基于突变理论的区域石油安全系统稳定性评估——以重庆市为例

胡 健，陈 浈，孙金花

(重庆理工大学 管理学院，重庆 400054)

主持人语：

清华大学张希良教授重庆大学刘渝琳教授

习近平总书记在十九大报告中强调：“建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境。”保护生态环境,推进生态文明建设的关键是重塑能源生产和消费体系,从源头上减少环境污染与温室气体排放,加快推进生态文明建设,最终在实现既定经济发展目标的同时,重现天蓝、地绿、山青、水秀的生态环境。本期推出4篇文章，胡健博士等从区域石油安全系统稳定性、肖枝洪教授等从碳排放约束对省际工业生产效率的影响、何开伦教授等从工业园区废弃物物流评价，以及蒲刚清等对森林生物质能潜力的动态评估等方面进行了积极研究探索，并分别提出了有针对性的建议和措施，以资参考。

基于突变理论的区域石油安全系统稳定性评估
——以重庆市为例

胡 健，陈 浈，孙金花

(重庆理工大学 管理学院，重庆 400054)

针对近年来频发的区域石油短缺事件，提出基于突变理论的石油安全系统稳定性评估模型。首先，利用因子分析法结合石油自身供需状况、社会经济扰动因素、能源政策调控效应和外部环境突变效应等4个方面的关键要素，构建区域石油安全系统稳定性评估指标体系。然后，利用信息熵方法确定指标的重要性排序，结合突变理论中的突变级数法，设计区域石油安全系统稳定性评估模型。在此基础上，以重庆市2007—2015年数据为样本，对该地区石油安全系统稳定性进行评估。结果表明：近年来重庆市石油安全系统较不稳定，在2011年和2014年出现两次拐点，这两年的区域安全状态值均低于0.8，特别是在2014年下滑至0.758 1。分析重庆地区石油安全系统发生突变的关键诱因，可以为其他地区防范石油安全突发事件提供决策参考。

区域石油安全；指标体系；安全系统稳定性；突变级数模型；熵

一、引言

作为能源结构非均衡性比较突出的国家之一，我国能源安全状况一直处于“富煤、贫油、少气”状态，尤其是在我国经济持续处于较快增长的情况下，诱发能源安全问题的核心要素——石油，其供需缺口逐渐加大，自2005年以来，全国各地多次频现“油荒”事件。可以说，我国石油内部供给严重短缺，2015年，全国石油生产量同比增长仅为1.7%；同时，石油资源的对外依存度逐步增大，2015年达到了60.6%，这种供需失衡状态已严重威胁到石油安全系统。在这种情况下，如何科学准确评估我国各地区石油安全系统的稳定状态，准确找出石油安全系统的突变拐点，以此确定影响石油安全系统稳定性的关键要素，对有效解决各地区石油安全问题显得尤为重要与迫切。

