基于STELLA軟件的海洋經濟可持續發展系統動力學模型研究＊

狄乾斌，徐東升，周樂萍

（遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心 大連 116029）

基于STELLA軟件的海洋經濟可持續發展系統動力學模型研究＊

狄乾斌，徐東升，周樂萍

（遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心 大連 116029）

海洋經濟可持續發展涉及社會、經濟、資源和環境等眾多因素，是一個龐大的復雜系統。構建系統動力學仿真模型，為解決這樣復雜系統中多因子相互作用問題提供了一種有效手段。文章在簡要介紹系統動力學方法及其工具軟件基礎上，分社會子系統、海洋經濟子系統、海洋資源與環境子系統3個模塊，構建了海洋經濟可持續發展的系統動力學模型，以推動系統動力學在海洋經濟研究中的應用。

海洋經濟可持續發展；系統動力學；STELLA軟件

海洋經濟可持續發展是可持續發展概念在海洋領域的體現，是促進海洋經濟、社會、海洋資源和環境協調發展的戰略思想，即以海洋資源的可持續利用和良好的海洋生態環境為基礎，以海洋經濟可持續發展為中心，以謀求社會的全面進步為目標的發展模式［1］。從海洋經濟可持續發展的定義來看，海洋經濟可持續發展系統涉及一個地區或國家之間的海洋資源與環境、經濟和社會等諸多因素，是一個復雜的動態系統。從系統論的觀點來看，海洋經濟可持續發展是人與自然、環境交互作用的集中體現，海洋生態、經濟、社會要素之間相互作用、相互聯系構成了一個涉及眾多因素的、動態的和存在多重反饋聯系的復雜社會經濟系統。目前研究社會經濟系統最常用的方法有投入產出、目標規劃、經濟計量和系統動力學建模等，前3種方法都是以線性代數為基礎，解決不了技術變化和投入產出中的時滯等一系列動態問題。系統動力學基于信息反饋的機制，通過對現實系統結構和功能的模擬分析，提供解決問題的方法和途徑［2］。

1 STELLA系統建模仿真軟件簡介

系統動力學（SD）可以定性（qualitative）和定量（quantitative）地構建模型。口頭描述和因果環圖（causal loop diagram）可以定性地描述系統；棧一流圖（stock－flow diagram）可以定量地描述系統。為了實現定量地描述系統并模擬運行系統隨時間展開的動態性，相應的計算機軟件是必需的，所以從一開始SD方法就和數字計算機仿真結合緊密。自20世紀60年代開發出第一代仿真軟件Dynamo后，尤其是20世紀80年代中后期，可用于計算機的仿真軟件陸續問世，如，面向模型（模型結構對用戶開放）的軟件：STELLA、Vensim、Professional Dynamo等［3］。STELLA軟件是一種基于系統動力學的管理決策建模仿真軟件，也是第一個允許圖形模式輸入的仿真軟件。它的主要目的是幫助人們重塑思考方式，拋棄以前局部的、靜態的思考方式，讓人們以整體的、系統的觀點來思考問題。

1.1 STELLA軟件的特點［4］

1.1.1 簡潔明了的層次結構

高層結構（high level）：是系統結構的整體反映。它把系統分為互相關聯的子系統，從而保證使用者能從整體上把握其研究的系統。

圖層結構（graph）它是整個系統模型的核心，是構造系統模型的主要空間。它的結構決定了模型的實質與函數層的數據結果。圖層結構含有4種基本的語言符號：棧（stock）、流（flow）、數據轉換器（converter）及連接器（connector），如圖1所示。

圖1 STELLA圖層結構4種基本語言符號

函數層結構（function level）：包含模型中各變量之間的邏輯和數學關系。這些關系可用代數方程、各種變化曲線，或者邏輯函數來表示。

STELLA圖層的4個基本語言符號中最主要的是棧和流。棧表示積累，也表示系統所處的狀態；流表示系統的活動，如，物質流、資金流和信息流等；數據轉換器表示各種數據序列、代數關系，或常數；連接器表示棧、流和數據轉換器3者之間的關系或傳遞信息。

1.1.2 動態交互的系統演示過程

受外界的各種約束條件、長期以來形成的經驗以及直接判斷事物的習慣和研究對象的復雜程度等因素的束縛，人們有時很難了解系統中的結構影響行為的真相。但人腦一般具有較強的分析事物結構的能力。STELLA可以將人們頭腦中所思考的事物結構轉換成模型，并動態模擬事物的行為模式。通過4種基本的語言符號來描述人們頭腦中構思的系統結構，輸入必要的數學關系和參考數值，就可以在計算機上模擬出事物的動態發展過程。

