基于灰色系统理论的中国天然气供需预测预警研究

李洪兵 刘盈 唐紫涵 韩咪 罗雨 刘可

（1.四川师范大学工学院，四川 成都 610101；2.中国石油集团共享运营有限公司成都中心，四川 成都 610051；3.西南石油大学经济管理学院，四川 成都 610500)

0 引言

中国能源消耗量现居世界首位，碳排放量不断增加［1］。2020 年，习近平总书记提出了“碳达峰、碳中和”（以下简称“双碳”）目标。随着“双碳”目标的实施，天然气已成为能源低碳转型期最具消费潜力的重要化石能源。在实现碳达峰前，天然气消费量持续上升［2-5］，未来天然气消费快速反弹的现象将涌现。随着“十四五”能源规划的推出，加速了能源结构优化升级的进程，天然气已成为中国能源低碳转型期不可替代的重要能源［6］。天然气相较于煤炭、石油，其碳排放量更低且比电能、煤炭、石油效率更高［7］。与此同时，在“一带一路”和新型城镇化的推动下，天然气在能源结构中的地位显著提高，天然气将成为未来能源发展的主流，天然气行业具有巨大的发展空间［8］。天然气在一次能源消费中占比持续提高，供不应求现象明显，致使中国天然气供需矛盾加剧。全球天然气供需市场格局正悄然发生变化，国际天然气贸易的不确定性日渐凸显。能源安全与社会稳定和经济发展息息相关，天然气安全又是能源安全不可或缺的部分，影响天然气安全的核心是天然气供需状态的变化。因此为保障能源安全，维护社会稳定和经济健康持续发展，开展天然气供需预测预警研究迫在眉睫，基于灰色系统理论对中国天然气供需进行预测预警研究十分必要。

1 理论方法与模型

1.1 GM（1，1）预测模型

GM（1，1）模型在灰色系统理论中不仅是最基本也是被运用最广泛的一种预测模型。该预测模型主要应用于解决存在指数变化规律的数据预测。优点是不需要大量的数据就可以对中短期进行预测，可以解决因数据不全和可靠性较低的问题，且精确度高、易于检验、计算简便。计算步骤如下：已知数据X(0)＝X(0)(1 )，X(0)( 2 )，…，X(0)(n)

（1）对已知数据进行级比检验

如果所有的级比λ(k)都落在内，即符合模型灰色预测初等条件。反之则需要对序列x(0)做必要的变换处理，使其可以包含于θ内。

（2）根据方程式x(0)(k)＋az(1)(k)＝b计算a和b的值

计算已知数据的一阶方程

（4）得到非齐次函数

其中a为GM（1，1）模型的发展系数，b为灰作用量。

1.2 预警评价方法与模型

1.2.1 预警指标权重的确定方法

为实现预警指标权重值准确性提高的目标，分别运用熵值法和序关系分析法从客观和主观两个角度来确定预警指标权重。熵值法是根据历年指标值的改变趋势来确定各项指标的权重，用该方法可以避免由于人为因素而带来的误差。但由于熵值法会因指标细微的变化导致指标权重发生大的改变，因此将熵值法与序关系分析法相结合计算综合权重可提高准确性。序关系分析法对于熵值法而言，序关系分析法不会由于评价指标的变化而影响指标间相对重要性程度。相对于层次分析法优势在于不需要建构判断矩阵且无需一致性检查，操作性强。

1）熵值法

①选取数据：共有m个样本数量，n个因素指标Yij表示第i个样本中第j个指标，其中i＝1，2，3，...m；j＝1，2，3，...，n。

②对数据标准化处理确保各指标计量单位一致和方向统一。

正向指标（越大越好的指标）：

负向指标（越小越好的指标）

③计算样本权重：

④计算第j项指标的熵值：

⑤计算第j项指标差异系数

⑥计算各项指标

2）序关系分析法（G1法）

①根据熵值法计算的权重值，来确定各项指标互相的序列关系：若指标xi比xj重要则记作xi＞xj，按照这一原则，并结合行业专家提供的评价结果，确定评价指标的重要性排序。

②确定相邻指标间的相对重要程度：设定专家对评价对象的评价指标xk-1和xk的相对重要程度之比进行赋值：

其中n是天然气安全的评价指标总数，n＝9

③计算指标权重：

最后通过G1法求得权重集合为wk＝(w1w2，…，wn)

