張彤　張文琴　王淵　羅超華

[摘要] 石油安全風險預警是中國石油安全的重要內容，本文采用壓力—狀態(tài)—響應框架建立中國石油安全風險預警指標體系，基于數據挖掘理論的主成分分析和K-means聚類算法建立中國石油安全風險預警模型，并采用多元回歸分析驗證模型的有效性。實證研究發(fā)現，中國石油供應安全狀態(tài)近20年來處于較大的波動中。石油消耗強度、國際原油價格、石油對外依存度主要影響著中國石油供應安全。研究結果表明，建立的風險預警模型有效地反映出了中國石油供應安全風險水平的演化及主要因素，其可用于中長期石油供應安全風險預警。

[關鍵詞] 石油安全；風險； 壓力—狀態(tài)—響應框架； 主成分分析； Kmeans聚類算法；預警

[中圖分類號]F40722[文獻標識碼]A[文章編號] 1673-5595（2014）02-01-07

一、引言

能源安全中最重要的是石油安全[1]，石油占全球能源消費的336%①。1973年的石油危機使石油安全問題受到廣泛關注。1974年成立的IEA（International Energy Agency）正式提出以穩(wěn)定原油價格為核心的國家能源安全概念，并逐漸形成能源供應安全與使用安全的能源安全系統(tǒng)概念框架。2005年，墨西哥灣的卡特里娜颶風凸顯了世界石油供應安全的脆弱性以及其對世界政治與經濟的沖擊，出現了大量相關研究。Mitchell和Schlesinger分別從國家戰(zhàn)略的角度對國家石油安全進行了研究[23]；Sadorsky、Chorn和Chiou等從整體角度和國家、行業(yè)的角度分析了石油生產、消費以及石油產量的預測等問題[46]；Boyd等通過平衡模型分析國際油價對美國經濟的影響[7]；Hughes提出用于能源安全描述與分析的框架[8]；Sovacool提出測量能源安全的指標體系[9]。國外學者對于石油問題的研究主要立足于國家利益，針對本國的實際情況展開，關于中國的研究主要有，Bambawale等專門研究的中國能源安全問題，并提出7項假設[10]；Li等研究了中國石油市場與世界石油市場的關系[11]。

中國石油產業(yè)以高度國有化和政府管制為特征，主要通過計劃調控。2000年以后，中國開始進入工業(yè)化中期階段，以石油為代表的能源需求迅速增長，中國能源結構中石油的比重高達19%。至2010年，中國消費石油428億噸，成為僅次于美國的世界第二大石油消費國，石油消費占世界石油消費的106%，但產量僅占世界總產量的52%，石油進口（包括原油和成品油）達294億噸①。同時，在全球經濟一體化影響下，中國石油市場越來越受國際石油市場波動的影響，尤其是國際石油價格的波動，直接影響了中國經濟的發(fā)展。當國際石油價格高于5435美元/桶時，其對石油化工產業(yè)的影響凸顯并成為抑制中國經濟發(fā)展的重要因素[12]。 從長期看，石油價格上漲對中國經濟增長具有負面的效應[13]。中國石油對外依存度1995年為68%，2000年為27%，2010迅速躍至541%。預計至2020年，石油對外依存度將達60%，石油消費量至少達45億噸。因此，中國石油供應安全問題變得非常突出[14]。

中國石油安全成為能源安全和經濟安全的重要因素，并影響外交、政治和環(huán)境，促使國內開始重視并致力于石油安全相關問題的指標體系的完善和評價方法的探討。近十年來，主要的研究成果有：吳文盛建立了石油資源評價指標體系，預測了2010年以前中國石油安全情況[15]；張華林、劉剛應用層次分析法建立了石油安全評價指標體系[16]；李凌峰、張華林、于冬梅等應用傳統(tǒng)層次分析法對中國石油安全進行了評價，并找出了影響石油安全的主導因素[1719]；范秋芳首次應用BP神經網絡方法對中國的石油安全預警進行了研究[20]；李小亮等基于PSR（PressureStateResponse）框架建立了石油安全評價指標體系，運用熵值法和灰色關聯法的集成對中國1993—2006年的石油安全趨勢進行了實證研究[21]；王寶、李泓澤首次提出用脆弱性指數來衡量中國石油安全情況，并構建了影響中國石油脆弱性的6個主要指標，運用主成分分析法對1998—2008年中國石油脆弱性進行了綜合測算[22]。目前，關于石油供應風險預警區(qū)間界定與控制的研究成果較少，典型的僅有李繼尊的相關研究[23]。

