基于復合系統仿真的山東省裝備制造業綠色轉型發展研究

白晶 張峰

關鍵詞：裝備制造業；綠色轉型；系統動力學；情景仿真

0 引言

面對全球碳排放量迅速增加、生態壓力不斷加大，發展“綠色經濟”已成為全球共識［1］。從黨的十八大以來，我國制造業綠色化轉型步伐加快，綠色制造體系建設不斷推進，增強綠色發展，提高經濟綠色競爭力水平變得尤為重要［2］。當前，裝備制造業作為我國國民經濟與國防建設技術性保障支柱產業［3］，其快速發展的同時帶來的諸多環境問題在區域協同發展中同樣存在［4］，經濟發展所面臨的環境約束矛盾十分突出，而產業結構綠色化必將促進我國制造業加快淘汰落后產能。所以，如何提升環境污染防治能力，挖掘產業綠色發展潛力，在面對全球新一輪技術革命和產業革命，積極把握和面對裝備制造業發展機遇與挑戰，是當下面臨較為棘手的問題［5］。尤其是在新發展格局下，裝備制造業不僅要進一步提升傳統產業的動能，還要更加注重挖掘新的潛力，提升裝備制造業供給體系對國內多種需求的適配性。從目前發展情況來看，山東省裝備制造業產業規模實力已位居全國前列，逐漸成為地方經濟發展的重要支柱，但隨著經濟快速發展，產業結構偏重，對能源及資源產生較強依賴，使得制造業經濟形勢整體下行，發展效率低下、研發創新相對乏力、長期過度集聚的同時使得資源短缺、環境污染等問題日益凸出［6］。對此國家“十四五”規劃和《中國制造2025》系列文件要求不斷加快推進工業綠色發展，促進產業結構與生產方式由傳統制造模式轉變為綠色制造模式，實現制造業由大變強的跨越，推動我國裝備制造業生產國際化先進制造裝備、走可持續健康發展道路［7］，而推進制造業綠色轉型升級又是一項復雜的系統工程，需要多要素的綜合集成性支持［8］。據此，想要進一步深化山東省裝備制造業向高質量轉型，加快構建資源依賴低、環境治理強、科技含量高的綠色制造體系，大力推進節能降耗，實現產業綠色轉型發展已變得刻不容緩。

1 文獻綜述

裝備制造業到底有哪些轉型發展？圍繞這一話題，越來越多的學者也開始嘗試分析不同角度下裝備制造業轉型發展的作用機制。首先，從國家層面來看，李大元等［9］從探索發達國家制造業振興戰略出發，發現各發達國家紛紛大力發展綠色制造業，不斷提高自主創新能力，積極尋求新經濟增長點來重構現代制造模式；李俊江等［10］基于美國高端制造業“再工業化”創新發展，發現制造業高級生產要素的投入和革新有助于美國高端制造業處于領先地位。其次，從轉型路徑來看，Vokoun［11］研究發現，技術創新這一中間變量對于企業經營成效具有較強的正向效力，促進技術革新，使得企業跟上時代步伐，有利于促進制造業轉型升級；Thumer等［12］通過潛類別探討生態公司綠色發展水平，發現密集型行業更加注重資源的利用效率，同時生態資源約束對裝備制造業可持續發展具有重要意義；寧進［13］通過裝備制造業服務化轉型路徑因子分析，發現裝備制造業服務化是制造業與服務業融合發展的一種新型模式，是未來裝備制造業轉型發展的一種必然趨勢。最后，從轉型方法來看，BI等［14］提出“可重構制造系統”這一觀點，該觀點是指能夠通過對制造系統結構及其現有零件族結構的快速重組或更新，達到對生產能力以及功能方面的調整，進而更加快速有效、低成本地適應市場變化對制造系統的動態需求。

文獻梳理表明，隨著新一輪技術革命推進，我國裝備制造業發展一方面面臨著發達國家“再工業化”戰略的嚴峻挑戰［15］，另一方面，隨著產業發展日漸成熟，其高能耗、高排放、科技創新動力不足、環境污染嚴重等弊端也逐漸暴露出來。想要推動經濟高質量發展，裝備制造業目前亟需通過產業轉型升級來實現［16］。據此，本文采用系統動力學方法，選取山東省2010—2017年裝備制造業發展相關數據研究山東省裝備制造業綠色轉型發展路徑，為制定裝備制造業綠色轉型驅動措施提供理論借鑒。

