王雙燕，高曉龍

（華北水利水電學(xué)院，鄭州450011）

基于主成分分析的河南省能源安全評(píng)價(jià)研究

王雙燕，高曉龍

（華北水利水電學(xué)院，鄭州450011）

從經(jīng)濟(jì)能源安全、社會(huì)能源安全、環(huán)境能源安全、能源供給安全四個(gè)方面考慮，建立了河南省能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.利用主成分分析方法，對(duì)河南省2005－2010年的能源系統(tǒng)安全狀況進(jìn)行分析.結(jié)果表明，人口與環(huán)境因素是影響河南省能源安全的主要因素.

能源安全；主成分分析；SPSS

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，作為一種特殊的生產(chǎn)要素，能源在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越顯著的作用.然而，區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、人口的不斷增加、環(huán)境的急劇惡化又反過來影響著區(qū)域內(nèi)的能源安全.因此，建立一套合理的能源安全評(píng)價(jià)體系來評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)能源，顯得尤為重要.目前，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)事業(yè)深入發(fā)展，河南省必須解決經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快所帶來的能源安全問題.本文從河南省能源現(xiàn)狀出發(fā)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分析，提出了強(qiáng)化河南省能源安全的措施建議.

1 指標(biāo)體系的建立

1.1 河南省能源現(xiàn)狀

近年來，河南省能源建設(shè)有了很大的發(fā)展，不僅大大促進(jìn)了河南省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且在全國(guó)能源供給中占有舉足輕重的地位.然而，近幾年由于受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)因素的影響，河南省出現(xiàn)了能源短缺問題，嚴(yán)重影響了社會(huì)生產(chǎn)和人們的日常生活，能源安全問題凸顯.目前，河南省的能源狀況大致表現(xiàn)為：①能源供需結(jié)構(gòu)矛盾依然突出，亟待緩解.煤炭供需平衡受價(jià)格影響時(shí)常波動(dòng)，天然氣供應(yīng)日趨緊張，電源結(jié)構(gòu)不合理，電網(wǎng)建設(shè)相對(duì)滯后；②能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)單一.煤炭在河南省一次能源消費(fèi)中占主體地位，石油、天然氣和水電等清潔能源比重偏小，可再生能源發(fā)展緩慢；③資源和環(huán)境制約日益加大.能源發(fā)展面臨的資源制約越來越大，資源可持續(xù)能力不強(qiáng).以煤為主的能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)受環(huán)境制約不斷增大，煤炭生產(chǎn)引起的地表沉陷、瓦斯和粉塵排放等對(duì)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，煤炭燃燒產(chǎn)生的二氧化硫和溫室氣體排放量逐年增加，改善生態(tài)環(huán)境的壓力增大.

1.2 能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

能源安全不僅指能源供應(yīng)安全（包括基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的所有能源供應(yīng)鏈安全），并且擴(kuò)展到經(jīng)濟(jì)安全、社會(huì)安全和環(huán)境安全方面［1］.河南省能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立在河南省能源供給和消費(fèi)狀況以及能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境相互影響的基礎(chǔ)上.從河南省的能源現(xiàn)狀出發(fā)，從經(jīng)濟(jì)能源安全、社會(huì)能源安全、環(huán)境能源安全、能源供給安全四個(gè)方面考慮，建立河南省能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

（1）經(jīng)濟(jì)能源安全.當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)是建立在化石燃料基礎(chǔ)上的能源經(jīng)濟(jì)，若沒有了強(qiáng)有力的能源供給，經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展是不可能實(shí)現(xiàn)的.反映一個(gè)地區(qū)能源與經(jīng)濟(jì)是否處于協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)最直接的指標(biāo)，就是該地區(qū)單位GDP能耗以及能源消費(fèi)彈性系數(shù).

（2）社會(huì)能源安全.人是社會(huì)的組成部分，是社會(huì)能源的消費(fèi)主體.人口數(shù)量的增長(zhǎng)、人均生活水平的提高、新能源和可再生能源的消費(fèi)行為等都會(huì)對(duì)社會(huì)能源安全產(chǎn)生明顯影響.

