薛偉賢，鄭玉雯，王 迪

(西安理工大學 經濟與管理學院，陜西 西安 710054)

一、引言

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視社會主義生態(tài)文明建設，堅持綠色發(fā)展，把生態(tài)文明建設融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設各方面和全過程，加大生態(tài)環(huán)境保護力度，推動生態(tài)文明建設在重點突破中實現整體推進。生態(tài)文明作為國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略，要求在區(qū)域經濟發(fā)展的過程中應充分考慮生態(tài)環(huán)境的承載能力，基于循環(huán)經濟理念運用生態(tài)學模式完成工業(yè)生產過程，通過推進生態(tài)工業(yè)化的發(fā)展促進區(qū)域經濟實現良性可持續(xù)性的發(fā)展。生態(tài)工業(yè)園區(qū)不僅是生態(tài)工業(yè)化發(fā)展的具體載體和實踐形式，也是依據循環(huán)經濟原理設計的一種重要的新型工業(yè)組織形態(tài)。最早對生態(tài)工業(yè)園區(qū)作出定義的學者Cote、Hall(1995)從生態(tài)工業(yè)園區(qū)的運作目標角度將生態(tài)工業(yè)園區(qū)定義為：“生態(tài)工業(yè)園區(qū)是一個工業(yè)系統(tǒng)，它保存著自然和經濟資源，并減少生產、物質、能量、風險和處理的成本，改善運作效率、質量、工人的健康和公共形象，而且它還提供由廢物利用和銷售獲利的機會[1]。

黨的十九大報告明確提出，我們要建設的現代化是人與自然和諧共生的現代化，生態(tài)文明建設功在當代、利在千秋，建設生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略得到了進一步的實踐和落實，工業(yè)發(fā)展中的生態(tài)環(huán)境問題日益受到重視，逐漸成為與經濟發(fā)展同等重要的建設因素，工業(yè)園區(qū)的生態(tài)化模式是其主要實現方式。在新時代生態(tài)文明建設的背景下，生態(tài)園區(qū)的建設和發(fā)展對于推進生態(tài)文明發(fā)展具有重要意義。我國西部地區(qū)是“一帶一路”倡議與西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點區(qū)域，擁有豐富的自然資源，但是地區(qū)間的生態(tài)環(huán)境差異顯著，生態(tài)環(huán)境水平具有先天的脆弱性。西部地區(qū)在過去較長的一段時間內為迅速發(fā)展經濟以改變相對落后的經濟發(fā)展狀況過度利用資源，使得生態(tài)問題不斷凸顯，生態(tài)環(huán)境質量問題進一步加劇[2]。面臨資源與環(huán)境的雙重約束，西部地區(qū)迫切需要推進產業(yè)生態(tài)化，將傳統(tǒng)的“資源—產品—廢棄物”的經濟運行模式優(yōu)化為“資源—產品—廢棄物—再生資源”的循環(huán)再利用模式，遵循“3R”原則，促進產業(yè)共生的集約式發(fā)展[3]。

傳統(tǒng)的工業(yè)生產過程是以能源和原材料的大量消耗為基礎實現的，隨著現有工業(yè)企業(yè)規(guī)模的擴大，對能源和原材料的消耗量還在繼續(xù)上升，產生了大量的工業(yè)污染排放，其中最為典型的環(huán)境污染問題是工業(yè)污染排放所引起的溫室氣體效應，而且目前還呈現愈演愈烈的態(tài)勢，預計到2025年由于工業(yè)生產所消耗的自然資源總量將比目前提高22%左右(IPCC，2014)[4-5]。傳統(tǒng)的經濟增長模式忽視經濟生態(tài)系統(tǒng)間的物質、能源和信息的循環(huán)規(guī)律，即工業(yè)化過程中所形成的共生關系，從而致使從生產產品至廢棄物排放過程中的所產生的所有廢棄物的自凈能力達到飽和甚至超載的程度。實現的是原材料被投入各制造工藝過程及其生產環(huán)節(jié)并生產出產品，然后再實現廢棄物的處理。這種先消耗后處理的傳統(tǒng)模式在生態(tài)文明發(fā)展的要求下已經不適應于現代化工業(yè)生產過程中循環(huán)經濟的生產理念。應該在工業(yè)生產過程中有效實現一種更加一體化的生產模式，即工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，廢棄物的處理是作為一個中間過程存在于能量和物質消耗的循環(huán)過程當中[6]。在工業(yè)園區(qū)的生產過程中，無論是在工業(yè)生產運行中的石油煉制過程中所消耗的催化劑，還是發(fā)電過程產生的煤炭燃料等，在生產過程中都可以作為生產運行過程所使用的原材料，這一系列的生產過程都體現著循環(huán)經濟的思想。全球性資源枯竭使人類意識到，人類生存的基本條件是建立在對生態(tài)環(huán)境與自然資源的合理利用和保護的基礎上，否則必將帶來災難性的后果。

