基于STELLA軟件的海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模型研究＊

狄乾斌，徐東升，周樂萍

（遼寧師范大學海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心 大連 116029）

基于STELLA軟件的海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模型研究＊

狄乾斌，徐東升，周樂萍

（遼寧師范大學海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心 大連 116029）

海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展涉及社會、經(jīng)濟、資源和環(huán)境等眾多因素，是一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)。構(gòu)建系統(tǒng)動力學仿真模型，為解決這樣復(fù)雜系統(tǒng)中多因子相互作用問題提供了一種有效手段。文章在簡要介紹系統(tǒng)動力學方法及其工具軟件基礎(chǔ)上，分社會子系統(tǒng)、海洋經(jīng)濟子系統(tǒng)、海洋資源與環(huán)境子系統(tǒng)3個模塊，構(gòu)建了海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)動力學模型，以推動系統(tǒng)動力學在海洋經(jīng)濟研究中的應(yīng)用。

海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展；系統(tǒng)動力學；STELLA軟件

海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展概念在海洋領(lǐng)域的體現(xiàn)，是促進海洋經(jīng)濟、社會、海洋資源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，即以海洋資源的可持續(xù)利用和良好的海洋生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)，以海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展為中心，以謀求社會的全面進步為目標的發(fā)展模式［1］。從海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的定義來看，海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)涉及一個地區(qū)或國家之間的海洋資源與環(huán)境、經(jīng)濟和社會等諸多因素，是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。從系統(tǒng)論的觀點來看，海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展是人與自然、環(huán)境交互作用的集中體現(xiàn)，海洋生態(tài)、經(jīng)濟、社會要素之間相互作用、相互聯(lián)系構(gòu)成了一個涉及眾多因素的、動態(tài)的和存在多重反饋聯(lián)系的復(fù)雜社會經(jīng)濟系統(tǒng)。目前研究社會經(jīng)濟系統(tǒng)最常用的方法有投入產(chǎn)出、目標規(guī)劃、經(jīng)濟計量和系統(tǒng)動力學建模等，前3種方法都是以線性代數(shù)為基礎(chǔ)，解決不了技術(shù)變化和投入產(chǎn)出中的時滯等一系列動態(tài)問題。系統(tǒng)動力學基于信息反饋的機制，通過對現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的模擬分析，提供解決問題的方法和途徑［2］。

1 STELLA系統(tǒng)建模仿真軟件簡介

系統(tǒng)動力學（SD）可以定性（qualitative）和定量（quantitative）地構(gòu)建模型。口頭描述和因果環(huán)圖（causal loop diagram）可以定性地描述系統(tǒng)；棧一流圖（stock－flow diagram）可以定量地描述系統(tǒng)。為了實現(xiàn)定量地描述系統(tǒng)并模擬運行系統(tǒng)隨時間展開的動態(tài)性，相應(yīng)的計算機軟件是必需的，所以從一開始SD方法就和數(shù)字計算機仿真結(jié)合緊密。自20世紀60年代開發(fā)出第一代仿真軟件Dynamo后，尤其是20世紀80年代中后期，可用于計算機的仿真軟件陸續(xù)問世，如，面向模型（模型結(jié)構(gòu)對用戶開放）的軟件：STELLA、Vensim、Professional Dynamo等［3］。STELLA軟件是一種基于系統(tǒng)動力學的管理決策建模仿真軟件，也是第一個允許圖形模式輸入的仿真軟件。它的主要目的是幫助人們重塑思考方式，拋棄以前局部的、靜態(tài)的思考方式，讓人們以整體的、系統(tǒng)的觀點來思考問題。

1.1 STELLA軟件的特點［4］

1.1.1 簡潔明了的層次結(jié)構(gòu)

高層結(jié)構(gòu)（high level）：是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體反映。它把系統(tǒng)分為互相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，從而保證使用者能從整體上把握其研究的系統(tǒng)。

圖層結(jié)構(gòu)（graph）它是整個系統(tǒng)模型的核心，是構(gòu)造系統(tǒng)模型的主要空間。它的結(jié)構(gòu)決定了模型的實質(zhì)與函數(shù)層的數(shù)據(jù)結(jié)果。圖層結(jié)構(gòu)含有4種基本的語言符號：棧（stock）、流（flow）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（converter）及連接器（connector），如圖1所示。

