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研究框架和方法_生态工业园系统的

时间:2020-10-18 百科知识 联系我们
研究框架和方法_生态工业园系统的

工业化既是人类技术进步、经济发展和社会文明的结晶,也是环境污染生态破坏社会问题的汇合处,在每天的新闻中诸如此类的报道比比皆是:渔场衰落、森林缩小、土壤侵蚀、牧场退化、沙漠扩大、二氧化碳水平上升、地下水位下降、全球气候变暖、破坏性风暴增多、冰川融化、海平面升高、珊瑚礁死亡、物种消失……人们终于开始认识到要有效地组织工业企业,对它们进行一个生态整合,要求它们使用可再生资源的速度小于或等于其再生速度,并对不可再生资源进行最有效的使用。同时,工业剩余物的产生和排放速度应当不超过环境自净或消纳的速度。循环经济要求把经济活动组织成“资源—产品—再生资源—再生产品”的物质反复循环流动过程,遵循“减量化、再利用、再循环”(3R,Reduce,Reuse,Recycle)原则,使整个经济系统的生产和消费过程不产生或只产生或者排放很少的工业剩余物,从根本上消解长期以来环境和发展之间的尖锐冲突,建立一个生态工业系统。

在自然界中,没有真正意义上的废物,一个物种的代谢产物总能被另一个物种作为营养物加以吸收利用,整个生物圈太阳能驱动下,通过上亿年的进化过程已经实现了几乎所有物质的闭环流动。现在人类正是在大自然的启示下,运用生态学的原理来指导和规划整个工业体系,并据此提出工业生态的概念。

工业生态学的一个最重要的观念就是否定废物(Waste)的概念。字典中的“废物”是指没有用处或者没有价值的物质,然而在自然生态系统中没有什么东西是最终要被抛弃的,所有的物质最终都会以不同的方式得到有效的利用,自然界在其长期的进化过程中已经显示出了这种规律,所以生态工业认为“废物”是一种“错位的资源”,人们通过向“废物”注入能源等,可以将其提升为高品质的资源,重新作为原材料用于工业生产,达到变废为宝的目的,从而实现物质在整个工业系统中的循环以及人类社会的可持续发展。本书中,我们将经过生产剩余的和使用过的物质称为工业剩余物(Residua),而不是废物(Waste)。

工业生态学的一个重要研究内容是生态工业园区(Eco-Industrial Parks,生态工业园区)的组织、设计与管理,研究它的聚集演化机制,对其在运行过程中进行柔性控制。生态工业园区是一个包括自然、工业和社会的复合体,它通过成员之间的副产物和剩余物的交换、能量和水的逐级利用、基础设施的共享来实现园区在经济效益和环境方面的协调发展。在美国、加拿大等发达国家,生态工业园区的建设正呈现出迅速发展的势头。需要说明的是,在这里,生态工业园中的“生态”已经不是狭义的生物学概念,而是包括了社会、经济、自然复合协调、持续发展的含义,是人与自然共生、共存、共荣的复合系统。

这里我们将生态工业园区看成是在一定的区域或范围内,由各种不同产业(如制造业企业、农业生产企业、渔业水产企业、服务业企业等)联合组成,而并不局限于单一的工业产业,利用生态学原理,通过企业间物质循环能量流动的功能流相互作用、相互联系,以相互消耗工业剩余物而形成的生态产业体系。也就是把工业经济活动视为一种类似于自然生态系统的循环体系,其中一个企业产生的工业剩余物(或副产品)作为下一个企业的“食物”(原料),形成企业“群落”(工业剩余物食物链),随着这个群落的增大,工业剩余物(或副产品)可以在这个链中循环消耗殆尽,使得整个群落对外实行“零”排放,同时群落内部实现能量和水的梯级使用。有的专家将生态工业园区也称为生态产业园区,本书考虑再三,鉴于大多数文献的说法,还是称其为“生态工业园区”,需要说明的是两者除了文字,本质上没有区别。生态工业系统和自然生态系统的形成、发展与崩溃都是一个动态的演进过程,生态工业系统在初期所形成的自组织形式就是由产业自发聚集形成的工业共生体(或生态工业群落),而后随着人类对环境生态保护的理解,政策面的引导,于是可以说,从本质上生态工业共生体是在一定的历史条件和可持续发展背景下所演化出来的一种结构表现。

对生态经济而言,公共经济政策的形成,要以生态原理建立的框架为基础,要向着环境保护和减少排放为目的进行疏导和指引,生态学为产业经济提供蓝图,利用一切经济活动和所有生物对地球生态系统的依赖关系,不同物种共同栖息相互影响,共同生存于复杂的平衡之中,通过食物链、养分循环、水文循环以及气候系统相互交织在一起,政府管制机构需要将生态目标转变为政策,将经济性和生态性结合起来,构建出一种可以持续发展的经济。

