孫 涵,付曉靈,張先鋒

(中國地質(zhì)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,湖北武漢430074)

基于支持向量回歸機的中國煤炭長期需求預(yù)測＊

孫 涵,付曉靈,張先鋒

(中國地質(zhì)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,湖北武漢430074)

本文運用支持向量回歸機 (SVR)對我國煤炭1985—2008年需求量進行模擬與仿真,預(yù)測我國2009—2020年煤炭長期需求,并模擬解釋變量不同增長率下煤炭的需求量,最后根據(jù)預(yù)測結(jié)果給出政策選擇。研究結(jié)果表明,在基本情景下中國煤炭需求從2009年的20.648億噸,到2017年將出現(xiàn)峰值,達到24.592億噸,隨后緩慢下降至2020年的23.186億噸。說明在現(xiàn)有的能源消費情景下,中國高速經(jīng)濟增長依然要嚴重依賴煤炭。同時還發(fā)現(xiàn),經(jīng)濟增長是煤炭需求增長的主要原因,影響最大,是能源政策的一個重要影響變量;工業(yè)結(jié)構(gòu) (第二產(chǎn)業(yè))影響次之,即便是微調(diào),也會對煤炭需求有較大的抑制作用;城市化也是影響煤炭需求的一個重要因素,但影響相對較小。

煤炭需求;支持向量回歸機;政策選擇

一、引 言

中國是世界上極少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一,截至2010年,中國煤炭消費比重仍然保持在69.94%,并已從煤炭凈輸出國變成煤炭凈輸入國。近幾年中國煤炭供需形勢歷經(jīng)數(shù)輪起伏,2004、2005和2008年出現(xiàn)了煤、電、油、運全面緊張的局面。同時,中國的城市化、工業(yè)化仍未完成,經(jīng)濟快速發(fā)展的趨勢還會繼續(xù),預(yù)計煤炭需求還會進一步上升。充足可靠的煤炭供給不僅是目前影響經(jīng)濟穩(wěn)定的重大宏觀問題,還將對未來經(jīng)濟增長產(chǎn)生重大影響。據(jù)此,經(jīng)濟增長、城市化和工業(yè)化將對中國的煤炭需求帶來何種沖擊以及在這種沖擊下未來煤炭需求情況如何,是本文要研究的問題。由于未來煤炭需求影響因素存在不確定性,因此,模擬不同路徑下未來煤炭需求量并找出峰值對整個中國經(jīng)濟來說至關(guān)重要,同時也對能源戰(zhàn)略的制定起到參考作用。

近年來,國內(nèi)外一些學(xué)者采用規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)、彈性系數(shù)法、投入產(chǎn)出法和傳統(tǒng)時間序列法等對能源需求進行研究和預(yù)測,得出了一些比較實用的建模方法和政策建議[1](P97-98)[2](P31-34)。在解釋經(jīng)濟發(fā)展與煤炭消費之間長期均衡和短期波動關(guān)系方面,標準 Granger因果檢驗、協(xié)整和誤差修正模型(ECM)得到大量運用:如Bentzen和 Engsted(1993)以及Bentzen(1994)分別估計了丹麥能源和汽油的需求彈性[3](P9-16)[4](P139-143),Kulshreshtha和 Parikh(2000)分行業(yè)研究印度煤炭的長期需求彈性和短期動態(tài)調(diào)整行為[5](P149-168),林伯強 (2007)研究中國煤炭需求的長期均衡關(guān)系[6](P48-58)。但是,還有一些問題值得探討:(1)上述預(yù)測方法難以準確刻畫煤炭系統(tǒng)中的非線性關(guān)系,導(dǎo)致預(yù)測精度不高;(2)將城市化和工業(yè)化同時納入模型中,分析中國經(jīng)濟增長和煤炭消費的長期關(guān)系,前人在這方面研究較少;(3)受到環(huán)境制約、科技進步等方面因素的影響,未來中國煤炭資源的需求到底是多少,何時將出現(xiàn)峰值,以及長期煤炭需求演化路徑如何等等問題,仍需進一步深入研究。

有鑒于此,本文運用基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論而發(fā)展起來的一種新學(xué)習(xí)方法——支持向量回歸機(Support Vector Regression,SVR),根據(jù)1985-2008年數(shù)據(jù)對我國煤炭需求進行模擬與仿真,并對中國2009—2020年煤炭需求量進行預(yù)測,模擬不同解釋變量增減情況下的未來煤炭需求變化,尋找峰值并進行分析,最后給出相應(yīng)的政策建議。

