基于系統(tǒng)動力學(xué)的區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展模型研究

戴鐵軍，趙迪

基于系統(tǒng)動力學(xué)的區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展模型研究

戴鐵軍，趙迪

（北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟研究院，北京100124）

針對區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)具有動態(tài)性、復(fù)雜性等特點，研究運用系統(tǒng)動力學(xué)方法，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，將區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng)：經(jīng)濟子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)，并闡述了區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展因果反饋機制，各子系統(tǒng)的特點及變量選取。依托Vensim ple軟件繪制因果關(guān)系反饋圖和模型流圖，構(gòu)建了區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型，為制定區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)；系統(tǒng)動力學(xué)；可持續(xù)發(fā)展

區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展涉及資源、環(huán)境、經(jīng)濟、人口等多方面內(nèi)容，近年來，一方面經(jīng)濟的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，使得資源生產(chǎn)利用的規(guī)模不斷擴大，污染物排放強度增大；另一方面經(jīng)濟和人口的增長引起的資源衰竭和環(huán)境污染問題逐漸制約了經(jīng)濟和社會的發(fā)展。經(jīng)濟快速發(fā)展與資源消耗、人口增長、環(huán)境污染之間的矛盾日益明顯［1］，如何有效地協(xié)調(diào)它們之間的關(guān)系，是當(dāng)前區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題。

區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，由多個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成，其內(nèi)部影響因素繁多，具有動態(tài)、高階、非線性、多重反饋等特性［2-3］。而系統(tǒng)動力學(xué)（System dynamics，SD）作為一種通過結(jié)構(gòu)功能分析和信息反饋技術(shù)研究解決復(fù)雜動態(tài)性系統(tǒng)問題的計算機模擬方法，最適用于復(fù)雜系統(tǒng)的機構(gòu)、功能與行為之間動態(tài)的辯證對立統(tǒng)一關(guān)系的定量研究［4］，自1956年由美國麻省理工學(xué)院的福瑞斯特（Forrester）教授提出以來，已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)［5-6］、城市發(fā)展［7-10］、生態(tài)系統(tǒng)［11-12］等大型復(fù)雜系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展研究。

基于以上分析，系統(tǒng)動力學(xué)適合用于區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)這種長期的、具有戰(zhàn)略性的時變系統(tǒng)研究。運用系統(tǒng)動力學(xué)方法，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟思想，構(gòu)建區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型，為其可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1　系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

1.1模型總體結(jié)構(gòu)分析

區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的研究對象主要包括經(jīng)濟發(fā)展、人口總量、資源數(shù)量、環(huán)境質(zhì)量4個要素，它們之間的和諧程度反映了區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力?；诖?，確定區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次，將該系統(tǒng)分解為經(jīng)濟、人口、資源、環(huán)境4個子系統(tǒng)。經(jīng)濟子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的發(fā)展起推動作用；人口子系統(tǒng)對經(jīng)濟的發(fā)展起能動作用；資源子系統(tǒng)作為經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)條件，對系統(tǒng)起到基礎(chǔ)支撐的作用；環(huán)境子系統(tǒng)是經(jīng)濟發(fā)展的承載子系統(tǒng)，資源的開發(fā)利用、人口的增長、污染物的排放等應(yīng)維持在環(huán)境承載力之內(nèi)。每個子系統(tǒng)的運行不僅取決于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，更取決于它與外部的聯(lián)系，子系統(tǒng)的變動情況可反饋至其他子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)之間是相互促進(jìn)、相互制約的，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

1.2因果反饋分析

系統(tǒng)動力學(xué)注重系統(tǒng)內(nèi)因素之間的關(guān)系與信息反饋，因果關(guān)系是建立系統(tǒng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)，它用以描述系統(tǒng)內(nèi)各影響因素之間的相互作用，反映了動力學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。各要素間一系列因果關(guān)系作用鏈組成的閉合回路構(gòu)成了系統(tǒng)的因果反饋回路，通過因果反饋關(guān)系將復(fù)雜系統(tǒng)用簡潔的方式表達(dá)出來。因果反饋回路分為正反饋和負(fù)反饋兩種。正反饋回路是指回路中任何一個因素的增加或減少通過一系列正負(fù)反饋作用，引起最初因素不斷增加或減少，呈加強型；負(fù)反饋回路指回路中任何一個因素增加或減少通過一系列正負(fù)反饋作用，引起最初因素反向減少或增加［13］，呈穩(wěn)定型。

通過上述定性分析區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)之間的因果關(guān)系，在不斷調(diào)試后，運用Vensim ple軟件繪圖得到區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展因果關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1　區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)因果關(guān)系圖

主要的因果反饋回路如圖1所示（“+”表示正反饋關(guān)系，“-”表示負(fù)反饋關(guān)系）。

（1）GDP→+工業(yè)增加值→+污染物排放→-環(huán)境質(zhì)量→+GDP。

地區(qū)生產(chǎn)總值增加，工業(yè)產(chǎn)值隨之增長，同時帶來污染物排放的增長，使環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，當(dāng)環(huán)境質(zhì)量退化到一定程度，會對經(jīng)濟產(chǎn)生負(fù)作用限制經(jīng)濟的增長，形成負(fù)反饋回路。