1.1.3 強有力的數學背景支持

STELLA背后有一個結構嚴謹的數學模型體系，它是以常微分方程組的形式來實現的。使用者不需直接構造艱深的數學方程式，只需通過圖形化的語言方式來確定模型中各變量之間的關系（函數層中的數學關系），輸入特定變量的初值，然后運行模型就可以得到所需變量的數值或者變化曲線了，因為復雜的數據運算工作完全是由計算機在后臺操作。

STELLA算法的一般步驟是：①按照一定的順序產生棧、流和數據轉換器的順序列。②計算棧、流和數據轉換器的初值。③根據計算步長和給定時間范圍來計算和更新各個變量的值。

1.2 STELLA軟件系統建模的步驟［5］

STELLA的具體建模步驟遵循由簡到繁、由淺入深和由部分到整體的原則，步驟如下。

（1）確定問題（focus the effort）：主要是指在建立模型之前明確所要分析的問題，并設定一個簡明的目標，它要解決什么問題、范圍有多大等。

（2）構建高層結構圖（mapping）：高層結構圖（high level）是由子系統（或者一些關鍵因素）組成的。這一步要求把所分析的系統劃分為若干子系統，然后把每個子系統中的關鍵因素找出來，子系統的數量不宜太多。

（3）構建系統詳細結構圖（modeling）：對模型進一步的細化，其中包括連接子系統之間的各種關系，對變量進行定義和初始化，定義變量之間的關系等。主要分4個步驟：①確定流跟棧之間的關系；②定義各個流的代數方程；③尋找閉環鏈，確定反饋鏈之間的關系；④對參數進行賦初值和初始化。

（4）仿真運算（simulation）。

（5）擴展模型（challenge）：主要是看模型在多大程度上能解決實際問題。深度擴展：看模型中的流和變量的代表性是不是足夠充分，有沒有一些細節性的問題、變量沒有考慮到；廣度擴展：看模型所包括的范圍是不是足夠全面，它所能解決的問題具有多大的普遍性。

2 基于STELLA軟件的海洋經濟可持續發展系統動力學模型

2.1 我國海洋經濟可持續發展面臨的問題

問題是指系統內部存在的矛盾、相互制約與作用以及產生的結果與影響，建模的目的就在于研究這些問題，并尋求解決它們的途徑［6］。我國是一個發展中的海洋大國，海域自然環境和資源條件非常優越。從20世紀80年代初到2009年，全國主要海洋產業總產值連翻7番多，2009年已達到31 964億元，海洋產業增加值達到18 742億元，相當于同期國內生產總值的5.5%，海洋經濟已成為國民經濟重要的增長點［7］。但在經濟快速增長的同時也存在資源浪費、環境污染和掠奪式經營等問題，尤其是由于污染海域，海洋生態環境遭到破壞，嚴重制約了海洋經濟可持續發展。

2.2 構建海洋經濟可持續發展系統模型高層結構圖

構建系統模型的指導思想是用盡可能簡單的模型來描述系統結構，而構造高層結構圖的指導思想則是簡單、概括，即抓住系統的關鍵性流程，建立系統內的高層關系。由于海洋經濟可持續發展系統包含的因素較多，為便于分析，可以將海洋經濟可持續發展系統劃分為社會子系統、海洋經濟子系統、海洋資源和環境子系統3個子系統，每個子系統都有自己的結構特點和獨特功能，其中一個子系統的輸出是其他子系統的輸入，子系統之間彼此聯系。

在海洋經濟可持續發展系統中，①要考慮的是人口因素。人是進行生產活動的主體，人口的消費需求是刺激和推動經濟生產的根本原因，提高人口生活質量和生活水平是海洋經濟可持續發展的根本目的，人口在海洋經濟可持續發展中處于核心地位。②海洋經濟生產是推動海洋經濟可持續發展系統演變和進化的動力，是實現海洋經濟可持續發展的中心。③海洋資源是進行海洋經濟生產的物質基礎，資源承載力直接影響海洋經濟生產活動。最后，海洋經濟可持續發展系統中還應包括科技因素。科學技術作用于生產部門，可以提高生產力水平，創造更多物質財富和經濟價值；作用于環境保護部門，可以提高環境保護能力，提供良好的生活環境，同時促進海洋資源再生，更好地實現海洋的可持續發展。到這里，可以得到海洋經濟可持續發展系統的高層結構圖（圖2）。

圖2 海洋經濟可持續發展系統高層結構

2.3 海洋經濟可持續發展系統的因果關系圖

因果反饋關系圖可用于幫助分析系統內各因素的相互影響關系，在此只考慮海洋經濟可持續發展系統內主要因素的影響，略去了次要因素的影響。由于正反饋聯系使系統內各因素的變化加強和放大，既是系統不穩定的原因，也是系統得以發展和進化的動力。

從對系統內的主要因果關系分析中可看出，正反饋回路是系統的主要反饋回路，說明在不考慮子系統間相互影響時，各子系統發展都偏向于不穩定，敏感于子系統的初始變化。而系統間的負反饋回路是使整個系統平衡、穩定的原因，要使整個系統在和諧的狀態下進化發展，需要對正、負反饋回路進行綜合分析，找出制約發展的敏感變量。經分析，海洋經濟可持續發展系統的因果關系如圖3所示。

