中國省際天然氣供需網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及結(jié)構(gòu)特征分析①

文藝，顏李朝

(湖南師范大學(xué) 商學(xué)院,湖南 長沙 410081)

天然氣作為能源消費(fèi)中較為清潔的一類資源，將在未來很長一段時(shí)間占據(jù)能源消費(fèi)的主要位置。目前，我國天然氣消費(fèi)占能源總消費(fèi)的比重不斷增加。在此形勢下，關(guān)于天然氣供需網(wǎng)絡(luò)布局問題的研究具有十分重大的意義。從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度研究天然氣主要可分為兩個(gè)方面：一是天然氣供需問題討論，如宋東昱總結(jié)了適合我國國情的天然氣季節(jié)調(diào)峰保供方針[1]。胡宇提出了基于分?jǐn)?shù)階灰色模型和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了分?jǐn)?shù)階灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型，并對2017—2021年四川省天然氣消費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測分析[2]。此外，還有學(xué)者分別基于組合預(yù)測模型[3]、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性集成模型[4]進(jìn)行了天然氣需求預(yù)測。二是價(jià)格機(jī)制研究問題。如毛家義介紹了中國天然氣價(jià)格形成機(jī)制的歷史演變及價(jià)格變化[5]；龔承柱分析了天然氣供需格局和定價(jià)機(jī)制存在的弊端，提出了天然氣終端市場定價(jià)模型[6]?？傮w來說，關(guān)于天然氣的研究主要集中在結(jié)合計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)建立數(shù)學(xué)模型分析需求或者價(jià)格等單一問題，缺少從網(wǎng)絡(luò)的角度討論天然氣供需布局的研究?；诖?，本文通過引力模型構(gòu)建省份之間天然氣供需吸引力指標(biāo)，構(gòu)建天然氣供需網(wǎng)絡(luò)，引入社團(tuán)網(wǎng)絡(luò)分析(SNA)方法分析天然氣供需網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，挖掘網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)系較為緊密的社團(tuán)結(jié)構(gòu)，為我國實(shí)際天然氣布局構(gòu)建提供建議。

1 天然氣供需網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建機(jī)理描述

本文將各個(gè)省份作為節(jié)點(diǎn)，省份與省份之間的天然氣供需聯(lián)系構(gòu)成連接節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的邊，從而建立天然氣供需網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)Z為天然氣中的所有節(jié)點(diǎn)的集合，集合N為天然氣網(wǎng)絡(luò)模型中節(jié)點(diǎn)的連接矩陣，n(i，j)為節(jié)點(diǎn)i，j之間的連接狀態(tài)，則N可表示為

N={(i,j)|n(i,j)=1,(i,j)∈Z,n∈N}

(1)

若n(i,j)=1，則節(jié)點(diǎn)i，j之間可以產(chǎn)生天然氣供需聯(lián)系；若n(i,j)=0，則節(jié)點(diǎn)i，j之間沒有產(chǎn)生天然氣供需聯(lián)系。在式(1)的基礎(chǔ)上對節(jié)點(diǎn)之間的邊增加權(quán)重信息，可得加權(quán)天然氣供需網(wǎng)絡(luò)模型為

W={(i,j)|w(i,j)=h,(i,j)∈Z,h∈U}

(2)

式中：w(i,j)為節(jié)點(diǎn)i，j之間的權(quán)重；U為節(jié)點(diǎn)間的連接權(quán)重矩陣；h為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j物流吸引力。

天然氣供需網(wǎng)絡(luò)的影響因素主要是天然氣的供給與需求和基于天然氣產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)奶厥庑运璧墓艿莱杀?。從?jīng)濟(jì)學(xué)的角度，天然氣的需要與供給直接反映了該省份的天然氣競爭能力。基于出口的方向，節(jié)點(diǎn)往往傾向于與天然氣年需求量大的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生供需聯(lián)系；基于進(jìn)口的方向，節(jié)點(diǎn)傾向于年天然氣產(chǎn)量大的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生聯(lián)系。從成本角度考慮，由于天然氣產(chǎn)品的特殊性需要管道運(yùn)輸。因此，可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離是影響供需成本最基本且重要的因素，節(jié)點(diǎn)之間距離越遠(yuǎn)，形成天然氣聯(lián)系所需付出的成本就越大。將天然氣系統(tǒng)抽象為上述供需系統(tǒng)，基于引力模型，構(gòu)建城市天然氣聯(lián)系量Rij指標(biāo)作為系統(tǒng)影響因素[9]。這一指標(biāo)與節(jié)點(diǎn)天然氣年需求和年產(chǎn)量成正比，與兩地之間距離成反比。Rij可表示為

(3)

式中：Mi為i節(jié)點(diǎn)天然氣年需求量；Kj為j節(jié)點(diǎn)天然氣年產(chǎn)量；Dij為i,j兩節(jié)點(diǎn)的距離。

Rij反映區(qū)域之間節(jié)點(diǎn)j往節(jié)點(diǎn)i輸送天然氣的天然氣聯(lián)系量，將Rij引入式(2)中作為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的權(quán)重信息，即h=Rij。此時(shí)，天然氣供需網(wǎng)絡(luò)就可以表示為R=(Z,N,U).

