基于主成分分析法的中国石油安全度评价

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[摘 要] 为评价中国石油安全水平，选取储采比、储量替换率、石油消费对外依存度、三大市场平均原油价格、石油消耗强度、石油在能源消费中所占比重6大主导因素作为评价指标，以2000—2010年中国石油相应统计数据作为样本，采取主成分分析法进行综合评价。结果表明，各指标对中国石油安全度的影响权重分别为028、027、010、013、012、010。2000—2010年中国石油安全度总体在054～064之间波动，处于“弱安全”和“不安全”状态。当前，随着石油需求的增加，石油安全形势依然非常严峻，中国应采取切实措施确保石油安全。

[关键词] 石油安全；主成分分析；石油需求；综合评价

[中图分类号]F40722 [文献标识码]A [文章编号] 1673-5595（2013）03-0009-04

一、引言

石油问题关乎每个国家经济命脉，关乎民生大计，关乎世界或某一区域的和平、稳定与发展。石油安全问题已成为世界各国理论界和实务界关注的重大课题。目前，对中国石油安全水平进行理论研究比较有代表性的文献有：何贤杰等从国内资源保障能力等6个方面选取10个要素指标，采用专家打分法确定了指标权重，综合计算了中国的石油安全度[1]。张华林等运用层次分析法对中国石油安全进行评价，认为资源和市场是对石油安全影响较大的两类因素，战略石油储备度、储采比和石油消费增长速度是影响中国石油安全最主要的3个指标[2]。李小亮等基于PSR框架建立了石油安全评价指标体系，运用熵值法和灰色关联法对中国1993—2006年的石油安全趋势进行了研究，认为中国石油综合安全度一直在下滑[3]。李桂东等基于混沌理论，采用熵值法对中国石油安全进行综合评价，认为中国石油安全水平处于脆弱安全状态[4]。陈军等从石油供给和使用安全两个角度出发，构建了中国石油安全评价指标体系，采用灰色关联分析方法建立了评价模型，并对1990—2006年的时间序列数据进行了研究，结果表明，中国石油安全水平呈波动性缓慢上升趋势[5]。李铭等从短期和长期分别建立了石油安全评价指标体系，运用层次分析法对中国石油安全进行了评价，认为石油市场（短期）安全随着价格变化而不断波动，石油战略（长期）安全随着中国石油消费量的上升而呈下降趋势[6]。张传平等根据中国1953—2010数据对中国石油自给量和石油供给安全进行了研究，提出了保障石油供给安全的建议[7]。王桂荣等认为中国石油安全受国内外多种因素影响，并从加大国内石油资源的勘探开发等角度提出了维护中国石油安全的对策[8]。

综上所述，对中国石油安全水平进行研究的文献早期以定性为主，且关注石油安全问题的某一角度。近年来，采用定量方法进行研究中国石油安全的文献逐渐增多，评价指标、权重、综合计算等多式多样。与以往文献不同的是，本文拟选取对中国石油安全影响比较大的6个指标及相关统计数据作为样本进行评价，采用主成分分析法[9]科学确定权重，最后综合计算中国石油安全水平。

二、石油安全影响因素及评价指标体系构成

（一）影响石油安全的因素

综合各方面的研究来看，影响石油安全的因素主要是资源、经济、技术、政治、制度、运输、军事等因素。其中，资源因素是影响石油安全最基本和最重要的因素之一，通常情况下，石油资源丰富的国家石油安全度较高。经济因素对石油安全的影响主要表现在经济发展对石油资源的需求增加方面，进而影响国内外石油市场。技术因素主要表现在技术进步可以降低开采成本，增加石油资源勘探能力，开发与利用新型能源还能缓解石油安全的紧张程度。政治因素对石油安全的影响主要表现在石油进出口国之间政治关系影响石油供应问题上。制度因素主要表现在东道国政府所制定的石油资源开发、利用、进出口等的相关财税法规政策方面。运输因素主要体现在运输距离、运输方式及进口国对资源运输线的护卫能力方面。军事因素体现在国家对石油运输安全的保障能力、对重要海峡的控制能力以及对主要石油产地的军事干预能力等方面。

