輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的系統(tǒng)動力學(xué)研究
——以連云港市為例

許長新，范東君，陸永泉

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合[1],是指輸水工程與其所處的港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間各自耦合元素之間相互作用彼此影響,并對區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)或者規(guī)模產(chǎn)生根本的擴(kuò)散效應(yīng)的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)動力學(xué)可以解決復(fù)雜系統(tǒng)的多重反饋、非線性等問題,而且適宜解決具有長期性和周期性的問題,因此,筆者采用系統(tǒng)動力學(xué)方法和理論解決輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)形成機(jī)制問題。

1 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的分析

1.1 耦合系統(tǒng)的邊界確定

系統(tǒng)的邊界并不是地理的邊界,而是從建模的目的出發(fā),把重要關(guān)系的變量包括進(jìn)系統(tǒng)。這時的系統(tǒng)仍然是開放的系統(tǒng),與外界的部分仍有信息和物質(zhì)的輸入及輸出[2]。輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)僅是復(fù)雜的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng),除了系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián),還與其他外部系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系,因此系統(tǒng)的邊界很模糊,不易確定。

為了研究的方便,確定模型的研究對象為江蘇省連云港市。模型的模擬的時間為2003年至2012年,基準(zhǔn)年為2003年,模擬時間間隔為1 a。

1.2 耦合系統(tǒng)的主因素確定

主因素在影響耦合系統(tǒng)及其子系統(tǒng)演化時起著關(guān)鍵性的作用,它決定了輸水工程及港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演化過程及演化方向。序參量對系統(tǒng)演化起著支配的作用,因此在耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型中,主因素應(yīng)當(dāng)包含序參量[3]。通過分析和歸納,輸水工程系統(tǒng)、港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的序參量主要體現(xiàn)在以下方面。

輸水工程系統(tǒng),主要包括水運需求、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總量、人均消費水平、總?cè)丝诹俊趧恿Α⑵渌\輸方式供給、其他運輸投資和輸水工程投資。

港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),主要包括港航運輸需求、港航供給、貨物積壓情況、區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量、人均GDP、技術(shù)進(jìn)步和資源承載力。

1.3 子系統(tǒng)主因素的分析

1.3.1 輸水工程系統(tǒng)

從輸水工程的角度來看,水運需求、輸水工程投資等主要因素和區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量、其他運輸方式的投資和供給的關(guān)聯(lián)性較高,由此導(dǎo)致生產(chǎn)總量、人均GDP的增加。輸水工程主要與城市區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平、人口量有關(guān)。如果經(jīng)濟(jì)水平提高(本文以GDP的增加顯示),則會產(chǎn)生很大的輸水工程需求,通過需求影響系數(shù)來表現(xiàn)(圖1)。具體分析如下:

① 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+凈遷移率提高)→(+總?cè)丝诹吭黾?→(+勞動力增加)→(+其他運輸方式供給增加)。

② 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總量增加)→(+水運需求提高)。

③ 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+其他運輸投資提高)→(+其他運輸方式供給增加)。

④ 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+人均GDP增加)→(+人均消費水平提高)→(+水運需求增加)。

圖1 輸水工程系統(tǒng)主因素

圖2 港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)主因素

1.3.2 港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)

港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)作為一個與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)聯(lián)度很大的系統(tǒng),效率主要體現(xiàn)為社會效益。因此,為了使經(jīng)濟(jì)能夠全面發(fā)展,政府必須保證港航經(jīng)濟(jì)的投入,才能增加港航供給。另外,還要考慮貨物積壓、投資短缺等會對港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生阻礙作用的因素,保證港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)合理有序的發(fā)展(圖2)。具體分析如下:

a.經(jīng)濟(jì)水平提高→+運輸需求增加→+港航運輸需求增加→+港航運輸能力短缺增加→+貨物積壓→-經(jīng)濟(jì)水平下降。

b.經(jīng)濟(jì)水平提高→+輸水工程投資增加→+港航投資增加→+港航能力增強(qiáng)→一港航運輸短缺減少→+貨物積壓減少→-經(jīng)濟(jì)水平提高。

c.港航供給增加→+港航運輸需求增加→+港航經(jīng)濟(jì)收益增加→+港航供給增加。

d.港航運輸需求增加→+港航運輸短缺增加→+港航運輸需求增加。

e.港航收益增加→+港航投資增加→+港航運輸能力提高→+資源占用量增加→-資源承載力降低→+港航供給降低→+港航收益降低。

1.4 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的系統(tǒng)因果關(guān)系

系統(tǒng)的構(gòu)造產(chǎn)生了系統(tǒng)的行為是系統(tǒng)動力學(xué)的基本觀點,而因果關(guān)系環(huán)是系統(tǒng)構(gòu)造的基礎(chǔ)[4]。因而系統(tǒng)動力學(xué)建模的關(guān)鍵是因果關(guān)系分析。因果關(guān)系能否準(zhǔn)確、全面地分析,也是解決所研究的輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展面臨問題的基礎(chǔ)[5]。通過分析輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展[6],可以看出輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、人才等方面的要素。根據(jù)輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的SD總體框架,給出整個系統(tǒng)的因果反饋圖,再對各個反饋環(huán)分別進(jìn)行分析(圖3)。