2 模型構建與數據說明

2.1 系統邊界分析

系統構建過程參考系統功能、結構、信息交流等要素［17］，依據裝備制造業綠色轉型的特點，以山東省裝備制造業為研究系統邊界，不斷向可持續發展模式轉變，并結合已有的研究成果，引入相關要素，構建模型系統框架（圖1）。

2.2 系統仿真因果關系圖構建

按照系統原理，將山東省裝備制造業綠色轉型發展劃分為四大子系統：經濟子系統、環境子系統、能源子系統、科技子系統，并對各子系統之間的相互關系進行因果反饋分析。各子系統及其主要要素變量如表1所示。

運用Vensim-PLE軟件構建山東省裝備制造業綠色轉型復合系統SD模型，綜合考慮因素間相互關系并結合前文所建模型系統框架對主要變量間因果關系進行識別，畫出因果關系回路圖（圖2）。

（1）經濟回路

GDP→+全社會固定資產投入總額→+裝備制造業固定資產投入總額→+裝備制造業增加值→+裝備制造業總產值→+環境污染水平→+污染損失→-GDP山東省內生產總值的增加，帶動政府對社會固定資產投入力度增加，因此，投資總額有所增加。全社會固定資產投入增加將對裝備制造業全社會固定資產投入額的提高產生影響，從而影響裝備制造業總產值躍升，帶動整體生產總值增加，經濟的增長必然會影響環境污染質量，增加污染損失量。

（2）科技回路

GDP→+地方R&D 投入→+科技產出→+科技水平增長率→+技術進步對能源消耗因子→+能源消耗阻礙量→-裝備制造業能源消耗總量→-化石能源消耗量→-環境污染水平→-污染損失→+GDP經濟的不斷發展會影響政府對于地方科技投入的關注，從而加大科技投入借此達到科技進步的目的，科技水平提高直接影響能源消耗使用效率［18］，從而降低裝備制造業經濟發展對環境的破壞，進而影響經濟總量的增加。

（3）環境回路

GDP→+環境污染治理投資→+污染物處理量→-污染存量→-環境污染水平→-污染損失→+GDP山東省內生產總值的增加，政府對環境污染治理投資力度加大，投資額增加。污染物處理量增多，改善污染物整體存量減少［19］，從而降低環境污染水平，使得污染損失更小，帶動經濟更好的發展。

（4）能源回路

GDP→+節能投資→-化石能源消耗量→-廢氣及其污染物排放量→-環境污染水平→-污染損失→+GDP裝備制造業總值的增加必然會需要投入更多的能源，能源消耗量增加，而工業的能源消耗主要來自于化石能源［20］，因此，山東省內生產總值增加，會帶動節能環保投資增長，節能投資增多必然會減少能源消耗或是提高能源消耗率，影響廢氣及其污染物排放減少，從而促進經濟更好的發展。

2.3 系統仿真流圖構建

根據建立的系統仿真因果關系，把反應敏感變量融入模型，構造SD存量流量圖。該SD模型由多重影響因素綜合構建，包括GDP、裝備制造業總產值、裝備制造業從業人數、裝備制造業能源消耗總量為系統初始狀態變量以及15個可控變量，進一步判定系統不同要素的屬性，借鑒系統動力學的有關理論和方法，繪制出山東省裝備制造綠色轉型發展系統存量流量圖（圖3）。

2.4 數據來源及參數設置

模型中涉及的主要數據來源于《山東省統計年鑒》《中國統計年鑒》《中國能源統計年鑒》等統計資料，運用SPSSAU、Eviews10和Excel等軟件對某些數據、表函數、表達式等進行分析處理。

