基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法及装置，其中该方法包括：获取石油系统中各个主体对象的历史石油产量数据；基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型；利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据；将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据。本发明基于斯塔克尔伯格博弈模型对石油产量进行预测，考虑了石油市场的宏观博弈关系，能够更加准确地预测出未来石油产量。

说明书

技术领域

本发明涉及石油开采领域，尤其涉及一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法及装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

目前，关于石油产量预测的模型主要有统计型方法、机理型方法以及系统功能模拟方法。统计型方法主要基于统计学模型计算石油产量，典型的产量预测方法有翁氏模型、威布尔模型、HCZ预测模型、逻辑斯蒂预测模型、哈伯特模型、递减模型和高斯模型等。哈伯特模型作为主要的产量预测模型，被广泛应用于石油产量预测中。

然而，统计学方法是从微观角度描述产量变化，尚未考虑宏观层次的博弈关系。在石油系统中，行为主体多样化，关系复杂化，并且这些关系的相互作用遵循一种反馈机理。石油系统中主体不是简单的相互作用，他们之间存在竞争与共生关系，这两种辩证的关系相互作用，形成了错综复杂的系统。可见，石油市场的宏观博弈关系会直接影响到石油产量。

因而，如何提供一种体现石油市场宏观博弈关系的石油产量预测方法，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例中提供了一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法，用以解决现有技术中基于统计学的石油产量预测方法，无法体现石油系统中宏观博弈关系，导致预测结果不准确的技术问题，该方法包括：获取石油系统中各个主体对象的历史石油产量数据；基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型；利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据；将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据。

本发明实施例中还提供了一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测装置，用以解决现有技术中基于统计学的石油产量预测方法，无法体现石油系统中宏观博弈关系，导致预测结果不准确的技术问题，该装置包括：历史石油产量数据获取模块，用于获取石油系统中各个石油主体对象的历史石油产量数据；石油产量模型确定模块，用于基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型；资源约束石油产量预测模块，用于利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据；博弈关系石油产量预测模块，用于将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据。

本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有技术中基于统计学的石油产量预测方法，无法体现石油系统中宏观博弈关系，导致预测结果不准确的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法。

本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术中基于统计学的石油产量预测方法，无法体现石油系统中宏观博弈关系，导致预测结果不准确的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法的计算机程序。

本发明实施例中，在获取到石油系统中各个主体对象的历史石油产量数据后，基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型，进而利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据，将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据，与现有技术中基于统计学的石油产量预测方案相比，本发明实施例基于斯塔克尔伯格博弈模型对石油产量进行预测，考虑了石油市场的宏观博弈关系，能够更加准确地预测出未来石油产量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于斯塔克尔伯格博弈模型实现OPEC与非OPEC石油产量预测的流程图；

图3为本发明实施例中提供的一种基于斯塔克尔伯格博弈模型实现OPEC与非OPEC石油产量预测的结构图；

图4为本发明实施例中提供的OPEC在资源约束与博弈关系下的石油产量预测结果示意图；

图5为本发明实施例中提供非OPEC在资源约束与博弈关系下的石油产量预测结果示意图；

图6为本发明实施例中提供的一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例中提供了一种基于斯塔克尔伯格博弈模型(即Stackelberg模型)的石油产量预测方法，图1为本发明实施例中提供的一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101，获取石油系统中各个主体对象的历史石油产量数据。

需要说明的是，目前在石油供给市场内部的博弈关系主要包括两种：一种为OPEC(全称为Organization of the Petroleum Exporting Countries，石油输出国组织)成员国之间的博弈；另一种为OPEC成员国与非OPEC成员国之间的博弈。

石油供给的博弈方均以自身利益最大化为目标，油价保持高位这是一种共赢的局面，但它不是一个纳什均衡，因为供给博弈方都存在不合作的动机，即供给博弈方都希望在高油价下获得更多的收益而提高石油产量，如果所有的供给博弈方都具有这种想法，则必然会导致石油产量提高，油价趋于下降。历史证明OPEC“保价限产”策略不是一个纳什均衡。石油供给市场是由众多博弈方组成，这种合作关系是否能形成，还必须看其他博弈方是否愿意遵守这种合作。