（2）GDP→+環(huán)保投入→+污染物處理量→-污染物排放→-環(huán)境質(zhì)量→+GDP。

經(jīng)濟的增長促使政府加大環(huán)保治理投資，產(chǎn)生的污染物得到有效治理，從而污染物排放量減少，環(huán)境質(zhì)量得到提升，促進(jìn)經(jīng)濟的發(fā)展，形成正反饋回路，保證區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

（3）人口→+消費需求→+GDP→+勞動力需求→+人口。

居民的消費需求隨人口數(shù)量的增加而增長，消費需求的增加促進(jìn)經(jīng)濟的增長，導(dǎo)致勞動需求的增加，潛在的外來就業(yè)需求增加，人口遷入量增多使人口總量增加，形成正反饋回路。

（4）人口→+消費需求→+GDP→+優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)→+勞動生產(chǎn)率→-人口。

人口數(shù)量增長，社會消費需求隨之增加，帶動地區(qū)生產(chǎn)總值增長，經(jīng)濟的發(fā)展有利于優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，努力發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)，提升區(qū)域整體的勞動生產(chǎn)率從而減少對勞動力的需求，最終導(dǎo)致總?cè)丝跍p少，形成負(fù)反饋回路，保證區(qū)域經(jīng)濟和人口的可持續(xù)發(fā)展。

（5）人口→+消費需求→+資源消耗→+污染物排放→-人口。

人口總量增加，消費需求增大，資源消耗隨之增加以滿足其需求，同時使污染物排放量增多，環(huán)境質(zhì)量降低，對人體健康產(chǎn)生危害，導(dǎo)致總?cè)丝跍p少，形成負(fù)反饋回路。

（6）GDP→+資源消耗→-資源供給能力→+GDP。

經(jīng)濟的發(fā)展需要資源消耗作為支持，而資源消耗強度過大會造成資源短缺，使資源的供給能力下降，從而制約了經(jīng)濟的發(fā)展，形成負(fù)反饋回路。

（7）GDP→+科技投入→+技術(shù)水平→+物質(zhì)生產(chǎn)力→-資源消耗→-資源供給能力→+GDP。

總產(chǎn)值的增加促進(jìn)政府加大科技投入，科技投資的增加提高了科技水平，使物質(zhì)生產(chǎn)力得到提升，同等產(chǎn)值水平下物質(zhì)投入量減少，有效地降低了資源消耗，資源余量增加，提高了資源供給能力，促進(jìn)經(jīng)濟的發(fā)展，形成正反饋回路，保證區(qū)域經(jīng)濟和資源的可持續(xù)發(fā)展。

（8）GDP→+優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)→-資源消耗→-資源供給能力→+GDP。

地區(qū)生產(chǎn)總值的增加有利于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，大力發(fā)展低能耗高產(chǎn)值產(chǎn)業(yè)，降低高能耗低產(chǎn)值的產(chǎn)業(yè)比例，使資源消耗量降低，資源的供給能力升高，促進(jìn)經(jīng)濟的發(fā)展，形成正反饋回路，保證區(qū)域經(jīng)濟和資源的可持續(xù)發(fā)展。

1.3子系統(tǒng)描述

1.3.1經(jīng)濟子系統(tǒng)

經(jīng)濟的發(fā)展為其他子系統(tǒng)的發(fā)展提供資金的支持，但隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，資源環(huán)境遭到了破壞，反過來影響了經(jīng)濟的發(fā)展；另一方面經(jīng)濟的發(fā)展也會影響區(qū)域內(nèi)人口的遷移。經(jīng)濟子系統(tǒng)主要研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展對人口、資源、環(huán)境的影響，其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟子系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)，它的構(gòu)成在很大程度上決定了資源消耗強度、環(huán)境污染排放強度和人口增長速度。

在經(jīng)濟子系統(tǒng)中，涉及的變量主要包括：GDP，GDP年增長量，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，現(xiàn)代服務(wù)業(yè)產(chǎn)值，傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)產(chǎn)值，各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比，人均GDP，其中設(shè)定GDP為狀態(tài)變量，GDP年增長量為速率變量。值得說明的是，這里將第三產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步劃分為現(xiàn)代服務(wù)業(yè)和傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)來更加準(zhǔn)確地研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對其他子系統(tǒng)的影響。

1.3.2人口子系統(tǒng)

人口是區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的能動因素，人口越多，消費需求增長帶動經(jīng)濟的發(fā)展，但區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的人口承載力是有限的，人口總量過多會造成區(qū)域資源環(huán)境的不堪重負(fù)。人口子系統(tǒng)主要研究系統(tǒng)內(nèi)人口總量變化的影響因素及其適度規(guī)模，其變化主要受到自然增長和機械遷移兩個因素的影響，自然增長包括出生率和死亡率兩方面；機械遷移主要考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動對勞動力需求的影響而引起外來人口的流入。

