基于ARIM A模型的我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)

薛黎明,侯運(yùn)炳,閆 旭,何 廣

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

能源結(jié)構(gòu)是一次能源總量中各種能源的構(gòu)成及其比例關(guān)系。我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)可以概括為“富煤、缺油、少氣”,與世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)相比較,我國(guó)一次能源消費(fèi)呈現(xiàn)出迥然不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):煤炭消費(fèi)比重基本上與世界上石油、天然氣的消費(fèi)比重相當(dāng),占60%～70%;而石油、天然氣的消費(fèi)比重則與世界煤炭消費(fèi)比重基本持平,只占20%～30%。煤是一種排放物污染程度較高的能源,在煤的生產(chǎn)過(guò)程中也是要消耗大量能源。因此,以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),決定我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)建立在高污染高能耗的基礎(chǔ)之上,這會(huì)極大影響我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量,與當(dāng)今世界提出的低碳目標(biāo)是極不協(xié)調(diào)的。因此,對(duì)我國(guó)的能源消費(fèi)總量及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)是非常必要的。在預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)我國(guó)的碳排放水平進(jìn)行預(yù)估,進(jìn)而制定出節(jié)能減排措施,對(duì)于中國(guó)樹(shù)立大國(guó)的負(fù)責(zé)任形象是非常重要的。本文將運(yùn)用ARIM A模型,對(duì)我國(guó)

1 預(yù)測(cè)方法的選取

對(duì)數(shù)量預(yù)測(cè)方法可以分為兩大類(lèi),一類(lèi)是根據(jù)某變量的過(guò)去值和現(xiàn)在值預(yù)測(cè)將來(lái)值;另一種方法是已知某時(shí)間序列的影響因素,通過(guò)回歸或其他方法運(yùn)用變量之間的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于我國(guó)能源消費(fèi)系統(tǒng)是一個(gè)具有很多不確定因素的系統(tǒng),影響因素比較復(fù)雜,本文通過(guò)第一類(lèi)方法對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在第一類(lèi)方法中,主要有兩種工具。一種就是利用灰色系統(tǒng)原理進(jìn)行預(yù)測(cè),另一種就是利用ARIM A模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。在對(duì)兩種方法進(jìn)行試算比較后,ARIM A模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較灰色系統(tǒng)理論所建模型的預(yù)測(cè)精度高,因此,本節(jié)運(yùn)用 ARIMA模型對(duì)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 ARIM A模型建模原理

ARIM A模型全稱(chēng)是差分自回歸移動(dòng)平均模型(Autoregressive Integrated Moving Average Model,簡(jiǎn)記ARIM A),是由博克思 (Box)和詹金斯(Jenkins)于20世紀(jì)70年代初提出的一種著名的時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法,所以又稱(chēng)為Box-Jenkins模型。ARIM A模型的基本思想,是將預(yù)測(cè)對(duì)象隨時(shí)間推移而形成的數(shù)據(jù)序列視為一個(gè)隨機(jī)序列,用一定的數(shù)學(xué)模型來(lái)近似描述這個(gè)序列。這個(gè)模型一旦被識(shí)別后,就可以根據(jù)時(shí)間序列的過(guò)去值及現(xiàn)在值來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)值[1]。

一個(gè) AR IM A(p,d,q)模型,由三個(gè)過(guò)程組成,AR(p)自回歸過(guò)程、M A(q)移動(dòng)平均過(guò)程和 I(d)單整過(guò)程。

2.1 自回歸過(guò)程AR(p)

如果一個(gè)線(xiàn)性過(guò)程可表達(dá)為

式中:φii,i=1,2,…p是自回歸參數(shù);ut是白噪聲過(guò)程,則稱(chēng) xt為 p階自回歸過(guò)程,用AR(p)表示。

2.2 移動(dòng)平均過(guò)程 MA(q)

如果一個(gè)線(xiàn)性隨機(jī)過(guò)程可用式 (2)表達(dá)式中:θ1、θ2、…、θq是回歸參數(shù);ut為白噪聲過(guò)程。則式 (2)稱(chēng)為 q階移動(dòng)平均過(guò)程,記為 M A(q)。將其稱(chēng)之為“移動(dòng)平均”,是因?yàn)?xt是由q+1個(gè) ut和ut滯后項(xiàng)的加權(quán)和構(gòu)造而成?！耙苿?dòng)”指t的變化,“平均”指加權(quán)和。

