基于TOPSIS熵值法的中國(guó)傳統(tǒng)化石能源安全測(cè)度研究

王 磊 李世然 張 崗

（山東財(cái)經(jīng)大學(xué)國(guó)際經(jīng)貿(mào)學(xué)院，濟(jì)南 250014）

引 言

作為能源消費(fèi)大國(guó)，中國(guó)早在10年前就已躍居世界第一能耗大國(guó)的位置。2020年，中國(guó)能源消費(fèi)總量更是首次逼近50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)在能耗結(jié)構(gòu)方面，煤炭、石油和天然氣等化石能源比重仍高達(dá)84.1%，可以看出，傳統(tǒng)化石能源仍在我國(guó)能源消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位，能源安全在未來(lái)中長(zhǎng)期仍是我國(guó)國(guó)家安全的關(guān)鍵部分。當(dāng)前，我國(guó)能源安全面臨著諸多挑戰(zhàn)：（1）資源需求量大，能源供給壓力長(zhǎng)期處于高位。我國(guó)經(jīng)濟(jì)在改革開(kāi)放以后飛速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)體量越來(lái)越龐大，也就需要越來(lái)越多的能源支撐，由于能源供給不足所造成的能源威脅也就越來(lái)越嚴(yán)重；（2）能源結(jié)構(gòu)不平衡。我國(guó)煤炭資源豐富，但石油、天然氣資源相對(duì)匱乏，作為世界上最大的原油以及天然氣進(jìn)口國(guó)，巨大的能源進(jìn)口量直接拉低了我國(guó)能源安全水平；（3）我國(guó)能源開(kāi)采技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距。本世紀(jì)以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家依靠能源革命開(kāi)始實(shí)現(xiàn)一定程度上的能源供給保障，我國(guó)則仍處于能源需求大于供給的局面，對(duì)外依存度較高；（4）國(guó)際局勢(shì)動(dòng)蕩不安。石油、天然氣仍是影響全球各國(guó)經(jīng)濟(jì)、政治、軍事和社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，作為進(jìn)口大國(guó)，我國(guó)在開(kāi)展對(duì)外發(fā)展合作的過(guò)程中也始終將能源合作作為重要的考量因素。2020年，新冠肺炎疫情沖擊全球，造成石油價(jià)格波動(dòng)較大，由于我國(guó)石油進(jìn)口量高，從而在一定程度上降低了石油安全，但對(duì)于天然氣和煤炭影響較小。2022年2月，俄烏沖突導(dǎo)致國(guó)際油價(jià)8年來(lái)首次突破每桶100美元大關(guān)，國(guó)內(nèi)能源安全受到影響。中東地區(qū)一直是世界各方勢(shì)力關(guān)注的焦點(diǎn)，伊拉克、敘利亞等國(guó)家戰(zhàn)亂頻繁，國(guó)內(nèi)政局持續(xù)動(dòng)蕩，這些問(wèn)題共同威脅著世界的和平與安全。近年來(lái)隨著 “一帶一路”倡議的提出，中國(guó)與西亞各國(guó)的交流合作逐漸增多，但該地區(qū)頻發(fā)的政治風(fēng)險(xiǎn)也阻礙了 “一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)的能源合作。這些能源問(wèn)題共同影響著中國(guó)的傳統(tǒng)化石能源安全，所以結(jié)合當(dāng)前國(guó)際復(fù)雜局勢(shì)大背景及我國(guó)的新發(fā)展格局，對(duì)我國(guó)的能源安全進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)度并提出對(duì)策，已成為亟需研究的問(wèn)題。

1 能源安全評(píng)價(jià)方法研究綜述

伴隨國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)能源安全研究的不斷深入，能源安全測(cè)度方法的選擇成為研究能源安全問(wèn)題的關(guān)鍵一環(huán)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于能源安全測(cè)度的方法眾多，按照指標(biāo)集成處理的不同，在單指標(biāo)評(píng)價(jià)方面，針對(duì)能源使用的多元化程度評(píng)價(jià)，一般通過(guò)結(jié)合信息論方法，測(cè)定系統(tǒng)的香農(nóng)－威納指數(shù)（SWI）來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)；針對(duì)能源貿(mào)易市場(chǎng)集中度的評(píng)價(jià)，一般通過(guò)赫芬達(dá)爾－希爾曼指數(shù)（HHI）測(cè)算；針對(duì)一國(guó)能源進(jìn)口對(duì)國(guó)外的依賴程度評(píng)價(jià)，一般通過(guò)能源進(jìn)口依存度指數(shù)測(cè)定；針對(duì)一國(guó)能源價(jià)格的波動(dòng)程度評(píng)價(jià)，一般通過(guò)能源價(jià)格指數(shù)測(cè)定；針對(duì)能源消耗對(duì)環(huán)境的影響程度評(píng)價(jià)，一般通過(guò)使用碳強(qiáng)度指數(shù)測(cè)定。

