臨港產(chǎn)業(yè)空間布局模型

封學(xué)軍,季 婕,蔣柳鵬,楊義林,王嬌嬌

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

臨港產(chǎn)業(yè)空間布局模型

封學(xué)軍,季 婕,蔣柳鵬,楊義林,王嬌嬌

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

針對當(dāng)前臨港產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃缺乏量化分析方法的問題,基于多目標(biāo)規(guī)劃和系統(tǒng)布置設(shè)計方法構(gòu)建產(chǎn)業(yè)空間布局模型,并對模型進(jìn)行求解分析,解決臨港產(chǎn)業(yè)的規(guī)模大小和空間布局2個問題。以江蘇省鹽城濱海港臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)為例,構(gòu)建臨港產(chǎn)業(yè)空間布局模型,并采用LINGO求解器和模擬退火算法對模型進(jìn)行求解,計算出濱海港臨港產(chǎn)業(yè)最佳布局方案,驗證模型的可行性和準(zhǔn)確性。

臨港產(chǎn)業(yè);空間布局;多目標(biāo)規(guī)劃;系統(tǒng)布置設(shè)計;鹽城濱海港臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)

臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)一般是指在港口后方陸域設(shè)立的與港口相關(guān)的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),其主要依托港口大進(jìn)大出、服務(wù)配套等優(yōu)勢,成為港口城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保證。臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)問題已成為港口經(jīng)濟(jì)研究的熱點問題之一[1-2]，而臨港產(chǎn)業(yè)空間布局問題是其核心問題。正確合理的臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)布局能充分發(fā)揮港口優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢,從而帶動港口城市產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

臨港產(chǎn)業(yè)布局理論是在陸域產(chǎn)業(yè)布局理論基礎(chǔ)上衍生出來的分支理論,是產(chǎn)業(yè)布局理論的重要組成部分。臨港產(chǎn)業(yè)布局理論始于以區(qū)位論為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)布局學(xué)說,最早由Von Thunen和Weber提出,他們運用地租學(xué)說、比較成本學(xué)說的研究成果創(chuàng)辦了古典區(qū)位理論[3]。繼杜能古典區(qū)位論之后,臨港產(chǎn)業(yè)布局理論總體上是圍繞港口問題開展研究,港口地理研究幾乎成為臨港產(chǎn)業(yè)布局理論的全部,而其他方面的研究較少。當(dāng)前的研究成果主要如下。

定性布局方面,目前研究成果較多。余厚新[4]以層次分析法為基礎(chǔ),通過“五步篩選法”,利用“產(chǎn)業(yè)吸引力-臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)競爭力”模型,確定天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)重點產(chǎn)業(yè)選擇,并在此基礎(chǔ)上提出臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局;石磊等[5]強(qiáng)調(diào)臨港產(chǎn)業(yè)建設(shè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)聯(lián)性,并以臨沂市臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)總體規(guī)劃為例,對基于港口經(jīng)濟(jì)下的產(chǎn)業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)定位、空間布局、實施策略等進(jìn)行探討;康旺泉等[6]結(jié)合長興島臨港工業(yè)園區(qū)建設(shè)的自身特點,考慮不同產(chǎn)業(yè)的不同需求,同時根據(jù)環(huán)境規(guī)劃等多方面的因素,合理布置各個產(chǎn)業(yè)區(qū),為臨港工業(yè)園區(qū)的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ);徐龍等[7]從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度出發(fā),用定性分析的方法對產(chǎn)業(yè)集群空間布局和岸線利用等問題進(jìn)行探討,提出臨港工業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路;LI Zhiyong[8]基于空間經(jīng)濟(jì)學(xué)的港口節(jié)點理論,建立了港口和臨港產(chǎn)業(yè)集群供應(yīng)鏈的整合模型,該模型有利于促進(jìn)解決港口產(chǎn)業(yè)整合發(fā)展;沈寰等[9]對寧波、舟山兩港區(qū)臨港產(chǎn)業(yè)的布局現(xiàn)狀進(jìn)行定量分析與評價,指出存在的問題,提出布局調(diào)整優(yōu)化的路徑;陶學(xué)周[10]以宜賓臨港開發(fā)區(qū)為研究對象,通過對開發(fā)區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行SWOT分析,圍繞我國臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,提出宜賓臨港開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)以及產(chǎn)業(yè)用地面積;張春圓[11]分析了臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展與土地利用情況,以天津港產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例,研究臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展與土地集約利用的相互關(guān)系,對臨港產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)未來的發(fā)展具有指導(dǎo)意義;Ma等[12]從規(guī)模角度出發(fā),分別以環(huán)渤海港口群和韓國港口群為案例,分析港口產(chǎn)業(yè)布局的方法,并提出環(huán)渤海港口群和韓國港口產(chǎn)業(yè)的規(guī)模問題;張婷等[13]運用灰色關(guān)聯(lián)度模型判定上海臨港產(chǎn)業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)布局的合理性,提出臨港產(chǎn)業(yè)布局改進(jìn)的方向,促進(jìn)了臨港產(chǎn)業(yè)規(guī)劃合理化目標(biāo)的實現(xiàn)。