圖1 STELLA圖層結(jié)構(gòu)4種基本語言符號

函數(shù)層結(jié)構(gòu)（function level）：包含模型中各變量之間的邏輯和數(shù)學關(guān)系。這些關(guān)系可用代數(shù)方程、各種變化曲線，或者邏輯函數(shù)來表示。

STELLA圖層的4個基本語言符號中最主要的是棧和流。棧表示積累，也表示系統(tǒng)所處的狀態(tài)；流表示系統(tǒng)的活動，如，物質(zhì)流、資金流和信息流等；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器表示各種數(shù)據(jù)序列、代數(shù)關(guān)系，或常數(shù)；連接器表示棧、流和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器3者之間的關(guān)系或傳遞信息。

1.1.2 動態(tài)交互的系統(tǒng)演示過程

受外界的各種約束條件、長期以來形成的經(jīng)驗以及直接判斷事物的習慣和研究對象的復(fù)雜程度等因素的束縛，人們有時很難了解系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)影響行為的真相。但人腦一般具有較強的分析事物結(jié)構(gòu)的能力。STELLA可以將人們頭腦中所思考的事物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成模型，并動態(tài)模擬事物的行為模式。通過4種基本的語言符號來描述人們頭腦中構(gòu)思的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，輸入必要的數(shù)學關(guān)系和參考數(shù)值，就可以在計算機上模擬出事物的動態(tài)發(fā)展過程。

1.1.3 強有力的數(shù)學背景支持

STELLA背后有一個結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)臄?shù)學模型體系，它是以常微分方程組的形式來實現(xiàn)的。使用者不需直接構(gòu)造艱深的數(shù)學方程式，只需通過圖形化的語言方式來確定模型中各變量之間的關(guān)系（函數(shù)層中的數(shù)學關(guān)系），輸入特定變量的初值，然后運行模型就可以得到所需變量的數(shù)值或者變化曲線了，因為復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算工作完全是由計算機在后臺操作。

STELLA算法的一般步驟是：①按照一定的順序產(chǎn)生棧、流和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的順序列。②計算棧、流和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的初值。③根據(jù)計算步長和給定時間范圍來計算和更新各個變量的值。

1.2 STELLA軟件系統(tǒng)建模的步驟［5］

STELLA的具體建模步驟遵循由簡到繁、由淺入深和由部分到整體的原則，步驟如下。

（1）確定問題（focus the effort）：主要是指在建立模型之前明確所要分析的問題，并設(shè)定一個簡明的目標，它要解決什么問題、范圍有多大等。

（2）構(gòu)建高層結(jié)構(gòu)圖（mapping）：高層結(jié)構(gòu)圖（high level）是由子系統(tǒng)（或者一些關(guān)鍵因素）組成的。這一步要求把所分析的系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，然后把每個子系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素找出來，子系統(tǒng)的數(shù)量不宜太多。

（3）構(gòu)建系統(tǒng)詳細結(jié)構(gòu)圖（modeling）：對模型進一步的細化，其中包括連接子系統(tǒng)之間的各種關(guān)系，對變量進行定義和初始化，定義變量之間的關(guān)系等。主要分4個步驟：①確定流跟棧之間的關(guān)系；②定義各個流的代數(shù)方程；③尋找閉環(huán)鏈，確定反饋鏈之間的關(guān)系；④對參數(shù)進行賦初值和初始化。

（4）仿真運算（simulation）。

（5）擴展模型（challenge）：主要是看模型在多大程度上能解決實際問題。深度擴展：看模型中的流和變量的代表性是不是足夠充分，有沒有一些細節(jié)性的問題、變量沒有考慮到；廣度擴展：看模型所包括的范圍是不是足夠全面，它所能解決的問題具有多大的普遍性。

