基于系统动力学的区域经济系统可持续发展模型研究

戴铁军，赵迪

基于系统动力学的区域经济系统可持续发展模型研究

戴铁军，赵迪

（北京工业大学循环经济研究院，北京100124）

针对区域经济系统具有动态性、复杂性等特点，研究运用系统动力学方法，通过系统结构分析，将区域经济系统划分为4个子系统：经济子系统、人口子系统、资源子系统、环境子系统，并阐述了区域经济系统可持续发展因果反馈机制，各子系统的特点及变量选取。依托Vensim ple软件绘制因果关系反馈图和模型流图，构建了区域经济系统可持续发展系统动力学模型，为制定区域经济系统可持续发展战略提供理论基础和技术支持。

区域经济系统；系统动力学；可持续发展

区域经济系统可持续发展涉及资源、环境、经济、人口等多方面内容，近年来，一方面经济的发展和人口数量的增加，使得资源生产利用的规模不断扩大，污染物排放强度增大；另一方面经济和人口的增长引起的资源衰竭和环境污染问题逐渐制约了经济和社会的发展。经济快速发展与资源消耗、人口增长、环境污染之间的矛盾日益明显［1］，如何有效地协调它们之间的关系，是当前区域经济系统可持续发展面临的主要问题。

区域经济系统是一个复杂的巨系统，由多个相互关联的子系统组成，其内部影响因素繁多，具有动态、高阶、非线性、多重反馈等特性［2-3］。而系统动力学（System dynamics，SD）作为一种通过结构功能分析和信息反馈技术研究解决复杂动态性系统问题的计算机模拟方法，最适用于复杂系统的机构、功能与行为之间动态的辩证对立统一关系的定量研究［4］，自1956年由美国麻省理工学院的福瑞斯特（Forrester）教授提出以来，已广泛应用于产业［5-6］、城市发展［7-10］、生态系统［11-12］等大型复杂系统的可持续发展研究。

基于以上分析，系统动力学适合用于区域经济系统这种长期的、具有战略性的时变系统研究。运用系统动力学方法，结合区域经济系统可持续发展和循环经济思想，构建区域经济系统的系统动力学模型，为其可持续发展提供理论指导和技术支撑。

1　系统动力学模型构建

1.1模型总体结构分析

区域经济系统的研究对象主要包括经济发展、人口总量、资源数量、环境质量4个要素，它们之间的和谐程度反映了区域经济系统的可持续发展能力。基于此，确定区域经济系统的结构层次，将该系统分解为经济、人口、资源、环境4个子系统。经济子系统对整个系统的发展起推动作用；人口子系统对经济的发展起能动作用；资源子系统作为经济发展的物质条件，对系统起到基础支撑的作用；环境子系统是经济发展的承载子系统，资源的开发利用、人口的增长、污染物的排放等应维持在环境承载力之内。每个子系统的运行不仅取决于其内部的结构，更取决于它与外部的联系，子系统的变动情况可反馈至其他子系统。各个子系统之间是相互促进、相互制约的，共同实现系统的整体功能。

1.2因果反馈分析

系统动力学注重系统内因素之间的关系与信息反馈，因果关系是建立系统动力学模型的基础，它用以描述系统内各影响因素之间的相互作用，反映了动力学系统的基本结构。各要素间一系列因果关系作用链组成的闭合回路构成了系统的因果反馈回路，通过因果反馈关系将复杂系统用简洁的方式表达出来。因果反馈回路分为正反馈和负反馈两种。正反馈回路是指回路中任何一个因素的增加或减少通过一系列正负反馈作用，引起最初因素不断增加或减少，呈加强型；负反馈回路指回路中任何一个因素增加或减少通过一系列正负反馈作用，引起最初因素反向减少或增加［13］，呈稳定型。