定量分析方面,目前的研究成果較少。Liu等[14]深入分析港口產(chǎn)業(yè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)之間的互動關(guān)系,基于綠色理論建立系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型,為港口產(chǎn)業(yè)布局和發(fā)展規(guī)劃提供了理論依據(jù)和指導(dǎo);袁汝華等[15]運用產(chǎn)業(yè)布局理論與SWOT分析法,對江蘇沿海規(guī)劃中的21個灘涂圍區(qū)進(jìn)行功能定位,并運用資源優(yōu)化配置模型對圍區(qū)土地產(chǎn)業(yè)空間布局進(jìn)行了分析。

綜上所述,雖然當(dāng)前研究成果均部分涉及臨港產(chǎn)業(yè)空間布局問題,但主要基于定性分析而確定,主觀性較強(qiáng),同時適用性、普遍性不強(qiáng),缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型。針對現(xiàn)有研究的不足,筆者基于多目標(biāo)規(guī)劃和系統(tǒng)布置設(shè)計方法構(gòu)建臨港產(chǎn)業(yè)空間布局模型,對臨港產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和布置進(jìn)行有益探索。

圖1 臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)位置參數(shù)示意Fig.1 Location parameters of port-centered industry zone

圖2 空間布局模型構(gòu)建步驟Fig.2 Modeling steps of the spatial layout

1 模型構(gòu)建條件

1.1模型邏輯

假設(shè)臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)域是長為B、寬為H的矩形二維空間S,如圖1所示。臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)的左下角為原點O,以港口位置為控制點進(jìn)行臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)空間布局。計劃發(fā)展n種臨港產(chǎn)業(yè)Ii(i=1,2,…,n),通過制定規(guī)劃的方式,確定Ii的用地規(guī)模Si和在內(nèi)的布局Pi,得出最佳的臨港產(chǎn)業(yè)布局方案Ci={Si,Pi},使得臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)的規(guī)劃滿足上位規(guī)劃、土地集約使用、環(huán)境效益最佳等要求。圖1中,Lxi和Lyi分別為產(chǎn)業(yè)Ii所占矩形區(qū)域的長和寬,且LxiLyi=Si;Xi和Yi分別為產(chǎn)業(yè)Ii所占矩形區(qū)域的中心點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo),即Pi=(Xi,Yi);Lx0和Ly0分別為港區(qū)所占矩形區(qū)域的長和寬;B+Lx0/2和H/2分別為港區(qū)所占矩形區(qū)域的中心點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

1.2模型假設(shè)

a. 給定的臨港區(qū)域S邊界已知,港口的位置已知,而且臨港區(qū)域S為均質(zhì),不考慮地形地貌因素,各產(chǎn)業(yè)區(qū)在同一平面上。

b. 假設(shè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)Ii屬性為常量,臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)總面積、港區(qū)面積、臨港產(chǎn)業(yè)數(shù)量、產(chǎn)業(yè)之間關(guān)聯(lián)度、產(chǎn)業(yè)與港口之間關(guān)聯(lián)度均為已知條件。

c. 假設(shè)該區(qū)位港口為產(chǎn)業(yè)服務(wù)型港口,主要為腹地范圍內(nèi)的臨港產(chǎn)業(yè)服務(wù),臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)所占區(qū)域為規(guī)整的矩形,臨港產(chǎn)業(yè)用地也為矩形。

