国有煤炭企业生产循环性系统动力学模型

三、国有煤炭企业生产循环性系统动力学模型

1.国有煤炭企业生产循环性模型的系统动力学分析

国有煤炭企业生产涉及方方面面，呈现明显的复杂性，其循环性的研究更是一个复杂的问题。目前，在复杂性研究方面，最著名的当数美国的圣塔菲研究所（Santa Fe Institute，SFI）。它们在复杂性问题的研究方面提出了许多新的思想与方法，并对社会经济、自然科学中的具体问题开展研究，引起了广泛关注。但不容忽视的是，从20世纪50～60年代起，诞生于美国的系统动力学学派，就建立系统动力学（System Dynamics，SD）的理论、方法与工具体系，面向社会、经济和生态复杂系统开展研究，并取得了较大的成就。故本书选择系统动力学的理论与方法，对国有煤炭企业生产的循环性进行动态评价与分析（王其藩，1999；J.W.Forrester，1961；G.P.Richardson和A.L.PughⅢ，1981；王其藩，1988；王其藩，1992）。

（1）系统动力学的内涵。SD是一门分析研究非线性信息反馈系统的学科。它是认识和解决复杂大系统问题的交叉、综合性的学科。SD研究问题的方法是一种定性与定量结合，系统思考、分析、综合与推理的方法。它是定性分析与定量分析的统一，以定性分析为先导、定量分析为支持，两者相辅相成，螺旋上升逐步深化、解决问题的方法。按照SD的理论、原理与方法分析实际系统，建立起定量模型与概念模型一体化的SD模型，决策者就可以借助计算机模拟技术在专家群体的帮助下，进行定性与定量地研究社会、经济系统等问题。SD模型可视为实际系统的“实验室” ，特别适合于解决社会、经济、生态等一类非线性复杂大系统的问题。

（2）系统动力学的特点。①SD是一门可用于研究处理社会、经济、生态和生物等一类高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时变大系统问题的学科。它可在宏观与微观层次上对复杂、多层次、多部门的大系统进行综合研究。②SD的研究对象主要是开放系统。它强调系统的观点，联系、发展与运动的观点；认为系统的行为模式与特性主要根植于其内部的动态结构与反馈机制。③SD研究解决问题的方法是一种定性与定量结合，系统思考、分析、综合与推理的方法，在螺旋上升逐步深化的建模过程中尽可能地采用“白化”技术，把不良结构相对“良化” 。其模型模拟是结构——功能模拟。④规范的模型。SD模型从总体上是规范的，便于人们清晰地沟通思想，进行对存在问题的剖析和对政策实验的假设；便于处理复杂的问题，能一步步可靠地把假设中任何隐含的凌乱与迷津追索出来，而不带有人们言辞上的含糊、情绪上的偏颇或直观上的差错。⑤SD的建模过程便于实现建模人员、决策者和专家群体的三结合，便于运用各种数据、资料、人们的经验与知识，也便于汲取、融会其他系统学科与其他科学理论的精髓。

（3）系统动力学构模原理与方法。SD的研究重点是那些源自反馈机制的动力学问题。这种动力学问题具有两个特点:一个特点是它是动态的，即它所包含的量是随时间变化的，能以时间为坐标的图形表示；另一个特点是它包含了反馈概念。SD认为，各种组织系统、经济系统、社会系统，几乎所有人工的系统都是反馈系统。因此，SD构模面临的第一个问题就是如何根据所要研究的对象确定系统的边界。然后，画出系统各内在要素的因果与相互关系图，在此基础上准确地确定系统的流图。

①系统边界。在系统科学的庞大体系中，不同的学科由于研究范围和重点的不同，给出了不同的系统定义。在技术学科层次上，钱学森认为，系统是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体。在基础学科层次上，贝塔朗菲认为，系统是相互联系、相互作用的诸元素的综合体。在系统内部存在着两个或两个以上的相互作用的元素（或组分）。一个系统之外的一切事物或系统的总和，称为系统的环境。把系统与环境分开来的某种界限，叫做系统的边界。系统与环境之间存在着相互作用、相互联系的关系，这种相互作用和相互联系通过交换物质、能量和信息来实现。在SD构模时，依据所要研究的对象确定合理的系统边界是建模取得成功的基础和关键。因此，应力图把那些与建模目的关系密切和重要的量都列入边界。边界过小，会使一部分重要的元素遗失，影响研究问题的准确性；反之，边界过大，又会使问题复杂化，给建模人员造成不必要的麻烦。