目前，有关石油安全系统稳定性的评价研究，多是基于国家层面对石油生产、技术、运输等环节的安全问题，而从供需状况角度对各地区石油安全系统稳定性评估的研究成果不多，且基于这一视角开展相关研究的学者主要是从整体上评价我国及部分地区的能源安全系统稳定性。王小琴等主要从能源多样性的角度，利用香农-维纳多样性指数和Pielou均衡度指数，对美国和中国近5年来的能源供应和进口情况进行了对比分析[1]；苏飞等从脆弱性视角对我国区域能源安全供给情况进行了定量评估和分析[2]；梁文群等从人口、经济和环境3个方面构建了能源安全评价体系，对山西省1995—2010年的能源使用安全状况进行了评价，同时基于熵权法对我国中西部8个省份的能源使用安全状况进行比较分析[3]；陈兆荣从区域能源安全驱动力、能源安全压力、能源安全状态、能源安全影响和能源安全政策等5个方面对区域能源安全进行评价，得出了能源安全“西高东低”的特征以及区域能源安全与资源赋存和地域消费特征存在较强相关性的结论[4]；薛静静等根据2004年以来各地出现的“电荒”“柴油荒”“气荒”现象，分析了在区域能源供应上存在的主要问题，提出了保障区域能源安全的路径和策略[5]；张传平等运用系统动力学的方法，建立我国石油供需预测的SD模型，对未来20年的石油供需状况进行预测[6]；程一琳利用序关系分析法从资源因素、进口因素和市场因素对我国石油安全状况进行评价，评价结果显示我国石油安全程度比较低，整体处于危险状态[7]；周德群等采用Hilbert-huang变换的方法构造了石油价格波动预警分量，以此来对历次石油价格波动过程展开预警分级研究[8]；鞠可一等运用案例推理方法构建石油价格波动对经济影响的预警框架[9]；郝丽莎等测算并对比了我国不同区域石油资源利用的区域综合经济效应[10]；石济开等构建了石化企业环境风险分级评价指标体系，利用层次分析法确定体系指标权重[11]。综合上述分析可见，现有研究主要集中在从供求关系角度分析我国或部分地区能源或石油安全系统稳定状态的识别方面，对引发石油短缺现象的根本诱因，以及基于供需突变诱因分析的石油安全系统稳定性评价成果还未见有报道，即对如何度量区域石油安全系统稳定性的临界值尚未被探知。近年来，部分学者开始应用突变理论对各类系统安全状态进行探索[12-16]，通过分析这些研究成果不难发现，突变理论非常适用于解决“油荒”这类非常规突发事件中的突变行为诱因所导致的临界点的度量。基于此，以石油安全系统作为研究对象，提出从供需突变分析角度，采用突变级数法准确评估石油安全系统稳定性的临界点，进而分析石油自身供需状况、社会经济扰动因素、能源政策调整效应、外部环境突变效应4大类的稳定性衡量因素的影响度，以期为各地区科学度量石油安全风险提出决策参考。

二、评估指标体系构建

通过对石油安全问题的梳理，从供需关系突变角度，基于石油自身供需状况、社会经济扰动因素、能源政策调控效应和外部环境突变效应4个方面，分析度量区域石油安全系统稳定性的主要标准，并通过因子分析方法，对关键衡量要素进行萃取，构建区域石油安全系统稳定性评估指标体系，如表1所示。

表1 评估指标体系

(一)石油自身供需状况

石油供需状况是反映各地区石油安全系统稳定性的最直接表征因素。一个地区自身的石油资源越丰富，石油供应的独立性就越强，受到外界不安全因素的影响就越小，整个系统的供需状况稳定性就越强。基于对石油安全问题现有研究成果的分析，通过因子分析方法，萃取3个关键因子，即石油自给率、石油储采比、石油保障度，其关键因子的载荷系数分别为0.854、0.980和0.989。

(二)社会经济扰动因素

石油作为全民日常生活及工业发展的“血液”，社会经济的快速增长必然伴随着大量的石油资源消耗，从而影响石油资源的供需结构、增加石油供给缺口风险。由近年来各地区发生的“油荒”事件可以看出，目前我国发生石油供给缺口的地区多集中于华东和华南地区，上述地区GDP发展水平处于全国领先地位，石油消费基数较大。以重庆市为例，该地区2015年GDP增长率为11.0%，石油及制品类零售量增长9.0%。本文将GDP增长率、人口增长率、第二产业比重作为影响石油安全的社会经济扰动因素。通过因子分析，得出三者的关键因子载荷系数分别为0.896、0.743和0.593。

(三)能源政策调控效应

随着我国生态环境资源承载能力下降，基于供给侧改革背景，国家或地区相继出台了各类能源政策来倒逼落后产能退出。石油虽然仍是经济社会发展的主要燃料，但其消费结构已经发生了较大变化，生产量和需求量增长率呈现下滑趋势。例如节能减排政策使得我国石油生产总量下滑，2015年，全国成品油产量增长率下降4.2%。基于此，本文萃取3个关键载荷因子来分析能源政策调整对各地区石油安全状况的影响程度，即石油资源消耗效率、石油消费弹性系数、石油生产弹性系数，其载荷因子系数分别为0.976、0.843和0.535。

