基于开放复杂巨系统理论的能源安全及预警研究

张 强

（西北师范大学数学与信息科学学院，甘肃 兰州 730070）

基于开放复杂巨系统理论的能源安全及预警研究

张 强

（西北师范大学数学与信息科学学院，甘肃 兰州 730070）

基于复杂系统理论和方法，给出能源安全的科学定义和内涵解析，提出以开放复杂巨系统理论研究能源安全问题的研究视角；建立了包括能源供给者、能源消费者、经济环境影响、社会环境影响、生态环境影响和安全调控等子系统的能源安全开放复杂巨系统，并对系统开放性、复杂性、层次性等特性进行分析；最后，利用综合集成复杂系统问题研究方法，构建了能源安全预警系统，并详细给出了系统的设计和实现方法。为国家能源安全问题的认识、分析和解决提供了理论框架和研究方法。

复杂巨系统；能源安全；综合集成；预警

1 引言

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，也是工业化文明得以进步的主要动力来源。有效地生产和使用能源，保证经济的可持续发展和人类生存环境的不断改善，是目前世界各国决策者和研究者共同关心的热点问题。

1973年第一次能源危机后，自Willrich Mason在其著作《Energy And World Politics》（1975）提出能源安全对国家安全的重要性［1］后，PILOT 模型、BESON模型、EDSON模型和MARKAL模型等大型能源系统模型和经济能源模型相继提出。在具体实践中，美国、日本等国家建立了能源信息监测和分析机构。由于涉及到国家安全，国家能源安全预警的具体研究成果直接公开的较少。我国对能源问题的研究相对较晚，主要集中在能源要素（石油、煤炭等）和能源安全战略研究上。葛家理、吴文盛、张华林、何贤杰、李凌峰等从不同角度对国家石油安全进行了研究，郭小哲、张宏民、迟春洁、刘强、李继尊［2］等分别对能源安全概念、能源安全预警指标、预警模型、能源安全战略等方面进行了大量研究。本文基于开放复杂巨系统的理论和方法，对能源安全、能源安全预警进行了系统分析，利用综合集成的复杂问题研究方法，探讨国家能源安全预警体系和预警方法。试图为国家能源安全问题的研究构建一个系统的理论体系框架，探索能源安全问题研究的新思路和新方法。

2 能源安全及其内涵分析

2.1 能源安全的提出

能源安全这一概念首先是由西方发达工业国提出的。其背景是20世纪60、70年代，西方国家能源结构的改变导致对中东石油的严重依赖，阿拉伯国家将石油作为政治武器，对西方一些国家实行针对性的禁运，造成西方经济的严重衰退。能源安全问题引起西方发达工业国的重视，并被提升到国家安全的层面。1974年国际能源署（IEA）成立后，正式提出了以稳定原油供应和价格为核心的国家能源安全的概念。1997年《京都议定书》的签署，标志着世界各国开始考虑赋予能源安全以环境保护的内涵，也就是能源的消费和使用不应对人类自身生存与发展的生态环境构成大的威胁［3］。随着能源需求的迅猛增长和能源市场的剧烈波动，国际能源竞争日趋激烈，能源安全再度成为国际社会热门话题。

2.2 能源安全的概念及内涵

目前能源安全没有一个明确的界定和相对公认的概念。国内较早提出能源安全概念的张雷认为，国家能源安全是由两部分组成：第一，能源供应的稳定性（经济安全性），指满足国家生存与发展正常需求的能源供应保障的稳定程度。第二，能源使用的安全性，指能源消费及使用不应对人类自身的生存与发展环境构成任何威胁［4］。吕致文认为，能源安全指一国拥有主权或实际可控制、实际可获得的能源资源，从数量上和质量上能够保障该国经济在一定时间内的需要和参与国际竞争的需要以及可持续发展的需要［5］。李继尊认为，能源安全是指一个国家或地区可以足量、经济、稳定地从国内外获取能源和清洁、高效地使用能源，保障经济社会平稳健康可持续发展的能力［2］。房树琼认为能源安全是从国家利益的高度保障国民经济和社会和谐发展，以及人民正常生活所需的能源免受威胁的状态和能力［6］。以上能源安全概念的表达和内涵基本上是一致的，但都没有准确地揭示出“安全”的科学内涵和能源的系统特性。

