基于系統動力學的阜新市轉型升級模型構建與仿真研究＊

劉帥，姜國新

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基于系統動力學的阜新市轉型升級模型構建與仿真研究＊

劉帥，姜國新

（遼寧工程技術大學營銷管理學院，遼寧 葫蘆島 125105）

阜新市作為全國首批資源枯竭型城市，通過轉型升級促進城市發展是其必然選擇。根據系統動力學理論，在研究阜新市轉型升級系統內各子系統間因果反饋關系的基礎上，構建轉型升級系統動力模型，運用Vensim-PLE軟件，對2011—2030年阜新市轉型升級系統的關鍵指標進行仿真預測。結果表明，阜新市科技人力資源呈現上升趨勢，能源消耗量、GDP、人口、三廢總量均呈下降趨勢。基于此結果，建議阜新市加快發展綠色農業、鄉村旅游業、高新技術產業，穩定人口數量、吸引留住人才，加強對三廢污染的治理力度。

轉型升級；系統動力學；阜新市；模擬仿真

2001年，阜新市被國務院正式認定為全國第一個資源枯竭型城市。隨著煤炭資源的枯竭，阜新市產業鏈條開始斷裂，經濟、社會、民生及環境等各類問題凸顯，城市發展陷入了“礦竭城衰”的困境。國外一些城市如德國魯爾、英國伯明翰、日本北九州和法國洛林等，同樣出現過資源枯竭的情況[1]。資源枯竭型城市轉型升級問題已經成為世界性難題，引起了國內外學者的廣泛關注。

國外對資源型城市的研究始于20世紀30年代，代表性學者如Machintosh和H.A.Innis運用“大宗商品理論”，Lucas和Bradbury運用生命周期理論，Campbell、Warren和Fried等人運用資源型社區互動理論對資源型城市轉型升級問題進行了研究[2-6]。國內資源型城市發展困境也引起了我國學者的關注，于言良（2006）運用因子分析法、侯強（2007）采用層次分析法、王毓峰（2009）運用模糊綜合評價法、孫威和董冠鵬（2010）運用DEA-Malmquist生產率指數法、李哲和馬占新等人（2016）運用數據包絡分析法，分別從不同角度對資源枯竭型城市轉型升級問題展開了研究[7-11]。

系統動力學（System Dynamics）由美國學者福瑞斯特教授（J.W.Forrester）根據反饋控制的理論建立，是分析研究信息反饋系統的科學，主要應用于經濟、社會及生態等復雜系統，為處理高非線性、大規模經濟社會復雜系統的難題提供了有效的方法[12]。阜新市轉型升級是一個內部結構復雜的社會經濟系統，其內部資源、經濟、科技、環境及社會子系統相互作用，具有多重反饋關系。因此，本文以系統動力學理論為基礎，構建阜新市轉型升級系統結構模型，分析系統要素構成及運行機理。

1 阜新市轉型升級系統要素分析

依據系統動力學的研究思路，本文先對阜新市轉型升級系統的結構進行分析，劃分系統層次與子塊，確定總體與局部的反饋機制。

1.1 系統結構分析

結合《全國資源型城市可持續發展規劃（2013—2020）》和《阜新市“十三五”發展規劃》的指導思想，以實現生產發展、生活富裕、生態良好，全面實現阜新市轉型升級為目標，以推進經濟結構優化升級、推進發展動力轉換升級、推進社會建設提質升級等關鍵問題為著力點，建立阜新市轉型升級系統結構分析框架，如圖1所示。

