基于ARIMA模型的陕西省能源消费及其控制研究

王新安 张亚杰 王 羲

(西安财经学院 商学院，陕西 西安710100)

0 引 言

目前，中国正处于工业化、城镇化发展的中后期，经济增长速度较快，但与之相伴随的能源消费量也不断增加。众所周知，全球性的能源短缺迫使发达国家积极布局能源消费战略规划，究其原因就是能源消费问题影响着一个国家(地区)经济发展水平的高低。随着国家主席***“一带一路”战略构想的提出，中东国家与中国的能源关系日益紧密，已成为中国“一带一路”发展战略的重要支点[1]68-74。目前从我国与周边国家的经济结构特点、社会发展需要以及合作的基础条件来看，以能源、资源合作为着力点最具有现实意义和可行性[2]44-57。与此同时，陕西省“十三五”规划提出了以能源消费总量实现自给，经济增长保持中高速稳步增长的发展目标。为尽快实现陕西省能源消费与经济增长的协调发展，减少不合理的能源消耗，陕西省应充分借助其“一带一路”战略的区位优势，最大化地利用陕西省能源装备制造业的优势，实现陕西省能源消费的安全、健康、持续、稳定供给的战略目标。陕西省作为能源大省，同时担负着能源生产大省和能源消费大省两种角色。因此，在“一带一路”战略构想下，如何实现陕西省产业结构与能源消费的协调发展，就成为保障能源安全的一个重要课题。

1 相关文献综述

能源作为国民经济发展和国防建设的基础和支柱产业，近年来得到了许多专家与学者的关注。白万平认为，中国已全面出现能源总量和结构性的自给不足，且对进口的依赖程度不断增加，只有落实、控制能源消费总量才能达到经济发展的可持续性[3]93-98。金艳鸣提出在现有产业结构条件下，能源消费总量控制可能会加快能源效率的提高[4]45-51。戴彦德、吕斌等认为，控制能源消费总量是从源头上落实环境治理的根本途径，是保障能源安全的重要方法，是应对气候变化和实现非化石能源发展目标的必要手段[5]1-7。之所以要控制能源消费，其原因主要是：一方面，中国将成为单一国家化石能源自我产量和消费量缺口最大的国家[6]30-33(或成为世界最大的石油和煤炭进口国)；另一方面，为支撑经济社会的可持续发展和保证工业化后期的经济稳定增长，必须严格控制能源消费总量。

改革开放以来，我国经济的快速发展使能源需求不断增加，导致我国逐渐从原来的能源出口国变成能源进口国，目前只能通过能源进口确保供需平衡。由于世界能源地缘政治形势复杂，海外获取能源难度不断增大，各国也在不断加大对重要能源生产地的战略控制，企图通过掌握“能源武器”以提升政治影响和经济地位[7]24-28。何义霞认为，长期以来，美国、欧盟和俄罗斯凭借其资金技术实力和传统影响，已在中东地区占据主导地位[8]76-80。汪应洛、王树斌等认为，美欧两大发达经济体纷纷出台区域合作发展战略，力图打破俄罗斯对中亚的能源控制，重构中亚国家能源供给新格局[9]1-5。胡鞍钢、马伟等提出，经营中亚的构想，涉及中国政治、经济、能源、安全等多重战略意义[10]1-10。中亚国家是地缘政治学家公认的世界能源经济发展“能源富集区”，被称为“心脏地带”[11]77-83。比如哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦等是油气资源非常丰富的国家，俄罗斯是世界最大的天然气出口国。郭菊娥、王树斌等认为，我国能源生产远远低于能源需求，造成能源需求缺口大，特别是油气资源严重依赖进口[12]88-92。据2013年有关部门的统计，我国石油进口依存度高达61.0%，天然气进口依存度达31.6%。国际能源署预计，2025年我国原油对外依存度将达到82%[13]96-109。石莹、何爱平认为，中亚国家油气资源丰富，急切希望能源富国、能源强国，确立以能源工业为优先重点发展领域的国家战略[14]115-123。曾昭宁认为，东盟国家蕴藏丰富的油气资源及矿产资源，西安市可以为其勘探、开发、加工提供大量的能源装备[15]。慕慧娟、崔光莲提出，应该将西安市打造成为西北地区先进能源装备制造业中心[16]93-97。王保忠、何炼成等认为，应该加快能源一体化，调整西部向储备基地和能源战略大通道的战略转变，强化本地资源开发与利用境外能源兼顾[17]60-65。

