BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在中國能源安全遠(yuǎn)景態(tài)勢預(yù)測中的應(yīng)用

○譚蓉娟 （廣東工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院 廣東 廣州 510520）

近年來，中國經(jīng)濟(jì)保持了持續(xù)高速發(fā)展的態(tài)勢，經(jīng)濟(jì)活動中能源的投入量越來越大，能源安全問題也變得越來越不容忽視，已經(jīng)上升到國家安全的層面。以往學(xué)術(shù)界對能源安全的研究大多限于從能源本身的角度出發(fā)，探討能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。然而，伴隨著能源在經(jīng)濟(jì)活動中使用量的飛速增長，能源使用引致的環(huán)境問題也變得異常突出，學(xué)術(shù)界對能源使用安全的研究開始興起。本文對能源安全態(tài)勢的研究是在把能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境作為一個相互影響和相互作用的系統(tǒng)來觀察的前提下，對影響能源安全的相關(guān)因素予以篩選和分類，以便客觀地描述同類因素內(nèi)部以及非同類因素之間的耦合關(guān)系，解釋各因素對能源安全的影響過程、結(jié)果和調(diào)控方式。

一、影響能源安全的因素及預(yù)測指標(biāo)確定

影響能源安全的因素非常復(fù)雜，各種因素對能源安全的影響程度也有所不同，主要可以分為以下幾類：能源本身的因素、政治因素、經(jīng)濟(jì)因素、運(yùn)輸因素、軍事因素、可持續(xù)發(fā)展因素和其他因素。本文主要是從經(jīng)濟(jì)、能源本身和可持續(xù)發(fā)展的角度對其進(jìn)行研究。因此，我們對能源安全態(tài)勢預(yù)測指標(biāo)的再次遴選也主要是基于這三大因素。由于我國煤炭儲量較為豐富，而石油與天然氣能源安全狀況不容樂觀，因此我們主要針對石油和天然氣兩種能源資源來確定其相應(yīng)的能源安全預(yù)警指標(biāo)。為了簡便起見，我們用S代表指標(biāo)，Si表示指標(biāo)體系中的第i個指標(biāo)，相關(guān)的的指標(biāo)表示如下所示。

1、石油儲采比S1。儲采比＝年底剩余石油可呆儲量／當(dāng)年石油產(chǎn)量。

2、戰(zhàn)略石油儲備度S2。戰(zhàn)略石油儲備度＝戰(zhàn)略石油儲備總量／國內(nèi)每天石油消費(fèi)量。

3、石油對外依存度S3。石油對外依存度＝石油年凈進(jìn)口量／本國年消費(fèi)量。

4、石油進(jìn)口集中度S4。石油進(jìn)口集中度＝本國進(jìn)口石油最多的前三位國家的石油凈進(jìn)口量之和／本國凈進(jìn)口石油總量。

5、油價波動率S5。油價波動率＝相鄰兩年間某原油的平均價之差／基期同種原油的平均價。

6、石油消費(fèi)強(qiáng)度S6。它是指單位實際國內(nèi)生產(chǎn)總值所消耗石油的數(shù)量。石油消費(fèi)強(qiáng)度＝一國的年石油消耗總量／該國當(dāng)年實際國內(nèi)生產(chǎn)總值。

7、天然氣儲采比S7。計算方法同石油儲采比。

8、環(huán)境污染對GDP的消耗度S8。環(huán)境污染對GDP的消耗度＝環(huán)境污染直接經(jīng)濟(jì)損失／當(dāng)年國內(nèi)GDP。

9、運(yùn)輸通道可靠性評價值S9。在這里，我們根據(jù)管道長度、輸油量和管道周轉(zhuǎn)量等指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)以及專家對能源運(yùn)輸?shù)能娛卤Ｕ夏芰瓦\(yùn)輸通道的安全性的打分評價值來估測。

