瞿慶玲,錢 新,張玉超 (南京大學環(huán)境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

工業(yè)園共生演化定量研究

瞿慶玲,錢 新*,張玉超 (南京大學環(huán)境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210046)

以江蘇泰興精細化工園及南通農藥化工園為例,將最大流原理及自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡用于研究非成熟工業(yè)園的產業(yè)共生演化.由于演算得到的序參量 ξ值雖然可以表征各工業(yè)園共生效益隨時間變化情況,卻無法用來橫向比較工業(yè)園間共生效益,因此對計算過程進行了改進,提出新的序參量計算方法.比較了序參量ξ與產業(yè)關聯(lián)度、交換量等指標后,定義ξ為產業(yè)共生演化效率指標,并將卡倫堡工業(yè)園2005年得出的ξ值2.87作為共生演化穩(wěn)定狀態(tài)標準值.研究發(fā)現(xiàn),2個工業(yè)園在較少人工干預下,ξ值逐年上升,分別從0.04,0.133增加到1.51和1.675,但遠小于卡倫堡工業(yè)園的2005年ξ值.建議在工業(yè)園自發(fā)形成進程基礎上,加以合理引導,促進工業(yè)園更好更快地發(fā)展.

共生演化；最大流原理；自組織神經(jīng)網(wǎng)絡；工業(yè)園

近年來,生態(tài)工業(yè)園的發(fā)展受到極大關注,關于生態(tài)工業(yè)園的研究成為環(huán)境科學的研究熱點

[1-3].研究工業(yè)園的發(fā)展規(guī)律對于指導工業(yè)園的生態(tài)化建設極其重要,但關于這方面的研究較少[4],尤其是定量研究幾近空白.一些學者[5-7]認為工業(yè)園發(fā)展符合自組織規(guī)律,推導出演化序參量(ξ)的基本公式,并以2個經(jīng)典生態(tài)工業(yè)園卡倫堡工業(yè)園[8]和魯北工業(yè)園[9]為例,通過自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(SOM)得到 ξ值.從動力學方面分析了生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的演化過程并以序參量的形式描述了生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的結構,進行了量化分析,彌補了目前生態(tài)工業(yè)研究中的不足.但該理論在非成熟工業(yè)園的應用還需要進一步探討.本研究以江蘇省 2個普通化工園泰興精細化工園及南通農藥化工園為例,探索該理論在非成熟工業(yè)園中的應用,并對計算過程進行了改進,引入了產業(yè)共生演化效率指標,用于工業(yè)園間共生效益比較,為指導工業(yè)園區(qū)的生態(tài)建設提供新的思路.

1 工業(yè)園演化定量理論

霍翠花等[8-9]從自組織理論最大流原理出發(fā),推導出演化序參量的基本公式.又發(fā)現(xiàn)公式與自組織神經(jīng)網(wǎng)絡機理相似,因此用企業(yè)數(shù),產業(yè)鏈數(shù)以及企業(yè)間物質交換量代表園區(qū)基本屬性,作為自組織神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入神經(jīng)元,并以兩個經(jīng)典的成熟的生態(tài)工業(yè)園為例,通過matlab編程得到2個工業(yè)園演化序參量,證明了理論的正確性.

1.1 最大流原理

復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)的競爭過程遵循復雜系統(tǒng)演化的最大流原理[8]:一個遠離平衡的開放復雜系統(tǒng),總是尋找一種優(yōu)化過程,使得系統(tǒng)在給定的約束或代價下所獲得的廣義流最大.工業(yè)園作為遠離平衡的復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng),工業(yè)共生形成過程是工業(yè)園內各企業(yè)間物質流、能量流、信息流相互競爭的過程,故工業(yè)園演化符合最大流原理.

