基于系統動力學的港城耦合系統可持續發展研究
——以青島港為例

文/陳艷 呂云翔 謝亞雯

1.引言

“21世紀海上絲綢之路”戰略構想提出以來，隨著國際貿易交易量的增長，港口作為水陸運輸的關鍵樞紐也再次蓬勃發展起來。港口的迅猛發展也為港口城市帶來了資源開發無序、資源消耗產生的環境污染等一系列港口建設問題[1]。港口與其所在城市是相互依存的耦合體[2]，對港城耦合系統可持續性發展的探索有助于推動我國港口與城市之間的良性互動，實現港口與城市全面協調、可持續性發展。

對港城耦合系統可持續性發展問題的研究大致分為三個方向：第一個方向是港口與城市在經濟層面的互動發展研究，包括港口發展帶動城市GDP提高、城市經濟對港口發展的促進作用以及二者之間的互動關系研究，對此類問題的研究主要運用Huff模型[3]、耦合度協調模型[4]、DEA和偏相關分析[5]、系統動力學模型[6]、變參數狀態空間模型[7]。第二個方向是從社會層面，探討港口企業及港口相關服務企業的活動對就業的直接影響，港口對勞動人口就業和社會凈產值的貢獻[8～10]。第三個方向為港城的環境績效與管理問題，從系統動力學模型[11～12]、復合系統[13]，到目前結合最優控制模型和增長協同機制混合算法[14]，研究港口與城市綠色低碳增長發展機制，使實現港口城市經濟最大化的綠色增長。

當前國內外相關研究存在兩個方面的問題：一是將經濟系統、社會系統、環境系統孤立開來，僅就其中一個系統進行單獨研究，忽略了三個系統之間的內在聯系和相互影響。在可持續發展中應考慮并找到經濟因素、社會因素、環境因素的平衡點[15]。考慮經濟利益的同時，還考慮在可持續發展過程中獲得的社會效益和環境效益[16]。二是忽略了政策對港口和城市發展的導向性作用。政策是促進經濟系統、環境系統、社會系統發展和平衡的重要保障[17]。自“21世紀海上絲綢之路”戰略構想提出以來，各方學者對“21世紀海上絲綢之路”戰略與港口城市發展之間的聯系進行探討，但大部分研究仍處于理論階段，實證研究比較少見。

港城耦合系統的本質特點是動態性，包含多個子系統，而這些子系統內部所產生的自校正、自增強效果均影響著港口城市的可持續性發展效果。港口不僅和社會、經濟、政策相關，而且也與生態環境和資源緊密相連[18]，所以本文運用系統動力學的方法，將經濟系統、社會系統、環境系統作為三個子系統構成港城耦合綜合系統，并將促進港城可持續性發展的政策因子融入模型，全面、客觀地分析港城耦合系統可持續性發展的可行性措施。本文的結構安排如下：第二部分根據港城耦合系統特性分析經濟子系統、環境子系統、社會子系統的反饋回路及各個子系統之間的相互影響；第三部分構建港城耦合系統動力學模型；第四部分是對港城耦合系統可持續發展模型進行仿真；最后是根據仿真結果給出相應的建議。

2.港城耦合系統的模型構建

2.1 港城耦合系統邊界的確定

系統動力學研究問題的第一步是確定系統邊界，也就是確定系統的結構。港城耦合系統包括經濟子系統、環境子系統、社會子系統三部分。經濟子系統是指以港口經濟為主體（包括港口吞吐量、GDP、港口投資、港口基礎設施建設等）。社會子系統是指與港口發展相關的因素（包括外來務工人口、就業機會、臨港產業等）。環境子系統主要包括港口運營活動對城市環境影響和基礎設施建設對自然資源消耗影響兩部分。

