基于BP神经网络视角的中国精铜消费预测研究

张 念，曾洪生，刘宏浩

（1.中国有色金属工业协会，北京 100814；2.江西铜业加工事业部 铜材公司，江西 贵溪 335424）

1 研究意义及研究综述

1.1 研究意义

铜是人类经济社会进步与发展的重要物质基础和保障，随着国家经济社会的迅速发展，对铜资源的需求呈阶段性变化特点。在农业社会中，农业生产部门处于国家经济的主导地位，对铜的需求较小，其增长也较缓慢。进入工业化发展阶段后，第二产业得到快速发展，逐步处于国民经济的主导地位。铜，特别是精铜的需求量呈快速增长之势。因为工业化是人类大量耗费各种金属，快速积累社会财富，不断提高人民生活水平的过程，在工业化结束后，国家基础设施和社会财富趋向饱和，加之科技水平不断进步、资源节约继续推进，精铜的需求增长也由急而缓并呈下降趋势。研究表明，先期工业化国家经济增长与矿产品消费之间存在一定相关性，即人均国内生产总值（GDP）与人均矿产消费量呈“S”形曲线变化（见图1）。

图1 人均矿产资源消费与人均GDP“S”形规律

具体而言，自建国以来，我国铜资源消费一直呈现增长的趋势。20世纪中期，由于建国初期国民经济恢复以及重点发展重工业的需求，我国铜消费年均增长率曾达到22.1%［1］；经过60、70年代的较缓慢发展阶段，改革开放后我国铜消费需求量增速加快；从20世纪90年代初以来，我国铜消费年均增长率超过13%，是全球平均消费增速的2.4倍。这一时期又可分为2个阶段：第一阶段（1991-1999年），这一阶段的平均消费增速为7.05%，稍低于我国国内生产总值年均增速；第二阶段（2000年至今），铜资源消费量快速增长，这一阶段的年均消费增速达到12.8%，大大高于我国国内生产总值增速和全球精铜消费年均2.8%的增长速度［5］。据有关资料，2008年中国精炼铜消费量273.69万t，超过美国的237.05万t消费量，成为世界第一大铜消费国（中国经济信息网，2009）。2010年我国精铜表观消费量达到745万t，占世界的 40%［2］。

随着我国经济新常态特点日益明显，各类矿产资源的需求量增速也逐渐趋缓，铜消费拐点问题也变得逐渐突出，如何准确预测这个拐点是目前学术界研究的热点问题。本研究正是为此目的应运而生的，准确预测精铜的消费拐点会对促进铜产业结构顺利升级，推动整个国民经济健康发展都会有重要的指导意义。

1.2 相关研究综述

Takashi Nishiyama研究了影响铜需求的主要因素，包括人口增长、生活水平的提高、技术进步以及经济增长等，他认为生活水平的提高是最大的影响因素［3］。Lei Shen分析了城镇化、主要能源及矿产资源供求与国内生产总值增长之间的关系，认为如果保持目前矿产资源的消耗速度，中国将长期面临严重的资源短缺问题［4］。陈甲斌等定性分析了国际铜资源的供需状况，指出世界精铜生产与消费的增长都在趋缓，基本可以达到供需平衡的局面［5］。陈甲斌等根据中国经济增长及社会用电需求量的增长趋势预测至少在未来5-10年内，中国铜消费与经济增长之间还将保持一种正相关关系，并认为2010年中国的铜需求量应在530万t［5］。但2010年的实际消费量是680万t，与其预测相差较大。汪鸣定性地分析了中国持续上升的铜需求及其主要问题和挑战，预计未来几年铜消费量将以600万t/年的速度增长，同时铜消费量将因节能型社会的建设而稳步增加［6］。也有些文献从定量角度进行了分析，王健等研究了中国工业化及城市化两个因素与铜需求之间的关系，指出铜消费在周期上与工业化的相关性明显，在趋势上与城市化发展的相关性略高于工业化发展趋势［7］。

目前对铜消费量的预测主要倾向于定性预测或基于情景分析对已有数据的经验外推。徐曙光等根据铜消费增长的“S”型理论，认为中国在2030年前都将处于曲线的中段，以人均铜消费与人均国内生产总值之间的函数关系得出，2025年左右中国快速工业化将结束，精炼铜消费量将达到1000万t左右的峰值，2030年的铜消费量不会超过1000万t［8］。张峰基于情景分析法对中国2020年铜消费需求进行了展望，认为2020年中国铜的消费量有2712.4万 t、1774.1 万 t、1074.5 万 t三种可能［9］。理论上说，情景分析法在分析过程中根据不同情景采取不同的预测方法，定量、定性分析相结合，弥补了定性预测和定量预测的各自缺陷。但是在应用于铜消费预测时，以上研究一般只考虑了与国内生产总值增长的关系，而学者们对国内生产总值未来增长的看法不一，这也是预测结果相差较大的原因。姜昌武指出电力、家电和建筑三大产业是铜消费的重要潜在动力，基于三大产业的未来可能发展推导出中国铜消费总量在2010年达到520万t，2010-2020年之间平均增长率继续放缓至3%左右，2020年中国铜消费总量将达到720万t。消费总量可能在2015-2020年之间达到阶段性高峰［10］。龚婷等深入分析了影响我国铜矿需求的五大主要因素，运用BP神经网络建立了铜矿需求情景分析模型，对1991-2011年的相关数据进行了测算，预测了2015-2025年我国铜矿产资源需求情景［11］。