综上可以看出,生态工业园系统综合地运用了工业生态学和经济学理论和思想,把经济增长建立在环境保护的基础上,体现了人和自然和谐相处的思想,是未来经济可持续发展的一种重要模式,所以研究生态工业园区系统有着十分积极的意义。

生态工业园区是继传统工业开发区、高新技术产业开发区之后的第三代工业园区。从政府管制和公共政策角度出发,管理层研究怎样从经济和生态上制定管制政策引导建立生态工业园区,如何在园区开始营建时就有选择地对申请入园企业进行招商,如何在某一个区域或更大的产业范围中找到并实现工业共生食物链网,在工业共生食物链网中某些结点出现问题时又如何在更大的社会范畴中找到可以替代的结点或组建次优网络。考虑外部政策调整时可能会带来的后果,对申请加入园区企业进行考察甄别,通过计算机仿真,在生态工业园区实现之前就有一个园区的演化模拟路径以及生态工业共生食物链网络的蓝图,以及如何在一个更大区域范围内实现工业剩余物互相消耗,这一切都已经成为摆在我们面前亟待研究的课题。

国内外对生态工业园区系统演化的研究从20世纪90年代才刚刚起步,其侧重面和角度各不相同,有从生态工业园区的生态系统性质出发(Cote R.P.,Hall J.,1995)的,有从生态工业园区的历史发展研究其演化(Lowe E.,Morn S.,Holmes,1995)的,还有从生态工业园区中能量传递、物质循环和协同的演化来研究(Thermoshare,1997)的。有的从系统的角度研究生态工业园区的设计与操作(Cote R.P.,Hall J.,Klynstra P.,Martin M.,Wade P.,1995),有的从生态工业园区的案例作实证研究(Research Triangle Institu-te。1994),还有的对生态工业园区进行规划实践(Raymond P.,Cote E.,Cohen-Rosenthal,1998)等。生态工业园区的研究一开始主要集中在德国、加拿大、美国、日本等少数发达国家,随后其他各国也积极开展了生态工业园区的研究和开发,研究内容涵盖工业和环境管理项目,其战略基本都是从招募与当前产业生态相配套的相关企业,特别是再循环与废物交易类公司作为食物链网的“分解者”结点,开发那些兼备利润、资源、效率、工业生态学和污染预防的工业设施,建立工业废弃物交流中心,改造旧的污染严重的地理区域(褐色土地开发)。而我国经济系统中对工业生态问题的研究起步较晚,直到近年来才有专家进行了生态工业、环境生态学的研究,香山科学会议第198次学术讨论会曾提出对生态工业系统自组织演化与复杂性研究,应用复杂自适应系统理论研究生态工业系统演化进程,以期探讨促进生态工业系统演化进程的机制。但是他们讨论的还只是宏观的生态工业的演化机制,而生态工业园区是生态工业的具体实施,他们还没有深入中观和微观到这个层面,可惜的是最后也没有涉及生态工业园区的具体演化分析。

由此可见,目前国内外专家学者的研究主要关注的还是具体生态工业的规划和生态工业园区的模式和制度,以及进行减轻工业对环境影响的具体技术措施研究,基本上是从工程的角度来研究和分析生态工业园系统,采用的基本还是还原论的建模思想,从管理学技术经济学以及系统仿真的角度考虑较少,鲜有文献从系统仿真和系统自组织的角度探讨生态工业园的演化机制。本书试图采用有限的理性、分散控制、追求组织效率和敏捷性以及线性非线性处理的手段,通过政策调控以系统自组织演化的方式实现计算机仿真,期望在生态工业园区系统的结果和功能上达到某种自组织形式或预测控制可能的涌现。

研究生态工业园的演化发展具有重要的实际应用价值。在美国、法国、加拿大、丹麦等发达国家,出现了将传统工业开发区升级改建成生态工业园区的趋势。而在我国,随着环境的日益恶化,有数百个各种层次、各种类型的工业开发区,也将面临改建成生态工业园区的问题。经济的再次腾飞,将会掀起新一轮工业开发区的建设热潮,和谐社会出于环境保护的目的,可能要求新的工业开发区直接建成生态工业园区。无论生态工业园区新建或改建都需要对其演化机制深入研究,找到制定引导生态工业发展的政策杠杆,分析生态工业园区的发展路径及运行结构。在此背景下,生态工业园演化机制的研究成果将为政府制定招商引资和可持续发展决策提供参考,为生态工业园区的管理、组织、规划、设计部门提供理论指导和优化解决方案,缩短生态工业园区的建设周期,为生态工业园区系统的建设和运行提供“绿色路线图”和行动指南。

