（管理科学与工程专业论文）国际市场原油价格的非线性组合预测研究.pdf

中文摘要 石油是当今世界最为重要的基础能源、化工原料和战略物资，不仅对石油生 产国和消费国的经济发展具有强大的支撑作用，而且对各国国民经济的发展、人 民生活水平的提高和国防安全具有紧密的联系，石油价格的波动对国际、国内的 政治、经济形势起着举足轻重的作用。 原油价格预测问题是维系原油生产企业、原油消费企业和国家利益的重大问 题。其预测结果，是制定生产决策和消费决策的基本素材。正确的决策会给企业 带来生机与发展，而决策信息的准确性，是正确决策的基础和保证。因此，原油 价格预测对维护原油生产国和原油消费国的利益均有重大意义。 从1 9 9 8 年6 月1 日起我国国内的原油价格正式与国际油价接轨，开始实行新的 价格机制和流通体制，此后国内原油价格立即随着国际市场价格的变化而变化。 本文根据国际市场原油价格高度非线性性的特点，综合径向基函数( r b f ) 神经 网络、基于马尔科夫链的半参数模型以及基于小波分析的油价预测模型，提出了 基于模糊神经网络的原油价格非线性组合预测模型。通过对b r e n t 原油价格的模 拟预测表明，该方法具有预测精度高、学习与泛化能力强、适应性广的特点。 本文首先介绍了原油价格预测研究背景，研究意义和国内外相关理论模型， 并阐述了研究的目的和本文研究的思路。第三章和第四章为本文的核心部分。第 三章针对本文的研究主题与目的，介绍了本文所用到的研究方法和模型，提出了 基于模糊神经网络的原油价格非线性组合预测模型。第四章对国际市场b r e n t 原 油价格进行了实证分析。最后，第五章总结了本文的研究结论，并从原油价格波 动的角度对我国原油价格形成机制改革问题进行了思考和建议。 关键词：原油价格；r b f 神经网络；马尔科夫链；半参数模型；小波分析；组合 预测 a b s t r a c t p e t r o l e u mi sr e g a r d 。da so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf u n d a m e n t a lr e s o 嘟，i n d u s t x i a l c h e m i c a l sa n ds n - a t e 西c m a t e r i a l s , w h i c hs u p p o r t st h ee c o n o m i cg r o w t ho fo i l p r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o nc o u n t r i e sa n di sc l o s e l yc o n c e r n e dw i t hb e t t e rl i f ea n d n a t i o n a ld e f e n s e o i lp r i c cf l u c t u a t i o nh o l d st h eb a l a n c eo fp o l i t i e sa n de c o n o m yn o t o n l yi nac o u n h - y , b u ta l s oi nt h ew h o l ew o r l d o i lp r i c ef o r e c a s t i n gi so fs i g n i f i c a n c et oc r u d eo i lp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n c o m p a n i e sa n dc o u n t r i e s ，w h i c hp r o v i d e s “ab a s i sf o rp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n d e c i s i o n a si sk n o w n , a r i g h td e c i s i o nb r i n g so p p o r t u n i t i e sa n dd e v e l o p m e n t , w h i c h r e q u i r e sa c c u r a t ei n f o r m a t i o ns o u r c e sf o rag u a r a n t e e t h a ti sw h yo i lp d c e f o r e c a s t i n gi sa t t a c h e dm u c hi m p o r t a n c ei naw o r l d - w i d er a n g e s i n c ej u n ei ，1 9 9 8 ，al l e wp r i c ea n dc i r e u l a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nc a r n e do u ti n c h i n ai nl i n ew i t hi n t e r n a t i o n