分析法從客觀和主觀兩個角度來確定預警指標權重。熵值法是根據歷年指標值的改變趨勢來確定各項指標的權重，用該方法可以避免由于人為因素而帶來的誤差。但由于熵值法會因指標細微的變化導致指標權重發生大的改變，因此將熵值法與序關系分析法相結合計算綜合權重可提高準確性。序關系分析法對于熵值法而言，序關系分析法不會由于評價指標的變化而影響指標間相對重要性程度。相對于層次分析法優勢在于不需要建構判斷矩陣且無需一致性檢查，操作性強。

1）熵值法

①選取數據：共有m個樣本數量，n個因素指標Yij表示第i個樣本中第j個指標，其中i＝1，2，3，...m；j＝1，2，3，...，n。

②對數據標準化處理確保各指標計量單位一致和方向統一。

正向指標（越大越好的指標）：

負向指標（越小越好的指標）

③計算樣本權重：

④計算第j項指標的熵值：

⑤計算第j項指標差異系數

⑥計算各項指標

2）序關系分析法（G1法）

①根據熵值法計算的權重值，來確定各項指標互相的序列關系：若指標xi比xj重要則記作xi＞xj，按照這一原則，并結合行業專家提供的評價結果，確定評價指標的重要性排序。

②確定相鄰指標間的相對重要程度：設定專家對評價對象的評價指標xk-1和xk的相對重要程度之比進行賦值：

其中n是天然氣安全的評價指標總數，n＝9

③計算指標權重：

最后通過G1法求得權重集合為wk＝(w1w2，…，wn)

3）綜合權重

綜合權重即是將熵值法所得權重與序關系分析法所得權重進行組合得出的綜合權重值。本研究將客觀權重與主觀權重視為同等重要，即各占50%，則通過加權計算出天然氣各預警指標綜合權重值，計算公式為：wi＝0.5qj＋0.5wk。

1.2.2 灰色關聯綜合評價方法

灰色關聯分析法是通過子序列和母序列的幾何形狀類似程度來判斷其相互關系是否緊密，進而得到其安全度。灰色關聯分析法的優點是對樣本或者樣本的數量是否具有規律性沒有特殊要求，且其量化結果和定性分析結果差異性較小，同時計算量小。計算步驟如下：

（1）確定子序列和母序列：有i個樣本數量和j個指標， 每一個yi(j)(i＝1，2，3，…，m；j＝1，2，3，…，n)表示第i年第j個指標值。y0(j)為每個指標的最優值。

子序列為：

母序列為：

（2）將各個指標數據進行無量綱化處理：

無量綱化子序列：

無量綱化母序列為：

（3）計算比較序列中每個元素與參考序列相對應元素的差的絕對值、最大值和最小值：

（4）確定各項指標的權重值，已從客觀和主觀角度求得各項指標的綜合權重。

（5）計算灰色關聯系數：

其中ξ為分辨系數，通常取值為0.5；δmin＝

（6）計算安全度：

利用灰色關聯系數與各預警指標綜合權重的乘積表示測度，將所得預警測度值轉變到（0，10］范圍，計算公式和轉換公式分別如下。

2 中國天然氣供需預測預警分析

2.1 預警指標體系建構

在能源結構轉型進程的大力推動下，中國天然氣能源供需便成為關注的焦點。為充分了解中國天然氣未來供需發展狀態，通過對目前已有權威文獻的梳理分析［9-16］，并結合當前中國國情，從供給、需求、市場、社會4個方面，選取儲采比、自給率、儲量指數、消費占比、消費強度、進口依存度、進口集中度、保障系數、碳強度及人均GDP 共10 個指標，構建中國天然氣供需預測預警指標體系，如表1所示。

表1 中國天然氣供需預警指標體系表

其中指標包括儲量指數、保障系數的原始數據均來自《bp世界能源統計年鑒（2012-2021）》；消費占比以及人均GDP 均來源于國家統計局；國內生產總值、天然氣產量、天然氣消費量及能源消費總量的數據均來自于國家統計局；碳年均排放總量、天然氣前3名國家進口量、天然氣總進口量的數據均來自《bp 世界能源統計年鑒（2022）》；中國年底可采儲量、天然氣采出量數據來源于《中國統計年鑒（2019-2021）》，自給率、消費強度、進口集中度、保障系數、碳強度由于未找到原始數據來源，將已知數據帶入表1中計算公式中計算得出數據。

2.2 預測分析

根據GM（1，1）模型的基本原理，運用matlab 軟件繪制出中國天然氣供需預測預警指標的預測值，結果如圖1 所示。根據平均相對誤差絕對值（MAPE）公式：，可計算得出儲采比的MAPE 為6%≤10%、自給率的MAPE 為2%≤10%、儲量指數MAPE 為4%≤10%、消費占比MAPE 為3%≤10%、消費強度MAPE 為3%≤10%、進口依存度MAPE 為4%≤10%、進口集中度MAPE 為3%≤10%、保障系數的MAPE 為1%≤10%、碳強度MAPE為2%≤10%、人均GDP的MAPE為3%≤10%，表明GM（1，1）模型預測效果為優［9］，預測結果可以用于預警綜合分析。

