全球管道天然气贸易节点重要性评价

邢文婷 贺向宇 袁 琳重庆工商大学管理科学与工程学院重庆 400067 四川大学商学院成都 60065

受清洁发展机制（CDM）、 《巴黎协定》以及替代能源竞争等影响，天然气作为一种相对高清洁环保的能源，正逐渐取代石油成为21世纪消费增速最快的能源，预计2022年全球天然气消费总量将超过4×1012m3［1］。在中国明确提出 “碳达峰、碳中和”目标的背景下，天然气作为我国能源改革中间枢纽，肩负着我国从高碳化石能源结构向可再生能源结构转变的重要使命。因此，我国天然气需求在短期内仍将保持稳步增长，预计2035年我国天然气需求量为 6×1011∶6.5×1011m3［2］。 受限于国内资源禀赋，我国天然气消费主要依赖于进口，对外依存度高。因全球天然气资源分布不均及供需双方的时空差异，天然气资源需在全球范围内流动，形成了全球天然气贸易复杂网络［3］。由于全球天然气储存、生产及消费区域分布极度不均衡，各国需求增长将导致全球天然气贸易网络愈加复杂，贸易活动的增加将提升天然气进口风险［4］。复杂网络本质上的非同质拓扑结构，决定了网络中各个节点的重要程度是不同的，少数拥有大量连接度的重要节点对网络的整体性能起着关键作用［5］。天然气贸易网络中重要节点国家的变化对于整个贸易网络具有巨大的影响，将会改变贸易量或流动方向，甚至会导致天然气贸易网络运作瘫痪［6］。因此，厘清天然气贸易节点国家重要性变化，将有助于我国解决天然气进口源头单一、高依赖等问题，保障我国天然气进口安全。

复杂网络理论被广泛应用于天然气贸易网络的结构特征和节点连接等方面的研究。主要集中在以下3个方面：从节点层面，相关文献依据节点度值和介数中心性等指标，分析了节点国家在天然气贸易网络中的地位和作用。刘劲松等［7，8］利用节点度值、中心性和异质性等指标，分析了全球和区域天然气贸易网络中的主要贸易节点国家，得出我国凭借进口规模的扩大，在网络中的影响力正逐渐上升的结论。从整体层面，相关文献运用网络密度、最短路径和聚类系数等指标，探讨了全球或区域天然气贸易的网络拓扑结构和贸易集群现象。全球天然气贸易网络呈现 “马太效应”，局部表现出聚集性；网络密度总体较低，液化天然气贸易网络的连接更为紧密［9，10］。此外，也有学者运用复杂网络理论对 “一带一路”等经济区域的天然气贸易网络进行分析。“一带一路”天然气贸易网络具有 “区域小世界”特征，区域内贸易紧密度呈波动上升趋势［11］。 “丝绸之路经济带”天然气贸易网络紧密度不断增加，但网络密度还较低；核心-边缘结构不稳固，不断发生重组和变更［12］。最后，学者们对全球天然气贸易网络优化、网络竞争格局和网络连接链路模拟等进行了研究和分析［13-15］。

复杂网络中节点重要性是指节点的影响力、地位或者其他因素的综合。从网络拓扑结构选取评价指标是研究这类问题常用的方法之一，常用的评价指标大多都针对某种具体问题提出，从某个角度探讨节点的重要性，都有自身的优缺点［16］。如节点度值越大表明与之相连的节点越多，体现节点在网络中的直接影响力，但具有相同度值的节点，在网络中的重要性不一定相同；介数中心性刻画出节点或连边对网络中能量流的控制能力，该指标按照最短路径定义，然而在实际网络中，能量流不一定沿着最短路径流动，而是根据实际需求进行路径选择［17］。天然气贸易网络复杂且多变，节点国家重要性与网络的整体结构和网络自身功能相关，仅用单一指标很难准确判断出节点国家重要性。因此，本文将从静态复杂网络结构特征和动态网络功能维度选取多个评价指标，构建健全的评价体系，对全球管道天然气贸易网络的节点国家重点性进行全面综合的评价，避免单一指标评价的不足。

