基于系统动力学的阜新市转型升级模型构建与仿真研究＊

2018-12-18刘帅姜国新

科技与创新 2018年23期

刘帅，姜国新

刘帅，姜国新

（辽宁工程技术大学营销管理学院，辽宁葫芦岛 125105）

阜新市作为全国首批资源枯竭型城市，通过转型升级促进城市发展是其必然选择。根据系统动力学理论，在研究阜新市转型升级系统内各子系统间因果反馈关系的基础上，构建转型升级系统动力模型，运用Vensim-PLE软件，对2011—2030年阜新市转型升级系统的关键指标进行仿真预测。结果表明，阜新市科技人力资源呈现上升趋势，能源消耗量、GDP、人口、三废总量均呈下降趋势。基于此结果，建议阜新市加快发展绿色农业、乡村旅游业、高新技术产业，稳定人口数量、吸引留住人才，加强对三废污染的治理力度。

转型升级；系统动力学；阜新市；模拟仿真

2001年，阜新市被国务院正式认定为全国第一个资源枯竭型城市。随着煤炭资源的枯竭，阜新市产业链条开始断裂，经济、社会、民生及环境等各类问题凸显，城市发展陷入了“矿竭城衰”的困境。国外一些城市如德国鲁尔、英国伯明翰、日本北九州和法国洛林等，同样出现过资源枯竭的情况[1]。资源枯竭型城市转型升级问题已经成为世界性难题，引起了国内外学者的广泛关注。

国外对资源型城市的研究始于20世纪30年代，代表性学者如Machintosh和H.A.Innis运用“大宗商品理论”，Lucas和Bradbury运用生命周期理论，Campbell、Warren和Fried等人运用资源型社区互动理论对资源型城市转型升级问题进行了研究[2-6]。国内资源型城市发展困境也引起了我国学者的关注，于言良（2006）运用因子分析法、侯强（2007）采用层次分析法、王毓峰（2009）运用模糊综合评价法、孙威和董冠鹏（2010）运用DEA-Malmquist生产率指数法、李哲和马占新等人（2016）运用数据包络分析法，分别从不同角度对资源枯竭型城市转型升级问题展开了研究[7-11]。

系统动力学（System Dynamics）由美国学者福瑞斯特教授（J.W.Forrester）根据反馈控制的理论建立，是分析研究信息反馈系统的科学，主要应用于经济、社会及生态等复杂系统，为处理高非线性、大规模经济社会复杂系统的难题提供了有效的方法[12]。阜新市转型升级是一个内部结构复杂的社会经济系统，其内部资源、经济、科技、环境及社会子系统相互作用，具有多重反馈关系。因此，本文以系统动力学理论为基础，构建阜新市转型升级系统结构模型，分析系统要素构成及运行机理。

1 阜新市转型升级系统要素分析

依据系统动力学的研究思路，本文先对阜新市转型升级系统的结构进行分析，划分系统层次与子块，确定总体与局部的反馈机制。

1.1 系统结构分析

结合《全国资源型城市可持续发展规划（2013—2020）》和《阜新市“十三五”发展规划》的指导思想，以实现生产发展、生活富裕、生态良好，全面实现阜新市转型升级为目标，以推进经济结构优化升级、推进发展动力转换升级、推进社会建设提质升级等关键问题为着力点，建立阜新市转型升级系统结构分析框架，如图1所示。

图1 阜新市转型升级系统结构分析框架图

阜新市转型升级系统结构分析框架包括以下5个子系统，分别是：①能源子系统。能源是城市经济增长的物质基础之一，对阜新市经济增长具有重要影响。阜新市陷入“矿竭城衰”的困境的主要原因是对煤炭等传统能源的依赖程度过高。要实现市转型升级，阜新市就要改变过去粗放型经济增长方式，降低对煤炭等传统能源的消耗，同时提高新能源利用效率。②经济子系统。经济子系统是科技、社会子系统发展的基础，也是能源消耗和环境污染的主要原因。工业作为阜新市经济发展的主导产业，工业增加值的提升将拉动国民生产总值的增加，同时有利于提高政府的财政收入与财政支出。③科技子系统。阜新市加快转型升级离不开先进的科学技术，政府只有加大科技与教育的支出，才能吸引更多优秀的科技人才，产生高质量的科研成果。通过技术进步提高能源利用率，促进高新技术产业发展。可见，科技进步有利于经济发展，经济发展可以加大科技教育投入力度，而高质量的教育水平能够提高全社会人口综合素质，再为经济系统提供科技人力资源，相互之间应形成一个良性循环。④环境子系统。环境是经济发展的主要根基，因为环境系统作为支撑经济系统物质基础的能源的最初来源，同时也是经济、社会系统废弃物排放的最终去处。因此，环境为经济发展提供能源保障，而过度的经济增长又会造成环境承载力下降，制约经济与社会的发展。对阜新市转型升级环境子系统的分析，主要考虑经济、社会发展对环境产生的污染，包括废气、废水及工业固体废弃物排放。⑤社会子系统。阜新市转型升级的根本目的在于提高居民生活质量，全面建成小康社会。社会系统能够为经济与科技发展提供重要的人力资源，经济及科技系统又会加速社会进步。因此，社会子系统主要包括总人口及就业率等要素。