工業(yè)生態(tài)化的基本觀點是利用有限的自然資源模擬自然界生態(tài)物質自身交換的循環(huán)過程實現工業(yè)生產過程的循環(huán)發(fā)展[7]。目前，我國生態(tài)工業(yè)園的建設集中發(fā)展于東部地區(qū)，已經建成和在建過程中的生態(tài)工業(yè)園區(qū)總數量占全國總數的70%以上，同時，東部地區(qū)產業(yè)之間的協(xié)同發(fā)展效應越來越明顯，生態(tài)工業(yè)化的發(fā)展水平在穩(wěn)步上升。相比之下，中西部地區(qū)傳統(tǒng)產業(yè)很多，在實現產業(yè)間協(xié)同發(fā)展與產業(yè)共生的整體規(guī)劃方面還存在很多的困難和缺陷[8]。西部地區(qū)產業(yè)生態(tài)化建設還處于理論探索階段，目前雖已初步建設了少數產業(yè)合作示范區(qū)、生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)等多種形式的生態(tài)型工業(yè)園區(qū)，但是從整體發(fā)展情況上來看，生態(tài)化改造還處在較低水平階段，建設過程中存在技術瓶頸，產業(yè)鏈構建不合理，管理系統(tǒng)與保障機制不完善等問題。此外，雖然在工業(yè)發(fā)展過程中的某些生產環(huán)節(jié)實現了廢棄物的再次利用與再生產，但是還未真正實現大規(guī)模的產業(yè)共生。結合西部地區(qū)的建設現狀與生態(tài)發(fā)展現狀，實現產業(yè)生態(tài)化可以推進西部地區(qū)在工業(yè)生產過程中更好的實現物質、信息、能源的良性循環(huán)與高效率轉換，從而克服西部地區(qū)的資源與生態(tài)環(huán)境劣勢，實現經濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展的效益最大化。