近年來(lái)，伴隨能源問(wèn)題的愈加復(fù)雜化，單一指標(biāo)在進(jìn)行能源整體安全性評(píng)價(jià)方面已經(jīng)不足以反映核心問(wèn)題，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始基于集成評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測(cè)算評(píng)價(jià)。有學(xué)者運(yùn)用德?tīng)柗品?、主成分分析法，以及采用綜合石油消費(fèi)依存度、原油儲(chǔ)量替代率等指標(biāo)，設(shè)計(jì)全新的指標(biāo)體系，對(duì)能源安全進(jìn)行測(cè)度 （何賢杰等，2006）［1］；王小琴 （2016）［2］則利用層次分析法、加速遺傳算法、熵值法、灰色關(guān)聯(lián)分析法以及排序方法等分析工具，構(gòu)建能源安全評(píng)價(jià)體系；胡建波等 （2016）［3］基于PSR模型的構(gòu)建，研究能源供應(yīng)壓力與能源安全水平之間的關(guān)系問(wèn)題；郭玲玲等 （2015）［4］運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)我國(guó)能源安全系統(tǒng)的發(fā)展模式進(jìn)行模擬，并提出保障國(guó)家能源安全的建議；王陸新和潘繼平 （2019）［5］選用了熵權(quán)系數(shù)法和綜合評(píng)分法，從數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)3個(gè)方面來(lái)評(píng)估我國(guó)的石油安全情況；李云鶴等 （2020）［6］基于我國(guó)天然氣能源安全評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，對(duì)我國(guó)天然氣能源安全水平進(jìn)行量化評(píng)估；史丹和薛飲源 （2021）［7］則運(yùn)用熵權(quán)法、 TOPSIS和灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方式，測(cè)度中國(guó)的能源安全水平，并針對(duì)影響中國(guó)能源安全性的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析并提出對(duì)策。通過(guò)前文分析，單指標(biāo)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究方法，其優(yōu)勢(shì)在于能夠清楚直觀的考量和評(píng)價(jià)核心目標(biāo)因素對(duì)能源安全性的影響，而缺陷在于，不能對(duì)能源安全性進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)，對(duì)不同影響因素之間的關(guān)系也不能做出系統(tǒng)性分析。與之相對(duì)，集成評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)在于，能夠從整體上對(duì)能源安全進(jìn)行測(cè)度，而缺陷在于對(duì)于各種方法的適用性，學(xué)術(shù)界還存在一定的爭(zhēng)議。但總體來(lái)說(shuō)，面對(duì)國(guó)內(nèi)外越來(lái)越復(fù)雜的各類影響因素，針對(duì)集成指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法愈加成為當(dāng)前能源安全問(wèn)題研究的主流選擇。本文也從該角度出發(fā)，基于多維度構(gòu)建中國(guó)傳統(tǒng)化石能源的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2 能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

一國(guó)的能源安全所涉及的影響因素指標(biāo)非常復(fù)雜，因此相關(guān)問(wèn)題分析需要構(gòu)建科學(xué)合理的能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，充分結(jié)合本文針對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)化石能源安全性的分析需要，從資源、市場(chǎng)、環(huán)境和利用效率4個(gè)維度，共選取16個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建中國(guó)能源安全指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

3 能源安全測(cè)度

3.1 研究方法選擇

本文以中國(guó)傳統(tǒng)化石能源的安全性為分析對(duì)象，對(duì)煤炭、石油和天然氣3種能源進(jìn)行分析，同時(shí)構(gòu)建綜合能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，在分析能源整體安全度的基礎(chǔ)上，還測(cè)算影響因素的指標(biāo)權(quán)重，分析哪些方面的因素對(duì)能源安全性影響較大。因此，結(jié)合本文從整體到結(jié)構(gòu)，再到局部的研究需求， 借鑒王小琴（2016）［2］、 史丹等（2021）［7］的研究方法，選擇熵值法和TOPSIS法相結(jié)合的集成評(píng)價(jià)方法，通過(guò)熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，利用TOPSIS法測(cè)定最終結(jié)果與最優(yōu)解的歐氏距離，達(dá)到科學(xué)測(cè)定能源安全性的目的，對(duì)中國(guó)的能源安全進(jìn)行評(píng)估。