模型構建成功，對山東省裝備制造業綠色轉型系統進行量化分析，限于篇幅，僅列出部分主要模型方程，其他參數設置如表2所示。

（1）GDP=INTEG（GDP 增長量-GDP 減少量，33 922.5）（單位：億元）

（2）裝備制造業總產值=INTEG（裝備制造業增加值，24 115.2）（單位：億元）

（3）裝備制造業增加值=1.431ד地方R&D 投入”+0.45×裝備制造業固定資產投入額（單位：億元）

（4）環境污染治理投資=（GDP×污染治理投資比重）^1.5（單位：億元）

（5）污染物處理=（環境污染治理投資×單位治理投資污染物處理量×9.5e-05×科技產出）^1.04（單位：萬噸）

（6）單位治理投資污染物處理量=10+9.632×RAMP（1e-06，2010，2030）（單位：萬噸）

（7）污染存量=（污染物排放量-污染物處理量）×0.7（單位：萬噸）

（8）污染物排放量=廢氣及其污染物排放量+固體污染物排放量+廢水及其污染物排放量（單位：萬噸）

（9）污染指數=污染存量/污染物排放量

（10）環境污染水平=（1.5×LN（廢氣及其污染物排放量）+1.05×LN（廢水及其污染物排放量）+1.26×LN（固體污染物排放量））^1.04

（11）裝備制造業能源消耗總量=INTEG（化石能源消耗量-0.6×能源消耗阻礙量，1 333.02）（單位：萬噸標準煤）

（12）化石能源消耗量=化石能源消耗彈性系數×能源稅調控因子×裝備制造業能源消耗總量×0.3×LN（裝備制造業總產值）（單位：萬噸標準煤）

（13）能源消耗阻礙量=（節能投資×投資轉化率+裝備制造業能源消耗總量×技術進步對能源消耗因子）/10（單位：萬噸標準煤）

（14）地方R&D投入=（GDP×"R&D投入占比"×產學研強度）×2.35（單位：億元）

（15）科技產出=（"地方R&D投入"^0.4416）×（"地方R&D人員"^0.5584）×0.6（單位：億元）

（16）科技水平增長率=（科技指數-科技指數延遲）/科技指數延遲

3 山東省裝備制造業綠色轉型發展系統仿真模型

3.1 模型有效性檢驗

利用Vensim PLE軟件針對該模型的有效性展開歷史仿真檢驗，仿真范圍從2010—2030年，仿真步長為1年，根據2010—2017年有關指標數據，對經濟、環境、能源和科技四個子系統進行有效性進行分析［26］，選取了各子系統具有代表性的要素對模型可靠性與有效性進行了驗證，如表3所示。

通過模型運行，在四個子系統中選取主要的四個指標裝備制造業總產值、地方R&D 從業人數、環境污染治理投資以及化石能源總消耗量其誤差率均在±5% 內，表明模型結構設計及參數選取滿足系統仿真要求。

3.2 情景方案設計與分析

結合《山東省“十四五”綠色低碳循環發展規劃》要求設定山東省裝備制造業發展的不同情景，觀察在不同調控情景下指標變量變動情況，為描述研究對象未來的發展趨勢提供正確的決策分析工具。

情景1：基準情景。GDP增長率按照2010—2017年的平均增速9.85%增長，不對其經濟結構做出調整，不進行環保和技術的研發應用，各參數均保持現有趨勢不變，同時該情景可用于其他調控模擬結果的對比參照。

情景2：經濟增速情景。參考《山東省裝備制造業轉型升級實施方案》要求，到2022年全省裝備制造業重點行業經濟規模和綜合效益要居全國前列，營業務收入超過5萬億元，利潤率達到7%左右，考慮經濟發展與環境保護之間的相互作用，設定要素GDP 增長率為9.95%。

情景3：環境污染治理情景。在該情景下將調控重點置于環境保護投入上，增加環境污染治理投資比重，裝備制造業固定資產投入占比維持0.191，同時環境污染治理投資比重提升3.2%，由于環境治理投資增加，帶動“三廢”系數產生相應降低。

情景4：技術研發情景。考慮到技術研發是影響高端裝備制造業發展的重要方面，其會對環境污染治理相關要素產生不同程度影響，據此，調整R&D投入占裝備制造業總產值的比例以及提升產學研強度為0.67%，57.5%。