在1977年的德国地球学年会上,美国地球化学家Preston Cloud在其论文[1]中首先使用了“工业生态学”(Industrial Ecology),后来Frosch和Nicholas在《科学美国人》上撰文提出了“生态工业系统”(Eco-Industrial System)[47]被引为经典。他们强调人类的产业活动应当模仿自然生态系统,将产业系统和谐地纳入自然生态系统物质循环和能量流动的大系统中,建立一个新的产业生态系统。随着产业生态学的迅速发展,大批学者在该领域开展了深入、有价值的研究,有代表性的有法国著名环境管理学家Ayers U.Robert[2]教授,美国康奈尔大学Cohen Rosenthal[4]教授,加拿大达尔湖西大学Raymond P.Cote[3]教授,美国RPP首席科学家兼Indigo产业生态研究中心主任Ernest Lowe[5]教授,以及Tibbs[7],Ehrenfeld[6],Allenby[8]和Gradel[9]等。通过理论研究和实践推广,他们认为建立“工业共生”是解决人类产业系统污染和提高环境资源配置效率的有效途径。在国内,生态工业系统的研究大多出现在介绍工业生态学和循环经济相关文章中,比较有代表性的学者有清华大学的钱易[10]、[11](2004,2005)、金涌、李有润、冯久田[12](2003),中国环境科学研究院的段宁[13]、[14]、[15](2001,2004)和王金南[16]、[17](2002)等,在他们关于工业生态学、循环经济和清洁生产以及废弃物处理的相关著作中都对工业生态园和工业共生网络的理念进行了介绍和评论,对我国生态工业共生建设具有重要的指导意义,也为我们对生态工业系统的研究奠定了基础。

从目前的研究来看,对资源环境约束强化的条件下的工业共生演化以及工业生态共生网络领域的研究还刚刚起步,学者们分别从不同视角尝试寻找解决办法,对产业共生的研究基本集中在以下几点:

(1)生态工业共生不仅仅是废弃物或者副产品的交换网络,还包括产业中实体单元之间技术、设备等资源的共享,以及产业实体单元间的相互信任、知识管理等。

(2)共生在不同空间分布形式下表现出不同的特征,比如从生态工业园的建设或者更大范围的空间布局相对分散的副产品循环网络。Deroschers[18](2000)指出,由于价值规律市场机制等经济因素的作用,生态工业园强调的闭路循环很难实现,而分散企业间的区域工业共生以及副产品交换是较易实现原料和排放物的减量化的。

(3)还有些学者从基于组织关系的角度,提出对工业共生关系不仅仅包含合作,同时还有竞争和淘汰,组织间有学习和创新。Boons和Baas[19](1997)指出,生态工业共生与生物界的共生的一个本质区别是进化的非自发性,即工业系统不像生态系统会自发地向着更高效率的目标进化,因而实现经济和环境的双赢必须对企业成员的组织关系进行管理。

表1.1 国内外工业生态学领域重大事件(1993~2005年)[46]

续表

国内外对生态工业系统的研究是伴随着工业生态学理论的发展而进行的,在环境和化工学界居多,尚未引起管理学界和经济学界足够的重视。目前的研究大多侧重于宏观政策和概念层面的介绍,对生态工业演化机制和演化路径研究不多,对于该领域所涉及的深层次问题的研究还刚刚起步,开始从概念、理论向应用实践和试验推进。

国内外一些专家学者对生态工业园区的研究可以分成几类:①生态工业园区的物质循环、能源传递和协同机制关系研究[48];②生态工业园区实施原则和策略研究[49];③生态工业园区的成员角色和相互关系研究[50];④生态工业园区的支撑机制研究[51];⑤生态工业园区的运作效率研究[52]。Lowenthal、Micah D.、Kastenberg、William E.[20]、Rechberger H.[21]、Graedel T.E.、Huesemann Michael H.[22]、Sieniutycz[23]、Stanislaw[23]等学者分别用熵理论对工业生态与能量系统、当代欧洲铜金属的循环、环境科学与技术的有效解决手段以及机械能的产生或消费与工业系统的热力学有限性等问题进行了探索。20世纪90年代末我国对工业生态工业园区系统的研究才被重视起来,鉴于国内外对工业生态理论的研究处于起步阶段,对生态工业园区系统所出现的自组织机理尚不清楚,特别是从系统多主体仿真和建模角度及系统演化角度来分析生态工业园区文献少之又少。

