ResourcesScience第31卷第8期2009年8月2009，31（8）：，.，2009文章编号：1007-7588（2009）08-1280-06基于信息熵的中国能源消费动态及其影响因素分析揣小伟，黄贤金，王倩倩，钟太洋（南京大学地理与海洋科学学院，南京210093）摘要：能源是一个国家经济发展的物质基础，能源数量的短缺以及能源结构的不合理将直接制约着国家经济的发展和安全。随着经济的持续高速增长，工业化和城镇化进程加快，产业结构和消费结构升级以及一些高耗能生产和生活行为的过度扩张，对能源的需求大幅度增长，能源行业处于快速发展阶段。能源需求量逐年上升，我国已经成为从继美国之后的全球第二大能源消耗国。本文把信息熵、均衡度、优势度的数学方法引入能源结构领域，对我国1991年~2006年能源消费情况做了数量和结构上的动态分析。研究结果表明：①我国的能源消费需求总量逐年上升；②能源消费与能源生产之间的差值呈逐年扩大的趋势；能源消费结构中，煤炭比例在缓慢下降，石油、天然气和电力的比例在逐渐上升；③能源消费结构信息熵1991年～2002年处于上升的趋势，2003年～2006年略低于2002年，但总体上变化不大，均衡度缓慢上升，这说明我国能源消费结构的变化不明显，仍然是以煤炭为主，但结构逐渐在向多元化、合理化的方向发展。本文从这3个方面选取了1991年～2006年的人均GDP、第二产业产值比重、第三产业产值比重、建筑业产值比重、交通运输业产值比重、批发零售业产值比重、研究与实验经费比重、专利申请授权数、科技活动人员数量9个影响能源消费结构的主要因子，利用spss软件进行了主成分分析，研究结果表明：经济发展水平、技术进步、产业结构对能源消费结构的影响至关重要。在今后的发展中应通过采取转变产业结构、加大科技投入、节约能源、开发利用新能源等措施来调整能源结构，确保我国能源的安全。关键词：信息熵；均衡度；优势度；消费结构；动态变化；主成分分析；中国国外能源市场、做好资源储备、加强能源管理等方1引言面进行了有益的探讨。研究中主要应用了数值对能源是一个国家经济发展的物质基础，能源数比分析、统计学分析、灰色关联度分析、模糊数学分量的短缺以及能源结构的不合理将直接制约着国析等方法，但把信息熵等数学概念应用到能源领域家经济的发展和安全。“十五”以来，随着经济的持来分析其结构变化的研究还比较少。本研究把信续高速增长，工业化和城镇化进程加快，产业结构息熵、均衡度、优势度等数学方法引入能源结构领和消费结构升级以及一些高耗能生产和生活行为域，对1991年～2006年我国能源消费情况做了数的过度扩张，对能源的需求大幅度增长，能源行业量上和结构上的动态分析，并且分析了我国能源消处于快速发展阶段，我国已经成为从继美国之后的[1]费结构的影响因素。这样可以更加清晰、准确地认全球第二大能源消耗国，同时能源结构长期比较识目前我国能源结构的整体态势以及其动态发展单一，结构不合理，从长远看能源形式依然严峻。趋势，有利于政府根据其发展变化趋势和经济社会面对着能源短缺和能源结构不合理的双重困的发展的需要及时做出政策上的调整，确保我国能难，许多学者分别从新能源及其基地的开发、节约能源、提高能源利用效率、调整能源消费结构、开拓源数量与结构上的安全。收稿日期：2008-10-21；修订日期：2009-03-23基金项目：国家科技支撑计划课题（编号：2006BAB15B03）。作者简介：揣小伟，男，河北唐山市人，硕士生，主要研究方向为土地评价。E-mail：chuaixiaowei@通讯作者：黄贤金，E-mail：hxj369@://
揣小伟等：基于信息熵的中国能源消费动态及其影响因素分析12812009年8月2研究方法3能源消费动态变化本文用信息熵理论来分析我国能源结构的变数量的变化化。信息熵最初是热力学当中一个用来表示分子随着我国经济的快速发展，对能源的需求量逐不规则运动度的态函数。1848年由美国的数学家年扩大，能源缺口也在不断扩大，进一步危及我国申农（）将熵应用到信息论当中，提出了能源安全。根据中国统计年鉴上的数据得出1991信息熵的概念和数学表达式，从此很多科学家把信年～2006年我国能源生产和消费总量变化情况，如息论应用到物理学、化学、医学、心理学、地理学、经图1所示。济管理等多个领域并取得了很大的成功。可以看出，1991年～2006年，我国能源生产总能源结构实质上是一个与外界有着广泛关系量和消费总量都在不断增加，其中1991年我国能源的非线性开放系统。