不斷增長的石油供應安全風險主要來自于不斷增長的石油需求、相對穩(wěn)定的探明儲量、分布較為集中的石油供應國、石油運輸方式與能力。本文在文獻研究與調研的基礎上發(fā)現，盡管上述研究成果對相關問題進行了研究與探索，但是關于中國石油供應安全風險預警的研究仍然有待進一步開展，主要表現為：（1）風險預警指標不夠完善；（2）風險預警水平確定是一個動態(tài)變化的過程，需要根據環(huán)境變化進行調整；（3）隨著預警技術的發(fā)展，風險預警模型需要進一步完善。本文從中國石油供應安全風險面臨的壓力—狀態(tài)—響應三個維度設計中國石油安全風險預警指標體系，通過集成數據挖掘理論的主成分分析[24]與K均值聚類算法[25]，構建中國石油供應安全風險預警模型，在此基礎上，對中國1993—2011年的石油供應安全進行實證分析。

中國石油大學學報（社會科學版）2014年2月第30卷第1期張彤，等：中國石油供應安全狀態(tài)分析與風險預警二、石油供應安全風險預警模型

石油經濟安全系統(tǒng)是一個復雜巨系統(tǒng)，導致石油經濟安全的各種影響因素之間相互作用[26]。利用主成分分析法進行分析，用較少的幾個新的綜合指標來代替原有的較多的指標，能消除指標間的內部影響，使評價更客觀、更接近事實、問題大大簡化。Kmeans算法在聚類方法的分類中屬于劃分方法的一種，以劃分的數目K（聚類中心）為參數，把n個對象劃分為K個簇，以使簇內具有較高的相似度，如果將聚類的對象處于供應安全風險水平，則通過Kmeans算法聚類分析得到的每一個簇就可以確定為一個預警區(qū)間。

模型主要思想為：（1） 利用PSR（PressureStateResponse）構造石油供應安全測量空間模型X（X）；（2）利用主成分分析方法將p維空間X （X）變換至低維主成分空間U=（U），以挖掘影響石油供應風險的主要因素，并定義石油供應安全風險水平；（3） 通過主成分回歸與Kmeans聚類，建立中國石油供應安全風險預警模型，構成石油風險分析識辨系統(tǒng)，使用Kmeans 聚類將石油供應風險劃分為K個簇，每一個簇為一個預警區(qū)間；（4）假設中國能源安全內外部環(huán)境為基本和平狀態(tài)，無大的政治波動和戰(zhàn)爭，國際政治、經濟、科技進步水平在可預期的范圍內變化。模型系統(tǒng)結構如圖1所示，由指標測量系統(tǒng)、數據分析系統(tǒng)、狀態(tài)分析系統(tǒng)3個子系統(tǒng)構成。