一直以来国内外专家学者对生态工业园区的建立和规划都进行了研究和探索。如丹麦在20世纪70年代建立的卡伦堡生态工业园就是最早的一个自组织的生态工业系统的实践,但事实上它并不是一个人们刻意设计的生态工业园区,它的自组织性和地域的特殊性使得别人难以模仿。1994年,美国总统可持续发展理事会指定了四个生态工业园区示范点:马里兰的巴尔的摩、弗吉尼亚的查尔斯角、得克萨斯的布朗斯维尔、田纳西的恰塔努加,这以后又有百余座生态工业园区诞生。美国的一些著名大学正在加紧生态工业的研究,麻省理工学院(MIT)于1997年在全美率先开设了工业生态学的课程,康奈尔大学还在2001年成立了美国国家生态工业发展研究中心。1998年9月耶鲁大学成立了生态工业学研究中心,合作伙伴包括了该校的相关院系和澳大利亚、荷兰等国家的有关科研机构。其他各国也积极地开展了生态工业园区的研究和开发,研究内容涵盖工业和环境管理项目,其战略基本都是招募与当前生态学配套的相关企业,特别是再循环与废物交易类公司,开发那些兼备利润、资源、效率、工业生态学和污染预防的工业设施,建立工业废弃物交流中心,改造旧的污染严重的地理区域(褐色土地开发)。

我国自1999年开始启动生态工业示范区建设试点工作,建立了一些生态工业示范园区,在园区中产业各环节实现了资源共享,变污染负效益为资源正效益。但事实上我国的生态工业园项目距离真正意义的生态工业园还很远。比如贵港生态工业园区中除了固体废物的循环利用外,能源和水的效率优化并没有真正纳入到该项目的建设中,而且关于利用自然生态特点消除环境负面影响的内容也没有纳入到项目的规划中。其他生态工业园区如广东省南海国家生态工业示范区、四川沱酒集团生态工业园、海南环保工业园等类似的项目正在进行并基本完成,大连、烟台天津的开发区也已经开展了生态化改造的实践。然而到目前为止,国内所有这些项目,或者是众多从事环保产品或绿色产品生产的企业的集合体,或者是以某个环保主题为主线的众多企业构成的企业社区,尚无一家国际上承认的真正意义上的生态工业园。2001 年4月清华大学化工科学与技术研究院成立过程工程与生态研究中心,率先在国内开展生态工业研究。中科院过程工业研究所开拓了绿色工业化学与清洁生产技术的研究新方向。东北大学正在展开冶金行业的工业生态学研究。中国科学院生态环境研究中心正在研究产业生态学。中国环境科学研究院也进行着生态工业园区的规划工作。在香山科学会议第198次学术讨论会中,李有润教授曾提出对生态工业系统自组织演化与复杂性研究,应用自适应复杂系统理论研究生态工业系统演化进程,以期探讨促进生态工业系统演化路径的机制。

对工业生态园区系统的研究主要集中在德国、加拿大、美国、日本等少数发达国家。为描述问题对象,我们先从国内外专家对生态工业园区系统的定义出发了解研究目标,下面是关于生态工业园区的一些定义。

美国RPP公司首席科学家、靛青(Indigo)发展研究所主任Ernest Lowe[24]教授对生态工业园下的定义为:一个生态工业园区是一个由制造业企业和服务业企业组成的群落,它通过在管理包括能源、水和材料这些基本要素在内的环境与资源方面的合作来实现生态环境与经济的双重优化和协调发展,最终使该企业群落寻求一种比每个公司优化个体表现就会实现的个体效益的总和还要大得多的群体效益。简言之,生态工业园区的目标就是要改善参与公司的经济表现,同时最大限度地减少其环境影响。在生态工业园区内,企业模仿自然界生态系统,相互之间存在协同和共生关系,将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响,最终达到工业可持续发展的目标。

Cote和Hall从生态工业园区的运作目标角度将生态工业园区定义为:“生态工业园区是一个工业系统,它保存着自然和经济资源;并减少生产、物质、能量、风险和处理的成本与责任;改善运作效率、质量、工人的健康和公共形象;而且它还提供由废物的利用和销售获利的机会。”[25](Cote R.P.和J.Hall,1995)

与此同时,Lowe、Moran和Holmes等学者也给出了生态工业园区的定义,他们强调生态工业园区内的合作机制,认为生态工业园区是制造业和服务业的共同体,通过环境与资源管理方面的合作,这些制造业和服务业追求增强环境和经济绩效(Performance)。产业共同体通过合作寻求集体利益,这一利益大于每个公司使其各自利益最优化时实现的利益总和[26](Lowe,E.Moran和D.Holmes,1995)。

1996年10月,美国可持续发展总统委员会主办了专题讨论会(Workshop),并同时提出了两个颇受关注的生态工业园区定义:

(1)为了高效地分享资源(信息、物资、水、能源、基础设施和自然居留地)而彼此合作且与地方社区合作的产业共同体,它导致经济和环境质量的改善和为产业与地方社区所用的人类资源的公平增加。

(2)有计划的物质和能量交换的工业系统,寻求能源和原材料消耗的最小化、废物产生的最小化,并力图建立可持续的经济、生态和社会关系。

美国环保局(EPA)给出的定义是:“生态工业园区是一种由制造业和服务业所组成的产业共同体,它们通过联合来共同地管理环境与物资流动(包括能量、水和资源),从而致力于提高环境与经济绩效。通过联合运作,产业共同体可以取得比单个企业通过个体的最优化所取得的效益之和更大的效益。”