目前已有多種解決方案與措施運用于工業(yè)系統(tǒng)中，旨在實現工業(yè)生產中的共生發(fā)展模式，以更清潔、綠色的生產方式對工業(yè)生產中的能源和物質資源進行利用，減少對資源的過度消耗和所帶來的環(huán)境污染問題。經合組織的最新研究報告《工業(yè)生態(tài)創(chuàng)新，促進系統(tǒng)增長》中，也指出工業(yè)生態(tài)創(chuàng)新系統(tǒng)可以通過創(chuàng)新發(fā)展的組織和過程管理模式，并通過實現技術創(chuàng)新應對可能帶來的工業(yè)污染問題，實現“綠色增長”，目前很多學者通過實踐調研的方式對工業(yè)生產過程進行實踐探索性的研究，發(fā)現實現工業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的一個重要領域是從生產過程的源頭上解決工業(yè)領域的能源和材料的過度消耗問題，從工業(yè)生產的源頭解決可能帶來的工業(yè)污染。一方面，通過新技術以及新的工業(yè)生產工藝對資源和能源進行有效配置與合理運用；另一方面，將生產過程中產生的廢棄物通過先進技術處理作為下一輪生產的原材料以實現循環(huán)利用。一些學者在研究探索的過程中，逐漸認識到通過模擬自然生態(tài)系統(tǒng)的物質能量循環(huán)，并通過循環(huán)利用的原理和實現手段將產業(yè)系統(tǒng)設計成為循環(huán)利用模式，相對閉合的能量和物質的自凈循環(huán)系統(tǒng)可以實現在維護生態(tài)平衡的基礎上塑造產業(yè)共生的循環(huán)系統(tǒng)，從而將人類的生產與消費方式約束在生態(tài)系統(tǒng)承載力所能承受的范圍之內。設計的總體思路是：將工業(yè)系統(tǒng)網絡模擬為物質和能量代謝的工業(yè)“食物鏈”，從而實現遵循循環(huán)經濟的原則，基本方式是減少能源和材料的消耗，降低工業(yè)生產成本，這一轉換的實現過程可以在位于同一地理區(qū)域或者同一區(qū)域范圍內的工業(yè)園區(qū)內的不同企業(yè)之間進行。處于共生關系中的生態(tài)工業(yè)園提供系統(tǒng)性的平臺，使得通過園區(qū)企業(yè)之間的共生合作使得園區(qū)整體的生態(tài)效益顯著大于各工業(yè)企業(yè)效益之和[9]，工業(yè)園區(qū)的這一平臺使得企業(yè)對能源和材料的消耗效率最大化。然而，生態(tài)工業(yè)園內企業(yè)之間工業(yè)系統(tǒng)之間的互聯是一個復雜的工程系統(tǒng)，基于優(yōu)化設計的視角來破解這一難題，從能源、材料的消耗與再利用設計的根源解決問題，是最佳的實現方案。近幾年，國內外較為成熟的生態(tài)工業(yè)園區(qū)都建立了有效的智能電網實現熱電轉換降低電力運行成本。隨著智能電網(SG)這一理念的出現，通過智能電網對電力傳輸的合理分配和企業(yè)間電網傳輸的有效匹配方案，不僅實現了操作的智能化，電力資源分配的合理化，以及電力用戶之間的智能互聯，更是一種生態(tài)工業(yè)化理念被廣泛應用的體現。本研究不拘泥于先前研究中僅基于簡單的工程優(yōu)化視角從單一生產過程環(huán)節(jié)中對西部地區(qū)工業(yè)園區(qū)進行優(yōu)化設計，而是以對智能電網(SG)的實現過程為例，“定制性”地提出了EIP工業(yè)互聯系統(tǒng)設計建模方案與優(yōu)化框架，從而確保園區(qū)優(yōu)化設計的可持續(xù)性和穩(wěn)定性，同時，在優(yōu)化設計的過程中充分考慮到可能產生的不確定性風險。

二、生態(tài)工業(yè)園優(yōu)化設計研究進展

(一)生態(tài)工業(yè)園的出現與發(fā)展

隨著工業(yè)生態(tài)學理論的發(fā)展，基于工業(yè)共生理念的物質資源循環(huán)利用模式受到國內外學者越來越多的關注，并在世界各國工業(yè)共生和物質循環(huán)利用建設中迅速推進，開拓了工業(yè)生態(tài)學領域的新視野。

生態(tài)工業(yè)園區(qū)(Eco Industrial Parks，EIPs)的概念由國外學者Ernest Lowe(1992)最早提出[10]。其功能體現在生態(tài)工業(yè)園區(qū)內企業(yè)間實現廢棄物與原材料之間逐級循環(huán)利用，通過基礎設施與能源、資源等的共享實現工業(yè)園區(qū)內經濟利益與環(huán)境利益多贏。隨著對生態(tài)工業(yè)園區(qū)研究的深入，近年來，一些學者對生態(tài)工業(yè)園區(qū)賦予了更具有創(chuàng)新性的認識，即除了實現基本的資源、能量、物質的共享，還應該包括“知識、信息、技術的交流”，認為這些新的構成要素所產生的效應是園區(qū)未來實現創(chuàng)新發(fā)展的內生動力。事實上，生態(tài)工業(yè)園是由一般性的傳統(tǒng)產業(yè)園區(qū)衍生發(fā)展而來的，與一般的產業(yè)園區(qū)相比，EIP的優(yōu)勢在于園區(qū)內部的資源得以合理共享，從而更加合理有效地對人力資源和物質資源進行配置，產業(yè)生態(tài)化的發(fā)展體系與發(fā)展模式，是通過單一產業(yè)內部的企業(yè)之間、產業(yè)與相關聯產業(yè)之間、產業(yè)與環(huán)境之間的良性循環(huán)發(fā)展，實現產業(yè)與環(huán)境構成的有機系統(tǒng)之間的循環(huán)互動，是一種最為基本的共生模式，見圖1。

