基于BP-LSTM混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的碳價(jià)預(yù)測(cè)研究

姚藝千 洪儒 劉奇韻

摘要：碳排放權(quán)交易價(jià)格是影響碳排放交易的決定性因素，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)碳價(jià)可以幫助政府更好地應(yīng)對(duì)氣候變化?；贐P混合LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種精度高的碳價(jià)預(yù)測(cè)方法。首先，在理論分析基礎(chǔ)上對(duì)影響碳價(jià)的因素進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，篩選出影響湖北碳價(jià)的關(guān)鍵因素；接著，考慮歷史碳價(jià)的數(shù)據(jù)特征對(duì)碳價(jià)預(yù)測(cè)的影響，將其與篩選出的關(guān)鍵因素結(jié)合輸入預(yù)測(cè)模型；最后，使用BP-LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到湖北碳價(jià)預(yù)測(cè)的結(jié)果。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：BP-LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在預(yù)測(cè)集上表現(xiàn)相對(duì)良好，MSE誤差為0.82?；谘芯窟^(guò)程性結(jié)論及結(jié)果展示，提出要在完善碳價(jià)交易體系的基礎(chǔ)上，關(guān)注碳排放影響因素動(dòng)態(tài)性變化，更新和優(yōu)化碳價(jià)預(yù)測(cè)模型。

關(guān)鍵詞：碳價(jià)預(yù)測(cè)模型；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；RNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：X22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

中共中央、國(guó)務(wù)院于2021年10月印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，文件中指出實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是全面貫徹新發(fā)展理念的必然選擇、是中國(guó)解決世界性資源環(huán)境突出問(wèn)題的大國(guó)責(zé)任。作為極具潛力成為全球覆蓋溫室氣體排放量規(guī)模最大的碳市場(chǎng)的中國(guó)，建設(shè)并完善碳排放交易體系是對(duì)整個(gè)社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型的綠色追求、是政府對(duì)國(guó)際社會(huì)作出“力爭(zhēng)2030年前碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”承諾的回應(yīng)。

自2010年中國(guó)首次提出建立碳交易市場(chǎng)以來(lái)，中國(guó)碳排放交易體系已經(jīng)歷了超過(guò)十年的發(fā)展歷程。2011年，北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東、深圳七省市作為第一批試點(diǎn)省市開展碳排放權(quán)交易市場(chǎng)。經(jīng)歷了概念提出、試點(diǎn)運(yùn)行一系列過(guò)程后于2017年7月實(shí)現(xiàn)全國(guó)碳市場(chǎng)正式啟動(dòng)上線交易。碳排放權(quán)交易是以碳排放額為交易內(nèi)容，以科學(xué)碳交易機(jī)制下供需比計(jì)算的碳交易價(jià)格（下稱碳價(jià)）作為交易價(jià)格。如何提高碳價(jià)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，減少碳價(jià)波動(dòng)對(duì)企業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，并更好發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制的減排作用，是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重要問(wèn)題。

1相關(guān)研究文獻(xiàn)評(píng)述

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)碳價(jià)影響因素和預(yù)測(cè)模型這兩方面展開相關(guān)研究。

針對(duì)碳價(jià)影響因素的研究，吳慧娟等（2021）從機(jī)理和各試點(diǎn)實(shí)情上研究發(fā)現(xiàn)政策、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保因素造成碳價(jià)格的時(shí)間波動(dòng)及區(qū)域差異；夏睿瞳（2022）通過(guò)理論分析和實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)能源價(jià)格、極端天氣、宏觀經(jīng)濟(jì)對(duì)碳價(jià)具有顯著的影響；王小燕等（2022）針對(duì)廣州碳排放權(quán)交易的配額收盤價(jià)，從指標(biāo)、國(guó)內(nèi)能源指標(biāo)、氣候環(huán)境和宏觀政策這6個(gè)維度構(gòu)建指標(biāo)體系用于研究碳價(jià)影響因素；張玲等（2023）通過(guò)實(shí)證分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境規(guī)制水平對(duì)碳價(jià)具有抑制作用，地理距離的變化會(huì)改善環(huán)境規(guī)制水平對(duì)碳價(jià)的抑制效應(yīng)。