任何一個(gè)q階移動(dòng)平均過(guò)程,都是由 q+1個(gè)白噪聲變量的加權(quán)和組成,所以任何一個(gè)移動(dòng)平均過(guò)程都是平穩(wěn)的。

2.3 自回歸移動(dòng)平均過(guò)程ARM A(p,q)

由自回歸和移動(dòng)平均兩部分共同構(gòu)成的隨機(jī)過(guò)程,稱(chēng)為自回歸移動(dòng)平均過(guò)程,記為 ARM A(p,q),其中 p、q分別表示自回歸和移動(dòng)平均部分的最大階數(shù)。ARM A(p,q)的一般表達(dá)式是:

2.4 單整自回歸移動(dòng)平均過(guò)程ARIMA(p,d,q)

假設(shè)一個(gè)隨機(jī)過(guò)程含有 d個(gè)單位根,其經(jīng)過(guò) d次差分之后,可以變換為一個(gè)平穩(wěn)的自回歸移動(dòng)平均過(guò)程。則該隨機(jī)過(guò)程稱(chēng)為單整自回歸移動(dòng)平均過(guò)程,記為 ARIM A(p,d,q)。

3 我國(guó)能源需求結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

在對(duì)我國(guó)能源需求結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí),主要研究各種能源品種在能源消費(fèi)總量中所占的比例,因此,需要對(duì)能源需求總量和各種能源的消費(fèi)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 能源消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)

用EC表示能源消費(fèi)總量,為了消除其異方差性,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)數(shù)處理,用LN EC表示。本文將根據(jù)1978～2008年能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù),對(duì)2020年前我國(guó)能源消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè)。1978～2008年能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)源自相關(guān)年份的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.1.1 LN EC序列的平穩(wěn)性檢驗(yàn)

對(duì)我國(guó)1978～2008年能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 能源消費(fèi)總量時(shí)間序列的平穩(wěn)性檢驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 AR IM A模型識(shí)別

由平穩(wěn)性檢驗(yàn)結(jié)果知,應(yīng)對(duì)能源需求總量時(shí)間序列數(shù)據(jù)建立ARIM A(p,2,q)模型。

下一步,還需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的識(shí)別,確定 p、q值。

LN EC的二階差分用Δ2LN ECt表示,Δ2LN ECt時(shí)間序列的相關(guān)圖如圖1所示。

圖1 Δ2 LN ECt時(shí)間序列的相關(guān)圖

由序列相關(guān)圖可初步確定 p=2,q=2,將 p與q的所有可能組合 (2,0)、(2,1)、(2,2)、(1,0)、(1,1)、(1,2)、(0,0)、(0,1)、(0,2)用EV IEWS 6.0軟件進(jìn)行計(jì)算[2]。計(jì)算結(jié)果與檢驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)Δ2LN ECt時(shí)間序列建立ARM A(2,2)模型。建立模型形式為:

應(yīng)用Eview s6.0軟件,得到模型估計(jì)結(jié)果為:

由于

根據(jù)公式 (5)和公式 (6)有:

整理可得:

用EC表示能源消費(fèi)總量,ECF表示模擬值,原值與模擬值的比較見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出,所建立模型的預(yù)測(cè)效果較好。這里只列出2000～2008年的原值、模擬值與相對(duì)誤差值,見(jiàn)表2。表2表明,應(yīng)用該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)的相對(duì)誤差較小。

對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

應(yīng)用ADF檢驗(yàn)法對(duì)殘差的平穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明殘差為平穩(wěn)序列。

以上結(jié)果均表明,ARM A(2,2)模型可以作為L(zhǎng)N EC二階差分序列的預(yù)測(cè)模型。

對(duì)2009～2020年我國(guó)能源消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 LN EC序列原值、模擬值與殘差圖

表2 2000～2008年LN EC序列的原值、模擬值與相對(duì)誤差

表3 LN EC時(shí)間序列ARMA模型的檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 我國(guó)煤炭消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)

用CC表示煤炭消費(fèi)總量,為了消除其異方差性,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)數(shù)處理,用 LNCC表示。1978～2008年煤炭消費(fèi)總量數(shù)據(jù)源自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。依據(jù)1978～2008年煤炭消費(fèi)總量數(shù)據(jù)對(duì)2020年前的煤炭消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)煤炭消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè)的原理與能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)相同。由于篇幅所限,這里只給出預(yù)測(cè)結(jié)果。煤炭消費(fèi)總量的原值與模擬值的比較見(jiàn)圖3。對(duì)2009～2020年我國(guó)煤炭消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