a lo i lp r i c e s ，i e ，d o m e s t i co i lp r i c e sf l u c t u a t ea c c o r d i n g t oi n t e r n a t i o n a lo i lp r i c ef l u c t u a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so i lt h eh i g h l yn o n - l i n e a r f e a t u r eo f i n t c m a f i o n a lo i lp r i c e sa n d p u t sf o r w a r d sa n e w f o r e c 嬲t i n gm o d e lb a s e do n f u z z yn e u r a ln e t w o r k , c o m b i n i n gr b fn e u r a ln e t w o r k , m a r k o vd 螅i nb a s e d s e m i p a r a r n e t r i cm o d e la n dw a v e l e ta n a l y s i sb a s e df o r e c a s t i n gm o d d w i t l lt h eb r e n t o i lp r i c es e r i e s 1 1 g o o dr e s u l t sc o n f i r mt h ep e r f o r m a n c eo ft h em o d e li na c c u r a t e f o r e c a s t s ，r e i n f o r c e m e n tl e a r n i n gp r o p e r t i e sa n dm a p p i n gc a p a b i l i t i e s t h ep a p e rd e v e l o p sa sf o l l o w s s e c t i o n1i n t r o d u c e se t u d eo i lp r i c ef o r e c 髂t i n g r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e s e c t i o n2p r o v i d e sa na n a l y t i c a li n t r o d u c t i o nt o c o r r e l a t i v et h e o r i e sa n dm o d e l s ，r e s e a r c ho b j e c t i v ea n dt h r e a d s e c t i o n3a n d4a r et h e c o r eo f t h i sp a p e r i ns e c t i o n3 ，i n d i v i d u a lf o r e c a s t i n gm e t h o d sa n dm o d e l sa d o p t e di n t h i sp a p e ra r ci n t r o d u c e da tt h eo b j e c t i v ea n dn o n - l i n e a rc o m b i n i n gf o r e c a s t i n gt o c l u d eo i lp r i c eb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r ki sp u tf o r w a r d ad e t a i l e ds p e c i f i c a t i o n o ft h ef o r e c a s t i n gp r o c e d u r ew i t hb r e n to i lp 酊c es e r i e si sp r o v i d e di ns e c t i o n4 s e c t i o n5p r o v i d e st h ec o n c l u d i n gr e m a r k sa n dag e n e r a ld i s c u s s i o no nt h er e f o r mo f d r i c ef o r m a t i o nm e c h a n i s m k e y w o r d sc r u d eo i lp r i c e ；r b fn e t w o r k ；m a r k o vc l l a i n ；s e m i p a r a m e l r i c ；w a v e l e ta n a l y s i s ； c o m b i n e df o r e c a s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鸯彬 签字日期：。彤年j 月2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鸯彬 签字日期：3 。