通过上述定性分析区域经济系统结构和各子系统之间的因果关系，在不断调试后，运用Vensim ple软件绘图得到区域经济系统可持续发展因果关系图，如图1所示。

图1　区域经济系统可持续发展系统动力学因果关系图

主要的因果反馈回路如图1所示（“+”表示正反馈关系，“-”表示负反馈关系）。

（1）GDP→+工业增加值→+污染物排放→-环境质量→+GDP。

地区生产总值增加，工业产值随之增长，同时带来污染物排放的增长，使环境污染问题日益严重，当环境质量退化到一定程度，会对经济产生负作用限制经济的增长，形成负反馈回路。

（2）GDP→+环保投入→+污染物处理量→-污染物排放→-环境质量→+GDP。

经济的增长促使政府加大环保治理投资，产生的污染物得到有效治理，从而污染物排放量减少，环境质量得到提升，促进经济的发展，形成正反馈回路，保证区域经济与环境的可持续发展。

（3）人口→+消费需求→+GDP→+劳动力需求→+人口。

居民的消费需求随人口数量的增加而增长，消费需求的增加促进经济的增长，导致劳动需求的增加，潜在的外来就业需求增加，人口迁入量增多使人口总量增加，形成正反馈回路。

（4）人口→+消费需求→+GDP→+优化产业结构→+劳动生产率→-人口。

人口数量增长，社会消费需求随之增加，带动地区生产总值增长，经济的发展有利于优化产业结构，努力发展现代产业，提升区域整体的劳动生产率从而减少对劳动力的需求，最终导致总人口减少，形成负反馈回路，保证区域经济和人口的可持续发展。

（5）人口→+消费需求→+资源消耗→+污染物排放→-人口。

人口总量增加，消费需求增大，资源消耗随之增加以满足其需求，同时使污染物排放量增多，环境质量降低，对人体健康产生危害，导致总人口减少，形成负反馈回路。

（6）GDP→+资源消耗→-资源供给能力→+GDP。

经济的发展需要资源消耗作为支持，而资源消耗强度过大会造成资源短缺，使资源的供给能力下降，从而制约了经济的发展，形成负反馈回路。

（7）GDP→+科技投入→+技术水平→+物质生产力→-资源消耗→-资源供给能力→+GDP。

总产值的增加促进政府加大科技投入，科技投资的增加提高了科技水平，使物质生产力得到提升，同等产值水平下物质投入量减少，有效地降低了资源消耗，资源余量增加，提高了资源供给能力，促进经济的发展，形成正反馈回路，保证区域经济和资源的可持续发展。

（8）GDP→+优化产业结构→-资源消耗→-资源供给能力→+GDP。

地区生产总值的增加有利于产业结构的优化升级，大力发展低能耗高产值产业，降低高能耗低产值的产业比例，使资源消耗量降低，资源的供给能力升高，促进经济的发展，形成正反馈回路，保证区域经济和资源的可持续发展。

1.3子系统描述

1.3.1经济子系统

经济的发展为其他子系统的发展提供资金的支持，但随着经济的不断发展，资源环境遭到了破坏，反过来影响了经济的发展；另一方面经济的发展也会影响区域内人口的迁移。经济子系统主要研究区域经济发展对人口、资源、环境的影响，其中产业结构是经济子系统中的主要环节，它的构成在很大程度上决定了资源消耗强度、环境污染排放强度和人口增长速度。

在经济子系统中，涉及的变量主要包括：GDP，GDP年增长量，第一产业产值，第二产业产值，第三产业产值，现代服务业产值，传统服务业产值，各产业产值占比，人均GDP，其中设定GDP为状态变量，GDP年增长量为速率变量。值得说明的是，这里将第三产业进一步划分为现代服务业和传统服务业来更加准确地研究产业结构对其他子系统的影响。

1.3.2人口子系统

人口是区域经济系统可持续发展的能动因素，人口越多，消费需求增长带动经济的发展，但区域经济系统的人口承载力是有限的，人口总量过多会造成区域资源环境的不堪重负。人口子系统主要研究系统内人口总量变化的影响因素及其适度规模，其变化主要受到自然增长和机械迁移两个因素的影响，自然增长包括出生率和死亡率两方面；机械迁移主要考虑产业结构变动对劳动力需求的影响而引起外来人口的流入。

