謝旭升,嚴(yán)思屏
(福建師范大學(xué) 福建福州 350117)
自第二次工業(yè)革命以來,人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2等溫室氣體的排放導(dǎo)致全球氣候持續(xù)性變暖[1]。直至21世紀(jì)的今天,全球氣候變暖已成為影響國際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境治理的重大制約因素。中國作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過程中的發(fā)展中國家,溫室氣體排放的問題同樣使得我國在能源消耗和生態(tài)保護(hù)方面面臨著雙重壓力[2]。目前,為了維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性和生態(tài)環(huán)境的再生性,國內(nèi)已先后成立了包括福建在內(nèi)的8個(gè)碳排放交易市場(chǎng)。
一個(gè)成熟的碳交易市場(chǎng)能夠分別在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)上帶來巨大效益[3]。但由于我國碳交易市場(chǎng)的建設(shè)起步較晚,仍存在諸多問題,大多數(shù)企業(yè)仍持觀望態(tài)度。究其原因,一方面,碳排放權(quán)的市場(chǎng)定價(jià)機(jī)制不夠完善,交易市場(chǎng)缺乏活躍性[4],市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管難度大[5]。另一方面,碳排放市場(chǎng)本身就容易受到來自多方面客觀因素的影響,比如氣候變化公約、能源價(jià)格波動(dòng)和金融危機(jī)等等,這使得碳價(jià)波動(dòng)頻繁,且呈現(xiàn)出非線性、不確定性、綜合性和動(dòng)態(tài)復(fù)雜性等復(fù)雜系統(tǒng)的典型特征[6]。主客觀上的一系列問題導(dǎo)致碳價(jià)預(yù)測(cè)分析也變得越來越艱難。對(duì)未來碳價(jià)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不僅可以幫助市場(chǎng)參與者有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省企業(yè)運(yùn)營成本,還可以幫助監(jiān)管部門加強(qiáng)碳市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)防范,從而建立起碳市場(chǎng)價(jià)格預(yù)測(cè)機(jī)制和風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng),分析碳市場(chǎng)價(jià)格的不確定性和劇烈波動(dòng)。因此,尋求碳排放交易價(jià)格的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)于碳排放交易價(jià)格數(shù)理模型的預(yù)測(cè),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。這些預(yù)測(cè)方法主要分為以下幾種。其一,通過單一模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。CHEVALLIER J and BENOIT S通過利用HAR-RV高頻波動(dòng)率模型對(duì)歐洲氣候交易所期貨合約的第二階段碳價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[7];蔡文娟通過網(wǎng)絡(luò)搜索變量,運(yùn)用DCC-MIDAS模型對(duì)我國碳價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)[8];BYUN分別利用GARCH、k-最近鄰模型和隱含波動(dòng)率對(duì)碳期權(quán)價(jià)格進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)GARCH模型的預(yù)測(cè)表現(xiàn)更好[9]。其二則是在原有預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)之上,通過改進(jìn)模型的算法以優(yōu)化預(yù)測(cè)精度。王娜基于Boosting-ARMA模型對(duì)碳價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),該模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高且便捷[10]。其三是針對(duì)碳價(jià)的波動(dòng)性和多尺度等特征,通過組合不同類型、頻率的模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。ZHU提出了一種將經(jīng)驗(yàn)?zāi)J椒纸?EMD)、遺傳算法(GA)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)相結(jié)合的多尺度集成預(yù)測(cè)模型,其所建立的模型要比未經(jīng)處理或單一模型的預(yù)測(cè)效果要好[11]。張晨等分別采取NAR、WMN、SVM、GARCH不同頻率下的模型組合起來,對(duì)碳價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)多頻率組合模型的預(yù)測(cè)精度更高[12]。