圖1石油供應安全風險預警模型系統(tǒng)結構（一）指標體系

作為風險測量的基礎，首先設計石油供應安全風險預警指標體系。基于風險預警指標體系既要有較好的代表性、可操作性，又能對長期與中短期風險進行預警，所以本文以PSR框架[27]作為預警指標體系基本框架，依據相關文獻與調研，設計測量指標，構造中國石油供應安全風險測量模型，用于測量與預測中國石油供應安全風險。PSR模型用“原因—效應—響應”模式，反映石油供應安全系統(tǒng)中消費、供應與資源開采、石油市場之間的相互作用關系。國家經濟活動通過國內石油資源開采與國際貿易獲取經濟發(fā)展所必需的石油資源，同時對國內外石油資源與市場產生反作用，從而改變石油資源儲量與市場環(huán)境狀態(tài)；而石油資源儲量與市場環(huán)境狀態(tài)又反過來影響石油消費與供應。如此循環(huán)往復，構成了石油供應與環(huán)境之間的壓力—狀態(tài)—響應關系。該測量模型從影響石油供應安全的壓力、維持石油供應安全的現狀（狀態(tài)）和社會或政府為應對這些變化的反應（響應）三個方面，以及目標、準則、指標三個層次，反映石油供應安全風險狀態(tài)。其中，壓力指標表征中國石油消費對供應的作用；狀態(tài)指標表征國內石油開采與國際石油運輸對保障石油消費的作用；響應指標反映應對石油安全危機能力。所有指標均可通過權威統(tǒng)計資料獲得，具有可靠的可測量性。測量指標體系基本結構見表1。表1中國石油經濟安全評價指標體系

目標層準則層指標層變量說明 石油

供應

安全安全壓力石油消費在能源消耗中所占比重（%）x1當年石油消費量占當年能源消費量的百分比石油消耗強度（%）x2石油消費總量與當年國內國民生產總值之比國際原油價格（$）x3國際通行的某一時期的原油平均價格石油對外依存度（%）x4每年進口的石油量與石油需求量的比值石油進口集中度[28]（%）x5進口來源的前三位或者前五位國家的石油進口總量占總進口量的比重安全狀態(tài)儲采比（%）x6石油探明儲量與年開采量的比值儲量替代率（%）x7當年增加的探明儲量與開采量的比值石油進口運輸安全（分）x8反映的是資源運輸國對運輸通道安全保障的能力安全響應石油儲備水平（天）x9當前消費水平下國內石油可供使用的天數32 長期石油進口能力指數（%）x10石油資源進口額與當年國家外匯儲備的比值

（二）計算方法

模型計算的主要步驟：

第一，標準化處理。設指標數為p，定義p維石油供應安全風險空間為X=（x1， x2， …， xp）。樣本總數為n年的石油供應安全樣本數據矩陣為

X=（xij）n×p=x11…x1pxn1…xnp

i=1，2，…，n；j=1，2，…，p。

由于是多屬性指標，將數據標準化處理為正向指標，得標準化陣

Y=（yij）n×p， yij=xij-jσj

i=1，2，…，n；j=1，2，…，p （1）

式中，j=∑ni=1xijn；σj=∑ni=1（xij-j）2n-1； j=1，2，…， p。

第二，求Y的相關系數矩陣R

R=（rij）p×p=YTYn-1，i，j=1，2，…，p。 （2）

第三，求解R 的特征方程

R-λIp=0 （3）

的特征根，λj（j=1，2，…，p），采用特征根大于1 的抽取準則（Kaiser準則）確定主成分個數m，對每個λj（j=1，2，…，m）， 求解方程組Rb=λjb得單位特征向量b0j。

第四，將標準化后的指標變量轉換為主成分

Uj=Yb0j， j=1，2，…，m （4）

式中，Uj 為第j 主成分。m個不相關的Uj構成m維主成分超平面空間U=（U1， U2， …， Um）。

第五，對m個主成分加權求和，構成U上的石油供應安全風險水平F

F=∑mj=1ωjUj （5）

式中，ωj=λj·∑mi=1λi-1，j=1，2，3，…，p，為主成分Uj的方差貢獻率。

第六，確定預警區(qū)間。令k=3， 進行Kmeans聚類分析，構造三水平預警區(qū)間。算法如下：

（1）從U上的F樣本中任意選出3個樣本作為初始中心， 記為m（0）1，m（0）2，m（0）3。

（2）從F的樣本中，以D（t）l=min{F-m（t）j ，j=1，2，3}， l∈{1，2，3}為標準測試函數， 測度為歐氏距離。逐個按照最小距離原則將樣本F劃分給3個類中的某一類C（t+1）j，j∈{1，2，3}，t代表迭代次數。