(四)外部环境突变效应

与其他影响石油安全状况的要素相比，外部环境中的非市场因素的突然变化对石油安全系统稳定性的影响更为直接和迅速。基于对影响石油安全外部环境要素的分析，将突变效应通过石油库存增减量、人均石油供应量变化率、石油净进口量变化率和石油价格变化率4个指标来反映，通过因子分析得出四者的载荷因子系数为0.999、0.984、0.960和0.914。

三、突变级数评估模型构建

(一)初等突变级数模型

在初等突变中，把引发突变现象出现的量称为控制变量，把可能出现突变结果的量称为状态变量。突变理论通常运用势函数来建立微分方程和函数之间的关系。基于雷内托姆[17]的研究结果可知，在一维时间和三维空间中的状态变量通常不超过2个，控制变量不超过4个，由此组合成的突变类型共有7大类。本文主要采用燕尾突变和蝴蝶突变两类模型，其状态变量和控制变量维数及特征见表2，并重点给出了蝴蝶突变的描述。

表2 燕尾突变和蝴蝶突变模型

(二)蝴蝶突变模型描述

1.状态变量描述

不同地区的石油安全系统稳定性受制于内外部环境要素的变化，从供求突变视角，重点研究区域石油自我供需情况B1、社会经济扰动因素B2、政策调控效应B3和外部环境突变效应B4等4个控制变量，分析区域石油安全系统稳定性，并分别用a、b、c和d表示，将区域石油安全系统稳定状态描述为个体行为状态变量。

2.蝴蝶突变特征分析

突变情形一：当b=0，a>0时，蝴蝶突变的平衡曲面M和分叉集的截线Btu如图1所示。

图1 情形一下的蝴蝶突变的平衡曲面和分叉集截线

图1(I)是对区域石油安全系统稳定性尖点突变的直观描述，此种情形下的蝴蝶突变的平衡曲面和尖点突变平衡曲面等价，平衡曲面的上叶和下叶分别对应区域石油安全的稳定状态，中叶对应区域石油安全的不稳定状态。在这种情形下，蝴蝶突变模型中的c值总是负值，其分叉集的截线在原点有一个尖点，即此时Btu是一个简单尖点，因此在尖点中共有3个平衡点(2个稳定、1个不稳定)。其中，当a=b=0时，由表2中的势函数得到分歧点集解((c/5)5+(d/4)4=0)。由图1(II)可知，B00是一个典型的尖点突变投影，可将其区域石油安全系统稳定状态划分为不稳定区、稳定区和拐点突变区域。当区域石油安全系统处于拐点突变区域时，必须采取应对措施来阻止其进入不稳定区，因为区域石油安全系统稳定状态一旦由拐点突变转至不稳定区，各地区就必须加大投入来予以恢复。

突变情形二：当b=0，a<0时，蝴蝶突变的平衡曲面M和分叉集的截线Btu如图2所示。

区域石油安全系统的不稳定区域会有两个或多个不同的状态，如图2-(II)的VI区域中出现3个稳定平衡点。此种情形下的蝴蝶突变分歧点集为区域石油安全系统可能发生突变的主要区域。当区域石油安全系统状态进入类尖点的分歧点集时，就会增加一对平衡点(一个不稳定、一个稳定)，原有的平衡点没有消失，则不会发生突变，而相反穿出类尖点的分歧点集时，就会减少一对平衡点(一个稳定平衡点消失)，原平衡点可能消失，区域石油安全状态会发生突变。例如，当控制变量确定的点从I区变到II、V、VI 3个区域时，A分歧点的最小值点仍存在，说明区域石油安全系统处在稳定区，突变情况不会发生；同样，上述控制变量的点从V区变到II区和VI区，也不会发生突变。由此可知，当区域石油安全系统沿着进入尖点的同一路径离开类尖点时，安全系统稳定性不会发生突变。然而，当区域石油安全系统的原稳定平衡点在B处到达I区后，区域石油安全的原平衡点被破坏，系统安全状态的拐点出现，即发生突变。同样，在其他区域的平衡点转化情况的分析方法类似。