目前，关于天然气贸易网络节点重点性的评价的问题，定量方面的研究文献较少，因此参考了较多的其它相似研究指标评价方面的文献。常用的评价方法主要有层次分析法、模糊综合评价法、两阶段数据包络分析（DEA）法、神经网络模型、模糊聚类、多目标优化模型［18-20］。然而，模糊综合评价法和层次分析法在权重确定的问题上存在人为任意性［21，22］。神经网络模型需要相当大的样本数据，易陷入局部极小点，且网络结构还需要确定［23，24］。模糊聚类在描述分类指标空间与类型空间之间的非线性关系上具有一定的困难［22］。基于此，本文构建了动态综合评价模型，采用客观赋权评价法中的 “熵值法”，利用熵值计算各指标的权重；引入 “TOWA算子”二次集结［25-27］，得到各个节点国家在整个时间段的重要性综合评价值。

综上，目前现有文献已对全球或区域天然气贸易网络的结构特征、格局及集聚性等方面进行了相关的研究，为本文研究提供了很好的借鉴。然而，基于长时间序列采用复杂网络理论对天然气贸易网络节点国家重要性评价的研究较少。本文在现有文献的基础上，构建有向加权的全球管道天然气贸易复杂网络，从静态复杂网络结构特征角度和动态网络功能维度选取多个重要性评价指标，形成节点国家重要性指标体系，运用 “熵值法”和 “时序加权平均算子（TOWA）法”建立节点国家重要性动态综合评价模型，并进行相应的实证分析。在此基础上，结合我国管道天然气进口源头及路径分析，为巩固我国管道天然气进口安全提出建议。

复杂网络包含多个节点和多条节点间连边，节点间根据一定的规则连接，连接规则的不同，会形成不同的网络。本文将管道天然气贸易国家作为节点、贸易关系作为边、贸易流向作为方向、贸易量作为权重，构建有向加权的全球管道天然气贸易复杂网络模型。记集合G＝（U，E）表示某年的有向加权的全球管道天然气贸易复杂网络。其中，U表示网络中的节点集合，表示网络中的节点总数，即当年参与管道天然气贸易的国家总数；E表示网络中的边集合，即当年国家间贸易关系的集合。记F＝｛fic｝表示当年网络中节点国家间的管道天然气贸易联系，权重fic表示当年从节点国家i到节点国家c之间的管道天然气贸易量，且i，c＝1，2，…，n。 全球管道天然气贸易关联矩阵可以表示为：

本文从静态复杂网络结构特征角度，选取度中心性、聚类系数、介数中心性和接近中心性等节点国家重要性评价指标［7，16，17］；本文从动态网络功能维度，以节点国家管道天然气贸易流动占比为指标，利用节点国家进出口贸易量的大小来评价节点国家重要程度。

1.2.1 度中心性

节点国家的度值大小，表示与之有直接贸易关系往来的国家多少。度值越大，表明与之有贸易往来的国家越多，节点国家贸易关系越复杂，节点国家重要性程度越大；反之，则越小。对于一个包含n个节点国家的网络，节点国家最大可能的度值为n-1，便于比较进行归一化处理，得到节点国家度中心性指标：

其中，DCi表示节点国家i的度中心性；ki表示节点国家i的度值；n表示节点国家总数。

1.2.2 聚类系数

聚类系数的大小，表示一个节点国家与相邻节点国家发生贸易往来的可能性大小，衡量节点间联系强度与网络紧密程度的指标。节点国家与邻近节点国家之间联系越多、联系强度越大，则聚类系数越大；反之，则越小。节点国家i的聚类系数Ci的计算公式如下：

其中，Ci表示节点国家i的聚类系数；ei表示节点国家i与邻居节点国家间的连边数；ki表示节点国家i的度值。

1.2.3 介数中心性

介数中心性大小，反映节点对网络流动的控制能力，即作为 “桥”（节点之间连通的线）的程度。介数中心性可衡量节点国家对天然气资源的控制能力。介数中心性越大，节点国家在网络中的控制力越强，重要性越大；反之，则越小。节点国家i的介数中心性BCi的计算公式如下：