1999年著名工业生态学家埃尔克曼在他的《工业生态学》一书中明确提出建立生态工业园区,并描述了生态工业园区的特征:“在一个园区中,各企业进行合作,以使资源得到最优化利用,特别是相互利用废料(一个企业的废料成为另一企业的原料)。”[27]

从2006年9月1日起,国家环保总局发布了生态工业园区标准,我国生态工业园区将依照3项标准进行建设、管理和验收:《综合类生态工业园区标准(试行)》、《行业类生态工业园区标准(试行)》和《静脉产业类生态工业园区标准(试行)》。《综合类生态工业园区标准(试行)》规定了国家级和省级综合类生态工业园区验收的基本条件和指标,由经济发展、物质减量与循环、污染控制和园区管理4部分组成,共21个指标;《行业类生态工业园区标准(试行)》规定了行业类生态工业园区验收的基本条件和指标,由经济发展、物质减量与循环、污染控制和园区管理4部分组成,共19个指标;《静脉产业类生态工业园区标准(试行)》规定了静脉产业类生态工业园区验收的基本条件和指标,由经济发展、资源循环与利用、污染控制和园区管理4部分组成,共20个指标。这3项标准对生态工业园区提出了基本要求:一是国家和地方有关法律、法规、制度及各项政策要得到有效贯彻执行,近3年内未发生重大污染事故或重大生态破坏事件;二是环境质量达到国家或地方规定的环境功能区环境质量标准,园区内企业污染物排放达标,污染物排放总量不超过总量控制指标;三是《生态工业园区建设规划》已通过国家环保总局组织的论证,并由当地人民政府或人大批准实施。

生态工业园区生态系统作为一种新型复杂人工生态系统,具有一般人工生态系统所没有的特点,从而导致传统的生态系统理论具有很大的不适应性,进而造成目前生态工业园区建设过程中没有系统的理论作为依据的局面。本书从生态工业园生态系统的特点出发,分析其结构和功能,运用复杂适应性系统理论,以演化建模的方式,从系统进化的角度阐释其演化机制,为生态工业园建设提供理论依据。

目前对生态工业系统的仿真建模方法的研究尚处起步阶段,很难找到一种普遍适用的建模方式和建模工具。从传统意义上来说,系统建模属于系统辨识技术范畴,即从现实系统到系统的概念逻辑模型,然后到系统模型的抽象过程。下面列举一些已经运用到生态工业这个复杂系统的建模方法:

(一)定性的系统建模方法

基于建立模型框架,对于参数采取定性处理(从一个定性的约束集和一个初始状态出发,预测系统未来行为)的方法。

(二)模糊仿真建模法

基于模糊数学,在建立模型框架的基础上,对于观察资料的不确定性,采用模糊数学的方法进行处理。

(三)归纳推理方法

基于黑箱概念,假设对系统结构一无所知,仅从系统的行为一级进行建模与仿真(同态模型),根据系统观测资料,生成系统定性行为模型,用于观测系统行为。

(四)因果分析法

基于人类思维中因果分析这一重要方式,人们在进行推理、判断周围世界的过程中,因果关系起着基础作用。从因果关系的分析角度上看这个方法大致分为两类:一类研究的是事物个体之间支配与被支配关系,即研究一种静态关系;另一类研究事物之间的一种必然联系,即研究一种动态过程。(www.guayunfan.com)

(五)定量的系统建模方法

定量的分析工具对于生态工业园区的设计、管理和发展具有十分重要的意义。目前文献中关于生态工业园区的定量分析方法有四种:投入产出分析、基于通用系统理论的复杂系统模拟分析、有界网络分析和确定性数学规划分析。

(六)从定性到定量的综合集成方法

从定性到定量的综合集成方法是为解决开放复杂巨系统问题和建模的一种方法,它由钱学森提出。方法的实质是将专家群体(各种有关专家)、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来,把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来综合集成。这个方法曾在中国财政补贴、价格、工资综合研究以及国民经济预测中应用,取得良好效果。

(七)系统动力学方法

系统动力学(S.D.)源于MIT的J.Forrester的工作,他于1961年发表了工业动力学一书,是这一领域中最早的著作。系统动力学基于信息反馈及系统稳定性的概念,认为物理系统中的动力学特性及反馈控制过程在复杂系统(如生物、生态、社会、经济)中同样存在。通过专家对复杂系统机理的研究,可以建立复杂系统的动力学模型,并通过计算机仿真去观察系统在外力作用下的变化。系统动力学曾应用于工业、城市、人口、世界资源及环境等系统的预测和政策研究,系统动力学仿真主要研究系统的变化趋势[28]、[29]、[30]