②系统的因果与相互关系图。如图4-3所示，这是SD中典型的因果与相互关系图。

图4-3　因果与相互关系图

图4-3不但表明了反馈回路中的各元素，而且回路的极性也清晰可见。在SD理论中，正反馈回路的作用是使回路中变量的偏离增强，而负反馈回路则力图控制回路的变量趋于稳定。

③系统的流图。因果与相互关系图只能描述反馈结构的基本方面，不能表示不同性质的变量的区别，更不能描述影响反馈系统的动态性能的积累效应。SD的这一重任，只有流图才能担当。流图表示法亦称结构图表示法，如图4-4和图4-5所示，前者是正反馈基本回路流图，后者是负反馈基本回路流图。流图清楚地描述了速率与状态，并区分了物质流与信息链（物质流与信息链分别用实线与虚线表示）。

图4-4　正反馈基本回路流图

图4-5　负反馈基本回路流图

（4）系统动力学专用计算机模拟语言——DYNAMO。DYNAMO是一种计算机模拟语言系统，取名来自Dynamic Models的缩写。DYNAMO命名的含义在于建立正式系统的模型，借助计算机进行结构、功能与动态行为的模拟。用DYNAMO写成的反馈系统模型经计算机进行模拟，可得到随时间连续变化的系统图像。建模者可据此分析系统的结构、功能及行为。在此基础上进行政策分析与决策，实现预测和择优的目的。DYNAMO拥有一些专用的方程和函数供建模者使用。

①状态（State，Level）变量方程。在SD中，凡是能对输入和输出变量进行积累的变量称为状态变量，计算状态变量的方程称为状态变量方程。状态变量方程在DYNAMO模型中，以字母L为标志写在第一列。例如:

LLEVEL.K = LEVEL.J + DT*（INFLOW.JK - OUTFLOW.JK）式中:

LEVEL——状态变量；

INFLOW——输入速率（变化率）；

OUTFLOW——输出速率（变化率）；

DT——计算间隔（从J时刻到K时刻）。

②速率（Rate）方程。在状态变量方程中代表输入与输出的变量称为速率，它由速率方程求出。在DYNAMO中，速率方程以字母R为标志。与状态变量方程不同的是，速率方程没有标准格式，只能根据系统的具体情况书写。

③辅助（Auxiliary）方程。在建立速率方程之前，若未先做好某些代数计算，把速率方程中必需的信息仔细加以考虑，那么将遇到很大的困难。这些附加的代数计算，在DYNAMO中称为辅助方程，方程中的变量则称为辅助变量。在DYNAMO语言中，辅助方程要以字母A为标志写在方程的前面。辅助方程与速率方程一样，没有统一的标准格式。

④表函数（Table Function）。在SD模型中，往往需要用辅助变量描述某些变量间的非线性关系，这种描述简单地由其他变量进行代数组合的辅助变量已不能胜任。若所需非线性函数能以图形给出，那么就能十分简单地以DYNAMO的表函数表示。显然，表函数也是一种辅助方程，其标准格式为:

AVAR.K = TABLE（表名，输入变量，最小X值X_m，最大的X值X_M，X的增量ΔX）

T　表名＝Y₀/Y₁/Y₂/…/Y_n

　　　　 Y₀/Y₁/Y₂/…/Y_n为特定点n的Y坐标值。

⑤N方程。N方程的主要用途是为状态变量方程赋予初始值。在模型程序中，N方程通常紧跟着状态方程。

DYNAMO拥有的主要函数有:延迟（Delay）函数、平滑（Smooth）函数、数学函数、逻辑函数以及测试函数等。这些函数对于建模都是十分重要的。

（5）系统动力学系统的基本结构与行为。SD系统的基本结构是反馈回路，反馈回路是耦合系统的状态、速率（或行为）与信息的回路。因此，一个反馈回路就是由状态、速率和信息三个基本部分组成的基本结构。一个复杂系统则是按一定的系统结构由若干相互作用的反馈回路组成。反馈回路的交叉、相互作用形成了系统的总功能。在SD中，系统的基本结构主要有以下三种形式:

①正反馈结构。图4-4是一个最典型的正反馈结构。该图中的状态变量LEV为单向流动的物质积累。任何时候有关状态数量上变动的信息，经速率RT控制进入LEV的流量。正反馈结构系统的行为具有指数增长、超指数增长和指数崩溃三个基本特征，如图4-6和图4-7所示。

图4-6　指数和超指数增长

图4-7　指数崩溃

②负反馈结构。负反馈结构系统最显著的行为特点是它的跟随目标（寻的）的特性。诸如自调节、自控制、自均衡、体内平衡或自适应等均存在着寻的或趋向目标的行为特性。图4-5是典型的负反馈结构的流图。RT（速率）调节物质的输入与输出LEV（状态），它是系统动作的控制部件。偏差（DISC）是辅助变量，它与比例常数CONST决定RT。而偏差大小取决于状态值和目标值之差。图4-8是负反馈结构系统行为的寻的特征。

图4-8　负反馈结构系统的寻的行为

③S形增长的反馈结构。S形增长是颇具典型的一种系统行为，它包含了指数与渐近两种增长过程，先是指数增长，继之是渐进增长。前者是正反馈起主导作用，后者是负反馈起主导作用。图4-9是S形增长反馈结构的流图，图4-10是其行为模拟图。

图4-9　S形增长结构的流图

图4-10　S形增长结构系统的行为模拟图

2.生产循环性系统动力学模型的构建

矿区循环经济系统本质上属于复杂系统，它是以环境无害化技术或环境友好技术为支撑，在企业（群）、技术和环境（企业与环境之间）之间通过建立稳定、健康的物质流、能量流和信息流，实现矿区经济效益、生态效益和社会效益的“共赢”（陈锐、牛文元，2003）。

（1）矿区循环经济系统结构分析。自然生态系统可划分为生产者、消费者和分解者三个有机组成部分。健康的生态系统会将这三者的互相作用纳入一个整体循环中，完整地形成一个良性循环的有效系统。矿区循环经济系统通过模拟自然生态系统的食物链和生态系，建立起产业系统中的生产者、消费者和分解者的产业经济链，形成互利共生的循环经济网络，实现矿区的物质流、能量流和信息流的闭合式循环。本书在分析循环经济系统要素的基础上，在产业经济系统中又加入技术支撑和社会环境，从企业、技术和社会三个层面，认为矿区循环经济系统是由企业（群）、技术和环境（企业与环境之间）三者相互联系、相互作用、协同发展构成的复杂系统。

企业（群）是指矿区内从事资源生产和服务的资源型企业以及矿区内与资源型企业共生，处于生态产业链中的企业。资源型企业是循环经济的输入端环节，在生产和服务过程中，尽可能地减少资源消耗和废弃物的产生，核心是提高资源利用效率，最大化地循环使用资源和产品，延长产品的使用寿命；矿区循环经济系统中的物质、能量和信息的流动与储存不是孤立的简单叠加关系，系统内的共生企业通过以下三种方式，建立循环经济系统中的生产者—消费者—分解者的产业经济链。第一，通过废物交换，上游生产过程产生的废物成为下游生产过程的原材料；第二，材料或产品交换在同一矿区内展开，把这些企业组织起来开展能量、水和物质交换；第三，在同一矿区内相距不远的企业之间进行资源的交换，通过一系列经济上有回报的“绿色物质交换”自然形成（T.E.Graedel，B.R.Allenby，2004）。矿区企业群通过共生，在产业之间达到了资源的最优化配置，使物质和能量在经济循环中得到了永续利用，属于循环经济的过程环节，其基本参量是企业自身的竞争力、企业间的共生程度以及循环经济链等。矿区企业自身竞争力越强，不仅可以提高自身的生产力和资源利用率，而且具有更强的吸附其他共生企业的能力，容易形成循环经济链，且形成的循环经济链也比较牢靠；企业间的共生程度越紧密，整体的物质流、能量流和信息流就越流畅，资源和能源的利用率就越高，越有利于技术创新，互利共生作用就越明显，生态效益、经济效益和社会效益也就越高；矿区的循环经济链越多，企业间的共生程度就越强；资源循环利用得越好，废弃物再生利用得就越彻底。