圖3 基本因果關(guān)系

2 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合關(guān)系的系統(tǒng)動力模型

2.1 SD模型的運行程序

確定輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合系統(tǒng)SD模型的參數(shù)。然后根據(jù)模型的運行目的,將系統(tǒng)動力學(xué)模型分為3個階段進(jìn)行[7]。

a.運用模型運行2003—2012年的數(shù)據(jù)資料,檢驗SD模型的有效性和真實性。

b.通過對系統(tǒng)模型運行過程中耦合程度的分析和評價,確定制約和影響系統(tǒng)耦合發(fā)展的因素。

c.確定了影響輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合發(fā)展的主要因素后,設(shè)計不同模式以改善耦合度。通過模擬運行不同的模式,預(yù)測2013—2020年耦合系統(tǒng)發(fā)展的情況。

變量的初始值以2003年為準(zhǔn),模擬步長為1年。

2.2 SD模型的運行程序中參數(shù)取值情況

系統(tǒng)動力學(xué)模型建立在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實性和穩(wěn)定性是分析、解決問題的前提條件,將直接影響分析結(jié)果[8]。對數(shù)據(jù)的搜集、估計和加工是耦合模型運行的基礎(chǔ),SD模型中的各種參數(shù)的搜集、估計和加工是建模的基礎(chǔ)[9]。SD模型中的各種數(shù)據(jù),在輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)中包括各種變化率、增加比等,有常數(shù)值、初始值等形式。為簡化模型參數(shù),隨時間變化不顯著的數(shù)據(jù)取常數(shù)值。采用如下估算方法[10]。

a.采用歷史統(tǒng)計資料的平均數(shù)[11]。如人口的出生率和死亡率、水運需求增長率、水運投資比轉(zhuǎn)換系數(shù)、非水運運輸方式投資比轉(zhuǎn)換系數(shù)等采用階段平均的方法得到。初始區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量受多種因素影響的指標(biāo),用表函數(shù)表示。

b.利用借鑒、類推、咨詢及修正方法[12]。采用類比推算、同性質(zhì)系統(tǒng)參數(shù)的借鑒及專家咨詢。由于沒有準(zhǔn)確的資料,運輸方式投資延遲時間、科技成果應(yīng)用增長值、港航運輸需求阻礙率等數(shù)據(jù),通過對全國同類型城市的資料,根據(jù)連云港市的特點進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

由于我國尚無有航運功能的輸水系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù),筆者只能根據(jù)連云港市的區(qū)域歷史值,用時間序列法、回歸分析法等方法來預(yù)測[13],并采用預(yù)測值的均值作為推薦值。

采用上述方法測算出輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

表1 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)參數(shù)

上述一些指標(biāo)說明如下:

①差異延遲:運輸方式的差異對經(jīng)濟(jì)發(fā)展而造成的延遲

②港航供給=港航供給增長率-港航供給消耗率

③運輸方式投資量=區(qū)域經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值×投資比率表

④運輸需求量=運輸需求增長率-運輸需求阻礙率

⑤需求系數(shù):GDP相對于運輸需求量的比例關(guān)系

⑥運輸投資效果=投資額×投資效果系數(shù)

⑦運輸能力消耗率=運輸供給×消耗系數(shù)

⑧運輸需求增長率=區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量×需求系數(shù)表(運輸供給能力,運輸需求量)

⑨運輸需求阻礙率=運輸需求增長率×運輸成本影響因子表(運輸成本)

⑩總運輸需求量=GDP×需求系數(shù)表

在實際社會經(jīng)濟(jì)的運行中,表函數(shù)的確定存在許多延遲和滯后,因而引入延遲函數(shù)和平滑函數(shù)[14]。如投資和產(chǎn)出之間就存在時滯,所以引入DELAY函數(shù)。

2.3 耦合系統(tǒng)的SD模型的模擬及結(jié)果檢驗

應(yīng)用模型之前,需要檢驗所建模型是否能夠客觀反映實際系統(tǒng)的狀況,對模型的有效性、真實性和可信度進(jìn)行評估[15]。為保證檢驗的公正性和全面性,在兩個子系統(tǒng)中根據(jù)輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的主要因素選取如下檢驗指標(biāo)。

港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)子系統(tǒng):港航供需情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)進(jìn)步。

輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的SD模擬結(jié)果見表2。

從表2中可以看出,大多數(shù)指標(biāo)的誤差比不超過士5%,說明所建的輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的SD模型比較正確地反映了我國輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)和功能。模型具有有效性、真實性和可信性[16]。

3 耦合系統(tǒng)的SD模型的輸出結(jié)果分析

運用調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)的方法調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行SD模擬分析[17],通過Vensim程序的運行結(jié)果,分析影響耦合系統(tǒng)發(fā)展的最主要因素。