其中，BCi是节点国家i的介数中心性；gcr（i）表示从节点国家c到节点国家r会经过节点国家i的最短路径条数；gcr表示从节点国家c到节点国家r的所有最短路径条数。

1.2.4 接近中心性

接近中心性表示节点到复杂网络中其他所有节点的距离平均值的倒数。接近中心性的大小，衡量节点国家距离贸易网络中心位置的远近，一定程度体现贸易发生的可能性大小。接近中心性越大，节点国家越靠近网络中心；反之，则越远离。节点国家i的接近中心性CCi的计算公式如下：

其中，CCi表示节点国家i的接近中心性；dic表示节点国家i到节点国家c的距离；n表示节点国家总数。

1.2.5 出口、进口流动占比

全球管道天然气贸易复杂网络的功能体现在天然气资源的流动。节点国家每年出口、进口量占该年份所有国家出口、进口总量的大小，反映节点国家在该年份的天然气资源流动过程中的贡献大小。所占份额越大，重要性程度越高；反之，则越低。

本文结合“熵值法”和“时序加权平均（TOWA）算子法”构建节点国家重要性动态综合评价模型，基于长时间序列数据实现节点国家重要性动态综合评价。采用 “熵值法”确定各个重要性指标在不同时刻的权重系数，运用线性加权综合模型进行第一次加权集结；利用 “时序加权平均算子法”进行第二次加权集结，突出时间影响，确定各个节点国家在整个时间段的重要性综合评价值。

1.3.1 指标无量纲化

由于评价指标量纲不同，本文采用极值法对指标数据进行无量纲化处理。

1.3.2 第一、二次加权集结

采用熵值法得到ts时刻指标xj的权重系数Vj（ts），运用线性加权综合模型求出节点国家i在ts时刻的综合评价值yi（ts）。其中，t1～t7表示2013～2019年7个不同时刻：

评价对象、评价指标和时间共同构成三维立体数据，引入TOWA算子对第一次加权集结得到的综合评价数值yi（ts）进行 “时间维度”的第二次加权集结，即：

其中，hi为节点国家i的重要性综合评价值，W＝（w1，w2，…，w7）T是时间权向量，bis是ts时刻所对应的TOWA算子对中的yi（ts）。

1.3.3 时间权向量的确定

由上述计算式（3）可知，科学地确定时间权向量W＝（w1，w2，…，wp）T将是节点国家重要性评价的关键。时间权向量W体现对不同时刻的重视程度，在求解之前，先提出时间权向量的 “熵”I和 “时间度”λ的定义式：

时间权向量的 “熵”反映在数据集结过程中权重包含信息的程度，熵值越大，所包含的信息量越小。 “时间度”λ体现了数据集结过程中对时序的重视程度，λ在［0，1］中取值，取值越小，越重视近期数据；反之，则越注重远期数据［27］。

采用数学规划模型求解时间权向量W＝（w1，w2，…，wp）T：

本文以全球管道天然气进出口国家为研究对象，数据来源于 《BP世界能源统计年鉴》。选取有关全球管道天然气进出口国家的贸易实际数据，评价2013～2019年全球管道天然气贸易复杂网络中节点国家的重要性程度。为了简化计算，本文未考虑规模小于（0.05×109m3）的贸易主体国家。

本文采用 “极值法”对指标数据进行无量纲化处理，利用 “熵值法”计算2013～2019年全球管道天然气出口、进口节点国家重要性评价指标的权重系数，分别如表1和表2所示；利用线性加权综合模型进行第一次加权集合，得到2013～2019年各个出口、进口节点国家的综合评价值，分别如表3、表4所示。本文选取λ为0.25［27］，可得到时间加权向量为W＝（0.02793，0.04291，0.06593，0.1013，0.1556，0.2391，0.3672）T；（4）利用TOWA算子对综合评价值进行第二次加权集合，最终得到节点国家的重要性综合评价值，见表5和表6。

