生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究

向鵬成，李 博，胡鳴明，3，，李 佳，董 亮（1. 重慶大學建設(shè)管理與房地產(chǎn)學院，重慶 0005；2. 重慶大學可持續(xù)建設(shè)國際研究中心，重慶 0005；3. 重慶大學建設(shè)經(jīng)濟與管理中心，重慶 0005；. 萊頓大學環(huán)境研究院，荷蘭萊頓 2300 RA）

?

生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究

向鵬成1，2，李 博1，2，胡鳴明1，2，3，4，李 佳1，2，董 亮4
（1. 重慶大學建設(shè)管理與房地產(chǎn)學院，重慶 400045；2. 重慶大學可持續(xù)建設(shè)國際研究中心，重慶 400045；3. 重慶大學建設(shè)經(jīng)濟與管理中心，重慶 400045；4. 萊頓大學環(huán)境研究院，荷蘭萊頓 2300 RA）

摘 要：工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)具有高度的復(fù)雜性，共生網(wǎng)絡(luò)能否安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到生態(tài)工業(yè)園的成敗。本文提出脆弱性定義，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建了北渡鋁產(chǎn)業(yè)園園內(nèi)企業(yè)相互影響的鄰接矩陣，以及共生網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，通過對節(jié)點介數(shù)、網(wǎng)絡(luò)效率等網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)的計算定量分析了生態(tài)共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。隨后，通過單節(jié)點失效和節(jié)點對失效兩種模式的仿真分析，衡量了各個節(jié)點企業(yè)失效對整個網(wǎng)絡(luò)造成的破壞性，并得出了該工業(yè)園的重要節(jié)點企業(yè)。最后，根據(jù)園區(qū)真實情況對仿真結(jié)果進行分析和反饋，找出園區(qū)實際的脆弱性因素并提出解決方案，指出了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在生態(tài)共生網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域進一步的研究方向。

關(guān)鍵詞：工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)；生態(tài)工業(yè)園；脆弱性；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論；拓撲參數(shù)

1　引言

我國工業(yè)園區(qū)的發(fā)展前后經(jīng)歷了三個階段，其中第一代工業(yè)園僅是企業(yè)的單純集聚，企業(yè)多為勞動密集型，技術(shù)含量低；第二代工業(yè)園是高新技術(shù)園區(qū)。這兩代工業(yè)園雖然把企業(yè)聚集在了一起，節(jié)約了運輸成本，但園區(qū)內(nèi)的企業(yè)彼此之間獨立經(jīng)營、沒有有效的物質(zhì)能量交流，也沒有相互的協(xié)同合作，導致資源整體利用率較低且環(huán)境污染嚴重。第三代園區(qū)是生態(tài)工業(yè)園（Ecoindustrial Parks，EIPs）。1995年，美國Indigo發(fā)展研究所主任 Lowe教授首次提出這一概念：生態(tài)工業(yè)園是指按照循環(huán)經(jīng)濟理念的工業(yè)生態(tài)學原理及清潔生產(chǎn)要求來規(guī)劃和建設(shè)的產(chǎn)業(yè)園區(qū)［1］。在生態(tài)工業(yè)園內(nèi)，企業(yè)成員之間可以通過廢物和副產(chǎn)物的交換，物質(zhì)、能量和水的逐級利用，以及基礎(chǔ)設(shè)施的共享等手段來實現(xiàn)園區(qū)整體經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏［2］。近年來，有學者提出生態(tài)工業(yè)園的定義還應(yīng)該包括“知識、信息、專業(yè)知識的交流”，認為這些因素“定然會對生態(tài)工業(yè)園的物質(zhì)能量流造成積極的影響，并且是工業(yè)園自我革新的動力”［3］。

生態(tài)工業(yè)園的概念被提出以來，世界上許多國家開始積極探索并建立各種類型的生態(tài)工業(yè)園區(qū)，目前，全球的生態(tài)工業(yè)園區(qū)已超過12000個。截止到2016年1月，我國有31個園區(qū)被批準命名為生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，77個園區(qū)通過了國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)建設(shè)規(guī)劃認證。這種工業(yè)生產(chǎn)方式帶來了顯著的經(jīng)濟效益，然而，生態(tài)工業(yè)園的運行要受到大量的外界和內(nèi)在因素的影響［4， 5］，因此對園區(qū)管理者提出了更高的要求。生態(tài)工業(yè)園的成功與否很大程度上取決于園區(qū)管理者，因為園區(qū)要向企業(yè)提供政策和管理的支持、服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施等［6］。管理者需要合適的決策工具來幫助其識別和篩選企業(yè)，同時監(jiān)控和改善園區(qū)的運行［7-9］。最常用的決策工具有生命周期分析（Life Cycle Assessment，LCA）［10， 11］、物質(zhì)流分析（Material Flow Analysis，MFA）［12， 13］和環(huán)境指標分析（Environmental Indicator Analysis）［14-16］，這些工具能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)工業(yè)園廢棄物資源化水平、環(huán)境影響和生態(tài)效率的定量化評估［17］，為管理者分析物質(zhì)流和各個公司的環(huán)境影響帶來了極大的便利，同時也能幫助管理者篩選入駐企業(yè)。然而，目前對于生態(tài)工業(yè)園運行過程中存在的風險及其脆弱性的研究還很少，使得管理者不能及時發(fā)現(xiàn)園區(qū)運行中存在的潛在問題而造成無法挽回的損失。本文嘗試從案例出發(fā)，建立一個生態(tài)共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性識別工具，為生態(tài)工業(yè)園風險管理提供技術(shù)支持。