在人口子系统中，涉及的变量主要包括：人口总量，人口自然增长率，一产劳动力，二产劳动力，现代服务业劳动力，总劳动力需求，一产劳动生产率，二产劳动生产率，现代服务业劳动生产率，传统服务业劳动生产率。

1.3.3资源子系统

资源是区域经济系统发展的物质能量基础，资源的过度消耗会造成资源短缺和环境污染等问题，制约经济的发展。优化产业结构，合理的开发利用资源，控制资源消耗量是区域可持续发展的必要条件。资源子系统主要研究资源投入量变化趋势，探讨了产业结构和科技进步对资源投入总量的影响。

在资源子系统中，涉及的变量主要包括：资源投入总量（DMI），资源投入年增长量，资源消耗量（DMC），物质生产力（GDP/DMI），人均物质投入量，科技投入，科技投入比。其中设定资源投入总量为状态变量，资源投入年增长率为速率变量。

1.3.4环境子系统

环境与经济既相互依存又相互制约，环境是人们赖以生存的场所，而人口、经济、资源子系统产生的污染物排放到环境中，环境污染会降低环境承载力，因此，控制污染物的排放，提高环境质量是可持续发展的主要任务。环境子系统主要研究污染物产生、处理和排放的机制，探讨在一定的经济增长速度和环保投资水平下，区域经济系统的环境污染程度以及对经济发展带来的影响。系统中污染物的排放主要来自4个方面：水体污染物、大气污染物、固体废弃物和耗散性物质。环保投资的比例和污染物处理成本决定了污染物处理能力，污染物的治理量越大，污染物的排放量越小。

在环境子系统中，涉及的变量主要包括：水体污染物产生量，水体污染物处理量，水体污染物排放量，大气污染物产生量，大气污染物处理量，大气污染物排放量，固体废弃物产生量，固体废弃物处理量，固体废弃物利用率，耗散性物质及生活垃圾排放量，环保投资，水体污染物治理投资，大气污染物治理投资，固体废物治理投资，万元GDP污染物产生量，单位污染物治理成本，环境效率（GDP与污染物排放总量的比值）。

1.4结构模型图

通过上述主要变量因果关系分析与子系统设计的基础上，运用Vensim ple软件绘制出区域经济系统可持续发展系统动力学模型流图如图2所示。

图2　区域经济系统可持续发展系统动力学模型流图

区域经济系统可持续发展模型由经济子系统、人口子系统、资源子系统、环境子系统4大系统构成，该系统是由各要素组合并相互作用的有机整体，在经济发展和人口增长的同时，也要合理开发利用资源和保护生态环境，因此，把握住各要素对整个系统的影响以及彼此之间的关系，才能实现区域经济系统的可持续发展。

2　结论

通过对区域经济系统可持续发展系统动力学模型研究，可得出以下结论。

（1）运用系统动力学方法构建区域经济可持续发展模型，可充分发挥其善于描述复杂系统的特性，直观地反映了区域经济系统经济、人口、资源、环境各要素之间的结构。

（2）基于系统动力学理论对区域经济系统进行因果关系分析，可以看出经济子系统、人口子系统、资源子系统、环境子系统各要素间存在着复杂的交互因果反馈作用，这是构建系统动力学模型的基础。

（3）在详细的结构分析和功能设计的基础上，提出区域经济系统可持续发展的理论模型，为制定区域经济系统可持续发展战略提供技术支持，为进一步的实证研究奠定了基础。

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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科技创新服务能力建设——首都资源循环材料技术协同创新中心（2011协同创新中心）（009000546616016）；北京市教育委员会社科计划重点项目（SZ201610005002）

戴铁军（1964-），男，河北唐山人，博士，教授，研究方向：循环经济与产业生态学。

（2016－04－21）