全球能源市场的网络分析：对未来的洞察

2012):因此，φ（方程式6）和f（方程式4）表示关于网络空间结构的两种不同信息。φ解决的问题是：距离对网络的影响有多大？而f提出的问题是：网络在其嵌入空间中被拉伸了多少？除了空间填充，网络的一个重要特征是互易性。事实上，就目前的分析而言，互惠是最重要的：在世界差异化的经济体系中，能源生产者是否或多或少地受到商品和资本生产者的互惠？为了回答这个问题，我们考虑二元网络的互易性定义  我在哪里<->是往复链接的数量（在两对顶点之间双向移动），L是链接的总数（纽曼·福雷斯和巴尔斯罗普2002）。与填充系数的情况完全相同，二元互易性有一个“过滤”对应物，以相同的方式定义（Garlaschelliand Loffredo 2004，Ruzzenenti等人，2010），在选择的零模型（NM）下结合观察值和预期值：二元分析结果见表1。用于分析的数据集是由CEPIII开发的isBACI，涵盖了从1998年到2007年的十年。为了避免因危机而出现异常情况，分析范围在2008年之前结束。二进制分析提供的第一个值得注意的信息是，能源网络的结构是稳定的。

尽管1998年至2007年间，所有能源商品（电力除外）的联系数量和交易量都急剧增加，远远超过全球贸易，但四个能源市场的空间和对称结构相当稳定。石油价值增长554%，质量增长56%，环节数量增长57%。煤炭分别增长188%、82%和37%，天然气分别增长295%、172%和46%，而世界贸易网络的价值增长158%，质量增长51%，链接数量增长33%（表2和表3）。然而，如果我们查看所有选定测量的标准偏差，低值表明网络结构稳定（表1）。这意味着，能源商品的二元互易性、连通性（连接密度）和空间填充在所考虑的十年中没有显著变化。更详细地说，石油是迄今为止连接最多的能源商品，平均而言，网络中10个可能的链路中有1个链路存在，而Selectricity是连接最少的，平均连接度为0.02。空间分析表明，鉴于天然气和电力的运输必然需要昂贵而复杂的基础设施，原油和第二煤的分布范围最大，这或许并不令人意外。有趣的是，煤炭是受运输距离影响较小的能源商品，正如最高φ值所示。这可能是因为固体能源比液体能源更适合运输。正如之前所强调的，石油是一个密度更大的网络，它的相互作用也更大，正如r。

然而，正如ρ值所示，由于密度更大，所以它并没有更多的相互作用。因此，我们必须推断，与其他能源商品出口国相比，出口石油的国家更有可能建立互助关系。http://www.cepii.fr/CEPII/en/bdd_modele/presentation.asp?id=12.3空间相关性：加权分析然而，二元互易性度量对相互关系的程度没有启发作用。需要一个加权互易度量来评估互易流的数量。此外，从二元分析转换到网络的加权描述，使我们能够以货币和质量流量来评估交易。加权有向图由N×N邻接矩阵W指定，其中N是节点数，通用条目是节点i到节点j之间的连接强度（WTW的贸易流量）。值得注意的是，对于每对相互作用的节点，两个抵消流的交互部分是中间的最小流（Squartini等人2013b）：因此，与等式（7）类似，网络加权互易性的标准化度量可定义如下：  同样，对于每对节点，可以按照如下交互网络定义多路复用的两层（a层和B层）中往复流的重新缩放测量：以及衡量两个网络内以相同（相反）方向流动的重叠协同（反向）流：后一种度量旨在表示每两个节点（国家）两个网络共享的导入/导出百分比。