（1） 熵值法

熵原本是一個(gè)物理學(xué)概念，越來(lái)越多的學(xué)者將其引入信息論，運(yùn)用熵測(cè)度信息的不確定性，信息熵越小無(wú)序度就越小，表明指標(biāo)的可靠性就越高；信息熵越大無(wú)序度越大，表明指標(biāo)的可靠性就越低。在信息論中存在以下函數(shù)關(guān)系式H（x）＝－∑f（x）lnf（xk）， 其中等式右邊表示所提供的信息，由信息就可以得出等式左邊的信息熵H（x）。指標(biāo)變異程度越大，提供的信息越可靠，信息所對(duì)應(yīng)的權(quán)重也就會(huì)更大，反之亦然。因此，熵值法主要是通過(guò)檢驗(yàn)信息的無(wú)序程度，從而得出信息可靠程度，也就得到了每個(gè)信息相應(yīng)的權(quán)重，從而對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（2） 雙基點(diǎn)法（TOPSIS）

雙基點(diǎn)法（TOPSIS）是一種逼近于理想值的排序方法，其原理是針對(duì)歸一化的原始數(shù)據(jù)矩陣，計(jì)算得出每個(gè)指標(biāo)的正負(fù)理想解，得出正負(fù)理想值，繼而分別構(gòu)成問(wèn)題解決的最佳方案和最差方案。該方法主要是測(cè)算已有方案與最佳方案之間的距離大小，距離越小，方案越優(yōu)，反之亦然。

3.2 評(píng)價(jià)方法的具體設(shè)計(jì)

（1）利用熵值法獲得客觀權(quán)重

第一步：指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理：i表示年份（i＝1，2，3，…，n）， j表示指標(biāo)（j＝1，2，3，…，m）。

（2）利用TOPSIS法計(jì)算相對(duì)貼近度

由于各個(gè)指標(biāo)之間在量化方面存在著差異，所以要想更好地比較，必須把這些指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。

并按相對(duì)貼進(jìn)度大小排序，Ci的值越大，表示整體水平越優(yōu)。

3.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的實(shí)證數(shù)據(jù)中，國(guó)內(nèi)能源可采儲(chǔ)量、世界能源可采儲(chǔ)量、國(guó)內(nèi)能源產(chǎn)量、世界能源總產(chǎn)量、能源生產(chǎn)量、能源消費(fèi)量、能源各年價(jià)格等均來(lái)自 《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》；可采儲(chǔ)量、采出量、人口數(shù)、GDP、環(huán)境污染治理投資額等均來(lái)自 《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》；能源產(chǎn)量、總產(chǎn)量、能源的加工轉(zhuǎn)換產(chǎn)出量、能源加工轉(zhuǎn)換投入量等均來(lái)自 《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》；能源總進(jìn)口量等數(shù)據(jù)來(lái)自 《中國(guó)礦業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

4 對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)化石能源的安全性測(cè)度及綜合評(píng)價(jià)

4.1 TOPSIS熵值法測(cè)度結(jié)果

根據(jù)式 （6），可得16個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重，即可以得出16個(gè)指標(biāo)對(duì)3種傳統(tǒng)化石能源的影響程度。