2.2 港城耦合系統總體框架

系統動力學（system dynamics，SD）是將系統科學理論與計算機仿真技術結合的一門科學，是用來研究系統結構與反饋變化的一種方法。本文建立港城耦合系統可持續性發展的系統動力學模型，通過調控模型中各參數變化，仿真未來港口城市的發展趨勢，實現經濟效益、社會效益及環境效益最大化[19]。

港口發展對一個城市的經濟發展和對投資吸引都是有利的，港口發展影響經濟效益（通常是積極的）、環境效益（如果不采取措施緩解，通常是消極的）和社會效益（積極和消極的情況均有）。與港口建設相關的活動、運輸、運營以及擴建基礎設施也利用自然資源，但港口基礎設施建設可能會對生態系統產生負面影響，從而造成不利的社會和環境影響。此外，維護疏浚對許多小型和大型港口來說都是一個問題，疏浚是港口經濟可持續性發展的關鍵因素[20]。港口日常運營活動所產生的空氣污染對港口所在城市的環境也會產生不利影響。探究一個港口對社會效益的影響，可以通過確定哪些影響需要被減弱或增強進行分析[21]。比如大量人口為了更多的就業機會和更好的生活質量涌入港口城市，然而城市環境問題（空氣污染、水污染與短缺）影響了生活質量，從而會導致一定的社會問題。

在港城耦合系統中，經濟子系統是推動港口城市發展和進步的動力，經濟活動創造的物質財富，能提高人們生活質量和生活水平，進一步吸引更多人口到港口城市發展，從而影響社會子系統的運行。經濟活動創造的經濟價值也可帶動和促進臨港產業和領域的發展。環境子系統是進行港口城市經濟活動的基礎，自然資源的承載力直接影響港城經濟發展水平。社會子系統包含的宜居性、環境質量、社會福利等因素又以環境子系統為依托。港城耦合系統中還應包括與港口發展相關的反饋回路，例如港口基礎設施建設與港口通過能力之間的發展聯系，港口基礎設施建設提高港口通過能力，以符合日益增長的港口吞吐量需求；港口吞吐量和港口基礎設施建設也對自然資源消耗量產生影響。港城耦合系統的各子系統、各因素彼此聯系、相互影響，具有明顯的動態性、復雜性、多重反饋的特征。

2.3 界港城耦合系統反饋圖分析

港城耦合系統所包含的經濟子系統、社會子系統、環境子系統都有各自的結構和功能，子系統之間通過影子變量相互聯系。影子變量既是一個子系統的輸出，同時又是其他子系統的輸入。

2.3.1 經濟子系統

經濟子系統包含2條正反饋回路：（1）港口吞吐量→+GDP→+港口需求→+港口吞吐量（2）港口吞吐量→+GDP→+固定資產投資→+港口投資→+港口基礎設施投資→+港口吞吐量。港口吞吐量的增加可以帶動GDP增長，從而提高腹地GDP總量。加大港口的固定資產投資額度，提高港口通過能力，從而增加港口吞吐量；GDP總量的增長可以帶動對外貿易發展，從而促進港口吞吐量的增加。腹地GDP總量的增長使港口的固定資產投資額提高，港口基礎設施規模擴大，從而增加港口吞吐量，如圖1所示。

2.3.2 社會子系統

圖1 經濟子系統

社會子系統包含2條正反饋回路：（1）GDP→+固定資產投資→+臨港產業投資→+臨港產業產值→+GDP；（2）GDP→+就業機會→+人口增加→+消費→+GDP。GDP的增加拉動能夠固定資產投資的增加，提高臨港產業投資。以此提高臨港產業產值，帶動GDP增長。同時，GDP的增加會提供更多的就業機會，因此會吸引大批人口涌入城市，消費總量的增加也會帶動GDP增長，如圖2所示。

2.3.3 環境子系統

環境子系統包含1條負反饋回路：（1）港口基礎設施建設→+自然環境消耗→+環境治理費用→-港口收入→+港口自身投資→+港口基礎設施建設。港口吞吐量的增長將消耗更多的自然資源，港口自然環境消耗增加，勢必增加環境治理費用，導致港口收入減少，使港口自身投資額減少，導致港口基礎設施建設規模減小，限制港口通過能力的增長，限制自然環境消耗日益增多的趨勢，形成一條負反饋回路，如圖3所示。