設定任意一個由 n個子系統(tǒng)組成的生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)[9](這里的子系統(tǒng)指生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的功能塊,比如園區(qū)成員企業(yè)個數(shù)、園區(qū)員工數(shù)、等),每個子系統(tǒng)演化的驅動力,即從外界環(huán)境獲得廣義流(物質流、能量流、信息流等)的動力表示為x1,x2,…,xn,其所有微觀子系統(tǒng)在Γ空間內,形成一個連續(xù)的單元,則dx=dx1dx2…dxn為?？臻g內的一個體積單元.t時刻該工業(yè)系統(tǒng)所有可能微觀單元獲得的平均廣義流[10]表示為:

式中: ρ(x,t)為t時刻流的概率分布函數(shù);J(ρ)為與分布函數(shù)相關的廣義流; xi為系統(tǒng)演化的驅動力.

利用拉氏乘子的優(yōu)化法進行平移變換,并通過變換得到生態(tài)系統(tǒng)結構的序參量方程

式中:ξ值代表在不同控制參數(shù)下所對應系統(tǒng)的不同結構或模式特征;aji為隨機數(shù);xi為系統(tǒng)演化的驅動力.

1.2 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡

自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(SOM)[11]網(wǎng)絡是一種無監(jiān)督學習的聚類方法,它能將高維模式空間映射到一平面上,而保持其拓撲結構不變.式(2)與 SOM機理具有相似性[12].SOM 網(wǎng)絡的自組織過程就是神經(jīng)元之間的自組織競爭過程,可以看作工業(yè)系統(tǒng)信息在網(wǎng)絡中的流動分配過程,將網(wǎng)絡中的神經(jīng)元看作工業(yè)子系統(tǒng),輸入的各類信息定義為系統(tǒng)中的廣義流,各子系統(tǒng)對廣義流的競爭過程就是神經(jīng)元接受刺激的競爭激活過程.

對于式(2)中的aji項,在SOM網(wǎng)絡中對應于神經(jīng)元之間的連接權值wji,它表示SOM網(wǎng)絡中輸入的神經(jīng)元經(jīng)過訓練后得到的網(wǎng)絡權值,即:

式(3)把ξj進行了量化,ξj代表園區(qū)發(fā)展的第j種結構模式;xi(i=1,2,…,n)表示園區(qū)系統(tǒng)的n個控制參數(shù);wji表示第j種結構模式中第i個參數(shù)的權值.在SOM網(wǎng)絡的訓練過程中,wji不斷進行自組織調整[13],它反映園區(qū)系統(tǒng)自組織演化過程.將最終的wji值代入式(3),所得到的ξj值可以量化系統(tǒng)競爭優(yōu)化的形成結果,它表征競爭獲勝的模式特征,也即園區(qū)共生穩(wěn)定的模式特征.

2 非成熟工業(yè)園演化案例研究

泰興精細化工園和南通農藥化工園均建于20世紀 90年代中期.若將卡倫堡工業(yè)園看作成熟工業(yè)園,這兩個化工園可以定義為非成熟工業(yè)園.選取泰興精細化工園和南通農藥化工園為案例,探討演化理論在非成熟工業(yè)園中的應用.

2.1 園區(qū)概況

泰興精細化工園區(qū)位于泰興市濱江鎮(zhèn)境內,規(guī)劃總面積為16.90km2.入園企業(yè)102家,主要生產石油化工產品和農副產品.泰興精細化工園相關數(shù)據(jù)見表1.數(shù)據(jù)整理自《(泰興)開發(fā)園區(qū)循環(huán)經(jīng)濟規(guī)劃》,《(泰興)開發(fā)區(qū)回顧性環(huán)評》以及各企業(yè)的環(huán)境影響評價報告書.企業(yè)之間因產品、副產品或廢物的交換,形成產業(yè)鏈[9].為便于統(tǒng)計,將產業(yè)鏈中較晚建成的企業(yè)建成時間默認為該產業(yè)鏈的形成時間.

南通農藥化工園位于南通市東南部的南通經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內,有28家化工企業(yè),主要生產農藥及精細化工產品.南通農藥化工園相關數(shù)據(jù)見表 2.數(shù)據(jù)整理自《南通經(jīng)濟開發(fā)區(qū)回顧性環(huán)境影響評價報告書》以及各企業(yè)的環(huán)境影響評價報告書.

