許長(zhǎng)新,范東君,陸永泉
(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)
輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合[1],是指輸水工程與其所處的港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間各自耦合元素之間相互作用彼此影響,并對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)或者規(guī)模產(chǎn)生根本的擴(kuò)散效應(yīng)的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可以解決復(fù)雜系統(tǒng)的多重反饋、非線(xiàn)性等問(wèn)題,而且適宜解決具有長(zhǎng)期性和周期性的問(wèn)題,因此,筆者采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和理論解決輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)形成機(jī)制問(wèn)題。
系統(tǒng)的邊界并不是地理的邊界,而是從建模的目的出發(fā),把重要關(guān)系的變量包括進(jìn)系統(tǒng)。這時(shí)的系統(tǒng)仍然是開(kāi)放的系統(tǒng),與外界的部分仍有信息和物質(zhì)的輸入及輸出[2]。輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)僅是復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng),除了系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián),還與其他外部系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系,因此系統(tǒng)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(duì)象為江蘇省連云港市。模型的模擬的時(shí)間為2003年至2012年,基準(zhǔn)年為2003年,模擬時(shí)間間隔為1 a。
主因素在影響耦合系統(tǒng)及其子系統(tǒng)演化時(shí)起著關(guān)鍵性的作用,它決定了輸水工程及港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演化過(guò)程及演化方向。序參量對(duì)系統(tǒng)演化起著支配的作用,因此在耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中,主因素應(yīng)當(dāng)包含序參量[3]。通過(guò)分析和歸納,輸水工程系統(tǒng)、港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的序參量主要體現(xiàn)在以下方面。
輸水工程系統(tǒng),主要包括水運(yùn)需求、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總量、人均消費(fèi)水平、總?cè)丝诹?、勞?dòng)力、其他運(yùn)輸方式供給、其他運(yùn)輸投資和輸水工程投資。
港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),主要包括港航運(yùn)輸需求、港航供給、貨物積壓情況、區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量、人均GDP、技術(shù)進(jìn)步和資源承載力。
1.3.1 輸水工程系統(tǒng)
從輸水工程的角度來(lái)看,水運(yùn)需求、輸水工程投資等主要因素和區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量、其他運(yùn)輸方式的投資和供給的關(guān)聯(lián)性較高,由此導(dǎo)致生產(chǎn)總量、人均GDP的增加。輸水工程主要與城市區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平、人口量有關(guān)。如果經(jīng)濟(jì)水平提高(本文以GDP的增加顯示),則會(huì)產(chǎn)生很大的輸水工程需求,通過(guò)需求影響系數(shù)來(lái)表現(xiàn)(圖1)。具體分析如下:
① 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+凈遷移率提高)→(+總?cè)丝诹吭黾?→(+勞動(dòng)力增加)→(+其他運(yùn)輸方式供給增加)。
② 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總量增加)→(+水運(yùn)需求提高)。
③ 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+其他運(yùn)輸投資提高)→(+其他運(yùn)輸方式供給增加)。
④ 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加→(+人均GDP增加)→(+人均消費(fèi)水平提高)→(+水運(yùn)需求增加)。
圖1 輸水工程系統(tǒng)主因素
圖2 港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)主因素
1.3.2 港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)