2 精铜消费拐点预测方法及模型的建立

本研究项目通过计算机软件运算，得出实验结果，其中主要软件包括：灰色关联分析软件—Grey Modeling Software（GM）3.0和BP神经网络工具箱。该软件广泛运用于国内外学术机构，在涉及关联度分析以及趋势预测分析研究方面表现良好。灰色关联分析法在使用过程中对于大样本和数据服从典型分布并没有要求，样本量无论多少以及数据是否有规律均可使用。由于现在多部分抽象系统研究的实质是由很多方面共同决定的，灰色系统关联分析法在这些方面具有明显的优越性，所以在研究多因素决定的数据时，我们一般采用灰色关联分析法。灰色关联分析是根据系统发展趋势、对研究系统进行综合考量基础上的分析方法，所考察的相关程度的强弱是由系统的关联度来决定的。在用灰色关联分析方法分析各个因素内部联系是否紧密时，我们基本是采用考察空间序列或者时间序列曲线的几何形状的相似性，这样我们就可以得出其在关联度的联系上是否紧密。

BP神经网络结构的科学意义是误差逆向传播神经网络，在现阶段的学术研究和现实生活中，是一种应用比较多的人工神经网络，由于它的前向反馈特性，BP网络又属于前向网络。BP神经网络由三层构成，第一层是输入层，主要是处理输入的数据；第二层是中间层，这一层可是单层，也可扩展成多层，主要是对数据进行前向反馈和处理；第三层是输出层，主要是对数据的输出。各层次之间通过神经元进行连接，并以教师示教的方式学习。当输入数据后，输入层的神经元得到响应，产生连接中间层和输出层的权值，且在逐层连接的过程中不断的修改这个权值，使得实际输出和期望输出之间的误差最小化，最后再回到输入层。全局误差小于给定的误差值是结束交替过程的终止条件。BP神经网络相对于其他方法具有以下好处：（1）能够处理复杂的数据；（2）容错性强；（3）自我调节能力强；（4）综合推理能力或泛化能力强。

3 精铜消费影响因素及灰色关联性分析

为保证本研究预测的准确性，课题组根据对六种精铜需求的实际影响程度，结合行业专家的意见，特选定了城镇化率、第二产业增加值、GDP、固定资产投资、发电量和建筑业房屋施工面积等六种因素，作为对本课题研究的精铜消费的印象指标。

本文的影响指标样本数据是从1991年到2016年共26个时间序列数据，为了更直观的了解精铜需求量与城镇化率、第二产业增加值、固定资产投资、GDP的变化关系，表1反映了1991-2016年我国精铜属消费总量与影响指标的变化关系。

具体步骤如下：

（1） 将样本数据进行整体的分析，利用灰色系统软件计算我国精铜需求量和城镇化年增长率、第二产业增加值年增长率、固定资产投资年增长率、GDP年增长率、发电量年增长率和建筑业房屋施工面积年增长率之间的灰色关联度。

（2）计算关联系数。

令分辨系数ξ为0.5，计算得到关联系数。

表1 1991-2016年我国精铜消费量年增长率与各种影响指标统计数据一览表

（3）计算关联度

结合上述对数函数相关性分析，可见固定资产投资年增长率、发电量年增长率、GDP年增长率、建筑业房屋施工面积年增长率、城镇化年增长率和第二产业增加值年增长率等六个因素对精铜需求量的影响都非常大，其中固定资产投资、发电量及GDP对精铜需求量的影响最大。

4 测算结果与建议

4.1 测算结果

在预测未来精铜消费量之前，本文首先利用数据拟合法求得六个影响指标的未来数值，考虑到采用数据拟合法预测未来值时，时间越久误差越大，因此，本文的预测时间是未来13年（即截止到2030年），具体预测结果见表2。

图2 2018-2030年我国精铜消费预测（基于BP神经网络结构）

表2 2018-2030年我国精铜消费预测（基于BP神经网络系统）

4.2 建议

由以上计算可知，精铜消费在未来四年依然保持平稳增长，直至2022年我国精铜需求将要到达峰值，即1118.1万t，此后数年虽有小幅上扬（即2027年达1089.0万t），但基本上将保持回落态势。长远来看，铜资源和原料供应瓶颈突出，在冶炼和加工环节产能严重过剩的势头有增无减，因此，应该在科学掌控上游、确保原料供应，优化冶炼，跨越式发展深加工、扶植优势企业几方面采取应对措施。