2　生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性

2.1 生態(tài)共生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性

生態(tài)產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)（Eco-industrial Symbiosis Network，EISN）是指由各種類型的企業(yè)在特定的利益驅(qū)使下，為追求經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的最大化而彼此合作形成的企業(yè)之間關(guān)系的集合［18］。共生網(wǎng)絡(luò)中的企業(yè)可能擁有不同的規(guī)模，來自不同的地區(qū)，提供不同的產(chǎn)品，有各自的發(fā)展規(guī)劃。企業(yè)之間相互作用又互相聯(lián)系，影響著外部環(huán)境也受到外部環(huán)境的影響。生態(tài)工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和節(jié)點企業(yè)行為的復(fù)雜性：從結(jié)構(gòu)上看，生態(tài)共生網(wǎng)絡(luò)的類別多種多樣，各個類別企業(yè)擔任的功能也不盡相同，有產(chǎn)品生產(chǎn)類、基礎(chǔ)設(shè)施類、能源提供類等多種功能的交叉耦合；從節(jié)點企業(yè)的行為來看，工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)是一個多主體系統(tǒng)，每個企業(yè)都是系統(tǒng)的一個主體。各個主體的組織結(jié)構(gòu)、人員素質(zhì)、管理水平等情況差異很大，但他們的目標都是希望合作共贏以保證整體最優(yōu)。在生態(tài)工業(yè)園的運行過程中，各個企業(yè)需要不斷地與其他企業(yè)開展合作，優(yōu)勢互補，并且隨著整個共生網(wǎng)絡(luò)的變化進行自我優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)外部不確定因素帶來的影響并做出快速反應(yīng)，否則就會失去它在共生網(wǎng)絡(luò)中的位置而被更具實力的競爭對手所替代。另一方面，每個企業(yè)都有自身的利益追求，這就難免會導致整體利益和個體利益產(chǎn)生沖突，因而節(jié)點企業(yè)間的協(xié)同和合作具有高度的復(fù)雜性。

2.2 生態(tài)共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性

由于資源與市場變化日趨復(fù)雜快速［19］，工業(yè)園區(qū)內(nèi)部不同企業(yè)、不同過程的生產(chǎn)原料難以長期穩(wěn)定，生產(chǎn)活動難以協(xié)調(diào)一致，企業(yè)間缺乏物質(zhì)流、能量流、信息流的有效整合，造成產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)不能預(yù)知其上游輸入物料規(guī)模、組份等的變化，不能及時應(yīng)對物質(zhì)流波動帶來的產(chǎn)業(yè)鏈斷裂、過程操作改變、產(chǎn)品質(zhì)量安全等風險，難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)定運行，嚴重影響了生態(tài)工業(yè)園的發(fā)展。就算是世界范圍內(nèi)生態(tài)工業(yè)園的典型——丹麥卡倫堡工業(yè)園也存在一定程度的脆弱性。比如在1995年，園區(qū)內(nèi)的Gyproc石膏廠在進行產(chǎn)品組分的常規(guī)分析中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的石膏中含有大量的釩，這種金屬元素可能對人有害。經(jīng)過研究人員的仔細調(diào)查，最終發(fā)現(xiàn)石膏被釩污染的原因是Asnaes發(fā)電廠使用了從委內(nèi)瑞拉新采購的一種廉價燃料，研究人員在這種燃料中發(fā)現(xiàn)了釩，釩元素經(jīng)過共生網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)流，從上游企業(yè)一直流動到下游企業(yè)。最終解決方案是改進Asnaes發(fā)電廠的設(shè)備以防止釩的大量累積，并遏制脫硫裝置生產(chǎn)的石膏污染其他產(chǎn)品，這不僅耗費了大量的時間和金錢，還使石膏廠的信譽大打折扣［20］。Baldwin對此事的評價為，“對卡倫堡工業(yè)園而言，技術(shù)變化、革新、外部的新壓力、企業(yè)的接管和合并等變化都會使工業(yè)共生系統(tǒng)承受顯著影響，甚至有可能使系統(tǒng)坍塌［20］”。我國生態(tài)工業(yè)園失敗的案例也屢見不鮮，比如內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)某工業(yè)園依據(jù)本地煤炭富含鋁、鎵的特點，形成了煤炭開采→煤電轉(zhuǎn)化→煤化工轉(zhuǎn)化→粉煤灰提取氧化鋁/氧化鎵→硅鈣尾渣制備環(huán)保材料的代表性產(chǎn)業(yè)鏈。然而由于市場變化過快，園區(qū)某些企業(yè)無法正常生產(chǎn)而退出，最終導致整個工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)癱瘓，基本陷入僵局。