2 基于STELLA軟件的海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模型

2.1 我國海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展面臨的問題

問題是指系統(tǒng)內(nèi)部存在的矛盾、相互制約與作用以及產(chǎn)生的結(jié)果與影響，建模的目的就在于研究這些問題，并尋求解決它們的途徑［6］。我國是一個發(fā)展中的海洋大國，海域自然環(huán)境和資源條件非常優(yōu)越。從20世紀80年代初到2009年，全國主要海洋產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值連翻7番多，2009年已達到31 964億元，海洋產(chǎn)業(yè)增加值達到18 742億元，相當于同期國內(nèi)生產(chǎn)總值的5.5%，海洋經(jīng)濟已成為國民經(jīng)濟重要的增長點［7］。但在經(jīng)濟快速增長的同時也存在資源浪費、環(huán)境污染和掠奪式經(jīng)營等問題，尤其是由于污染海域，海洋生態(tài)環(huán)境遭到破壞，嚴重制約了海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

2.2 構(gòu)建海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)模型高層結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)建系統(tǒng)模型的指導(dǎo)思想是用盡可能簡單的模型來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而構(gòu)造高層結(jié)構(gòu)圖的指導(dǎo)思想則是簡單、概括，即抓住系統(tǒng)的關(guān)鍵性流程，建立系統(tǒng)內(nèi)的高層關(guān)系。由于海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)包含的因素較多，為便于分析，可以將海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)劃分為社會子系統(tǒng)、海洋經(jīng)濟子系統(tǒng)、海洋資源和環(huán)境子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有自己的結(jié)構(gòu)特點和獨特功能，其中一個子系統(tǒng)的輸出是其他子系統(tǒng)的輸入，子系統(tǒng)之間彼此聯(lián)系。

在海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中，①要考慮的是人口因素。人是進行生產(chǎn)活動的主體，人口的消費需求是刺激和推動經(jīng)濟生產(chǎn)的根本原因，提高人口生活質(zhì)量和生活水平是海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的根本目的，人口在海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中處于核心地位。②海洋經(jīng)濟生產(chǎn)是推動海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)演變和進化的動力，是實現(xiàn)海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的中心。③海洋資源是進行海洋經(jīng)濟生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，資源承載力直接影響海洋經(jīng)濟生產(chǎn)活動。最后，海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中還應(yīng)包括科技因素。科學技術(shù)作用于生產(chǎn)部門，可以提高生產(chǎn)力水平，創(chuàng)造更多物質(zhì)財富和經(jīng)濟價值；作用于環(huán)境保護部門，可以提高環(huán)境保護能力，提供良好的生活環(huán)境，同時促進海洋資源再生，更好地實現(xiàn)海洋的可持續(xù)發(fā)展。到這里，可以得到海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)圖（圖2）。

圖2 海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)高層結(jié)構(gòu)

2.3 海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)的因果關(guān)系圖

因果反饋關(guān)系圖可用于幫助分析系統(tǒng)內(nèi)各因素的相互影響關(guān)系，在此只考慮海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)內(nèi)主要因素的影響，略去了次要因素的影響。由于正反饋聯(lián)系使系統(tǒng)內(nèi)各因素的變化加強和放大，既是系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，也是系統(tǒng)得以發(fā)展和進化的動力。

從對系統(tǒng)內(nèi)的主要因果關(guān)系分析中可看出，正反饋回路是系統(tǒng)的主要反饋回路，說明在不考慮子系統(tǒng)間相互影響時，各子系統(tǒng)發(fā)展都偏向于不穩(wěn)定，敏感于子系統(tǒng)的初始變化。而系統(tǒng)間的負反饋回路是使整個系統(tǒng)平衡、穩(wěn)定的原因，要使整個系統(tǒng)在和諧的狀態(tài)下進化發(fā)展，需要對正、負反饋回路進行綜合分析，找出制約發(fā)展的敏感變量。經(jīng)分析，海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)的因果關(guān)系如圖3所示。

圖3 海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)因果關(guān)系

2.4 海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)模型詳細結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上對海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)高層結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)內(nèi)因果反饋關(guān)系的分析，下面采用STELLA軟件編制模型詳細結(jié)構(gòu)圖。這一步驟主要是利用棧、流、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及連接器等圖層結(jié)構(gòu)的4種基本語言符號來構(gòu)建模型以確定模型的結(jié)構(gòu)與函數(shù)層的變量關(guān)系等。