陕西省作为能源大省，同时担负着能源生产大省和能源消费大省两种角色，因此，在“一带一路”发展环境下，结合陕西省现有的产业结构与能源消费的内外部环境，如何实现陕西省产业结构与能源消费的协调发展，成为保障我国能源安全的一个重要课题。

2 陕西省能源消费现状

(1)能源消费总量大，严重污染了生态环境。近年来，陕西省能源消费总量不断增加，大致经历了四个阶段：1978一1989年，陕西省能源消费总量进入缓慢上升期，年均增长5%左右；1990—2000年为第二阶段，能源消费呈下降趋势，进入调整期；2001—2010年为第三阶段，陕西省能源消费进入高速增长期，年均增长率在12%左右；2011—2017年，陕西省能源消费总量进入回落期，年均增长率呈逐年回落趋势，但能源消费总量的数值仍旧偏大[15]。从2007年起，我国已成为世界第二大能源消费国，二氧化碳排放量已位居世界第二位。预计到2025年，我国二氧化碳排放量有可能跃居世界第一位。之所以出现这种局面，主要是我国能源结构不合理，能源消费量过大，从而使我国生态环境遭到严重破坏，由此带来了大气污染、核污染、温室效应等问题。

(2)能源消费增速较快，煤炭消费比重过高。从能源增长方面看，陕西省能源消费平均增长8.7%，高于全国6.6% 的平均增长速度。从能源消费结构来看，陕西省煤炭占能源消费比重高于全国平均水平。煤炭作为支撑陕西省工业发展的主要能源，在陕西省能源消费中占据70%以上，处于陕西省能源消费品的垄断地位。由此可见，陕西省能源消费存在以下三个问题：第一，陕西省能源消费增长速度较快，高于全国平均水平。第二，煤炭是陕西省工业发展的主要能源消费品，处于垄断地位。第三，陕西省能源消费产品多为附加值低的初级产品。

(3)工业能源消费量偏大，节能降耗空间大。陕西省的自然禀赋决定了陕西省发展离不开能源化工行业。从各行业终端消费占陕西省终端能源消费比重来看，工业是陕西能源消费的主力军。2011年以来，工业终端能源消费占陕西省终端消费的比重均高于60%，尤其是2015年，陕西省终端能源消费总量达10 850.9万吨标准煤，其中，工业终端能源消费量7 258.9万吨标准煤，占终端能源消费的66.9%。工业作为陕西省的主导产业，它的发展需要消耗大量的能源，这对陕西省降低能源消耗带来了极大的挑战。

3 陕西省能源消费模型的构建

ARIMA模型主要是通过时间序列分析过去的波动而预测事物未来的发展变化趋势，并减少不确定因素干扰，从而实现预测精度的极大化[16]57-65。为此，本文利用ARIMA模型对陕西省能源消费总量进行分析与预测。

3.1 ARIMA模型的构建

Box和Jenkins提出的时间序列分析方法被称为“Box-Jenkins模型”。时间序列模型主要利用序列的历史数据及随机扰动项而建立，其一般形式详见(1)式：

Xt=F(Xt-1,Xt-2,…μt)

(1)

ARIMA(p,d,q)模型包含自回归模型(AR(p))、移动平均模型(MA(q))、自回归移动平均模型(ARMA)三种基本模型类型[17]262-286。若该时间序列为单整的非平稳数据，则需要对其差分后再建立以下3种模型。

第1种，一般的P阶自回归(auto-regression)过程AR(p)，对应的代数表达式为(2)式：

Xt=φ1Xt-1+φ2Xt-2+…+φpXt-p+μt

(2)

第2种，一般的q阶移动平均(moving average)过程MA(q)，对应的代数表达式为(3)式：

μt=εt-θ1εt-1-…-θqεt-q

(3)

第3种，将第一种纯AR(p)与MA(q)结合得到一个一般的自回归移动(auto-regressive)过程ARMA(p,q),其对应的代数表达式为(4)式：

Xt=φ1Xt-1+φ2Xt-2+…+φpXt-p+εt-θ1εt-1-…-θqεt-q

(4)

由(4)式可知，一个随机时间序列可以通过一个自回归移动平均过程生成，该序列可以由其自身的过去值或滞后值及随机干扰项来解释。如果该序列的行为不会随着时间的推移而发生变化，则可以根据过去的状况预测未来的发展方向。

