中国能源产业网络结构特征分析

第29卷第8期2015年8月干旱区资源与环境

Journal of Arid Land Ｒesourcesand Environment

doi ：10．13448/j．cnki．jalre．2015．281

*

Vol．29No．8

Aug．2015

文章编号：1003－7578（2015）08－196－07

中国能源产业网络结构特征分析

姜巍，高卫东，熊天琦

（济南大学资源与环境学院，济南250002）

提要：以2007年中国投入产出表为基础，运用威弗综合指数法构建了中国产业部门间联系网络，并对

以煤炭开采和洗选业等为主的5个主要能源产业的网络特征进行分析。结果发现：1）相对于一次能源生产部门，二次能源生产部门对国民经济的影响范围和影响力都更广泛和强烈，但一次能源生产部门产业节点间网络密度大、资源流通效率较高；2）各能源产业本身也是高耗能产业，不仅对自身有较强的依赖性，各能源产业之间也存在很强依赖性；3）产业网络效益的提升是所有节点共同作用的结果，能源产业的发展需要重视基础性工业及第三产业的配套发展。

关键词：能源产业；复杂网络；结构特征中图分类号：F206

文献标识码：A

能源产业是国民经济体系中最基础的物质生产部门，特别是进入21世纪以来能源短缺带来各种瓶颈

［1］

效应使得各个部门对能源问题的关注度日益增加。由于国民经济系统之间错综复杂的供给与需求的关系，能源产业如何影响国民经济系统中其他行业，影响程度有多大，作用机制如何，成为目前迫切需要解决的问题。在过去的研究中，确定某一产业在国民经济系统中关联效应最为常用的方法是投入产出分析法，该方法根据一般均衡理论，从产业部门间的消费和分配角度来探讨产业间联系的形态和紧密程度，用影响力系数和感应度系数两个指标度量产业关联的强弱。但是，投入产出模型有重局部而缺乏整体性的不足，从而造成分析的结果十分分散而无法了解经济体系的整体发展状况，因此在应用过程中存在很多局限。

［2］

1998年Watts 和Strogatz 提出" 小世界" 网络模型以来，复杂网络思想迅速运用到交通网络、旅游空［3］［4］［5］

间网络、产业间相互供给企业物流网络、产业集群网络等方面的研究中来。如果将产业看成节点，或消耗关系看成边，那么国民经济体系各产业就能形成通过一定方式建立的复杂网络。蔡宁（2006）等运用复杂网络理论，结合温州鞋革业和北京IT 业等产业集群的分析对产业集群网络的结构、功能和属性进

［6］

行了刻画。王向誉、高光锐（2010）利用山东省17城市船舶制造企业关联数据构建了山东省船舶制造

［7］

产业集群复杂网络，发现企业网络的度值呈现幂律分布。赵炳新（2011）等人提出了产业复杂网络的建

［8］

模原理和技术方法，并以山东省为例进行区域产业关联现状进行了分析。王茂军（2011）等基于复杂网

［9］络的基本思想，探讨了四川省制造业产业关联网络的结构特征，并分析相关产业在网络中的不同效能。

利用北京市2007年投入产出表对北京市产业结构网络拓扑结构邢李志（2012）以复杂网络理论为基础，

［10］

进行了分析。

但未对具体产业节点的上述研究从拓扑结构特征角度对不同地理尺度的产业网络结构进行了分析，

属性和链接状态进行深入分析。2010年中国能源工业总产值达到104210亿元，占工业总产值的15%以上，确定以能源产业为核心的产业集群的结构、功能和影响将有助于确定能源行业发展的重点领域，对于能源产业规划也有一定理论指导。

*

收稿日期：2014－6－16；修回日期：2014－6－30。

基金项目：国家社会科学基金项目（11CJY039）；国家自然科学基金项目（40801234）；教育部人文社科基金（13YJC790059）；山东省

优秀中青年科学家科研奖励基金（BS2012SF001）；山东省教育厅人文社科项目（J12WG59）共同资助。作者简介：姜巍（1977－），女，副教授，博士，研究方向为资源开发与区域发展。Email ：xjjw2000@163．com