10、長期能源進(jìn)口對GDP的消耗程度S10。長期能源進(jìn)口對GDP的消耗程度＝某年本國用于能源進(jìn)口的支出金額／當(dāng)年本國的GDP總量。

11、單位GDP對能源的消費(fèi)量S11。這一指標(biāo)是指生產(chǎn)每萬元GDP所需要消耗的能源數(shù)量，在我國通常以噸標(biāo)準(zhǔn)煤計算。

另外，考慮到我國實際情況以及數(shù)據(jù)收集的方便程度，各項預(yù)測指標(biāo)均采用年度數(shù)據(jù)，預(yù)測期限均定為一年；安全狀態(tài)分類與界限值是參照國際上公認(rèn)的臨界值標(biāo)準(zhǔn)加以確定，沒有國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的，根據(jù)我國的具體情況加以確定；權(quán)重系數(shù)采用熵值法加以確定。

二、使用改進(jìn)的熵值法確定各指標(biāo)權(quán)重

使用改進(jìn)的熵值法確定各指標(biāo)權(quán)重步驟如下：

第三步，用Zij代替xij按照前面的步驟來確定各指標(biāo)的權(quán)重。

經(jīng)過改進(jìn)的熵值法計算得到各指標(biāo)權(quán)重分別如表1所示。

表1 各指標(biāo)權(quán)重值

三、基于BP網(wǎng)絡(luò)的能源安全態(tài)勢預(yù)測研究

1、利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能源安全態(tài)勢預(yù)測的思路。能源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對非線性復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。這里，我們利用多層前向網(wǎng)絡(luò)中的一種學(xué)習(xí)算法——BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對中國能源安全進(jìn)行預(yù)警。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能源安全預(yù)警的基本思路是：整理代表性案例并提取能源安全案例的特征→對每個案例給出其整體能源安全狀態(tài)的評價值→將每個案例的特征指標(biāo)集作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入X=（x1，x2，…，x11），能源安全狀態(tài)評價的評價值作為輸出 Y，構(gòu)造一個輸入層有11個變量，輸出層有一個變量，中間為隱層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)→通過對案例（Xk，Yk）（k=1，2，…，p）的學(xué)習(xí)過程訓(xùn)練人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)→利用訓(xùn)練好的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對新的輸入得到新的輸出→得到預(yù)測值。

2、用主成分分析法確定網(wǎng)絡(luò)期望輸出值。我們利用SPSS的因子分析法作為間接的主成分分析方法。對標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析。當(dāng)我們提取5個特征值，累計方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到90%以上，可以求出各個主成分的表達(dá)式，最后計算各個主成分1995—2009年的得分并計算各年的綜合得分，如表2所示。

表2 1995—2009年各年綜合得分表

我們把能源安全狀態(tài)分為非常安全、安全、臨界狀態(tài)、危險和非常危險五個區(qū)間，因此我們在這里也劃分五個對應(yīng)的能源安全狀態(tài)得分區(qū)間，分別為[-∞，-2.4]，[-2.4，0]，[0，1]，[1，2.4]和[2.4，+∞]，則各個安全狀態(tài)得分區(qū)間所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)期望輸出值分別為[00001]，[00010]，[00100]，[01000]和[10000]。

3、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定。通過利用MATLAB7.0進(jìn)行實驗，我們最終確定該網(wǎng)絡(luò)具有8個隱層神經(jīng)元最為合適，在0.05的學(xué)習(xí)步長下網(wǎng)絡(luò)收斂速度最快而且最為平穩(wěn)，傳遞函數(shù)和訓(xùn)練函數(shù)分別采用TANSIG和LOGSIG，期望誤差為0.001，最大學(xué)習(xí)步數(shù)為100，選擇單層隱層網(wǎng)絡(luò)。我們已經(jīng)將能源安全狀態(tài)分為非常危險、危險、臨界狀態(tài)、安全、非常安全，分別對應(yīng)。因此，該網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果應(yīng)該有五個指標(biāo)，即輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為5。