o 年f 月) o 日 j _ 导师签名：歹i 丙 签字日期：2 彤年，月) 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 原油价格预测研究的背景 世界经济发展离不开三大要素：技术、资金和资源。在资源这一要素中，能 源是最重要的资源之一。人类社会发展至今，经历了三大能源形式阶段：木柴、 煤炭和原油。原油自1 8 5 9 年大规模商业性开采以来，由于具有含热量高、运输使 用方便等特点，在世界能源消费结构中的比重急剧上升，世界原油消费和需求高 速增长。据统计，在世界能源消费结构中，1 9 5 0 年煤占5 5 7 ，原油只占2 8 9 ；但到1 9 6 0 年和1 9 6 5 年，煤已分别下降为4 4 ，2 和3 9 ，原油则分别上升为3 5 8 和3 9 4 ；而到2 0 0 0 年和2 0 0 1 年，煤更迸一步分别下降为2 7 2 和2 4 9 3 ， 原油则分别剧增至4 0 和3 9 5 3 【1 】。 随着世界经济对原油依赖程度的加深，国际油价的每次震荡，都严重影响到 国际政治、经济、军事和外交斗争的进程和格局，严重打击了原油生产国和消费 国的经济，造成许多国家经济和政治的不稳定，对国家安全构成一定的威胁。人 们越来越认识到原油这个“特殊武器”的重大作用，各国对原油安全问题已引起 高度重视。回顾过去的5 0 多年，围绕世界原油资源的争夺从来没有停止过。许 多地区的冲突和战争都与原油有密切关系，原油领域的竞争已经大大超出了一般 商业范畴。美国为了控制原油资源，始终保持中东地区的军事存在。其中亚原油 政策的核心内容是支持西方原油公司参与中亚地区原油开发，力图建立不经过饿 罗斯或伊朗领土，直接将该地区原油资源与欧美市场联系起来的原油运输通道。 日本也积极与中东和世界产油国建立相互依存关系，提出了针对中亚地区原油的 欧亚大陆外交计划等。毫无疑问，原油实际上已成为国际政治、军事和外交关系 的重要筹码。 从1 9 9 3 年起，中国由原油出口国转为原油净进口国。同时，1 9 9 8 年我国的 油价形成机制改革实质上确立了与世界油价变化相适应，在政府调控下以市场形 成价格为主的油价形成机制，其主要内容包括：1 、以新加坡、鹿特丹和纽约三 地市场汽、柴油离岸价格为基础，计算进口到岸完税成本作为国内汽、柴油出厂 环节的接轨价格。当新加坡、鹿特丹和纽约三地市场汽、柴油月加权平均价格变 动超过一定幅度，相应调整国内成品油价格。2 、汽、柴油零售价实行政府指导 价，由国家发展改革委员会制定并公布零售中准价，具体零售价由中石油、中石 化两大集团公司在零售中准价格上下8 的幅度内制定。3 、国内原油价格由购 天津大学硕士学位论文第章绪论 销双方按协商制定，其结算价格由原油基准价加贴( 升) 水两部分构成，原油基准 价格由国家发展改革委员会根据每月国际市场相近品质原油离岸价格加关税确 定。 按已公布的数字显示，1 9 9 8 年中国原油进口价格为每吨1 1 6 美元；1 9 9 9 年 为每吨1 2 8 美元；2 0 0 2 年为每吨2 0 0 美元阍。进口油价连年攀升，这既对中国 经常项目下国际收支平衡构成不利影响，也拉高了中国经济增长的成本。随着我 国经济的发展，原油的供需缺口将越来越大，原油供应将不得不越来越多地依赖 于进口，而从我国原油进口结构来看，这里蕴含着较高的风险。 受资源条件所限，我国原油产量不能完全满足经济发展的需要。我国自1 9 9 3 年起己经成为原油的净进口国家，而且数量逐年上升，2 0 0 2 年原油净进口量已 高达7 1 8 4 m t 。从原油进出口的角度来看，我国是从1 9 9 6 年起成为原油净进口 国的，2 0 0 0 年的净进口量接近6 0 o o m t ，是1 9 9 6 年净进口量2 2 2 m t 的近2 7 倍， 增长非常迅猛。而且可以看出，原油净进口量迅猛增长的主要原因在于原油净进 口量的增加。详见表卜1 。进口量的不断攀升使得原油进口用汇额也不断加大， 见表卜2 。 表1 - 1 中国原油、成品油和原油净进口量单位：百万吨 年份 1 9 9 71 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 原油 1 5 6 41 1 7 22 9 4 45 9 8 36 0 2 66 9 4 19 1 1 31 2 2 8 1 成品油1 8 2 11 7 5 01 4 3 79 7 72 1 4 52 0 3 52 8 2 43 7 8 7 表1 - 2 中国原油和成品油进口用汇额单位；万美元 年份 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 原油4 6 4 1 2 3 1 4 8 6 0 5 0 1 1 6 7 2 0 01 2 7 6 0 9 01 9 8 2 4 2 03 3 9 1 2 9 9 成品油 2 6 9 8 0 63 5 6 7 1 3 3 7 6 9 3 93 8 0 1 7 85 8 7 5 5 79 2 4 0 9 8 资料来源：国家海关总署相关统计数据 据国家计委能源所2 0 0 2 年预计，我国原油需求量2 0 1 0 年将达到2 9 6 3 1 6 m t 。