通過以上文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn),目前大多數(shù)學(xué)者都是運(yùn)用時(shí)間序列和機(jī)器學(xué)習(xí)這兩種數(shù)理模型來對(duì)碳價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè),其中時(shí)間序列模型包括ARMA和GRACH模型等,機(jī)器學(xué)習(xí)包括支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。此外大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)組合預(yù)測(cè)模型要比單一預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效果要好,尤其是在預(yù)測(cè)碳價(jià)的非線性和隨機(jī)性等方面。在這些預(yù)測(cè)模型當(dāng)中,ARMA模型是通過歷史數(shù)據(jù)的線性關(guān)系來進(jìn)行短期預(yù)測(cè),而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是通過重復(fù)的訓(xùn)練來模擬數(shù)據(jù)的非線性特征,因此本文將ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——以最優(yōu)權(quán)重和殘差優(yōu)化兩個(gè)視角——組合為ARMA-BP模型,通過擬合福建省碳排放交易價(jià)格的線性和非線性趨勢(shì)來進(jìn)行預(yù)測(cè),并比較ARMA模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和ARMA-BP模型的預(yù)測(cè)精度,來考察組合模型是否比單一模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更優(yōu)。
ARMA(p,q)模型指的是自回歸移動(dòng)平均模型,是由自回歸AR(p)模型和移動(dòng)平均MA(q)模型線性組合而成。ARMA(p,q)模型的一般形式為:
(1)
其通用形式為:
xt=φ1xt-1+…+φpxt-p+εt-θ1εt-1-…-θqεt-q,
(2)
具體建模步驟如下:
第一步:平穩(wěn)性檢驗(yàn)和白噪聲檢驗(yàn);首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單位根檢驗(yàn)判斷原序列是否平穩(wěn),若不平穩(wěn)則可進(jìn)行差分后再檢驗(yàn),序列平穩(wěn)后需繼續(xù)在相關(guān)圖計(jì)算Q統(tǒng)計(jì)量,檢驗(yàn)是否為白噪聲序列,若為非白噪聲序列則進(jìn)行下一步;
第二步:序列定階;通過觀察序列的自相關(guān)圖和偏自相關(guān)圖是否為拖尾和截尾初步判斷p和q的階數(shù),再根據(jù)不同模型參數(shù)以及AIC、SC準(zhǔn)則來選擇合適模型;
第三步:模型建立與殘差檢驗(yàn);選擇合適模型之后,需對(duì)所建模型的殘差進(jìn)行白噪聲檢驗(yàn),若為白噪聲則說明模型的相關(guān)信息提取完全,若為非白噪聲序列則需重回第二步,并對(duì)模型進(jìn)行改善。
第四步:模型預(yù)測(cè);將確定好的模型對(duì)福建省碳排放收盤價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用比較廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一,它是一種按照誤差來進(jìn)行逆向傳播算法訓(xùn)練的多層狀型前饋網(wǎng)絡(luò),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層(如圖1所示)[14]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本思想是梯度下降法,在正向傳播時(shí),信號(hào)由輸入層逐層傳遞和處理到輸出層,若得到的實(shí)際輸出值與期望輸出值不符,則進(jìn)行誤差的反向傳播,根據(jù)各層的誤差信號(hào)來調(diào)整各單位的權(quán)值,使得誤差沿梯度下降。經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練得到的誤差平方和為最小值時(shí)停止 ,此時(shí)輸入樣本數(shù)據(jù),就可以得到誤差最小的輸出值[15]。
為準(zhǔn)確地對(duì)福建省碳排放交易價(jià)格趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),通過組合ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,充分發(fā)揮兩者在線性和非線性預(yù)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì),來彌補(bǔ)單一模型的不足,以提高模型擬合精度。本文通過參考劉春紅等[16]的做法,以最優(yōu)權(quán)重和殘差優(yōu)化兩個(gè)不同的角度來組合ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