情景5：要素集成情景。綜合情景2、情景3、情景4山東省裝備制造業的關聯要素調整，觀測復合系統的變化情況。

3.3 模擬仿真與結果分析

針對山東省裝備制造業不同情景下的經濟、環境、技術等子系統的模擬預測結果，選取GDP、裝備制造業總產值、污染物排放量、污染存量4個指標，對其綠色轉型發展水平進行評價，如圖4所示。

由模擬結果可見，情景1狀態下GDP以年均9.85%的增長速率保持一定的經濟發展水平，但是模擬預測效果也只是高于情景4；由于缺乏技術創新支持，到2030年裝備制造業總產值達到各情景下最小值。從其引發的環境效應來看，雖然此情境下污染物排放量到2030年僅比情景3 高，但是污染存量卻是五種情景下最大值，說明維持現有發展模式使得制造業經濟形勢整體下行，發展效率低下、長期過度集聚的同時使得資源短缺、環境污染等問題日益凸顯，經濟發展的同時對生態環境造成較大的承載壓力［27］。

情景2中通過提高經濟發展速率作為重要調控手段，到2030 年GDP 總量僅次于情景5，達到184 833 億元，但是裝備制造業總產值模擬預測結果僅高于情景1和情景3。上述模擬效果表明在對整體經濟發展增速在合理范圍內調控，雖然對整體宏觀經濟會產生一定程度影響，但其模擬結果還是維持在可接受范圍之內。到2030年時污染物排放量為940 578萬噸，要明顯高于情景1，污染存量也僅次于情景1，維持在較高水平。該模擬效果也較容易理解，由于經濟發展速率提升，行業所消耗資源總量也隨之增加，加以環境治理水平和技術投入有限，進而導致污染物存量居高不下，說明此情景下環境效應具有較大提升空間。

對比情景3中GDP和裝備制造業總產值于2030年模擬效果值（181 318億元，165 019億元）相較于五種情景中處于較低水平，說明在裝備制造業轉型發展過程中將更多的資本投入到環境保護治理上，需要經過一定時間才能取得相對較為理想的經濟效益。在此情景下，污染物排放量模擬結果取得所有情景中的最低值（910 496萬噸），污染存量模擬預測值也顯著低于情景1和情景2。該結果說明控制污染物排放系數并增加環境污染治理能力可以有效降低環境污染總量，減少污染物排放量，從而緩解由于經濟發展引起生態環境承載的壓力。

情景4中GDP到2030年模擬效果值為五種情景下的最小值（181 174億元），即通過加大對技術投入，在一定時間內對經濟發展會產生明顯的抑制效應，二者的協同效應不高；但裝備制造業總產值卻高于前面三種情景，得到此模擬結果也較易理解，即由于政府政策導向，要求不斷加強創新體系建設，加快發展壯大新興高端裝備，實現高質量發展的目標，而且將更多資本投入到技術研發與創新中，能夠使行業發展在較快時間內得到顯著提高。但是，行業的迅速發展必然會產生更多能耗，所以在此情景下污染物排放量達到了最高值，而污染存量僅略高于情景3。該結果說明在制造業綠色轉型建設中技術發展能促進環保措施的改進，從而在一定程度上減輕污染物排放造成的環境污染。

對比以上四種情景，情景5相對取得了較為可觀的模擬結果。其中，經濟效益GDP和裝備制造業總產值在2030 年的模擬值分別為184 903 億元和171 214 億元，均在五種情景中達到了最大值。其次，該情景下引發的環境效應中，污染物排放量雖然僅比情景4略低，但是污染存量的模擬值（133 114萬噸）明顯低于情景2，為五種情景下的最小值。由檢驗效果來看，該措施下經濟發展與環境保護起到了協同效應，各要素達到了較為理想狀態。