（1）社會子系統(tǒng)模塊。社會子系統(tǒng)提供海洋經(jīng)濟生產(chǎn)所需要的勞動力，提供經(jīng)濟生產(chǎn)和環(huán)境保護的技術(shù)水平支持，以及各種宏觀的經(jīng)濟、資源和環(huán)境保護管理政策，它包括人口、就業(yè)率、人均收入和技術(shù)等方面。其中人口的發(fā)展和技術(shù)進步在整個系統(tǒng)中處于支配地位，通過影響和支配生產(chǎn)來決定系統(tǒng)中各要素的地位、作用和相互關(guān)系，而就業(yè)率和人均收入的變化可以作為海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的衡量指標。因此，在設(shè)計社會子系統(tǒng)模塊時主要考慮人口、就業(yè)率、人均消費以及技術(shù)投資等影響因素，引用該模塊時可以考慮人均消費基金對人口增長的影響、GDP對勞動力的影響、技術(shù)進步對GDP變化的影響等（圖4）。

圖4 社會子系統(tǒng)模塊流程

（2）海洋經(jīng)濟子系統(tǒng)模塊。此系統(tǒng)推動著整個海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)的進化發(fā)展，海洋經(jīng)濟的發(fā)展程度受到海洋資源與環(huán)境承載力水平的制約，對資源環(huán)境的索取超過一定的允許值，人類的經(jīng)濟活動與社會行為就會受到自然資源規(guī)律的懲罰。生產(chǎn)能力是整個系統(tǒng)發(fā)展的原動力，產(chǎn)業(yè)投資及技術(shù)水平反映了社會子系統(tǒng)的支持。同時，經(jīng)濟活動的作用是雙向的，一方面不可避免地帶來資源消耗、環(huán)境污染；另一方面也為自然資源的再生、環(huán)境的改造提供經(jīng)濟支持。因此，在設(shè)計海洋經(jīng)濟子系統(tǒng)模塊時，主要考慮海洋產(chǎn)業(yè)增長率、產(chǎn)業(yè)投資率、技術(shù)進步貢獻率及人均消費等因素（圖5）。

圖5 海洋經(jīng)濟子系統(tǒng)模塊流程

（3）海洋資源與環(huán)境子系統(tǒng)模塊。海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)是以海洋資源和環(huán)境為物質(zhì)基礎(chǔ)的。海洋資源和環(huán)境的狀況不僅影響系統(tǒng)的整體功能和運行，而且對系統(tǒng)的發(fā)展方向和過程也起到重要的作用。過去被人們的各種經(jīng)濟活動無節(jié)制地消耗所造成的資源和環(huán)境惡果，使人們意識到資源和環(huán)境有其基本承載力，它決定了社會經(jīng)濟活動的規(guī)模與范圍。在設(shè)計海洋資源與環(huán)境子系統(tǒng)模塊時，主要考慮資源再生與資源總量的關(guān)系，以及海洋環(huán)境對資源再生的影響（圖6）。

圖6 海洋資源與環(huán)境子系統(tǒng)模塊流程

最終的海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模型見圖7。

圖7 海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學模型流程

3 討論與展望

系統(tǒng)動力學仿真模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的模擬，模型的建立是一個不斷向真實系統(tǒng)逼近的過程。STELLA系統(tǒng)仿真軟件是目前逐漸展開應(yīng)用的建模軟件，它把系統(tǒng)內(nèi)的一系列反饋關(guān)系用圖形化表示出來，表現(xiàn)直觀、易于理解，顯示出系統(tǒng)模擬在處理可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)問題上的優(yōu)越性。但限于作者的水平和經(jīng)驗，以及資料來源的局限性，筆者在構(gòu)建海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)動力學模型時，只對影響海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要因素做出分析，而海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)是非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，模型有待于在實際應(yīng)用中不斷細化和完善。同時，鑒于應(yīng)用仿真軟件能力還比較膚淺，未能開展海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學實證分析，這需要在今后的工作中進一步研究完成。

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教育部人文社科重點研究基地項目基金（10JJD790015）；教育部人文社會科學研究青年基金（10YJC790045）.