2 0 2 0 年达到3 8 0 4 2 0 m t 。而我国原油产量预计同期只能达到1 7 0 1 8 0 m t 和1 8 0 1 9 0 m t 。显而易见，我国原油仍将供不应求，2 0 1 0 年、2 0 2 0 年缺口将分 别达到1 1 6 1 4 6 m t 和1 9 0 2 4 0 m t ，这部分缺口只能由进口原油来补充。届时， 进口原油的比例将占3 9 2 0 4 6 2 和5 0 5 9 1 ，进口原油将逐步成为我 国原油供应的主体。 中国原油生产、进口和进口依存度的统计与预测如下： 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 3 中国原油生产、进口和进口依存度统计单位：万吨 年份年消费量产量净进口量进口依存度( ) 1 9 9 61 7 2 3 9 8 11 5 8 5 1 8 1 1 3 8 7 8 1 1 9 9 7 1 9 6 0 4 8 51 6 2 1 9 8 5 3 3 8 51 7 o 1 9 9 81 8 9 3 7 0 01 6 0 1 6 0 02 9 2 11 5 4 1 9 9 91 9 4 0 0 0 01 6 0 0 0 0 0 4 3 8 12 1 5 2 0 0 02 0 3 0 0 0 01 6 3 0 0 0 0 6 9 6 02 5 0 2 0 0 1 2 1 7 5 3 2 4 1 6 4 7 4 。7 36 4 9 12 7 7 2 0 0 22 3 1 0 6 5 51 6 8 8 6 6 07 1 8 43 0 0 4 2 0 0 3 2 5 2 3 1 1 91 6 9 3 i 9 8 2 9 9 ，2 93 6 o 2 0 0 42 9 1 8 2 7 21 7 4 5 0 31 1 7 3 2 3 94 2 0 2 0 0 53 2 1 0 0 0 01 8 0 0 0 0 01 6 0 0 0 04 4 0 2 0 l o3 9 8 0 0 0 01 9 5 0 0 0 01 9 2 0 0 04 9 o 2 0 1 54 1 0 0 0 0 01 9 0 0 0 0 02 5 0 0 0 05 2 3 2 0 2 04 9 0 0 0 0 01 8 5 0 0 0 03 3 0 0 0 06 2 0 $ 资料来源：国家计委相关统计数据 历史经验证明，油价上涨可能诱发原油危机，而原油危机往往伴随的是经济 危机或经济瘫痪。过高的油价会加重消费国的负担和代价，抑制消费国的经济增 长：同时，过高的油价虽在短期内可增加出口国的收入，但从长远看则势必抑制 出口，从而影响原油收入和国内的经济建设。过低的油价则会使成本较高的油田 停产，冲击消费国的原油工业；同时，过低的油价直接影响原油出口国的收入。 因此，合理适中的油价是原油消费国和生产国共同寻求的目标。 1 1 2 原油价格预测研究的意义 2 0 0 5 年，我国已经实现了国内市场原油价格与国际市场原油价格的完全接 轨，因此世界油价的变化必然带动国内油价韵变动。有关专家对我国1 9 9 3 - 2 0 0 0 年的g d p 、原油进口数量和价格波动进行了综合分析，分析结果认为【2 】：油价每 上涨1 并持续一年时间，将使我国国内生产总值增长率平均降低0 0 1 个百分点； 1 9 9 9 年国际油价上涨1 0 3 8 ，影响我国g d p 增长率约为0 0 7 个百分点；2 0 0 0 年国 际油价上涨6 4 ，影响我国g d p 增长率0 7 个百分点，按2 0 0 0 年国内生产总值8 8 万亿人民币计算，相当于损失6 0 0 亿元人民币以上【，】。 2 0 0 4 年，我国消费原油日均5 8 0 万桶，成为仅次于美国的全球第二大原油 消费国：进口原油1 2 2 7 2 万吨，同比增长3 4 8 ，对外依存度达4 0 9 ，成为 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 全球第三大原油进口国。2 0 0 5 年1 6 月，进口原油6 3 4 2 万吨，同比增长3 9 ，预计全年进口原油量将为1 2 亿1 4 亿吨，同比增加3 0 0 0 万5 0 0 0 万吨， 我国原油需求增量在世界原油需求增量中占到3 5 4 0 ，是世界原油需求增 长的重要动力。国内供需缺口扩大和进口依存度提高将使我国经济对国际油价的 波动更加敏感。 原油价格预测问题是维系原油生产企业、原油消费企业和国家利益的重大问 题。其预测结果，是制定生产决策和消费决策的基本素材。正确的决策会给企业 带来生机与发展，而决策信息的准确性，是正确决策的基础和保证。因此，原油 价格预测对维护原油生产国和原油消费国的利益均有重大意义。 针对原油价格问题，国内外已形成了多种原油价格理论，人们希望从本质上 把握世界原油价格的变化规律，解释原油价格变化的原因，预测原油价格的走势。 但是，原油价格的历史轨迹就犹如一匹野马，变化规律很不明显，到目前为止， 还没有哪一种学说可以令人信服地解译原油价格大起大落的原因。