图2 情形二下的蝴蝶突变的平衡曲面和分叉集截线

四、结果与分析

(一)样本数据归一化处理

为了运用突变模型评估重庆地区石油安全系统稳定性，可以按照表1 建立评估体系，通过对《中国能源统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和重庆地区统计局相关统计资料进行整理测算，选取该地区2007—2015年的数据作为样本。由于反映石油安全系统稳定性的各项原始指标的量纲存在差异，采用极值法对正向指标和逆向指标进行无量纲处理，处理后的标准化值如表3所示。

(二)指标重要性排序

运用突变模型对区域石油安全系统稳定性的控制变量进行归一测算时，首先需要确立各项指标相对于上一层指标的重要程度，针对指标数据的主要特点，采用熵的方法加以计算，具体结果如表4所示。

(三)实例结果测算

本文主要从影响石油资源供需平衡的关键要素来综合评估重庆地区石油安全系统的稳定性，包括石油自身供需状况、社会经济扰动因素、能源政策调整效应、外部环境突变效应，基于对时间序列上各关键要素的衡量指标分析可知，每个评价指标均表现出离散且不连续特征，而突变理论较为适用于解决此类问题。该评估体系中，4个准则层要素(控制变量)决定了评价主体的状态(状态变量)，而每个准则层要素均被分解为3个基层指标，基于此类特征分析，分别采用蝴蝶突变和燕尾突变模型进行归一测算。具体步骤如下：

(1)准则层要素和基层指标的重要性排序

根据上述熵权法计算出重庆地区石油安全状态的各项指标的重要性，确立每项评价指标的重要性排序：C11>C13>C12，C21>C23>C22，C33>C31>C32，C41>C44>C43>C42；能源政策调整效应(B3)>外部环境突变效应(B4)> 社会经济扰动因素(B2)>石油自身供需状况(B1)。

(2)综合评估结果归一测算

基于燕尾突变的基本原理，建立重庆地区石油安全系统稳定性的准则层要素归一测算的评价模型表达式，如式(1)。经测算得到突变样本的分歧点集，如表5所示。

(1)

其中：Bi表示准则层要素的评估值；xcij为基层指标样本的分歧点集；m、n和h的值取决于基层指标的重要性排序。

同理，基于蝴蝶突变模型的基本原理，建立重庆地区石油安全系统稳定性的综合评估模型的表达式，如式(2)。

(2)

其中：A表示重庆石油安全系统稳定性的综合评估值；xbI为准则层指标的分歧点集。

经归一公式进行综合测算，得到最高层A级的综合评价值及其变化趋势，如表6和图3所示。

表3 样本原始数据的标准化值

表4 指标重要性排序

表5 样本指标的分歧点集

表6 综合评估值

图3 石油安全系统稳定性变化趋势

综合以上测算结果分析可知，在2007—2015年，重庆地区石油安全系统稳定性呈现出较为复杂的变化趋势，其中，2008—2011年处于缓慢下降趋势、2011—2013年转为趋于上升状态、2014—2015年呈波动状态。对发生石油安全系统稳定性突变的两大拐点年份进行分析可知：

(1)2011年，重庆地区石油安全系统稳定性的综合评估结果为0.791 9，重庆地区石油安全系统处于不稳定状态。进入10月以来，江苏、安徽、浙江、四川、湖北、河北、山东等地的“油荒”波及到重庆地区。其主要原因：一是成品油定价机制与市场供求关系没有理顺是导致“油荒”的根本原因，而直接原因则是两大石油公司供应减少。二是第三季度国际油价处于高位，但未满足油价上调条件，国内成品油价格一直未动，而在10月初油价又首度下调，此时正值需求旺季，需求增加以及炼油商积极性不高共同酿成了“油荒”。三是从定价机制实施3年来的实际情况来看，凡是国内成品油价格调整频率较高的年份，国内油品供应就比较平稳。近期国内油价又下调了一次，导致此前积累的矛盾激化，最终反映在“油荒”上。