二、煤炭需求預(yù)測模型的建立

(一)模型構(gòu)建

一般來說,煤炭需求影響因素與煤炭需求量的關(guān)系非常復(fù)雜,很難用一個具體的模型來描述。本文采用SVR來映射輸入 (煤炭需求影響因素)與輸出 (煤炭需求量)之間的關(guān)系。具體來說,把1985—2008年的煤炭需求量以及所確定的各影響因素指標的歷時數(shù)據(jù)作為樣本,構(gòu)造一個多輸入、單輸出的支持向量回歸機預(yù)測模型。一般來說,國民收入是影響煤炭需求的主要因素。另外,由于中國是一個轉(zhuǎn)型社會,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化,特別是煤炭消費量較大的重工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化會對煤炭需求產(chǎn)生較大的影響;同時,由于城市居民和農(nóng)村居民的能源利用方式和消費水平有很大差別,因此,城市化也是影響能源需求的重要因素之一。據(jù)此,本文采用經(jīng)濟增長 (GDP)、城市化 (城市人口數(shù)量占總?cè)丝跀?shù)量)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) (第二產(chǎn)業(yè)占整個產(chǎn)業(yè)的比重)[6](P48-58)[7](P152-155)三個變量來表示輸入。

(二)方法檢驗與驗證

首先將1985—2005年 (訓(xùn)練樣本)煤炭需求變量數(shù)據(jù),作為SVR的輸入,相應(yīng)的中國煤炭消耗量作為輸出,進行模擬與仿真。然后,運用訓(xùn)練好的模型對中國2006—2008年煤炭需求量進行預(yù)測 (檢測樣本),最后根據(jù)預(yù)測的結(jié)果與實際值進行比較,以驗證方法的有效性和可行性。在進行訓(xùn)練與預(yù)測時,需要確定SVR正規(guī)化參數(shù)C和RBF核函數(shù)參數(shù)σ2。本文將最終的預(yù)測結(jié)果所產(chǎn)生的誤差作評價標準,根據(jù)驗證集上的性能表現(xiàn),來確定合適的取值。經(jīng)過反復(fù)試驗,最后確定當C=100,σ2=50時,預(yù)測2006—2008年煤炭需求量分別為17.355億,19.1億和20.487億噸標準煤,與實際煤炭消耗相比誤差分別為1.54%,3.48%和4.68%,其模擬與預(yù)測結(jié)果理想。由此可見,運用該方法,引入三個要素進行預(yù)測,所建立的模型具有一定的可行性和可靠性。上述模型的建立、編程及預(yù)測等工作均在Matlab8.0軟件上編寫實現(xiàn)。

三、煤炭長期需求模擬分析

(一)數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)均來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(2000和2009版)中相關(guān)數(shù)據(jù),直接引用或間接計算而得,由于篇幅限制,數(shù)據(jù)略。

(二)情形設(shè)定

由于影響 GDP增長的因素過多而無法唯一確定,在這里本文假設(shè)經(jīng)濟保持高速增長 (約8%)[6](P48-58),因此在預(yù)測中以 GDP的增長速度8%為基本情景。第一、二和三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的增長率分別為4.23%,8.27%和9.35%[8]。城市化人口以2008年的45.68%為基礎(chǔ),根據(jù)2020年達到60%左右目標[9](P118-130),可計算各年中國城市化變量增長率為2.2%。以上情景都是以2008年為基礎(chǔ),根據(jù)上述情景,對中國2009—2020年中國煤炭的長期均衡需求進行預(yù)測 (如表1所示),其中第二列和第六列煤炭需求預(yù)測量作為基本情景。

表1 不同 G DP增長率下中國煤炭長期需求預(yù)測單位:1×108噸標準煤

由于預(yù)測是基于歷史數(shù)據(jù)的,而未來煤炭影響因素如城市化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及中國經(jīng)濟增長存在各種不確定性都會對預(yù)測的結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,需要在不同影響情況下,對煤炭需求進行模擬分析。由于影響 GDP增長率的因素很多,因此,本文在原來GDP增長率為8%的基礎(chǔ)上上下浮動0.5個百分點。盡管 GDP增長率低可以降低煤炭需求,但是保持經(jīng)濟高速增長 (約8%)是中國社會發(fā)展和勞動就業(yè)的保障[6](P48-58),因此,未將它的變動納入政策模擬分析中。而其他二個變量都是政府部門能夠通過政策加以影響的,在一定程度上能成為抑制煤炭需求的政策工具。因此,在目標假設(shè)的基礎(chǔ)上,逐個改變除GDP以外兩個變量的變動幅度,其中第二產(chǎn)業(yè)在原來增長率的基礎(chǔ)上上下浮動0.5個百分點 (其他產(chǎn)業(yè)增長率不變),城市化的增長率上下浮動0.4個百分點。模擬在不同的路徑下,2009—2020年中國煤炭需求的趨勢及不同變量對煤炭的需求影響程度,假設(shè)一個變量變化時,其他變量未變化,其模擬結(jié)果如表2所示。