OPEC成员国的宗旨是协调和统一各成员国的石油政策，并确定以最适宜的手段来维护成员国各自和共同的利益。OPEC成员国作为世界石油市场的寡头，在世界石油价格的形成过程中起到主导作用，是石油价格的调控者，通过增加或者减少产量确保国际石油市场油价的稳定性。非OPEC成员国为石油价格的接受者，在OPEC与非OPEC的博弈关系中处于劣势，通常，非OPEC成员国是在OPEC成员国供给策略的基础上制定自身的石油供给策略，使得非OPEC成员国的石油供给情况会受到OPEC成员国供给策略的影响。

传统石油产量预测方法仅考虑了资源的限制，较少考虑石油市场中的宏观博弈关系。发明人经研究发现，博弈论是一种考虑行为主体对其他主体影响的方法，适用于石油系统的复杂关系。因而，本发明实施例中提供的基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法，考虑了宏观博弈关系，能更好地预测未来石油产量，对未来战略规划和石油市场形势的研判，具有重大意义，为石油公司编制计划提供了决策支持。

在一个实施例中，本发明实施例中的石油系统可以包括：第一主体对象和第二主体对象，其中，第一主体对象为制定石油价格数据的领导者(例如，OPEC成员国)，第二主体对象为接收第一主体对象制定的石油价格数据的跟随者(例如，非OPEC成员国)。

S102，基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型；

在具体实施时，上述S102可以通过如下步骤来实现：根据每个主体对象的历史石油产量数据，利用哈伯特函数拟合历史石油产量与时间的关系，得到每个主体对象的哈伯特产量预测模型；利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象的石油产量数据，通过对比每个柱体对象的历史石油产量数据和预测出的石油产量数据，不断调整模型参数，直到每个主体对象的历史石油产量数据与预测出的石油产量数据一致。

考虑资源约束下的石油产量预测模型为逻辑斯蒂模型(Logistic模型)，即哈伯特模型，其微分方程式表示为：

分离变量得到：

其中，y表示模型函数，t表示时间变量，a和b表示模型参数。

等式两边积分得到：

其中，y

积分后得到的最终结果为：

令

z＝e

其中，z

lnz-lnz

将

令

上式为Logistic模型的原式，在石油产量预测的哈伯特模型中上式的意义如下：

其中，N

对上式两边求导，其产量的关系式为：

当第一主体对象为OPEC成员国、第二主体对象为非OPEC成员国的情况下，第一主体对象和第二主体对象的哈伯特产量预测模型如下：

其中，

S103，利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据。

在预测第一主体对象或第二主体对象在未来某一个时间段内的石油产量数据时，可通过上述公式(12)计算第一主体对象在资源约束下的石油产量，通过上述公式(13)计算第二主体对象在资源约束下的石油产量。

S104，将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据。

一个实施例中，在执行上述S104之前，本发明实施例中提供的基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法还可以通过如下步骤来构建斯塔克尔伯格博弈模型：根据各个主体对象的历史石油产量数据，确定各个主体对象的石油产量弹性系数；根据各个主体对象的石油产量弹性系数，构建斯塔克尔伯格博弈模型。

例如，对于第一主体对象和第二主体对象，构建基于交叉石油产量弹性系数的博弈模型：

设置石油逆需求函数：

p(Q)＝a-Q (14)

Q＝q

其中，p表示第一主体对象制定的石油价格；Q表示石油系统的总石油产量；q

为了表征OPEC与非OPEC之间的博弈关系，本发明实施例中引入了石油产量的交叉弹性系数β，用于表征第一主体对象的石油产量发生变化的情况下，第二主体对象的石油产量变化情况；其表达式为：

其中，

根据博弈论中的逆推归纳法，利用Stackelberg模型，考虑在OPEC成员国的控制下，非OPEC成员国作为价格的接受者，在石油供给市场上如何选择自身的产量。本发明实施例中给出了非OPEC成员国的利润函数，如下：

π

根据利润函数最大化：

得到：

根据非OPEC国家产量的估计，OPEC成员国将制定自身的产量，其利润函数为：

π

根据利润函数最大化：

将

将式(23)带入式(19)，得到：

由于博弈模型中存在博弈关系，这种关系导致效率降低，即

其中，q

以OPEC与非OPEC石油产量预测为实例，下面结合图2和图3来说明本发明实施例中基于斯塔克尔伯格博弈模型，对OPEC与非OPEC石油产量进行预测的实现流程，包括如下步骤：

