港口陸路集疏運系統(tǒng)的演化機理

劉沛 穆東

摘要：基于復雜系統(tǒng)演化理論，分析港口陸路集疏運系統(tǒng)在基礎設施投資政策下的演化機理和政策效果。將基礎設施投資政策視為系統(tǒng)的他組織作用，建立系統(tǒng)的演化模型，通過分析系統(tǒng)在政策他組織作用下能否演化至有序狀態(tài)來判斷政策的有效性。以曹妃甸港集疏運系統(tǒng)為例，結(jié)果表明：投資公路基礎設施不能促使系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化；應首先投資鐵路基礎設施，以提高鐵路運輸?shù)母偁幜Α?gòu)建鐵路運輸與公路運輸間合理的競合關(guān)系，有助于促使系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化；碼頭泊位設施的投資也應在鐵路基礎設施投資的基礎上實施。

關(guān)鍵詞：港口陸路；集疏運；政策；演化機理；他組織

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2016.06.26

中圖分類號：F503 文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2016）06-0119-05

Abstract：Based on the evolution theory of complex systems， this paper studies the evolutionary mechanism of Port Collecting and Distributing System （PCDS） under Infrastructures Investment Policies （IIPs）. An evolution model of PCDS is developed， taking IIPs as the effect of heteroorganization， for evaluating the effectiveness of IIPs. Analysis is conducted for the case of Caofeidian PCDS. Results show that investment on highway infrastructures is not helpful to the evolution of the system. In contrast， investment priority should be on rail infrastructures as it will help to establish a more reasonable competitive relationship between rail and highway transportation. Investment on dock facilities should be implemented after rail investment.

Key words：port； collecting and distributing； policy； evolution； heteroorganization

1引言

港口陸路集疏運系統(tǒng)是通過鐵路、公路等陸路運輸方式將腹地貨物集中到港口交船舶運出或?qū)⒋斑\進港口的貨物疏散到腹地的運輸系統(tǒng)。目前我國部分港口陸路集疏運系統(tǒng)存在運輸和碼頭裝卸能力不足的問題，需要對系統(tǒng)的公路、鐵路、碼頭泊位等基礎設施進行投資以提高系統(tǒng)通行能力[1]。但是由于投資預算往往有限，因此投資政策必須具有針對性，以針對限制系統(tǒng)整體通行能力的瓶頸環(huán)節(jié)做出有效改善。在此背景下，如何評價各備選投資政策并篩選出具有針對性的有效政策成為首先需要解決的問題。

現(xiàn)有的運輸政策評價方法多采用成本收益分析法[2～4]，此外還有結(jié)構(gòu)方程法[5]，雙層規(guī)劃法[6]和計量經(jīng)濟模型法[7，8]等，但是這些方法沒有考慮政策對系統(tǒng)隨時間變化的影響，即政策評價模型是靜態(tài)的[9]。從復雜系統(tǒng)視角看，靜態(tài)模型的局限性是沒有考慮系統(tǒng)構(gòu)成要素間相互關(guān)聯(lián)引起的政策次生效應[9]，而動態(tài)模型，如生態(tài)演化模型、系統(tǒng)動力學模型等，通過描述系統(tǒng)構(gòu)成要素的互動作用、分析系統(tǒng)隨時間的演化機理，使管理者更全面地理解系統(tǒng)的動態(tài)行為并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題[10]。從復雜系統(tǒng)視角看，政策具有強制性并自上而下實施，具有明顯的他組織特性[11]，因此可以通過分析系統(tǒng)在政策他組織作用下的演化機理來評價各備選政策，并識別出有效政策——即能夠改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，促使港口陸路集疏運系統(tǒng)向運輸、碼頭裝卸等各環(huán)節(jié)能力匹配、各運輸方式協(xié)調(diào)發(fā)展的有序狀態(tài)演化的政策[12]?，F(xiàn)有的針對貨物運輸系統(tǒng)演化機理的研究大多僅考慮系統(tǒng)內(nèi)部的自組織作用[13～17]，考慮外部政策的他組織作用的研究很少。雖然有文獻[15]、[16]等考慮了政策要素，但被劃入系統(tǒng)內(nèi)部作為自組織作用之一，而要單獨分析政策對系統(tǒng)演化的影響，并且制定促使系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化的政策，則政策要素需被視為系統(tǒng)之外的他組織作用。