（3）計算重新分類后的各個聚類中心：

m（t+1）j=1N（t+1）j ∑F∈C（t+1）J F，j=1，2，3 （6）

式中，N代表在第t+1次迭代中，各聚類中心樣本的總數。

（4）如果m（t+1）j=m（t）j，j=1，2，3，則算法結束；否則返回步驟二，反復迭代。

（5）最終得到3個聚類中心，分別對應特定的預警區(qū)間。

三、定量分析

（一）石油供應安全主要因素

利用SPSS統(tǒng)計軟件對中國石油供應安全風險預警模型進行分析計算。數據集取自表2所示的1993—2011年中國石油供應安全相關統(tǒng)計數據。

依據計算模型得到貢獻率和累積貢獻率（見表3）與主成分的特征向量值（見表4）。

根據表3，選取前3個主成分U1、U2、U3進行綜合評價。根據表4，由式（4）得各主成分的線性表達式：

由表4可知，第1主成分在石油消耗強度、石油對外依存度、國際原油價格、石油進口運輸安全上的載荷最高，綜合反映了中國石油供應安全面臨的市場狀況，因此命名為市場環(huán)境因素；第2主成分在石油消費在能源消耗中所占比重、石油儲備水平上的載荷最高，從石油消費狀態(tài)反映了石油儲備水平應對短暫供應中斷的能力，因此命名為供應風險水平；第3主成分在石油進口集中度、儲采比、儲量替代率、長期石油進口能力上的載荷相對較高，反映了石油供應的可持續(xù)能力，因此命名為可持續(xù)供給能力。

（二）石油供應安全風險水平與空間結構特征

將各特征值的方差貢獻率作為權重，對主成分得分進行加權求和，由式（5）得第t年中國石油供應安全風險水平：F（t）=03806U1（t）+026541U2（t）+012217U3（t）。最終計算結果見表5。

601%，其構成的2維主超平面空間為U=（U1，U2），相應的散點圖見圖2，有效地將描述石油供應安全風險因素從p維空間降維至2維空間，直接刻畫出石油供應安全風險樣本點之間的相關關系、分布特點與結構。

圖2石油供應安全預警風險水平主平面（三）確定預警區(qū)間

由主成分分析原理可知，所有的正指標都變換成了負指標，因此，預警風險水平越小，預示著中國石油供應狀況越安全；方差傳達的是一種信息量，其數值越大，傳達的信息量越大，同時也代表著數據的波動性越大，越不穩(wěn)定，因此，主成分的得分越大，表明石油供應安全壓力越大，石油供應安全狀況越不好。基于以上因素，進行Kmeans 聚類分析，K=3，對應預警區(qū)間：安全、值得關注、危險。最后計算得出的聚類中心為：-135、-013、090，表示石油供應安全風險水平的三個預警區(qū)間的平均水平，即石油供應安全風險的警戒線。

（四）主成分回歸

利用回歸分析預測功能，通過對數據進行回歸分析得出經驗公式，利用經驗公式就可以在已知自變量的情況下預測因變量的取值，然后進行誤差分析，從而來說明預警模型的有效性。將1993—2010年中國石油供應安全預警指標標準化后的數據代入式（7）、（8）、（9），求得Ui（i=1，2，3）；然后以Ui為自變量，中國石油供應安全預警風險水平為因變量，進行多元回歸分析。主成分回歸可以避免多重共線性的干擾，使回歸結果更有效?；貧w分析結果見表6，模型通過了擬合度檢驗（R2=1 且 P<005）。

表6回歸分析結果

變量未標準化的回歸系數BStd. Error標準化后的回

歸系數（Beta）Sig.值 常量000 第1主成分0381007240 第2主成分0265005190 第3主成分0122001620

由于回歸分析數據已經標準化，因此選用未標準化的回歸系數進行擬合，得到中國石油供應安全預警風險水平回歸方程：

Y（t）=0381U1（t）+0265 U2（t）+0122 U3（t） （10）

將2011年的U1、U2、U3實際數據帶入式（10），結果為Y（2011）=-00756，與實際數據F（2011）=-007736比較，殘差小于001，說明預警模型有效。