2 天然氣網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)特征分析

本文以存在天然氣消費(fèi)的省份為研究對象，將省份抽象為節(jié)點(diǎn)，天然氣聯(lián)系權(quán)重作為節(jié)點(diǎn)之間的連接指標(biāo)，建立全國范圍內(nèi)的天然氣供需網(wǎng)絡(luò)。通過國泰安數(shù)據(jù)庫獲得2016年各個(gè)省份的天然氣年產(chǎn)量及年消費(fèi)量，在中國地圖上獲得省份之間的平均距離，由式(3)計(jì)算存在天然氣消費(fèi)與生產(chǎn)的31個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的天然氣供需聯(lián)系量指標(biāo)Rij，從而建立天然氣加權(quán)供需網(wǎng)絡(luò)。利用ucinet軟件得到天然氣供需加權(quán)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，圖中箭頭方向?yàn)楫a(chǎn)品流動方向。由圖1可知，天然氣年產(chǎn)量和年消費(fèi)量高的省份位于網(wǎng)絡(luò)中密集區(qū)域，產(chǎn)量和消費(fèi)量低的省份往往處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣位置。下面從統(tǒng)計(jì)性特征角度進(jìn)一步分析該天然氣供需網(wǎng)絡(luò)。

圖1 天然氣供需加權(quán)網(wǎng)絡(luò)

2.1 度分析

節(jié)點(diǎn)的度是描述單個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性的基本概念之一。在有向網(wǎng)絡(luò)中，度可分為出度和入度。利用ucinet軟件，得到了天然氣供需網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)入度和出度情況(見表1)。

表1 節(jié)點(diǎn)出度和入度統(tǒng)計(jì)情況

由表1可知，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)大致可分為三類，分別為出度大于入度的省份、出度小于入度的省份，出度為0的省份。如陜西、四川、廣東、新疆的出度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)入度，往往此類節(jié)點(diǎn)年天然氣產(chǎn)量較大，且地理位置處于中部區(qū)域。河北、山東的出度小于入度，這類節(jié)點(diǎn)具有一定的天然氣供給能力。浙江、湖南、福建和湖北這類節(jié)點(diǎn)的出度為0，其天然氣年產(chǎn)量十分低而年消費(fèi)量較高，因此，此類節(jié)點(diǎn)的天然氣消費(fèi)主要依靠進(jìn)口。基于節(jié)點(diǎn)度的分析，在考慮全國范圍的天然氣網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)，應(yīng)選出度大的節(jié)點(diǎn)如陜西、四川、新疆作為網(wǎng)絡(luò)中的重要輸出節(jié)點(diǎn)。

2.2 聚類系數(shù)及中心性分析

圖2 節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)分布

由圖2可知，網(wǎng)絡(luò)中大部分節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)都0.6～1.0中，這說明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是密切聯(lián)系在一起的。西藏的聚類系數(shù)為0，發(fā)現(xiàn)西藏在天然氣網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)孤立的節(jié)點(diǎn)，是由于其較為偏遠(yuǎn)的地理位置造成的。福建、江西、湖南、廣西、貴州、云南和新疆的聚類系數(shù)為1，說明與這類節(jié)點(diǎn)相連的其他節(jié)點(diǎn)之間是全連通的，這類節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性較好，當(dāng)與某一方管道運(yùn)輸發(fā)生故障時(shí)，也能及時(shí)調(diào)整與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系恢復(fù)天然氣的供給。從增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性的角度考慮天然氣布局時(shí)，應(yīng)選擇更容易產(chǎn)生此類結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為天然氣網(wǎng)絡(luò)中的中轉(zhuǎn)運(yùn)輸點(diǎn)。

以經(jīng)過某個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑的數(shù)目來刻畫節(jié)點(diǎn)重要性的指標(biāo)稱為介數(shù)中心性，簡稱介數(shù)。天然氣供需網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)介數(shù)分布情況如圖3所示。