1.3模型構(gòu)建步驟

臨港產(chǎn)業(yè)空間布局模型構(gòu)建步驟如圖2所示。

2 模型構(gòu)建及參數(shù)標(biāo)定

2.1Si的確定

Si可以分為產(chǎn)業(yè)Ii規(guī)劃近期(基準(zhǔn)年后1～5 a)用地規(guī)模Sei(km2)和遠(yuǎn)期(基準(zhǔn)年后6～15 a)用地規(guī)模Sli(km2),且Si=Sei+Sli,采用多目標(biāo)決策方法確定Si。設(shè)Si為決策變量,其決策目標(biāo)需兼顧多個:一般要求經(jīng)濟(jì)社會效益和生態(tài)效益兩大效益最大化,經(jīng)濟(jì)社會效益目標(biāo)以各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和投資額來表示,生態(tài)效益目標(biāo)以各產(chǎn)業(yè)碳排放量表示。以各產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值最大、總投資額最小和總碳排放量最小這3個標(biāo)準(zhǔn)建立模型,目標(biāo)函數(shù)如下:

f=f(f1,f2,f3)

(1)

式中:f1——產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值,108元;f2——總投資額,108元;f3——總碳排放量,萬t;aei、ali——產(chǎn)業(yè)Ii的近期、遠(yuǎn)期規(guī)劃單位面積產(chǎn)值,108元/km2;bei、bli——產(chǎn)業(yè)Ii的近期、遠(yuǎn)期規(guī)劃投資強(qiáng)度,108元/km2;cei、cli——產(chǎn)業(yè)Ii的近期、遠(yuǎn)期規(guī)劃二氧化碳排放強(qiáng)度,萬t/km2。

采用線性加權(quán)法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù),將f1、f2、f3歸一化后,確定各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)α、β、χ;根據(jù)臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,可以確定各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長目標(biāo)、資金投入目標(biāo)、節(jié)能減排目標(biāo)等方面的約束條件。轉(zhuǎn)化的單目標(biāo)函數(shù)為

minf=-αf1(x)+βf2(x)+χf3(x)

(2)

(3)

式中:aepi——產(chǎn)業(yè)Ii的近期產(chǎn)值,108元;api——規(guī)劃期內(nèi)產(chǎn)業(yè)Ii的總產(chǎn)值,108元;bepi——產(chǎn)業(yè)Ii的近期投資額度,108元;bpi——規(guī)劃期內(nèi)產(chǎn)業(yè)Ii的總投資額度,108元;cepi——產(chǎn)業(yè)Ii的近期排放總量,萬t;cpi——規(guī)劃期內(nèi)Ii的總排放量,萬t;ae、a——產(chǎn)業(yè)園區(qū)的單位產(chǎn)值,108元/km2;be、b——產(chǎn)業(yè)園區(qū)單位投資額度,108元/km2;ce、c——產(chǎn)業(yè)園區(qū)的二氧化碳排放強(qiáng)度,萬t/km2。

式(3)的約束條件分別為(a)土地規(guī)模約束,每個產(chǎn)業(yè)的用地規(guī)模均為正數(shù),且產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模不大于園區(qū)規(guī)模,近期用地在遠(yuǎn)期不空置。(b)單項產(chǎn)值約束。(c)單項投資約束。(d)單項環(huán)境約束。(e)整體產(chǎn)值約束。(f)整體投資約束。(g)整體環(huán)境約束。

使用LINGO求解器對上述單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,即可得到Si。

2.2Pi的確定

臨港產(chǎn)業(yè)空間布局問題的主要原則為產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)原則和港口關(guān)聯(lián)原則,本文產(chǎn)業(yè)布局模型以產(chǎn)業(yè)間關(guān)聯(lián)度最大,同時產(chǎn)業(yè)與港口關(guān)聯(lián)度最大的多目標(biāo)函數(shù)為基礎(chǔ),采用模擬退火算法進(jìn)行求解。設(shè)Ii所占區(qū)域是以(Xi,Yi)為中心、以Lxi為橫坐標(biāo)長度、以Lyi為縱坐標(biāo)長度的矩形區(qū)域，則臨港產(chǎn)業(yè)的布局方案為Pi=(Xi,Yi,Lxi,Lyi)。