（五）結果討論

對表5的計算結果用警戒線設置控制邊界，得到石油供應安全風險控制圖（見圖3），清楚地表明了石油供應安全風險趨勢與臨界狀態(tài)。由式（10）得到主成分回歸分析結果，與表5中的中國石油供應安全預警風險水平對比（由于兩條線基本重合，為了便于觀察，將回歸結果上移了01個單位），得到對比分析及預測圖（見圖4），進一步說明了預警結果的有效性。利用模型對2011年中國石油供應安全進行預測，得到風險水平的近期發(fā)展趨勢。

1995—2006年市場環(huán)境因素得分越來越大，2003年以后增長幅度更加明顯，2007年開始下降，但是2009年后又逐漸上升，這說明中國石油供應安全的市場環(huán)境在2003年經歷了危險期，2007年后逐漸好轉，但是近幾年呈現惡化的趨勢。由第1主成分的系數發(fā)現，石油對外依存度、國際原油價格、石油消耗強度占較大比重，在中國石油供應安全的市場環(huán)境因素中起主導作用。首先，石油對外依存度逐年上升，導致中國石油所處的市場環(huán)境不穩(wěn)定性增強，國際石油市場的行情變化影響到中國的國民經濟運行。2003年中國原油凈進口超過9112萬噸，石油進口依存度達到325%，2011年達到565%。其次，國際油價的不斷上漲以及大幅波動，對中國石油產業(yè)的成本和競爭力也產生了不良影響。再次，石油消耗強度增強意味著中國經濟的增長越來越依賴石油的消費，導致石油供應的壓力越來越大?？偟膩砜?，市場環(huán)境因素對于石油供應安全具有舉足輕重的作用，需要引起高度重視。

圖3中國石油供應安全風險控制圖圖4中國石油供應安全風險主成分回歸與預測供應風險水平的得分在2000年達到了最大值，此后開始下降，這表明中國石油在需求供給方面的安全狀況開始改善。由第2主成分的系數發(fā)現，石油消費在能源消耗中所占比重、石油儲備水平的相對權重較大。隨著石油消費的需求不斷攀升，中國政府將石油安全提升到了國家戰(zhàn)略的高度，出現了從沿海分布到散入內陸、從地上建庫到地下儲存的變化，很大程度上提高了應對短暫供應中斷的能力。

可持續(xù)供給能力的得分波動比較大。由第3主成分的系數發(fā)現，可持續(xù)供給因素的得分與儲采比和儲量替代率的關系密切。石油儲量的稀缺性和不確定性等因素導致中國石油供給安全的可持續(xù)供給能力具有很大的不確定性，這無疑給中國石油供應安全帶來了威脅。

由圖2可知，預警結果與回歸模型得到的結果基本一致，可見該預警模型是有效的。通過查閱資料，對2012年中國石油供應安全的預警指標數值進行估計，利用預警模型預測了2012年中國石油安全狀況，預警風險水平為-008901。結果表明，2012年中國石油供應安全壓力進一步緩解，但仍需要進一步關注。

綜合上述主成分因素分析，并由圖3可知，1993—1996年中國石油供應安全的預警風險水平都低于-135的警戒線，表明這段時間中國石油供應安全。1997—1999年，中國石油供應安全狀況開始值得關注。2000年開始，預警風險水平有6年突破了090的危險警戒線。但是自2007年開始，安全水平一直處于安全區(qū)間，這說明中國的能源政策與經濟調整政策發(fā)揮了作用。在實際經濟發(fā)展中，表現為中國經濟較好地抵御了2008年金融危機，并在近年的石油價格大幅波動中，保證了中國經濟發(fā)展。

由此可知，中國經濟對石油的依賴性越來越大，并面臨國際石油市場對中國石油市場的沖擊，但中國的石油供應安全狀況近年來處于安全區(qū)間。

四、結論

其一，本文基于數據挖掘理論與PSR框架模型提出石油供應安全風險預警模型，將高維指標系統(tǒng)通過統(tǒng)計分析轉換為 3 維風險分析識辨系統(tǒng)，從而有效地降低系統(tǒng)復雜性，提高分析的精度以便分析深層次因素。通過實證分析及驗證，證實了本模型的有效性。

