基于协同论的综合运输系统协调度研究(上)

[《综合运输》2017年第4期], 西南交通大学交通运输与物流学院 西南交通大学综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室 薛锋 西南交通大学交通运输与物流学院吕丹 左大杰 发布于 2017/9/28


目前国内外对于综合运输系统的协调发展研究的主要三个层面中对于综合运输系统与自然环境、社会、资源、经济等等的协调发展的研究较少,为从量化的角度更加深入的理解各系统之间协调度发展规律,本文以四川省近几年各个系统相关要素的发展为例,从协同论的角度分析了系统间的关系,并借鉴“3E系统协调度模型”建立简单的系统协调度评价模型,计算出历年整体协调度值;通过对历年协调度值走向的分析,从整体上明确四川省的发展状况,总结出四川省各大系统在发展过程中存在的问题,为四川省综合运输系统更好的与其他系统协调发展给出参考性建议。

摘要:目前国内外对于综合运输系统的协调发展研究的主要三个层面中对于综合运输系统与自然环境、社会、资源、经济等等的协调发展的研究较少,为从量化的角度更加深入的理解各系统之间协调度发展规律,本文以四川省近几年各个系统相关要素的发展为例,从协同论的角度分析了系统间的关系,并借鉴“3E系统协调度模型”建立简单的系统协调度评价模型,计算出历年整体协调度值;通过对历年协调度值走向的分析,从整体上明确四川省的发展状况,总结出四川省各大系统在发展过程中存在的问题,为四川省综合运输系统更好的与其他系统协调发展给出参考性建议。

关键词:综合运输系统,协同论,协调度,评价模型

基金项目:国家社会科学基金项目(15BGL003);四川省教育厅自然科学项目(15ZB0477)

0  引言

2020年实现我国“全面小康”的目标如今已广为人知。近日,交通运输部印发的《综合运输服务“十三五”发展规划》(简称《规划》)明确指出要着力构建普惠均等、便捷高效、智能智慧、安全可靠、绿色低碳的综合运输服务体系的发展构想,实实在在地把综合运输的发展提升到国家发展层面,足以可见综合运输系统发展的重要性。正如《规划》中称,欲实现《规划》的发展构想必须扎实做好深化改革、优化环境,整合资源、释放潜能,科技引领、创新驱动,安全稳定、绿色环保等方面的工作,换言之,综合运输体系的发展很大程度上与社会、资源、经济、自然环境的发展有着密不可分的联系。

目前,对综合运输系统的研究已经取得较为丰硕的成果。邹海波提出从系统的角度看待综合运输体系与其他系统,如社会、经济等系统的协调配合发展;崔婷针对综合运输系统内外部环境进行深入系统分析,构建了综合运输体系概念模型,总结出综合运输系统内外部协调发展的策略建议[1]。石钦文提出建立可持续发展的综合运输系统规划理论体系并从内涵和量化两个角度分析了这两方面,展开对综合运输系统结构协调发展的理论化研究;董辊运用大量的数学规划方法,对综合运输系统内外部协调发展进行创新性研究,建立高铁线和既有线合理分工模型及高铁运输和航空运输的博弈模型[2]等。

综上分析,目前对于综合运输系统的研究集中于综合运输系统内部的协调稳定发展及综合运输系统与其他单一系统的协调发展研究,以上专家学者都做出了非常有益的探索,但上述研究中缺乏从多学科角度(如大系统理论、协同论、系统动力学等)出发对综合运输系统进行系统的探究,为此,本文将从协同论的角度对综合运输系统与社会系统、经济系统、资源系统、自然环境系统的协调发展展开探究。

1  系统协调分析

综合运输系统无法独立于其他系统孤立发展。下面以一个简单的例子说明综合运输系统与其他系统之间的关系:首先,运输必须借助载运工具,而载运工具的制造来源于钢铁等资源;另一方面运输途中产生各种噪音、废气等污染环境,环境治理必定投入大量的人力、物力和财力……一个简单的例子虽不足以完全涵盖系统间复杂的相关关系,但显然至少表明上述各个系统间相互关联、相互制约、相互促进的关系促成它们构成具有一定结构和功能的有机整体。记

S=f(S1S2S3S4S5S*)    (1)