表1 2013～2019年全球管道天然气出口节点国家重要性评价指标的熵权重 单位：%

表2 2013～2019年全球管道天然气进口节点国家重要性评价指标的熵权重 单位：%

表5 2013～2019年出口节点国家重要性动态综合评价结果

表6 2013～2019年进口节点国家重要性动态综合评价结果

关于2013～2019年全球管道天然气贸易复杂网络中出口节点国家重要性评价，从表1、表3、表5可以看出：（1）俄罗斯凭借丰富的天然气储量及地理位置与欧洲多国、部分中东国家、部分亚洲国家，建立了长期的管道天然气贸易关系。因此，俄罗斯常年占据网络核心位置，对全球管道天然气贸易复杂网络有绝对的流量控制能力；（2）荷兰、美国和英国在全球管道天然气贸易复杂网络中承担贸易流动枢纽作用。这些国家进口大量管道天然气，将超过本国需求部分出口给邻居节点国家，获取中转贸易利润，推动管道天然气贸易流动。受制于运输条件和成本，中转范围一般保持在地理位置较近的节点国家，不会出现大范围中转情况；（3）哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和挪威的天然气产量丰富，出口对象国家都较为稳定，位于全球管道天然气贸易复杂网络中心附近；（4）阿尔及利亚、土库曼斯坦和加拿大管道天然气出口关系较固定，出口量较大，重要性动态综合评价结果相对较低；（5）伊朗、阿塞拜疆、缅甸和印度尼西亚等国家的天然气出口量较少、出口关系较单一，排名靠后。

关于在2013～2019年全球管道天然气贸易复杂网络中的进口节点国家重要评价，由表2、表4、表6可知： （1）俄罗斯、哈萨克斯坦和伊朗虽进口量不多，但它们在进口网络中具有枢纽作用、邻居节点国家影响力较大或位于贸易网络中心，因而综合排名较高；（2）荷兰、美国和英国虽进口量较多，但进口的大部分被用于二次贸易，让天然气流动到周围邻居节点国家，在贸易网络中作为枢纽节点，贸易往来关系较为复杂；（3）德国、法国、比利时、墨西哥、意大利和中国进口目的是为了解决国家自身天然气需求问题，在进口端占据绝对地位。此外，通过管道进口天然气的国家数量有所下降。

相较于亚太、中东等地区，欧洲、美洲等地区的天然气资源更加丰富，区域间管道天然气贸易往来密切且复杂，存在多个中转枢纽国家，市场化程度更高，贸易流转频率更加快速，天然气价格由市场决定。中东、亚洲等地区基本没有小区域范围内的管道天然气贸易，管道天然气贸易基本是被迫进行，天然气价格无法由市场决定，多数由出口节点国家决定。非洲地区虽然天然气市场化不高，但是地理位置优越，天然气储备资源丰富。全球管道天然气贸易流向，大范围是从欧洲、美洲地区向亚洲、中东地区流动，贸易往来关系较为单一，贸易关系较稳定，贸易量有所下降。小范围则是欧洲、美洲内部国家间的流动，贸易往来关系复杂，贸易关系变化较大，贸易量变化不大。

由全球管道天然气贸易复杂网络分析及2013～2019年节点国家重要性动态综合评价结果可知，俄罗斯和中亚三国在全球管道天然气贸易复杂网络中占据重要地位，对管道天然气贸易流动有绝对控制力，丰富的天然气储备资源，能够满足我国对管道天然气的需求；缅甸虽然在全球管道天然气贸易网络中重要性地位不强，但我国仍有必要长期与缅甸保持管道天然气进出口关系，原因在于：缅甸天然气储备丰富、地理位置优越；另外，与缅甸保持天然气进出口关系可以降低我国西南地区天然气进口对马六甲海峡的过度依赖。我国2013～2019年管道天然气进口总量的76.74%源于土库曼斯坦，其余部分则来源于哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦及缅甸。由此可见，我国管道天然气进口过度依赖土库曼斯坦。随着中俄管道的正常运作，从不同国家进口管道天然气的比例应该会有所调整，有助于巩固我国管道天然气供应安全。此外，由于中俄管道的开通，我国增加了与中亚三国及缅甸的谈判资本，可考虑进行双边或多边谈判，构建合理的管道天然气进口定价机制。