圖2 社會子系統

3.港城耦合系統的流圖分析和方程建立

圖3 環境子系統

根據以上對經濟子系統、社會子系統、環境子系統的因果關系分析用系統動力學專用軟件Vensim建立港城耦合系統的存量流量圖，如圖4所示。本研究將一些典型的促進港口城市可持續性發展的措施如“一帶一路自貿驛站”政策、專項建設資金支持政策、建立智慧化港口等放入原有的系統動力學模型得到了改進后的模型，即可持續性發展的港城耦合系統的系統動力學模型。在模型的基礎上，輸入模型初始參數、方程和表函數，從而對模型進行仿真。模型的重要變量如表1所示，及參數方程如表2所示。

4.模型仿真和實證分析——以青島港為例

圖4 港城耦合系統模型

表1 港城耦合系統模型參數描述表

表2 治港城耦合系統動力學模型部分方程表

表3 2017年預測值和實際值對比

青島港位于山東半島南岸的膠州灣內，始建于1892年，具有125年歷史。是我國重點國有企業，中國第二個外貿億噸吞吐大港。同時擁有全國最大的集裝箱碼頭、原油碼頭、鐵礦碼頭和國際一流的煤炭碼頭、散糧接卸碼頭。作為新亞歐大陸橋經濟走廊主要節點和國家重要的現代海洋產業發展先行區，青島對港口城市可持續性發展的政策會成為其他港口城市的仿效和借鑒的榜樣。研究青島市港城耦合系統可持續性發展的政策意義重大。這一部分對青島市的港城耦合系統動力學模型仿真，以得出不同促進港城耦合系統可持續發展政策的實施效果對港口城市可持續性發展的影響，從而為港口城市可持續發展提出合理的目標和可行的政策建議。

圖5 “一帶一路自貿驛站”政策實施對比

圖6 專項建設資金支持政策實施對比

圖7 港口智慧化建設水平提高對比

4.1 基于青島數據的模型檢驗

以2014年至2016年的統計數據為基礎對青島港運行狀態進行仿真模擬，選取2017年部分變量的仿真結果和歷史統計年鑒數據進行比較，如表3所示。

由表3可知，模型預測值的誤差均在3%以內，因此可以認為模型描述的系統行為和港口城市實際狀態基本相符，可以使用該模型對港口城市未來狀態進行預測和分析。

4.2 模型仿真運行：政策優化

本部分利用系統動力學政策優化的功能來分析模型中政策變量的改變對青島港城耦合系統及港城可持性發展的作用。其中港口智慧化建設水平是指，閘口、碼頭裝卸、堆場倉儲管理等方面的智能化[22]。“一帶一路自貿驛站”政策是指，2017年青島市按照國家“一帶一路”倡議，集合境內“一帶一路”的區位優勢，打通中國與俄羅斯及歐洲、中亞及中東歐、西亞及北非、東南亞等國家及我國港澳臺地區的口岸經濟通道。由青島保稅港區發起并先后與全國近30個省、自治區（建設兵團）、直轄市和計劃單列市，近70個國家自貿試驗區、海關特殊監管區、國家高新區及開發區等簽署了《“一帶一路自貿驛站”合作協議》；專項建設資金支持政策是指，2011年底推出的免征客滾運輸港口建設費政策。

4.2.1 “一帶一路自貿驛站”政策

隨著“21世紀海上絲綢之路”戰略構想提出，合作、和平、和諧的發展理念深入人心。因此，青島市按照國家“一帶一路”倡議，提出并實施“一帶一路自貿驛站”政策。為更好地計量“一帶一路自貿驛站”政策的實施對港港口城市的影響效果，特對模型中的吞吐量增長量加一個斜坡函數RAMP（0.27，2014，2023），表示在2014～2023年期間吞吐量增長量逐漸增為原來的2倍。以此來分析該政策實施后對港口吞吐量量增長量的影響。