生態(tài)工業(yè)園區(qū)目前已經成為全球范圍內各國工業(yè)園區(qū)發(fā)展的目標和產業(yè)集群未來演進的主要方向。目前，一些發(fā)達國家在產業(yè)共生和清潔生產領域先試先行，在生態(tài)產業(yè)鏈網的構建、園區(qū)生態(tài)管理、循環(huán)經濟技術創(chuàng)新以及意識形態(tài)方面實現公共參與等各個方面積累了豐富的經驗，生態(tài)工業(yè)化的發(fā)展模式已經得以廣泛應用并已經初顯成效。直至20世紀90年代末，生態(tài)工業(yè)園區(qū)的理念才進入我國，自從這一理念出現就引起了國內學者的重視，國內學者也展開了理論研究與實踐調研，我國也開始逐漸在一些發(fā)達地區(qū)進行了生態(tài)工業(yè)園區(qū)的實踐，從魯北生態(tài)工業(yè)模式開始、廣東南海生態(tài)工業(yè)園區(qū)的建設、至新疆石河子工業(yè)園區(qū)的啟動，多項實踐表明生態(tài)工業(yè)之路在我國將越走越遠，逐漸成為我國各類園區(qū)發(fā)展的主導方向。

伴隨著我國工業(yè)園區(qū)建設的全面推進，截至2017年底，我國政府已經認定批復了37個國家級生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，此外，71個園區(qū)處于待批復狀態(tài)，并且已經通過規(guī)劃論證，正在向創(chuàng)建國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)的方向努力建設，見圖2?！笆糯蟆睂⑸鷳B(tài)文明建設提升到了前所未有的高度，目前，中央全面深化改革領導小組會議審議通過的生態(tài)文明建設的相關文件超過20個。此外，在2015年底至2017年9月期間，中央環(huán)保督察覆蓋全國31個省份，超過1.5萬人被問責。中國儼然已開啟生態(tài)文明建設的新時代作為生態(tài)文明在工業(yè)領域的重要實踐形式，全方位推進園區(qū)的綠色、低碳和循環(huán)發(fā)展。

圖1(a) 產業(yè)生態(tài)化發(fā)展體系

圖1(b) 產業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式

自從2013年以來，中央政府出臺了若干生態(tài)文明建設發(fā)展的規(guī)劃?！蛾P于加快推進生態(tài)文明建設的意見》、《大氣污染防治行動計劃》、《水污染防治行動計劃》、《循環(huán)經濟發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計劃》、《中國制造2025》、《國務院辦公廳關于促進國家級經濟技術開發(fā)區(qū)轉型升級創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》等一系列重要文件中，均明確指出園區(qū)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的核心理念，凸顯了園區(qū)綠色、低碳、循環(huán)的發(fā)展理念對中國加快經濟發(fā)展方式轉變，建設資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會的重要性。生態(tài)工業(yè)園區(qū)的實現宗旨主要體現在系統(tǒng)性、協(xié)調性、環(huán)境、資源、效率和合作等方面，目標是建立一個“仿真”的自然共生系統(tǒng)，真正實現園區(qū)內工業(yè)生產過程中的“共生”發(fā)展模式[11]。

表1 中國工業(yè)園區(qū)的主要類型

資料來源：國家各開發(fā)區(qū)門戶網站

(二)基于循環(huán)經濟理論的生態(tài)工業(yè)園區(qū)優(yōu)化方法

基于循環(huán)經濟的生態(tài)工業(yè)園區(qū)發(fā)展模式是一個系統(tǒng)性的發(fā)展過程，它以循環(huán)經濟的思想為指導，以產業(yè)循環(huán)體系，基礎設施循環(huán)體系，消費循環(huán)體系和生態(tài)循環(huán)體系為抓手。注重各體系的相互依存和相互作用，把生態(tài)工業(yè)園的發(fā)展置身于區(qū)域的整體發(fā)展中，在綜合有效配置生態(tài)工業(yè)園的內部資源和能源、并實現對能源與資源合理利用的基礎上，致力于解決工業(yè)生產過程中內部系統(tǒng)運行中產生的廢棄物與外部系統(tǒng)之間的循環(huán)利用。