表1 泰興精細化工園數(shù)據(jù)Table 1 Statistics of Taixing fine chemical Park

表2 南通農藥化工園數(shù)據(jù)Table 2 Statistics of Nantong pesticide chemical park

2.2 演化規(guī)律

選取園區(qū)共生體成員個數(shù)即企業(yè)數(shù)目,產業(yè)鏈個數(shù),企業(yè)間物質交換量作為工業(yè)園這個共生體的特征分量 X1,X2,X3,采用式(4)歸一化后消除量綱,作為SOM的輸入神經(jīng)元,泰興精細化工園網(wǎng)絡層為 3×9,南通農藥化工園網(wǎng)絡層 3×6,通過matlab編程[14]分別得到工業(yè)園序參量 ξ動態(tài)演化過程,具體見圖1和圖2.

圖1和圖2中各年份的ξ均從雜亂散點狀態(tài)最終達到競爭穩(wěn)態(tài),穩(wěn)定值即代表工業(yè)園各年份的共生競爭獲勝模式.2個工業(yè)園建設之初,共生效果不明顯,ξ值基本呈直線狀態(tài),隨時間增加,ξ值呈現(xiàn)逐年上升趨勢,且在各個年份由散點狀態(tài)達到穩(wěn)定.泰興精細化工園在計算80步后逐漸穩(wěn)定,南通農藥化工園在迭算130步后趨向穩(wěn)定.故南通農藥化工園與泰興精細化工園的發(fā)展均符合最大流原理,并自發(fā)向穩(wěn)態(tài)靠攏.且ξ值呈現(xiàn)逐年上升趨勢,說明工業(yè)工業(yè)園發(fā)展呈良好態(tài)勢,其共生穩(wěn)態(tài)隨時間而增強.

圖1 泰興精細化工園序參量ξFig.1 Order-parameter ξ of Taixing fine chemical park

圖2 南通農藥化工園序參量ξFig.2 ξ of Nantong pesticide chemical park

將2個工業(yè)園各年份最終達到的穩(wěn)定ξ值與卡倫堡工業(yè)園[5]相比較.由圖3可知,卡倫堡在96年前發(fā)展迅速,ξ值增長迅速,隨著其發(fā)展狀況日趨穩(wěn)定,共生結構日趨完善,ξ值變化逐漸平緩.而南通農藥化工園與泰興精細化工園初期共生現(xiàn)象并不明顯.泰興精細化工園在2005年后ξ值增大幅度明顯,主要是由于2005年后龍頭企業(yè)新浦化工的下游企業(yè)增多,廢物交換量高,共生效益明顯.南通農藥化工園2003年后ξ值增大幅度明顯,這主要是由于2003年大批企業(yè)的引入.泰興精細化工園和南通農藥化工園 ξ值均在近年來增長幅度明顯,且有繼續(xù)增長的趨勢,遠期有較大的產業(yè)共生發(fā)展?jié)摿?因此,ξ值可以如實反映工業(yè)園的歷史演化過程,在研究工業(yè)園演化規(guī)律方面可以發(fā)揮積極作用.

圖3 3個工業(yè)園的ξ值Fig.3 ξ value of three industrial parks

3 產業(yè)共生演化效率指標

3.1 序參量ξ值的不足

序參量 ξ值包含了企業(yè)數(shù),產業(yè)鏈數(shù)和企業(yè)物質交換量3個指標,理論上可以更加全面的表征工業(yè)園共生效益.但由圖3可知,3個工業(yè)園最大值非常接近,表明2個非成熟工業(yè)園達到了卡倫堡工業(yè)園的共生水平,這是不合情理的.因ξ值受X1,X2,X3影響,自組織神經(jīng)網(wǎng)絡首先對X1,X2,X3進行了歸一化處理,處理方式為各項當前值除以最大值,處理后三個工業(yè)園 X1,X2,X3取值范圍都在[0,1]之間,最大值均為1,各工業(yè)園規(guī)模,產業(yè)鏈數(shù)和交換量的差異在歸一化中被忽略,故3個工業(yè)園的ξ值不能做橫向比較,ξ值只能分別反映各工業(yè)園隨時間變化的演化規(guī)律.因此,若要以卡倫堡工業(yè)園作為工業(yè)園成功的范例,對比出南通農藥化工園和泰興精細化工園的差距,ξ值需要進一步改進.