圖3 海洋經濟可持續發展系統因果關系

2.4 海洋經濟可持續發展系統模型詳細結構圖

根據以上對海洋經濟可持續發展系統高層結構與系統內因果反饋關系的分析，下面采用STELLA軟件編制模型詳細結構圖。這一步驟主要是利用棧、流、數據轉換器及連接器等圖層結構的4種基本語言符號來構建模型以確定模型的結構與函數層的變量關系等。

（1）社會子系統模塊。社會子系統提供海洋經濟生產所需要的勞動力，提供經濟生產和環境保護的技術水平支持，以及各種宏觀的經濟、資源和環境保護管理政策，它包括人口、就業率、人均收入和技術等方面。其中人口的發展和技術進步在整個系統中處于支配地位，通過影響和支配生產來決定系統中各要素的地位、作用和相互關系，而就業率和人均收入的變化可以作為海洋經濟可持續發展的衡量指標。因此，在設計社會子系統模塊時主要考慮人口、就業率、人均消費以及技術投資等影響因素，引用該模塊時可以考慮人均消費基金對人口增長的影響、GDP對勞動力的影響、技術進步對GDP變化的影響等（圖4）。

圖4 社會子系統模塊流程

（2）海洋經濟子系統模塊。此系統推動著整個海洋經濟可持續發展系統的進化發展，海洋經濟的發展程度受到海洋資源與環境承載力水平的制約，對資源環境的索取超過一定的允許值，人類的經濟活動與社會行為就會受到自然資源規律的懲罰。生產能力是整個系統發展的原動力，產業投資及技術水平反映了社會子系統的支持。同時，經濟活動的作用是雙向的，一方面不可避免地帶來資源消耗、環境污染；另一方面也為自然資源的再生、環境的改造提供經濟支持。因此，在設計海洋經濟子系統模塊時，主要考慮海洋產業增長率、產業投資率、技術進步貢獻率及人均消費等因素（圖5）。

圖5 海洋經濟子系統模塊流程

（3）海洋資源與環境子系統模塊。海洋經濟可持續發展系統是以海洋資源和環境為物質基礎的。海洋資源和環境的狀況不僅影響系統的整體功能和運行，而且對系統的發展方向和過程也起到重要的作用。過去被人們的各種經濟活動無節制地消耗所造成的資源和環境惡果，使人們意識到資源和環境有其基本承載力，它決定了社會經濟活動的規模與范圍。在設計海洋資源與環境子系統模塊時，主要考慮資源再生與資源總量的關系，以及海洋環境對資源再生的影響（圖6）。

圖6 海洋資源與環境子系統模塊流程

最終的海洋經濟可持續發展系統動力學模型見圖7。

圖7 海洋經濟可持續發展系統動力學模型流程

3 討論與展望

系統動力學仿真模型是對現實系統結構和功能的模擬，模型的建立是一個不斷向真實系統逼近的過程。STELLA系統仿真軟件是目前逐漸展開應用的建模軟件，它把系統內的一系列反饋關系用圖形化表示出來，表現直觀、易于理解，顯示出系統模擬在處理可持續發展系統問題上的優越性。但限于作者的水平和經驗，以及資料來源的局限性，筆者在構建海洋經濟可持續發展的系統動力學模型時，只對影響海洋經濟可持續發展的主要因素做出分析，而海洋經濟可持續發展系統是非常復雜的大系統，模型有待于在實際應用中不斷細化和完善。同時，鑒于應用仿真軟件能力還比較膚淺，未能開展海洋經濟可持續發展系統動力學實證分析，這需要在今后的工作中進一步研究完成。

［1］ 張德賢.海洋經濟可持續發展理論研究［M］.青島：中國海洋大學出版社，2000：15－16.

［2］ 殷克東.可持續發展的系統仿真研究［J］.數量經濟技術研究，2002（10）：61－64.

［3］ 王其潘.系統動力學［M］.北京：清華大學出版社，1994：25－27.

［4］ COSTANZA R，GOTTLIEB S.Modeling ecological and economic systems with STELLA：PartⅡ［J］.Ecol Mod，1998，112（2）：81－84.

［5］ 成洪山，王艷，李韶山，等.系統動力學軟件STELLA在生態學中的應用［J］.華南師范大學學報：自然科學版，2007（3）：126－131.

［6］ 杰拉爾德·溫伯格.系統化思維導論［M］.張佐，譯.北京：清華大學出版社，2003：50－52.

［7］ 國家海洋局.2009年中國海洋經濟統計公報［R］.2010.

教育部人文社科重點研究基地項目基金（10JJD790015）；教育部人文社會科學研究青年基金（10YJC790045）.