表2 中國煤炭長期需求模擬分析單位:1×108億噸標準煤

(三)結(jié)果分析

1.對經(jīng)濟增長速度的模擬結(jié)果表明,在目標趨勢假設(shè)下,煤炭消費量自2009年的20.648億噸,逐年增長,直到2017年達到峰值,為24.592億噸,然后逐年下降,到2020年為23.469億噸(如表1、圖1所示)。

圖1 不同GDP增長率下煤炭需求預(yù)測趨勢

這說明在未來的十年中,中國要保持經(jīng)濟高速增長,仍然嚴重依賴煤炭。由于經(jīng)濟增長對煤炭需求有較大影響,本文對不同 GDP增長率的情形進行模擬,結(jié)果表明,7.5%GDP增長率使得中國煤炭需求到2016年到達峰值24.036億噸,然后逐年下降,到2020年為22.548億噸;8.5%GDP增長率使得中國煤炭需求到2017年到達峰值25.417億噸,然后逐年下降,到2020年需求為24.412億噸。由此可見: (1)盡管經(jīng)濟增長的速度有所不同,但是煤炭的需求都呈現(xiàn)一種緩慢上升的趨勢,并在2016年或2017年出現(xiàn)峰值。 (2)7.5%的GDP增長率使煤炭的需求峰值提前1年到來,且峰值降低了0.556億噸,而8.5%的 GDP增長率,雖然使煤炭的需求峰值仍在2017年,但推高了煤炭需求峰值0.825億噸。(3)經(jīng)濟增長速度的高低直接影響煤炭需求的高低。從整個預(yù)測趨勢來看,經(jīng)濟增長因素相對于其他因素來說,對煤炭需求影響最大。

2.對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的模擬結(jié)果表明,0.5%的下調(diào) (減少第二產(chǎn)業(yè)比例)使得煤炭2017年的需求出現(xiàn)峰值為24.592億噸,比目標預(yù)測值少0.341億噸,到2020年煤炭仍需求23.186億噸,比目標預(yù)測值少0.286億噸;0.5%的上調(diào) (增加第二產(chǎn)業(yè)比例)使得煤炭2017年的需求出現(xiàn)峰值為24.896億噸,比目標預(yù)測值多0.304億噸,到2020年煤炭仍需求23.689億噸,比目標預(yù)測值多0.22億噸。由此可見:(1)不同的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)會改變能源消耗倒U型曲線峰值的高度。(2)短期內(nèi)重工業(yè)結(jié)構(gòu)很難大幅度進行調(diào)整,但是從模擬結(jié)果可以看出,即使微調(diào)對未來煤炭需求也有很大的抑制作用。(3)第二產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重越大,煤炭消耗越多。從整個預(yù)測趨勢來看,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素相對于其他因素來說,對煤炭需求影響相對較大。

3.對城市化調(diào)整的模擬結(jié)果表明,0.4%的下調(diào)使得煤炭2017年的需求出現(xiàn)峰值為24.581億噸,比目標預(yù)測值少0.011億噸;0.4%的上調(diào)使得煤炭2017年的需求出現(xiàn)峰值為24.603億噸,比目標預(yù)測值多0.011億噸,到2020年不同的城市化變化率,煤炭需求都為23.469億噸,基本沒有變化。由此可見:(1)不同的城市化增長率會改變能源消耗倒U型曲線峰值的高度,但是相對其他因素來說,降幅最小。(2)城市化程度越高,煤炭消耗越多。但是從整個預(yù)測趨勢來看,變化相對較小,可以說城市化對煤炭需求影響相對較小。

四、結(jié) 論

改革開放后粗放型的經(jīng)濟增長方式導(dǎo)致了對能源需求的迅速上升,而煤炭又是中國首要的一次能源形式。基于SVR的中國2009—2020年中國煤炭的長期需求預(yù)測,研究發(fā)現(xiàn):中國煤炭需求將在2017年出現(xiàn)峰值,達到24.592億噸,隨后緩慢下降至2020年的23.186億噸。對不同 GDP增長率的模擬結(jié)果表明,7.5%和8.5%的 GDP增長率將使得中國的煤炭需求分別在2016年和2017年達到峰值24.036億噸和25.417億噸,此后緩慢下降。因此可以說,在此演繹路徑下,經(jīng)濟增長速度是能源政策的一個重要影響變量,不同的經(jīng)濟增長速度將會改變煤炭需求峰值的高度和時間。雖然本文沒有將經(jīng)濟增長速度變化納入政策模擬分析中,但是,它對我國能源戰(zhàn)略規(guī)劃的制訂仍具有重要的參考價值。