本文將港口陸路集疏運系統(tǒng)的基礎設施投資政策視為他組織作用，借鑒生態(tài)演化模型建立系統(tǒng)在政策他組織作用下的演化模型，通過分析不同政策對系統(tǒng)演化走勢的影響評價各備選政策，并篩選出促進系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化的有效政策。結(jié)論有助于管理者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題，并制定針對性的基礎設施投資政策，達到改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，促進系統(tǒng)發(fā)展的目的。

2基礎設施投資政策下港口陸路集疏運系統(tǒng)的演化模型

21模型假設

（1）港口陸路集疏運系統(tǒng)的運輸方式只考慮鐵路運輸和公路運輸，不考慮原油、液化天然氣等物資涉及的管道運輸。

（2）除運輸環(huán)節(jié)外，系統(tǒng)涉及的其他作業(yè)環(huán)節(jié)只考慮碼頭裝卸和堆場堆存環(huán)節(jié)。

（3）系統(tǒng)之外的區(qū)域腹地經(jīng)濟系統(tǒng)有充足的貨運需求，且不考慮外部經(jīng)濟的偶然因素對系統(tǒng)的影響。

22演化模型

港口陸路集疏運系統(tǒng)的演化過程經(jīng)歷產(chǎn)生、發(fā)展、穩(wěn)定等階段，與自然界生物種群的進化過程類似，因此可以借用種群演化模型研究港口陸路集疏運系統(tǒng)的演化過程[18]?？紤]兩個種群的情形，以x1（t）、x2（t）表示種群規(guī)模，兩種群間存在共生、競爭、互利、捕食、寄生、偏利、偏害等7種相互作用，其中本文涉及共生、競爭、互利關(guān)系，演化模型如表1所示[19]。

dx2（t）dt=r2x2（t）（1-x2（t）N2+k2x1（t）） 其中，ri（i=1，2）表示理想條件下第i個種群的自然增長率，括號內(nèi)多項式表示種群所受的其他作用的影響，其中第一項表達自然增長率的正負；第二項為飽和項，Ni（i=1，2）是第i個種群的最大容量；第三項為種群間的相互作用項，ki（i=1，2）是表示作用強度的控制參數(shù)。

借鑒種群演化模型建立港口陸路集疏運系統(tǒng)的演化模型。首先識別系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)以及反映子系統(tǒng)發(fā)展變化的狀態(tài)變量，如表2所示。

x4（t）港口陸路集疏運系統(tǒng)的演化是系統(tǒng)固有結(jié)構(gòu)引起的自組織與外部政策的他組織復合作用的結(jié)果。其中自組織作用有3種：①共生。集疏運活動需要線路和節(jié)點子系統(tǒng)的協(xié)作配合，任一線路和節(jié)點子系統(tǒng)都不能離開對方而獨立存在，故存在共生關(guān)系。②競爭。鐵路與公路運輸在一定程度上具有可替代性，因此存在競爭關(guān)系。③互利。如果線路子系統(tǒng)的貨運量增加，則碼頭吞吐量增加，同時需匹配更大的堆存能力，反之亦然，因此各線路與各節(jié)點子系統(tǒng)間存在互利關(guān)系。他組織作用方面，政策的他組織作用表現(xiàn)在可以改變自組織作用的強度，反映在演化模型中表現(xiàn)為可以改變相互作用項的控制參數(shù)的大小。

總結(jié)上述分析，3種自組織作用在系統(tǒng)內(nèi)同時存在，因此在表1共生模型的基礎上，加入競爭和互利模型的相互作用項，并將受政策影響的相互作用項的控制參數(shù)設為他組織變量，得基礎設施投資政策下系統(tǒng)的演化模型為：

其中，kij（i，j=1，2）為第i種運輸方式對第j種運輸方式的競爭系數(shù)；μi（i=1，2）是碼頭吞吐量對第i種運輸方式運量的影響系數(shù)；φi（i=1，2）是碼頭堆存能力對第i種運輸方式運量的影響系數(shù)；σ是總運輸量與碼頭吞吐量的互利系數(shù)；δ為碼頭吞吐量對碼頭堆存能力的影響系數(shù)；β是總運輸量對碼頭堆存能力的影響系數(shù)。

本文考慮公路、鐵路、碼頭泊位3類基礎設施投資，對應的模型（1）中有3個控制參數(shù)受到影響，設為他組織變量，如表3所示。

表3演化模型對不同政策他組織作用的反映

政策措施政策效果政策對應的他組織變量變化公路設施投資公路對鐵路競爭力增強公路對鐵路競爭系數(shù)k21增大鐵路設施投資鐵路對公路競爭力增強鐵路對公路競爭系數(shù)k12增大碼頭泊位設施