例如，石油和世界贸易网之间25%的反向重叠指数意味着石油市场中25%的出口是世界经济直接从进口国获得的回报（它可以被解释为再投资指数，或者，对于同步流，可以被解释为补充指数）。表2显示了1998年和2007年的货币和质量流量结果。尽管世界煤炭消费量与石油消费量相当，但石油作为一种商品，在数量上仍然代表着最大的能源商品市场。但不是大规模的：2007年，石油和煤炭的交易量几乎相同。尽管如此，网络分析表明，与其他能源商品相比，石油的结构性作用更为突出。第一个结果是加权互惠：石油在1998年得分，在2007年分别为18%和20%。这意味着世界上五分之一的石油是相互交易的。与其他能源商品相比，这一数量级要高得多。事实上，石油出口国也是石油进口国。2007年，石油网络在协同流动和逆向流动中的重叠指数也最高。石油直接交换（从进口国逆向流动）的价值约为35%（1998年为34%），并推动（流向进口国）的互补流动，出口价值为40%（1998年为37%）。

结果适用于质量流，尽管所有考虑的网络的物理互易性和重叠指数都要低得多（表3）。2.4能源商品与分类经济网络的空间相关性我们分析的最后一部分将重点关注四个能源商品与WTW以及四大贸易商品类别的空间相关性（方程式2）：食品、资本货物、中间产品和消费品（表4）。值得注意的是，能源商品要么被归类为中间产品，如石油，有时被归类为煤炭和天然气，要么被归类为消费品，如电力。从1998年到2007年的10年间，对相关指标进行了平均。令人惊讶的是，与经济最相关的能源商品是电力，石油和食品除外（表5）。另一方面，中间产品通常是与能源商品最相关的类别。然而，如果我们对流动的方向进行SWOT分析，只考虑反向流动，也就是说，用wjib而不是wijB的wija，我们会得到一个不同的画面。尽管中间商品仍然是与能源部门最相关的商品类别，但石油现在是与经济最相关的能源经济（表6）。基于皮尔逊相关指数（方程式2），可以对每对网络之间的距离进行测量（Mantegna，1999）：  两个网络的相关性越强，距离就越近。我们可以进一步将这种距离度量投射到树状图中，以描述网络之间的关系程度。

树状图是一种主要用于遗传学（系统发育树）的无组织树图，用来描述各种生物物种之间错误进化关系的层次结构。在我们的例子中，它显示了集群的层次结构，集群由一组紧密相关的商品定义。图2显示了相关矩阵的温度图和同方向流动（协同流动）的皮尔逊相关指数的树状图。簇在矩阵上以均匀强度块的形式可见。天然气和电力形成一个集群，它们与石油松散相连，而煤炭是分开的，与其他能源商品无关，但也与经济无关。图3右侧的树状图显示了这种关系结构，树顶的煤枝和石油、天然气和电力与经济集群的关系更为密切。在图3中，我们展示了逆流相关矩阵的温度图和树状图。树状图可以提供关于集群层次结构的信息。在第二个树状图中，石油与经济集群以及树中较早的其他三种能源商品分支密切相关。这一结果表明，石油市场的拓扑结构与其他能源商品的拓扑结构截然不同，后者与世界贸易主要是协同关系。

相反，石油市场比任何其他能源市场更能从经济中获得回报，尤其是从中间产品市场。2.5整合空间和时间分析我们通过分析网络之间的空间（拓扑空间和度量空间）相关性，证明了与其他能源相比，石油在世界贸易网络中的中心地位。我们现在感兴趣的是研究世界经济的网络表征与石油价格之间的时间相关性。正如我们之前所强调的，加权互易性（方程式10）是对网络的一种深刻测量。图4显示了从1960年到2010年，与石油价格（不变价格，基准年2011，来源BP）相比，互惠（红线）的历史趋势。两条曲线的皮尔逊相关指数为-0.70（Picciolo等人，2015）。然而，如表2所示，世界贸易网是高度互惠的，这意味着平均wijis等于wji：矩阵几乎是对称的。在具有广泛分布的强度（总输出和总输入）的网络中，可达到的对称性水平在很大程度上取决于端点顶点的输入和输出强度：除非它们完全平衡，否则随着顶点之间强度的异质性增加，匹配确保所有对的wij=wji所需的所有约束变得越来越困难。因此，考虑到所有顶点的强度值，即使是使互易性水平最大化的网络，通常也不是对称的。此外，在具有顶点水平流平衡的网络中（所有顶点的导出~导入），权重的平均对称性是通过纯粹的偶然性自动实现的，即使没有引入交互的倾向。

