石油资源的开发和储备

石油资源的开发与储备摘要本文运用灰色预测模型对中国未来五年的石油储量、使用量进行预测。然后再次使用灰色预测模型对我国及几个发达国家的石油储量、开采量、本国使用量等进行预测，用matlab分别做出这几个预测趋势图进行对照，对于提出的三个问题综合分析，给出以下结论。问题一：数据的搜集，我们通过《美国能源情报署》进行搜集，数据见压缩包表格。问题二：首先对问题一搜集的资料，对我国石油储量、使用量进行灰色预测，运用matlab做出原始数据序列和预测序列的曲线图，然后对关联度、相对误差、小误差概率、后验差进行模型检验，模型通过了精度检验。然后利用matlab编程对未来五年的数据进行预测，得出预测值。问题三：运用问题二做出的数学模型对我国、英国、日本所搜集的数据进行灰色预测。根据中国即将步入发达国家过程，借助发达国家数据的预测，运用matlab做出三线图，结合我国国情对三线图，分析对比做出合理的管理和开发。关键词：灰色预测；关联度；相对误差；小误差概率；后验差检验一问题重述中国是一个人口大国，对能源的需求量也很大，能源问题始终制约我国经济的发展关键因素之一，因此能源的分析和预测是一个重要问题。近年来石油资源枯竭，全球石油需求持续增长，但是由于受自然资源的限制，石油开采量已不成满足自身的需求。因此，针对严峻的石油资源开发利用形式，我们必须建立完善的石油战略。我们从《美国能源情报署》上搜集各国石油资源的部分数据（数据见压缩包），通过对数据的预测分析做出对应模型。问题要求我们结合所收集的资料，建立相应的数学模型，对我国未来五年的石油储量、使用量进行预测。结合我国发展需求，说明我国应该如何管理和开发石油资源；并指出模型的优缺点和不足。二模型假设1石油储量减少过程是平稳连续的，没有突变情况出现。2石油使用量增加过程是平稳连续的，没有突变情况出现。3国家没有制定限制石油开采政策。4国家没有出现大突变情况，如战争、自然灾害等。三模型的符号说明符号意义GM（1，1）灰色预测模型)0(X原始数据序列)1(X生成数据序列)1(Z)1(X的紧邻均值生成序列a发展灰数b内生控制灰数待估参数向量r关联度e相对误差P小误差概率C后验差检验记原始时间序列四模型建立（一）问题二的模型建立问题二要求预测我国未来五年石油储量，使用量。对这个问题我们根据少量的数据能够最好的反应资料的变化趋势，预测准确性高，故采用灰色预测得到指标的预测值。1数列预测GM（1，1）模型建立灰色系统理论的微分方程成为Gm模型，G表示gray（灰色），m表示model（模型），Gm（1，1）表示1阶的、1个变量的微分方程模型。记原始数据序列)0(X为非负序列其中，nkkx,,2,1,0)()0(生成数据序列为)1(X其中，nkixkxki,,2,1,)()(1)0()1()1(Z为)1(X的紧邻均值生成序列)(,),2(),1()1()1()1()1(nzzzZ其中，nkkxkxkZ,2,1),1(5.0)(5.0)()1()1()1(称bkazkx)()()1()0(为Gm(1,1)模型，其中a，b是需要通过建模求解的参数，若),(baa为参数列，且)()3()2()0()0()0(nxxxY，(1)(1)(1)(2)1(3)1(n)1zzBz则求微分方程bkazkx)()()1()0(的最小二乘估计系数列，满足YBBBaTT1)(ˆ称baxdtdx)1()1(为灰微分方程的bkazkx)()()1()0(白化方程，也叫影子方程。如上所述，则有（1）白化方程baxdtdx)1()1(的解或称时间响应函数为abeabxtxat))0(()(ˆ)1()1(（2）Gm(1,1)灰微分方程bkazkx)()()1()0(的时间响应序列为nkabeabxkxak,,2,1,))0(()1(ˆ)1()1(（3）取)1()0()0()1(xxnkabeabxkxak,,2,1,))1(()1(ˆ)0()1(nxxxxX00000,...,3,2,1nxxxxX11111,..,.3,2,1（4）还原值nkkxkxkx,,2,1),(ˆ)1(ˆ)1(ˆ)1()1()0(（二）问题三模型建立问题三要求我们建立模型说明我国应该如何管理和开发石油资源，我们认为未来几年中国仍将处于工业化，城镇化快速发展阶段，向发达国家发展，我们根据我国能源的储量情况，采用所查数据中和我国能源储量情况相似的发达国家的石油储备量、使用量、开采量、出口量进行灰色预测。做出各数据未来预测曲线对比，说明我国如何管理和开发石油资源。五模型求解（一）问题一的求解问题一是要我们搜集数据，我们通过查阅《美国能源情报署》,找到了2000—2010年十几个国家的石油储量、本国使用量，开采量。然而我们没有找到出口量和外汇收入，但是我们找到了各个国家的“净出口量”来完整数据（数据见压缩包）。（二）问题二模型求解由于所给附录数据中没有中国石油储备量和石油使用量相关数据，所以通过《美国能源情报署》整理出2000年—2010年中国石油储备量和石油使用量的数据，运用matlab编程对数据作灰色预测（程序见压缩包）。