港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)作為一個(gè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)聯(lián)度很大的系統(tǒng),效率主要體現(xiàn)為社會(huì)效益。因此,為了使經(jīng)濟(jì)能夠全面發(fā)展,政府必須保證港航經(jīng)濟(jì)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(huì)對(duì)港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生阻礙作用的因素,保證港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)合理有序的發(fā)展(圖2)。具體分析如下:
a.經(jīng)濟(jì)水平提高→+運(yùn)輸需求增加→+港航運(yùn)輸需求增加→+港航運(yùn)輸能力短缺增加→+貨物積壓→-經(jīng)濟(jì)水平下降。
b.經(jīng)濟(jì)水平提高→+輸水工程投資增加→+港航投資增加→+港航能力增強(qiáng)→一港航運(yùn)輸短缺減少→+貨物積壓減少→-經(jīng)濟(jì)水平提高。
c.港航供給增加→+港航運(yùn)輸需求增加→+港航經(jīng)濟(jì)收益增加→+港航供給增加。
d.港航運(yùn)輸需求增加→+港航運(yùn)輸短缺增加→+港航運(yùn)輸需求增加。
e.港航收益增加→+港航投資增加→+港航運(yùn)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。
系統(tǒng)的構(gòu)造產(chǎn)生了系統(tǒng)的行為是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本觀點(diǎn),而因果關(guān)系環(huán)是系統(tǒng)構(gòu)造的基礎(chǔ)[4]。因而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的關(guān)鍵是因果關(guān)系分析。因果關(guān)系能否準(zhǔn)確、全面地分析,也是解決所研究的輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)[5]。通過(guò)分析輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展[6],可以看出輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、人才等方面的要素。根據(jù)輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的SD總體框架,給出整個(gè)系統(tǒng)的因果反饋圖,再對(duì)各個(gè)反饋環(huán)分別進(jìn)行分析(圖3)。
圖3 基本因果關(guān)系
確定輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合系統(tǒng)SD模型的參數(shù)。然后根據(jù)模型的運(yùn)行目的,將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分為3個(gè)階段進(jìn)行[7]。
a.運(yùn)用模型運(yùn)行2003—2012年的數(shù)據(jù)資料,檢驗(yàn)SD模型的有效性和真實(shí)性。
b.通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型運(yùn)行過(guò)程中耦合程度的分析和評(píng)價(jià),確定制約和影響系統(tǒng)耦合發(fā)展的因素。
c.確定了影響輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合發(fā)展的主要因素后,設(shè)計(jì)不同模式以改善耦合度。通過(guò)模擬運(yùn)行不同的模式,預(yù)測(cè)2013—2020年耦合系統(tǒng)發(fā)展的情況。
變量的初始值以2003年為準(zhǔn),模擬步長(zhǎng)為1年。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和穩(wěn)定性是分析、解決問(wèn)題的前提條件,將直接影響分析結(jié)果[8]。對(duì)數(shù)據(jù)的搜集、估計(jì)和加工是耦合模型運(yùn)行的基礎(chǔ),SD模型中的各種參數(shù)的搜集、估計(jì)和加工是建模的基礎(chǔ)[9]。SD模型中的各種數(shù)據(jù),在輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)中包括各種變化率、增加比等,有常數(shù)值、初始值等形式。為簡(jiǎn)化模型參數(shù),隨時(shí)間變化不顯著的數(shù)據(jù)取常數(shù)值。采用如下估算方法[10]。
a.采用歷史統(tǒng)計(jì)資料的平均數(shù)[11]。如人口的出生率和死亡率、水運(yùn)需求增長(zhǎng)率、水運(yùn)投資比轉(zhuǎn)換系數(shù)、非水運(yùn)運(yùn)輸方式投資比轉(zhuǎn)換系數(shù)等采用階段平均的方法得到。初始區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量受多種因素影響的指標(biāo),用表函數(shù)表示。
b.利用借鑒、類(lèi)推、咨詢(xún)及修正方法[12]。采用類(lèi)比推算、同性質(zhì)系統(tǒng)參數(shù)的借鑒及專(zhuān)家咨詢(xún)。由于沒(méi)有準(zhǔn)確的資料,運(yùn)輸方式投資延遲時(shí)間、科技成果應(yīng)用增長(zhǎng)值、港航運(yùn)輸需求阻礙率等數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)全國(guó)同類(lèi)型城市的資料,根據(jù)連云港市的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>