共生網(wǎng)絡(luò)存在一定的脆弱性，時刻威脅著生態(tài)工業(yè)園的正常運行。國內(nèi)外學者對生態(tài)工業(yè)園的共生網(wǎng)絡(luò)做出了大量的探索和研究。Lowitt通過對美國馬薩諸塞州生態(tài)工業(yè)園進行研究，發(fā)現(xiàn)議事方式、經(jīng)濟措施、融資手段、信息公布等都會影響生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性［21］。Catherine Hardy 和 Thomas E. Graedel深入研究了生態(tài)工業(yè)園的共生網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，認為即使共生網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部企業(yè)之間的關(guān)聯(lián)程度得到提高，共生網(wǎng)絡(luò)對外部環(huán)境造成的影響和其穩(wěn)定性也不一定會得到改善［22］。李小鵬對生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)不同共生模式進行了歸類分析，運用 Logistic增長模型，對不同產(chǎn)業(yè)共生模式下的穩(wěn)定性條件進行求解和分析，提出了生態(tài)工業(yè)園產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)的治理方法［23］。張艷建立了生態(tài)工業(yè)園共生系統(tǒng)理想的運作模式及風險體系，提出競爭模式和共生模式是生態(tài)工業(yè)園中企業(yè)關(guān)系的兩種典型模式，構(gòu)建了生態(tài)工業(yè)園共生系統(tǒng)的風險結(jié)構(gòu)模型，提出了實現(xiàn)共生系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制原理與對策［24］。秦穎從生態(tài)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)運作中存在的問題和障礙入手，從社會學和經(jīng)濟學的角度對共生網(wǎng)絡(luò)進行了柔性化分析［25］。

1998年，美國學者Watts和Strogatz在Nature雜志上發(fā)表了題為《“小世界”網(wǎng)絡(luò)的集體動力學》［26］一文，提出“小世界”概念并建立了“小世界”網(wǎng)絡(luò)模型。1999年美國的 Barabasi和 Albert在Science雜志上發(fā)表了題為《隨機網(wǎng)絡(luò)中無標度的出現(xiàn)》一文，建立了一個無標度網(wǎng)絡(luò)模型［27］，推動了研究者由簡單的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)深入到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究，進而使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的脆弱性分析大多只注重對節(jié)點的脆弱性進行定性分析，而肖忠東［28］、李湘梅［29］、宋雨萌［30］、黃訓江［31］等人都運用了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)分析了共生網(wǎng)絡(luò)的拓撲性質(zhì)，做出了開拓性的貢獻。然而這些研究由于沒有獲取節(jié)點間的物質(zhì)、能量交換數(shù)據(jù)，因此都沒有考慮節(jié)點間的物質(zhì)、能量交換，只是構(gòu)建了無向無權(quán)的拓撲圖，結(jié)果難免出現(xiàn)偏差；同時也沒有考慮生態(tài)工業(yè)園的實際情況，使得管理者很難準確、全面的識別生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性因素，從而降低了風險管理的效率，嚴重時甚至會導致共生網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，在用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論進行定量分析時，將企業(yè)間的相關(guān)關(guān)系考慮在內(nèi)，并對工業(yè)園實際運行狀況進行分析，對于進一步認識系統(tǒng)脆弱性進而識別風險、提高風險管理的科學性而言具有重要的意義。

根據(jù)系統(tǒng)脆弱性的一般定義和特征，生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱性可被定義為在外在威脅的作用下系統(tǒng)功能的下降比例。即生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) S在威脅T的攻擊下，其脆弱性V可定義為：式中，S表示生態(tài)工業(yè)園內(nèi)企業(yè)所組成的系統(tǒng)；T表示這個系統(tǒng)可能遭受的威脅的集合，本文討論的威脅是指生態(tài)工業(yè)園內(nèi)某企業(yè)出現(xiàn)問題而無法正常運轉(zhuǎn)的情況；f是系統(tǒng)功能的測度函數(shù)；f（S）表示整個系統(tǒng)的功能；f ［S（t）］表示系統(tǒng)S在遭到威脅t的攻擊后的網(wǎng)絡(luò)功能；系統(tǒng)功能的下降比例 Δf/f表示遭受攻擊的子系統(tǒng) t的脆弱性，其中Δf=f（S）-f［S（t）］≥ 0，V（S，T）的取值范圍為［0，1］。

3　工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3.1 北渡工業(yè)園簡介

本文運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，以重慶綦江北渡鋁產(chǎn)業(yè)園為例，經(jīng)過多次實地調(diào)研充分了解了該園區(qū)的運行狀況，以及各個企業(yè)的物質(zhì)能量流，在此基礎(chǔ)上對企業(yè)間的影響進行賦權(quán)，并構(gòu)建該園區(qū)共生網(wǎng)絡(luò)的有向加權(quán)拓撲圖，依此進行拓撲性質(zhì)分析，并采用系統(tǒng)仿真分析節(jié)點失效情況，最后結(jié)合該工業(yè)園的實際運行情況進行反饋并提出建議。對北渡鋁產(chǎn)業(yè)園的研究為提高我國生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和抗風險力提供了實踐依據(jù)，也為我國生態(tài)工業(yè)園產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃、建設(shè)和發(fā)展提供了一定的技術(shù)指導。