圖1 阜新市轉型升級系統結構分析框架圖

阜新市轉型升級系統結構分析框架包括以下5個子系統，分別是：①能源子系統。能源是城市經濟增長的物質基礎之一，對阜新市經濟增長具有重要影響。阜新市陷入“礦竭城衰”的困境的主要原因是對煤炭等傳統能源的依賴程度過高。要實現市轉型升級，阜新市就要改變過去粗放型經濟增長方式，降低對煤炭等傳統能源的消耗，同時提高新能源利用效率。②經濟子系統。經濟子系統是科技、社會子系統發展的基礎，也是能源消耗和環境污染的主要原因。工業作為阜新市經濟發展的主導產業，工業增加值的提升將拉動國民生產總值的增加，同時有利于提高政府的財政收入與財政支出。③科技子系統。阜新市加快轉型升級離不開先進的科學技術，政府只有加大科技與教育的支出，才能吸引更多優秀的科技人才，產生高質量的科研成果。通過技術進步提高能源利用率，促進高新技術產業發展?？梢?，科技進步有利于經濟發展，經濟發展可以加大科技教育投入力度，而高質量的教育水平能夠提高全社會人口綜合素質，再為經濟系統提供科技人力資源，相互之間應形成一個良性循環。④環境子系統。環境是經濟發展的主要根基，因為環境系統作為支撐經濟系統物質基礎的能源的最初來源，同時也是經濟、社會系統廢棄物排放的最終去處。因此，環境為經濟發展提供能源保障，而過度的經濟增長又會造成環境承載力下降，制約經濟與社會的發展。對阜新市轉型升級環境子系統的分析，主要考慮經濟、社會發展對環境產生的污染，包括廢氣、廢水及工業固體廢棄物排放。⑤社會子系統。阜新市轉型升級的根本目的在于提高居民生活質量，全面建成小康社會。社會系統能夠為經濟與科技發展提供重要的人力資源，經濟及科技系統又會加速社會進步。因此，社會子系統主要包括總人口及就業率等要素。

1.2 因果關系構建

根據前文對系統結構的分析，可知阜新市轉型升級各子系統通過要素的輸入與輸出實現系統內要素的交流，從而構成多重循環與反饋。根據阜新市轉型升級系統分析框架，以各子系統間的互動關系為主線，利用Vensim軟件描繪阜新市轉型升級系統因果關系，如圖2所示。因果關系圖主要包括以下5條反饋回路：①反饋回路1.能源消耗量→工業增加值→GDP→財政收入→財政支出→科學技術支出→科研成果→技術進步→新能源開發→能源需求量→能源消耗量。該反饋回路為正反饋回路，體現能源消耗量的增加能夠帶動工業及城市整體經濟發展，進而促進技術進步，指導新能源的開發，促進阜新市轉型升級的過程。②反饋回路2.工業增加值→GDP→財政收入→財政支出→教育支出→研究生畢業人數→科技人力資源→科研成果→技術進步→高新技術產業產值→工業增加值。該反饋回路為正反饋回路，體現工業增加值升高有利于政府財政收入與財政支出的提高，增加對教育的投入力度，培養出更多的科技人力資源，研發出先進的科研成果促進高新技術產業發展，帶動阜新市轉型升級的過程。③反饋回路3.科技人力資源→科研成果→技術進步→高新技術產業產值→工業增加值→GDP→財政收入→財政支出→環保支出→環境承載力→總人口→教育支出→研究生畢業人數→科技人力資源。該反饋回路為正反饋回路，體現科技人力資源增加能夠促進技術進步，帶動GDP增加，有利于政府加大財政支出及環保支出力度，環境污染治理能力提升，宜居的生態環境使城市人口數量增加，科技人力資源得到保障，促進阜新市轉型升級的過程。④反饋回路4.污染排放量→環境承載力→總人口→教育支出→研究生畢業人數→人口素質→就業率→勞動力流入→科技人力資源→科研成果→技術進步→高新技術產業產值→工業增加值→污染排放量。該反饋回路為負反饋回路，體現過量的污染排放會造成環境承載力的下降，使城市人口數量降低，造成就業率及勞動力流入率下降，不利于科技進步，影響城市工業發展速度，需要加強污染排放治理力度，才能加快阜新市轉型升級的過程。⑤反饋回路5.就業率→勞動力流入→科技人力資源→科研成果→技術進步→高新技術產業產值→工業增加值→GDP→財政收入→財政支出→教育支出→研究生畢業人數→人口素質→就業率。該反饋回路為正反饋回路，體現就業率提升會增加勞動力流入，豐富城市的人力資源與科研成果，促進城市經濟整體發展，有利于政府增加教育投入，培養更多高水平人才，提升城市人口的整體素質，加快阜新市轉型升級的進程。