表2 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)SD的運行結(jié)果與實際數(shù)據(jù)比較

3.1 運輸投資額對耦合系統(tǒng)的影響

運輸投資額對耦合系統(tǒng)的影響見圖4。

圖4 運輸投資額對耦合系統(tǒng)的影響

通過對港航運輸需求和港航供給量及運輸投資額之間的計算,運行系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn),運輸投資額的增加會帶來港航供給量以及水運供給量的增加,由此影響連云港市的經(jīng)濟(jì)總量。調(diào)整運輸投資額,即說將每年的運輸投資額增加50%,那么在不同年份的結(jié)果如圖4所示。運輸投資額對經(jīng)濟(jì)具有刺激作用,主要體現(xiàn)在:運輸投資額增加引起了港航供給和水運供給的增加,促使有關(guān)部門擴(kuò)大生產(chǎn)、提高效益,使得勞動者收入增加,收入增加后必然將自己的一部分增加收入用于消費,就使社會需求最終增加,其中也包括港航需求和水運需求的增加,這必然刺激各部門進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn),由此增加連云港市的GDP。調(diào)整每年的運輸投資額后的模式,經(jīng)濟(jì)增長最高時達(dá)到3.25%。對于調(diào)整后的參數(shù)低于原模式的值,是由于運輸投資額參數(shù)在未調(diào)整之前就已經(jīng)低于其他年份,增加1倍的情況下也同樣低于原模式的值,因此調(diào)整后的參數(shù)對連云港市區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量的影響會有低于原模式的情況。

3.2 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量對耦合系統(tǒng)的影響

一個地區(qū)的社會活動、經(jīng)濟(jì)活動與地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量密切相關(guān),同時也反映了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,因此,一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定了輸水工程和港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展,必然地與其經(jīng)濟(jì)總量有密切的關(guān)系。連云港市的整個地區(qū)的發(fā)展階段可以分為兩個階段,2007年前和2007年后,2008—2012年市經(jīng)濟(jì)總量的發(fā)展比較迅速,5年經(jīng)濟(jì)增長率分別達(dá)到21.4%、25.5%、26.8%、18.2%以及27.7%。

由于連云港市地處中國沿海中部的海州灣西南岸、江蘇省的東北端,北倚長6 km的東西連島天然屏障,南靠巍峨的云臺山,為橫貫中國東西的鐵路大動脈——隴海、蘭新鐵路的東部終點港,被譽為新亞歐大陸橋東橋頭堡和新絲綢之路東端起點,是中國中西部地區(qū)最便捷、最經(jīng)濟(jì)的出海口。特別是隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施,中西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對外貿(mào)易運輸量會更加迅猛增長,而從運輸線路合理、運輸時間節(jié)約、運輸成本降低等因素綜合考慮,連云港是與西部開發(fā)相配套的最佳外貿(mào)運輸口岸。因此對水運需求以及港航供給的需求較高,將區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量做一下調(diào)整來說明其對港航供給的影響。

在保證其他參數(shù)不變的情況下,將區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量每年增加10%,然后通過SD程序運行得到圖5的結(jié)果。結(jié)果顯示,當(dāng)連云港市區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加時,港航總額同比增加,貨運量也相應(yīng)地上升。根據(jù)連云港市2012年統(tǒng)計年鑒,年港航供給量為82 187.2萬t。SD運行結(jié)果還表明,港航供給和水運供給的關(guān)聯(lián)系數(shù)較大,是由于港航運輸產(chǎn)品絕大多數(shù)采用水運。

圖5 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量對耦合系統(tǒng)的影響

3.3 其他指標(biāo)對耦合系統(tǒng)的影響

通過模型的運行發(fā)現(xiàn),勞動力數(shù)量以及人口總量對于輸水工程以及港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響相對穩(wěn)定,根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)“模型結(jié)構(gòu)決定行為”的理論,初步判斷出相對穩(wěn)定的區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增長比等參數(shù)就是決定耦合系統(tǒng)行為的模型結(jié)構(gòu)變量,如果對耦合系統(tǒng)作一些調(diào)整,改變這些參數(shù),就會很大程度上影響對系統(tǒng)的GDP、港航供給等決定耦合系統(tǒng)程度的評價結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù),通過系統(tǒng)動力學(xué)的輔助關(guān)聯(lián)模型分析,運輸投資額影響因素關(guān)聯(lián)度較大的除區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量外還有運輸方式投資額。這是由于連云港市正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段,社會固定資產(chǎn)投資總額占GDP的比重較大,投資額要轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的投資設(shè)備需要通過運輸,同時這些投資設(shè)備又轉(zhuǎn)化為下一期的現(xiàn)實生產(chǎn)能力,生產(chǎn)大量成品。其他各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)不大,其原因是由于港航投資額受外界大環(huán)境影響干擾度小,這些不便于用數(shù)量表示的環(huán)境因素尚未考慮。

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