能源安全：“是指一个国家或地区所拥有的可支配能源资源，能够持续稳定的供应和清洁高效的利用，以保障国民经济持续稳定的发展和社会不断进步的需要，使能源系统处于健康运行的状态。”其本质是能源的开发利用不对人类社会进步和经济发展造成威胁，其主要内涵包括：①能源安全反映的是一种状态，是能源系统完整、稳定、健康运行的状态，其依附的主体是能源系统，其核心是能源供给能够满足社会经济发展的需求；②一个国家或地区拥有的可支配能源，是指可供本地区使用的所有能源；③能源的利用既要满足社会经济发展的供应需求，又要保证能源的使用不对人类自身的生存和发展环境造成威胁，能源安全是能源供应安全和能源使用安全的有机统一。

3 复杂巨系统视角下的能源安全问题

能源安全指能源系统运行的健康状态，是能源资源、社会经济、环境之间相互作用结果的反映。能源安全系统是一个开放的复杂巨系统［7］，系统结构如图2所示。

3.1 能源安全系统的开放性

国家能源安全系统是一个开放系统［8］，它与外界不断地发生着物质能量和信息的交换。能源安全与政治安全、经济安全、国防安全都有很强的关联度，同时能源安全的维系需要交通运输、环境保护、城乡建设、对外经贸等体系的多方位支撑。

3.2 能源安全系统的复杂性

能源安全系统由自然资源、经济、生态、社会等多个方面的要素交错复杂的组成，其复杂性突出表现在关系多，既有内部的关系，也有内外沟通的关系；既有力学的关系，也有非力学的关系；既有线形的关系，也有非线形的关系；既有物理型的关系，也有逻辑型的关系；既有单向的关系，也有多向的关系；既有稳定的关系，也有不稳定的关系；既有确定的关系，也有不确定的关系；既有可解的关系，也有不可解的关系。

3.3 能源安全系统的层次性

根据能源类型，能源安全系统可分为石油安全、煤安全、天然气安全、电力能源安全、新能源安全；根据能源开发利用过程，可分为能源储备安全、能源生产安全、能源运输安全、能源贸易安全、能源环境安全等；从能源安全警源的产生原因及生成机制来看，可以分为自然警源（能源储量）、外生警源（国际油价）、内生警源（生产物质条件、市场条件）。能源安全系统按照不同的视角，可以分解成许多子系统，这些子系统通过综合集成形成国家资源安全系统。对于每个子系统，既不是单指经济、社会，也不是单指自然资源，而是指“能源-社会-经济”复合系统的安全问题。

4 基于综合集成的能源安全系统预警

国家能源安全系统是一个开放的复杂巨系统，解决开放复杂巨系统问题目前唯一有效的办法，就是使用从定性到定量的综合集成方法［9］。其实质是把专家群体、数据信息体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人机结合系统，充分发挥系统的综合优势、整体优势和智能优势，从多方面的定性认识上升到定量认识［10］。

能源安全预警，是在能源系统运行过程中，采用科学的方法和模型对反映能源系统活动的数据资料进行分析，对能源系统的发展变化情况进行预测，以便能源在对经济系统发生危害或威胁之前发出警报，国家能源战略决策者采用适当调控措施，把能源风险扼杀在萌芽状态的一种机制。能源安全预警的目的在于揭示能源不安全因素形成的早期征兆，辨识安全水平，并以此做出判断发出警示，为采取能源安全预防和控制对策提出决策依据。

