輸水工程與港航經濟系統耦合的系統動力學研究
——以連云港市為例

許長新，范東君，陸永泉

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

輸水工程與港航經濟系統的耦合[1],是指輸水工程與其所處的港航經濟系統間各自耦合元素之間相互作用彼此影響,并對區域經濟結構或者規模產生根本的擴散效應的現象。由于系統動力學可以解決復雜系統的多重反饋、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,筆者采用系統動力學方法和理論解決輸水工程與港航經濟耦合系統形成機制問題。

1 輸水工程與港航經濟系統耦合的分析

1.1 耦合系統的邊界確定

系統的邊界并不是地理的邊界,而是從建模的目的出發,把重要關系的變量包括進系統。這時的系統仍然是開放的系統,與外界的部分仍有信息和物質的輸入及輸出[2]。輸水工程與港航經濟耦合系統僅是復雜的社會經濟系統中的一個子系統,除了系統內部的關聯,還與其他外部系統發生聯系,因此系統的邊界很模糊,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,基準年為2003年,模擬時間間隔為1 a。

1.2 耦合系統的主因素確定

主因素在影響耦合系統及其子系統演化時起著關鍵性的作用,它決定了輸水工程及港航經濟系統演化過程及演化方向。序參量對系統演化起著支配的作用,因此在耦合系統動力學模型中,主因素應當包含序參量[3]。通過分析和歸納,輸水工程系統、港航經濟系統的序參量主要體現在以下方面。

輸水工程系統,主要包括水運需求、產業生產總量、人均消費水平、總人口量、勞動力、其他運輸方式供給、其他運輸投資和輸水工程投資。

港航經濟系統,主要包括港航運輸需求、港航供給、貨物積壓情況、區域經濟總量、人均GDP、技術進步和資源承載力。

1.3 子系統主因素的分析

1.3.1 輸水工程系統

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域經濟總量、其他運輸方式的投資和供給的關聯性較高,由此導致生產總量、人均GDP的增加。輸水工程主要與城市區域經濟水平、人口量有關。如果經濟水平提高(本文以GDP的增加顯示),則會產生很大的輸水工程需求,通過需求影響系數來表現(圖1)。具體分析如下:

① 區域經濟總量增加→(+凈遷移率提高)→(+總人口量增加)→(+勞動力增加)→(+其他運輸方式供給增加)。

② 區域經濟總量增加→(+產業生產總量增加)→(+水運需求提高)。

③ 區域經濟總量增加→(+其他運輸投資提高)→(+其他運輸方式供給增加)。

④ 區域經濟總量增加→(+人均GDP增加)→(+人均消費水平提高)→(+水運需求增加)。

圖1 輸水工程系統主因素

圖2 港航經濟系統主因素

1.3.2 港航經濟系統

港航經濟系統作為一個與社會經濟發展關聯度很大的系統,效率主要體現為社會效益。因此,為了使經濟能夠全面發展,政府必須保證港航經濟的投入,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濟系統產生阻礙作用的因素,保證港航經濟系統合理有序的發展(圖2)。具體分析如下:

a.經濟水平提高→+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→-經濟水平下降。

b.經濟水平提高→+輸水工程投資增加→+港航投資增加→+港航能力增強→一港航運輸短缺減少→+貨物積壓減少→-經濟水平提高。

c.港航供給增加→+港航運輸需求增加→+港航經濟收益增加→+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 輸水工程與港航經濟系統耦合的系統因果關系

系統的構造產生了系統的行為是系統動力學的基本觀點,而因果關系環是系統構造的基礎[4]。因而系統動力學建模的關鍵是因果關系分析。因果關系能否準確、全面地分析,也是解決所研究的輸水工程與港航經濟系統的發展面臨問題的基礎[5]。通過分析輸水工程與港航經濟系統發展[6],可以看出輸水工程與港航經濟系統涉及到技術、經濟、資源、人才等方面的要素。根據輸水工程與港航經濟耦合系統的SD總體框架,給出整個系統的因果反饋圖,再對各個反饋環分別進行分析(圖3)。

圖3 基本因果關系

2 輸水工程與港航經濟系統耦合關系的系統動力模型

2.1 SD模型的運行程序

確定輸水工程與港航經濟系統耦合系統SD模型的參數。然后根據模型的運行目的,將系統動力學模型分為3個階段進行[7]。

a.運用模型運行2003—2012年的數據資料,檢驗SD模型的有效性和真實性。

b.通過對系統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耦合發展的因素。

c.確定了影響輸水工程與港航經濟系統耦合發展的主要因素后,設計不同模式以改善耦合度。通過模擬運行不同的模式,預測2013—2020年耦合系統發展的情況。

變量的初始值以2003年為準,模擬步長為1年。

2.2 SD模型的運行程序中參數取值情況

系統動力學模型建立在大量數據的基礎上,模型數據的準確性、真實性和穩定性是分析、解決問題的前提條件,將直接影響分析結果[8]。對數據的搜集、估計和加工是耦合模型運行的基礎,SD模型中的各種參數的搜集、估計和加工是建模的基礎[9]。SD模型中的各種數據,在輸水工程與港航經濟耦合系統中包括各種變化率、增加比等,有常數值、初始值等形式。為簡化模型參數,隨時間變化不顯著的數據取常數值。采用如下估算方法[10]。