（二）石油安全评价指标体系

基于石油安全影响因素以及相关文献对石油安全评价体系的研究，遵循科学性、系统性、可操作性等原则，考虑到数据的可得性、完整性、准确性、可比性及一致性要求，本文选取影响中国石油安全的6大主导因素，即储采比、储量替换率、石油消费对外依存度、三大市场平均原油价格、石油消耗强度、石油在能源消费中所占比重，构建评价指标体系。其中，储采比是反映储量储备的指标，主要是测定国内资源的安全程度，即目前石油剩余可采资源可供消费的年限，是石油工业发展潜力的强度指标。储量替换率旨在反映国内年新增探明可采储量与当年消耗可采储量的比例关系，储量替换率大于10时，表示储量的增加大于储量消耗，安全程度较高。石油消费对外依存度是指一国石油净进口量与国内石油消费量的比例，是反映本国石油消费对国外依赖程度的指标，对外依存度越高，则安全程度越低。三大市场平均原油价格是指WTI、布伦特、迪拜原油价格三种基准油价的平均值，三大市场价格分别代表了美国、以英国为代表的欧洲地区、以中东地区为代表的欧佩克组织在原油定价方面的话语权。石油消耗强度，指平均每万元国内生产总值石油消费量。石油在能源消费中所占比重，指当年原油消费量占当年能源消费总量的比重。

中国石油大学学报（社会科学版） 2013年6月第29卷 第3期 李凤升，等：基于主成分分析法的中国石油安全度评价三、石油安全度定量评价

石油安全度是表征一国石油供应安全程度的一项综合指标。它通过筛选若干主要指标，定性或定量分析，综合反映一国及时、足量、经济地获取石油，以保障其经济社会可持续发展的能力。本文选取上述6项指标，并用Xi（i=1，2，…，6）表示，采用主成分分析法评价中国石油安全度。

（一）样本和数据的采集及数据标准化

本文分析所采用的样本原始数据来源于历年《中国统计年鉴》、《中国能源统计年鉴》、《国际统计年鉴》、《BP世界能源统计》。根据原始数据计算相应评价指标数值，见表1。

表1 2000—2010年中国石油安全度评价指标数值

年份 X1

（%） X2

（%） X3

（%） X4

（美元/桶） X5

（吨/万元） X6

（%）

2000 1507 095 034 2823 023 2220

2001 1469 067 031 2435 021 2180

2002 1424 081 033 2493 021 2230

2003 1434 102 039 2890 021 2120

2004 1416 127 047 3773 022 2130

2005 1373 091 044 5339 021 1980

2006 1493 101 048 6429 020 1930

2007 1520 132 051 7112 018 1880

2008 1518 108 054 9699 017 1830

2009 1556 127 056 6176 016 1790

2010 1564 108 059 7904 016 1900

注：国内生产总值按2000年可比价格计算。

由于表1中的不同变量之间存在着不同量纲、不同数量级的情况，现对原指标数据进行标准化处理，把不同指标数据转化成相同量纲的数据，使各指标数据具有可比性。变换公式为：

X*ti=Xti-Xiσi

（1）

其中，Xi和σi分别表示第i个变量的平均值和标准差。

（二）建立相关系数矩阵

对标准化之后的样本矩阵，借助软件Eviews进行相关分析，得到评价指标的相关系数矩阵R，见表2。从表2可以看出，各评价指标之间有较大的相关性，这样反映的石油安全度就不够准确。为了消除指标间的重迭信息，同时简化计算，本文采用主因子分析法进行降维，即从原来比较复杂的相关矩阵内部找出几个主因子，使综合指标为原来变量的线性组合，利用相对较少的数据研究石油安全度。

表2 各指标相关系数矩阵

指标 X1 X2 X3 X4 X5 X6

X1 100 039 056 057 -073 -057

X2 039 100 076 052 -047 -061

X3 056 076 100 087 -084 -090

X4 057 052 087 100 -084 -091

X5 -073 -047 -084 -084 100 090

X6 -057 -061 -090 -091 090 100

（三）确定主因子的个数

主成分分析的目的之一是减少变量的个数，这就需要综合考虑样本总方差的量、特征值的相对大小以及各成分的意义等。根据相关系数矩阵R，利用软件可求出特征值和累计贡献率，见表3。

表3 特征值及解释比例

主成

分 特征

值 相应特征值

与后一项的差 对总方差

的贡献率 累积

特征值 对总方差的

累积贡献率

1 454 383 076 454 076

2 071 020 012 526 088

3 051 038 008 576 096

4 013 006 002 589 098

5 007 003 001 596 099

6 004 — 001 600 100

根据累计贡献率大于85%的原则，现确定主因子的个数k=3，相应的特征向量为

Λ=[454，071，051]