1.3.1 ARMA-BP最優(yōu)權(quán)重組合模型
最優(yōu)權(quán)重組合模型指的是通過兩個(gè)模型分別對(duì)原序列進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)兩者的平均絕對(duì)誤差(MAE)來確定兩個(gè)模型的權(quán)重,預(yù)測(cè)誤差較大的模型權(quán)重較小。
其公式為:
(3)
(4)
其中w1和w2的取值范圍為[0,1],w1+w2=1。
1.3.2 ARMA-BP殘差優(yōu)化組合模型
為確保模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,設(shè)置兩個(gè)關(guān)于預(yù)測(cè)精度的評(píng)價(jià)指標(biāo),包括均方誤差(MSE)和平均絕對(duì)誤差(MAE),計(jì)算公式如下:
(5)
(6)
本文所使用的數(shù)據(jù)區(qū)間是2017年1月9日至2020年8月17日,即福建省碳排放配額(FJEA)上市交易以來直到近期的收盤價(jià),其中剔除了部分零交易量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于中國碳排放交易網(wǎng),共計(jì)487個(gè)樣本。由圖2可以看出福建省碳排放配額的市場(chǎng)價(jià)格自開盤以來并不穩(wěn)定,一直處于波動(dòng)狀態(tài),在前半段表現(xiàn)出在震蕩中下降的趨勢(shì),而在后半段市場(chǎng)價(jià)格起伏較大,且出現(xiàn)過幾次劇烈震蕩,其中跌幅最大的一次是由2018年11月20日的30元/t一直跌至2019年4月10日的9元/t,持續(xù)跌幅達(dá)到70%。在表1有關(guān)FJEA收盤價(jià)的描述性統(tǒng)計(jì)中,最大值和最小值分別為42.28和7.19,標(biāo)準(zhǔn)差為8.295346,這同樣說明價(jià)格波動(dòng)較大,偏度為0.454738,且峰度為2.26174,呈現(xiàn)尖峰厚尾分布。
日期圖2 FJEA收盤價(jià)
表1 FJEA收盤價(jià)的描述性統(tǒng)計(jì)
2.2.1 單位根檢驗(yàn)
建立模型之前要進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn),否則可能出現(xiàn)偽回歸現(xiàn)象,影響后面的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此,對(duì)原序列進(jìn)行ADF單位根檢驗(yàn),表2結(jié)果顯示:原序列(PRICE)在10%的置信水平下并沒有通過檢驗(yàn),而取自然對(duì)數(shù)序列(LNPRICE)則在5%的置信水平下通過了檢驗(yàn),這說明取對(duì)數(shù)后的序列更加平穩(wěn),不存在單位根,因此可以對(duì)LNPRICE序列直接進(jìn)行建模。
表2 序列PRICE和LNPRICE的ADF單位根檢驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 白噪聲檢驗(yàn)和模型定階
ARMA模型的p和q值確定需要觀察序列的自相關(guān)和偏自相關(guān)尾部特征,同時(shí)還要確保序列不是白噪聲序列,即存在有效信息。由表3的結(jié)果顯示,自相關(guān)和偏自相關(guān)的Q統(tǒng)計(jì)量在1%的置信水平上拒絕原假設(shè),說明序列LNPRICE為非白噪聲序列。此外,自相關(guān)表現(xiàn)為拖尾,偏自相關(guān)表現(xiàn)為截尾,初步選擇AR模型。表4是符合基本要求的6個(gè)模型檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表,結(jié)果顯示ARMA(2,1)的可決系數(shù)均高于其他模型,且AIC值和SC值均為最低,這說明對(duì)序列LNPRICE建立ARMA(2,1)更為合適。
表3 序列LNPRICE的自相關(guān)和偏自相關(guān)分析序號(hào)自相關(guān)(AC)偏自相關(guān)(PAC)Q統(tǒng)計(jì)量P值10.9800.980470.420.000020.953-0.188915.90.000030.920-0.1261332.10.000040.885-0.0151718.50.000050.848-0.0812073.60.000060.8120.0442399.80.000070.7760.0012698.90.000080.741-0.0322972.20.000090.706-0.0373220.30.0000100.6730.0453446.10.0000110.6420.0403652.50.0000120.6150.0263842.10.0000表4 模型階數(shù)確定模型(p,q)可決系數(shù)赤池準(zhǔn)則(AIC)施瓦茲準(zhǔn)則(SC)AR(1)0.965349-2.490959-2.473732AR(2)0.967000-2.538027-2.512146ARMA(2,1)0.967484-2.548699-2.514190ARMA(2,2)0.967257-2.537595-2.494459ARMA(3,1)0.967332-2.542625-2.499421ARMA(3,2)0.967513-2.544036-2.492192