(八)基于主体(Agent)的仿真方法

基于主体的仿真方法是一种面向对象的仿真方法,可以直接模拟组成系统的主体,以及主体与主体之间的相互作用,从而研究系统的整体行为。它充分利用主体具有的自治性。使用框架结构可以灵活组合各种不同性质、不同构造的主体,以模仿人类对多样性、复杂性问题智能活动的适应能力。在基于主体的仿真中,个体的生命由其行为来表现,而行为是基于规则产生的,多主体仿真不仅考虑系统模型中定量的特性(数字参数),而且还考虑定性的特性(个体行为)。

经过比较分析,本项目选择以多主体的仿真建模方法为生态工业园区系统的演化机制进行建模,目前对基于多主体的仿真建模方法,也有不同的理论和方法论的支撑,考虑角度大致划分如下:

(一)人工生命(Artificial Life)

人工生命由C.Langton提出,1989年圣塔菲(SFI)召开了第一次人工生命研讨会。人工生命是一个建模和仿真程序,它产生一组事件,用以仿真生命进化过程,即适者生存、自然选择。人工生命对于生命(包括生命群体)的研究,采取了与一般生物学、还原论不同的方法。人工生命的观点认为,生命的特征不存在于单个物质之中,而存在于物质的组合及关联之中,在方法论上持整体论的观点。人工生命认为:复杂的行为会从简单的元素中突现出来。因此仿真生命的行为,就是仿真简单的系统元素,不是自上而下地规定其行为和目标,而是让其在关联的互动中自下而上地突现出其复杂行为。人工生命首次提出用计算机仿真来探索生命运动的法则,它将主体定义为“活的、有智慧的”生命体,在对主体定义了简单的规则以后,整个群体就会在计算机仿真中显现出一种自组织有生命的运动,从而观察其在一定时间运行以后所出现的“涌现”现象[31]、[32]、[33]

(二)布林网络(Boolean Network)

布林网络也称基因网络,它由S.Kanffman在20世纪60年代提出。其原理基于遗传回路和调节基因的遗传理论。遗传学研究发现,人类基因中存在着几百个基因,它们具有控制和调节其他基因活动的功能,这些基因组合成基因网络,类似一个复杂的反馈系统,它们之间不同的开关组合控制了基因的结构形式,从而达到某种结果。基因网络类似于一个基因调节系统。布林网络是唯一能描述大规模基因水平的基因网络,我们认为生态工业园区是一个从比较大的社会范围组建演化所形成的产业剩余物的食物链网,网中的节点为生态工业园区中的产业实体,在开始的时候这些节点散落在一个开放的环境中,随着不断进化,它们才逐渐形成一个个食物链,这些链的组合形成生态工业食物链网。

(三)元胞自动机(Cellular Automata)

元胞自动机(CA)源于20世纪40年代V.Nenmann和S.Ulam的工作。我们在进行多主体建模时往往使用元胞自动机理论将主体变得“活”起来。CA是一个由元胞(Cell)即可编程自动机组成的矩阵,矩阵可以是一维的,也可以是多维的,网络可以采取正交的网络设置方法,也可以采取其他的结构。CA用来仿真相互作用的元胞群体。元胞之间按照某种简单的规则进行交互。CA是一个离散动态系统,CA的基本属性包括:矩阵维数N、Cell的状态、相互交互的Cell的组合结构、一组定义Cell状态变化的规则,它根据相邻Cell的状态与其进行博弈以决定是否合作。用元胞自动机理念可以方便地为主体制定博弈规则,使其再现复杂系统的自组织演化和突现现象。

在生物学理论上,生态系统(Ecosystem)是英国生态学家A.G.Tansly (1954)最早提出的,它是指在一定的空间和一定的时间,由生物群落与其环境组成具有一定大小和结构的整体,其中各生物成长借助物质循环、能量流动、信息传递而相互联系、相互影响、相互依赖,形成具有自适应、自调节和自组织功能的复合体。

生态系统是一个在有机物体与物理、化学和生物环境之间,维系着一种动态和相互依赖关系,通过物种的共同进化,生态系统获得稳定机制和动态的、内部的平衡。借用生态学的原理,生态工业的目标是把生产系统、产品循环和自然生态系统、物质循环结合起来。肖忠东和孙林岩[34][44]对工业生态系统的描述是:“在一定范围内,由产业群落与其他非产业因素(如:有机或无机物质、能量、经济机制、环保政策、人文观念等)构成的一个互相作用、互相依存的一个生态型产业功能单元。在这种功能单元中,物质流、能量流、价值流等处于一种自我调节的、有序的稳定的状态。”