人们清楚地认 识到原油价格预测问题的难度和广度，但是由于原油价格问题与国民经济的发展 有重大的影响和关联，因此，原油价格问题的研究是任何一个工业化国家都难以 割舍的课题，成为世界共同关注的焦点。 我国的原油工业起步较晚，发展水平也很有限，原油生产能力和技术水平不 高，生产成本较大，原油化工等产品与国际先进水平还存在着一定的差距。我国 作为一个原油消费和进口大国，加入w t o 以后，在国际相对公平的竞争环境下， 我国的原油工业无疑要经受一次巨大的考验。然而，要在激烈的市场竞争中立于 不败之地，必须准确地把握国际原油价格的发展动态，企业才能做出正确的决策。 因此，准确预测国际原油价格对我国原油工业和国民经济的发展起着巨大的作 用。 1 2 论文结构安排 本文共计五章，各章内容如下： 第一章绪论：阐述了原油价格预测的研究背景，原油价格预测研究的意义， 并说明了本文的研究目的与论文结构。 第二章文献综述：针对原油价格预测，回顾和总结了国内外相关油价预测 理论，宏微观模型和研究概况，对原油价格分析和预测成果予以介绍，为之后的 实证研究奠定了理论基础。 第三章实证体系建立：针对本文的研究主题与目的，介绍了本文所建立的 基于模糊神经网络的原油价格非线性组合预测模型，包括径向基函数( r 】弹) 神 经网络、基于马尔科夫链的半参数模型和基于m a l l a t d 、波分解的油价预测模型。 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第四章实证分析：根据上述实证体系中具体的研究对象和油价非线性组合 预测理论，对b r a t 原油价格进行实际的预测研究。 第五章结论与展望：说明本文的研究结论，即实务与学术理论上的意义与 贡献，并对我国原油价格形成机制的改革问题进行了思考。 提出问题 ii 第一章 绪论：提出油价预测的背景和研究意义，设 l i 7 i 定研究目的、思路结构。 l 理论准备 i 第二章国际石油价格预测的研究现状和成果介绍， li 确定本文的研究思路方法。 第三章本论文所用研究方法简介：模糊神经网络， 径向基函数( r b f ) 神经网络，基于马尔科夫链的半参数 虁 基于小波分析的油价预测模型。 与分析 四章 实析：应用本论文提出的原油价格非线 性合预测模型，预测b ”t 原油价格。 与展望1 结展望：对本文提出的原油价格非线性 测模型进行评述，并对我国原油价格形成机制 问题进行了思考。 1 本文的研究结构5 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 原油价格预测的研究现状 2 1 1 原油价格分析和预测是一项极具挑战性的工作 原油是一种非常特殊的商品，在原油产品市场上，原油的消费和供应是调节 原油价格的重要因素。但由于经济血液的重要性，原油价格还受到社会经济、政 治等各个方面因素的影响。近几十年来，原油价格骤升骤降，变化无常，如图 2 1 ： 圈2 - 1b t 油价的历史数据图 因此，准确地把握油价变化规律进而准确地预测原油价格走势及波动范围就 是一项极富挑战性的工作。尽管如此，原油价格的预测仍是世界各国的热点问题 之一。无论是产油国还是原油消费国都期望油价能够持久地保持在合理的价位 上，从而有利于各国经济的正常发展。原油价格的大起大落，无论是对原油生产 国还是原油消费国都会带来不利的影响。如果油价上涨，导致原油消费国的工业 及其它行业的生产成本上升，推动社会商品价格上涨，诱发通货膨胀，最终导致 经济衰退，殃及世界各国的经济增长。油价上涨还会诱使原油生产国增加原油产 量，谋图在高价格时期获得高额利润，从而导致原油供给过剩，供需失去平衡。 如果油价下跌，原油生产国和原油生产企业收入下降，维持持续生产的投资减少， 生产能力下降，导致原油与油品生产能力萎缩，供需矛盾失调，供不应求导致原 油价格上涨。在市场上，中介油品加剧囤积，使原油市场变得难以控制，供需关 系失衡，最终陷入恶性循环，使生产国与消费国在经济上受到巨大损失。所以， 无论是原油生产国还是原油消费国都期望油价保持在合理的、可持续的价位上， 以利于各方经济的发展，但是市场经济规律、社会发展规律是不以人的意志为转 6 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 移的，任何国家和组织试图单方面完全控制和驾驭油价都是不可能的。在变化不 定的原油市场中，为了维护自身利益，唯一的办法就是准确把握油价的走势，在 对油价有较充分认识的条件下调整原油生产计划，把握原油消费水平，才能减少 原油暴涨或者骤跌给经济带来的负面影响，进而维护本国、本集团的利益。 2 1 2 原油价格预测方法简介 原油价格的预测方法很多，大体上可以归结为如下四大类方法1 4 】： ( 1 ) 历史数据模拟法 这种方法的实现有不同的形式，如时间序列法嗍【6 l 【7 】、加权平均法、指数平 滑法。早在1 7 9 7 年，英国经济学家m a l t h u s 就应用指数平滑法预测人口的增长。 历史数据模拟法直到今天仍然在沿用，参见1 9 7 2 年“l i m i t st og r o w t h ”i s 和1 9 9 2 年出版的“b e y o n dt h el i m i t s ” 9 1 。