北渡鋁產(chǎn)業(yè)園區(qū)是重慶綦江工業(yè)園區(qū)重要組團之一，園區(qū)依托旗能電鋁78萬噸電解鋁項目，發(fā)展以鋁精深加工為重點的汽車用鋁、軌道用鋁、高端建筑用鋁、工業(yè)用鋁等新型材料產(chǎn)業(yè)。同時園區(qū)已形成多條循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈：①脫硫石膏→建筑石膏產(chǎn)品；②石灰石煙氣→硫酸銨→化肥；③粉煤灰→混凝土砌塊；④鋁廢材→再生鋁。該工業(yè)園區(qū)各鏈條之間通過物質(zhì)、能量、信息的流動和共享，彼此交錯、橫向耦合，使整個共生體形成了復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖1為該生態(tài)工業(yè)園簡圖，以園區(qū)為系統(tǒng)邊界，以園區(qū)中的企業(yè)為節(jié)點，其中廢水處理廠與所有企業(yè)關(guān)聯(lián)。

圖1　北渡?鋁產(chǎn)業(yè)園簡圖

3.2 企業(yè)間相互影響賦權(quán)

為分析企業(yè)之間的相關(guān)關(guān)系，筆者整理了2015年園區(qū)內(nèi)各個企業(yè)副產(chǎn)物及廢物交換表、電力平衡表，計算企業(yè)向下游輸出的產(chǎn)品（副產(chǎn)物）占該企業(yè)生產(chǎn)的總產(chǎn)品（總副產(chǎn)物）比例或者下游企業(yè)用的資源占其上游企業(yè)的比例 P，定義企業(yè)間的影響權(quán)重aij=5*P 。以該結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建鄰接矩陣A（見表1）。其中當i=j時aij=5。

3.3 共生網(wǎng)絡(luò)拓撲圖構(gòu)建

要用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，首先要建立工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。論文以生態(tài)工業(yè)園內(nèi)的企業(yè)為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，以節(jié)點企業(yè)之間的物質(zhì)能量交流為網(wǎng)絡(luò)的邊，根據(jù)表1的影響權(quán)重建立生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（見圖2）。由于企業(yè)間關(guān)系同相似權(quán)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系性質(zhì)相近，因此論文采用相似權(quán)為兩企業(yè)之間的相關(guān)關(guān)系進行賦值。權(quán)數(shù)越大表示兩企業(yè)之間的關(guān)系越緊密，一個企業(yè)被威脅而產(chǎn)生的風險對另一個企業(yè)的影響越大，負影響傳遞越明顯，其距離越短。

表1　北渡鋁產(chǎn)業(yè)園企業(yè)鄰接矩陣A

圖2　北渡鋁產(chǎn)業(yè)園拓撲結(jié)構(gòu)圖

4　系統(tǒng)仿真及分析

4.1 生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)失效模式

生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的失效模式有單個企業(yè)遇到威脅而失效的單節(jié)點失效模式，多個企業(yè)同時遇到威脅而失效的多節(jié)點失效模式，和兩企業(yè)之間的相關(guān)關(guān)系受到威脅而失效的邊失效模式。由于工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)間物質(zhì)能量交流非常便捷且穩(wěn)定，基本不會存在邊失效現(xiàn)象，因此本文僅對單節(jié)點失效模式和節(jié)點對失效模式進行仿真分析。

論文在進行生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析時，首先分別計算各種失效模式下的脆弱性（即V（S，T）值）和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)，然后將脆弱性值與網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)進行對比分析，從而研究脆弱性因素復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與拓撲結(jié)構(gòu)的關(guān)系。根據(jù)失效模式，論文將通過 Dijkstra算法分析節(jié)點介數(shù)這種拓撲參數(shù)，并對單節(jié)點失效模式進行分析。

節(jié)點介數(shù) bv（i）表示網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過節(jié)點的最短路徑的數(shù)量占所有最短路徑數(shù)量的比例。設(shè)節(jié)點m與n通過節(jié)點k相連，在相異權(quán)網(wǎng)絡(luò)中，權(quán)值與距離成正比，即有而在相似權(quán)網(wǎng)絡(luò)中，權(quán)值越大，節(jié)點間的關(guān)系越密切，物質(zhì)、能量、信息傳播越容易，即權(quán)值與距離成反比，亦即在論文中節(jié)點介數(shù)表示兩企業(yè)通過某一確定企業(yè)的最短路徑的數(shù)量占所有最短路徑數(shù)量的比例，表征某企業(yè)對其他企業(yè)的影響力［32］。式中：gs，t表示節(jié)點vs到vt的所有最短路徑的數(shù)量；gs，t（i）表示從節(jié)點vs到 vt的 gs，t條最短路徑中經(jīng)過節(jié)點 vi的最短路徑的數(shù)量，其中最短路徑可用Dijkstra算法求得。

4.2 生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)功能測度

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能測度指標有連通度、凝聚度和韌性度，但這三個指標均不能獨立地對網(wǎng)絡(luò)功能進行全面的測度。因此，論文選擇網(wǎng)絡(luò)效率作為生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)功能測度函數(shù)。根據(jù)Latora對網(wǎng)絡(luò)效率的定義，兩節(jié)點（i，j）間的網(wǎng)絡(luò)效率可以定義為這兩個點之間距離的倒數(shù)，即eij=1/dij。因此，整個網(wǎng)絡(luò)的全局效率（Global Efficiency）可定義為［33］：