圖3中4個(gè)較為明顯的高峰，分別為北京、山西、四川和陜西。從網(wǎng)絡(luò)整體角度來說，這4個(gè)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中最短運(yùn)輸路徑經(jīng)過的最頻繁節(jié)點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)整體連通性影響深遠(yuǎn)。此外，也發(fā)現(xiàn)了部分節(jié)點(diǎn)的介數(shù)為0，此類節(jié)點(diǎn)對于網(wǎng)絡(luò)的整體連通性沒有太大的影響。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)和節(jié)點(diǎn)介數(shù)分析，可認(rèn)為在考慮天然氣網(wǎng)絡(luò)布局時(shí)，應(yīng)選擇聚類系數(shù)和節(jié)點(diǎn)介數(shù)大的節(jié)點(diǎn)作為整體網(wǎng)絡(luò)布局中的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。

圖3 節(jié)點(diǎn)介數(shù)分布

3 社團(tuán)分析

社團(tuán)結(jié)構(gòu)分析與社會學(xué)中的分級聚類有著密切的聯(lián)系，每個(gè)社團(tuán)內(nèi)部成員之間連接相對緊密，各個(gè)社團(tuán)之間的連接相對來說較為稀疏[10]。 由圖1可發(fā)現(xiàn)，天然氣供需網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系密切度并不一致，有些節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系緊密，有些節(jié)點(diǎn)聯(lián)系十分疏松，這說明了天然氣供需網(wǎng)絡(luò)中也存在社團(tuán)結(jié)構(gòu)。

使用ucinet軟件，尋找更優(yōu)的社團(tuán)劃分，可發(fā)現(xiàn)隨著選擇的層次數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)模型中社團(tuán)結(jié)構(gòu)越來越清晰，當(dāng)選擇5層時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的社團(tuán)結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分清晰明顯，社團(tuán)劃分見表2。表3為分成小社團(tuán)之后，社團(tuán)間成員聯(lián)系和社團(tuán)與社團(tuán)之間的密度聯(lián)系情況。

表2 天然氣供需網(wǎng)絡(luò)層次分析社團(tuán)省份社團(tuán)1北京天津河北山西上海江蘇浙江安徽山東河南廣東重慶四川陜西青海新疆社團(tuán)2廣西西藏寧夏社團(tuán)3福建湖北湖南云南社團(tuán)4遼寧吉林黑龍江江西社團(tuán)5內(nèi)蒙古海南貴州甘肅表3 各層次之間密度分析社團(tuán)1社團(tuán)2社團(tuán)3社團(tuán)4社團(tuán)5社團(tuán)10.6250.1670.2500.1880.344社團(tuán)20.0000.3330.0000.0000.000社團(tuán)30.0000.0000.2500.0000.000社團(tuán)40.1410.0000.0000.5000.000社團(tuán)50.0310.0000.0000.0000.250

由表3可知，經(jīng)過社團(tuán)劃分之后，社團(tuán)間成員聯(lián)系密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于社團(tuán)間密度。在實(shí)際建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系后，可根據(jù)社團(tuán)結(jié)構(gòu)的劃分，給予社團(tuán)間的成員物流聯(lián)系更多的維護(hù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的連通性和魯棒性。

4 結(jié)語

本文主要結(jié)合各省份的天然氣年產(chǎn)量和年消費(fèi)量以及成本考慮天然氣網(wǎng)絡(luò)布局問題?；谝δＰ?，本文建立了各省份間天然氣供需聯(lián)系量指標(biāo)，進(jìn)而從宏觀角度建立了全國存在天然氣消費(fèi)的省份的天然氣供需網(wǎng)絡(luò)。引入了社團(tuán)網(wǎng)絡(luò)分析方法對天然氣供需網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對天然氣供需網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了社團(tuán)分析，挖掘網(wǎng)絡(luò)中存在的社團(tuán)結(jié)構(gòu)?；诖耍瑢μ烊粴夤┬杈W(wǎng)絡(luò)布局提出的具體建議如下：(1)當(dāng)將地理位置與天然氣年產(chǎn)量和年消費(fèi)量結(jié)合考慮時(shí)，應(yīng)當(dāng)將陜西、四川、新疆這類易于與周邊節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)作為天然氣供需網(wǎng)絡(luò)中心城市；(2)選擇天然氣供需網(wǎng)絡(luò)中的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)時(shí)，本文認(rèn)為可以將節(jié)點(diǎn)介數(shù)和節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)結(jié)合考慮，選擇節(jié)點(diǎn)介數(shù)高且具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)；(3)本文發(fā)現(xiàn)天然氣供需網(wǎng)絡(luò)中也存在明顯的社團(tuán)結(jié)構(gòu)，可通過給予社團(tuán)間成員更多的保護(hù)提高網(wǎng)絡(luò)整體的穩(wěn)定性。本文對實(shí)際情況做出的一些簡化，也僅考慮了國內(nèi)的天然氣供需網(wǎng)絡(luò)。下一步，可以考慮加入國際天然氣的供給以及進(jìn)一步完善天然氣供需網(wǎng)絡(luò)。