由于我國(guó)尚無(wú)有航運(yùn)功能的輸水系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),筆者只能根據(jù)連云港市的區(qū)域歷史值,用時(shí)間序列法、回歸分析法等方法來(lái)預(yù)測(cè)[13],并采用預(yù)測(cè)值的均值作為推薦值。
采用上述方法測(cè)算出輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)參數(shù)
上述一些指標(biāo)說(shuō)明如下:
①差異延遲:運(yùn)輸方式的差異對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而造成的延遲
②港航供給=港航供給增長(zhǎng)率-港航供給消耗率
③運(yùn)輸方式投資量=區(qū)域經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值×投資比率表
④運(yùn)輸需求量=運(yùn)輸需求增長(zhǎng)率-運(yùn)輸需求阻礙率
⑤需求系數(shù):GDP相對(duì)于運(yùn)輸需求量的比例關(guān)系
⑥運(yùn)輸投資效果=投資額×投資效果系數(shù)
⑦運(yùn)輸能力消耗率=運(yùn)輸供給×消耗系數(shù)
⑧運(yùn)輸需求增長(zhǎng)率=區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量×需求系數(shù)表(運(yùn)輸供給能力,運(yùn)輸需求量)
⑨運(yùn)輸需求阻礙率=運(yùn)輸需求增長(zhǎng)率×運(yùn)輸成本影響因子表(運(yùn)輸成本)
⑩總運(yùn)輸需求量=GDP×需求系數(shù)表
在實(shí)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行中,表函數(shù)的確定存在許多延遲和滯后,因而引入延遲函數(shù)和平滑函數(shù)[14]。如投資和產(chǎn)出之間就存在時(shí)滯,所以引入DELAY函數(shù)。
應(yīng)用模型之前,需要檢驗(yàn)所建模型是否能夠客觀反映實(shí)際系統(tǒng)的狀況,對(duì)模型的有效性、真實(shí)性和可信度進(jìn)行評(píng)估[15]。為保證檢驗(yàn)的公正性和全面性,在兩個(gè)子系統(tǒng)中根據(jù)輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的主要因素選取如下檢驗(yàn)指標(biāo)。
港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)子系統(tǒng):港航供需情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)進(jìn)步。
輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合的SD模擬結(jié)果見(jiàn)表2。
從表2中可以看出,大多數(shù)指標(biāo)的誤差比不超過(guò)士5%,說(shuō)明所建的輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的SD模型比較正確地反映了我國(guó)輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和功能。模型具有有效性、真實(shí)性和可信性[16]。
運(yùn)用調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)的方法調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對(duì)調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行SD模擬分析[17],通過(guò)Vensim程序的運(yùn)行結(jié)果,分析影響耦合系統(tǒng)發(fā)展的最主要因素。
表2 輸水工程與港航經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)SD的運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)比較
運(yùn)輸投資額對(duì)耦合系統(tǒng)的影響見(jiàn)圖4。
圖4 運(yùn)輸投資額對(duì)耦合系統(tǒng)的影響
通過(guò)對(duì)港航運(yùn)輸需求和港航供給量及運(yùn)輸投資額之間的計(jì)算,運(yùn)行系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn),運(yùn)輸投資額的增加會(huì)帶來(lái)港航供給量以及水運(yùn)供給量的增加,由此影響連云港市的經(jīng)濟(jì)總量。調(diào)整運(yùn)輸投資額,即說(shuō)將每年的運(yùn)輸投資額增加50%,那么在不同年份的結(jié)果如圖4所示。運(yùn)輸投資額對(duì)經(jīng)濟(jì)具有刺激作用,主要體現(xiàn)在:運(yùn)輸投資額增加引起了港航供給和水運(yùn)供給的增加,促使有關(guān)部門(mén)擴(kuò)大生產(chǎn)、提高效益,使得勞動(dòng)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(fèi),就使社會(huì)需求最終增加,其中也包括港航需求和水運(yùn)需求的增加,這必然刺激各部門(mén)進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn),由此增加連云港市的GDP。調(diào)整每年的運(yùn)輸投資額后的模式,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)最高時(shí)達(dá)到3.25%。對(duì)于調(diào)整后的參數(shù)低于原模式的值,是由于運(yùn)輸投資額參數(shù)在未調(diào)整之前就已經(jīng)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(diào)整后的參數(shù)對(duì)連云港市區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量的影響會(huì)有低于原模式的情況。