投資裝卸能力增強，吞吐量

增加碼頭對運輸互利系數(shù)σ增大23基于穩(wěn)定性分析的系統(tǒng)演化方向辨別與政策評價

政策的他組織作用應推動系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化。有序狀態(tài)是一種遠離平衡態(tài)的相對穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)[11]，因此可以通過分析政策對應的他組織變量的變化能否使模型（1）達到非零解的局部穩(wěn)定來判斷能否使系統(tǒng)達到穩(wěn)定有序狀態(tài)[20]，以此評價政策的有效性。具體分3個步驟。

步驟1：將受政策影響的控制參數(shù)k21，k12和σ設為他組織變量。

步驟2：計算模型（1）的非零解達到局部穩(wěn)定時他組織變量需要滿足的條件。由于模型（1）涉及的狀態(tài)變量較多，不利于穩(wěn)定有序條件的計算，根據(jù)協(xié)同學理論，系統(tǒng)的序參量在演化過程中具有支配地位，故首先根據(jù)模型（1）中弛豫系數(shù)ri的大小確定序參量，利用絕熱消去求出序參量的演化模型[20]，然后計算序參量演化模型的穩(wěn)定有序條件。考慮含兩個序參量xo1（t）和xo2（t）的情況，演化模型一般形式不妨表示為：

3案例：曹妃甸港集疏運系統(tǒng)的演化機理與政策評價

曹妃甸港集疏運系統(tǒng)的主要物資為煤炭和鐵礦石，其中煤炭主要通過鐵路集港，鐵礦石通過公路疏港。由于貨流量逐年增大，目前系統(tǒng)的運輸和碼頭裝卸等環(huán)節(jié)已存在較大壓力，當?shù)卣當M對系統(tǒng)的基礎設施進行投資擴建以緩解目前的運輸壓力，下面分別分析投資公路、鐵路、碼頭泊位3類設施時系統(tǒng)的演化機理和政策效果。

31系統(tǒng)的穩(wěn)定有序條件

曹妃甸港集疏運系統(tǒng)穩(wěn)定有序條件的計算分3個步驟。

步驟1：根據(jù)各狀態(tài)變量的歷年值估計模型（1）的弛豫系數(shù)ri（i=1，2，3，4）的值，以確定序參量。通過實地調(diào)研獲取了各狀態(tài)變量的歷年值，起始年取曹妃甸港開始運營的2008年。考慮到系統(tǒng)運營時間較短，各狀態(tài)變量歷史樣本量較少，因此采用灰關(guān)聯(lián)分析法，利用其對樣本量和樣本規(guī)律要求低、計算量小的優(yōu)點[22]，確定弛豫系數(shù)的值，得r1=148，r2=091，r3=088，r4=103，其中r2、r3相對較小，對應確定公路運輸量x2（t）和碼頭吞吐量x3（t）為系統(tǒng)的序參量。

步驟2：利用絕熱消去求出序參量的演化模型。將受政策影響的控制參數(shù)σ，k21和k12設為變量，固定其他控制參數(shù)的值，利用絕熱消去求得序參量x2（t）和x3（t）的演化模型為

所示。圖1系統(tǒng)當前狀態(tài)點與穩(wěn)定有序空間的相對位置圖1顯示：w*處于穩(wěn)定有序空間之外，表明曹妃甸港集疏運系統(tǒng)目前沒有處于穩(wěn)定有序的運行狀態(tài)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在問題，因此當?shù)卣M行基礎設施投資是必要的。然而將有限的預算投向哪類基礎設施能夠解決系統(tǒng)存在的問題需進一步分析。

32基礎設施投資政策下系統(tǒng)的演化機理和政策效果

321投資鐵路基礎設施

由圖1可見：由于w*沿k12軸的位置過低，即k12值過小，導致系統(tǒng)處于無序狀態(tài)，即系統(tǒng)存在的主要結(jié)構(gòu)問題是鐵路對公路的競爭力過低。對系統(tǒng)的調(diào)研驗證了這一結(jié)論，調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前系統(tǒng)的鐵路運輸量僅占貨運總量的382%，對于以煤炭、鐵礦石等大宗散貨為主的曹妃甸港集疏運系統(tǒng)，鐵路貨運分擔率顯然過低。這也造成公路貨運壓力過大，而且公路車輛在利益驅(qū)使下多選擇超載運輸，公路和橋梁因此受到嚴重破壞，設施維護費用居高不下。