4.3 單節(jié)點失效模式下的共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依次失效，根據(jù)式（1）、式（2）和式（4）計算網(wǎng)絡(luò)脆弱性指標（V（S，T）值）及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)——節(jié)點介數(shù)，計算結(jié)果如表 4所示。以脆弱性降序排序來看一些節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)效率影響很大，如 f5、f6、f8等，而有些節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)效率的影響很小，如f10、f7等。節(jié)點失效對網(wǎng)絡(luò)效率的影響差異很大，如節(jié)點f6失效后網(wǎng)絡(luò)功能下降了44.36%，而節(jié)點f10失效后網(wǎng)絡(luò)功能只下降了 0.14%。這說明在共生網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)中發(fā)電廠具有很大的脆弱性，在管理工業(yè)園時應(yīng)重點監(jiān)控，保證其運行不受到影響。以節(jié)點介數(shù)降序來看，一些節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中具有非常大的影響力，如f5、f6、f8等，而有些節(jié)點在共生網(wǎng)絡(luò)中的重要程度則很小，如f1、f2、f3、f4、f7等。這表明，在共生網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)電廠、污水處理廠、電解鋁廠對整個系統(tǒng)的影響很大，而下游企業(yè)對系統(tǒng)的影響相對較小。這是因為發(fā)電廠擔負著為整個工業(yè)園所有企業(yè)供電的職責，污水處理廠則為所有企業(yè)處理廢水，電解鋁廠給下游企業(yè)提供原材料，這三個節(jié)點一旦出現(xiàn)問題整個系統(tǒng)將無法運行，陷入癱瘓狀態(tài)。值得一提的是，發(fā)電廠失效對電解鋁廠造成的影響是難以逆轉(zhuǎn)的，因為如果電解鋁廠在 4小時內(nèi)沒有電力補充，電解槽內(nèi)的鋁液將會冷凝附著在電解槽上，對設(shè)備造成極大的破壞。

表2　單節(jié)點失效模式下的脆弱性及網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)

圖3　節(jié)點介數(shù)與脆弱性散點圖

從圖3可以看出，在北渡鋁產(chǎn)業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)這個相似權(quán)網(wǎng)絡(luò)中脆弱性與節(jié)點介數(shù)大體呈正相關(guān)關(guān)系，這在節(jié)點介數(shù)較大時是成立的。但是這種現(xiàn)象在節(jié)點介數(shù)很小時不夠明顯，并且有特例出現(xiàn)，如 f1、f2、f3這些點。造成這種現(xiàn)象的原因有以下三點：一是在這個網(wǎng)絡(luò)關(guān)系中一個企業(yè)脆弱性的大小受與其相連的節(jié)點數(shù)目、相應(yīng)權(quán)值的綜合作用，只有當二者都相對大時才可能出現(xiàn)脆弱性與節(jié)點介數(shù)均大的情況；二是北渡鋁產(chǎn)業(yè)園的企業(yè)節(jié)點只有17個，數(shù)量不夠大，導致結(jié)果具有一定的偶然性；三是由于在對企業(yè)間相互影響進行賦權(quán)時僅對有物質(zhì)交換的企業(yè)進行了賦權(quán)，對無物質(zhì)交換的企業(yè)賦權(quán)為 0，但實際上有些企業(yè)對與其沒有直接物質(zhì)交流的其他企業(yè)是有影響的，甚至影響重大。比如錦旗碳素為電解鋁廠提供陽極炭塊，如果錦旗碳素生產(chǎn)出現(xiàn)問題將會直接導致電解鋁廠無法生產(chǎn)鋁液，進而導致其他鋁深加工企業(yè)無法正常生產(chǎn)。因此，當這種狀況在一個相似權(quán)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)時應(yīng)引起注意并要結(jié)合園區(qū)實際進行分析。

4.4 分析與建議

通過系統(tǒng)仿真可以發(fā)現(xiàn)北渡鋁產(chǎn)業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)中最重要的企業(yè)是發(fā)電廠、電解鋁廠、污水處理廠，與實際相符。經(jīng)過以上的分析可知，錦旗碳素在整個共生網(wǎng)絡(luò)里也占有很重要的地位，一旦其出現(xiàn)問題，整個共生網(wǎng)絡(luò)也將陷入癱瘓。但是經(jīng)過對園區(qū)管委會的訪談，我們發(fā)現(xiàn)園區(qū)并沒有這一方面的擔憂，如果錦旗碳素退出園區(qū)或生產(chǎn)出現(xiàn)問題，陽極炭塊將會由園區(qū)外的其他企業(yè)進行補充。真正令園區(qū)管委會擔心的是，發(fā)電廠生產(chǎn)的粉煤灰以及脫硫石膏是否含有有害元素，用作建筑材料時是否會對人體產(chǎn)生危害，這需要對關(guān)鍵物質(zhì)流波動下資源化產(chǎn)品質(zhì)量風險與模擬系統(tǒng)、物質(zhì)流波動而導致產(chǎn)業(yè)鏈風險的預(yù)警預(yù)案技術(shù)進行更深入的研究，其中，開發(fā)和構(gòu)建物質(zhì)流監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵的技術(shù)解決方案。