定義產(chǎn)業(yè)Ii所在位置分?jǐn)?shù)為Li,即該產(chǎn)業(yè)與相鄰產(chǎn)業(yè)及控制點之間的綜合關(guān)聯(lián)度:

(4)

式中:Rij——產(chǎn)業(yè)Ii與相鄰的產(chǎn)業(yè)Ij或控制點Ij的關(guān)聯(lián)度;k——與產(chǎn)業(yè)Ii相鄰的產(chǎn)業(yè)及控制點的數(shù)量;j——與產(chǎn)業(yè)Ii相鄰的產(chǎn)業(yè)或控制點的序號。

產(chǎn)業(yè)Ii的位置分?jǐn)?shù)越高,表明產(chǎn)業(yè)Ii與周圍產(chǎn)業(yè)及控制點的關(guān)系越密切,即產(chǎn)業(yè)Ii的位置越合理。當(dāng)所有產(chǎn)業(yè)的位置分?jǐn)?shù)之和最大時,整個臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)的布局最合理。故臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)布局綜合目標(biāo)函數(shù)表示為

(5)

(6)

式中:L——臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)布局綜合得分;Zij——鄰域狀態(tài)參數(shù)。

當(dāng)產(chǎn)業(yè)Ii與產(chǎn)業(yè)Ij或控制點Ij相鄰,即當(dāng)產(chǎn)業(yè)Ii滿足式(7)(8)(9)中任意一條時,鄰域狀態(tài)參數(shù)Zij=1,否則Zij=0。約束條件(式(6))表示各產(chǎn)業(yè)所占區(qū)域不重疊、各產(chǎn)業(yè)所占區(qū)域均在所規(guī)劃的臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)。Rij表示各產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)聯(lián)度以及各產(chǎn)業(yè)與港口之間的關(guān)聯(lián)度,將關(guān)聯(lián)度按等級劃分,并對各等級進(jìn)行賦分使其量化,關(guān)聯(lián)度越高則等級越高,同時等級越高其分值越大。

a. 產(chǎn)業(yè)Ii與控制點O相鄰:

(7)

b. 產(chǎn)業(yè)Ii與產(chǎn)業(yè)Ij相鄰,且相鄰邊與X軸平行:

(8)

c. 產(chǎn)業(yè)Ii與產(chǎn)業(yè)Ij相鄰,且相鄰邊與Y軸平行:

(9)

3 實 例 分 析

以江蘇省鹽城濱海港臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)(以下簡稱:濱海港產(chǎn)業(yè)區(qū))為例驗證所提臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)規(guī)模及布局方法的可行性。濱海港產(chǎn)業(yè)區(qū)位于江蘇省東北緣,是淮河流域的出海門戶,臨港產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃面積約為120 km2,為B=12 km、H=10 km的矩形;規(guī)劃范圍內(nèi)有一個港口,其中心坐標(biāo)為(14,5),Lx0=4 km、Ly0=5 km;區(qū)域內(nèi)臨港產(chǎn)業(yè)共有5種,即n=5,I1為新能源新材料產(chǎn)業(yè),I2為專用設(shè)備制造業(yè),I3為鹽化工產(chǎn)業(yè),I4為汽車零部件制造業(yè)、I5為有色金屬冶煉業(yè),以2016—2020年為近期規(guī)劃,2021—2030年為遠(yuǎn)期規(guī)劃。