1石油储量模型求解中国2000—2010年十一年石油储量年份20002001200220032004石油储量（十亿桶）24242418.2518.2520052006200720082009201018.2518.2516161620.35根据石油储量数据利用matlab进行矩阵运算得出：a=0.0370b=23.526可得Gm(1,1)模型的白化方程(1)(1)0.037023.526dxxdt时间响应式为(1)(0)0.0370(0)(1)(1)ˆ(1)((1))-611.8323.526ˆˆˆ(1)(1)()akkbbxkxeeaaxkxkxk2石油使用量模型的求解中国2000—2010年十一年石油使用量年份20002001200220032004使用量（千桶）4795.7154917.885160.7155578.1116437.4842005200620072008200920106695.44377263.3287534.0827467.528539.7259330.176根据石油使用量数据利用matlab进行矩阵运算得出：a=-0.0675b=4502.5可得Gm(1,1)模型的白化方程(1)(1)0.06745502.5dxxdt其时间响应式为 0.067(1)(05)(0)(1)(1)ˆ(1)((1))ˆˆˆ(1 7153266)(1)()737akkbbxkxeeaaxkxkxk（三）问题三模型的求解基于问题二建立的模型对英国、日本和我国的石油储备量、使用量、开采量、净出口量进行灰色预测，预测结果曲线如下：石油储量预测对比曲线如下：开采量预测对比曲线如下：使用量预测对比曲线如下：净出口量预测对比曲线如下：结论：（1）经过以上四幅预测曲线图分析，我国石油储量在不断的减少，开采量在逐年增高，本国使用量增高，净出口量在减小，对于石油储量和开采量有直接的关系。（2）从图中看出，英国虽然石油储量在减少，但开采量也在减少，日本石油储量、开采量的变化基于水平。根据我国石油储量我们应该减小开采量，实现能源可持续发展。（3）对于本国使用量，英国、日本等发达国家在减小，而我国由于处于社会主义发展阶段，工业化进程快，能源消耗多，所以我国应该放慢社会发展进度，让人民生活节奏慢下来，来减少能源使用量。（4）对于净出口量，可以看出日本人进出口量接近0，可以看出日本能源消耗基本能满足自给自足。英国净出口量接近水平，保持着稳定发展。我国净出口量迅速减少，表示着我国进口量在增加，增加进口量虽然能缓解能源问题，假如石油出口国，不提供石油，那样我们该如何解决石油问题。（5）总的来说，我国应该减小能源的开采量，放慢社会发展速度，减少的能源的使用，能源的进口量也适量的减少，最主要的是放慢发展速度减少使用量才是关键。六模型精度检验与预测（一）残差检验绝对残差序列(0)(0)(0)e(k)(k)(k)xx相对残差序列(0)(0)(k)(k)(k)eqx平均误差11ˆ(q(k))nkqn(二)后验差检验原始数据的平均值、均方差计算(0)(0)11x(x(k))nkn(0)(0)211(x(k)x)1nkSn绝对残的平均值、均方差计算(0)(0)11(e(k))nken(0)(0)212(e(k))1nkeSn后验差比值计算21SC=S小误差概率计算(0)(0)1P(k)e0.6745peS(三)关联度检验(0)(0)(0)(0)1min(k)0.5max(k)1r(k)0.5max(k)nkeenee公认精度评价标准如下表:相对误差e关联度r后检验比值C小误差概率P一级0.010.900.350.95二级0.050.800.500.80三级0.100.700.650.70四级0.200.600.800.60灰色预测标准检验对照表（6.1）（1）问题二模型检验与预测1石油储量预测模型精度检验可以求得预测模型的e、C、P、r的值：e=0.0817、C=0.822、P=0.9091、r=0.8785对照上表可知模型精度良好。2未来五年石油储量预测石油储量原序列和预测序列的趋势图从趋势图可以看出来经过预测后的石油储量呈下降趋势，经预测后的后五年储量变化如下表：年份20112012201320142015储量（十亿桶）15.347214.789314.251713.733713.23453石油使用量预测模型检验可以求得预测模型的e、C、P、r的值：e=0.0259、C=0.2016、P=1、r=0.9903对照表（6.1）可知模型精度良好。4未来五年石油使用量预测石油使用量原序列和预测序列的趋势图从趋势图可以看出来经过预测后的石油使用量呈上升趋势，经预测后的后五年使用量变化如下表：年份20112012201320142015使用量（千桶）980210486112181200112839七模型推广本文模型通过对历史数据的规律进行研究，选择最能描述观察数据的规律的曲线，较好的反映了资料的变化趋势，预测准确性高。我们可以运用此模型很好的预测未来濒危物种的群体数目、地区的基础设施建设、资金投入等提供帮助，所以我们的预测模型，简便、可操作性强，可为国家和地方经济的发展提供有效服务。参考文献[1]邓聚龙，灰预测与灰决策.武汉：华中科技大学出版社，2000[2]姜启源,谢金星,叶俊.《数学模型（第三版）》，北京：高等教育出版社，2003[3]周凯、宋军全、邬学军.《数学建模竞赛入门与提高（第一版）》，杭州：浙江大学出版社，2012[4]何国华.区域物流需求预测及灰色预测模型的应用.北京:北京交通大学学报(社会科学版),第7卷第1期，2008主要网站资源及信息[1]美国能源情报署