全球能源市场的网络分析：对未来的洞察

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英文标题：
《A network analysis of the global energy market: an insight on the
  entanglement between crude oil and the world economy》
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作者：
Franco Ruzzenenti, Francesco Picciolo, Andreas Papandreou
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最新提交年份：
2015
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英文摘要：
  One major hurdle in the road toward a low carbon economy is the present entanglement of developed economies with oil. This tight relationship is mirrored in the correlation between most of economic indicators with oil price. This paper addresses the role of oil compared to the other three main energy commodities -coal, gas and electricity, in shaping the international trading network (ITW or WTW, world trade web) in the light of network theory. It initially surveys briefly the literature on the correlation between oil prices with economic growth and compares the concepts of time correlation with the concept of spatial correlation brought about by network theory. It outlines the conceptual framework underpinning the network measures adopted in the analysis and results are presented. Three measures are taken into account: the ratio of mutual exchanges in the network (reciprocity); the role of distances in determining trades (spatial filling); and the spatial correlation of energy commodities with the whole trade network and with four trading categories: food, capital goods, intermediate goods and consumption goods. The analysis deliver five main results:1) the the energy commodities network was structurally stable amid dramatic growth during the decade considered; 2) that oil is the most correlated energy commodity to the world trade web; 3) that oil is the most pervasive network, though coal is the less affected by distances; 4) that oil has a remarkably high level of internal reciprocity and external overlapping 5) that the reciprocity of the trade network is negative correlated in time with the price of oil.
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中文摘要：
通往低碳经济道路上的一个主要障碍是目前发达经济体与石油的纠缠。这种紧密关系反映在大多数经济指标与油价之间的相关性上。本文根据网络理论探讨了石油与其他三种主要能源商品——煤炭、天然气和电力相比，在形成国际贸易网络（ITW或WTW，世界贸易网）方面的作用。本文首先简要回顾了有关石油价格与经济增长之间相关性的文献，并对网络理论提出的时间相关性和空间相关性的概念进行了比较。它概述了支持分析中所采用的网络措施的概念框架，并给出了结果。考虑了三个指标：网络中相互交换的比例（互惠）；距离在决定行业中的作用（空间填充）；以及能源商品与整个贸易网络和四个贸易类别（食品、资本产品、中间产品和消费品）的空间相关性。该分析得出了五个主要结果：1）在所考虑的十年中，能源商品网络在急剧增长的情况下结构稳定；2） 石油是与世界贸易网最相关的能源商品；3） 石油是最普遍的网络，尽管煤炭受距离的影响较小；4） 石油具有非常高的内部互惠和外部重叠水平，贸易网络的互惠在时间上与石油价格呈负相关。
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分类信息：

一级分类：Physics        物理学
二级分类：Physics and Society        物理学与社会
分类描述：Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体（人类或其他）的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统（如能源网、运输网络）的物理和工程。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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PDF下载：
--> A_network_analysis_of_the_global_energy_market:_an_insight_on_the_entanglement_b.pdf (643.94 KB)

2022-5-9 05:23:40 上传

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关键词：网络分析 Quantitative intermediate relationship Applications

《全球能源市场的网络分析：原油与世界经济之间的纠葛》弗兰科·鲁泽南蒂*，弗朗切斯科·皮西奥洛，安德烈亚斯·帕潘德里欧，锡耶纳大学生物技术、化学和药学系，经阿尔多·莫罗1号，IT-53100。意大利锡耶纳。2雅典国立和卡波迪斯特里安大学政治经济系，希腊雅典佩斯马佐格鲁街8号。低碳经济道路上的一个主要障碍是目前发达经济体与石油的纠缠。这种紧密关系反映在大多数经济指标与油价之间的相关性上。本文根据网络理论探讨了石油与其他三种主要能源商品——煤炭、天然气和电力相比，在形成国际贸易网络（ITW或WTW，世界贸易网）方面的作用。本文首先简要回顾了有关石油价格与经济增长相关性的文献，并将时间相关性概念与网络理论提出的空间相关性概念进行了比较。它概述了支撑分析中所采用的网络措施的概念框架，并给出了结果。考虑了三个指标：网络中相互交换的比例（互惠）；距离在不确定行业中的作用（空间填充）；以及能源商品与整个贸易网络和四个贸易类别（食品、资本产品、中间产品和消费品）的空间相关性。