工業(yè)化對中國2009—2020年煤炭需求都有顯著的影響。這個因素可以改變倒U型曲線的形狀和煤炭消費峰值的位置。也就是說,在不同經(jīng)濟增長方式和能源環(huán)境政策下,未來煤炭消費的倒U型曲線具有不同的特征。這意味著,通過制定和執(zhí)行積極的能源政策,有可能使曲線峰值降低,或在曲線上找到一條近似水平的通道,甚至讓煤炭需求峰值提前到來,如調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來抑制高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,從中長期看,第一,必須加速從能源密集型的制造業(yè)向高技術(shù)、服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)型;第二,開展居民生活節(jié)能,從衣、食、住、行等方面制定政策,引導(dǎo)減少居民生活的直接和間接煤炭消費。

城市化對中國2009—2020年煤炭需求有較小的影響。但是城市化將是一個比較長的歷程,估計到2020年,中國城市化率大約為60%,將近1.3億人口將遷移進城市居住和工作,而城市人口的能源消費大約是農(nóng)村人口的4倍,所以要真正理解這一階段的能源消費增長和能源消費剛性問題,是制定有效能源戰(zhàn)略和政策的必要前提。

[1]葉國興,李丕東,陳帥.中國煤炭需求:模型比較與預(yù)測[J].統(tǒng)計與決策,2008,4(26).

[2]余良暉,賈文龍.中國煤炭需求預(yù)測模型研究[J].中國國土資源經(jīng)濟,2008,3(31).

[3]Bentzen,J.,T.Engsted.Short-and long-run elasticities in energy demand:A cointegration approach[J].Energy Economics,1993,15(1).

[4]Bentzen,J.An empirical analysis of gasoline Demand in denmark using cointegration techniques[J].Energy Economics,1994,16(2).

[5]Kulshreshtha,M.,J.Parikh.Modeling demand for coal in India:Vector autoregressive models with cointegrated variables[J].Energy,2000,25(2).

[6]林伯強,魏巍賢,李丕東.中國長期煤炭需求:影響與政策選擇[J].經(jīng)濟研究,2007,(2).

[7]王妍,李京文.我國煤炭消費現(xiàn)狀與未來煤炭需求預(yù)測[J].中國人口·資源與環(huán)境,2008,18(3).

[8]國家發(fā)展和改革委員會能源研究所課題組.中國2050年低碳發(fā)展之路:能源需求暨碳排放情景分析[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[9]何曉萍,劉希穎,林艷蘋.中國城市化進程中的電力需求預(yù)測[J].經(jīng)濟研究,2009,(1).

(責任編輯 朱 蓓)

China’s Long-term Coal Demand Forecasting by Support V ector Regression

SUN Han,FU Xiao-ling,ZHANG Xian-feng
(School ofEconomics and Management,China University of Geosciences,W uhan430074,China)

This paper utilizes support vector regression(SVR)to make the simulation of China’s coal demand form 1985 to 2008,and then forecasts the long-term coal demand from 2009 to 2020.It also makes policy simulations on the coal demand under different growth rates for various variables and offers policy suggestions.The result shows that China’s coal demand will increase from 2.064 8 billion tons in 2009 to 2.4592 billion tons in 2017,and then slowly decline to 2.3186 billion tons in 2020.It indicates that under the existing structure of energy consumption,maintaining the high-speed economic growth rate must heavily rely on coal.It is also found that the rapid economic growth is the main cause of coal demand increase in China.The adjustment of industrial structure,even if it is minor,will have big inhibitory impact on coal demand.Urbanization is also an important influencing factor for coal demand,but with less effect.

coal demand;support vector regression;policy choice

F426.21

A

1671-0169(2011)05-0015-04

2011-07-15

國家自然科學(xué)基金“中國城市居民生活完全能源消費的測算及影響因素分析”(71103164);中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)優(yōu)秀青年教師特色學(xué)科團隊項目“面向資源管理的系統(tǒng)工程理論與方法”(CUG090113);中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)資源環(huán)境經(jīng)濟研究中心開放基金“中國城市居民生活完全能源消費的影響因素與節(jié)能策略”(2011B012)

孫 涵 (1980—),男,湖北黃岡市人,講師,博士,研究方向:資源管理工程。

付曉靈 (1965—),女,四川宜賓市人,副教授,博士,研究方向:項目經(jīng)濟評價。