目前，中国管道天然气进口路径包括中亚、中缅及中俄天然气管道。中亚天然气管道A、B、C、D线的构建，将我国和土库曼斯坦、哈萨克斯坦及乌兹别克斯坦联系起来，完善了中国西北方向管道天然气进口通道。中亚天然气管道可继续向南建设，与阿塞拜疆和里海地区相连接。中缅天然气管道的启用，标志着中国西南方向管道天然气进口通道的完善，缓解了中国对马六甲海峡的依赖，降低了我国海上进口天然气的风险。利用中缅天然气管道，可继续开拓 “巴西-印度尼西亚-伊朗”及中巴经济走廊的管道天然气贸易，也可以考虑从中东、非洲地区进口天然气，走中缅管道进入中国。中俄天然气管道的修建，打通了中国东北方向管道天然气进口路径，进一步完善了中国管道天然气进口路径多元化。

（1）从出口节点国家来看，俄罗斯丰富的天然气储备、较为完善的基础设施建设和长期稳固的天然气贸易来往关系，在贸易网络中占据绝对的核心地位。哈萨克斯坦、挪威和乌兹别克斯坦的天然气资源丰富，出口关系较固定，位于贸易网络中心且邻居节点国家的作用较强，重要性动态综合评价结果相对较高。荷兰、美国和英国作为枢纽节点国家，虽然自身天然气储备不强，但通过进口大量天然气，满足自身能源需求之后，进行天然气出口贸易，推动管道天然气贸易流转，重要性动态综合评价结果相对略低。阿尔及利亚、土库曼斯坦和加拿大出口贸易往来单一且固定，出口量较大，重要性动态综合评价结果相对较低。阿塞拜疆、伊朗、缅甸和印度尼西亚出口关系较少，出口量较少，排名靠后。

（2）从进口节点国家来看，俄罗斯、哈萨克斯坦及伊朗虽然进口量不大，但是因网络中的作用、邻居节点影响力较大或位于网络中心位置，而重要性动态综合评价相对较高。荷兰、美国及英国进口量大，重要性动态综合评价相对较高，大部分进口是为了进行天然气二次贸易，作为中转节点推动管道天然气流转。德国、法国、意大利、比利时、墨西哥及中国在进口中占据较大比例，目的较为单纯，主要是为了满足能源需求，在管道天然气进口端占据重要地位。

（3）管道天然气贸易区域化情况：大范围是中欧、美洲地区向亚洲、中东地区流动，贸易往来关系较为稳定，随着液化天然气运输方式的发展，贸易量有所下降；小范围则是欧洲、美洲内部国家之间，贸易往来关系复杂，贸易双方变化频繁，但是贸易量变化不大。

（4）由2013～2019年进口节点国家重要性动态综合评价结果可知，我国在管道天然气进口端占据重要地位，即我国天然气对外依存度较高。我国已基本实现管道天然气进口多元化。

对于我国而言，在 “碳达峰、碳中和”目标下天然气发展空间可能被压缩，但短期内天然气仍不可或缺。由于我国液化天然气进口源和进口路径较为单一，且严重依赖马六甲海峡。为了保障我国天然气供给及运输安全，我国应积极完善管道天然气进口多元化格局。基于研究结论，本文提出建议如下：

（1）我国可以加强和中亚三国、俄罗斯及缅甸的管道天然气贸易往来，尽可能扩大哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和俄罗斯的管道天然气进口量；利用中缅管道，向南扩展到印度尼西亚和伊朗等国；利用中亚管道，向西延伸到阿塞拜疆和里海地区。同时我国应该把握 “一带一路”发展契机，加强与沿线国家（地区）的天然气贸易合作；不断提升合作水平、创新合作模式，优化我国管道天然气进口多元化，保障我国管道天然气进口安全。

（2）我国可以积极开辟北极航道、参与北极区域的天然气项目，打通从美洲、欧洲获取天然气资源的最优路径。为了长期、持续地获取国际天然气资源，应继续完善西北、东北及西南方向的管道天然气进口通道建设，积极寻找新的进口源头和路径，避免对单一进口源的过分依赖。