1材料与研究方法

研究产业联系网络首先要确立产业之间联系。由于我国1987年开始定期发布产业间投入产出流量表来确定产业间物质的供应和交流规模，因而形成了从国家到地方的较为完整的数据库，通过投入产出关系也就成为构建产业关联的重要方法。但是由于在国民经济系统中各产业间的投入产出规模差别巨大，为了确定有效关联就必须对数据进行简化，从而达到提高运算效率的目的。目前学者对产业链划分的阈值设定上存在很大随意性，为了提高临界值确定的科学性，文中采用威弗综合指数（Weaver Index ）方法识别研究数值序列中的强关联数据。威弗综合指数的计算方法为：首先分别将投入产出的中间流量表的各行和列按大小进行排序，建立一个与理想值最接近的近似分布，再计算、比较各假设分布与实际分布之差的平方和，平方和最小时，说明用该假设分布近似实际观测分布最佳，排名在该值之前的所有数据入选为

［11］

强关联数据序列，然后将两矩阵加和后的矩阵作为产业间有效关联矩阵。投入产出表中第i 个行业在第j 个行业中投入（或产出）的威弗指数计算公式如下：

n 100/i（k ≤i ）EE （k ，j ）2

），（1）i ）－100ˑ n s （k ，i ）=w （i ，j ）=∑（s （k ，式中，

k =10（k i ） j ）∑EE （i ，

{

i =1

按照大小排序的前k 个流量值为有效关联。根据《2007其中，流量规模大于第j 个行业的数目为k ，

，年中国投入产出表》经过计算文中共得到42个节点间的533个强关联链接。受产业特性及生产工艺流

程的影响，不同产业在国民经济体系中的地位和作用差别巨大，文中首先对5个能源产业节点的网络结构属性进行分析，然后构建以上述5个节点为核心个体网（Egonet ）的构成、结构及特征与整体网络结构分别进行比较，并对能源产业在国民经济体系中的作用进行分析。

2产业网络结构评价

产业网络的拓扑结构反映了各产业之间的联系及在产业网络中的地位和作用，主要包括产业节点的度值、点权、聚类系数、介数等评价指标。2．1产业节点的度（Degree Centrality ）

复杂网络中某节点i 的度值是指与其连接的其它节点j 的数目，其中入度越大表明这个产业需要越多

对投资的吸纳能力也越强；出度越大表明该产业向其他行业部门提供越的部门资源供给（即上游联系），

［12］

多的资源输出（即下游联系），对其他行业的影响越大。具体计算方法见公式（2）和（3）。

D in i =∑a ij

i =1N

（2）

D out =∑a ji i

i =1

N

（3）

即平均每个产业都会中国产业网络的度值分析表明，中国产业网络各节点的平均出、入度值为12．9，与近13个行业有效关联，其中，能源行业中煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业作为一次能源开发行业表现出较高的资源供给型产业的特征，与上游产业联系密切，呈现出度值较小而入度值较大的拓扑属性（表1）；石油加工、炼焦和核燃料加工业、燃气生产和供应业等将一次能源加工转换为二次能源产品的行业则表现出很强的市场需求性，所以入度较小而出度较大；近年来，随着我国能源消费结构中对电力需求比例的迅速提高，电力热力的生产和供应业成为与其他行业联系最为紧密的行业之一，因而其出度和入度都超过产业网络度值的平均水平，成为所有能源行业中对国民经济其他行业影响最广泛的行业部门。

表1中国能源产业网络结构特征值（2007）

Table 1Structure characteristics of Chinese energy industries network

煤炭开采和洗选业石油和天然气开采业石油加工炼焦核燃料加工业电力热力的生产和供应业燃气生产和供应业整体网平均值

出度5217171412．9

入度119513112．9

出权[***********]60311364

入权[***********]9059011364

单位出权

336

[**************]80

单位入权

1417

[***********]

聚类系数0．5060．4780．3580．3370．3050．41

介数11．1244．5732．1837．8316．3530．71

2．2

产业节点的点权

出权表示某产业节点i 在国民经济网络中为其他产业节点j 提供原材点权又分为出权、入权和总权，

料或服务的总值，入权表示该产业在经济发展中接收其他产业为其提供的原材料或服务的总值，总权则是出权和入权的和，其结果反映该产业在国民经济发展中通过其自身发展带动的投入产出联系量，其计算方法见式（4）。由于某产业节点向其周边节点发送或接收原材料和服务的价值相差很大，这里需要在点权