3.2 關聯(lián)度指標的不足

目前許多學者將生態(tài)學的關聯(lián)度引入生態(tài)工園的研究中[15-18],認為它可以定量表示工業(yè)園的共生效果,產業(yè)關聯(lián)度定義見式(5).

式中:L為產業(yè)鏈數(shù),S為企業(yè)數(shù),C為關聯(lián)度.

由圖4可見,卡倫堡工業(yè)園規(guī)模比較小,企業(yè)數(shù)少;南通農藥園與其規(guī)模相近;泰興精細化工園企業(yè)數(shù)為另2個工業(yè)園的近5倍.卡倫堡形成的產業(yè)鏈數(shù)和產品廢物交換量遠大于南通農藥化工園和泰興精細化工園,就關聯(lián)度總體趨勢看,卡倫堡也遠大于兩化工園.南通產業(yè)鏈數(shù)比泰興少,但總體關聯(lián)度趨勢高于泰興,交換量也高于泰興.3個工業(yè)園的關聯(lián)度變化不大,不如交換量變化趨勢明顯,而由于產業(yè)鏈數(shù)目的增長速度低于企業(yè)數(shù)目的增長速度,均出現(xiàn)關聯(lián)度下降的情況,物質交換量卻隨年份增加.因此單以某一年份關聯(lián)度作為指標來表征工業(yè)園共生效益并不可靠.而其他3個指標也互有高低,需要一個綜合的指標比較3個工業(yè)園的共生效益.因此可以考慮對綜合指標序參量ξ值進行改進.

3.3 序參量ξ值的改進

在上述研究工業(yè)園演化規(guī)律過程中,歸一化方法采用的是各指標當前值除以最大值.3個工業(yè)園的X1,X2,X3歸一化后最大值均為1.為避免這種情況,將 2005年卡倫堡的 X1,X2,X3分別作為maxXi代入式(5)中.因為卡倫堡工業(yè)園發(fā)展已被充分肯定,并被作為工業(yè)園的范例,可以將卡倫堡最新可得數(shù)據(jù)2005年的數(shù)據(jù)作為標準,檢驗其他工業(yè)園的發(fā)展.

同時泰興精細化工園和南通農藥化工園企業(yè)數(shù)大于卡倫堡工業(yè)園企業(yè)數(shù),尤其是泰興精細化工園,規(guī)模為另2個工業(yè)園的近5倍.在同等規(guī)模下比較工業(yè)園的產業(yè)共生情況更為公平.故取 2005年卡倫堡的企業(yè)數(shù)作為統(tǒng)一規(guī)模標準,將泰興精細化工園和南通化工園 2005年企業(yè)數(shù)與該規(guī)模做比值,得到比例因子.將式(5)乘以比例因子得到公式(6),即為相對同等規(guī)模下(2005年卡倫堡的企業(yè)數(shù)),各工業(yè)園歷年的企業(yè)數(shù),產業(yè)鏈數(shù)以及物質交換量,再作為自組織神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入神經(jīng)元,得到新的ξ值如表3和圖5所示.

圖4 三個工業(yè)園企業(yè)數(shù)、產業(yè)鏈、交換量及關聯(lián)度Fig.4 Company numbers, industrial chain numbers, exchange amount, association degrees of three parks

表3 改進后3個工業(yè)園ξ值Table 3 New ξ of three parks

由表3和圖5可知,泰興精細化工園與南通農藥化工園的 ξ值遠小于卡倫堡工業(yè)園,這與三個工園的總體關聯(lián)度以及交換量的比較是一致的.在同等規(guī)模比較下,南通農藥化工園的ξ值也大于泰興精細化工園.因此改進后的 ξ值可以如實反應工業(yè)園的共生效益.