在人口子系統(tǒng)中，涉及的變量主要包括：人口總量，人口自然增長率，一產(chǎn)勞動力，二產(chǎn)勞動力，現(xiàn)代服務(wù)業(yè)勞動力，總勞動力需求，一產(chǎn)勞動生產(chǎn)率，二產(chǎn)勞動生產(chǎn)率，現(xiàn)代服務(wù)業(yè)勞動生產(chǎn)率，傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)勞動生產(chǎn)率。

1.3.3資源子系統(tǒng)

資源是區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)發(fā)展的物質(zhì)能量基礎(chǔ)，資源的過度消耗會造成資源短缺和環(huán)境污染等問題，制約經(jīng)濟的發(fā)展。優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，合理的開發(fā)利用資源，控制資源消耗量是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的必要條件。資源子系統(tǒng)主要研究資源投入量變化趨勢，探討了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和科技進(jìn)步對資源投入總量的影響。

在資源子系統(tǒng)中，涉及的變量主要包括：資源投入總量（DMI），資源投入年增長量，資源消耗量（DMC），物質(zhì)生產(chǎn)力（GDP/DMI），人均物質(zhì)投入量，科技投入，科技投入比。其中設(shè)定資源投入總量為狀態(tài)變量，資源投入年增長率為速率變量。

1.3.4環(huán)境子系統(tǒng)

環(huán)境與經(jīng)濟既相互依存又相互制約，環(huán)境是人們賴以生存的場所，而人口、經(jīng)濟、資源子系統(tǒng)產(chǎn)生的污染物排放到環(huán)境中，環(huán)境污染會降低環(huán)境承載力，因此，控制污染物的排放，提高環(huán)境質(zhì)量是可持續(xù)發(fā)展的主要任務(wù)。環(huán)境子系統(tǒng)主要研究污染物產(chǎn)生、處理和排放的機制，探討在一定的經(jīng)濟增長速度和環(huán)保投資水平下，區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的環(huán)境污染程度以及對經(jīng)濟發(fā)展帶來的影響。系統(tǒng)中污染物的排放主要來自4個方面：水體污染物、大氣污染物、固體廢棄物和耗散性物質(zhì)。環(huán)保投資的比例和污染物處理成本決定了污染物處理能力，污染物的治理量越大，污染物的排放量越小。

在環(huán)境子系統(tǒng)中，涉及的變量主要包括：水體污染物產(chǎn)生量，水體污染物處理量，水體污染物排放量，大氣污染物產(chǎn)生量，大氣污染物處理量，大氣污染物排放量，固體廢棄物產(chǎn)生量，固體廢棄物處理量，固體廢棄物利用率，耗散性物質(zhì)及生活垃圾排放量，環(huán)保投資，水體污染物治理投資，大氣污染物治理投資，固體廢物治理投資，萬元GDP污染物產(chǎn)生量，單位污染物治理成本，環(huán)境效率（GDP與污染物排放總量的比值）。

1.4結(jié)構(gòu)模型圖

通過上述主要變量因果關(guān)系分析與子系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，運用Vensim ple軟件繪制出區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型流圖如圖2所示。

圖2　區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型流圖

區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展模型由經(jīng)濟子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)4大系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)是由各要素組合并相互作用的有機整體，在經(jīng)濟發(fā)展和人口增長的同時，也要合理開發(fā)利用資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，因此，把握住各要素對整個系統(tǒng)的影響以及彼此之間的關(guān)系，才能實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2　結(jié)論

通過對區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型研究，可得出以下結(jié)論。

（1）運用系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展模型，可充分發(fā)揮其善于描述復(fù)雜系統(tǒng)的特性，直觀地反映了區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)經(jīng)濟、人口、資源、環(huán)境各要素之間的結(jié)構(gòu)。

（2）基于系統(tǒng)動力學(xué)理論對區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)進(jìn)行因果關(guān)系分析，可以看出經(jīng)濟子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)各要素間存在著復(fù)雜的交互因果反饋作用，這是構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)。

（3）在詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的理論模型，為制定區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供技術(shù)支持，為進(jìn)一步的實證研究奠定了基礎(chǔ)。

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Research on system dynamics model of regional economic system sustainable development

DAI Tiejun，ZHAO Di
（Institute of Recycling Economy，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In view of the characteristic of the regional economic system with dynamic and complex，the research uses system dynamics method.The regional economic system is divided into four subsystems including economic subsystem，population subsystem，resource subsystem and environment subsystem through analysis of system structure.The research expounds the cause and effect feedback mechanism of sustainable development of regional economic system，the characteristics of each subsystem and the selection of variables.The paper draws causal feedback model diagram and flow chart relying on the Vensim ple software to construct the system of regional economy sustainable development based on system dynamics，providing theoretical guidance and technical support for the formulation of the strategy of sustainable development in regional economic system.

regional economic system；system dynamics；sustainable development

F062.2；X24；X32

A

1674-0912（2016）09-0007-04

2016科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)——首都資源循環(huán)材料技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011協(xié)同創(chuàng)新中心）（009000546616016）；北京市教育委員會社科計劃重點項目（SZ201610005002）

戴鐵軍（1964-），男，河北唐山人，博士，教授，研究方向：循環(huán)經(jīng)濟與產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)。

（2016－04－21）