3.2 模型识别过程

下面本文选取2000—2015年陕西省能源消费总量进行分析。

(1)序列平稳性检验。本文通过观察2000—2015年陕西省能源消费总量的变化趋势，发现陕西省能源消费总量呈持续缓慢上升趋势，由此可判断序列是非平稳的。

(2)数据平稳化。为检验时间序列是否平稳，本文先对序列TEC取对数，令X=ln(TEC)，记对数序列为DTEC，然后进行检验。详见表1所示：

表1 能源消费总量ADF单位根检验

由表1可以看出，TEC中的P值概率为0.983 2，表示其有98.32%的概率接受原假设，即原序列具有单位根，是非平稳化序列，需要通过差分才能将序列平稳化。此时，一阶差分P值小于0.05的显著性水平，拒绝原假设，表明一阶差分后的序列是平稳的。换句话说，TEC的一阶差分序列是平稳的，也就意味着TEC序列是一阶单整，记为I(1)。因此，可以对原序列建立适当的ARIMA(p，q)模型，记TEC经一阶差分后的新序列为TEC1。

(3)ARIMA模型中，p与q参数的识别。平稳时间序列TEC1的自相关系数(ACF)在k=1后逐渐衰减，即自相关系数在一阶拖尾；偏自相关系数(PACF)在k=1后逐渐衰减，即偏自相关系数在1阶拖尾。于是确定TEC序列为ARIMA过程，然后选用ARIMA过程，设定p=1或2,d=1,q=1或2,建立ARIMA(1，1，1)，ARIMA(2，1，1)，ARIMA(1，1，2)及ARIMA(2，1，2)模型。如图1所示：

图1 TEC1序列的样本自相关函数和偏自相关函数

下面利用最佳准则函数(AIC)对四种模型进行最终模型选定。一般的指标判断方法有二种：一种认为调整R2(拟合优度)的值介于0与1之间，其值越大表示拟合效果越好；另一种认为ICA和SC的值越小，拟合优度越好[17]262-286。由此可以看出，ARIMA(2，1，2)模型的拟合优度最大，且其AIC和SC的值最小。因而本文选择AR(2)MA(2)模型进行拟合，结果得到四种模型的拟合结果。详见表2所示：

表2 四种模型的拟合结果

(4)ARIMA(2，1，2)模型拟合检验。本文利用EVIEWS软件对ARIMA(2,1,2)模型进行拟合，详见(5)式：

Xt=1.030Xt-1-0.613Xt-2+629.300+εt-3.1281εt-1+1.991εt-2

(5)

(5)式中，X=ln(TEC)，由此得到TECt的估

计结果：

TECt=e1.030Xt-1-0.613Xt-2+629.300+εt-3.1281εt-1+1.991εt-2

(6)

下面对ARIMA模型的残差进行单位根检验，即对模型的残差序列进行白噪声检验。残差的单位根检验结果如表3所示：

表3 残差序列的单位根检验结果

由表3可以看出，p值为0.003 9，小于0.05，拒绝原假设，说明残差序列是平稳的。

下面根据残差序列的自相关和偏自相关函数值，以及Q-Stat和P值得出，残差序列不存在自相关，为白噪声序列，说明模型已经完全提取了有规律的信息，同时时间序列模型TEC的拟合效果较好。详见图2所示：

图2 残差序列的自相关函数和偏自相关函数

(5)数据预测方法。下面本文利用动态预测和静态预测两种方法进行预测。动态预测从预测样本的第一期开始进行多步预测，每一步都是采用前面的预测值来计算新的预测值。因此，动态预测只适应样本外(2016—2020年)预测，而不适应样本内(2000—2015年)预测。静态预测利用滞后因变量的实际值而预测的结果，即每预测一次，须用真实值代替预测值，并将其加入到估计区间，再进行前一步预测。由此可见，静态预测一般只适应样本内(2000—2015年)预测，不适应样本外(2016—2020年)预测。综上所述，在对ARIMA模型预测时，样本内(2000—2015年)预测采用静态预测，样本外(2016—2020年)预测采用动态预测。

下面利用2000—2015年陕西省能源消费总量建立ARIMA(2,1,2)模型，进而得到陕西省2002—2020年能源消费总量的实际值与预测值。详见表4所示：

表4 2002—2020年陕西省能源消费与预测量

续表4：

由表4可以看出，2000—2015年陕西省能源消费总量逐年增加，2016年、2017年，陕西省能源消费总量分别达到12 284.450万吨标准煤、12 918.400万吨标准煤，预计2018年、2019年可能达到13 589.690万吨标准煤、14 259.390万吨标准煤，到2020年，陕西省能源消费总量将达到14 904.560万吨标准煤，比2015年能源消费总量增长27.22%。另外还发现，陕西省2003—2020年能源消费总量在13个预测年度的误差百分比均在2%以下，预测的平均绝对百分误差(MAPE)为0.57，一般认为MAPE值低于10时预测精度较高[18]106，因此，本模型拟合效果较好。