該政策對提高港口吞吐量的作用明顯，帶動了港口城市的經濟發展，但是這一政策也間接導致了環境治理費用的提升。隨著經濟水平和生活品質的提高，人們對居住環境的要求日益提高，使得港口環境壓力不斷提升，導致環境治理費用增多，如圖5所示。

4.2.2 專項建設資金支持政策

在專項建設資金政策的支持下，加強港口基礎設施建設，使港口通過能力符合日益增長的國際貿易交易量。為探究專項建設資金支持政策對港口通過能力的影響，假設該政策可將港口基礎設施規模增大50%。該政策實施后，在未來數年內港口通過能力有明顯提升。但是隨著港口基礎設施的數量和規模逐漸提高，自然資源消耗的呈先減小后增加的趨勢。這一政策會使自然資源的消耗也大幅增加，如圖6所示。

4.2.3 港口智慧化建設水平

港口智慧化是未來港口的發展方向，也是港口產業轉型升級的必經之路。通過智慧化推動港口吞吐量增長，對港口資源進行更合理的配置，促進信息流、資金流、物流循環，提高港口綜合競爭力和效益，進一步提高港城耦合系統可持續性發展水平。

當港口智慧化建設水平提高50%時仿真結果如下圖所示。在港口通過能力有顯著提高的情況下，對自然資源消耗的小幅增加。相比于專項建設資金支持政策（通過增加港口基礎設施以提高港口通過能力），該政策消耗更少的自然資源，是更為合適的港口耦合系統可持續發展方法，如圖7所示。

5.結語

仿真結果反映了港城耦合系統的動態性、復雜性和多重反饋的特征。本文運用系統動力學方法，彌補已有研究忽視港城耦合系統各個子系統之間內在聯系和相互作用的不足，通過構建港城耦合系統模型，基于港城良性互動、可持續發展的要求就青島市促進港口及城市發展的相關政策進行了仿真分析，得出了如下結論：

（1）加強與其他國家、地區的交流與合作，可增加腹地GDP總量和港口吞吐量，并促進港口城市的經濟發展。但也會帶來一定環境污染問題。為此在發展過程中應采取與青島港功能定位（特大型綜合性碼頭）相符的配套環保政策和措施，例如，盡早出臺專門的港口環境治理及港口岸線資源開發利用的行政法規、生活污水處理措施，集裝箱洗箱廢水、港區衛生清洗廢水、機修廢水等收集與處理措施，污油收集與危害消除措施等[23]。盡量減少環境污染物排放量，降低經濟貢獻帶來的自然資源消耗。

（2）大力發展港口基礎設施可快速提高港口通過能力，但從長期來看加重了對自然資源消耗。港口城市在制定發展計劃時，應考慮港口基礎建設與城市環境之間的關系，適度發展港口基礎設施建設規模。可以通過青島保稅港區在土地、財政、稅收等方面的優惠政策，吸引第三產業相關的企業進入港口城市。既能帶動港口城市經濟發展，又能減少對自然資源的消耗，從而保證港口城市的“綠色”可持續發展。

（3）通過發展智慧化港口來增強港城可持續性發展，既能提高港口通過能力，又能將自然資源消耗降到最低。它是港口與城市協調發展的新紐帶，是港城耦合系統可持續發展的有效途徑。

本文將港城耦合系統和系統動力學理論相結合，對港口城市的未來發展進行定量分析預測，彌補了現有港城耦合系統研究領域的空白，為港城耦合系統理論的進一步研究提供了理論方向。但本文的模型是在社會正常發展情況下的運作，并未考慮國際貿易環境形勢、自然環境變化等因素對港城耦合系統發展的影響，將不確定性因素引入港城耦合系統是未來的研究方向。