圖1 預警指標趨勢變化圖

由圖1分析可知，中國天然氣儲采比和儲量指數2022—2030 年將呈指數增長；中國天然氣自給率在“十四五”和“十五五”期間均將表現為線性降低趨勢；中國天然氣消費強度及消費占比將有穩定攀升的趨勢，在2030 年前中國天然氣消費量將持續增長。在新冠肺炎疫情席卷全球的背景下，2019 和2020 年中國天然氣進口依存度和進口集中度出現驟降點，造成全球貿易市場經濟相對滯后從而影響天然氣市場安全。后新冠疫情時期，天然氣市場出現回暖現象。隨著國內經濟的穩定發展、能源轉型的不斷推動、新型城鎮化的實行，中國人均GDP 和中國天然氣碳強度在“十五五”期間，前者表現為震蕩式增長后者為震蕩式下降，表明相關政策的實施將取得一定的成效。

2.3 預警分析

2.3.1 預警界限與等級劃分

根據熵值法對天然氣供需預測預警指標進行客觀計算權重，采用序關系分析法求各指標主觀權重，最后計算出綜合權重如表2所示：中國天然氣供需預測預警指標權重較大的4 個因子依次為儲采比、自給率、儲量指數、進口集中度；意味著該四個因子對中國天然氣供需影響相較其余指標影響更大。

表2 預警指標權重表

在已有研究成果基礎上，結合本次研究的預警指標權重，分析得出天然氣供需各預警指標預警界線和預警等級如表3、表4所示。

表3 預警界線表

表4 預警等級標準

2.3.2 預警綜合評價分析

由圖2分析可知，中國天然氣供需安全度將呈緩慢上升態勢，將從臨界安全狀態變為安全狀態，預警等級將從Ⅲ級轉變為Ⅳ級。結果表明：在2022—2030 年，中國天然氣供給將從臨界安全狀態上升至安全狀態，隨著油氣增儲上產持續加強，中國天然氣供給預警等級將由Ⅲ級上升至Ⅳ級；隨著能源低碳轉型的持續推進，中國天然氣需求量將不斷增長，中國天然氣需求安全等級將維持在極度危險狀態，預警等級將處于Ⅱ級；中國天然氣市場安全度雖有所下降，但在未來仍處于臨界安全狀態，預警等級將達到Ⅲ級；中國天然氣社會將處于安全狀態，雖然安全度將呈現出平緩下降趨勢，但其預警等級仍保持在Ⅳ級。

圖2 天然氣供需安全度趨勢變化圖

3 結論

從天然氣供給、需求、市場、社會4個維度選擇10 個預警指標構建天然氣供需預測預警指標體系，基于GM（1，1）模型對中國天然氣供需未來發展態勢進行預測；構建灰色關聯預警模型對中國天然氣供需狀態進行預警分析，得出以下結論：

1）中國天然氣供需總體狀態發展水平較為平穩，2012—2028 年中國天然氣供需狀況處于臨界安全狀態，預警等級處于Ⅲ級，2029—2030 年中國天然氣供需預警等級提升至Ⅳ級，表現為安全狀態。不斷促進清潔新能源和可再生能源的使用，將是提高中國天然氣供需預警等級的有效措施。

2）供給安全度穩步上升，從臨界安全狀態發展到安全狀態。國家能源局提出油氣增儲上產七年行動計劃，中國天然氣探明儲量和產量將持續增長［17-20］，中國天然氣供應能力將進一步提升。而天然氣消耗量的增長對天然氣供給能力會造成負面影響，天然氣消費力度持續增強促進了中國天然氣供需矛盾不斷加深。由此得出正確引導中國天然氣消費、增大天然氣開采和提高中國天然氣自給率是保障中國天然氣供給安全的重要措施。

3）需求安全度不斷下降，狀態屬性由臨界安全狀態轉變為不安全狀態。中國經濟高質量發展和“煤改氣”政策的實施，刺激了天然氣消費強度和消費占比持續升高。中國天然氣消費占比不斷提升，表明如今中國經濟發展愈來愈依靠天然氣能源，也從側面反映中國天然氣的供應壓力越來越大，致使2022—2030 年天然氣需求安全度也將不斷降低。因此提倡能源多元化、發掘其他新能源、降低天然氣消耗量減輕天然氣供應壓力、提升能源供需比等將是提高中國天然氣需求預警等級和縮小天然氣供需缺口的有效方法。

4）受到國際地緣政治影響，國際局勢的變化擾亂了國際天然氣能源發展的穩定狀態，致使市場安全形勢呈下降狀況，從安全狀態降至臨界安全狀態，預警等級由Ⅱ級轉變為Ⅲ級。雖然中國天然氣進口集中度在降低，但其進口依存度仍在上升，造成中國天然氣市場總體預警等級處于較低狀態。進口依存度持續升高正面反映了中國天然氣進口依然受到其他國家的制約。所以，保障中國天然氣進口的多元化，選擇穩定、安全的國家進口，降低中國天然氣進口集中度，改變天然氣進口鏈單一化現狀以及激勵性開采頁巖氣、煤層氣等資源是規避中國天然氣供需風險的又一重要舉措。

（5）社會安全度有緩慢降低趨勢，維持在安全狀態，預警等級仍保持Ⅳ級。煤炭、石油等化石能源的大量使用，導致大氣污染現狀加重和碳排放量持續升高；人口老齡化問題不斷降低中國勞動力質量進而影響國家經濟發展，是導致社會安全度降低的重要因素。因此以減排為目的、改善人口質量為宗旨、高質量發展經濟為核心，持續推進“氣改電”進程、不斷改善生育政策和高質量穩定發展中國經濟以降低中國天然氣社會風險；堅持“一帶一路”，不斷向“十四五”規劃和“雙碳”目標奮進，將“藍天計劃”貫徹到底是保障天然氣社會安全的重要措施。