4.1 基于综合集成的能源安全预警研究方法

能源安全预警系统研究的基本思路是，在信息不对称和不确定环境下，将能源系统中存在的各种风险因素和危机现象的特征与其活动规律作为研究对象，利用从定性到定量的综合集成法的方法，探讨能源系统安全及其预警原理和方法，构建能监测、预防和摆脱危机的预警方法，最终为国家能源管理决策提供理论指导和决策支持的系统。基于综合集成法的国家能源安全预警研究方法如图3所示。

4.2 能源安全预警系统的构建

按照美国学者A.D.Hall于1969年提出的系统工程的三维结构思维方法，能源安全预警包括逻辑维、时间维、知识维三个维度。其中逻辑维是能源安全预警时遵循的一般程序，包括资料收集、信息整理、建立系统模型、系统诊断分析、预警警戒线的确定、预警发布、预警调控。时间维表示能源安全预警在时间上的顺序，具体包括明确警义、寻找警源、分析警兆、预警警度、排除警患。知识维是指完成能源预警各阶段、各步骤所需要的各种专业知识和技术，主要包括系统科学理论、能源经济理论、环境科学理论、自然资源管理理论、复杂科学研究方法、智能计算、数值模拟等，并强调不同学科交叉综合应用。在利用系统工程方法进行能源安全预警时，强调能源系统和整个预警过程的整体性，追求的是一种总体最优的预警调控方案及结果。按照能源安全预警的逻辑维度分析，能源安全预警系统工作流程如图4所示。

（1）能源安全诊断：对能源安全预警对象的现状进行分析，发现存在的主要能源安全问题，并分析造成能源安全风险的主要因素。

（2）能源安全预警信息：能源安全预警信息系统的是指从统计年鉴、社会调查等渠道收集、获取能源安全基础资料信息、预测信息和评价数据，并对信息进行预处理，建立一个预警信息搜集的固定数据库，准确掌握可能发生的危险。

（3）能源安全预警分析：对所采集到的预警信息，利用相关的预警方法，进行预警信息分析和综合判断，确定危险的类型、时空范围和程度，为采取适宜的控制策略提供科学的依据。

（4）能源安全警情发布：能源安全预警采用预警色来表示，如红色预警、橙色预警、黄色预警和绿色预警，红色预警是指会导致非常严重后果的各种不安全状态，绿色预警是产生后果较轻的预警。

（5）能源安全调控：根据不同的预警等级，及时制定和采取相应的控制措施，采取一种或多种的控制手段，将能源系统调控到安全状态。

（6）能源安全预警反馈：对已采取调控措施的预警信息进行跟踪、检视，并将结果作为一类信息反馈至预警信息采集子系统，进入新一轮循环，直至该预警信息进入相对稳定状态或判定为“安全状态”。

4.3 能源安全预警系统的实现

能源安全预警系统实现主要是预警指标体系的建立、预警方法的选择和预警界限的确定。

（1）能源安全预警指标体系的建立。

通过对能源现状分析和影响能源安全的因素分析，在参考经济系统预警指标的基础上，结合能源系统自身的特性，采用实体-联系概念模型［11］得到能源安全预警初始指标，并利用粗糙集属性约简的方法进行指标约简，得到精简的能源安全预警指标体系。能源安全预警指标体系分能源品种进行建立，主要包括煤炭子系统，石油天然气子系统、电力子系统、新能源子系统、社会经济子系统等五个子系统组成，每个子系统从供需安全、生产安全、经济安全、社会安全和生态环境安全五个方面的影响因素进行分析。这样构成了5个子系统、5个构成要素、共48个具体指标的能源安全预警指标体系，具体指标体系略。

（2）能源安全预警方法和预警界限的确定。

能源安全预警是经济预警的一种，其方法可以借鉴经济预警的方法。目前，经济预警方法主要有景气循环法、综合模拟监测预警法和状态空间法。本研究采用状态空间法，并结合能源安全预警的不确定性的特性进行系统分析。

能源安全预警界限的确定有多种途径，临界值可以取国际平均水平值，可以通过专家法取得，可以通过曾经发生过的风险因素影响程度的统计值来确定。本研究预警界限采用数据统计与专家调查相结合的方法确定。