4、計算結(jié)果與結(jié)論。通過MATLAB程序運(yùn)行我們可以看到，BP網(wǎng)絡(luò)在41步后達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)精度要求，并且通過對訓(xùn)練樣本和測試樣本在仿真結(jié)果與期望輸出值相對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者基本不存在誤差，這說明我們所建立的能源安全的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)的性能是比較可靠的。我們利用這一網(wǎng)絡(luò)對2015年和2020年中國能源安全形勢進(jìn)行預(yù)測，結(jié)論為危險狀態(tài)。

需要注意的是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能源安全態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)雖然是一種客觀的比較理想的非線性預(yù)測系統(tǒng)，但是它的解釋力卻不是很強(qiáng)，不能準(zhǔn)確地提供不安全因素來源的有關(guān)信息，即不能辨別能源安全系統(tǒng)中的哪一個子系統(tǒng)或者哪一項具體指標(biāo)出現(xiàn)了問題。因此我們必須通過與主觀預(yù)測方法，即指標(biāo)預(yù)測方法結(jié)合起來，從而增強(qiáng)能源安全態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)的解釋能力。

5、對能源安全態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)的再分析。指標(biāo)預(yù)測方法是一種主觀評分方法。我們可以將原始指標(biāo)數(shù)值映射為分?jǐn)?shù)值，然后計算出各個指標(biāo)的加權(quán)分?jǐn)?shù)。這種方法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法有機(jī)結(jié)合起來，既充分發(fā)揮了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的科學(xué)性和客觀性，又保留了指標(biāo)預(yù)測方法較強(qiáng)的解釋能力。

通過指標(biāo)預(yù)測法的調(diào)整可以得到2015年和2020年預(yù)警指標(biāo)的映射分?jǐn)?shù)值，如表3所示。

表3 經(jīng)過權(quán)重調(diào)整的2015年和2020年中國能源安全預(yù)警指標(biāo)映射分?jǐn)?shù)值

可見，到2015年和2020年，最主要的是石油能源安全狀態(tài)不容樂觀，系統(tǒng)中石油儲采比、石油進(jìn)口的對外依存度等指標(biāo)居高不下，而天然氣儲采比指標(biāo)甚至還大幅上升，這表明我國能源安全存在著相當(dāng)高的風(fēng)險，我國能源安全形勢依然嚴(yán)峻。

首先，石油儲采比指標(biāo)持續(xù)處于高位表明了在可以預(yù)見的遠(yuǎn)景中，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對石油的需求會維持高速增長，而國內(nèi)石油已探明可采儲量不會出現(xiàn)大幅增加，甚至可能出現(xiàn)一定程度的下降。而石油進(jìn)口依存度的不斷上升說明了在中長期之內(nèi)，進(jìn)口石油的可獲得性與來源地仍然將對我國能源安全狀況產(chǎn)生明顯的影響。

其次，隨著我國國內(nèi)對天然氣能源消費(fèi)需求的大幅增加，在未來二十年中，我國將加大對天然氣資源的開采和利用，因此我國國內(nèi)天然氣能源的消耗速度將迅速加快。這種情況提醒我們應(yīng)該積極尋求國外資源，通過進(jìn)口LNG等方式來滿足國內(nèi)天然氣消費(fèi)需求。

最后，環(huán)境污染對GDP消耗指標(biāo)、石油消費(fèi)強(qiáng)度和GDP單耗指標(biāo)的下降說明在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、能源大量使用的過程中提高能源利用效率和加強(qiáng)對環(huán)境的保護(hù)可以引致能源安全指標(biāo)風(fēng)險的降低。因此，在中長期的發(fā)展過程中，我們必須通過大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)、加強(qiáng)環(huán)境污染監(jiān)管與處罰等措施來保證我國經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境的綜合平衡，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。

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