在许多实际网络中，顶点水平的流量平衡实际上是由守恒定律（即国际收支平衡）精确或近似实现的。在这些情况下，权重的对称性不应被解释为对交互作用的偏好。因此，我们开发了一种过滤的互惠措施，形式上类似于不等式8，它封装了一个旨在施加顶点平衡约束的空模型。接下来，互惠调整措施会削弱节点保持进出口平衡（国际收支）趋势的影响。图4显示，调整后的精度（绿线）提高了与石油价格的相关性（相关指数：-0.78），但降低了曲线，表明受平衡效应影响的网络的往复性较小。这是值得注意的，因为这意味着石油和互惠之间的相关性并不取决于全球失衡（纯粹的货币效应），而是取决于一些结构性原因，这些原因将各国的贸易互惠方式与石油价格联系起来。这一原因可能在于全球价值链的发展及其对运输系统的依赖程度（Picciolo等人，2015年）。然而，最有趣的信息来自于比较石油价格和互惠性，在于曲线峰值的时间序列。石油曲线，在第一次石油危机高峰期之后而不是互惠曲线之前更清晰，在显示两条曲线放大的小框架中更清晰（图4）。事实上，互惠性在石油危机前三年开始下降。

尽管现有文献表明，1973年的石油冲击发生在经济衰退之后，而不是之前，但人们仍然普遍认为，石油危机导致了经济危机，而不是相反（Cologniand Manera，2009；Ratti and Vespignani，2013）。尽管有几个经济指标似乎与石油峰值的趋势一致，但从工业生产或零售销售的趋势来看，显然没有一个指标像网络互惠那样对20世纪70年代的石油峰值表现出如此明确的预期（图5）。然而，互惠的经济解释仍然不确定。可以说，互惠关系与经济衰退有关。这种关系的原因之一可能是能源价格居高不下。全局节点不平衡可能会导致网络中的对称性破坏。尽管如此，正如前面所解释的，调整后的互惠性应该忽略节点不平衡的影响，但是强调互惠的趋势，而不是平抑它。从今以后（调整后的互惠）和石油价格告诉我们，除了商业平衡效应，更低的石油价格刺激互惠贸易。值得注意的是，第一次石油危机后的互惠趋势，尽管与石油价格仍然如此相关，但似乎并没有预料到石油价格的飙升。显然，第一次石油危机应该被视为石油价格和经济衰退相互关联的基本趋势中的一个显著例外。

很可能是20世纪70年代的衰退最先出现，石油危机紧随其后，但同样的，接下来的石油危机也不能说是如此。3结论性意见在这项工作中，我们对全球石油市场进行了网络分析，并将其与世界贸易网络中的其他三种能源商品进行了比较，将其聚合和分解为四个主要类别：食品、资本产品、中间产品和消费品。本文分析的目的是通过网络理论得出的测度，揭示石油与世界经济之间的纠葛。其想法是，空间相关性可以提供与时间相关性分析不同的信息，并为进一步研究开辟新的调查领域。结果表明，石油是最具互联性和普及性的能源商品，因为它具有最高的填充值和最高的连通性。考虑到石油是世界第一能源的说法，这或许并不令人惊讶。更令人惊讶的是，石油也是世界上回报率最高的能源商品，无论是以二元还是加权计算。这一结果证实了一个假设，即石油是一个成熟而复杂的市场，出口国也是进口国。例如，高水平的内部互惠是位于价值链较高位置的商品市场的典型特征（Gemmeto等人，2015年）。将能源商品与全球贸易进行比较的空间相关性分析进一步支持了这一假设。石油虽然与所考虑的交易类别有轻微的关联，但总体而言更为相关。在评估反向流动时，与其他能源商品的相关性差距会扩大。