（3）实例分析。

利用上述指标体系和预警方法，对中国2007年能源安全进行预警分析，预警结果显示，2007年中国能源安全处于关注状态并向危险状态发展，预警信号为黄色。其中煤炭子系统处于安全状态，预警信号为绿色；石油天然气子系统处于危险状态，预警信号为红色；电力子系统处于安全状态，预警信号为绿色；新能源子系统处于危险状态，预警信号为红色；社会经济系统处于危险状态，预警信号为红色。通过对2007年中国能源安全预警分析，可以看出，本研究建立的预警指标体系和研究方法基本上反映了实际情况。为能源安全预警模型和方法应用研究奠定了基础。

5 结语

伴随金融危机恐慌心理的蔓延，影响金融危机的因素扩大。能源安全，作为世界各国政府密切关注及深入研究的课题亦被提上议事日程，世界各国从保护国家安全角度，制定和调整本国的能源战略。本文以复杂巨系统理论及其方法论为指导，对能源安全问题进行了系统研究，并给出了基于综合集成的能源安全预警方法。从复杂系统科学的角度，借鉴相关领域的预警理论和方法，为国家能源安全预警研究提供了一个理论体系框架和实现方法。

［1］Willrich Mason.Energy And World Politics[M].New York，Free Press，1975.

［2］李继尊.中国能源预警模型及其预警指数的创建［J］.中国石油大学学报，2007，31（6）:161-166.

［3］宋杰鲲，张在旭，李继尊.我国能源安全状况分析 ［J］.工业技术经济，2008，27（4）:9-13.

［4］张雷.中国能源安全问题探讨［J］.中国软科学，2000，11（4）:5-10.

［5］吕致文.我国能源安全问题的结构性分析［J］.宏观经济管理，2005，（9）:22-26.

［6］房树琼，杨保安等.复杂适应系统视角下的国家能源安全概念内涵及研究范式[J].科技进步与对策.2008，25（12）：154-157.

［7］Shu Guangfu.Researches on macro-economic system model with changeable structure，changeable composite element，uncertainty and its complexity[A].Gu Jifa ed.Systems Engineering，Systems Science and Complexity Research[C].Hemel Hempstead（united kingdom）:Research Information Ltd，2000.34-39.

［8］Warfield J.N..Five schools of thought about complexity:implications for design and process science ［A］.Proceedings of the Second World Conference on Integrated Design and Process Technology［C］.1996，2:1-6.

［9］苗东升.系统科学精要［M］，北京:中国人民大学出版社，2006，6.226-231.

［10］卢明森.开放的复杂巨系统概念的形成［J］.中国工程科学，2004，6（5）:17-23.

［11］Chen PPS.The entity-relationship model-toward a unified view of data［J］.ACM Trans.on Database Systems，1976，1（1）:9-36.

（责任编辑 胡琼静）

National Energy Security Research based on Complex Giant System

Zhang Qiang
（College of Mathematics and Information Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070,China）

Based on theories and methods of complex system，the concept of energy security is defined，with its connotation analyzed and energy compound system made as its research object.Then the open giant complex system of energy security is constructed，including 6 subsystems：energy supplier，energy consumer，economic environment，social environment，ecological environment and energy security regulation，and features of the system such as openness，complexity and hierarchy are elaborated.Finally，based on research methods of meta-synthesis complex system，the early warning system of energy security is designed in detail and its implementation techniques are offered as well.With the above efforts，a set of theories and methods are recognized，to analyze and resolve problems of national energy security.

complex giant system;energy security;meta-synthesis method;early-warning

TK01

A

美国能源基金会-中国可持续能源项目（G-0810-10482），中国环境科学研究院环境与经济学科能力建设项目（GYG1270802），国家林业局林业软科学研究项目（2008-R05）。

2010-07-16

张强（1976-），男，甘肃庆阳人，讲师，博士研究生；研究方向：能源安全预警、复杂智能决策。