随着时间的推移，能源结构在尚能自给，对国际能源市场的依赖很低，1992年之后，我国能源缺口的总量和比重逐步扩大，对国际能经济社会发展的影响下，发生着结构上的演替和变源的依赖程度逐渐增加，依赖比重为%，2000年化，表现出自发的、具有不可逆性的演化特征，这完达到%，2006年我国能源消费总量达到×全符合耗散结构系统的预定假设。在这里我们把88[3]10t标准煤，生产量为×10t标准煤，能源缺能源的单位全部转化成标准煤，以统一量纲。口比例增加到%，尤其是石油进口快速增长，已依据信息熵的理论，假定我国能源的总量为A，占到国内石油总消费量的40％，而且由于我国业已能源的类型总共有n种，则每一种类型的能源（i=1，进入工业化、城市化快速发展时期，这一趋势将会2，3，…，n）占能源总量的比例为：P=A/A，这也就相ii随着我国经济的快速增长而增加。当于信息熵中的概率。利用信息熵公式，定义能源面对如此严峻的形势，我国提出了节能减排的结构中的信息熵（H）为：综合方案，“十一五”规划纲要确定，2010年单位国（1）内生产总值能耗比2005年降低20%。即便是20%的节能降耗目标得以实现，但是面对未来我国经济一般来说，当一个国家或地区的经济发展水平总量的扩张，节能的潜力也将始终赶不上新增耗能很低时，往往会有一种能源在能源生产和消费结构的需要。我国在保障能源供需平衡、提高能源利用中居于主导地位，20世纪60年代以前我国就属于效率和有效节约能源、深化能源领域的改革和扩大这种情况。假设处于极端状态，整个能源消费系统开放、保障能源安全以及推动能源环保工作方面都中只有一种能源，例如煤炭，则根据公式计算H=min面临着严峻的挑战。0；相反，若各种能源折算成标准煤后比例相等，即结构的变化H=H=H=…=H，则此时H=lnn。事实上，在现代不同类型能源消费比例变化长期以来，我社会中，这两种情况均不会出现，信息熵一般会介国能源结构中以煤炭为主，1991年煤炭消费量占总于二者之间，其值的大小反映了城市民用能源消费能源消费的比例达到%，经过16年的变化，到[2]结构的复杂程度。2006年下降到%；石油消费结构从1991年的根据信息熵又可以引入两个相关的概念：均衡度和优势度。均衡度J表示实际熵值和最大熵值的比值，在这里均衡度可以反映各能源种类之间比例的差别，其值越大，各能源种类之间比例差别就越小，其计算公式为：（2）优势度I反映一种或者几种类型的能源支配总能源的程度，它与均衡度是相反的，计算公式为：图11991年～2006年我国能源生产和消费总量变化（3）from1991to2006inChina
资源科学1282第31卷第8期%增加到2006年的%；天然气的消费从一些学者和专家也做过有关能源消费结构影[4～8]1991年的%分别增加到%，占能源总量的比响因素的研究，综合前人的研究发现，影响一个重仍然非常小；电力消费从1991年的%增加到国家或地区能源消费结构的因素有很多，可以概2006年的%。具体变化见图2。括为自然因素和社会经济因素两个方面。自然因可以看出，我国几种常见能源的比例变化幅度素方面，一个国家或地区的能源储藏结构不会发不是很明显，仍然是以煤炭为主，但消费结构的变生变化，这在很大程度上决定着这个国家或地区化比生产结构的变化明显，逐渐向着能源多元化的的能源消费结构；社会经济方面，社会经济因素的方向发展，煤炭比例在缓慢下降，石油、天然气和电变化同样会对能源消费结构产生重要影响。本文力的比例在逐渐上升，这和我国近些年来加大了煤主要研究其社会经济影响因素，以往研究多是分炭、石油和天然气的进口是密不可分的。析了产业结构、经济发展、以及技术进步等对能源基于信息熵的能源消费结构根据统计数据，消费结构产生的影响，参照这些研究，从这三个方按照“标准煤”统一单位后，根据公式（1）、公式（2）和面选取1991年～2006年的人均GDP（B）、第二产1公式（3）对1991年～2006年我国能源消费的信息业产值比重（B）、第三产业产值比重（B）、建筑业23熵、均衡度和优势度进行计算，结果见图3。产值比重（B）、交通运输业产值比重（B）、批发零45从图3可以看出，我国能源消费信息熵从1991售业产值比重（B）、研究与实验经费比重（B）、专67年～2002年处于上升的趋势，2002年的时候达到最利申请授权数（B）、科技活动人员数量（B）等9个89大值，2003年～2006年略低于2002年，但具有代表性的因素进行影响能源消费结构的实证是变化不大，曲线比较和缓；均衡度从1991年～分析研究。采用的数据来源于《中国统计年鉴》2006年基本都处于上升趋势；优势度曲线与均衡度（1991～2006），具体见表1。