其中,S1S2S3S4S5分别表示综合运输系统、社会系统、资源系统、经济系统、自然环境系统;S*表示五大系统所处的外界环境;SS1S2S3S4S5S*的复合函数[3]

众所周知,社会系统追求社会文明与进步,包括人口素质、医疗卫生及社会稳定和民生保障等[7];经济系统主要目的在于追求经济稳定健康发展,除实现经济总量的增长,同时还必须保证经济结构的优化布局,产业结构合理多元;在我国资源越来越匮乏的背景之下,资源系统就必须更加注重实现资源的合理开发、运用以及现有资源、能源的有效保护和合理回收再利用等等;自然环境系统重要的是提高环保意识,严惩破坏、污染环境的各种行为,加强环境治理和改善;综合运输体系贯穿于前述各个系统之间,最大限度地支撑着其他系统的发展,实现系统资源的优化配置、空间的合理布局,而其它系统的发展又反过来促进综合运输体系发展,形成一种循环往复的正反馈状态[4]

基于以上分析及系统耗散结构理论,综合运输系统在最大限度的服务其他系统的前提下,与其他系统之间相互作用的同时,还伴随着特定的物质交换,能量、信息等的传递。而所谓协调发展,通俗的来讲就是为实现系统总体最优发展目标,在外界能量、物质、信息等的作用下,各个子系统及其构成要素通过和谐、一致、得当的配合而形成一种良性的动态发展形式[5]

为更加直观的表现系统之间的协调程度,本文欲拟建立量化协调度模型,将结果以图表形式呈现就能非常明确地反映出系统之间的协调程度。目前,有关系统协调度模型的研究可以分为以下几类,关于各模型的优缺点及适用范围方面,本文做了简单的总结:

(1)距离型协调度模型:具有模型结构简单,计算方法简便的优点;缺点在于该模型往往过分牵强地把系统间的协调等同于系统之间的同步性和一致性;

(2)变化型协调度模型:采用微分方程的形式反映系统之间的协调度,相较于距离型协调度模型,它的结构更加严谨,涉及面也更加广泛,但模型的求解难度有点大,而且利用系统之间变化的一致程度难以确定系统协调的标准;

(3)综合型协调度模型:从整体的角度考察系统的协调程度,模型求解较为简便,但该模型不能反映系统内部的发展状况。

本文从整体的角度考察综合运输系统与社会、经济、自然环境、资源的协调发展程度,故选择综合型协调度模型对综合运输系统与其他系统之间的协调度进行分析求解[6]

2  模型的建立

本文就综合运输系统与前述社会、资源、经济、自然环境五大系统的协调度作如下定义:设五大系统的序参量由{pii=12,…,n}组成,序参量pi的发展状况分别由{Eii=12,…,n}来表示,序参量发展状况Ei是序参量pi的函数,而五大系统的整体发展状况由E*表示。设五大系统整体发展水平与各序参量发展状况之间的满足以下关系:

式中:E*为五大系统的整体发展状况;Ei为序参量发展状况;ωi为各个序参量对于系统整体的权重。

根据协同学理论中序参量理论,序参量来源于子系统间的协同合作,是系统相变前后发生质的飞跃的最突出标志,它表示系统的有序结构和类型,它是所有子系统对协同运动的贡献总和,是子系统介入协同运动程度的集中体现[4]。序参量的发展状况足以体现系统的发展状况。既然系统序参量是决定系统发展水平的关键性因素,下面是对序参量进一步的具体分析。

在时间点t定义序参量退变速度为:

式中:Ei(t)Ei(t-1)分别表示序参量在时间点tt-1的发展水平。

序参量pi在时间点t的协调度Hi可定义为:

式中:Hi(t)为序参量pi在时间点t的有序度,为五大系统的整体发展速度。

时,说明序参量pi在时间t的退变速度大于系统整体的发展速度,即序参量退变过速;

时,说明序参量pit时间点的退变速度与系统整体的发展速度相等,此时整体正好处于协调发展状态;

时,说明序参量pi退变缓慢,其发展速度低于整体发展速度。由式(3)显然可得协调度Hi[01],而且只有在时,序参量的协调度才能取最大值。

在五大系统的整体发展过程中,各个序参量相对于整体的重要程度或作用力随时间的推移不断变化,这就需设定一个反应各序参量重要程度的系数,称之为赋权系数。同理,赋权系数也随时间不断变化,则序参量有序度与整体协调度间的关系如下:

其中,Hs(t)表示五大系统整体在t时刻的协调度,且

3  序参量发展状况评价指标构建

3.1  评价指标体系的建立

本文根据多方面参考和借鉴专家学者构建指标体系的方法思路,拟定如下序参量发展水平指标体系,如表1至表5所示。

1  社会系统发展状况评价指标体系

序参量(pi)

要素

指标(tij)

权重

社会结构

人口数量

人口总数()

λ11

人口密度(/m2)

λ12

人口素质

高校在校生人数(万人)

λ13

就业人数(万人)

λ14

社会发展

生活质量

农村居民可支配收入()

λ21

城镇居民可支配收入(万元)

λ22

生活条件

农村居民恩格尔系数(%)

λ23

城镇居民恩格尔系数(%)

λ24

城镇人均居住面积(m2)

λ25

2  资源系统发展状况评价指标体系

序参量(pi)

要素

指标(tij)

权重

资源总量

土地面积

耕地面积(万公顷)

λ31

林地面积(万公顷)

λ32

矿资总量

原煤产量(t)

λ33

原油产量(t)

λ34

资源消耗

耗电量

耗电总量(亿kw·h)

λ41

工业耗电量(亿kw·h)

λ42

矿资消耗

煤炭消耗量(t)

λ43

原油消耗量(t)

λ44

3  经济系统发展状况评价指标

序参量(pi)

要素

指标(tij)

权重

经济规模

经济总值

GDP总产量(亿元)

λ51

工业总产值(亿元)

λ52

财政收入(亿元)

λ53

经济增长

GDP增长指数

λ54

工业总产值增长指数

λ55

财政收入增长率

λ56

经济结构

经济发展

第一产业产值(亿元)

λ61

第三产业产值(亿元)

λ62

农林渔业产值(亿元)

λ63

政府支持

政府收入占GDP

λ64

经济效益

外部收入

外贸进出口额(万美元)

λ71

外汇收入(万美元)

λ72

内部收入

财政收入(亿元)

λ73

4  自然环境系统发展状况评价指标体系

序参量(pi)

要素

指标(tij)

权重

废物排放

工业废物

工业废水排放量(t)

λ81

工业固体废物排放量(t)

λ82

生活废物

生活废水排放量(t)

λ83

城镇生活烟尘排放量(t)

λ84

环境污染

二氧化硫

二氧化硫排放总量(亿m3)

λ91

工业二氧化硫排放量(m3)

λ92

烟尘污染

工业烟尘排放量(亿m3)

λ93

机动车烟尘排放置(m3)

λ94

环境治理

治理投入

治污投资总额占GDP比例

λ101

治理效率

危险废物综合利用率(%)

λ102

危险废物处置率(%)

λ103

工业固体废弃物利用量

λ104

5  综合运输系统发展状况评价指标体系

序参量(pi)

要素

指标(tij)

权重

综合运输结构

综合运输承运能力

运输线路长度(km)

λ111

年客运量(万人)

λ112

年旅客周转量(亿人km)

λ113

年货运量(亿t)

λ114

年货物周转量(亿tkm)

λ115

运输方式物质基础

民用汽车拥有量(万辆)

λ116

载客汽车拥有量(万辆)

λ11.7

载货汽车拥有量(万辆)

λ118

民用运输船拥有量()

λ119

机动船()

λ1110

综合运输发展

固产投资

投资总额(万元)

λ121

发展情况

运输路线长度增长率

λ122

投资总额增长率

λ123

3.2  指标权重和序参量权重的确定

本文采用专家会议预测法确定指标权重和序参量权重λijωi(i=12,…,12j=12,…,10),把事先确定的指标体系设计成调查问卷的形式,请专家们对指标的重要程度进行判定并给出相应的权值,经过多次反复综合专家意见,最后总结出具有权威性的指标权重值。但由于各指标量纲的存在使最后综合汇总存在一定的难度,故而要对指标进行无量纲化(或称为标准化)处理,计算公式如下,

对于正向指标:

对于逆向指标;

式中:Tij为指标标准化取值,tmaxtmin为指标可能取得的最大值和最小值。

序参量发展水平计算公式如下:

式中:Tij为指标标准化取值,Ei为序参量发展水平,λij为各指标权重。

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