［13］

s i 基础上的进一步计算单位权重，单位权重u i 指节点拥有边的平均权重，其计算公式见公式5。式中，

N i 为节点i 邻近节点的集合，D i 为节点i 的度值。表示节点i 的点权，

s i =∑w ij （4）u i =s i /Di （5）

j ∈N i

从能源产业的点权规模来看，电力热力的生产和供应业、石油加工炼焦核燃料加工业由于庞大的消费

在国民经济发展中具有明显的吸纳和促进优群体，无论是出权还是入权都远远高于产业网络平均水平，

势；而煤炭开采和洗选业、燃气生产和供应业出权和入权都相对较小，在国民经济体系中的带动力有限，燃气生产和供应业的影响力则微乎其微。但是从单位出权规模来看，石油加工炼焦和核燃料加工业、电力热力的生产和供应业单位出权分别达到2513和1427，是全网平均值的3．22和1．83倍，对外投资的强度很大，因而在国民经济发展中影响力较大；煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业及燃气生产和供应业的单位出权则很小，不及网络平均水平的一半，相比而言对其他行业的影响水平低。从单位入权的规模来看，石油和天然气开采业单位出权达到4191，是全网平均水平的3倍，尽管其上游产业并不多，但这些产业对石油和天然气的平均投入规模非常大，因此石油和天然气开采业的发展需要注意与上游行业的协同合作。

2．3聚类系数（Clustering Coefficient ）

产业节点i 的聚集系数是指与该节点相邻的所有节点之间实际存在的边数E i 与这些相邻节点之间

是测度与某产业节点实际存在有效关联的其他产业节点间彼最大可能存在连边数k i （k i －1）/2的比值，

此也存在有效关联的可能性的指标，其计算公式为：

2E i 1N

（6）C i =∑

N i k i （k i －1）

从能源产业的聚类系数来看，以煤炭开采和洗选业、石油和天然气开采业为核心的一次能源生产产业集群内部联系较为密切，超过了整体网络的平均水平，形成了较好的资源流通网络，而石油加工炼焦核燃料加工业、电力热力的生产和供应业、燃气生产和供应业的聚类系数较低，没有形成规模化的协作产业群体，因此能源加工转换产业若要提高行业的整体产出水平还需要加强产业集群间的合作。2．4节点的介数（Betweenness Centrality ）

节点的介数又称作节点的介数中心性，定义为网络中节点对最短路径中经过节点i 的个数占所有最短路径的比例，是反映节点在整个网络中的作用和影响力的一个重要的全局几何量。假设产业节点j 和k 之间存在的捷径数目用g jk 来表示，点j 和k 之间存在的节点i 控制此两点的能力即介数用b jk （i ）来表示，

b jk （i ）=g jk （i ）/gjk ，那么，节点i 的绝对介数（C ABi ）为网络图中所有经过点i 的捷径数目用g jk （i ）来表示，

［15］

的点对的介数之和，即：

C ABi =∑∑b jk （i ）

j

k n

n

［14］

j ≠k ≠i ，并且j ＜k （7）

从介数规模来看，石油和天然气开采业、石油加工炼焦核燃料加工业、电力热力的生产和供应业的中介功能都超过网络平均水平，其中石油和天然气开采业的介数值达到了44．57，在产业网络中具有较强的信息传递控制能力，是保证国民经济产业网络的稳定性及抗毁性的重要节点。从这点来看，石油和天然气开采业的正常运转是保证我国经济系统安全运行十分关键的因素，也是能源安全建设的重点。相比而言，煤炭开采业、天然气生产和供应业的介数水平较低。

3个体网发育状况

能源产业尽管是国民经济发展的基础性产业，但由于服务对象及生产过程的不同，能源产业各部门在运行过程之中也表现出巨大的差异，因而网络结构特征明显（表2）。3．1煤炭开采和洗选业产业个体网络