4 討論

通過情景分析，參考《山東省裝備制造業轉型升級實施方案》政策規定，綜合衡量裝備制造業綠色轉型發展在各方案下達成的模擬效果，結果發現在實際推動裝備制造業綠色轉型發展過程中，只促進某一要素或者提升單一方面的措施無法實現經濟和生態效應的協同發展，反而可能會因“厚此薄彼”引發新的問題。而通過復合系統下對山東省裝備制造業關聯指標進行調控，預測結果顯示基于調整經濟增速、環境污染治理、技術創新研發等情景模式下，其產生的復合系統各項效應差異相對顯著。因此，想要實現經濟提質增效和綠色轉型升級需要綜合考慮系統中各要素之間的相互作用，充分為裝備制造業高質量發展注入多方動能。

5 結論和建議

5.1 結論

本文運用系統動力學方法構建山東省裝備制造業綠色轉型發展仿真模型，選取2010—2017年數據，通過定性與定量相結合，提出5 種情景方案并進行模擬仿真，觀測該系統在不同發展模式下各重要指標的響應程度。結果發現：

（1）維持當前發展趨勢，山東省裝備制造業經濟總量增長緩慢，環境污染程度在持續擴大，行業發展依賴資源消耗的模式對生態環境造成較大承載壓力，將難以實現工業綠色發展的目標，遠遠達不到政府對于環境大力改善，經濟協調發展的良性預期。

（2）提高經濟速率的方式能快速促進工業經濟提升，且對裝備制造業產值能夠產生長期正向效應，說明改善資本結構比重增加可以顯著提升未來裝備制造業經濟總量，但是社會經濟快速發展，對資源環境仍造成較大壓力，生態環境效應方面顯著促進作用尚不明顯，給經濟帶來的影響仍然是高增長、高污染的環境損失，無法滿足現階段山東省裝備制造業綠色轉型發展迫切需求。

（3）強調環境保護，污染物排放總量在此措施下取得最優效果，但是經濟發展緩慢，雖然一定程度上達到了綠色生態化發展，但是無法實現經濟效益的穩固提升，反而易消耗較多資源成本。

（4）注重技術研發投入優先會對裝備制造業總產值產生較強支撐，而且增加研發創新和技術進步，使得能源利用效率提升從而實現工業綠色增長，但是工業經濟總量發展卻并不顯著，此外，裝備制造業產值持續提升會在源頭產生較多污染物，進而導致環境治理投入失去來源支撐，對于經濟和生態環境效應還是有很大的提升空間。

（5）將要素綜合加以調整，盡管某些指標在此情景下并未取得最佳值，但是綜合考察此情景下對系統整體協調作用的影響來看，仍為最優選擇，充分考慮了不同要素之間相互作用，該模式下社會經濟發展與資源環境保護達到了共贏狀態，使經濟穩定發展的同時生態環境效應也能保持在較為理想態勢。

5.2 建議

對于山東這樣一個制造業大省，能源消費結構單一，環境較為脆弱，轉型難度較大，為實現山東省裝備制造業高質量發展，助力經濟提質增效和綠色轉型升級，本文提出如下對策建議：

（1）以裝備制造業綠色轉型發展為導向針對性地提升技術創新驅動能力，不斷推進山東省裝備制造業穩步發展。逐步推進環保裝備制造業數字化、智能化、綠色化、服務化轉型，實施技術創新能力提升“補短板”行動。強化關鍵核心技術攻關、推動共性技術平臺建設、加速科技成果轉移轉化、通過數字技術與可再生能源和清潔能源的融合與應用，優化能源供需模式，加快產業綠色、低碳轉型步伐。

（2）因地制宜制定環境規制政策。在促進經濟向更高水平發展的同時，增加生態環境治理投入，出臺相關法律法規政策支持綠色發展綜合評價方案的實施，激勵各市、各企業加快推進經濟社會全面綠色轉型的積極性、主動性和創造性，使得經濟和環境相輔相成共同進步。

（3）綜合考慮各方面影響因素，增強協同方案激勵作用。單要素驅動情景中的各路徑在提高裝備制造業總產值以及降低污染存量方面作用有限，協同發展路徑是綜合了科技支撐、結構優化和環境規制共同發展的綠色化發展之路。各要素協同發展下既保證了經濟高速發展，又可以有效從源頭和末端對“三廢”污染物進行控制，有助于裝備制造業增長方式由粗放型增長向綠色環保、集約型增長轉變。