1.2 因果关系构建

根据前文对系统结构的分析，可知阜新市转型升级各子系统通过要素的输入与输出实现系统内要素的交流，从而构成多重循环与反馈。根据阜新市转型升级系统分析框架，以各子系统间的互动关系为主线，利用Vensim软件描绘阜新市转型升级系统因果关系，如图2所示。因果关系图主要包括以下5条反馈回路：①反馈回路1.能源消耗量→工业增加值→GDP→财政收入→财政支出→科学技术支出→科研成果→技术进步→新能源开发→能源需求量→能源消耗量。该反馈回路为正反馈回路，体现能源消耗量的增加能够带动工业及城市整体经济发展，进而促进技术进步，指导新能源的开发，促进阜新市转型升级的过程。②反馈回路2.工业增加值→GDP→财政收入→财政支出→教育支出→研究生毕业人数→科技人力资源→科研成果→技术进步→高新技术产业产值→工业增加值。该反馈回路为正反馈回路，体现工业增加值升高有利于政府财政收入与财政支出的提高，增加对教育的投入力度，培养出更多的科技人力资源，研发出先进的科研成果促进高新技术产业发展，带动阜新市转型升级的过程。③反馈回路3.科技人力资源→科研成果→技术进步→高新技术产业产值→工业增加值→GDP→财政收入→财政支出→环保支出→环境承载力→总人口→教育支出→研究生毕业人数→科技人力资源。该反馈回路为正反馈回路，体现科技人力资源增加能够促进技术进步，带动GDP增加，有利于政府加大财政支出及环保支出力度，环境污染治理能力提升，宜居的生态环境使城市人口数量增加，科技人力资源得到保障，促进阜新市转型升级的过程。④反馈回路4.污染排放量→环境承载力→总人口→教育支出→研究生毕业人数→人口素质→就业率→劳动力流入→科技人力资源→科研成果→技术进步→高新技术产业产值→工业增加值→污染排放量。该反馈回路为负反馈回路，体现过量的污染排放会造成环境承载力的下降，使城市人口数量降低，造成就业率及劳动力流入率下降，不利于科技进步，影响城市工业发展速度，需要加强污染排放治理力度，才能加快阜新市转型升级的过程。⑤反馈回路5.就业率→劳动力流入→科技人力资源→科研成果→技术进步→高新技术产业产值→工业增加值→GDP→财政收入→财政支出→教育支出→研究生毕业人数→人口素质→就业率。该反馈回路为正反馈回路，体现就业率提升会增加劳动力流入，丰富城市的人力资源与科研成果，促进城市经济整体发展，有利于政府增加教育投入，培养更多高水平人才，提升城市人口的整体素质，加快阜新市转型升级的进程。

图2 阜新市转型升级系统因果关系图

2 阜新市转型升级系统动力学模型构建与仿真

2.1 模型构建

根据因果关系图，构建阜新市转型升级系统动力学流图，如图3所示。结合阜新市转型升级的关键问题，选择以下7项指标作为状态变量衡量转型升级的效果。①能源消耗量。衡量阜新市对煤炭等传统能源及新能源的总体消耗量，可以体现转型升级过程中对能源的依赖程度。②GDP。衡量阜新市国民经济的整体发展状况，是体现阜新市转型升级效果的重要指标。③科技人力资源。衡量阜新市对科技人才的吸引力及教育投入水平，体现阜新市转型升级的创新环境。④废气总量。主要衡量阜新市工业发展造成的废气污染程度，体现生态环境的大气环境对阜新市转型升级的支撑能力。⑤废水总量。衡量阜新市经济发展造成的废水污染程度，体现生态环境的水环境对阜新市转型升级的支撑能力。⑥固废总量。主要衡量阜新市工业发展造成的固体废弃物污染程度，体现生态环境的土壤环境对阜新市转型升级的支撑能力。⑦人口。衡量阜新市经济发展所需的人力资源保障，也能体现出对能源及环境产生的压力。

图3 阜新市转型升级系统流图

2.2 模型检验

选取阜新市作为模拟对象，运用Vensim-PLE软件，对阜新市转型升级系统模型进行检验。模型数据来源于2011—2017年《阜新统计年鉴》《辽宁统计年鉴》及《阜新市国民经济和社会发展统计公报》，涉及的参数根据历史数据采用算术平均法、发展趋势推算法、回归分析法等确定。模拟时间为2011—2017年，运行步长为1年，通过持续调整模型内参数，使变量不断接近实际值。运用Model Check和Units Check对模型结构、方程和单位进行检验，均通过检验。由于模型设置的状态变量较多，在检验时选取GDP及人口两个变量进行验证，得出模拟结构与历史数据一致性较高，说明模型结构合理，检验结果如图4、图5所示。