分析得出了五个主要结果：1）在所考虑的十年中，能源商品网络在急剧增长的情况下结构稳定；2） 石油是与世界贸易网最相关的能源商品；3） 石油是最普遍的网络，尽管煤炭受距离的影响较小；4） 石油具有非常高的内部互惠和外部重叠水平，贸易网络的互惠在时间上与石油价格负相关*通讯作者：ruzzenenti@gmail.com1.简介低碳经济的道路在发达国家对化石燃料的依赖上遇到了一个主要障碍。在化石燃料中，石油通常被认为是一种特殊形式的能源，与经济过程的关系比任何其他能源商品都要密切。事实上，许多经济指标，如国内生产总值、工业生产或通货膨胀率，在历史上都与石油价格密切相关——负或正。为什么石油比其他化石燃料更重要？石油价格与经济的相关性有物理基础吗？还是由于经济和金融原因？事实上，石油不仅作为一种能源进入经济的几个部门的生产职能。石油是汽油、塑料、化学品和金融（Ruzzenenti，2015a）。本文以网络理论为基础，通过对四种主要能源商品与全球贸易结构的关系进行一系列网络指标的比较分析，来解决这些问题。全球化后的国际贸易成为世界经济的一个重要组成部分，其富裕程度与经济增长和发展密切相关。

此外，国际贸易在很大程度上依赖于运输系统，这一部门几乎完全依赖化石燃料，尤其是石油。因此，世界贸易网（WTW）为我们提供了一个有趣且信息丰富的案例研究，以调查石油和化石燃料价格在塑造世界经济中的作用。1.1时间相关性和空间分析在能源市场中，石油价格通常作为能源价格的基准。事实上，能源市场上的许多价格指标都锁定在石油价格（电力、天然气）上。此外，这种联系（或耦合）被广泛认为是导致通货膨胀的主要因素。尽管如此，人们对石油为何在世界经济中扮演如此关键的角色还不太了解。人们普遍认为，这种优势是由于石油是世界经济的主要能源，而煤炭作为主要能源的份额几乎达到了石油的份额。2014年，全球煤炭能源消耗量为30%，石油消耗量为32%（英国石油公司，2015年）。几个世纪前，煤炭是基本的能源，曾决定着经济的发展和国家的兴衰（Jevons，1866）。如今，石油无可争辩地主导着世界经济。第二次世界大战之后的数据显示，经济增长与石油价格密切相关（汉密尔顿，1983）。在科学文献中，石油价格与几个经济指标之间的相关性，以及由此产生的因果关系问题一直被忽视（胡克，1996年；汉密尔顿，1996年；帕帕佩特罗，2001年；他等人，2010年）。尽管历史趋势表明，经济和石油价格相互纠缠，但这种关系的程度、时滞和范围仍然是一个悬而未决的问题。

然而，科学界似乎已经趋同于该主题的一些关键点：1）相关性似乎是对称的，尤其是在短期内：当油价上涨时，经济放缓，而相反的关系则更为宽松（Huang等人，2005年；Rahman and Serletis，2010年，AlvarezRamirez等人，2010年）；2） 油价与世界经济之间的相关性已经减弱，在石油危机期间达到峰值，并在危机后减弱（Thang等人，2010年；Naccache，2010年；Alvarez Ramirez等人，2010年）；3） 石油冲击期间，相关性增加，表明油价飙升对经济的影响最大（Hamilton，2003；Hsu等人，2008；Cologni and Manera，2009；Jamazzi，2012）；4） 石油价格和经济增长之间的因果关系，用统计方法衡量，是模糊的，有时是颠倒的，这取决于所选的国家或时间段（纳拉扬和斯迈思，2007年；科洛尼和马内拉，2009年；本曼德，2012年，拉蒂等人，2013年）。我们希望从不同的角度来看待能源和经济的相互依赖关系，超越传统的时间方法，追求基于网络理论的空间方法。将分析生产空间的网络结构，以建立商品、商品类别和能源商品之间的结构相关性。能源市场的空间结构已经成为研究的对象。到目前为止，针对能源供应链的空间分布，解决能源安全问题受到了学者们的关注（Bert Kruyt et al。

2009; 科恩，G等人，2011年；温泽尔·C.，2012，张，H-Y.，等，2015）。最近，网络理论被应用于全球石油市场，目的是分析其结构、稳定性以及各国在国际贸易中的作用和地位。（Fan等人，2014年；Mileva和Siegfried，2012年；Ji，Q等人，2014年）。网络理论也被用于能源市场领域，以研究全球原油价格之间的层次结构和关系（Zhang，H.-Y.，et al.，2014）。这项工作的目标是比较四种主要能源商品与全球贸易结构的关系。本文的结构如下：在下一节中，我们将介绍与皮尔逊相关指数不同的空间相关性的概念。然后，我们将对全球能源市场的结构进行二元网络分析，并以货币和质量单位对流量进行加权分析。将调查皮尔逊全球贸易指数中的四个类别，以及四个类别与能源贸易指数的关系。在接下来的章节中，我们将通过比较石油价格和全球贸易中的互惠性（贸易矩阵的对称性）来整合时间和空间分析。最后一节将概述一些总结。2.1从时间相关性到空间相关性在统计学中，皮尔逊积矩相关系数是两个变量C和C\'之间线性相关性（相关性）的度量，其中和是货物C的时间间隔T内的价格（或对数回报率）和平均价格。