但历史数据模拟法用于长期预测的可信度是 比较低的，历史资料表明，用这种预测方法所得到的结果的误差常常是比较大的。 ( 2 ) 数学或统计“模型” 6 0 年代美国内务部( d o i ) 高级科学家和发言人之一的m k i n g h u b b a r d t ”1 设 计了一种统计模型，通过修正参数模拟美国的实际数据，得到了相应的十分满意 的逻辑曲线，并据此进行预测。但是这种方法的局限性在于忽视了经济、技术和 政府政策之间的微妙关系b 1 。其它的数学模型还有回归分析2 ”】f 1 4 】【i ”、神经网 络与模式识别、灰色系统预测法和马尔科夫过程模型。 ( 3 ) 预报因子法 这种方法主要是在数学的基础上观察和统计历史数据，进而得到各因素与原 油供需或价格的内在关系，依据彼此间一定的量的比例关系或线性、非线性函数 关系进行预测。 “世界经济发展对国际油价的影响”【l6 】一文中详细论述了g d p 对国际油价 的影响，指出世界经济的发展同国际原油需求的关系是直接的关系，而同国际原 油价格的关系则是间接的关系。世界经济的发展同原油消费的变化之间存在着一 定的量的比例关系，对这种关系，西方各国通常以世界各国国内生产总值( g d p ) 每增加1 ，原油消费增长百分之若干来计算，并称之为原油消费对国内生产总 值的弹性率( e l a s t i c i t y o f o i lc o n s u m p t i o n t og d p ) ，但文e 1 6 作者认为弹性率在 各个不同的国家和地区里，在不同的时间和条件下都是完全不同的，尤其是在国 际市场的形式和基本结构发生急剧变化时更是这样。“能源供给、需求及油价预 测分析”【1 l 】一文以定性分析为主，通过比较，论证了未来能源血球按指数增长 的假设是错误的，并指出了以国内生产总值来衡量的经济发展和人口都是预测未 来能源的因素，但二者与能源消费量都没有一成不变的关系，难以预测长期趋势， 7 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 进而得出能源供需预测必须结合未来的、常常无法预测的技术和文化的变化，并 且对两者必须给予尽可能广泛的定义。 ( 4 ) 远景方案设计 近些年来，远景方案设计( s c e n a r i om a n n i n g ) 己成为综合各种不确定性的有 用工具。从根本上讲，远景方案设计是一种有机联系的方法。这种方法首先对未 来世界可能发生的各种可能事件普遍出现的情况进行富有想象力的观察和分析， 继而进行逻辑推断。远景方案分析不只是得出未来情况的单一的一种预测方法， 而是对可能发生的若干种情况作出逻辑判断，并提出一整套的预测结果。这些结 果可以使一个国家或一家公司认清潜在的危机和机会。这种技术被壳牌公司成功 应用旧，由s c h w a r t z 进一步改进【1 8 1 ，并由y 吲如和g 1 l s t 施o n 运用到对俄罗斯未来 发展方向的预测上i l ”。 2 。1 3 原油价格分析和预测成果概述 下面的四个模型都对能源消耗进行了预测，他们都没有直接地给出原油价格 预测的结果。当然，从能源消耗入手，根据原油的供求关系预测原油价格的方法 是有其经济理论基础的，有许多这方面的成果。 ( 1 ) 增长限度( l h n i m t og r o w m ) 在增长限度( l h n i m t o g r o w 呦【7 1 中，作者运作用一个计算机动态模型， 在自然资源消耗量不断增加、人口持续增长和污染加重的基本假设下，根据几种 不同方案，预测：到2 l 世纪中叶，因环境恶化势不可挡、经济体系崩溃、人类 生活水平严重下降而将带来的灾难。该增长模型对气、油和煤的假设是以当时政 府权威机构所作的估算为基础的。表2 - i 是所用的实际数据。表2 2 是1 9 9 3 年实 际值和预测值的比较。 表2 - 1 增长限度一书中有关世界矿务燃料的基本假设 油( 亿桶)气( 万亿立方英尺)煤( 亿吨) 已确认的资源量 6 3 0 01 1 0 09 5 0 0 0 估计可增加的资源量 1 2 0 0 01 0 0 0 07 3 0 0 0 总计 1 8 3 0 01 1 1 0 01 6 8 0 0 0 1 9 7 0 年产量 1 7 03 83 1 预计增长率 低，年 2 93 93 9 中，年 3 94 74 1 高，年 4 95 55 3 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 表2 - 2 增长限度中能源消费量预测值与1 9 9 3 年世界实际数据的比较单位：m b d 预测值实际值 误差 误差率 原油 1 1 4 26 5 14 9 14 3 天然气5 2 93 5 9 1 7 03 2 煤炭7 8 44 3 o3 5 4 4 5 矿物燃料总计2 4 5 51 4 4 01 0 1 5 4 1 假设从1 9 7 0 年开始平均以指数率递增 作者假设能源消费将持续地呈指数增长，天然气、原油的供给是无限的，这 显然是造成预测偏差较大的重要原因，这也表明以指数为基础来预测的方法不适 用于资源消费的预测。 ( 2 ) 1 9 9 1 年美国能源部( d o e ) 国家能源战略 ， 1 9 9 1 年2 月，美国能源部发表了国家能源战略1 1 0 】。