圖5 改進后3個工業(yè)園ξ值的比較Fig.5 Comparison of new ξ of three parks

由于 ξ值包含了工業(yè)園的企業(yè)數(shù),產業(yè)鏈數(shù)及物質交換量三項指標,比單一指標更加全面.相比于包含了兩個指標(企業(yè)數(shù)和產業(yè)鏈數(shù))的關聯(lián)度,ξ也既表征任意年份工業(yè)園的共生效益,也能夠反映工業(yè)園共生的演化規(guī)律,因此定義其為工業(yè)園共生演化效率指標.將2005年卡倫堡ξ值2.87作為工業(yè)園產業(yè)共生結構模式穩(wěn)定的標準值.ξ值越大,產業(yè)共生結構模式越穩(wěn)定.ξ值越小,說明該工業(yè)園遠離產業(yè)共生結構模式穩(wěn)定狀態(tài),還需要大力發(fā)展.

泰興精細化工園和南通農藥化工園近期 ξ值只有1.51和1.675,只有卡倫堡工業(yè)園ξ值的一半,發(fā)展?jié)摿^大,需要加以合理引導,調整招商引資的重點,鼓勵補鏈企業(yè)的進入,使工業(yè)園的進化少走彎路,更好更快地發(fā)展.

本研究提出并改進了產業(yè)共生演化效率指標和產業(yè)共生結構模式穩(wěn)定的標準值,但該指標的應用還需要進一步研究和探討.標準值也只能作為工業(yè)園發(fā)展的參考.

4 結論

4.1 探討了序參量ξ在研究非成熟工業(yè)園演化規(guī)律中的積極作用,改進ξ值的計算過程,在比較了關聯(lián)度及其他指標后,進而定義 ξ為產業(yè)共生演化效率指標,并將2005年卡倫堡ξ值2.87作為工業(yè)園產業(yè)共生結構模式穩(wěn)定的標準值.

4.2 從3個工業(yè)園演化規(guī)律可看出,工業(yè)園在自發(fā)狀況下可逐步形成產業(yè)共生關系,并向更高級穩(wěn)態(tài)進化.故在工業(yè)園的發(fā)展中,應認識工業(yè)園發(fā)展的自發(fā)過程,不要任意改變甚至破壞該進程.

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Quantitative studies on symbiosis evolution of industrial parks.

QU Qing-ling ,QIAN Xin*,ZHANG Yu-chao (State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：1045～1050

The maximum flux principle and self-organized feature map(SOM) were applied in the studies of the evolution of immature industrial park with two cases. The order parameter ξ could be used to compare time sequence of symbiosis benefit of a park, but it couldn’t reflect the difference of symbiosis benefit between different parks. Then the calculation was modified and a new ξ was proposed. After being compared with the associate degree indicator and exchange amount indicator ξ was defined as symbiosis evolution efficiency index, and Kalundborg industrial park’s ξ value 2.87 in 2005 was defined as standard value of symbiosis evolution. The suggestion was also put forward that as two industrial parks’ ξ values have rising year after year with little interference of people, from 0.04 and 1.33 to 1.51 and 1.675 respectively. They are still much smaller than Kalundborg industrial park’s ξ value in 2005.Thus leaders of the industrial park should rationally guide the development based on its spontaneous forming process, to promote better and quicker development of the parks in long term.

symbiosis evolution；maximum flux principle；self-organized feature map；industrial park

X013

A

1000-6923(2011)06-1045-06

2010-10-10

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(200809070),江蘇省環(huán)保科研課題(2009018)

* 責任作者, 教授, xqian@nju.edu.cn

致謝：本文數(shù)據(jù)調研得到了環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,泰興精細化工園以及南通經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會的支持,在此表示感謝.

瞿慶玲(1986-),女,安徽天長人,南京大學環(huán)境學院碩士研究生,主要從事生態(tài)工業(yè)園研究.發(fā)表論文2篇.