圖2 阜新市轉型升級系統因果關系圖

2 阜新市轉型升級系統動力學模型構建與仿真

2.1 模型構建

根據因果關系圖，構建阜新市轉型升級系統動力學流圖，如圖3所示。結合阜新市轉型升級的關鍵問題，選擇以下7項指標作為狀態變量衡量轉型升級的效果。①能源消耗量。衡量阜新市對煤炭等傳統能源及新能源的總體消耗量，可以體現轉型升級過程中對能源的依賴程度。②GDP。衡量阜新市國民經濟的整體發展狀況，是體現阜新市轉型升級效果的重要指標。③科技人力資源。衡量阜新市對科技人才的吸引力及教育投入水平，體現阜新市轉型升級的創新環境。④廢氣總量。主要衡量阜新市工業發展造成的廢氣污染程度，體現生態環境的大氣環境對阜新市轉型升級的支撐能力。⑤廢水總量。衡量阜新市經濟發展造成的廢水污染程度，體現生態環境的水環境對阜新市轉型升級的支撐能力。⑥固廢總量。主要衡量阜新市工業發展造成的固體廢棄物污染程度，體現生態環境的土壤環境對阜新市轉型升級的支撐能力。⑦人口。衡量阜新市經濟發展所需的人力資源保障，也能體現出對能源及環境產生的壓力。

圖3 阜新市轉型升級系統流圖

2.2 模型檢驗

選取阜新市作為模擬對象，運用Vensim-PLE軟件，對阜新市轉型升級系統模型進行檢驗。模型數據來源于2011—2017年《阜新統計年鑒》《遼寧統計年鑒》及《阜新市國民經濟和社會發展統計公報》，涉及的參數根據歷史數據采用算術平均法、發展趨勢推算法、回歸分析法等確定。模擬時間為2011—2017年，運行步長為1年，通過持續調整模型內參數，使變量不斷接近實際值。運用Model Check和Units Check對模型結構、方程和單位進行檢驗，均通過檢驗。由于模型設置的狀態變量較多，在檢驗時選取GDP及人口兩個變量進行驗證，得出模擬結構與歷史數據一致性較高，說明模型結構合理，檢驗結果如圖4、圖5所示。

2.3 仿真模擬

運用Vensim-PLE軟件，以2011年為初始年份，模擬2011—2030年，時間步長為1年。

通過仿真模擬得出阜新市能源消耗量、GDP、人口、科技人力資源、廢氣排放量、廢水排放量及固廢排放量的預測值，如圖6～圖12所示。

2.4 仿真結果分析

2.4.1 能源消耗量與GDP預測結果分析及對策

由圖6、圖7可以看出，隨著能源消耗量的下降，阜新市GDP也呈現下降趨勢，說明阜新市經濟發展對能源的依賴度過高。阜新市要加快轉型升級，扭轉近年來經濟總量下滑的局面，還應積極培育節能型及綠色環保制造產業，使傳統制造業向高新技術產業轉型。另外，阜新市應利用農業優勢發展綠色食品產業，帶動鄉村休閑旅游、森林旅游及農業旅游等第三產業發展。最終降低城市發展對能源的過度依賴，實現能源消耗量降低與GDP總量提升的轉型升級效果。