基于以上分析，本文對北渡鋁產(chǎn)業(yè)園提出以下幾點建議，以降低共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性：

1）重點關(guān)注園區(qū)關(guān)鍵企業(yè)運行，推進園區(qū)整體的信息化建設(shè)，實現(xiàn)共生網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集和處理。數(shù)據(jù)是實施監(jiān)控和管理的基礎(chǔ)，目前園區(qū)正在建設(shè)國家B級信息化平臺，投資1.2億元，依托龍頭企業(yè)旗能電鋁公司建立大數(shù)據(jù)中心，借助地理信息、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，實現(xiàn)信息的分析、評估，并挖掘數(shù)據(jù)的潛在信息價值。然而園區(qū)內(nèi)只有旗能電鋁一家企業(yè)進行了信息化改造，園區(qū)其他企業(yè)大多屬于離散狀態(tài)，因考慮成本而不愿意積極主動地進行信息化建設(shè)。園區(qū)應(yīng)該向其他小型企業(yè)展示信息管理平臺的優(yōu)勢，比如旗能電鋁在實時監(jiān)控企業(yè)生產(chǎn)線運行狀況后，可節(jié)省20個巡檢人員，一年節(jié)約人力成本費用260萬；此外，實時監(jiān)控系統(tǒng)比人力監(jiān)控更為精確，發(fā)現(xiàn)問題更及時，能極大地幫助管理者盡早發(fā)現(xiàn)風險并進行有效的規(guī)避。園區(qū)應(yīng)向其他企業(yè)加大宣傳力度，鼓勵其進行信息化建設(shè)，最終實現(xiàn)園區(qū)整體的信息化。

2）開發(fā)和應(yīng)用物質(zhì)流監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布局技術(shù)。數(shù)據(jù)收集是信息化管理的基礎(chǔ)，而對收集的數(shù)據(jù)進行恰當?shù)奶幚聿拍転楣芾碚咚茫虼?，開發(fā)和應(yīng)用物質(zhì)流監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布局技術(shù)尤為重要。旗能電鋁公司投資600萬元建立了185個企業(yè)內(nèi)部計量監(jiān)控點，能隨時了解企業(yè)的運行狀況（如每個電解槽的電流、電壓、鋁礦供應(yīng)量），及時發(fā)現(xiàn)任何部位出現(xiàn)的問題，對企業(yè)和園區(qū)的管理者及時發(fā)現(xiàn)風險并作出迅速反應(yīng)、實現(xiàn)動態(tài)風險管理有著重要的作用。

3）對廢棄物資源化關(guān)鍵組分進行實時監(jiān)控，重點關(guān)注產(chǎn)業(yè)鏈上廢棄物資源化關(guān)鍵組分波動、有害元素轉(zhuǎn)移而導致產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。生態(tài)工業(yè)園將廢棄物資源化，為人類所利用，這固然是循環(huán)經(jīng)濟的實際體現(xiàn)，但人們往往不太關(guān)注資源化的廢棄物中原有的有害元素、或者多次加工處理后產(chǎn)生的新的有害物質(zhì)對人類可能造成的潛在危害。在北渡鋁產(chǎn)業(yè)園中存在脫硫石膏→建筑石膏產(chǎn)品、石灰石煙氣→硫酸銨→化肥、粉煤灰→建筑混凝土砌塊等產(chǎn)業(yè)鏈，園區(qū)管委會也擔心這些產(chǎn)品是否會對人體或農(nóng)作物造成危害。比如粉煤灰中含有大量的二氧化硅粉塵，這種粉塵極細，比表面積達到 100m2/g以上，并且可以懸浮在空氣中，如果人長期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會罹患硅肺病。因此對廢棄物資源化關(guān)鍵組分進行實時監(jiān)控，對于維護共生網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行有著重要的意義。

5　結(jié)語

生態(tài)工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)不僅是提高生態(tài)工業(yè)園效率的有效途徑，也是生態(tài)工業(yè)園內(nèi)企業(yè)間合作的主要組織形式［35］。工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)能否安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到生態(tài)工業(yè)園的成敗。本文運用Ucinet和Matlab軟件，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建了北渡鋁產(chǎn)業(yè)園園內(nèi)企業(yè)相互影響的鄰接矩陣，并構(gòu)建了共生網(wǎng)絡(luò)有向加權(quán)拓撲結(jié)構(gòu)；提出了脆弱性定義，通過對節(jié)點介數(shù)、網(wǎng)絡(luò)效率等網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進行仿真分析，得出了該工業(yè)園的重要節(jié)點企業(yè)。最后，根據(jù)實際情況對仿真結(jié)果進行了分析和反饋，找出了園區(qū)內(nèi)實際的脆弱性因素，并提出加快園區(qū)及企業(yè)的信息化建設(shè)、開發(fā)和構(gòu)建物質(zhì)流監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布局技術(shù)和應(yīng)用、對廢棄物資源化關(guān)鍵組分進行實時監(jiān)控等建議。