3）综合权重

综合权重即是将熵值法所得权重与序关系分析法所得权重进行组合得出的综合权重值。本研究将客观权重与主观权重视为同等重要，即各占50%，则通过加权计算出天然气各预警指标综合权重值，计算公式为：wi＝0.5qj＋0.5wk。

1.2.2 灰色关联综合评价方法

灰色关联分析法是通过子序列和母序列的几何形状类似程度来判断其相互关系是否紧密，进而得到其安全度。灰色关联分析法的优点是对样本或者样本的数量是否具有规律性没有特殊要求，且其量化结果和定性分析结果差异性较小，同时计算量小。计算步骤如下：

（1）确定子序列和母序列：有i个样本数量和j个指标， 每一个yi(j)(i＝1，2，3，…，m；j＝1，2，3，…，n)表示第i年第j个指标值。y0(j)为每个指标的最优值。

子序列为：

母序列为：

（2）将各个指标数据进行无量纲化处理：

无量纲化子序列：

无量纲化母序列为：

（3）计算比较序列中每个元素与参考序列相对应元素的差的绝对值、最大值和最小值：

（4）确定各项指标的权重值，已从客观和主观角度求得各项指标的综合权重。

（5）计算灰色关联系数：

其中ξ为分辨系数，通常取值为0.5；δmin＝

（6）计算安全度：

利用灰色关联系数与各预警指标综合权重的乘积表示测度，将所得预警测度值转变到（0，10］范围，计算公式和转换公式分别如下。

2 中国天然气供需预测预警分析

2.1 预警指标体系建构

在能源结构转型进程的大力推动下，中国天然气能源供需便成为关注的焦点。为充分了解中国天然气未来供需发展状态，通过对目前已有权威文献的梳理分析［9-16］，并结合当前中国国情，从供给、需求、市场、社会4个方面，选取储采比、自给率、储量指数、消费占比、消费强度、进口依存度、进口集中度、保障系数、碳强度及人均GDP 共10 个指标，构建中国天然气供需预测预警指标体系，如表1所示。

表1 中国天然气供需预警指标体系表

其中指标包括储量指数、保障系数的原始数据均来自《bp世界能源统计年鉴（2012-2021）》；消费占比以及人均GDP 均来源于国家统计局；国内生产总值、天然气产量、天然气消费量及能源消费总量的数据均来自于国家统计局；碳年均排放总量、天然气前3名国家进口量、天然气总进口量的数据均来自《bp 世界能源统计年鉴（2022）》；中国年底可采储量、天然气采出量数据来源于《中国统计年鉴（2019-2021）》，自给率、消费强度、进口集中度、保障系数、碳强度由于未找到原始数据来源，将已知数据带入表1中计算公式中计算得出数据。

2.2 预测分析

根据GM（1，1）模型的基本原理，运用matlab 软件绘制出中国天然气供需预测预警指标的预测值，结果如图1 所示。根据平均相对误差绝对值（MAPE）公式：，可计算得出储采比的MAPE 为6%≤10%、自给率的MAPE 为2%≤10%、储量指数MAPE 为4%≤10%、消费占比MAPE 为3%≤10%、消费强度MAPE 为3%≤10%、进口依存度MAPE 为4%≤10%、进口集中度MAPE 为3%≤10%、保障系数的MAPE 为1%≤10%、碳强度MAPE为2%≤10%、人均GDP的MAPE为3%≤10%，表明GM（1，1）模型预测效果为优［9］，预测结果可以用于预警综合分析。

图1 预警指标趋势变化图

由图1分析可知，中国天然气储采比和储量指数2022—2030 年将呈指数增长；中国天然气自给率在“十四五”和“十五五”期间均将表现为线性降低趋势；中国天然气消费强度及消费占比将有稳定攀升的趋势，在2030 年前中国天然气消费量将持续增长。在新冠肺炎疫情席卷全球的背景下，2019 和2020 年中国天然气进口依存度和进口集中度出现骤降点，造成全球贸易市场经济相对滞后从而影响天然气市场安全。后新冠疫情时期，天然气市场出现回暖现象。随着国内经济的稳定发展、能源转型的不断推动、新型城镇化的实行，中国人均GDP 和中国天然气碳强度在“十五五”期间，前者表现为震荡式增长后者为震荡式下降，表明相关政策的实施将取得一定的成效。