2.2.3 模型建立和殘差檢驗(yàn)
ARMA模型的類型確定好之后,需要對(duì)模型參數(shù)、整個(gè)模型和殘差進(jìn)行檢驗(yàn)。表5結(jié)果顯示:常數(shù)項(xiàng)C和系數(shù)都通過了1%的顯著性水平,F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量為4770.633,其概率值為0,可決系數(shù)達(dá)到96.75%,說明模型的解釋力很強(qiáng);杜賓統(tǒng)計(jì)量為1.9944,接近2,所建模型的殘差不存在一階自相關(guān);倒AR根和倒MA根均在單位圓內(nèi)。以上檢驗(yàn)結(jié)果均表示模型具有比較良好的統(tǒng)計(jì)意義。模型表達(dá)式如下:
LNPRICE=3.030365+1.641359LNPRICEt-1-0.65597LNPRICEt-2+εt-0.46718εt
(7)
表6為殘差的自相關(guān)和偏自相關(guān)結(jié)果,可以看出,Q統(tǒng)計(jì)量的P值均大于5%,即接受原假設(shè),殘差為白噪聲序列,這說明原序列中的有效信息已經(jīng)被提取,模型擬合效果較好。
表5 ARMA(2,1)模型參數(shù)估計(jì)與檢驗(yàn)結(jié)果變量系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差 t統(tǒng)計(jì)量P值C3.0303650.11269826.889210.0000AR(1)1.6413590.11856013.844150.0000AR(2)-0.655970.115863-5.661990.0000MA(1)-0.467180.139884-3.339760.0009可決系數(shù)0.967484赤池準(zhǔn)則(AIC)-2.548699調(diào)整的可決系數(shù)0.967282施瓦茲準(zhǔn)則(SC)-2.514190F統(tǒng)計(jì)量4770.633杜賓統(tǒng)計(jì)量1.994387倒AR根0.9500.67倒MA根0.450表6 殘差LNPRICE的自相關(guān)和偏自相關(guān)分析序號(hào)自相關(guān)(AC)偏自相關(guān)(PAC)Q統(tǒng)計(jì)量P值1-0.001-0.0010.0003———20.0160.0160.1204———3-0.044-0.0441.0490———40.0580.0582.69480.1015-0.056-0.0554.21640.1216-0.001-0.0044.21670.23970.0420.0495.09260.27880.0560.0486.67330.2469-0.037-0.0337.35600.28910-0.043-0.0448.28600.30811-0.007-0.0068.30820.40412-0.047-0.0509.40120.401
2.2.4 模型預(yù)測(cè)
利用建立好的ARMA(2,1)對(duì)福建省碳排放配額(FJEA)的收盤價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果比較如圖3所示。可以看出,預(yù)測(cè)值點(diǎn)基本與實(shí)際值重合,說明模型預(yù)測(cè)精度較好,可以利用所得模型對(duì)FJEA未來一周的收盤價(jià)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)。
日期
2.3.1 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)
在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)之前,首先將樣本數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集,其比例分別為0.7、0.15、0.15,并確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。其中輸入層和輸出層的神經(jīng)元分別為3和1,隱藏層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為10,輸出層和隱藏層分別采用S型和線性型的變換函數(shù)。將輸入項(xiàng)設(shè)置為第t期、第t+1期、第t+2期的數(shù)據(jù),輸出項(xiàng)設(shè)置為第t+3期的數(shù)據(jù)。
2.3.2 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)
分別將原序列和殘差序列輸入后,網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練之后得到訓(xùn)練誤差變化過程圖(圖4和圖5),可以看出網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練分別在第6期和第4期時(shí)收斂,并且在經(jīng)歷6次和4次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練之后,均方誤差(MSE)逐漸趨近于1.8226和0.0041394, 兩者的訓(xùn)練集、驗(yàn)證集與測(cè)試集三者之間的誤差慢慢減少,變化趨勢(shì)達(dá)成一致,3條曲線基本變成一條,誤差基本得到穩(wěn)定,此時(shí)兩個(gè)模型的訓(xùn)練效果達(dá)到最優(yōu)。