曲线的走势与相反。通过以上3个指标的变化趋势影响因素的主成分分析分析发现：1991年以后我国能源消费逐渐呈现多元应用spss软件，对1991年～2006年的9个影响化，各种类型能源之间的比例差在缩小，单一能源因素做主成分分析，为了避免指标与指标间量纲和对能源消费结构的支配程度在逐渐地下降，这主要数量级的不同，先对指标数据进行标准化处理，采是由于石油消耗比例增加，煤炭消耗比例相对减用的方法为标准差标准化法，其公式为：少。但是这些变化的程度还不是很大。4能源消费结构的影响因素分析（4）影响因素的选取1996年～2006年我国能源消费结构的变化受多种因素的影响，分析其影响因素以及各影响因素其中影响程度的大小，能够为制定能源战略、政策、法规*式中X为标准化后的数值；X为原始数据。ijij等提供参考，保证我国能源安全。图21991年～2006年我国几种常见能源消费图31991年～2006年我国能源消费信息熵、结构比例的变化均衡度和优势度动态变化曲线、equilibriumconsumptionfrom1991to2006inChinadegree、advantagedegreeinenergyconsumptionfrom1991to2006
揣小伟等：基于信息熵的中国能源消费动态及其影响因素分析12832009年8月表11991年～2006年我国能源消费信息熵的影响因素变化Table1Thechangeofcorrelativefactorsaffectingshannonentropyeinenergyconsumptionfrom1991to2006inChina人均二产产三产产建筑业产交通运输业批零业产研究与实验专利申请科技活年份GDP值比重值比重值比重产值比重值比重经费比重授权量动人员844（×10）（%）（%）（%）（%）（%）（%）（×10件）（×10人）注：数据来源于《中国统计年鉴》（2001~2006）。检验结果中KMO值为，大于的一般表2影响因素的方差分解主成分提取分析表Table2Totalvarianceexplainedofrelatedingredients标准，因此比较适合因子分析。而Bartlett球度检验主成分特征值贡献率（%）累积贡献率（%）给出的相伴概率是0，小于显著性水平，也说明这9个变量适合做因子分析。对因子B~B进行主成分分析，按照主成分对应的特征值＞且累积贡献率≥80%的原则，提取了两个主成分（X、X），12表3影响因素的主成分载荷旋转矩阵它们的累积贡献率达到%，表明这两个主成Table3Therotatedcomponentmatrixofrelatedingredients分反映了原来因子信息的%，可以较好的反因子第一主成分X第二主成分X12映对能源消费结构的影响程度，见表2和表3。从因子载荷上分析，专利申请授权数（）、人均GDPB（）、科技活动人员数量（）、研究与实验经费比重B（）、第三产业产值比重B（）在第一主成分X上载荷量绝对值均大于，它们主要反映经济发展水平、科技进步对能源消费结构的影响程度，且第一主成分的特征值为、贡献率为%均大于第二主成分X，这表明经济发展水平、科技进步在对能源消费结构的影响中占主要地位。第二产业产值比重B（）、建筑业产值比重较大载荷，它们主要反映了产业结构的变化对我国2B（）、交通运输业产值比重B（）、批发能源消费结构的影响，说明产业结构对能源消费结45零售业产值比重B（）在第二主成分X上具有构的变化的作用也比较大。62
资源科学1284第31卷第8期参考文献（References）：5结论与建议结论[１]李文彦.21世纪前期我国能源战略的若干问题[J].经济地理，随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不2000，20（1）：7~12.[-断提高，我国的能源需求总量逐年上升，能源消费gystrategyearlydaysof21century[J].EconomicGeography，与能源生产之间的差值呈现出逐年扩大的趋势，能2000，20（1）：7~12.][２]耿海青，谷树忠，国冬梅.基于信息熵的城市居民家庭能源消费源的对外依赖程度在不断加大。能源消费结构的结构演变分析-以无锡市为例[J].自然资源学报，2004，19（2）：信息熵1991年～2002年基本处于上升的趋势，257~262.