皮尔逊指数介于+1和+1之间-1包括在内，其中1表示完全正相关，0表示不相关，以及-1是完全负相关：  在Pearson corr.索引中，空间是一维的，求和运行在时间变量上。在一个有N个节点的网络中，我们有N（N-1）个可能的连接（链接），如果网络交换了两种类型的流/商品，它们可以根据节点链接的顺序用Pearson corr.Index计算。在这种情况下，求和运行在两个流c和c\'的两个节点索引i和j上：皮尔逊指数的这种多样性计算表达了一种空间相关性，因为它测量了共享同一节点的两个网络中每对链路的权重之间的拓扑关系（Barighozzi et al.，2010；Ruzzenenti et al.2015）。换句话说，外生变量不是时间而是拓扑。

我们现在将研究生产空间的空间相关性，即商品的国际贸易网络。生产空间网络分析背后的概念框架与“互联太大而不能倒”理论（代替“太大而不能倒”）背后的概念框架相同，后者更关注互联最紧密的节点及其在传播传染病中的作用，而不是最大的节点。在下文中，我们将通过复杂网络理论的视角，在世界国际贸易网（world trade web）的框架内比较四种主要能源商品。从今以后，一个国家将被视为一个图的节点或顶点，一个贸易关系将被视为一个链接或边。根据交易量，链接可能具有不同的权重，根据国家经济的GDP，输入或输出顶点可能具有不同的大小。在世界经济中，有化石燃料生产者和化石燃料消费者（图1中红色和蓝色）。能源供应国用能源商品交换能源贫乏国家的消费品或资本品。这种交换关系的结构将是预审的对象。可以说，世界经济对能源的依赖，除其他外，取决于互联程度及其毛细管作用。因此，在考虑世界能源商品网络时，我们应该寻找的主要信息是：什么是最相互关联和延伸最广的能源？2.1空间相关性：二元分析回答这个问题所需分析的第一步涉及网络的二元结构。

二元有向图由N×N邻接矩阵A指定，其中N是节点数，当从节点i到节点j存在连接时，通用条目aijis 1，否则为0。为了评估网络在其嵌入空间中的扩展程度，我们需要开发一种既包括空间约束（距离）又包括拓扑结构约束（Squartini et al.，2013）的度量。包含距离和网络结构的全局度量的最简单定义是其中，dijis是节点之间距离矩阵D的通用条目（Ruzzenenti等人，2012年）。由于我们将考虑没有自环的网络（即aii=0），F是不同拓扑连接的节点对之间总距离的度量。等价地，F可以被视为衡量网络“填满”可用空间的程度，或者换句话说，衡量网络的“普遍性”。当链接放置在最近的顶点之间时，数量F达到其最小值。如果我们考虑D的所有非对角元素的列表，从最小到最大排序，则通常为峰值,  F的最小值由以下公式简单给出：,  哪里 是网络中的链接数。类似地，当在空间上最远的节点之间放置链接时，F的最大值也会达到。考虑名单 按降序排列的距离, 对于具有L个顶点的网络，F的最大值为.为了根据不同网络的F值对其进行比较，并可能对其进行排序，应使用非标准化数量。

一个改进的全局定义是 值得注意的是，在具有广泛程度（输入和输出链路之和）分布的密集网络中，拓扑可能会影响空间交互（Squartini等人，2013a）。例如：两个高度连接的节点（枢纽）作为两个大型经济体，无论其物理距离如何，都更有可能相互作用，如果我们旨在评估距离的作用，最好将空间效应与非空间效应分开。一种方法是采用基于指数随机图统计的零模型（NM）来比较和加权我们的度量（Squartini等人，2013a）。空模型的特征是某种拓扑特性（例如链接密度或度序列），它先验地独立于任何空间约束。通过NM我们可以计算概率这是给定所选约束的预期值。通过非空间约束，我们可以通过过滤掉虚假的空间效应来改进填充系数的定义。为了实现这一结果，需要将f的观测值与其期望值进行比较。考虑上述三种零模型（NM）下填充系数的预期值： 哪里由所选的空模型给出。通过使用以下我们称之为过滤填充的填充系数的重新缩放版本，可以很容易地进行观察和预期之间的比较（Ruzzenenti等人。