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

b.利用借鑒、類推、咨詢及修正方法[12]。采用類比推算、同性質系統參數的借鑒及專家咨詢。由于沒有準確的資料,運輸方式投資延遲時間、科技成果應用增長值、港航運輸需求阻礙率等數據,通過對全國同類型城市的資料,根據連云港市的特點進行適當的修正。

由于我國尚無有航運功能的輸水系統統計數據,筆者只能根據連云港市的區域歷史值,用時間序列法、回歸分析法等方法來預測[13],并采用預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濟耦合系統的參數見表1。

表1 輸水工程與港航經濟耦合系統參數

上述一些指標說明如下:

①差異延遲:運輸方式的差異對經濟發展而造成的延遲

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=區域經濟總產值×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:GDP相對于運輸需求量的比例關系

⑥運輸投資效果=投資額×投資效果系數

⑦運輸能力消耗率=運輸供給×消耗系數

⑧運輸需求增長率=區域經濟總量×需求系數表(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×需求系數表

在實際社會經濟的運行中,表函數的確定存在許多延遲和滯后,因而引入延遲函數和平滑函數[14]。如投資和產出之間就存在時滯,所以引入DELAY函數。

2.3 耦合系統的SD模型的模擬及結果檢驗

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

港航經濟系統子系統:港航供需情況、經濟發展水平、技術進步。

輸水工程與港航經濟系統耦合的SD模擬結果見表2。

從表2中可以看出,大多數指標的誤差比不超過士5%,說明所建的輸水工程與港航經濟耦合系統的SD模型比較正確地反映了我國輸水工程與港航經濟系統的實際結構和功能。模型具有有效性、真實性和可信性[16]。

3 耦合系統的SD模型的輸出結果分析

運用調整系統參數的方法調整系統結構,對調整后的數據進行SD模擬分析[17],通過Vensim程序的運行結果,分析影響耦合系統發展的最主要因素。

表2 輸水工程與港航經濟耦合系統SD的運行結果與實際數據比較

3.1 運輸投資額對耦合系統的影響

運輸投資額對耦合系統的影響見圖4。

圖4 運輸投資額對耦合系統的影響

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,運行系統后發現,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濟總量。調整運輸投資額,即說將每年的運輸投資額增加50%,那么在不同年份的結果如圖4所示。運輸投資額對經濟具有刺激作用,主要體現在:運輸投資額增加引起了港航供給和水運供給的增加,促使有關部門擴大生產、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一步擴大生產,由此增加連云港市的GDP。調整每年的運輸投資額后的模式,經濟增長最高時達到3.25%。對于調整后的參數低于原模式的值,是由于運輸投資額參數在未調整之前就已經低于其他年份,增加1倍的情況下也同樣低于原模式的值,因此調整后的參數對連云港市區域經濟總量的影響會有低于原模式的情況。

3.2 區域經濟總量對耦合系統的影響

一個地區的社會活動、經濟活動與地區經濟總量密切相關,同時也反映了其經濟發展水平,因此,一個地區經濟發展水平決定了輸水工程和港航經濟系統的發展,必然地與其經濟總量有密切的關系。連云港市的整個地區的發展階段可以分為兩個階段,2007年前和2007年后,2008—2012年市經濟總量的發展比較迅速,5年經濟增長率分別達到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,是中國中西部地區最便捷、最經濟的出海口。特別是隨著西部大開發戰略的深入實施,中西部經濟發展和對外貿易運輸量會更加迅猛增長,而從運輸線路合理、運輸時間節約、運輸成本降低等因素綜合考慮,連云港是與西部開發相配套的最佳外貿運輸口岸。因此對水運需求以及港航供給的需求較高,將區域經濟總量做一下調整來說明其對港航供給的影響。

在保證其他參數不變的情況下,將區域經濟總量每年增加10%,然后通過SD程序運行得到圖5的結果。結果顯示,當連云港市區域經濟總量增加時,港航總額同比增加,貨運量也相應地上升。根據連云港市2012年統計年鑒,年港航供給量為82 187.2萬t。SD運行結果還表明,港航供給和水運供給的關聯系數較大,是由于港航運輸產品絕大多數采用水運。

圖5 區域經濟總量對耦合系統的影響

3.3 其他指標對耦合系統的影響

通過模型的運行發現,勞動力數量以及人口總量對于輸水工程以及港航經濟系統的影響相對穩定,根據系統動力學“模型結構決定行為”的理論,初步判斷出相對穩定的區域經濟總量增長比等參數就是決定耦合系統行為的模型結構變量,如果對耦合系統作一些調整,改變這些參數,就會很大程度上影響對系統的GDP、港航供給等決定耦合系統程度的評價結果的關鍵參數,通過系統動力學的輔助關聯模型分析,運輸投資額影響因素關聯度較大的除區域經濟總量外還有運輸方式投資額。這是由于連云港市正處于經濟快速發展階段,社會固定資產投資總額占GDP的比重較大,投資額要轉化為現實的投資設備需要通過運輸,同時這些投資設備又轉化為下一期的現實生產能力,生產大量成品。其他各項經濟指標關聯系數不大,其原因是由于港航投資額受外界大環境影響干擾度小,這些不便于用數量表示的環境因素尚未考慮。

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