根據(jù)式 （13），可以得出3種能源歷年的相對(duì)貼近度，同時(shí)也可得出3種能源歷年的安全水平。

從3種化石能源的安全性水平方面來(lái)看，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，2008～2020年，我國(guó)3種化石能源安全水平在0.1～0.9之間波動(dòng)，雖然最高的安全水平達(dá)到了0.84，但波動(dòng)幅度較大，所以從穩(wěn)定性和整體情況來(lái)看，我國(guó)的能源安全水平并不高。通過(guò)比較3種能源之間的安全水平，煤炭和石油的相對(duì)貼近度平均值分別為0.49和0.44，平均值較高，而天然氣的相對(duì)貼近度平均值為0.19，水平較低。石油的相對(duì)貼近度最高達(dá)到0.75，而最低為0.22，波動(dòng)幅度為0.53；天然氣的相對(duì)貼近度最高達(dá)到0.84，而最低可至0.08，波動(dòng)幅度為0.76；煤炭的相對(duì)貼近度最高達(dá)到0.62，而最低為0.34，波動(dòng)幅度為0.28。整體來(lái)看天然氣相對(duì)貼近度的平均值最低且波動(dòng)幅度最大，所以安全水平最低；石油的相對(duì)貼近度水平的平均值和波動(dòng)幅度都處于中間水平，所以安全水平居中；煤炭的相對(duì)貼近度水平的平均值最高和波動(dòng)值最小，所以安全水平最高。因此在石油、天然氣和煤炭3種化石能源安全性比較中，煤炭安全性最高，天然氣安全性最低，石油處于中間水平。

4.2 能源安全測(cè)度結(jié)果分析

如表2所示，影響石油、天然氣和煤炭資源安全性的最大單指標(biāo)因素分別是人均能源量、能源自給程度和儲(chǔ)量占比，其中，人均能源量和儲(chǔ)量占比都屬于資源類維度，表明對(duì)于能源安全水平來(lái)說(shuō)，一國(guó)本身占有這種資源的豐富程度對(duì)能源安全仍是最為重要的。2008年以來(lái)，3種能源的安全形勢(shì)都呈現(xiàn) “V”形特征，從歷年的能源安全性水平來(lái)看，2015年能源的安全水平最低，2018年能源的安全水平最高，且能源的安全水平在2008～2015年期間基本處于持續(xù)下降狀態(tài)，在2015年達(dá)到最低值之后開(kāi)始提升，但是安全水平還是總體處于較低水平。

表2 中國(guó)傳統(tǒng)化石能源安全性的各影響指標(biāo)客觀權(quán)重

表3和圖1顯示，石油的安全性在所統(tǒng)計(jì)區(qū)間最早的2008年處于最高水平，此后至2015年呈下滑趨勢(shì)，主要是因?yàn)殡S著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)石油資源需求量的上升，再加上2008年金融危機(jī)之后國(guó)際石油價(jià)格波動(dòng)較大，進(jìn)口量的增加加劇了石油的不安全性。2015年，中國(guó)石油安全達(dá)到最低水平，之后石油安全水平開(kāi)始回升。這是因?yàn)?015年石油國(guó)內(nèi)產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到峰值，之后開(kāi)采量雖然有所下降，但得益于國(guó)際油價(jià)大跌，加之 “一帶一路”倡議的提出，使得石油的安全性得到提高。2019年之后，世界經(jīng)濟(jì)下行、中美摩擦加劇、新冠肺炎疫情蔓延等種種因素造成國(guó)際環(huán)境惡化，石油供應(yīng)國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，導(dǎo)致石油價(jià)格不穩(wěn)定，且各國(guó)之間能源合作減少，使得石油安全性再次下降。

表3 中國(guó)各類傳統(tǒng)化石能源的整體安全測(cè)度

圖1 中國(guó)各類傳統(tǒng)化石能源的整體安全測(cè)度折線圖

近年來(lái)，天然氣的安全性程度一直處于較低水平，結(jié)合我國(guó)能源消耗的實(shí)際情況，在2008年金融危機(jī)之前，中國(guó)的傳統(tǒng)能源消耗還是以石油、煤炭能源為主，天然氣消耗占比不高。2008年之后，金融危機(jī)減緩各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程，國(guó)際環(huán)境愈加復(fù)雜，加之碳減排和環(huán)境保護(hù)的持續(xù)壓力，我國(guó)在能源消費(fèi)方面除了加快煤炭資源淘汰的同時(shí)，開(kāi)始逐步增加對(duì)天然氣資源的消耗比重。由于我國(guó)天然氣資源與石油一樣均較為匱乏，伴隨前者消耗規(guī)模的快速上升，表現(xiàn)出如測(cè)算結(jié)果顯示的天然氣能源安全性在低位維持的局面。2010年，美國(guó)頁(yè)巖氣革命的爆發(fā)，對(duì)天然氣的價(jià)格產(chǎn)生了沖擊，天然氣價(jià)格的上升，使其在清潔能源中的競(jìng)爭(zhēng)力不斷下降，安全性也隨之下降。2012年之后，天然氣的能源安全性才開(kāi)始逐步上升。因?yàn)槲覈?guó)加大了對(duì)天然氣的開(kāi)采力度，2015年我國(guó)天然氣探明儲(chǔ)量為3.7萬(wàn)億，2018年探明儲(chǔ)量快速增長(zhǎng)至8.1萬(wàn)億，在16個(gè)指標(biāo)中天然氣的能源自給程度是權(quán)重最高的，這在一定程度上提升了天然氣能源的整體安全性；另外，自2013年“一帶一路”倡議提出之后，我國(guó)在對(duì)外能源合作方面增加了更加多元化的能源進(jìn)口渠道和投資合作項(xiàng)目，這對(duì)我國(guó)在天然氣外部資源輸入方面提供了較為有力的保障支撐。