（3）環(huán)境能源安全.能源在其生產(chǎn)和消費(fèi)過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生污染物，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，影響能源經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.要保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展，必須重視能源安全和環(huán)境保護(hù)問題.把能源工業(yè)三廢排放比作為環(huán)境能源安全狀況的指標(biāo)，能夠反映能源利用對(duì)環(huán)境的影響.

（4）能源供給安全.充足的能源供應(yīng)是能源安全的根本.能源供給首先考慮的是能源供給的自給程度.一個(gè)地區(qū)自身能源越豐富，越有利于保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也越有利于能源安全.此外，對(duì)省外的依存程度也是反映地區(qū)能源安全的重要指標(biāo)［2］.

根據(jù)河南省能源發(fā)展影響因素分析，結(jié)合河南省2005－2010年能源系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性，構(gòu)建了河南省能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系總共包括4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和10個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如表1所示.

表1 河南省能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 主成分分析模型的建立與評(píng)價(jià)

2.1 主成分分析

（1）指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化.為了對(duì)變量進(jìn)行比較，并消除觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)和量綱差別所造成的影響，需要對(duì)樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變量均值為0、方差為1.計(jì)算公式如下：

其中：xij表示第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；、Sj分別表示第j個(gè)指標(biāo)的樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)矩陣X.

（2）進(jìn)行指標(biāo)之間的相關(guān)性判定，計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣.根據(jù)公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后指標(biāo)i和j之間的相關(guān)系數(shù)，得到的系數(shù)矩陣表示各測(cè)評(píng)指標(biāo)之間的相關(guān)情況.

（3）計(jì)算特征值λ和累積方差貢獻(xiàn)率.

（4）確定主成分的個(gè)數(shù)k和主成分Fi的表達(dá)式.按照主成分個(gè)數(shù)的提取原則，一般提取對(duì)應(yīng)的特征值大于1的前k個(gè)主成分.特征值在某種程度上可以被看成表示主成分影響力度大小的指標(biāo).如果特征值小于1，說明主成分的解釋力度不如直接引入一個(gè)原變量的平均值解釋力度大，因此可以用特征值大于1作為提取標(biāo)準(zhǔn)［3］.主成分變量確定后，就可以計(jì)算k個(gè)主成分的表達(dá)式：

（5）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，結(jié)合各主成分的線性組合表達(dá)式，得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)，即公式如下：

計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值，然后對(duì)得分進(jìn)行排序，即可以根據(jù)F值來比較判斷能源安全狀況的變化.

2.2 模型的建立與評(píng)價(jià)

2.2.1 KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn)

KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn)主要用于主成分分析的適應(yīng)性檢驗(yàn).KMO檢驗(yàn)變量之間的偏相關(guān)性是否較小，而Bartlett球形檢驗(yàn)是判斷相關(guān)矩陣是否為單位矩陣.在主成分分析中，凱澤給出了常用的KMO度量標(biāo)準(zhǔn)：0.9表示非常適合；0.8表示合適；0.7表示一般；0.6表示不太合適；0.5表示極不合適［4］.這里對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn)，適用于作主成分分析.

2.2.2 提取主成分

通過SPSS軟件，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后求出相關(guān)矩陣（如表2所示），并求出各成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（如表3所示）.

表2 標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)

表3 總方差解釋表

從表3可知，特征值大于1的有2個(gè)主成分，因此提取2個(gè)主成分變量，并把這2個(gè)主成分變量分別命名為F1、F2.

2.2.3 確定主成分表達(dá)式

對(duì)以上提取出的2個(gè)主成分變量F1和F2進(jìn)行SPSS分析，得到成分矩陣，如表4所示.

表4 成分矩陣

從表4可知：第一主成分的主要指標(biāo)是人均能耗，這些指標(biāo)主要指向能源消耗的社會(huì)指標(biāo)；第二主成分的主要指標(biāo)是能源工業(yè)廢水排放比、工業(yè)廢氣排放比和固體廢棄物排放比，這些指標(biāo)主要指向能源消耗的環(huán)境指標(biāo).