（四）计算因子载荷矩阵

利用软件，可求出初始因子载荷矩阵V，见表4。初始因子载荷反映了主因子与指标变量之间的相关系数。

表4 初始因子载荷矩阵

指标 PC1 PC2 PC3

X1 034 -056 070

X2 033 073 048

X3 045 024 -009

X4 043 -007 -040

X5 -044 031 012

X6 -045 -002 030

以相关系数矩阵R为基础进行主成分信息提取。采用Jacobi旋转变换标准算法将R矩阵分解为一组相互正交的主成分。把VΛ-1/2定义为主因子载荷矩阵，并记为D，即

Di×j=VΛ-1/2=016-066099

016086068

021028-012

020-008-056

-020037017

-021-002043

（五）确定权重

由于V和Λ来源于原指标体系的相关矩阵R，一旦R矩阵给定，则相应的主因子载荷矩阵D是唯一的。主因子载荷矩阵D描述了原始指标因子和提取信息后的主因子之间的关系，所以，利用相关矩阵R与每一列主因子载荷向量dj建立回归方程：

R×aj=dj

（2）

对系数向量aj求解，得

aj=R-1×dj

其中，aj=[aij]反映第j个系数主成分分量的贡献，它与对应的方差贡献率Ej的乘积便是所要求的第i个评价指标的权重值βi，即

βi=∑3j=1aij×Ej/∑3j=1Ej， i=1，2，…，6

（3）

可得：

βi=031029011015013011T

然后，对βi按式（4）归一化可得石油安全评价指标权重值，见表5。

wi=（βi）/∑6i=1βi

（4）

表5 评价指标的归一化权重

指标 X1 X2 X3 X4 X5 X6

归一化权重 028 027 010 013 012 010

（六）综合计算中国的石油安全度

对2000—2010年的储采比、储量替换率、石油消费对外依存度、石油消耗强度分别参考基准值30、10、03、01来处理，对于三大市场平均原油价格、石油在能源消费中所占比重这两项逆向指标按式（5）处理，归一化后的各项指标数值见表6。

X′i=（Xmax-Xi）/（Xmax-Xmin）

（5）

表6 2000—2010年评价指标归一化数值表

年份 X1 X2 X3 X4 X5 X6

2000 050 095 088 095 000 002

2001 049 067 097 100 -013 011

2002 047 081 091 099 -011 000

2003 048 100 069 094 -010 025

2004 047 100 042 082 000 023

2005 046 091 054 060 -006 057

2006 050 100 039 045 004 068

2007 051 100 032 036 020 080

2008 051 100 021 000 033 091

2009 052 100 012 049 042 100

2010 052 100 005 025 039 075

石油安全度各年的综合评价值为

Ct=∑6i=1X′ti ×wi

（6）

其中，Ct为t年度石油安全度的综合评价值；X′ti 为t年度Xi归一化后的数值；wi为Xi的权重。

根据式（6）可得到2000—2010年中国石油安全度数值，见图1。

图1 2000—2010年中国石油安全度四、结论

本文运用主成分分析法对中国石油安全度进行了研究，得出了以下结论：

其一，储采比、储量替换率、石油消费对外依存度、三大市场平均原油价格、石油消耗强度、石油在能源消费中所占比重6项指标对中国石油安全度的影响权重分别为028、027、010、013、012、010，国内资源因素对石油安全的影响最大。

其二，从计算结果来看，2000—2010年中国石油安全度总体在054～064之间波动。若将安全警戒分为五级：Ⅰ级为1～08，表示基本安全状态；Ⅱ级为08～06，表示弱安全状态；Ⅲ级为06～04，表示不安全状态；Ⅳ级为04～02，表示很不安全状态；Ⅴ级为02～0，表示严重不安全状态。则中国石油安全度处于Ⅱ级和Ⅲ级之间，即为“弱安全”和“不安全”，应引起政府部门的高度关注。

其三，从发展趋势看，中国石油安全度成小幅波动状态。2009年主要是由于资源因素导致安全度有所上升，但2010年由于石油消费对外依存度的上升（已接近60%），以及原油价格的上升，导致中国石油安全度有所下降。总之，随着石油消费需求的增加，石油安全形势依然非常严峻。

当前，中国随着经济的快速发展，对石油需求正持续增长。基于维护石油安全，中国要在战略上给予高度重视，要采取全球能源战略，降低石油进口集中度，加强国际石油合作，同时降低石油消耗强度，提高石油储备水平，以确保中国石油安全。

[参考文献]

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