受能源储量的影响，新中国成立以来我国能源消费结构一直以煤炭为主体，煤炭开采和洗选业也理所

在煤炭开采、加工、利用过程中形成了以该产当然的成为重工业及能源加工转换部门的先导行业。因此，

辐射13个产业节点的个体网络（图1），形成79个有效连接，网络密度（节点间实际存在的边与业为核心、

可能存在的边的比值）达到0．5064，密度较大。从产业运行状态来看，煤炭开采和洗选业为其他经济部门提供的投入约占国民经济体系总投入的0．8%，并得到了1．8%的国民经济产出，产出效益较好。其中，从投入方向看，作为基础资源产业，煤炭开采和洗选业除去本身消耗了约24%的自身产品外，最重要的投入对象是电力热力的生产和供应业、设备制造业、交通运输及仓储业、金属冶炼及压延工业，四大产业占据原煤开采和洗选业总投入的50%以上，其中交通运输业是煤炭外运最重要的支撑，而其它三个产业均是我国重要的耗能产业。从产出方向看，电力热力的生产和供应业也同样为煤炭开采和洗选业提供了高额的产值回报，占煤炭开采和洗选业总产出的38．8%，成为其重要的产业伙伴，这与我国当前电力建设主要依赖煤炭发电的现实有密切联系。

表2以能源产业为核心的个体网发育状况Table 2Ego net development status of energy industries

网络

煤炭开采和洗选业石油和天然气开采业石油加工炼焦核燃料加工业电力热力的生产和供应业燃气生产和供应业

规模1310202415

有效连接[1**********]4

网络密度0．50640．47780．35790．33700．3048

投入/总投入0．8%0．6%3．2%4．2%0．1%

最大投入对象

总产出

1．8%煤炭开采和洗选业

2．6%电力热力的生产和供应业4．1%5．0%0．1%

石油和天然气开采业电力热力的生产和供应业石油和天然气开采业

产出/

最大产出对象

电力热力的生产和供应业石油加工炼焦核燃料加工业交通运输及仓储业电力热力的生产和供应业化学工业

石油和天然气开采业个体网络随着工业化水平的提高，对石油和天然气的需求比例会越来越高，因而，各国都很重视石油和天然气

形成43个有效行业的健康发展。2007年，石油和天然气开采业为核心的个体网络辐射10个行业部门，

网络密度达到0．4778。近年来随着石油、天然气等现代能源品种需求量的增加，我国石油和连接（图2），

天然气开采业的经济效率有了很大的提升，石油和天然气开采业仅对其他经济部门投入仅占国民经济体系总投入的0．6%，却得到了2．6%的国民经济产出，产出效益较好。从投入方向看，由于主要为其他行业提供原材料，石油和天然气开采业的主要投入对象集中在一些高耗能产及能源转换行业，如电力热力的生产和供应业、设备制造业、金属冶炼及压延加工业、石油加工炼焦及核燃料加工业，四大产业分别占石油和

19．8%、17%和12．5%。从产出方向看，天然气开采业总投入的23．1%、作为重要的二次能源加工转化部

门的石油加工炼焦及核燃料加工业则是石油和天然气开采业最主要的产值来源部门，占其总产出的94．6%。

3．2

图1以煤炭开采和洗选业为核心的个体网Figure 1Coal mining and washing industry ego net 图2以石油和天然气开采业为核心的个体网Figure 2Petroleum and gas exploitation industry ego net

3．3

石油加工炼焦及核燃料加工业个体网络

炼焦及核燃料加工业为核心的个体网由于生产工艺的复杂性以及面向广大的消费群体，以石油加工、

络成员众多，形成一个包括21个产业节点的产业集群（图3）。此外，由于链式生产过程使得很多产业节点间多为单向的联系，以石油加工、炼焦及核燃料加工业为核心的个体网络密度并不高，仅为0．3579。石油加工炼焦及核燃料加工业的最大特点是对国民经济的其他行业投入大，但是获得的投资回报规模也较

大，对其他行业的投入及从其他行业获得的回报分别占国民经济总量的3．2%和4．1%。从投入方向看，作为中间产品生产行业，石油加工、炼焦及核燃料加工业主要的投资对象主要集中在石油和天然气开采业和煤炭开采和洗选业两个一次能源开采行业，对这两个行业的投资分别占其投资总额的78．8%和7．4%，从这里可以看出，石油加工、炼焦及核燃料加工业的主要成本来自于原材料的费用。从产出方向看，石油加工、炼焦及核燃料加工业的主要产值来源于交通运输及仓储业、化学工业、金属冶炼及压延工业，石油加