用表4中成分矩陣的數(shù)據(jù)除以對(duì)應(yīng)主成分的特征值的平方根，就得到主成分中對(duì)應(yīng)每個(gè)指標(biāo)的系數(shù)，本文使用SPSS軟件進(jìn)行系數(shù)的確定.可以將F1和F2這2個(gè)主成分表示成10個(gè)變量的線性組合，表達(dá)式如下：

2.2.4 綜合得分的計(jì)算

以主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，可以列出綜合積分的函數(shù)表達(dá)式：F＝0.658 9F1＋0.187 5F2，計(jì)算結(jié)果如表5所示.

表5 綜合得分

從表5可以看出：第一主成分呈上升趨勢(shì)，說明人口因素對(duì)能源安全的影響越來越大；第二主成分呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，2007年之前呈上升趨勢(shì)，之后呈下降趨勢(shì)，說明環(huán)境變化對(duì)能源安全系統(tǒng)的影響經(jīng)歷了先增大后減小的變化；就綜合評(píng)價(jià)來看，總體評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說明研究時(shí)段內(nèi)能源安全受各種因素的影響越來越明顯，能源安全總體狀況在下降.

3 結(jié) 語(yǔ)

能源安全對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定起著重要作用.河南省作為全國(guó)的人口大省，人均能耗不斷增加，人的因素成為影響河南省能源安全的主要因素.環(huán)境因素是影響河南省能源安全的次要因素，但是自2007年以后，環(huán)境因素的影響有逐漸變小的趨勢(shì)，說明自“十一五”規(guī)劃提出節(jié)能減排后，節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)能源安全起到了較大的作用.此外，隨著中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)因素對(duì)能源安全的影響會(huì)越來越大，河南省能源安全將會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn).鑒于此，主要從能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和使用的安全性兩方面，提出以下保障河南省能源安全的建議.

（1）提倡全民節(jié)能減排、低碳生活.人均耗能的增加與人口的增加對(duì)河南省能源安全造成很大的壓力，提倡全民節(jié)能減排、低碳生活，不僅能夠緩解人均耗能增加，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的需要.

（2）積極開發(fā)新能源和可再生能源.新能源和可再生資源的使用可以改善區(qū)域內(nèi)能源結(jié)構(gòu)，減少外部能源危機(jī)的輸入，還可以減少環(huán)境污染，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)和諧的必然選擇.

（3）提高能源的使用效率.提高能源的使用效率是實(shí)現(xiàn)河南省能源安全的重要突破口.河南省各地區(qū)要堅(jiān)持以提高能源的使用效率為核心，以轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和加快技術(shù)進(jìn)步為根本，構(gòu)建資源節(jié)約型的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，同時(shí)鼓勵(lì)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)和推廣.

［1］ 何瓊.中國(guó)能源安全問題探討及對(duì)策研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：52－57.

［2］ 王雪珍.基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的上海能源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［D］.上海：上海大學(xué)，2008.

［3］ 張文霖.主成分分析在SPSS中的操作應(yīng)用［J］.市場(chǎng)研究，2005（12）：31－34.

［4］ 余建英.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與SPSS應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

Study on the Evaluation of Henan’s Energy Security Based on PCA

WANG Shuang－yan，GIAO Xiao－long
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011，China）

With the development of economy and the advance of technology，energy as a special production factors play a more and more remarkable role in the social economy development，however the rapid development of economy has also brought the energy demand zooming，energy security has increasingly become the focus of all parties.Considering of four respects of the economic energy security，population energy security，environmental energy security，energy supply security，the paper establishes energy security evaluation index system of Henan province，using the PCA analyse energy system security situation of Henan province among 2005and 2010.

energy security；PCA；SPSS

F206

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2011.06.005

1671－6906（2011）06－0022－04

2011－11－28

河南省政府決策研究招標(biāo)項(xiàng)目（2011B444）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（1121002210354）

王雙燕（1987－），女，河南洛陽(yáng)人，碩士生.