基于系統動力學的區域經濟系統可持續發展模型研究

戴鐵軍，趙迪

基于系統動力學的區域經濟系統可持續發展模型研究

戴鐵軍，趙迪

（北京工業大學循環經濟研究院，北京100124）

針對區域經濟系統具有動態性、復雜性等特點，研究運用系統動力學方法，通過系統結構分析，將區域經濟系統劃分為4個子系統：經濟子系統、人口子系統、資源子系統、環境子系統，并闡述了區域經濟系統可持續發展因果反饋機制，各子系統的特點及變量選取。依托Vensim ple軟件繪制因果關系反饋圖和模型流圖，構建了區域經濟系統可持續發展系統動力學模型，為制定區域經濟系統可持續發展戰略提供理論基礎和技術支持。

區域經濟系統；系統動力學；可持續發展

區域經濟系統可持續發展涉及資源、環境、經濟、人口等多方面內容，近年來，一方面經濟的發展和人口數量的增加，使得資源生產利用的規模不斷擴大，污染物排放強度增大；另一方面經濟和人口的增長引起的資源衰竭和環境污染問題逐漸制約了經濟和社會的發展。經濟快速發展與資源消耗、人口增長、環境污染之間的矛盾日益明顯［1］，如何有效地協調它們之間的關系，是當前區域經濟系統可持續發展面臨的主要問題。

區域經濟系統是一個復雜的巨系統，由多個相互關聯的子系統組成，其內部影響因素繁多，具有動態、高階、非線性、多重反饋等特性［2-3］。而系統動力學（System dynamics，SD）作為一種通過結構功能分析和信息反饋技術研究解決復雜動態性系統問題的計算機模擬方法，最適用于復雜系統的機構、功能與行為之間動態的辯證對立統一關系的定量研究［4］，自1956年由美國麻省理工學院的福瑞斯特（Forrester）教授提出以來，已廣泛應用于產業［5-6］、城市發展［7-10］、生態系統［11-12］等大型復雜系統的可持續發展研究。

基于以上分析，系統動力學適合用于區域經濟系統這種長期的、具有戰略性的時變系統研究。運用系統動力學方法，結合區域經濟系統可持續發展和循環經濟思想，構建區域經濟系統的系統動力學模型，為其可持續發展提供理論指導和技術支撐。

1　系統動力學模型構建

1.1模型總體結構分析

區域經濟系統的研究對象主要包括經濟發展、人口總量、資源數量、環境質量4個要素，它們之間的和諧程度反映了區域經濟系統的可持續發展能力。基于此，確定區域經濟系統的結構層次，將該系統分解為經濟、人口、資源、環境4個子系統。經濟子系統對整個系統的發展起推動作用；人口子系統對經濟的發展起能動作用；資源子系統作為經濟發展的物質條件，對系統起到基礎支撐的作用；環境子系統是經濟發展的承載子系統，資源的開發利用、人口的增長、污染物的排放等應維持在環境承載力之內。每個子系統的運行不僅取決于其內部的結構，更取決于它與外部的聯系，子系統的變動情況可反饋至其他子系統。各個子系統之間是相互促進、相互制約的，共同實現系統的整體功能。

1.2因果反饋分析

系統動力學注重系統內因素之間的關系與信息反饋，因果關系是建立系統動力學模型的基礎，它用以描述系統內各影響因素之間的相互作用，反映了動力學系統的基本結構。各要素間一系列因果關系作用鏈組成的閉合回路構成了系統的因果反饋回路，通過因果反饋關系將復雜系統用簡潔的方式表達出來。因果反饋回路分為正反饋和負反饋兩種。正反饋回路是指回路中任何一個因素的增加或減少通過一系列正負反饋作用，引起最初因素不斷增加或減少，呈加強型；負反饋回路指回路中任何一個因素增加或減少通過一系列正負反饋作用，引起最初因素反向減少或增加［13］，呈穩定型。

通過上述定性分析區域經濟系統結構和各子系統之間的因果關系，在不斷調試后，運用Vensim ple軟件繪圖得到區域經濟系統可持續發展因果關系圖，如圖1所示。

圖1　區域經濟系統可持續發展系統動力學因果關系圖

主要的因果反饋回路如圖1所示（“+”表示正反饋關系，“-”表示負反饋關系）。

（1）GDP→+工業增加值→+污染物排放→-環境質量→+GDP。

地區生產總值增加，工業產值隨之增長，同時帶來污染物排放的增長，使環境污染問題日益嚴重，當環境質量退化到一定程度，會對經濟產生負作用限制經濟的增長，形成負反饋回路。

