基于TOPSIS熵值法的中国传统化石能源安全测度研究

王 磊 李世然 张 岗

（山东财经大学国际经贸学院，济南 250014）

引 言

作为能源消费大国，中国早在10年前就已跃居世界第一能耗大国的位置。2020年，中国能源消费总量更是首次逼近50亿吨标准煤，同时在能耗结构方面，煤炭、石油和天然气等化石能源比重仍高达84.1%，可以看出，传统化石能源仍在我国能源消费中占据主导地位，能源安全在未来中长期仍是我国国家安全的关键部分。当前，我国能源安全面临着诸多挑战：（1）资源需求量大，能源供给压力长期处于高位。我国经济在改革开放以后飞速发展，经济体量越来越庞大，也就需要越来越多的能源支撑，由于能源供给不足所造成的能源威胁也就越来越严重；（2）能源结构不平衡。我国煤炭资源丰富，但石油、天然气资源相对匮乏，作为世界上最大的原油以及天然气进口国，巨大的能源进口量直接拉低了我国能源安全水平；（3）我国能源开采技术与发达国家仍有差距。本世纪以来，发达国家依靠能源革命开始实现一定程度上的能源供给保障，我国则仍处于能源需求大于供给的局面，对外依存度较高；（4）国际局势动荡不安。石油、天然气仍是影响全球各国经济、政治、军事和社会发展的重要战略资源，作为进口大国，我国在开展对外发展合作的过程中也始终将能源合作作为重要的考量因素。2020年，新冠肺炎疫情冲击全球，造成石油价格波动较大，由于我国石油进口量高，从而在一定程度上降低了石油安全，但对于天然气和煤炭影响较小。2022年2月，俄乌冲突导致国际油价8年来首次突破每桶100美元大关，国内能源安全受到影响。中东地区一直是世界各方势力关注的焦点，伊拉克、叙利亚等国家战乱频繁，国内政局持续动荡，这些问题共同威胁着世界的和平与安全。近年来随着 “一带一路”倡议的提出，中国与西亚各国的交流合作逐渐增多，但该地区频发的政治风险也阻碍了 “一带一路”沿线国家和地区的能源合作。这些能源问题共同影响着中国的传统化石能源安全，所以结合当前国际复杂局势大背景及我国的新发展格局，对我国的能源安全进行精准测度并提出对策，已成为亟需研究的问题。

1 能源安全评价方法研究综述

伴随国内学者对能源安全研究的不断深入，能源安全测度方法的选择成为研究能源安全问题的关键一环。国内外关于能源安全测度的方法众多，按照指标集成处理的不同，在单指标评价方面，针对能源使用的多元化程度评价，一般通过结合信息论方法，测定系统的香农－威纳指数（SWI）来进行评价；针对能源贸易市场集中度的评价，一般通过赫芬达尔－希尔曼指数（HHI）测算；针对一国能源进口对国外的依赖程度评价，一般通过能源进口依存度指数测定；针对一国能源价格的波动程度评价，一般通过能源价格指数测定；针对能源消耗对环境的影响程度评价，一般通过使用碳强度指数测定。

近年来，伴随能源问题的愈加复杂化，单一指标在进行能源整体安全性评价方面已经不足以反映核心问题，越来越多的学者开始基于集成评价指标进行相关测算评价。有学者运用德尔菲法、主成分分析法，以及采用综合石油消费依存度、原油储量替代率等指标，设计全新的指标体系，对能源安全进行测度 （何贤杰等，2006）［1］；王小琴 （2016）［2］则利用层次分析法、加速遗传算法、熵值法、灰色关联分析法以及排序方法等分析工具，构建能源安全评价体系；胡建波等 （2016）［3］基于PSR模型的构建，研究能源供应压力与能源安全水平之间的关系问题；郭玲玲等 （2015）［4］运用系统动力学理论，对我国能源安全系统的发展模式进行模拟，并提出保障国家能源安全的建议；王陆新和潘继平 （2019）［5］选用了熵权系数法和综合评分法，从数量、质量和生态3个方面来评估我国的石油安全情况；李云鹤等 （2020）［6］基于我国天然气能源安全评价模型的构建，对我国天然气能源安全水平进行量化评估；史丹和薛饮源 （2021）［7］则运用熵权法、 TOPSIS和灰色关联分析相结合的方式，测度中国的能源安全水平，并针对影响中国能源安全性的关键因素进行分析并提出对策。通过前文分析，单指标评价的相关研究方法，其优势在于能够清楚直观的考量和评价核心目标因素对能源安全性的影响，而缺陷在于，不能对能源安全性进行整体性评价，对不同影响因素之间的关系也不能做出系统性分析。与之相对，集成评价方法的优势在于，能够从整体上对能源安全进行测度，而缺陷在于对于各种方法的适用性，学术界还存在一定的争议。但总体来说，面对国内外越来越复杂的各类影响因素，针对集成指标的评价方法愈加成为当前能源安全问题研究的主流选择。本文也从该角度出发，基于多维度构建中国传统化石能源的安全评价指标体系。