技术是矿区循环经济系统的技术载体和技术支撑，主要包括污染治理技术、废物利用技术和清洁生产技术。具体包括先进的采煤技术与工艺、污水处理技术、绿色设计技术、井下瓦斯抽放技术、房柱式与条带式采煤技术以及其他无害或低害新技术等。其基本参量是技术创新能力、企业对技术的引导和拉动力度以及新技术使用率等。矿区企业对技术的引导和拉动力度越大，企业对技术的需求就越多，相应的技术研发和供给就会越多；技术创新能力越强，企业共生的程度越紧，矿区循环经济系统的核心竞争力也就越强；新技术使用率越高，矿区的技术水平越高，矿区企业的核心竞争力越强，环境改善就越好。技术涉及了循环经济的输入端、过程以及输出端的各环节。

环境包括两方面的含义:一方面指硬环境，即矿区的资源禀赋程度和环境对污染的消纳能力；另一方面指软环境，主要是矿区的产业政策、法律法规、公众意识和消费方式等社会环境。环境属于循环经济的输出端环节，指将废弃物最大限度地转化为资源，变废为宝，化害为利，既可减少自然资源的消耗，又可减少污染物的排放，其基本参量是旧物调剂和资源回收产业、废弃物再生率以及矿区的产业政策等。矿区的旧物调剂和资源回收产业数量越多、工作质量越好，废弃物再生率就越高，矿区废弃物的回收利用就越彻底，矿区的环境也就越好。矿区的产业政策越有利于废弃物的再生和利用，矿区的环境就越好；公众意识越强，消费方式越好，循环经济实施得也就越好，环境改善得越彻底。

可见，在矿区循环经济系统中，企业（群）的聚集和共生需要技术和环境的支撑，企业（群）的聚集和共生又促进了技术的创新和环境的改善；技术创新需要企业（群）的共生和环境的改善去检验和完善；环境的改善需要企业（群）和技术的共同发展来推动。矿区循环经济系统的持续和发展依赖于其内部各个环节的协同作用，每一个环节的流通不畅都将危害整个系统（李世勋、曹利军，2005）。矿区企业（群）、技术和环境三者之间的耦合关系如图4-11所示。

（2）矿区循环经济系统系统动力学模型。矿区循环经济系统是由企业（群）、技术和环境三者相互联系、相互作用、协同发展构成的复杂系统。其系统内部包含因素众多，关系复杂，依据系统动力学的建模原理以及矿区循环经济系统自身所具有的特性，把矿区循环经济系统各因素的主要因果关系确定为如图4-12所示。

从图4-12可以看出，矿区循环经济系统的主要反馈回路有:

循环经济链↑→企业对技术的引导和拉动力度↑→新技术使用率↑→技术水平↑→技术水平对循环经济链的影响↑→循环经济链↑

企业间的共生程度↑→循环经济链↑→企业对技术的引导和拉动力度↑→新技术使用率↑→技术水平↑→企业间的共生程度↑

资源循环利用率↑→循环经济链↑→企业对技术的引导和拉动力度↑→新技术使用率↑→技术水平↑→资源循环利用率↑

技术水平↑→废弃物再生利用率↑→循环经济链↑→企业对

图4-11　矿区循环经济系统结构图

技术的引导和拉动力度↑→新技术使用率↑→技术水平↑

图4-12　矿区循环经济系统各因素的主要因果关系图

技术水平↑→技术创新能力↑→科技投入率↑→新技术使用率↑→技术水平↑

技术水平↑→废弃物再生利用率↑→环境质量↑→技术水平↑

技术水平↑→资源循环利用率↑→环境质量↑→技术水平↑

环境质量↑→循环经济链↑→企业对技术的引导和拉动力度↑→新技术使用率↑→技术水平↑→环境质量↑

环境质量↑→技术水平↑→技术水平对环境质量的影响↑→环境质量↑

环境质量↑→循环经济链↑→企业对技术的引导和拉动力度↑→新技术使用率↑→技术水平↑→原材料投入↓→环境质量↑

依据系统动力学的建模原理，结合前面的分析，把循环经济链、技术水平和环境质量确定为模型的状态变量，再确定相应的速率变量、辅助变量以及有关的参数，建立各要素的相互关系，即可确定矿区循环经济系统的结构关系。矿区循环经济系统评价模型的结构关系如图4-13所示。该图把系统动力学的因果与相互关系图和流图结合在一起，不仅反映了系统的因果关系及反馈回路，而且还反映了系统变量的性质和特点，使系统内部的作用机理更加清晰明了。

图4-13　矿区循环经济系统流图

构造SD方程的变量集:

循环经济链（XHJJL）、初始循环经济链（CSXHJJL）、循环经济链增加（XHJJLZJ）、循环经济链增加系数（XHJJLZJXS）、标准循环经济链增加系数（BZXHJJLZJXS）、循环经济链减少系数（XHJJLJSXS）、循环经济链减少（XHJJLJS）、技术水平（JSSP）、初始技术水平（CSJSSP）、技术水平提高（JSSPTG）、技术水平提高系数（JSSPTGXS）、标准技术水平提高系数（BZJSSPTGXS）、技术水平降低系数（JSSPJDXS）、技术水平降低（JSSPJD）、技术创新能力（JSCXNL）、新技术使用率（XJSSYL）、科技投入率（KJTRL）、企业对技术的引导和拉动力度（QYDJSYDLDLD）、技术水平对循环经济链的影响（JSSPDXHJJLYX）、企业间的共生程度（QYJGSCD）、资源循环利用率（ZYXHLYL）、废弃物再生利用率（FQWZSLYL）、技术水平对环境质量的影响（JSSPDHJZLYX）、环境质量（HJZL）、初始环境质量（CSHJZL）、环境质量提高（HJZLTG）、环境质量提高系数（HJZLTGXS）、标准环境质量提高系数（BZHJZLTGXS）、环境质量降低系数（HJZLJDXS）、环境质量降低（HJZLJD）、矿区的产业政策（KQCYZC）。

主要方程如下:

NOTE

NOTE循环经济链

NOTE

L　XHJJL.K = CSXHJJL.J + DT*（XHJJLZJ.JK - XHJJLJS.JK）

R　XHJJLZJ.KL = XHJJL.K* XHJJLZJXS.K

R　XHJJLJS.KL = XHJJL.K* XHJJLJSXS.K

A　XHJJLZJXS.K = BZXHJJLZJXS*JSSPDXHJJLYX*QYJGSCD* ZYXHLYL* FQWZSLYL

NOTE

NOTE技术水平

NOTE

L　JSSP.K = CHJSSP.J + ST*（JSSPTG.JK - JSSPJD.JK）

R　JSSPTG.KL = JSSP.K* JSSPTGXS.K

R　JSSPJD.KL = JSSP.K* JSSPJDXS.K

A　JSSPTGXS.K = BZJSSPTGXS* JSCXNL* XJSSYL* KJTRL

NOTE

NOTE环境质量

NOTE

L　HJZL.K = CSHJZL.J + DT*（HJZLTG.JK - HJZLJD.JK）

R　HJZLTG.KL = HJZL.K* HJZLTGXS.K

R　HJZLJD.KL = HJZL.K* HJZLJDXS.K

A　HJZLTGXS.K = BZHJZLTGXS* JSSPDHJZLYX* KQCYZC* FQWZSLYL