传统工业经济时代把经济生产看做是一个孤立的体系,只考虑经济效益的最大化,甚至简单归结为利润的最大化。这种片面的经济思维理念违反了自然规律。实际上,任何经济生产都要从自然界取得原料,并向自然界排除废物。循环经济就是把经济系统看成一个以生态系统为基础,以从生态系统中取得自然资源来支撑社会子系统、经济子系统等的发展。各系统之间互相作用、相互影响,取得动态平衡,以实现人、自然与科学技术相和谐的共同可持续发展目标。它是在人口、资源、环境、社会与科学技术的大系统中,研究符合客观规律的经济原则、均衡经济、社会和生态效益[45]

工业生态系统从生态学的角度将各产业实体进行了整合,通过工业剩余物食物链将前导产业、传递产业和末端产业连成一条链,各种链交叉链接形成食物网,该食物网有着其特殊的相关性和脆弱性。人们在研究生态工业系统时,常常运用产业经济学、生态经济学、绿色经济学、管理学以及循环经济理论来研究生态工业与循环经济问题,采用比较经济学分析生态工业发展模式选择,运用系统耦合原理研究生态工业机理,应用系统集成理论研究生态工业系统集成,通过制度经济学等研究生态工业体系支撑,从系统工程角度构建其运行体系。

生态工业园区系统就是若干个企业和企业集团内不同的子企业聚集在一定的区域(实际或虚拟的地域)内,依据生态工业原理模仿自然生态系统的结构,充分利用不同产业、项目或工艺流程之间,资源、主副产品或废物之间的横向耦合、纵向闭合、上下衔接、协同共生关系,运用现代化的工业技术、信息技术和经济措施优化配置组合,建立一个物质、能量多层利用、良性循环且转化效率高、经济效益与生态效益并存的工业食物立体循环链网结构,实现可持续发展的生产经营模式。

我们对生态工业园区系统研究的主要内容为:

(1)构建工业生物群落,寻求“恰当的”产业活动组合,重新组织产业联结,使生产中物流、能量流得到最优化利用。

(2)一个理想的工业生态系统可以由资源开采者或物质制造者、物质处理者(制造商)、剩余物排放者和消费者构成,通过集约和再循环,使系统内不同行为者之间的物质流远大于系统与环境之间的输入/输出物质流。

(3)根据能量守恒定律,进行工业代谢研究,分析构成工业活动全部物质的流动与储存,建立物质循环利用的联结,描述物质流动路线和产业个体的运行机制,揭示进行生态效益和经济效益兼顾的产业联结路径。

(4)对工业体系进行“生态结构重组”,把工业剩余物作为资源重新使用,封闭物质循环系统,尽量减少消耗性排放,产品与经济活动非物质化。

(5)改变现在的技术战略,根据“生态结构重组”的目标重新制定技术战略重点,即发展生态技术、改进工业体系,在经济社会中,资源和物质的最优化使用将是财富产生的源泉,因此应延长产品使用寿命以降低资源流动速度,集约使用物质以缩小资源流动规模。

本书是在深入分析生态工业园区的要素、结构和功能的基础上,运用生态工业经济和循环经济理念,探讨系统内外的能量流、物流、信息流运动,以和谐共生为主题,以减少工业剩余物为目的,建立基于复杂适应性系统的生态企业立体循环网络系统模型,建立生态工业园区这样一个立体循环网络系统的拓扑结构并加以分析。研究生态工业园区系统的管理策略理论和方法,分别在定性和定量以及定性和定量相结合的环境下建立生态工业园区系统的模型,通过计算机仿真分析其演化规律。同时还要展开对生态工业系统均衡性的评价,研究如何构筑这样一个立体的循环链网,分析一旦循环链网中节点遭到破坏或循环链网受到外界因素(如政策或市场)干扰,如何很快地从网络的其他端联结过来或从刺激中走出而形成一个新的平衡,建立一个新的动态生态经济均衡模型。

纵观国内在生态产业系统领域的研究,见诸报端的文章并不多,大多尚停留在国外研究成果的援引和介绍阶段,涉及生态工业剩余物交换网络演化过程中的中、微观层面十分稀少,目前的研究仅局限于少数科研院校,还没有引起广大学者和实际应用单位的足够重视。生态工业的理念出现不久,有些地方政府和企业盲目推崇模仿生态产业园,但不知道国际上的一些产业共生体实际是在特定情况下衍生的,很难直接运用于所有产业区域或大企业集团,缺乏与我国产业实际情况的紧密联系,经济效益、环境效益和绿色技术创新动力相结合问题难以解决。大量实践证明,事实并非如想象的那样:政府管理层只要颁布资源环境法规,树立一些生态产业示范典型,制定好清洁型企业定额就一定能建立起资源循环使用、能量生态链接的生态产业系统。生态工业园系统是一种联盟,而任何联盟活动都是处于一定的社会网络之中,其相互联系与行为构成生态工业园区系统内产业联盟的基础。因此,分析生态工业主体单元间协同合作关系、地域空间、社会政策环境等因素对生态工业园区系统竞争力的影响,研究生态工业演化及动因机制,致力推动将经济增长方式从粗放型向集约和效益并举型转变,为国家产业生态战略的实施提供基本思路和绿色路线指南,这是一项既有学术价值又有现实意义的工作。