由表4还可以发现，与2015年陕西省能源消费总量的11 715.85亿万吨标准煤相比，2020年，陕西省能源消费增长率接近于30%，而现阶段陕西省煤炭占能源消费总量的比重高于70%，说明陕西省能源消费结构必须进行调整。因此，未来陕西省调整能源消费结构的重点是由消耗低附加值能源消费品(煤炭)转变为高附加值的清洁能源，从而减少煤炭的消费，逐渐增加可替代清洁能源(如石油、天然气)的消费。

根据陕西省目前能源装备技术水平，恰好可以为这些油气资源丰富的国家提供能源装备、化工装备、冶金装备等。比如我国石油掘进机设备居全球第二，其成本仅为欧洲国家制造成本的一半；大型炼油设备能源加工转换效率可以达到90%以上。

4 调整和控制陕西省能源消费结构和消费总量的具体措施

目前，陕西省经济的高速增长主要依靠以煤炭投入为主的粗放型经济增长的带动。无论是从生产要素供给、能源消耗，还是从生态环境的角度来看，这种经济增长方式往往会带来很多的问题。因此，陕西省在“一带一路”战略带动下，应加大对能源消费总量的控制，改变能源消费的单一模式，实现能源消费的多元化。另外，丝绸之路经济带沿线的发展中国家，虽然具有丰富的能源，但因其技术装备落后、资本投入不足等问题严重影响了这些国家的发展。为此，陕西省应充分发挥其能源装备的优势，加强与“一带一路”沿线国家的能源合作开发，在满足当地国家能源需求的同时，缓解陕西省清洁能源的消费问题。在此，陕西省应从以下两个层面调节能源消费结构和控制能源消费总量。

(1)政府层面——发展循环经济，防范经济和政治风险。第一，陕西省应立足国内，借鉴国外发达国家的经验，制定有关节能减排的法律法规，规范企业合理利用能源。第二，积极倡导资源节约型和环境友好型社会的建立，以实现陕西省经济的可持续发展，推动陕西省能源消费的循环发展。第三，利用国家税收、财政补贴等政策鼓励企业进行技术创新，探索新能源的广泛应用，推进陕西省与“丝绸之路”经济带沿线国家的能源合作，发展绿色循环经济。第四，保障“一带一路”内外部环境安全，为能源企业营造一个公平、公正的内外部环境。第五，在国家宏观能源消费框架下实施“一带一路”经济带能源战略发展规划。第六，准确定位陕西省在“一带一路”中的角色，防范“丝绸之路”经济带的经济风险和政治风险。

(2)产业层面——发挥能源装备优势，促进能源产业稳定发展。第一，利用先进的科学技术进一步提高能源加工转换效率，优化能源消费结构，加大对深加工产品的开发力度，将陕西省的能源优势转化成产品优势。第二，在保障陕西省能源安全的同时，应有计划、有目的地开发陕西省资源，充分利用“丝绸之路”经济带沿线国家提供的油气资源，拓宽能源的多元化发展渠道。第三，加强与“一带一路”沿线能源丰富的国家进行联合开采，实现合作共赢。第四，借用“一带一路”的大背景，一方面使我国过剩的能源产业“走出去”，另一方面将我国稀缺的能源产业“引进来”，促进陕西省能源产业的稳定发展。第五，加强对新能源和可再生能源的开发力度，减少对污染严重的煤炭资源的依赖度。

5 结 语

本文通过构建的ARIMA模型对2003—2020年陕西省能源消费总量进行了评价与预测，结果发现:陕西省能源消费总量未来将持续增加，预计到2020年，能源消费总量将达到14 904.560万吨标准煤。由此可见，陕西省能源消费增速较快，煤炭消费比重过大，致使陕西省生态环境遭到严重破坏，并可能给人民群众的身体健康带来严重的伤害。由此本文认为，现阶段陕西省应调整能源消费结构，改变依赖于低附加值，以消耗煤炭为主的经济发展模式，积极控制能源消费总量，保障能源消费安全，实现由消耗初级能源产品转向消费高附加值的清洁能源。同时利用陕西省能源装备的制造优势，积极推进与亚欧各国共建“一带一路”能源消费合作经济带，实现以能源设备换取油气等清洁能源的目的，积极引进石油、天然气、可再生清洁能源等，从而将陕西省打造成一个“能源装备大省”。

[参 考 文 献]

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