（2）GDP→+環保投入→+污染物處理量→-污染物排放→-環境質量→+GDP。

經濟的增長促使政府加大環保治理投資，產生的污染物得到有效治理，從而污染物排放量減少，環境質量得到提升，促進經濟的發展，形成正反饋回路，保證區域經濟與環境的可持續發展。

（3）人口→+消費需求→+GDP→+勞動力需求→+人口。

居民的消費需求隨人口數量的增加而增長，消費需求的增加促進經濟的增長，導致勞動需求的增加，潛在的外來就業需求增加，人口遷入量增多使人口總量增加，形成正反饋回路。

（4）人口→+消費需求→+GDP→+優化產業結構→+勞動生產率→-人口。

人口數量增長，社會消費需求隨之增加，帶動地區生產總值增長，經濟的發展有利于優化產業結構，努力發展現代產業，提升區域整體的勞動生產率從而減少對勞動力的需求，最終導致總人口減少，形成負反饋回路，保證區域經濟和人口的可持續發展。

（5）人口→+消費需求→+資源消耗→+污染物排放→-人口。

人口總量增加，消費需求增大，資源消耗隨之增加以滿足其需求，同時使污染物排放量增多，環境質量降低，對人體健康產生危害，導致總人口減少，形成負反饋回路。

（6）GDP→+資源消耗→-資源供給能力→+GDP。

經濟的發展需要資源消耗作為支持，而資源消耗強度過大會造成資源短缺，使資源的供給能力下降，從而制約了經濟的發展，形成負反饋回路。

（7）GDP→+科技投入→+技術水平→+物質生產力→-資源消耗→-資源供給能力→+GDP。

總產值的增加促進政府加大科技投入，科技投資的增加提高了科技水平，使物質生產力得到提升，同等產值水平下物質投入量減少，有效地降低了資源消耗，資源余量增加，提高了資源供給能力，促進經濟的發展，形成正反饋回路，保證區域經濟和資源的可持續發展。

（8）GDP→+優化產業結構→-資源消耗→-資源供給能力→+GDP。

地區生產總值的增加有利于產業結構的優化升級，大力發展低能耗高產值產業，降低高能耗低產值的產業比例，使資源消耗量降低，資源的供給能力升高，促進經濟的發展，形成正反饋回路，保證區域經濟和資源的可持續發展。

1.3子系統描述

1.3.1經濟子系統

經濟的發展為其他子系統的發展提供資金的支持，但隨著經濟的不斷發展，資源環境遭到了破壞，反過來影響了經濟的發展；另一方面經濟的發展也會影響區域內人口的遷移。經濟子系統主要研究區域經濟發展對人口、資源、環境的影響，其中產業結構是經濟子系統中的主要環節，它的構成在很大程度上決定了資源消耗強度、環境污染排放強度和人口增長速度。

在經濟子系統中，涉及的變量主要包括：GDP，GDP年增長量，第一產業產值，第二產業產值，第三產業產值，現代服務業產值，傳統服務業產值，各產業產值占比，人均GDP，其中設定GDP為狀態變量，GDP年增長量為速率變量。值得說明的是，這里將第三產業進一步劃分為現代服務業和傳統服務業來更加準確地研究產業結構對其他子系統的影響。

1.3.2人口子系統

人口是區域經濟系統可持續發展的能動因素，人口越多，消費需求增長帶動經濟的發展，但區域經濟系統的人口承載力是有限的，人口總量過多會造成區域資源環境的不堪重負。人口子系統主要研究系統內人口總量變化的影響因素及其適度規模，其變化主要受到自然增長和機械遷移兩個因素的影響，自然增長包括出生率和死亡率兩方面；機械遷移主要考慮產業結構變動對勞動力需求的影響而引起外來人口的流入。

在人口子系統中，涉及的變量主要包括：人口總量，人口自然增長率，一產勞動力，二產勞動力，現代服務業勞動力，總勞動力需求，一產勞動生產率，二產勞動生產率，現代服務業勞動生產率，傳統服務業勞動生產率。