2 能源安全评价指标体系构建

一国的能源安全所涉及的影响因素指标非常复杂，因此相关问题分析需要构建科学合理的能源安全评价指标体系。本文在借鉴国内外文献基础上，充分结合本文针对中国传统化石能源安全性的分析需要，从资源、市场、环境和利用效率4个维度，共选取16个指标，构建中国能源安全指标体系，见表1。

表1 中国能源安全评价指标体系构建

3 能源安全测度

3.1 研究方法选择

本文以中国传统化石能源的安全性为分析对象，对煤炭、石油和天然气3种能源进行分析，同时构建综合能源安全评价指标系统，在分析能源整体安全度的基础上，还测算影响因素的指标权重，分析哪些方面的因素对能源安全性影响较大。因此，结合本文从整体到结构，再到局部的研究需求， 借鉴王小琴（2016）［2］、 史丹等（2021）［7］的研究方法，选择熵值法和TOPSIS法相结合的集成评价方法，通过熵值法确定指标权重，利用TOPSIS法测定最终结果与最优解的欧氏距离，达到科学测定能源安全性的目的，对中国的能源安全进行评估。

（1） 熵值法

熵原本是一个物理学概念，越来越多的学者将其引入信息论，运用熵测度信息的不确定性，信息熵越小无序度就越小，表明指标的可靠性就越高；信息熵越大无序度越大，表明指标的可靠性就越低。在信息论中存在以下函数关系式H（x）＝－∑f（x）lnf（xk）， 其中等式右边表示所提供的信息，由信息就可以得出等式左边的信息熵H（x）。指标变异程度越大，提供的信息越可靠，信息所对应的权重也就会更大，反之亦然。因此，熵值法主要是通过检验信息的无序程度，从而得出信息可靠程度，也就得到了每个信息相应的权重，从而对各个对象进行综合评价。

（2） 双基点法（TOPSIS）

双基点法（TOPSIS）是一种逼近于理想值的排序方法，其原理是针对归一化的原始数据矩阵，计算得出每个指标的正负理想解，得出正负理想值，继而分别构成问题解决的最佳方案和最差方案。该方法主要是测算已有方案与最佳方案之间的距离大小，距离越小，方案越优，反之亦然。

3.2 评价方法的具体设计

（1）利用熵值法获得客观权重

第一步：指标标准化处理：i表示年份（i＝1，2，3，…，n）， j表示指标（j＝1，2，3，…，m）。

（2）利用TOPSIS法计算相对贴近度

由于各个指标之间在量化方面存在着差异，所以要想更好地比较，必须把这些指标的原始数据进行规范化处理。

并按相对贴进度大小排序，Ci的值越大，表示整体水平越优。

3.3 数据来源

本文的实证数据中，国内能源可采储量、世界能源可采储量、国内能源产量、世界能源总产量、能源生产量、能源消费量、能源各年价格等均来自 《BP世界能源统计年鉴》；可采储量、采出量、人口数、GDP、环境污染治理投资额等均来自 《中国统计年鉴》；能源产量、总产量、能源的加工转换产出量、能源加工转换投入量等均来自 《中国能源统计年鉴》；能源总进口量等数据来自 《中国矿业统计年鉴》。

4 对我国传统化石能源的安全性测度及综合评价

4.1 TOPSIS熵值法测度结果

根据式 （6），可得16个指标的客观权重，即可以得出16个指标对3种传统化石能源的影响程度。

根据式 （13），可以得出3种能源历年的相对贴近度，同时也可得出3种能源历年的安全水平。

从3种化石能源的安全性水平方面来看，根据评价结果显示，2008～2020年，我国3种化石能源安全水平在0.1～0.9之间波动，虽然最高的安全水平达到了0.84，但波动幅度较大，所以从稳定性和整体情况来看，我国的能源安全水平并不高。通过比较3种能源之间的安全水平，煤炭和石油的相对贴近度平均值分别为0.49和0.44，平均值较高，而天然气的相对贴近度平均值为0.19，水平较低。石油的相对贴近度最高达到0.75，而最低为0.22，波动幅度为0.53；天然气的相对贴近度最高达到0.84，而最低可至0.08，波动幅度为0.76；煤炭的相对贴近度最高达到0.62，而最低为0.34，波动幅度为0.28。整体来看天然气相对贴近度的平均值最低且波动幅度最大，所以安全水平最低；石油的相对贴近度水平的平均值和波动幅度都处于中间水平，所以安全水平居中；煤炭的相对贴近度水平的平均值最高和波动值最小，所以安全水平最高。因此在石油、天然气和煤炭3种化石能源安全性比较中，煤炭安全性最高，天然气安全性最低，石油处于中间水平。