[GENGHaiqing，GUShuzhong，-2003年～2006年略低于2002年的最大值，但总体sesonevolutionofhouseholdenergyconsumptionstructurebased上变化不大，均衡度缓慢上升，说明近10年来我国oninformationentropy[J].JournalofNaturalResources，2004，19能源结构在逐渐向多元化、合理的方向发展，单一（2）：257~262.]能源对我国能源结构的绝对支配作用在逐渐的下[３]国家统计局.中国统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2007.[[M].降，但这种变化的幅度不大，发展比较缓慢。能源Beijing：ChinaStatisticsPress，2007.]消费结构影响因素分析表明，经济发展水平、科技[４]史丹.产业结构变动对能源消费需求的影响[J].数量经济技术进步对我国能源消费结构的变化起着主导作用，产经济研究，1999，（12）：50~52.[业结构对能源消费结构的变化的作用也至关重要。changeonenergyconsumptiondemand[J].Quantitative&建议Economics，1999，（12）：50~52.]能源消费结构单一仍然是我国面临的主要问[５]路正南.产业结构调整对中国能源消费影响的实证分析[J].数量经济技术经济研究，1999，（12）：53~55.[题，即使在煤炭占比下降时，中国却无法像美国一effectofindustrialchangeonenergyconsumptiondemand[J].样，让石油在自己的能源消费中唱主角。2006年，Quantitative&TechnicaEconomics，1999，（12）：53~55.]中国进口石油依存度已达47%，能源安全问题已经[６]史丹，张金隆.产业结构变动对能源消费的影响[J].经济理论与[9]被提升到国家战略层面考虑，所以调整和优化能经济管理，2003，（8）：30~32.[SHIDan，源结构是今后一段时期内中国能源发展的主线，是effectofindustrialchangeonenergyconsumption[J].EconomicTheoryandBusinessManagement，2003，（8）：30~32.]新时期经济社会发展的需要，是人民生活水平提高[７]刘凤朝，孙玉涛.技术创新、产业结构调整对能源消费影响的实和环境保护对清洁能源的要求。证分析[J].中国人口·资源与环境，2008，18（3）：108~113.[LIU影响我国能源消费结构的因素主要有经济发Fengzhao，，industrialchangeon展水平、科技进步以及产业结构等3个方面，为了适energyconsumption[J].Chinapopulation，Resourcesandenviron-应经济快速发展，人民生活水平提高对能源结构变ment，2008，18（3）：108~113.]化的要求，可以采取一些具体的对策来调整和优化[８]杨文培.能源发展与经济增长互动关系探讨[J].煤炭经济研究，2005，（1）：20~21.[能源结构，比如：制定优惠政策，加大资金投入，促betweenenergydevelopmentandeconomic[J].CoalEconomicRe-[10]进新能源和可再生能源的更快发展。同时，我国search，2005，（1）：20~21.]应该积极学习和引进有关技术，努力提高生物质能[９]雷仲敏.我国能源结构面临战略性调整[J].中国石油企业，2007，源在能源结构中的比重；今后要大力调整产业结（11）：18.[构，提高消耗能源少的技术密集型产业在工业中所adjustment[J].ChinaPetroleumEnterprise，2007，（11）：18.][10]邱立新，雷仲敏，周田君.中国能源结构优化的多目标决策[J].占的比重，同时大力发展第三产业，通过结构调整青岛科技大学学报（社会科学版），2006，22（3）：49~54.[QIU实现能源的节约。大力发展循环经济，尽可能提高Lixin，LEIZhongmin，-objectivedecision[11]能源利用效率；积极参与世界石油资源的开发与inenergystructureoptimizingofChina[J].JournalofQingdao合作，尽快建立石油期货市场和石油战略储备，努UniversityofScienceandTechnology（SocialSciences），2006，22力提高把握国际市场变化的能力和规避市场风险（3）：49~54.]的能力，建立多元、稳定、可靠的石油供应保障体[11]姚伟龙，邢涛.中国能源状况与发展对策分析[J].能源研究与信[12]息，2006，22（4）：187~193.[YAOWeilong，系，在开放的格局中维护我国能源安全等。