圖4 原序列訓(xùn)練誤差變化過程圖
圖5 殘差序列訓(xùn)練誤差變化過程圖
2.3.3 模型預(yù)測(cè)
經(jīng)過反復(fù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后,兩者誤差均達(dá)到最小值,最后分別對(duì)原序列和殘差序列進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6和圖7所示,末尾星號(hào)處表示未來7期的預(yù)測(cè)值??梢钥闯鰺o論是對(duì)原序列進(jìn)行預(yù)測(cè)還是對(duì)殘差序列進(jìn)行預(yù)測(cè),在接下來的7期內(nèi)福建省碳排放交易價(jià)格均保持上升趨勢(shì)。
圖6 原序列預(yù)測(cè)圖
圖7 殘差序列預(yù)測(cè)圖
根據(jù)ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MAE值確定兩者在組合模型中的權(quán)重分別為w1和w2,經(jīng)計(jì)算得出ARMA模型的MAE值為0.053933,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MAE值為0.0513993,故w1=0.4880,w2=0.5120。計(jì)算得出ARMA-BP最優(yōu)權(quán)重組合模型的預(yù)測(cè)值。其次,將ARMA模型的線性部分?jǐn)M合值加上BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)殘差部分的擬合值得到ARMA-BP殘差優(yōu)化組合預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)值。最終將四個(gè)模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(表7),分別計(jì)算出它們的MSE和MAE,來判斷模型優(yōu)良與否。
由表7可知,ARMA模型預(yù)測(cè)值的MSE和MAE分別為0.0815和0.2576;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值的MSE和MAE分別為0.0812和0.2631;ARMA-BP最優(yōu)權(quán)重組合模型預(yù)測(cè)值的MSE和MAE分別為0.0803和0.2604;ARMA-BP殘差優(yōu)化組合模型預(yù)測(cè)值的MSE和MAE分別為0.0792和0.2521。
通過比較MSE和MAE,可知ARMA-BP殘差優(yōu)化組合的MSE和MAE均為最小值;同時(shí)ARMA-BP最優(yōu)權(quán)重組合模型的預(yù)測(cè)精度雖比不上ARMA-BP殘差優(yōu)化組合模型,但較單一模型比較來說,其MSE要低于ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),MAE則高于ARMA模型且低于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。故綜合來看,ARMA-BP的兩個(gè)組合模型均分別優(yōu)化了ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單一預(yù)測(cè)精度,效果更好;其次,ARMA-BP殘差優(yōu)化模型的預(yù)測(cè)精度要比其他三者更高,也就是說該模型能夠有效地?cái)M合FJEA實(shí)際收盤價(jià)的短期變化規(guī)律。
表7 四種預(yù)測(cè)方式的精度對(duì)比
通過將ARMA模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型組合起來,分別建立ARMA-BP最優(yōu)權(quán)重組合模型和ARMA-BP殘差優(yōu)化組合模型對(duì)福建省碳排放市場(chǎng)的收盤價(jià)進(jìn)行短期預(yù)測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)ARMA-BP組合模型提高了單一模型的預(yù)測(cè)精度,且ARMA-BP殘差優(yōu)化組合模型的預(yù)測(cè)效果最好,表明該模型能夠有效地預(yù)測(cè)福建省碳排放市場(chǎng)的未來短期價(jià)格。
本文所建模型雖較之前模型的準(zhǔn)確性有所提高,但尚有值得完善之處。首先,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有能夠有效確定隱含層神經(jīng)元素的方法,加之樣本處理方法、網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力等方面還存在改善的空間[15];其次,長期預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確,隨著預(yù)測(cè)區(qū)間的擴(kuò)大,該模型的預(yù)測(cè)能力也會(huì)有所下降。因此,需在之后的研究中對(duì)上述問題加以改進(jìn)??偠灾?,本文構(gòu)建的ARMA-BP組合模型進(jìn)行短期預(yù)測(cè)是可行的,能夠?yàn)樘寂欧攀袌?chǎng)的參與者提供一定的參考價(jià)值,并且該模型還能夠應(yīng)用于股票、股指、期貨等其他金融衍生品等方面。