(2)2014年，重庆地区石油安全系统稳定状态又再次出现下滑，其综合评估值为0.758 1，虽然2014年重庆地区未发生“油荒”等石油安全事件，但该年度重庆市的石油安全系统存在潜在的风险。其主要原因是：重庆市政府对石油的产量、供应量和外省调入量做了政策上的调整，2014年重庆市的石油产量为零，石油供应量和外省调入量又低于2013年度；同时，重庆市的社会经济扰动因素的突变效应增强，当年重庆地区为了提升其在“一带一路”中的战略地位，着力推动重庆经济高速发展(GDP增速达到10.9%，全国第一)，而由此带来的是大量石油能源消耗，当年万元生产总值石油消耗量增长率达到13.52%，从而使得能源政策调整效应和外部环境突变效应发生突变，两者的分歧点分别为0.577 4和0.669 6。

四、结论与政策建议

(一)结论

区域石油安全系统稳定状态是一个复杂的动态系统，采取突变模型对重庆地区石油安全系统稳定性进行综合评估，得出以下结论：

(1)从石油供需突变视角，把区域石油安全系统稳定性的关键度量标准萃取为石油自身供需状况、社会经济扰动因素、能源政策调整效应、外部环境突变效应4大类，利用因子分析法，构建区域石油安全系统稳定性评估指标体系。

(2)结合区域石油安全系统稳定性每个评价指标的离散且不连续特征，融合突变理论与熵权法，构建区域石油安全系统稳定性综合评估模型，并以重庆市为例，对其石油安全系统稳定性进行综合评估，分析了2007—2015年该地区的石油安全系统稳定状态及突变拐点呈现的诱因，结果符合实际情况。

(二)政策建议

通过对重庆地区石油安全系统稳定性状态拐点出现的关键诱因进行分析，提出提升区域石油安全系统稳定性的政策建议：

(1)建立灵活的市场化成品油定价机制。成品油定价机制需要进一步与中国成品油消费结构相结合，并解决与国际市场的时滞等问题，确定适当的规制价格调整周期。相对而言，成品油定价改革比较成熟，社会适应性强，改革难度较小，可将定价权下放给企业，由第三方机构发布国际原油价格权威信息，增强透明度。

(2)建立完善的区域石油安全战略体系。各地区应依据石油价格的波动提高应变能力，动态调整成品油商业库存，建立严格意义上的战略石油储备。同时，还应建立应急保障机构，根据供需情况控制成品油库存及流通量。

[1] 王小琴,余敬.能源安全测度的新维度:能源多样性[J].国土资源科技管理,2016(1):24-30.

[2] 苏飞,张平宇.中国区域能源安全供给脆弱性分析[J].中国人口·资源与环境,2008,18(6):94-99.

[3] 梁文群,张荣霞,赵国浩.基于系统科学视角的山西省能源安全综合评价[J].系统科学学报,2014(1):93-96.

[4] 陈兆荣.基于DPSIR模型的我国区域能源安全评价[J].山东工商学院学报,2013,27(1):66-70.

[5] 薛静静,史军,沈镭，等.中国区域能源供给安全问题研究[J].中国软科学,2015(1):96-107.

[6] 张传平,刘乐.我国石油供需安全的系统动力学分析[J].科技管理研究,2015(20):143-149.

[7] 程一琳.基于序关系分析法的我国石油安全评价体系研究[J].石油石化物资采购,2015(5):38-41.

[8] 周德群,鞠可一,周鹏，等.石油价格波动预警分级机制研究[J].系统工程理论与实践,2013,33(3):585-592.