揣小伟等：基于信息熵的中国能源消费动态及其影响因素分析12852009年8月energysituationandcorrespondingstrategyofChina[J].Energy国煤炭，2007，（5）：21~24.[CHENJiabin，JIAWenlong，YINResearchandInformation，2006，22（4）：187~193.][12]陈甲斌，贾文龙，殷俐娟.能源消费结构分析及政策研究[J].中study[J].ChinaCoal，2007（5）：21~24.]TheDynamicAnalysisontheEnergyResourceinChinaBasedonShannon’sEntropyandItsCountermeasuresCHUAIXiaowei，HUANGXianjin，WANGQianqian，ZHONGTaiyang（SchoolofGeographic&OceanicScience，NanjingUniversity，Nanjing210093，China）Abstract:Theenergysourceisthebasefortheeconomicdevelopmentofacountry,theshortageofenergyaswellastheunreasonableenergystructurewilldirectlyaffecttheeconomydevelopmentandnationalsecurity,Withthefasteconomicdevelopment,acceleratingindustrializationandurbanization,upgradedindustrialstructureandconsumptionpattern,thereisoverexpansioninhighenergy-consumingproductionandlifestyle;thereforethedemandforenergyincreaselargely,,Chinahasbecomethesecondlargestenergyconsumerintheworld,,somemathematicalmethodssuchasShannon’sentropy,:1)thereisanannualincreaseinthetotalenergydemandinChinaandthegapbetweendemandandsupplyisenlarging;2)Intermofenergyconsumptionstructure,theproportionofcoalconsumptionisdecliningslowly,whiletheproportionsofpetroleum,’sentropiesofconsumptionstructureshowarisingtrendbetween1991and2002,,thechangeismildandthebalancedegreehasrisenslightly,indicatingthatthechangeinenergystructureisn’,,theoutputvalueproportionofthesecondandthirdindustry,ofthearchitectureindustry,ofthewholesaleretailtrade,theresearchandexperimentalfundsproportion,thenumberofpatentedclaimauthorization,,,measuressuchasimprovingindustrialstructure,increasingtheinvestmentinscienceandtechnology,:Shannon’sentropy;Equilibriumdegree;Degreeofdominance;Consumptionstructureofenergy;Dynamicchange;Principlecomponentanalysis