生態(tài)工業(yè)園區(qū)優(yōu)化的目標是通過將園區(qū)內的企業(yè)生產過程進行合理有效的組合，實現最為優(yōu)化的網絡化模式配置方案，即如何實現物質和能量在系統(tǒng)中實現有效循環(huán)往復的能量交換過程，同時兼顧到針對園區(qū)內企業(yè)的具體操作實施方案。配給能源與原材料的企業(yè)個體數量決定了設計的目標，比如針對園區(qū)這一復雜系統(tǒng)內企業(yè)的數量和發(fā)展模式設定具體的經濟和環(huán)境指標，兼顧企業(yè)之間得以“共生”的約束條件，比如企業(yè)個體(IA)的地理位置和企業(yè)自身所具備的條件等。就目前的研究現狀來看，現有研究主要集中于EIP多目標優(yōu)化進展，比較典型的案例有：對工業(yè)用水的循環(huán)利用[12-14]，廢棄物的循環(huán)利用，企業(yè)間能量流動和物質交換[15]。此外，一些學者較早開發(fā)的工業(yè)過程設計方案和集成解決方案可以實現EIP中個體企業(yè)間最佳的協(xié)同生產效應，也已經得到了較為廣泛的應用。還有學者提出了有效實現工業(yè)系統(tǒng)中資源最優(yōu)的轉換途徑——電信設備制造商，目前在工業(yè)園區(qū)的優(yōu)化設計方面，這一類研究較為成熟，得到了國內外不少工業(yè)園區(qū)的廣泛應用，并已經取得了較好的經濟效益和環(huán)境效益，如表2所示。

目前最為廣泛使用的優(yōu)化方法是基于關鍵影響因素的優(yōu)化模型構建，比如基于模擬園區(qū)內IA在不同目標下生產過程中生產工序、產品、產生的廢棄物轉移的流向和數量，使園區(qū)內的能源消耗與流轉達到最佳整合的狀態(tài)，特殊情況下，還需要考慮到能源的流轉質量和企業(yè)網絡所產生的拓撲約束[16]。然而，工業(yè)系統(tǒng)模型的差別程度可能相差很大，優(yōu)化方法主要可以分為兩類：一類是綜合考慮能源、材料、工藝、技術、設備等要素，IA之間僅存在基礎物質條件之間聯系，通過IA之間的流轉和中間節(jié)點的位置和數量對兩個空間維度的變量進行建模；另一類方法則是綜合衡量能量、材料的輸送和轉化、不同企業(yè)之間的技術特征和能源、材料、技術相互轉化的種類、轉化效率，技術的投資成本，利用率等要素，需要建立多維度的優(yōu)化模型實現。

(三)生態(tài)工業(yè)園的優(yōu)化類型

通過對工業(yè)園區(qū)優(yōu)化設計方法的分析，確定三類主要優(yōu)化問題，分別為：全局最優(yōu)與局部最優(yōu)、優(yōu)化目標和操作的不確定性。下面將對三種優(yōu)化類型進行詳細的說明：

1.全局對局部支配最優(yōu)方案

以全局對局部支配是一種目標驅動的設計方案，這一方案通常應用于制定全球性戰(zhàn)略企業(yè)資源管理系統(tǒng)。驅動設計過程的目標通常是由處于全球企業(yè)系統(tǒng)中最高一級的企業(yè)信息系統(tǒng)中制定?；谶@一方案的決策方法通常是優(yōu)先考慮到實現全局優(yōu)化目標，而忽略區(qū)域內IA間地理位置的相互關聯。此外，也有學者提出了可以執(zhí)行主從優(yōu)化，主從優(yōu)化的實施方案首先實現滿足局部目標的要求，其次再對系統(tǒng)內的下一級目標進行優(yōu)化，求解約束條件下的主導個體的優(yōu)化問題。然而，這一目標的制定主要是考慮到企業(yè)個體間技術實現互聯互通的可行性目標，而不是每個IA個體單獨的目標，作為全局系統(tǒng)中單一個體，生態(tài)工業(yè)園的設計過程需要更強大的“平衡”分布模式，同時兼顧IA個體的發(fā)展愿景。

2.經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)同最優(yōu)化目標數量有限方案

第二類優(yōu)化方法是從經典的物質能量交換過程方法的角度處理能源、材料的集成問題。一方面，基于對優(yōu)化后結果的考量，實現優(yōu)化后技術關聯的可行性和有效性；另一方面，基于系統(tǒng)的復雜性，只將經濟與環(huán)境作為系統(tǒng)中衡量要素，忽略其他要素的影響。盡管第一類的建模復雜性較低，類似于簡單的幾何優(yōu)化問題，尋找優(yōu)化目標，以保持經濟增長和生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化為目標導向。但是，這一類優(yōu)化問題需要綜合權衡能源供應商和消費者的客觀需求，在設計階段必須考慮到諸如資源供應短缺風險這樣的目標函數。此外，企業(yè)資源中心需要創(chuàng)建多個網絡化的能源和物質交換中心，在設計階段，必須權衡網絡效率和網絡脆弱性、網絡功能等多方面的網絡結構性能。