2.3 预警分析

2.3.1 预警界限与等级划分

根据熵值法对天然气供需预测预警指标进行客观计算权重，采用序关系分析法求各指标主观权重，最后计算出综合权重如表2所示：中国天然气供需预测预警指标权重较大的4 个因子依次为储采比、自给率、储量指数、进口集中度；意味着该四个因子对中国天然气供需影响相较其余指标影响更大。

表2 预警指标权重表

在已有研究成果基础上，结合本次研究的预警指标权重，分析得出天然气供需各预警指标预警界线和预警等级如表3、表4所示。

表3 预警界线表

表4 预警等级标准

2.3.2 预警综合评价分析

由图2分析可知，中国天然气供需安全度将呈缓慢上升态势，将从临界安全状态变为安全状态，预警等级将从Ⅲ级转变为Ⅳ级。结果表明：在2022—2030 年，中国天然气供给将从临界安全状态上升至安全状态，随着油气增储上产持续加强，中国天然气供给预警等级将由Ⅲ级上升至Ⅳ级；随着能源低碳转型的持续推进，中国天然气需求量将不断增长，中国天然气需求安全等级将维持在极度危险状态，预警等级将处于Ⅱ级；中国天然气市场安全度虽有所下降，但在未来仍处于临界安全状态，预警等级将达到Ⅲ级；中国天然气社会将处于安全状态，虽然安全度将呈现出平缓下降趋势，但其预警等级仍保持在Ⅳ级。

图2 天然气供需安全度趋势变化图

3 结论

从天然气供给、需求、市场、社会4个维度选择10 个预警指标构建天然气供需预测预警指标体系，基于GM（1，1）模型对中国天然气供需未来发展态势进行预测；构建灰色关联预警模型对中国天然气供需状态进行预警分析，得出以下结论：

1）中国天然气供需总体状态发展水平较为平稳，2012—2028 年中国天然气供需状况处于临界安全状态，预警等级处于Ⅲ级，2029—2030 年中国天然气供需预警等级提升至Ⅳ级，表现为安全状态。不断促进清洁新能源和可再生能源的使用，将是提高中国天然气供需预警等级的有效措施。

2）供给安全度稳步上升，从临界安全状态发展到安全状态。国家能源局提出油气增储上产七年行动计划，中国天然气探明储量和产量将持续增长［17-20］，中国天然气供应能力将进一步提升。而天然气消耗量的增长对天然气供给能力会造成负面影响，天然气消费力度持续增强促进了中国天然气供需矛盾不断加深。由此得出正确引导中国天然气消费、增大天然气开采和提高中国天然气自给率是保障中国天然气供给安全的重要措施。

3）需求安全度不断下降，状态属性由临界安全状态转变为不安全状态。中国经济高质量发展和“煤改气”政策的实施，刺激了天然气消费强度和消费占比持续升高。中国天然气消费占比不断提升，表明如今中国经济发展愈来愈依靠天然气能源，也从侧面反映中国天然气的供应压力越来越大，致使2022—2030 年天然气需求安全度也将不断降低。因此提倡能源多元化、发掘其他新能源、降低天然气消耗量减轻天然气供应压力、提升能源供需比等将是提高中国天然气需求预警等级和缩小天然气供需缺口的有效方法。

4）受到国际地缘政治影响，国际局势的变化扰乱了国际天然气能源发展的稳定状态，致使市场安全形势呈下降状况，从安全状态降至临界安全状态，预警等级由Ⅱ级转变为Ⅲ级。虽然中国天然气进口集中度在降低，但其进口依存度仍在上升，造成中国天然气市场总体预警等级处于较低状态。进口依存度持续升高正面反映了中国天然气进口依然受到其他国家的制约。所以，保障中国天然气进口的多元化，选择稳定、安全的国家进口，降低中国天然气进口集中度，改变天然气进口链单一化现状以及激励性开采页岩气、煤层气等资源是规避中国天然气供需风险的又一重要举措。

（5）社会安全度有缓慢降低趋势，维持在安全状态，预警等级仍保持Ⅳ级。煤炭、石油等化石能源的大量使用，导致大气污染现状加重和碳排放量持续升高；人口老龄化问题不断降低中国劳动力质量进而影响国家经济发展，是导致社会安全度降低的重要因素。因此以减排为目的、改善人口质量为宗旨、高质量发展经济为核心，持续推进“气改电”进程、不断改善生育政策和高质量稳定发展中国经济以降低中国天然气社会风险；坚持“一带一路”，不断向“十四五”规划和“双碳”目标奋进，将“蓝天计划”贯彻到底是保障天然气社会安全的重要措施。