其二，本研究表明中國石油供應安全狀態(tài)近20年來處于較大的波動中，可明顯地分為上升與下降兩個階段，2006年為分界點。自2007年開始，安全水平一直處于安全區(qū)間，這說明中國的能源政策與經濟調整政策具有較強魯棒性，保證了中國經濟健康發(fā)展。

其三，影響中國石油供應安全的主要因素為石油消耗強度、國際原油價格、石油對外依存度。其中，石油消耗強度反映國內工業(yè)與經濟的發(fā)展對石油的需求情況；石油對外依存度反映國內石油生產狀態(tài)；而原油價格則直接反映中國石油需求狀態(tài)與國際原油市場的供求關系。這三項指標作為主要因素對中國石油戰(zhàn)略具有重要影響。

注釋：

① 參見BP Statistical Review of World Energy 2011。

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[責任編輯：張巖林]

由此可知，中國經濟對石油的依賴性越來越大，并面臨國際石油市場對中國石油市場的沖擊，但中國的石油供應安全狀況近年來處于安全區(qū)間。

四、結論

其一，本文基于數據挖掘理論與PSR框架模型提出石油供應安全風險預警模型，將高維指標系統(tǒng)通過統(tǒng)計分析轉換為 3 維風險分析識辨系統(tǒng)，從而有效地降低系統(tǒng)復雜性，提高分析的精度以便分析深層次因素。通過實證分析及驗證，證實了本模型的有效性。

其二，本研究表明中國石油供應安全狀態(tài)近20年來處于較大的波動中，可明顯地分為上升與下降兩個階段，2006年為分界點。自2007年開始，安全水平一直處于安全區(qū)間，這說明中國的能源政策與經濟調整政策具有較強魯棒性，保證了中國經濟健康發(fā)展。

其三，影響中國石油供應安全的主要因素為石油消耗強度、國際原油價格、石油對外依存度。其中，石油消耗強度反映國內工業(yè)與經濟的發(fā)展對石油的需求情況；石油對外依存度反映國內石油生產狀態(tài)；而原油價格則直接反映中國石油需求狀態(tài)與國際原油市場的供求關系。這三項指標作為主要因素對中國石油戰(zhàn)略具有重要影響。

注釋：

① 參見BP Statistical Review of World Energy 2011。

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[責任編輯：張巖林]

由此可知，中國經濟對石油的依賴性越來越大，并面臨國際石油市場對中國石油市場的沖擊，但中國的石油供應安全狀況近年來處于安全區(qū)間。

四、結論

其一，本文基于數據挖掘理論與PSR框架模型提出石油供應安全風險預警模型，將高維指標系統(tǒng)通過統(tǒng)計分析轉換為 3 維風險分析識辨系統(tǒng)，從而有效地降低系統(tǒng)復雜性，提高分析的精度以便分析深層次因素。通過實證分析及驗證，證實了本模型的有效性。

其二，本研究表明中國石油供應安全狀態(tài)近20年來處于較大的波動中，可明顯地分為上升與下降兩個階段，2006年為分界點。自2007年開始，安全水平一直處于安全區(qū)間，這說明中國的能源政策與經濟調整政策具有較強魯棒性，保證了中國經濟健康發(fā)展。

其三，影響中國石油供應安全的主要因素為石油消耗強度、國際原油價格、石油對外依存度。其中，石油消耗強度反映國內工業(yè)與經濟的發(fā)展對石油的需求情況；石油對外依存度反映國內石油生產狀態(tài)；而原油價格則直接反映中國石油需求狀態(tài)與國際原油市場的供求關系。這三項指標作為主要因素對中國石油戰(zhàn)略具有重要影響。

注釋：

① 參見BP Statistical Review of World Energy 2011。

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[責任編輯：張巖林]