3.系統(tǒng)操作的不確定性方案

在忽略操作不確定性的前提下，設計進行優(yōu)化的過程中，IA及其相關企業(yè)被假設存在于統(tǒng)一的發(fā)展環(huán)境。此外，我們在研究中忽略工業(yè)生產環(huán)節(jié)可能存在操作過程中的問題和故障?？紤]到合作及非合作博弈環(huán)境下，對相關企業(yè)信息EIP網絡分析可以揭示風險帶來的不確定性因素有兩點，即IA之間的互連故障與IA退出關聯網絡系統(tǒng)，這兩點不確定性會導致系統(tǒng)整體性能嚴重衰退，需要后續(xù)環(huán)節(jié)追加投入來平衡網絡性能的退化。

表2 國外典型EIP發(fā)展現狀

資料來源：根據文獻資料整理

表3 設計與優(yōu)化方法的分類

注：依據數學模型的復雜性和目標函數的數量分類，a雙水平優(yōu)化問題，主從優(yōu)化；b鏈接/連接數被認為是一個等式約束；c多目標加權優(yōu)化；d基于合作與非合作博弈的幾種網絡基礎設施運營模式比較

三、有效推進生態(tài)工業(yè)園優(yōu)化設計的思路

一帶一路倡議使向西開放戰(zhàn)略進入了以內陸開放為趨勢的深度推進階段，產業(yè)的外向型發(fā)展是西部地區(qū)經濟外部要求和內在能力綜合作用的趨勢。過去西部地區(qū)的高技術產業(yè)受到區(qū)位地理、要素稟賦、貿易自由化程度、市場潛力、經濟規(guī)模及政治傾斜等因素的制約[17]。因此基于經濟社會可持續(xù)發(fā)展的理念出發(fā)，西部地區(qū)工業(yè)園區(qū)生態(tài)化推進的總體思路是：樹立“社會層面?zhèn)戎鼗厥赵偕?，園區(qū)層面?zhèn)戎丶晒蚕?，企業(yè)層面?zhèn)戎鼐G色制造，產品層面?zhèn)戎鼐G色消費”的生態(tài)化導向，不僅實現園區(qū)內的生態(tài)小循環(huán)，而且要實現區(qū)域間的生態(tài)大循環(huán)，形成基于園區(qū)的內循環(huán)和基于園區(qū)的外循環(huán)的“兩大閉路資源循環(huán)系統(tǒng)”[18]。按照當前工業(yè)區(qū)的建設狀態(tài)和園區(qū)企業(yè)間產業(yè)關聯程度的不同，工業(yè)園區(qū)的生態(tài)化建設可以按以下不同類型特征實現有效推進，見圖3。

本研究的優(yōu)化設計思路不拘泥于傳統(tǒng)對生產過程進行局部優(yōu)化的研究視角，以生態(tài)工業(yè)園為一個整體的復雜工程系統(tǒng)，探索其結構和行為復雜性等特點，以生態(tài)化的系統(tǒng)循環(huán)層面為研究對象，對生態(tài)工業(yè)園這一復雜工業(yè)系統(tǒng)進行優(yōu)化設計研究。

(一)生態(tài)工業(yè)園區(qū)的特點與核心功能

為了能夠清晰地解析生態(tài)工業(yè)園建設是基于循環(huán)經濟這一理念的設計思路，我們以當前國內外生態(tài)工業(yè)園區(qū)內工業(yè)系統(tǒng)中多數企業(yè)廣泛使用的較為成熟的項目——熱能與電力的轉換系統(tǒng)為例進行解析，以工業(yè)園區(qū)中熱電轉換過程為例，簡要解析熱電轉換實現能量循環(huán)利用的過程。

圖3 工業(yè)生態(tài)化的各子系統(tǒng)循環(huán)實現層面

圖4 基于循環(huán)經濟的工業(yè)園區(qū)建設系統(tǒng)