[9] 鞠可一,周德群,吴君民.石油价格波动对经济影响的预警知识库构造[J].能源技术与管理,2011(5):21-23.

[10] 郝丽莎,赵媛.中国石油资源利用的区域经济效应差异分析[J].自然资源学报,2016,31(2):187-201.

[11] 石济开,邵超峰,鞠美庭.石油化工企业环境风险分级评价指标体系研究[J].安全与环境学报,2015,15(12):324-330.

[12] 魏婷,朱晓东,李杨帆.基于突变级数法的厦门城市生态系统健康评价[J].生态学报,2008,28(12):6312-6320.

[13] 李艳,陈晓宏,张鹏飞.突变级数法在区域生态系统健康评价中的应用[J].中国人口·资源与环境,2007,17(3):50-54.

[14] 陈涛,陈森发.基于突变理论的拥挤控制模型研究[J].系统工程学报,2006,21(6):598-605.

[15] 李春辉,方菊明,何泽军，等.基于突变理论的建筑企业安全管理评价研究[J].中国安全生产科学技术,2011,7(12):87-91.

[16] 范珉,刘晓君.基于突变理论的公共场所集群事件预警分级[J].中国安全科学学报,2010,20(2):171-176.

[17] 桑博德.突变理论入门[M].凌复华，译.上海:上海科学技术文献出版社,1983.

StabilityAssessmentofRegionalPetroleumSafetySystemBasedonCatastropheTheory

HU Jian, CHEN Zhen, SUN Jinhua

(School of Management, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Aiming at the frequent petroleum shortage in recent years, this paper puts forward a model for the stability evaluation of petroleum security system based on catastrophe theory. First of all, the factor analysis method is used to extract the key factors from four aspects:the supply and demand of petroleum, the factors of social and economic disturbance, the effect of the adjustment of energy policy and the effect of external environment, and the evaluation index system of regional petroleum security system is constructed. Then, the information entropy method is used to determine the order importance of index, based on catastrophe progression method of catastrophe theory, and the stability evaluation model of regional petroleum safety system is designed. On the basis of this, the stability of petroleum security system is evaluated with the data from 2007 to 2015 in Chongqing. The results show that:in recent years, the petroleum security system in Chongqing is unstable; there are three inflection points in 2011 and 2014, and 3 years of regional security state values are below 0.8, especially in the year of 2014 which fell to 0.758 1. Through analysis, we find out the key cause to the catastrophe of petroleum security system in this area, which provides a reference for other regions to prevent petroleum safety emergencies.

regional petroleum security; index system; safety system stability; catastrophe progression model; entropy

2017-03-27

国家自然科学基金项目“基于案例推理集成的区域能源安全外生警源识别与预警研究”(71301181)；国家自然科学基金项目“协同创新环境下隐性知识供需匹配与重构的结构化途径和方法研究”(71401021)；重庆市社会科学规划项目“重庆市低碳校园建设路径及评价标准研究”(2015YBSH051)；重庆市教委人文社会科学项目“区域环境绩效动态评价理论与方法-基于重庆市的实证研究”(15SKG134)；全国统计科学研究项目“基于分形离群点挖掘的区域能源安全外生警源识别研究”(2015LY58)；重庆理工大学研究生创新基金项目编号“基于突变理论的区域能源安全外生警源诱因分析及预警分级研究”(YCX2016245)

胡健(1979—)，男，黑龙江望奎人，副教授，博士，研究方向：能源安全。

胡健，陈浈，孙金花.基于突变理论的区域石油安全系统稳定性评估 ——以重庆市为例[J].重庆理工大学学报(社会科学)，2017(10):20-28.

formatHU Jian, CHEN Zhen, SUN Jinhua.Stability Assessment of Regional Petroleum Safety System Based on Catastrophe Theory[J].Journal of Chongqing University of Technology(Social Science)，2017(10):20-28.

10.3969/j.issn.1674-8425(s).2017.10.004

F426.2

A

1674-8425(2017)10-0020-09

(责任编辑魏艳君)