20．3和14．5%，工、炼焦及核燃料加工业在这三个行业的产出分别占其总产出的30．5%、而其在生产过

程中创造的价值仅为6．3%，表现出明显的中间产品加工产业的特征。

图3

以石油加工炼焦及核燃料加工业为核心的个体网

Figure 3Petroleum processing ，coking and nuclear fuel processing industry ego net

图4

以电力、热力的生产和供应业为核心的个体网Figure 4Electricity ，heat production

and supply industry ego net

电力热力的生产和供应业个体网络

186庞大的消费群体使得以电力热力的生产和供应业为核心的个体网络形成了一个拥有24个节点、

个有效连接的网络（图4），但网络密度仅为0．3370。同石油加工炼焦及核燃料加工业类似，电力、热力的生产和供应业的特点是对同样是对国民经济的其他行业投入大、获得的投资回报规模也较大，对其他行业的投入及从其他行业获得的回报分别占国民经济总量的4．2%和5．0%。从投入方向看，电力、热力的生产和供应业的主要投资对象是自身，它对自身的投入占其总投入56．5%，其次是煤炭开采和洗选业和电气机械及器材制造业，对这两个行业的投入分别占其总投入的16．5%和8．3%。从产出方向看，电力、热力的生产和供应业的主要产值除了来源于自身的生产过程外，化学工业、

金属冶炼及压延工业也是其重要

在这三个行业的产出分别占其总产产出来源部门，

12．3%和12．0%，出的47．3%、这说明电力、热力

的生产和供应业最重要的工作应当是通过自身生产水平和生产效率来提高产值。3．5燃气生产和供应业个体网络

由于燃气生产和供应业主要为客户提供最终消费品，所以网络节点较少，仅形成了一个包括15

64个有效连接的个体网（图5），网络个产业节点、

密度仅为0．3048，节点间联系松散。从产业运行状态来看，由于燃气生产和供应业主要是提供终端消费品的行业，因此其在国民经济体系中的地位较弱，为其他经济部门提供的投入和产出均为国民经济体系的0．1%。其中，从投入方向看，燃气生产和图5以燃气生产和供应业为核心的产业复杂网络图供应业最重要的支出对象是石油和天然气开采业，Figure 5Gas production and supply industry ego net 石油和天然气开采业占据燃气生产和供应业总投入的91．9%。从产出方向看，化学工业、金属冶炼及压延工业是其主要产值来源部门，两个产业分别占其总产出的24．1%和13%。

3．4

4讨论

（1）产业间相互作用的主要研究方法是根据投入产出表计算产业的影响力和感应度系数，但是不能揭示产业的整体运行状况。复杂网络方法以图论为基础，能较好地刻画产业间的关联状态和形式，是确定产业间相互作用的一种新的研究形式，具有一定的可操作性。

（2）如何确定产业间有效关联十分关键，以往研究中有统一设定值、平均值以及临界值的划分区别，具有很大不确定性。文中尝试根据威弗综合指数的拐点确定规模以上产业的相互关联，基本上能够反映产业间实际流量的整体状态，但是在其他问题阈值确定的过程中是否使用仍需根据具体问题具体分析。

（3）以往能源问题的研究往往将各个能源部门数据综合起来进行宏观分析，文中以能源行业为研究对象分别进行分析，确定了不同能源行业的具体运行状况，这样可以有效的确定各能源种类生产环节中存在的问题，具有一定针对性。

5结论

近30年来我国经济的能源是国民经济发展的重要物质基础，能源产业是国民经济重要的产出部门，

［63］

快速发展与能源产业的有力支撑密不可分。然而，由于不同能源品种的生产过程及服务对象不同，能

中国能源产业各部门在运行过程之中对国民经济的产出及产业构成影响也表现出巨大的差异，总体来说，

源行业表现出以下特征：

（1）能源产业网络拓扑结构分析表明，相对于一次能源生产部门（煤炭开采和洗选业、石油和天然气

二次能源生产部门（石油加工炼焦核燃料加工业、电力热力的生产和供应业）对国民经济的影响开采业），

范围和影响力都更广泛和强烈，这主要体现二次能源产业在国民经济网络中节点度值高、总权大等网络拓扑结构特征，同时高介数值使得其对国民经济稳定性和安全性具有重大影响。但一次能源生产部门产业节点间网络密度大、资源流通效率较高，具有较好的产出回报。为此，我国一次能源产业的发展重点在于稳定、持续的产品供应，而二次能源产业的发展重点在于加强与产业群内其他节点间的协作，提高流通和自身加工转换环节的经济效率。