根據(jù)《江蘇省統(tǒng)計年鑒》、《工業(yè)項目建設(shè)用地控制指標(biāo)》(2008)、《中國能源統(tǒng)計年鑒》和《濱海港總體規(guī)劃》等資料,對于濱海產(chǎn)業(yè)區(qū)臨港產(chǎn)業(yè)空間布局，決策變量為Sei、Sli、Xi、Yi、Lxi、Lyi，其他初始化參數(shù)如下：S=120 km2、B=12 km、H=10 km、(X0,Y0)=(14,5)、Lx0=4 m、Ly0=5 m、bepi=(100,30,50,120,15)×108元、bpi=(200,50,80,180,30)×108元、aei=(22.6,17.8,12.5,34.7,12.8)×108元/ km2、ali=(34.5,21.4,15.2,47.3,13.3)×108元/ km2、bei=(9.35,9.35,7.80,11.75,9.35)×108元/ km2、bli=(10.29,12.16,8.58,14.1,11.22)×108元/ km2、cei=(63.84,3.98,10.25,45.99,160.38) ×104t/km2、cli=(44.69,3.18,8.20,41.39,112.27)×104t/km2、α=0.4、β=0.3、χ=0.3。

初始化數(shù)據(jù)代入式(2)、式(3),采用LINGO求解器求解可得Si=(Sei,Sli),Sei=(11.99,3.20,21.7,10.2,1.60),Sli=(19.44,4.11,23.8,21.2,2.67)。

根據(jù)產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)業(yè)之間、產(chǎn)業(yè)與港口之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以0～5為刻度,采用專家打分法得出Rij,其中I0為港口。

(10)

表1各功能區(qū)中心坐標(biāo)

Table1Centralcoordinateofeachfunctionalareakm

PiXiYiLxiLyiI12.213.504.427.00I211.503.501.007.00I37.713.506.577.00I45.168.5010.333.00I511.168.501.673.00

將初始化數(shù)據(jù)Sei、Sli和Rij代入式(5)、式(6),并采用模擬退火算法進(jìn)行求解。把式(5)當(dāng)作適應(yīng)度函數(shù),設(shè)定初始溫度T0=1 000 ℃,終止溫度Tend=0.001℃,降溫速率α=0.99,內(nèi)循環(huán)次數(shù)L=100,在MATLAB12.0中編譯程序運行求解。程序運行結(jié)果如圖3所示。求解結(jié)果Pi=(Xi,Yi,Lxi,Lyi)見表1,臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)布局圖見圖4。

圖3 MATLAB求解最適值曲線Fig.3 Graph for solving optimum value in MATLAB

圖4 濱海產(chǎn)業(yè)區(qū)臨港產(chǎn)業(yè)空間布局Fig.4 Spatial layout of port-centered industries in Binhai port industry zone

4 結(jié) 語

構(gòu)建了臨港產(chǎn)業(yè)的空間布局模型,通過對臨港產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和布局方式建模和求解,能很好地解決港口臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)產(chǎn)業(yè)空間布局的定量分析問題。以江蘇鹽城濱海產(chǎn)業(yè)區(qū)的臨港產(chǎn)業(yè)布局為案例,論證了該模型的正確性和可行性。筆者對港口和產(chǎn)業(yè)做了大量的假設(shè),放松假設(shè)條件并構(gòu)建更精確的模型是下一步研究的方向。

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Researchonthespatiallayoutmodelofport-centeredindustries

FENGXuejun，JIJie，JIANGLiupeng，YANGYilin，WANGJiaojiao

(CollegeofHarbourCoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

In view of the lack of quantitative analysis method in the layout planning of the port-centered industries, an industrial spatial layout model based on multi-objective planning and systematic layout design is established in this paper, which is then analyzed and solved to address two problems: scale and spatial layout of the port-centered industries. Finally, a case study for the port-centered industry zone of the Binhai Port of Yancheng City is performed, in which a spatial layout model for port-centered industries is established and solved by means of LINGO solver and simulated annealing algorithm. The optimal layout program for the port-centered industries of the Binhai Port is obtained, which demonstrates the feasibility and accuracy of the model.

port-centered industries; spatial layout; multi-objective planning; systematic layout design; the port-centered industry zone of the Binhai Port of Yancheng City

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.007

2016-08-18

國家自然科學(xué)基金(41401120,50909042);江蘇省社會科學(xué)基金(14JD014)

封學(xué)軍(1974—),江蘇鹽城人,教授,博士,主要從事水運經(jīng)濟(jì)與規(guī)劃、現(xiàn)代物流系統(tǒng)研究。E-mail:fxj@hhu.edu.cn

U651

A

1000-1980(2017)05-0419-06