（1）确保资源安全底线和原料保障。

资源不丰富，而且禀赋不好是我国铜工业长期发展过程中的短板，未来仍是产业发展的重要制约因素。因此，最重要的是，要坚持实施“利用国内外两个市场、两种资源”的资源战略。一是坚持作为重点发现矿种，努力在国内发现新资源，提高国内矿山生产能力。《有色金属工业发展规划（2016-2020）》中明确规定，围绕国家探矿突破行动，推动甘肃、新疆、云南、青海、内蒙古等省（区）铜、镍、锂等重点成矿区带矿产远景调查与找矿预测。大力开展矿山密集区和老矿山的深部边部勘探，实现新老矿山有序接替。鼓励铜、铝、镍等紧缺矿产以及金银等贵金属矿加速勘探开发；完善钨等优势矿产限产保值机制，合理调控钨矿开采总量控制指标。特别强调要努力做好新疆天山、西南“三江”（金沙江、澜沧江、怒江）、大兴安岭等铜资源前景较好成矿带的地质勘探工程。要尽快研究国内矿山产能的安全底线以及相关扶持政策，通过债转股、减税清费、提高劳动生产率多种手段，保护好这些产能。运用经济手段，积极推动矿业整合，使有条件的铜矿山得到规模化，集约化开发，暂缓生产成本高，环境压力大的新矿山的建设及保护现有的资源；二是开发利用好国内外优质的存量资源，如国外的普朗铜矿和秘鲁特鲁默克铜矿；三是努力获取国外优质矿山，确保稳定的国际原料供应。

（2）对铜冶炼和加工产能增长实施总量控制。

中国一直以来都是电解铜和铜材的产销大国，随着经济发展方式转变的逐渐深化，技术进步使节约和替代使用步伐加快，我国铜消费增速放缓和产能快速增长的矛盾将日益突出。目前国内铜精炼能力已经超过精炼铜消费量，产能呈现过剩局面，但仍有较多的拟建和在建(含扩产改造)项目。单从资源角度看,铜的资源开发潜力远比铝土矿、铅锌矿差,因此要有效控制铜冶炼产能过快增长，以免中国铜冶炼工业步电解铝工业的后尘。加工方面，因为一些地方政府有着力发展当地经济的需要和冶炼企业向下游延伸的需求，近几年铜加工投资增长很快，其主要集中在铜线杆和铜板带领域。铜加工材多数品种也已经处于产能过剩状态。因此未来控制铜冶炼和加工产能的增长是结构调整的关键。

（3）建设具有国际化经营能力的大型跨国公司。

随着中国铜企业更多地投入到国际化市场竞争，中国铜企业正逐步完成从“引进来”到“走出去”、从“学习技术”到“技术输出”、从“实体收购”到“资本市场运作”的转变。铜冶炼技术方面，我国自主研发的氧气底吹熔炼工艺得到成功应用，通过技术创新的强化，悬浮熔炼工艺已经完成了技术输出。加工材方面，我国铜管产业技术装备水平达到世界水平，并引领着铜管业装备技术的发展方向，是主要出口品种。进入新世纪以来，我国在国际合作，境外开发方面的步伐加快，合作方式也不断推陈出新，既有通过竞标直接收购获得资源，也有融资合作的方式，但更多的是通过资本运作的方式，二级市场间接收购。继2013年12月11日，中国海外最大的铜矿项目——中铝秘鲁特罗莫克铜矿正式投产之后，2014年7月由中国五矿集团公司所属五矿资源有限公司牵头组成的联合体正式接手秘鲁邦巴斯特大铜矿。该项目的最终交割支付金额为70.05亿美元，成为迄今为止海外最大的铜矿收购。中国铜企业正在从单一的生产企业逐步转变为具有一定国际化运作能力的综合性企业。但是也要清醒地认识到我们离全球一些知名的资源型企业尚有较大差距。主要表现在缺少国际化运作的专业人才、缺乏全球资本运作经验、对市场的判断力和控制力弱等方面。因此，必须加强和注重这些方面的能力建设,力争在五至十年内形成5～7家世界级的跨国公司。根据安泰科数据，截止到2015年，中国在境外实施的33个重点矿山项目中，获得铜金属资源量大约1亿t以上，已经超过了目前国内现有的铜资源的规模，2016年底矿山产能已达到120万t，冶炼产能55万t。同时“一带一路”也会给中国铜工业的发展迎来新的机遇，尤其在冶炼和加工产能的转移方面提供了很好的机遇，但是要严防“转而不移”的现象，避免加剧全球范围内的冶炼和加工产能的过剩。

（4）积极扩大铜的下游应用。

与西方传统铜消费大国不同，中国铜消费60%在电力和家电行业。虽然铜在传统消费领域达到或接近峰值，但仍有潜力可挖。首先是新能源汽车领域。据了解，一台新能源汽车用铜量比传统汽车用铜量多出约80kg左右。按照规划，到2020年我国新能源汽车产销总量将达到500万辆，可累计新增铜消费约40万t。其次是在传统建筑领域。我国是铜水管生产大国，但铜水管的应用却远落后其他国家，特别是在医疗建筑、重要公共设施建设等相关领域，所以要加强这方面的标准和规范的制定，推动应用。第三是在新材料方面。目前我国铜基合金加工材仍是短板，每年要进口20～30万t来满足国内需求，而这些产品附加值高，利润率是传统铜加工材的几倍甚至十几倍，大有潜力可挖。