論文提出的模型充分考慮了生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性及脆弱性因素間的相互關(guān)系，實現(xiàn)了生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)脆弱性的定量化計算，能夠有效識別共生網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點企業(yè)，具有較為普遍的適用性，可以為生態(tài)工業(yè)園的共生網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、生態(tài)工業(yè)園穩(wěn)定運行的維護、園區(qū)管委會的風險決策與管理提供參考。由于該案例節(jié)點企業(yè)數(shù)量不夠大，使得仿真結(jié)果帶有一定的偶然性，同時，對沒有物質(zhì)交流的企業(yè)是否進行賦權(quán)、賦權(quán)的標準等問題在此文中沒有解答。我們將在后續(xù)工作中對這些問題以及是否有必要構(gòu)建園區(qū)外圍企業(yè)與園區(qū)內(nèi)部共生網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動模型等問題進行進一步的深入研究。

參考文獻

［1］ Lowe E A， Evans L K. Industrial ecology and industrial ecosystems［J］. Journal of Cleaner Production， 1995，3（1-2）：47-53.

［2］ C?té R， Hall J. Industrial parks as ecosystems［J］. Journal of Cleaner Production， 1995，3（1-2）： 41-46.

［3］ Lombardi D R， Laybourn P. Redefining Industrial Symbiosis［J］. Journal of Industrial Ecology， 2012， 16（1）：28-37.

［4］ Mannino I， Ninka E， Turvani M， et al. The decline of eco-industrial development in Porto Marghera， Italy［J］. Journal of Cleaner Production， 2015， 100： 286-296.

［5］ Veleva V， Todorova S， Lowitt P， et al. Understanding and addressing business needs and sustainability challenges：lessons from Devens eco-industrial park［J］. Journal of Cleaner Production， 2015， 87（1）： 375-384.

［6］ Gibbs D， Deutz P. Reflections on implementing industrial ecology through eco-industrial park development［J］. Journal of Cleaner Production， 2007， 15（17）： 1683-1695.

［7］ Oh D S， Kim K B， Jeong S Y. Eco-Industrial Park Design：a Daedeok Technovalley case study［J］. Habitat International， 2005， 29（2）： 269-284.

［8］ Chiu A S F， Geng Y. On the industrial ecology potential in Asian Developing Countries［J］. Journal of Cleaner Production， 2004， 12（8-10）： 1037-1045.

［9］ Sopha B M， Fet A M， Keitsch M M， et al. Using systems engineering to create a framework for evaluating industrial symbiosis options［J］. Systems Engineering， 2010，13（2）： 149-160.

［10］ Sokka L， Lehtoranta S， Nissinen A， et al. Analyzing the Environmental Benefits of Industrial Symbiosis： Life Cycle Assessment Applied to a Finnish Forest Industry Complex［J］. Journal of Industrial Ecology， 2011， 15（15）：137-155.

［11］ Sokka L， Pakarinen S， Melanen M. Industrial symbiosis contributing to more sustainable energy use - an example from the forest industry in Kymenlaakso， Finland［J］. Journal of Cleaner Production， 2011， 19（4）： 285-293.

［12］ Yong G， Pan Z， C?té R P， et al. Assessment of the National Eco-Industrial Park Standard for Promoting Industrial Symbiosis in China［J］. Journal of Industrial Ecology，2009， 13（1）： 15-26.

［13］ Geng Y， Fu J， Sarkis J， et al. Towards a national circular economy indicator system in China： an evaluation and critical analysis［J］. Journal of Cleaner Production， 2012，23（1）： 216-224.

［14］ Zhu L， Zhou J， Cui Z， et al. A method for controlling enterprises access to an eco-industrial park［J］. Science of the Total Environment， 2010， 408（20）： 4817-4825.

［15］ Pakarinen S， Mattila T， Melanen M， et al. Sustainability and industrial symbiosis—The evolution of a Finnish forest industry complex［J］. Resources Conservation & Recycling， 2010， 54（12）： 1393-1404.

［16］ Kurup B， Stehlik D. Towards a model to assess the sustainability implications of industrial symbiosis in eco-industrial parks［J］. Progress in Industrial Ecology，2009， 6（2）： 103-119.

［17］ Felicio M， Amaral D， Esposto K， et al. Industrial symbiosis indicators to manage eco-industrial parks as dynamic systems［J］. Journal of Cleaner Production， 2016.

［18］ 袁增偉， 畢軍. 生態(tài)產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)形成機理及其系統(tǒng)解析框架［J］. 生態(tài)學報， 2007， （08）： 3182-3188.

［19］ Felicio M， Amaral D， Esposto K， et al. Industrial symbiosis indicators to manage eco-industrial parks as dynamic systems［J］. Journal of Cleaner Production， 2016.

［20］ Baldwin J S， Ridgway K， Winder B， et al. Modelling industrial ecosystems and the problem of evolution［J］. Progress in Industrial Ecology， 2004， 1（1-3）： 39-60.

［21］ Lowitt P C. Devens Redevelopment - The Emergence of a Successful Eco-Industrial Park in the United States［J］. Journal of Industrial Ecology， 2008， 12（4）： 497-500.

［22］ Catherine H， Graedel T E. Industrial Ecosystems as Food Webs［J］. Journal of Industrial Ecology， 2002， 6（6）： 29-38.