投資鐵路基礎設施能為更多的貨物實現(xiàn)鐵路運輸創(chuàng)造條件，可增強鐵路對公路的競爭力，在模型中表現(xiàn)為k12增大，w*沿k12方向向上運動能進入穩(wěn)定有序空間，如圖2所示。因此，該政策能針對性改善系統(tǒng)運力結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀，從根本上緩解公路運輸壓力和貨物在港的堆存壓力，是實現(xiàn)系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化的有效政策。圖2投資鐵路設施對系統(tǒng)演化的影響

政策實施方面，考慮到曹妃甸港集疏運系統(tǒng)公路運輸?shù)闹饕镔Y是鐵礦石，因此建議通過投資修建地方鐵路分流部分鐵礦石，緩解公路運輸壓力。

322投資公路基礎設施

如果投資公路基礎設施，在模型中反映為公路對鐵路的競爭系數(shù)k21增大，系統(tǒng)的演化表現(xiàn)為w*沿k21軸方向運動。為顯示該方向的運動，將下界曲面s1和w*沿k21軸方向進行投射，得s1的投射面sp1和w*的投射點w*p的位置如圖3所示。

圖3投資公路設施對系統(tǒng)演化的影響

圖3顯示：w*psp1，即w*沿k21方向運動不能進入穩(wěn)定有序空間。這表明雖然目前系統(tǒng)的公路運輸壓力較大，但是投資公路基礎設施不是促進系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化的有效政策，政府投入的資金和各類資源將無法收到有效回報。這是因為繼續(xù)投資修建公路依然會受到超載車輛的破壞，長期來看將進一步增加公路維護成本。而如果實行車輛限載，雖然會保護公路設施，但會大大削弱運輸?shù)囊?guī)模經(jīng)濟，導致鐵礦石運輸成本升高、在港堆存壓力增大，進而降低曹妃甸港對貨主的吸引力，不利于系統(tǒng)的長遠發(fā)展。

323投資碼頭泊位設施

如果對碼頭泊位設施進行投資，在模型中表現(xiàn)為σ增大，對應圖1中w*沿σ方向向左運動（為顯示需要，圖1中σ軸的值為自右向左增大），雖然能進入穩(wěn)定空間，但是緊貼穩(wěn)定空間的下界，不是一種穩(wěn)妥的演化路徑。當遇到外界因素擾動時，很容易偏離穩(wěn)定空間而再次進入不穩(wěn)定的無序狀態(tài)。原因仍是因為當前狀態(tài)下鐵路對公路的競爭系數(shù)k12值過低。因此，當?shù)卣畱紫韧顿Y鐵路基礎設施，提高鐵路運力。當形成較為合理的運力結(jié)構(gòu)之后，如果再對碼頭泊位設施進行投資，系統(tǒng)合理的運力搭配已能夠接納碼頭泊位投資帶來的吞吐量的增長，反映在模型中即w*先沿k12軸方向向上運動，再沿σ軸方向向左運動，系統(tǒng)仍能處于穩(wěn)定有序狀態(tài)，如圖4所示。圖4先投資鐵路再投資碼頭泊位設施對系統(tǒng)演化的影響

4結(jié)論

本文將港口陸路集疏運系統(tǒng)的基礎設施投資政策視為他組織作用，通過分析他組織作用對系統(tǒng)演化方向的影響判斷政策的有效性。研究發(fā)現(xiàn)：由于港口陸路集疏運系統(tǒng)構(gòu)成要素較多且相互存在復雜的耦合關(guān)聯(lián)，導致政策對系統(tǒng)產(chǎn)生全局影響，因此政策應具有針對性，不能盲目，否則不僅不能將系統(tǒng)導向有序狀態(tài)，反而使政策投入的資金和各類資源無法收到有效回報。以曹妃甸港集疏運系統(tǒng)為例，結(jié)果表明雖然系統(tǒng)的公路運輸壓力較大，但是投資公路設施不是促使系統(tǒng)向有序狀態(tài)演化的有效政策。應將有限的資金向鐵路基礎設施傾斜，促使鐵路與公路間形成更為合理的競合關(guān)系，才能針對性地改善系統(tǒng)的集疏運結(jié)構(gòu)，有助系統(tǒng)的長遠發(fā)展。

本文結(jié)論有助于地方政府制定合理的基礎設施投資政策，不足之處是演化模型僅能定性判斷政策的有效與否，對于有效政策具體的投資與收益分析，則需要通過成本—效益模型或其他系統(tǒng)模型來分析。

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