1.3.3資源子系統

資源是區域經濟系統發展的物質能量基礎，資源的過度消耗會造成資源短缺和環境污染等問題，制約經濟的發展。優化產業結構，合理的開發利用資源，控制資源消耗量是區域可持續發展的必要條件。資源子系統主要研究資源投入量變化趨勢，探討了產業結構和科技進步對資源投入總量的影響。

在資源子系統中，涉及的變量主要包括：資源投入總量（DMI），資源投入年增長量，資源消耗量（DMC），物質生產力（GDP/DMI），人均物質投入量，科技投入，科技投入比。其中設定資源投入總量為狀態變量，資源投入年增長率為速率變量。

1.3.4環境子系統

環境與經濟既相互依存又相互制約，環境是人們賴以生存的場所，而人口、經濟、資源子系統產生的污染物排放到環境中，環境污染會降低環境承載力，因此，控制污染物的排放，提高環境質量是可持續發展的主要任務。環境子系統主要研究污染物產生、處理和排放的機制，探討在一定的經濟增長速度和環保投資水平下，區域經濟系統的環境污染程度以及對經濟發展帶來的影響。系統中污染物的排放主要來自4個方面：水體污染物、大氣污染物、固體廢棄物和耗散性物質。環保投資的比例和污染物處理成本決定了污染物處理能力，污染物的治理量越大，污染物的排放量越小。

在環境子系統中，涉及的變量主要包括：水體污染物產生量，水體污染物處理量，水體污染物排放量，大氣污染物產生量，大氣污染物處理量，大氣污染物排放量，固體廢棄物產生量，固體廢棄物處理量，固體廢棄物利用率，耗散性物質及生活垃圾排放量，環保投資，水體污染物治理投資，大氣污染物治理投資，固體廢物治理投資，萬元GDP污染物產生量，單位污染物治理成本，環境效率（GDP與污染物排放總量的比值）。

1.4結構模型圖

通過上述主要變量因果關系分析與子系統設計的基礎上，運用Vensim ple軟件繪制出區域經濟系統可持續發展系統動力學模型流圖如圖2所示。

圖2　區域經濟系統可持續發展系統動力學模型流圖

區域經濟系統可持續發展模型由經濟子系統、人口子系統、資源子系統、環境子系統4大系統構成，該系統是由各要素組合并相互作用的有機整體，在經濟發展和人口增長的同時，也要合理開發利用資源和保護生態環境，因此，把握住各要素對整個系統的影響以及彼此之間的關系，才能實現區域經濟系統的可持續發展。

2　結論

通過對區域經濟系統可持續發展系統動力學模型研究，可得出以下結論。

（1）運用系統動力學方法構建區域經濟可持續發展模型，可充分發揮其善于描述復雜系統的特性，直觀地反映了區域經濟系統經濟、人口、資源、環境各要素之間的結構。

（2）基于系統動力學理論對區域經濟系統進行因果關系分析，可以看出經濟子系統、人口子系統、資源子系統、環境子系統各要素間存在著復雜的交互因果反饋作用，這是構建系統動力學模型的基礎。

（3）在詳細的結構分析和功能設計的基礎上，提出區域經濟系統可持續發展的理論模型，為制定區域經濟系統可持續發展戰略提供技術支持，為進一步的實證研究奠定了基礎。

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Research on system dynamics model of regional economic system sustainable development

DAI Tiejun，ZHAO Di
（Institute of Recycling Economy，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In view of the characteristic of the regional economic system with dynamic and complex，the research uses system dynamics method.The regional economic system is divided into four subsystems including economic subsystem，population subsystem，resource subsystem and environment subsystem through analysis of system structure.The research expounds the cause and effect feedback mechanism of sustainable development of regional economic system，the characteristics of each subsystem and the selection of variables.The paper draws causal feedback model diagram and flow chart relying on the Vensim ple software to construct the system of regional economy sustainable development based on system dynamics，providing theoretical guidance and technical support for the formulation of the strategy of sustainable development in regional economic system.

regional economic system；system dynamics；sustainable development

F062.2；X24；X32

A

1674-0912（2016）09-0007-04

2016科技創新服務能力建設——首都資源循環材料技術協同創新中心（2011協同創新中心）（009000546616016）；北京市教育委員會社科計劃重點項目（SZ201610005002）

戴鐵軍（1964-），男，河北唐山人，博士，教授，研究方向：循環經濟與產業生態學。

（2016－04－21）