国家能源战略 对美国1 9 9 0 2 0 3 0 年的能源供需形势进行了综合分析，该报告对经济和人口增长 的基本假设列于表2 3 。预测结果包括1 9 9 0 、2 0 1 0 及2 0 3 0 年原油、天然气、煤 炭、核能、水力以及可再生能源的消费数据，见表2 - 4 。表2 5 列出了1 9 9 4 年各 种能源的实际产量和国家能源战略中的预测值。 表2 3 美国国家能源战略中对基本增长率的 时间美国人口美国国民生产总值一次能源需求 1 9 9 0 2 0 0 0 焦 0 7 3 0 1 6 2 0 0 0 2 0 1 0 焦o 52 7 1 7 2 0 1 0 2 0 2 0 正0 41 9 1 1 2 0 2 0 2 0 3 0 年o 21 60 9 4 0 年增长率 1 9 71 5 0 96 9 9 表2 - 4 美国能源消费和国家能源战略以现行政策为基础所做的基本假设和预测 1 9 9 02 0 1 02 0 3 0 美国国民生产总值、万亿，1 9 8 9 年美元 5 _ 39 31 3 3 世界原油价格，1 9 8 9 年美元桶 1 7 o3 7 31 7 0 美国一次能源，跨特 8 6 o1 1 9 01 4 5 0 美国一次能源。百万桶油当量日 3 1 o4 9 06 7 0 美国原油消费、百万桶当量日 1 7 02 3 o2 9 0 美国天然气消费，万亿立方英尺2 3 02 8 02 4 o 美国煤炭分，百万吨年8 7 0 0 1 5 3 1 o2 5 3 4 0 美国核电能力，1 0 亿千瓦时5 5 06 2 07 4 0 美国可再生能源，跨特 7 01 1 01 7 o 9 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 表2 5 美国能源部能源消费预测与1 9 9 3 年美国实际数据的比较( 单位：百万桶油当量日) 预测值实际值误差误差率( ) 原油1 8 o1 6 o2 01 1 天然气 1 1 99 82 11 8 煤 9 19 20 1- 1 核电 2 83 10 31 l 可再生能源3 41 5 总计 4 5 23 9 6 原油价格，美元桶 1 6 2 11 6 4 1+ o 2 2- 1 电力消费量，1 0 亿千瓦时 2 8 8 72 8 8 3- 40 ( 3 ) 壳牌公司对世界能源供需的研究 1 9 8 9 年7 月1 0 日，壳牌公司首席业务负责人( c e o ) j o b hf b o o k o u t ，以 搜集到的大量资料为依据，阐述了1 8 6 0 1 9 9 7 年世界各类能源消费增长情况， 并预测了到2 1 0 0 年的能源需求。b o o k o u t 绘出了一条到2 1 0 0 年的能源强度预测 曲线，能源强度从1 9 8 7 年每单位经济产量3 5 桶油当量，下降到2 1 0 0 年的2 桶油当量左右。与能源强度下降相关联的假设条件是，人均能源消费量不变，2 1 0 0 年世界人口是当今人口的两倍，为1 1 6 亿人，这就产生了一个能源需求方案，即 能源消费量将从1 3 2 亿桶当量日上升到2 1 0 0 年大约3 5 亿桶油当量臼。 表2 - 6 壳牌公司b o o k o u t 所做的能源消费预测与1 9 9 3 年世界实际值的比较单位：m b d 预测值实际值误差误差率( ) 石油 7 3 56 5 58 o1 1 ， 天然气 4 4 63 5 98 72 0 煤炭 5 7 74 3 01 4 7 2 5 非矿物燃料 2 l11 5 65 52 6 总计 1 9 6 91 6 0 03 6 91 9 注：这是根据1 9 8 5 年以前的数据所做的8 年预测 b o o k o u t 预计原油、天然气、煤炭的未来消费量在2 0 4 0 年达到峰值，大约 为2 4 亿桶油当量日，然后逐步下降，矿物燃料消费与能源需求之间出现一个 巨大的缺口，到2 1 0 0 年这一缺口为1 7 5 2 亿桶油当量日。这部分能源需求发 展以矿物燃料以外的其他能源来满足【l ”。 ( 4 ) w e p s 模型 w e p s 模型【1 9 1 是由美国能源部综合分析与预测办公室每年在“国际能源展 望”上发布的关于能源消耗的预测。1 9 9 9 年发布的w e p s 报告中给出了w e p s 的总体模型系统。此模型系统包括了六个子系统：能源消耗子系统、原油消耗子 系统、核能子系统、煤一天然气一其它替代能源子系统、煤一天然气一其它替代能 1 0 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 源分配子系统、高低经济增长情况的子模型。 作者根据各国的经济发展情况把世界各国进行聚类分析，分别考虑各类国家 能源消耗率、能源消费结构等因素，通过上述六个子系统，利用计算机进行预测。 