2.3 仿真模拟

运用Vensim-PLE软件，以2011年为初始年份，模拟2011—2030年，时间步长为1年。

通过仿真模拟得出阜新市能源消耗量、GDP、人口、科技人力资源、废气排放量、废水排放量及固废排放量的预测值，如图6～图12所示。

2.4 仿真结果分析

2.4.1 能源消耗量与GDP预测结果分析及对策

由图6、图7可以看出，随着能源消耗量的下降，阜新市GDP也呈现下降趋势，说明阜新市经济发展对能源的依赖度过高。阜新市要加快转型升级，扭转近年来经济总量下滑的局面，还应积极培育节能型及绿色环保制造产业，使传统制造业向高新技术产业转型。另外，阜新市应利用农业优势发展绿色食品产业，带动乡村休闲旅游、森林旅游及农业旅游等第三产业发展。最终降低城市发展对能源的过度依赖，实现能源消耗量降低与GDP总量提升的转型升级效果。

图4 阜新市GDP真实值与模拟值对比图

2.4.2 人口与科技人力资源预测结果分析及对策

由图8、图9可以看出，阜新市人口总量呈下降趋势，而科技人力资源数量呈现缓慢上升趋势，说明阜新市财政教育支出对科技人才的累计效应显著。但是由于人口基数下降，可能造成阜新市科技人力资源发展后备力量不足。因此，阜新市在稳定人口总量的同时，还应出台相应优惠政策吸引并留住科技人才，以丰富的科技人力资源储备为城市转型升级提供创新源泉。

图6 阜新市能源消耗量预测

图7 阜新市GDP预测

图8 阜新市人口预测

图9 阜新市科技人力资源预测

图10 阜新市废气总量预测

图11 阜新市废水总量预测

图12 阜新市工业固废总量预测

2.4.3 三废总量预测结果分析及对策

由图10、图12可以看出，阜新市三废总量均呈下降趋势，一方面是由于近年阜新市工业增加值下降造成的三废排放量下降；另一方面是由于城市环保支出投入使三废治理量增加。工业是一个城市发展的根本与保障，阜新市不应依靠工业增加值的降低去实现三废总量的下降，而是应加快发展以高新技术产业为代表的低能耗、低污染、低排放工业，降低单位产值的三废产生量，同时继续投入环保经费增加对三废的治理，通过污染源头与末端的双向治理，为阜新市转型升级提供良好的环境保障。

3 结论

阜新市作为资源枯竭型城市，已陷入“矿竭城衰”的困境，加快城市转型升级的问题亟待解决。本文运用系统动力学理论，结合《全国资源型城市可持续发展规划（2013—2020）》和《阜新市“十三五”发展规划》，构建阜新市转型升级系统分析框架及模型，对阜新市2011—2030年相关数据进行仿真模拟，仿真结果表明阜新市科技人力资源呈现上升趋势，能源消耗量、GDP、人口、三废总量均呈下降趋势。阜新市加快转型升级应积极发展绿色农业、乡村旅游业、高新技术产业，稳定人口数量、吸引留住人才，加强对三废污染的治理力度。

［1］宋喜斌.基于系统动力学的煤炭资源枯竭型城市经济转型研究——以内蒙古乌海市为例［D］.北京：中国地质大学，2014.

［2］W.A.Mackintosh.Economic Factors in Canadian History［J］.Canadian Historical Review，1923，1（4）：12-25.

［3］Brady A.Harold Adams Innis（1984—1952）［J］.The Canadian Journal of Economics and Political Science，1953，1（19）：87-96.

［4］Bradbury.Winding Down in a Rubictown：a Case Study of Schefferville［J］.The Canadian Geographer，1983，27（2）：128-144.

［5］Lucas R A.Minetown，Milltown，Railtown：Life in Canadian Communities of Single Industry［M］.Toronto： University of Toronto Press，1971.

［6］Warren，R.L.The Community in American［M］.Chicago：Rand McNally College Publishing，1963.

［7］于言良.资源型城市经济转型研究——以阜新经济转型试点市为例演绎“一转三重”转型理论［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2006.

［8］侯强.资源枯竭型城市产业转型的评价——阜新经济转型评价分析［J］.资源与产业，2007（2）：1-4.

［9］王毓峰.黑龙江省煤炭资源型城市可持续发展评价［J］.煤，2009（6）：59-61，66.

［10］孙威，董冠鹏.基于DEA模型的中国资源型城市效率及其变化［J］.地理研究，2010（12）：2155-2165.

［11］李哲，马占新，田甜.基于DEA的资源型城市转型效率评价——以鄂尔多斯市为例［J］.商业经济，2016（3）：1-3，12.

［12］王其藩.系统动力学［M］.上海：上海财经大学出版社，2009.