3.3 我國(guó)非化石能源消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)

非化石能源指的是核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿瓤稍偕茉?。為了履行我?guó)在哥本哈根會(huì)議達(dá)成的減排協(xié)議,國(guó)務(wù)院2009年12月召開(kāi)常務(wù)會(huì)議,提出到2020年中國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%左右的目標(biāo)。因此,有必要按照目前的用能習(xí)慣、能源系統(tǒng)的特點(diǎn)及清潔能源建設(shè)速度,預(yù)測(cè)我國(guó)是否能夠達(dá)到該目標(biāo)。

對(duì)非化石能源消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè)與能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)的原理相同。這里只給出非化石能源消費(fèi)總量的原值、模擬值與殘差圖和預(yù)測(cè)結(jié)果。非化石能源消費(fèi)總量的原值、模擬值與殘差圖見(jiàn)圖4。非化石能源消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)2009年～2020年我國(guó)非化石能源消費(fèi)總量進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 原值、模擬值與殘差圖

表4 2009～2020年我國(guó)能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)值

圖4 非化石能源消費(fèi)總量的原值、模擬值與殘差圖

4 結(jié)論

(1)ARIM A模型可以作為能源消費(fèi)預(yù)測(cè)的工具,其預(yù)測(cè)精度很好。

(2)我國(guó)能源消費(fèi)總量持續(xù)增大。2015年我國(guó)的能源消費(fèi)總量將比2008年增長(zhǎng)30%左右,這對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排目標(biāo)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的快速增長(zhǎng)的能源需求,調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和節(jié)能減排依然是今后經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要任務(wù)。

(3)從預(yù)測(cè)結(jié)果看,盡管煤炭消費(fèi)會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)很大的負(fù)面影響,如果不改變當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和用能習(xí)慣,我國(guó)以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期是不會(huì)改變的,能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭仍占70%左右。要降低煤炭對(duì)環(huán)境的破壞作用,應(yīng)該做到以下兩點(diǎn):

①加快實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔利用。要達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo),首要措施就是實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔利用。在煤炭潔凈利用技術(shù)還不成熟、煤炭潔凈利用成本還較高的情況下,應(yīng)重視優(yōu)質(zhì)煤炭資源的勘探和開(kāi)發(fā),優(yōu)先利用優(yōu)質(zhì)煤炭資源,努力減輕對(duì)用煤環(huán)境的污染。②優(yōu)化煤炭定價(jià)機(jī)制。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)煤炭?jī)r(jià)格偏低,不能充分反映其不可再生成本和環(huán)境污染成本,在一定程度上造成了能源資源不合理配置。煤炭?jī)r(jià)格應(yīng)與其他商品的比價(jià)趨于合理化,與國(guó)際市場(chǎng)接軌,促進(jìn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。煤炭?jī)r(jià)格合理化不僅有利于節(jié)能,也有利于能源結(jié)構(gòu)的改善。

(4)2020年我國(guó)非化石能源的比重為11.9%,與之前提出的15%的目標(biāo)有一定差距。

為了實(shí)現(xiàn)清潔能源發(fā)展目標(biāo),我國(guó)必須加快清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,化石燃料占90%,水電和核電僅占10%,我國(guó)只占2.5%。化石燃料尤其是煤燃燒排放的二氧化碳,是導(dǎo)致氣候變化的主要原因。雖然全球化石燃料最終可采儲(chǔ)量至少還可供人類(lèi)使用100年,但開(kāi)采成本較低的儲(chǔ)量將在21世紀(jì)后期耗盡[3]。因此,無(wú)論是從環(huán)境角度來(lái)看還是從資源角度來(lái)看,必須加速發(fā)展可再生能源。在技術(shù)方面,要努力縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距,加大研發(fā)力度。在政策方面,國(guó)家要對(duì)清潔能源的發(fā)展給予支持,形成清潔能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,消費(fèi)領(lǐng)域也要提供激勵(lì)措施,建立新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制[4]。

[1] 高鐵梅.計(jì)量經(jīng)濟(jì)分析力法與建模 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2] 易丹輝.數(shù)據(jù)分析與Evicw s應(yīng)用 [M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2002.

[3] 杭雷鳴.我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)問(wèn)題研究 [D].上海交通大學(xué),2007.

[4] 羅佐縣,汪如朗.優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的思考 [J].天然氣技術(shù),2009,3(2):6-8.