圖4 阜新市GDP真實值與模擬值對比圖

2.4.2 人口與科技人力資源預測結果分析及對策

由圖8、圖9可以看出，阜新市人口總量呈下降趨勢，而科技人力資源數量呈現緩慢上升趨勢，說明阜新市財政教育支出對科技人才的累計效應顯著。但是由于人口基數下降，可能造成阜新市科技人力資源發展后備力量不足。因此，阜新市在穩定人口總量的同時，還應出臺相應優惠政策吸引并留住科技人才，以豐富的科技人力資源儲備為城市轉型升級提供創新源泉。

圖6 阜新市能源消耗量預測

圖7 阜新市GDP預測

圖8 阜新市人口預測

圖9 阜新市科技人力資源預測

圖10 阜新市廢氣總量預測

圖11 阜新市廢水總量預測

圖12 阜新市工業固廢總量預測

2.4.3 三廢總量預測結果分析及對策

由圖10、圖12可以看出，阜新市三廢總量均呈下降趨勢，一方面是由于近年阜新市工業增加值下降造成的三廢排放量下降；另一方面是由于城市環保支出投入使三廢治理量增加。工業是一個城市發展的根本與保障，阜新市不應依靠工業增加值的降低去實現三廢總量的下降，而是應加快發展以高新技術產業為代表的低能耗、低污染、低排放工業，降低單位產值的三廢產生量，同時繼續投入環保經費增加對三廢的治理，通過污染源頭與末端的雙向治理，為阜新市轉型升級提供良好的環境保障。

3 結論

阜新市作為資源枯竭型城市，已陷入“礦竭城衰”的困境，加快城市轉型升級的問題亟待解決。本文運用系統動力學理論，結合《全國資源型城市可持續發展規劃（2013—2020）》和《阜新市“十三五”發展規劃》，構建阜新市轉型升級系統分析框架及模型，對阜新市2011—2030年相關數據進行仿真模擬，仿真結果表明阜新市科技人力資源呈現上升趨勢，能源消耗量、GDP、人口、三廢總量均呈下降趨勢。阜新市加快轉型升級應積極發展綠色農業、鄉村旅游業、高新技術產業，穩定人口數量、吸引留住人才，加強對三廢污染的治理力度。

［1］宋喜斌.基于系統動力學的煤炭資源枯竭型城市經濟轉型研究——以內蒙古烏海市為例［D］.北京：中國地質大學，2014.

［2］W.A.Mackintosh.Economic Factors in Canadian History［J］.Canadian Historical Review，1923，1（4）：12-25.

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［4］Bradbury.Winding Down in a Rubictown：a Case Study of Schefferville［J］.The Canadian Geographer，1983，27（2）：128-144.

［5］Lucas R A.Minetown，Milltown，Railtown：Life in Canadian Communities of Single Industry［M］.Toronto： University of Toronto Press，1971.

［6］Warren，R.L.The Community in American［M］.Chicago：Rand McNally College Publishing，1963.

［7］于言良.資源型城市經濟轉型研究——以阜新經濟轉型試點市為例演繹“一轉三重”轉型理論［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2006.

［8］侯強.資源枯竭型城市產業轉型的評價——阜新經濟轉型評價分析［J］.資源與產業，2007（2）：1-4.

［9］王毓峰.黑龍江省煤炭資源型城市可持續發展評價［J］.煤，2009（6）：59-61，66.

［10］孫威，董冠鵬.基于DEA模型的中國資源型城市效率及其變化［J］.地理研究，2010（12）：2155-2165.

［11］李哲，馬占新，田甜.基于DEA的資源型城市轉型效率評價——以鄂爾多斯市為例［J］.商業經濟，2016（3）：1-3，12.

［12］王其藩.系統動力學［M］.上海：上海財經大學出版社，2009.

2095－6835（2018）23－0033－04

F274；N941.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.033

劉帥（1987—），女，遼寧營口人，博士，遼寧工程技術大學講師，研究方向為產業轉型與優化。

2018年度遼寧省社科規劃基金項目（編號：L18CTJ002）；2018年度阜新市社會科學研究立項課題（編號：2018Fsllx043）

〔編輯：辛霞〕