（2）能源产业个体网分析表明，尽管各能源产业网络结构和属性差异巨大，但是对都自身有较强的依赖性，能源产业之间也存在很强依赖性，为此，要保证能源产业稳定、高效发展，一方面要加强各能源产业节点间的相互合作，同时要从技术装备和管理水平方面入手提高能源产业自身的经济效率。

（3）产业网络是各个产业节点由于相互作用而形成的复杂系统，产业效益的提升及产业链的拓展都需要相关节点的配套与合作。由于一次能源产业和二次能源产业的生产过程及服务对象存在较大差异，一次能源产业应该重视交通运输及仓储业的发展而二次能源产业则应该重视基础性工业及第三产业的培育和发展。

参考文献

．自然资源学报，2012，27（4）：529－539．［1］张雷，杨波．国家能源供应时空协调－基本概念、理论与方法［J ］黄园淅，．地理科学进展，2008，27（6）：112－120．［2］莫辉辉，金凤君．交通运输网络的复杂性研究［J ］王姣娥，

2011，66（2）：257［3］陈浩，陆林，郑嬗婷．基于旅游流的城市群旅游地旅游空间网络结构分析－以珠江三角洲城市群为例［J ］．地理学报，

－267．

J ］．地理学报，2008，63（2）：135－146．［4］王成金．中国物流企业的空间组织网络［

［5］申玉铭，J ］．地理学报，2007，62（8）：821－830．王茂军，等．中国生产性服务业产业关联效应分析［邱灵，．经济地理，2006，26（3）：378－382．［6］蔡宁，殷鸣．产业集群复杂网络的结构与功能分析［J ］吴结兵，J ］．技术经济，2010，29（1）：13－18．［7］王向誉，高光锐．山东省船舶制造产业集群复杂网络分析［

J ］．经济管理，2011（7）：139－148．［8］赵炳新，张江华．产业复杂网络及其建模－基于山东省实例的研究［尹翀，J ］．地理学报，2011，66（2）：212－222．［9］王茂军，杨雪春．四川省制造产业关联网络的结构特征分析［J ］．工业技术经济，2012（2）：19－29．［10］邢李志．基于复杂网络理论的区域产业结构网络模型研究［

J ］．长江流域资源与环境，2000，9（4）：437－443．［11］杨友孝，陈长春．中国县域资源组合结构的分类研究［J ］．地理研究，2013，32（3）：543－555．［12］王茂军，柴箐．北京市产业网络结构特征与调节效应［．上海理工大学学报，2012，34（1）：18－26．［13］姚尊强，许小可．加权网络的常用统计量［J ］尚可可，．经济问题，2009（2）：31－34．［14］刘刚，郭敏．中国宏观经济多部门网络及其性质的实证研究［J ］J ］．科技进步与对策，2012，29（23）：34－38．［15］李志，关峻．区域产业结构网络的介数攻击抗毁性研究［

J ］．干旱区资源与环境，2014，28（5）：1－6．［16］梁经纬，柳洲．能源消费与经济增长非线性动态关系研究［刘金兰，

The network structure of Chinese energy industry

JIANG Wei ，GAO Weidong ，XIONG Tianqi

（School of Ｒesourcesand Environment ，University of Jinan ，Jinan 250022，China ）

Abstract ：Based on input －output table of China in 2007，we used Weaver Complex Index to build a Chinese

industries network ，and analyzed 5main energy industries network attributes．Ｒesultsindicated that firstly ，com-pared with primary energy industries ，the secondary energy industries had more abroad and violence influence on national economy．However ，higher net density between primary energy industries nodes made it had better re-source circulation efficiency and yields．Secondly ，energy industries consumed plenty of energy too ；all energy industries not only had strong dependence on themselves but also on other energy industries．Thirdly ，the im-provement of industries network efficiency was the results of all nodes ，so the development of China energy indus-tries need strengthen cooperation with tertiary industries and basic industries．Key words ：energy industries ；complex network ；structure characteristics