煤炭能源的安全性方面，測(cè)算結(jié)果顯示，作為3種傳統(tǒng)化石能源中波動(dòng)幅度最小的，煤炭的安全性整體呈緩慢下降的趨勢(shì)，原因是中國(guó)本身的煤炭資源較為豐富，且在16項(xiàng)指標(biāo)中其儲(chǔ)量占比的權(quán)重是最大的，這就決定了煤炭的安全性水平總體呈相對(duì)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)；另外，在近年來(lái)全球社會(huì)持續(xù)推進(jìn)環(huán)境保護(hù)和減少碳排放的國(guó)際大背景趨勢(shì)下，煤炭作為環(huán)境污染的重要因素，再加上燃燒效率較低的弊端，必然成為我國(guó)碳減排任務(wù)的重要陣地。因此總結(jié)來(lái)看，我國(guó)煤炭資源安全性所呈現(xiàn)的相對(duì)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，是在國(guó)家積極參與全球碳減排，推進(jìn)實(shí)現(xiàn) “碳達(dá)峰”和 “碳中和”目標(biāo)背景下，主要對(duì)煤炭資源實(shí)施替代戰(zhàn)略所造成的。

5 政策與建議

伴隨中國(guó)近年來(lái)綜合國(guó)力的日益增強(qiáng)，國(guó)際經(jīng)濟(jì)政治影響力不斷提升，我國(guó)能源戰(zhàn)略應(yīng)從以前的 “被動(dòng)防御”向 “主動(dòng)輸出”轉(zhuǎn)變。我國(guó)應(yīng)繼續(xù)基于各種區(qū)域經(jīng)貿(mào)合作協(xié)議，在國(guó)際市場(chǎng)上更加多元化的主動(dòng)拓展能源進(jìn)口渠道，保障能源進(jìn)口穩(wěn)定。測(cè)算結(jié)果顯示，能源的國(guó)內(nèi)儲(chǔ)量對(duì)能源安全仍有著十分重要的影響。作為資源相對(duì)匱乏的能源消費(fèi)大國(guó)，對(duì)外能源合作一直是我國(guó)開(kāi)展對(duì)外經(jīng)貿(mào)活動(dòng)、保障能源資源供給的重要內(nèi)容。自2013年我國(guó)開(kāi)始推進(jìn) “一帶一路”倡議至今，能源合作一直都是最為重要的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，而其中作為 “一帶一路”重要樞紐的中亞地區(qū)，其石油和天然氣儲(chǔ)量都占世界總儲(chǔ)量的20%左右，因此我國(guó)應(yīng)繼續(xù)基于 “一帶一路”倡議，提高與 “一帶一路”沿線國(guó)家的合作，增強(qiáng)資源供給的穩(wěn)定性與可靠性；另外，我國(guó)在新能源產(chǎn)業(yè)、能源金融、能源技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展迅速，應(yīng)基于上述方面在不同市場(chǎng)主動(dòng)推進(jìn)對(duì)外出口和開(kāi)展合作，形成能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良性循環(huán)。尤其在全球各國(guó)共同推進(jìn)環(huán)境治理和碳減排的大背景下，針對(duì)傳統(tǒng)化石能源消費(fèi)主體地位與化石能源環(huán)境污染之間的固有矛盾，中國(guó)應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)參與全球能源治理，嚴(yán)格履行碳減排責(zé)任，加大對(duì)傳統(tǒng)能源開(kāi)采技術(shù)和碳減排技術(shù)的研發(fā)投資，同時(shí)提高清潔能源研發(fā)力度?；诃h(huán)境治理角度，采取多渠道并行的能源資源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，力求達(dá)到我國(guó)碳減排壓力與能源安全之間的平衡發(fā)展。