同时在理论研究上,复杂系统的研究方法为生态工业园发展理论研究提供了一个新的角度,可以借助演化建模的方法对生态工业系统进行分析,也有可能促进复杂系统理论的发展,拓展复杂系统理论应用领域的范畴。

可见,适时进行生态工业园区的系统研究,对发展第三代工业园、进一步推动现有工业园区向生态化方向转型、不断提升园区的生态化水平,以及从总体上加速我国新型工业化进程、促进我国生态经济建设有着极大的必要性和紧迫性。

如何依据生态工业学原则、循环经济理论,运用复杂适应性系统理论科学方法模拟生态工业园区的演变,预演和解释政府管制政策调控和生态工业中复杂的系统关系,对于解决生态工业可持续发展面临的主要问题,进而实现社会经济的可持续发展具有重要的理论价值和实践意义。

建立一个均衡发展的生态工业系统的网状循环结构,以相互消耗企业剩余物为目的,在经济效益的约束下,完成动态的生态经济均衡模型,研究生态工业园区的演变规律(如果没有外部干扰,工业生态系统自身会稳定吗?如果能稳定,需要多久才能达到这种稳定系统,系统将会是什么样子呢?这种稳定化的本质是什么?代价如何?如果不能达到一种稳定的状态,是否会存在一个动态平衡的稳定状态?而这样的平衡能否在可靠技术的“定位”的帮助下达到)。分析市场波动及政府干预对园区的影响,建立更加完善的生态工业共生食物链循环系统,用可持续发展的理论促进生态产业系统均衡发展,为建立生态工业园区提供计算机仿真,通过调控生态工业园区的企业种类和规模,加强生态工业园区的自适应能力。

经济的飞速发展及工业活动的加剧将造成环境的日益恶化和资源枯竭,在经历了第一代工业开发园区、第二代高新产业开发区以后,为了寻求更和谐的经济发展模式,寻找先进技术与自然环境的协同发展道路,人们开始研究生态工业学理论以及生态工业学实践——生态工业园区(EIPs),这就是第三代工业园区的由来。生态工业园区的设计和规划需要更高的技术支撑和环境保障,如果搞不好可能危害性更大,需要人们谨慎为之,环境已经不容许我们进行任何更多的破坏行为,所以在建设生态工业园区之前,需要一些理论模型和仿真试验的指导。本研究以生态工业园区系统的演化为核心,围绕相互消耗产业剩余物展开,以园区企业对经济效益的最大化追求为约束,在政府管制的相应生态政策和经济政策指导下,研究生态工业园区系统产业实体相互关联的进化、关联分布形态的进化以及演化的动因。采取实验研究与规范研究相结合、定量分析与定性分析相结合、确定性和非确定性相结合的研究方法完成。针对国内外相关研究的薄弱环节,从一个比较中观的层面,分别在生态工业园区剩余物交换网络生成机理、生态工业园区系统网络运作模式和资源循环与管理等三个维度上开展研究。我们研究的思路是这样的:首先观察思考现实问题和现实现象,其次通过对实际问题进行总结归纳,经过抽象得到系统的逻辑概念模型,再将逻辑概念模型转换设计成系统模型,分别运用定量和定性的建模方法以及定性和定量相结合的复杂适应性系统建模理论进行建模,通过建立经济系统的计算机仿真模型对系统进行演化模拟,运行计算机仿真系统对系统进行训练,使系统更加贴近现实系统,最后转换为试验模型。针对生态工业园区系统的特殊性,遵循着这样一条逻辑思路:发现问题→分析问题→抽象问题→模拟问题→进行实验→解决问题。本书的主要研究内容和路径安排如图1.1所示:

图1.1 本书的技术路线

本书拟采用“理论研究、建模推理、系统开发、运行分析、实证演算”等五位一体的研究方法:

(1)理论研究。以“协调”替代“最优”为特征,综合运用产业生态学理论、多主体建模理论、博弈论、网络组织、系统工程、生态工业、人工生命、生态经济学、复杂性科学等有关方法进行尝试研究。

(2)建模推理。对生态工业园区系统进行逻辑抽象,在定量和定性建模研究的基础上,进一步建立定量和定性相结合的复杂适应性系统的建模方法,探求生态工业园区系统经济仿真的方法和实践。

(3)系统开发。考虑在Swarm经济仿真实验平台上研发基于多Agent的生态工业园区系统演化仿真软件,建立区域生态工业园区的系统仿真模型,并进行定性和定量相结合的分析。

(4)运行分析。运行仿真软件,研究外部环境以及公共政策因子(如市场波动、政府干预等)的刺激对所架构系统的影响。

(5)实例演算。