其预测结果见表2 7 ： 表2 - 7w e p s 油价预测结果 1 9 9 8d o l l a r sp e r b a r r e l f o r e c a s t2 0 0 02 0 0 5 2 0 1 02 0 1 5 2 0 2 0 a e 0 2 0 0 0r e f e r e n c e2 1 1 92 0 4 92 1 o o2 1 5 32 2 0 4 a e 0 2 0 0 0h i g hp r i c e2 4 2 32 4 1 62 6 3 12 7 8 92 8 0 4 a e 0 2 0 0 0l o wp d c e 1 8 1 51 4 9 0 1 4 9 01 4 9 01 4 9 0 在“l i m i t so f g r o w t h ”的实例中( 见表2 2 ) ，矿物预测消费量比1 9 9 3 年实际 矿物燃料消费量高估了4 1 ，原油消费量高估了4 3 ，天然气消费量高估了3 2 。其中：该文使用的数据以1 9 7 0 年数据为基础，至于指数增长率是依据1 9 , 7 0 年以前资料得出的。所作的假设是能源消费呈持续的指数增长，与实际出入较 大。 美国能源部国家能源战略预测是以1 9 8 9 年以前的数据为基础。到1 9 9 3 年，即4 年后，原油消费量预测值高出1 1 ，天然气高出1 8 ，油气消费增长 量的过高估算，反映出对增长率的假设过高。未能估计到1 9 9 0 年和1 9 9 1 年经济 衰退的影响，也是造成估计过高的原因。 壳牌公司b o o k o u t ( 表2 6 ) 做出的预测，以1 9 8 7 年的数据作为可得到的最近 数据，过高地预测了1 9 9 3 年的世界油气消费，分别比实际值超出了1 l 和2 0 ，这与美国能源部预测美国油气需求增长率时的误差值1 1 和1 8 几乎相等。 因此，动态的和不可预见的政治因素的变化似乎是其预测出现偏差的主要原因。 w e p s 利用电子表格工具，列出不同国家、地区，不同类别国家的能源消耗 结构，运用六个子系统成功地进行了油价预测。他们的这种分类方法有一定的合 理性，他们考虑的因素多达六个。w e p s 所依据的假设数据，如各国g d p 、能 源消费系数等，一般不由自己预测，而是直接引用现有的预测数据。 从以上的研究中，可以得出一个共同点，即这四个模型都是依赖于与原油价 格相关的产品或因素在未来的预测值，而对原油价格进行预测。过高估计能源消 费增长率，是造成上述模型误差过大的直接原因。客观地说，既要重视历史数据 和演化规律，又要充分考虑政治经济等人为因素的影响是很困难的。 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 2 本文的研究思路 近年来模糊系统理论用于非线性系统控制、预测、辨识等方面的研究已取得 很大进展。模糊模型作为一种结构数字估计器本质上是一种非线性模型，同时具 有极强的泛化能力和适应能力。k o s k o 证明了一个加法模糊系统能以任意精度逼 近一个紧领域上的任意连续函数，w a n g 利用s t o n e - w c i c r s t r a s s 定理证明了具有推 理机、中心反模糊化器、高斯型隶属函数的模糊系统也能以任意精度逼近一闭子 集上的实连续函数。基于上述思想，木文选用模糊神经网络模型来进行非线性组 合预测函数的模拟，并给出相应的反向传播学习算法，理论分析和应用实例表明， 该方法有很强的学习与泛化能力，在处理诸如原油价格这种高度非线性性时间序 列的组合建模与组合预测方面有很好的运用价值。 本文从非线性组合预测的角度对原油价格进行预测研究，采用三种非线性预 测模型即径向基函数( r b f ) 神经网络预测模型、基于马尔科夫链的半参数模型 和基于m a l l a t d 、波分解的油价预测模型作为单项预测模型，然后应用模糊神经网 络对这三种单项预测模型进行非线性组合。三种单项预测模型各有所长，r b f 神经网络具有自组织、自学习和对输人数据的鲁棒特性、冗余性和容错性，广泛 的运用在复杂系统的预测中；基于马尔科夫链的半参数模型充分发掘利用历史数 据中蕴涵的波动性信息，并结合历史数据的走势情况，对非线性系统进行了较好 的预测；而m a l l a t d 、波分解的油价预测模型可以把规律不明显的复杂时间序列在 不同的尺度上分解成若干个规律性很强的简单时间序列，将油价的影响因素逐层 剥离出来，然后摒弃难以准确预测的短期干扰因素，保留比较稳定的长期影响因 素。然而，各单项预测模型各自又存在着不同程度的缺陷，如r b f 神经网络应用 非监督聚类的方法来确定隐节点，使历史数据所蕴涵的信息利用不完全；基于马 尔科夫链的半参数模型在选择标准残差作为预测结果修正项时采取随机抽取的 方式，对油价涨跌的趋势预测能力较弱；基于m d l a d 、波分解的油价预测模型， 侧重于对石油价格较长期走势的预测，对短期油价的波动性监控能力不足。正是 考虑到三种单项模型各自的优势和不足，本文提出了基于模糊神经网络的原油价 格非线性组合预测模型，对单项模型的预测能力取长补短，使得该组合预测模型 在原油价格的短期预测方面具有较大优势。 1 2 天津大学硕士学位论文 第三章模型建立 第三章基于模糊神经网络的原油价格非线性预测模型的建立 本文从非线性组合预测的角度来研究原油价格的预测问题，提出了一种基于 模糊神经网络的原油价格非线性预测的方法，整个油价预测模型由模糊神经网 络、径向基函数神经网络、基于马尔科夫链的半参数模型和基于小波分解的油价 预测模型构成。下面对这四个方