［23］ 李小鵬. 生態(tài)工業(yè)園產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及生態(tài)效率評價研究［D］. 天津大學， 2011.

［24］ 張艷. 生態(tài)工業(yè)園工業(yè)共生系統(tǒng)的構(gòu)建與穩(wěn)定性研究［D］. 華中科技大學管理科學與工程， 2006.

［25］ 秦穎， 武春友， 武春光. 生態(tài)工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)運作中存在的問題及其柔性化研究［J］. 軟科學， 2004（02）： 38-41.

［26］ Watts D J， Strogatz S H. Collective dynamics of ‘smallworld' networks［J］. Nature， 1998，393（6684）： 440-442.

［27］ Barabasi A L， Albert R. Emergence of Scaling in Random Networks［J］. Science， 1999， 286（5439）： 509-512.

［28］ 肖忠東， 查仲朋， 徐琛. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］. 系統(tǒng)工程， 2010（5）： 58-63.

［29］ 李湘梅， 肖人彬， 曾宇， 等. 生態(tài)工業(yè)園共生網(wǎng)絡(luò)的脆弱性［J］. 生態(tài)學報， 2014（16）： 4746-4755.

［30］ 宋雨萌， 石磊. 工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性度量及案例分析：循環(huán)經(jīng)濟與生態(tài)工業(yè)學術(shù)研討會， 2006［C］.

［31］ 黃訓江. 生態(tài)工業(yè)園生態(tài)鏈網(wǎng)建設(shè)激勵機制研究——基于不完全契約理論的視角［J］. 管理評論， 2015， （06）：111-119.

［32］ Albert R， Barabasi A L. Statistical Mechanics Of Complex Networks［J］. Review of Modern Physics， 2002， 26（1）：47-97.

［33］ Latora V， Marchiori M. Efficient behavior of small-world networks［J］. Physical Review Letters， 2001， 87（19）： 8701.

［34］ 田柳， 狄增如， 姚虹. 權(quán)重分布對加權(quán)網(wǎng)絡(luò)效率的影響［J］. 物理學報， 2011， 60（2）： 797-802.

［35］ 王治瑩， 李春發(fā). 超網(wǎng)絡(luò)視角下生態(tài)工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性研究［J］. 大連理工大學學報（社會科學版）， 2013， （01）：14-18.

李博（1993-），男，碩士研究生，主要從事生態(tài)工業(yè)園風險控制、可持續(xù)建設(shè)方面的研究。E-mail： 503335950@qq.com

中圖分類號：TU19

文獻標識碼：A

文章編號：1674-4969（2016）03-0332-10

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00332

收稿日期：2016-04-14； 修回日期： 2016-05-15

基金項目：中荷主題科研合作項目（2015DFG62270）、荷蘭科學院 NWO項目（467-14-003）、國家中央高校項目（106112015 CDJXY030004）

作者簡介：向鵬成（1974-），男，博士，教授，研究方向為項目管理、風險管理、可持續(xù)發(fā)展、房地產(chǎn)經(jīng)濟與住房政策。E-mail：pcxiang@cqu.edu.cn

Study on Vulnerability of Symbiosis Network in Eco-industrial Parks

Xiang Pengcheng1，2， Li Bo1，2， Hu Mingming1，2，3，4， Li Jia1，2， Dong Liang4
（1. School of Construction Management and Real Estate， Chongqing University， Chongqing 400045， China； 2. International Research Center for Sustainable Built Environment， Chongqing University， Chongqing 400045， China； 3. Chongqing University Center for Construction Economics and Management， Chongqing University， Chongqing 400045， China； 4. Institute of Environmental Sciences， Leiden University， Leiden 2300 RA， Netherlands）

Abstract:Many countries are actively exploring and establishing Eco-industrial parks of various types. This method of manufacturing has brought significant economic benefits， while also generating a series of problems because the establishment of an eco-industrial park is influenced by numerous internal and external factors. However， market changes and technological advancement could undermine the level of symbiosis during operations. Eco-industrial symbiosis network （EISN） is highly complex， and its safe and stable operation directly relates to the success of Eco-industrial Park （EIP）. In this paper， definition of vulnerability is put forward. Based on the theory of complex network， the enterprise mutual influence of adjacency matrix of Beidu aluminum industrial park and the symbiosis network topology are set up. Through the simulation analysis of the parameters of network topology，such as node betweenness and network efficiency， and the vulnerability of network analysis， measure each node or node pair enterprise's destructive effect on the entire network， thus the most important node enterprises of the industrial park can be worked out， i.e. power plant， sewage treatment plant， electrolytic aluminum plant. Finally， on the analysis and feedback to the simulation result in accordance with the real situation of the parks， the real vulnerable factors are found out and three solutions are provided which are （1） focus on the operation of the key nodes， and promote the informationization construction of the industrial park， to realize the data collection and processing of the symbiosis network； （2） exploit and apple material flow monitoring network layout technology；（3） monitor the key components of the recycled products in real time， and focus on the unstable quality problem caused by the volatility of the key components and transfer of harmful element .The further research direction of complex network theory in ecological symbiosis network is also pointed out.

Keywords:symbiosis network； eco-industrial parks； vulnerability； complex network theory； topological parameter