4.2 能源安全测度结果分析

如表2所示，影响石油、天然气和煤炭资源安全性的最大单指标因素分别是人均能源量、能源自给程度和储量占比，其中，人均能源量和储量占比都属于资源类维度，表明对于能源安全水平来说，一国本身占有这种资源的丰富程度对能源安全仍是最为重要的。2008年以来，3种能源的安全形势都呈现 “V”形特征，从历年的能源安全性水平来看，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年期间基本处于持续下降状态，在2015年达到最低值之后开始提升，但是安全水平还是总体处于较低水平。

表2 中国传统化石能源安全性的各影响指标客观权重

表3和图1显示，石油的安全性在所统计区间最早的2008年处于最高水平，此后至2015年呈下滑趋势，主要是因为随着我国经济发展对石油资源需求量的上升，再加上2008年金融危机之后国际石油价格波动较大，进口量的增加加剧了石油的不安全性。2015年，中国石油安全达到最低水平，之后石油安全水平开始回升。这是因为2015年石油国内产量已经达到峰值，之后开采量虽然有所下降，但得益于国际油价大跌，加之 “一带一路”倡议的提出，使得石油的安全性得到提高。2019年之后，世界经济下行、中美摩擦加剧、新冠肺炎疫情蔓延等种种因素造成国际环境恶化，石油供应国之间竞争加剧，导致石油价格不稳定，且各国之间能源合作减少，使得石油安全性再次下降。

表3 中国各类传统化石能源的整体安全测度

图1 中国各类传统化石能源的整体安全测度折线图

近年来，天然气的安全性程度一直处于较低水平，结合我国能源消耗的实际情况，在2008年金融危机之前，中国的传统能源消耗还是以石油、煤炭能源为主，天然气消耗占比不高。2008年之后，金融危机减缓各国经济发展进程，国际环境愈加复杂，加之碳减排和环境保护的持续压力，我国在能源消费方面除了加快煤炭资源淘汰的同时，开始逐步增加对天然气资源的消耗比重。由于我国天然气资源与石油一样均较为匮乏，伴随前者消耗规模的快速上升，表现出如测算结果显示的天然气能源安全性在低位维持的局面。2010年，美国页岩气革命的爆发，对天然气的价格产生了冲击，天然气价格的上升，使其在清洁能源中的竞争力不断下降，安全性也随之下降。2012年之后，天然气的能源安全性才开始逐步上升。因为我国加大了对天然气的开采力度，2015年我国天然气探明储量为3.7万亿，2018年探明储量快速增长至8.1万亿，在16个指标中天然气的能源自给程度是权重最高的，这在一定程度上提升了天然气能源的整体安全性；另外，自2013年“一带一路”倡议提出之后，我国在对外能源合作方面增加了更加多元化的能源进口渠道和投资合作项目，这对我国在天然气外部资源输入方面提供了较为有力的保障支撑。

煤炭能源的安全性方面，测算结果显示，作为3种传统化石能源中波动幅度最小的，煤炭的安全性整体呈缓慢下降的趋势，原因是中国本身的煤炭资源较为丰富，且在16项指标中其储量占比的权重是最大的，这就决定了煤炭的安全性水平总体呈相对平稳态势；另外，在近年来全球社会持续推进环境保护和减少碳排放的国际大背景趋势下，煤炭作为环境污染的重要因素，再加上燃烧效率较低的弊端，必然成为我国碳减排任务的重要阵地。因此总结来看，我国煤炭资源安全性所呈现的相对平稳态势，是在国家积极参与全球碳减排，推进实现 “碳达峰”和 “碳中和”目标背景下，主要对煤炭资源实施替代战略所造成的。

5 政策与建议

伴随中国近年来综合国力的日益增强，国际经济政治影响力不断提升，我国能源战略应从以前的 “被动防御”向 “主动输出”转变。我国应继续基于各种区域经贸合作协议，在国际市场上更加多元化的主动拓展能源进口渠道，保障能源进口稳定。测算结果显示，能源的国内储量对能源安全仍有着十分重要的影响。作为资源相对匮乏的能源消费大国，对外能源合作一直是我国开展对外经贸活动、保障能源资源供给的重要内容。自2013年我国开始推进 “一带一路”倡议至今，能源合作一直都是最为重要的项目内容，而其中作为 “一带一路”重要枢纽的中亚地区，其石油和天然气储量都占世界总储量的20%左右，因此我国应继续基于 “一带一路”倡议，提高与 “一带一路”沿线国家的合作，增强资源供给的稳定性与可靠性；另外，我国在新能源产业、能源金融、能源技术等领域发展迅速，应基于上述方面在不同市场主动推进对外出口和开展合作，形成能源产业发展的良性循环。尤其在全球各国共同推进环境治理和碳减排的大背景下，针对传统化石能源消费主体地位与化石能源环境污染之间的固有矛盾，中国应继续加强参与全球能源治理，严格履行碳减排责任，加大对传统能源开采技术和碳减排技术的研发投资，同时提高清洁能源研发力度。基于环境治理角度，采取多渠道并行的能源资源开发战略，力求达到我国碳减排压力与能源安全之间的平衡发展。