一個(gè)地區(qū)的社會(huì)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量密切相關(guān),同時(shí)也反映了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,因此,一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定了輸水工程和港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展,必然地與其經(jīng)濟(jì)總量有密切的關(guān)系。連云港市的整個(gè)地區(qū)的發(fā)展階段可以分為兩個(gè)階段,2007年前和2007年后,2008—2012年市經(jīng)濟(jì)總量的發(fā)展比較迅速,5年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率分別達(dá)到21.4%、25.5%、26.8%、18.2%以及27.7%。
由于連云港市地處中國(guó)沿海中部的海州灣西南岸、江蘇省的東北端,北倚長(zhǎng)6 km的東西連島天然屏障,南靠巍峨的云臺(tái)山,為橫貫中國(guó)東西的鐵路大動(dòng)脈——隴海、蘭新鐵路的東部終點(diǎn)港,被譽(yù)為新亞歐大陸橋東橋頭堡和新絲綢之路東端起點(diǎn),是中國(guó)中西部地區(qū)最便捷、最經(jīng)濟(jì)的出海口。特別是隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施,中西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對(duì)外貿(mào)易運(yùn)輸量會(huì)更加迅猛增長(zhǎng),而從運(yùn)輸線(xiàn)路合理、運(yùn)輸時(shí)間節(jié)約、運(yùn)輸成本降低等因素綜合考慮,連云港是與西部開(kāi)發(fā)相配套的最佳外貿(mào)運(yùn)輸口岸。因此對(duì)水運(yùn)需求以及港航供給的需求較高,將區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量做一下調(diào)整來(lái)說(shuō)明其對(duì)港航供給的影響。
在保證其他參數(shù)不變的情況下,將區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量每年增加10%,然后通過(guò)SD程序運(yùn)行得到圖5的結(jié)果。結(jié)果顯示,當(dāng)連云港市區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增加時(shí),港航總額同比增加,貨運(yùn)量也相應(yīng)地上升。根據(jù)連云港市2012年統(tǒng)計(jì)年鑒,年港航供給量為82 187.2萬(wàn)t。SD運(yùn)行結(jié)果還表明,港航供給和水運(yùn)供給的關(guān)聯(lián)系數(shù)較大,是由于港航運(yùn)輸產(chǎn)品絕大多數(shù)采用水運(yùn)。
圖5 區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量對(duì)耦合系統(tǒng)的影響
通過(guò)模型的運(yùn)行發(fā)現(xiàn),勞動(dòng)力數(shù)量以及人口總量對(duì)于輸水工程以及港航經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響相對(duì)穩(wěn)定,根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)“模型結(jié)構(gòu)決定行為”的理論,初步判斷出相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量增長(zhǎng)比等參數(shù)就是決定耦合系統(tǒng)行為的模型結(jié)構(gòu)變量,如果對(duì)耦合系統(tǒng)作一些調(diào)整,改變這些參數(shù),就會(huì)很大程度上影響對(duì)系統(tǒng)的GDP、港航供給等決定耦合系統(tǒng)程度的評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù),通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的輔助關(guān)聯(lián)模型分析,運(yùn)輸投資額影響因素關(guān)聯(lián)度較大的除區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量外還有運(yùn)輸方式投資額。這是由于連云港市正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段,社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額占GDP的比重較大,投資額要轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的投資設(shè)備需要通過(guò)運(yùn)輸,同時(shí)這些投資設(shè)備又轉(zhuǎn)化為下一期的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)能力,生產(chǎn)大量成品。其他各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)不大,其原因是由于港航投資額受外界大環(huán)境影響干擾度小,這些不便于用數(shù)量表示的環(huán)境因素尚未考慮。
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