利用哈伯特函数拟合历史产量与时间关系，得到哈伯特产量预测模型。

①根据OPEC历史产量与可采储量，测算出OPEC的哈伯特产量预测模型，获取参数取值；

②对比OPEC历史产量与根据哈伯特模型测算OPEC产量，调整参数取值范围，使得OPEC历史产量与哈伯特模型测算的OPEC产量匹配；

③最终确认哈伯特模型的参数，将确定参数带入模型中，得出OPEC未来产量趋势；

④根据非OPEC历史产量与可采储量，测算出非OPEC的哈伯特产量预测模型，获取参数取值；

⑤对比非OPEC历史产量与根据哈伯特模型测算非OPEC产量，调整参数取值范围，使得非OPEC历史产量与哈伯特模型测算的非OPEC产量匹配；

⑥最终确认哈伯特模型的参数，将确定参数带入模型中，得出非OPEC未来产量趋势；

⑦分析历史OPEC与非OPEC产量弹性系数，设定弹性系数，该参数决定了OPEC与非OPEC之间的博弈关系；

⑧将资源约束下的OPEC与非OPEC产量带入Stackelberg模型中，测算出博弈关系下OPEC与非OPEC产量。

图4示出了OPEC在资源约束与博弈关系下的石油产量预测结果(横坐标为时间，单位为天)；图5示出了非OPEC在资源约束与博弈关系下的石油产量预测结果(横坐标为时间，单位为天)；由图4和图5可以看出，在资源约束下产量与在博弈关系下产量存在较大差异，博弈关系下的OPEC产量低于资源约束下的OPEC产量，博弈关系下的非OPEC产量高于资源约束下OPEC产量。OPEC其成立的宗旨是协调和统一各成员国的石油政策，并确定以最适宜的手段来维护成员国之间的共同利益。OPEC成员国通过减产协议推动油价上涨，从而影响国际原油市场。从测算结果看，博弈关系下OPEC产量低于资源约束下的OPEC产量，也反映了目前的实际情况。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法相似，因此该装置的实施可以参见基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法的实施，重复之处不再赘述。

图6为本发明实施例中提供的一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测装置示意图，如图6所示，该装置包括：历史石油产量数据获取模块61、石油产量模型确定模块62、资源约束石油产量预测模块63和博弈关系石油产量预测模块64。

其中，历史石油产量数据获取模块61，用于获取石油系统中各个石油主体对象的历史石油产量数据；石油产量模型确定模块62，用于基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型；资源约束石油产量预测模块63，用于利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据；博弈关系石油产量预测模块64，用于将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据。

在一个实施例中，上述石油产量模型确定模块62还用于根据每个主体对象的历史石油产量数据，利用哈伯特函数拟合历史石油产量与时间的关系，得到每个主体对象的哈伯特产量预测模型；以及利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象的石油产量数据，通过对比每个柱体对象的历史石油产量数据和预测出的石油产量数据，不断调整模型参数，直到每个主体对象的历史石油产量数据与预测出的石油产量数据一致。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测装置还可以包括：博弈模型确定模块65，用于根据各个主体对象的历史石油产量数据，确定各个主体对象的石油产量弹性系数；以及根据各个主体对象的石油产量弹性系数，构建斯塔克尔伯格博弈模型。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有技术中基于统计学的石油产量预测方法，无法体现石油系统中宏观博弈关系，导致预测结果不准确的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术中基于统计学的石油产量预测方法，无法体现石油系统中宏观博弈关系，导致预测结果不准确的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法的计算机程序。

综上所述，本发明实施例中提供了一种基于斯塔克尔伯格博弈模型的石油产量预测方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，在获取到石油系统中各个主体对象的历史石油产量数据后，基于哈伯特函数，根据每个主体对象的历史石油产量数据，构建每个主体对象的哈伯特产量预测模型，进而利用每个主体对象的哈伯特产量预测模型，预测每个主体对象在资源约束下的石油产量数据，将各个主体对象在资源约束下的石油产量数据，输入到预先构建的斯塔克尔伯格博弈模型中，输出各个主体对象在博弈关系下的石油产量数据，与现有技术中基于统计学的石油产量预测方案相比，本发明实施例基于斯塔克尔伯格博弈模型对石油产量进行预测，考虑了石油市场的宏观博弈关系，能够更加准确地预测出未来石油产量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。