針對(duì)碳價(jià)預(yù)測(cè)模型，國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者選擇使用多種模型混合的組合模型來(lái)優(yōu)化模型，同時(shí)提升預(yù)測(cè)精度。金林等（2020）應(yīng)用Lasso回歸方法對(duì)變量進(jìn)行篩選，建立灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)碳價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)。該預(yù)測(cè)模型在短期預(yù)測(cè)中MAPE小于4%，預(yù)測(cè)精度較高；呼雪芳（2021）基于CEEMDAN分解算法提出LSTM-LSTM-LGBM的組合預(yù)測(cè)模型，通過(guò)廣東試點(diǎn)交易價(jià)格進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而證明預(yù)測(cè)模型效果較好；趙峰等（2022）基于碳價(jià)本身建立了CEEMDAN-ARIMA-指數(shù)平滑模型，同時(shí)考慮碳價(jià)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等指標(biāo)建立了THHO-ELM模型，最終通過(guò)三個(gè)地區(qū)實(shí)證分析驗(yàn)證了組合模型的可靠性；朱亮亮等（2023）分別運(yùn)用ARIMA模型、多項(xiàng)式回歸算法和LSTM模型構(gòu)建了全國(guó)碳交易市場(chǎng)的碳價(jià)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)實(shí)證分析得出PCC-LSTM模型的預(yù)測(cè)精度相對(duì)較高。

分析可得，目前在碳價(jià)影響因素以及碳價(jià)預(yù)測(cè)方法方面研究成果顯著，但仍然有可以完善的地方。針對(duì)碳價(jià)影響因素方面：國(guó)內(nèi)外關(guān)于碳價(jià)影響因素的研究主要集中在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、宏觀政策、自然環(huán)境和市場(chǎng)交易機(jī)制等方面。研究方面涉及廣而雜，因素相對(duì)零散，且偏重于理論分析，缺少結(jié)合實(shí)證分析加以支撐。針對(duì)碳價(jià)預(yù)測(cè)模型方面：現(xiàn)有組合模型對(duì)碳影響因素分解以及碳價(jià)預(yù)測(cè)模型對(duì)碳價(jià)預(yù)測(cè)的精度相對(duì)較高，但預(yù)測(cè)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，有待進(jìn)一步提升。文章使用BP混合LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型，可以加強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)的反應(yīng)能力，使得預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的擬合度達(dá)到更高的水準(zhǔn)。

2碳價(jià)預(yù)測(cè)影響因素的相關(guān)性分析

根據(jù)已有文獻(xiàn)，總結(jié)出中國(guó)碳價(jià)主要受以下三類因素影響：一是社會(huì)經(jīng)濟(jì)類影響因素，包括國(guó)際碳價(jià)、宏觀經(jīng)濟(jì)和石油、煤炭等能源價(jià)格；二是自然環(huán)境類影響因素，包括溫度、濕度等；三是宏觀政策類影響因素，包括環(huán)境規(guī)制強(qiáng)度和環(huán)境規(guī)制水平。

文章運(yùn)用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對(duì)碳市場(chǎng)交易價(jià)格與上述提到的影響因素進(jìn)行分析，篩選出影響碳價(jià)的關(guān)鍵因素，進(jìn)而方便展開后續(xù)分析。其中，國(guó)際碳價(jià)使用歐洲碳交易市場(chǎng)的價(jià)格；能源價(jià)格包括WIT原油期貨價(jià)格、秦皇島港動(dòng)力煤價(jià)（Q5500K）以及天然氣的期貨價(jià)格；自然環(huán)境包括溫度、濕度、風(fēng)速等；宏觀經(jīng)濟(jì)選擇采用股市的滬深300指數(shù)；政策因素中環(huán)境規(guī)制強(qiáng)度用政府工作報(bào)告中相關(guān)內(nèi)容關(guān)鍵詞的詞頻指代，環(huán)境規(guī)制水平使用各項(xiàng)指標(biāo)衡量數(shù)據(jù)選取地區(qū)工業(yè)污染治理投資完成情況。數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)見表1。