對于處于共生關系中的兩個利益相關者，從原材料到最終產品的轉化，存在相關利益企業(yè)之間的能源交換，最終產品的制造與能源/材料的輔助產出相關聯。投入和產出可分別看作是利益相關企業(yè)之間能源/材料的來源。其特殊性體現在第三方(企業(yè))的可能參與，主要職能是負責能源/物質交換基礎設施的運作和維護。此外，利益相關企業(yè)之間基礎設施平臺和轉換單元也需要必要的維護，由園區(qū)內的基礎設施運營商來進行維護[19]，見圖5。

(二)實現產業(yè)共生是生態(tài)工業(yè)園的核心理念

生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的設計理念來自于自然與生物系統(tǒng)中的“共生”，是將自然界中生物間和諧共同棲息的普遍性自然規(guī)律運用于工業(yè)系統(tǒng)中。生物術語“共生”這一理念當前已被廣泛運用在工程系統(tǒng)的研究當中。在工程領域中共生這一理念體現為合作，例如，從IA基礎設施和資源的共享使用，以創(chuàng)造系統(tǒng)內部要素之間的相互聯系，基于這一研究視角，“共生”在生態(tài)工業(yè)園區(qū)主要以兩種形式存在：

(1)創(chuàng)建以共生為理念的工業(yè)園區(qū)，以提高同一地理區(qū)域生產活動的集聚特性，實現多樣化的最終產品組合和優(yōu)化生產鏈。

(2)EIP可以基于IA各個核心企業(yè)之間的能量和物質交流，這種類型的合作交流主要是基于各個IA個體之間的生產協(xié)作關系，這一協(xié)作共生關系同樣符合原始生物體實現共生的內涵。

(三)生態(tài)工業(yè)園內產業(yè)復雜性特征

生態(tài)工業(yè)園區(qū)是通過建立生產者和消費者之間的能量和物質系統(tǒng)循環(huán)網絡而實現，在生態(tài)工業(yè)園區(qū)所具備的特征當中，復雜性特征是其所具備的最顯著特征之一。任何一個生態(tài)工業(yè)園區(qū)都離不開電力能源的利用，目前工業(yè)園區(qū)中的電力網絡系統(tǒng)中，智能電網(SG)這一理念的出現，優(yōu)化了生產過程中電力能源在企業(yè)間的配置方案。SG被稱為是“智能電網的信息中樞”，這一電力優(yōu)化方案能夠廣泛吸納新技術，包括尖端的電力測算技術、傳輸技術，配置與電力存儲技術，最大限度地為企業(yè)和電力供應商提供具有最強時效性的信息，使電力使用分配過程具有靈活性。

作為復雜的工程系統(tǒng)，SG得益于復雜工程所涉及到的運營過程中的設計理念，探索性地實現了對工業(yè)園區(qū)的設計和運營領域。主要的挑戰(zhàn)是在SG設計中如何實現對現有電網的不同分布布局和不同的發(fā)電技術進行相關聯的配置；難點是SG與工業(yè)信息系統(tǒng)分別具有高度獨立性。如何在不相互關聯的系統(tǒng)之間建立一致性的管理與控制系統(tǒng)，基于生態(tài)工業(yè)園的設計和SG系統(tǒng)的優(yōu)化設計具有相似的復雜性特征，如自適應學習特性、進化和自組織特性，這些一致性的特征能夠確保園區(qū)在一定范圍內的不確定性操作條件下，對存在的技術瓶頸進行優(yōu)化設計。

圖5 能量/材料轉換過程的集成

圖6 產業(yè)共生系統(tǒng)能量與物質流

四、生態(tài)工業(yè)園區(qū)優(yōu)化設計建模

對于企業(yè)之間相互存在關聯的工業(yè)系統(tǒng)，在設計過程中忽略能量物質轉化過程中的物理現象，用數學模型表現結構之間的相互關系。數學模型有助于大大減少結構分析計算過程中的復雜性問題，是實現穩(wěn)定、可實現的優(yōu)化以及解決實現優(yōu)化框架的不確定性和一體化的基礎條件?；谶@樣的分析手段，通過抽象化的數學模型，不僅要表現未來的生態(tài)工業(yè)園或企業(yè)(工業(yè)廠房和制造品)要素之間的運營模式，同時還要能夠表示企業(yè)之間轉換和科技信息資源的流轉或能源、材料的實現過程[20]。

(一)IA操作

用抽象的數學模型替代工業(yè)系統(tǒng)中要素之間的關聯關系，忽略原材料和所消耗能源流轉過程中所產生的物理特征分析工業(yè)系統(tǒng)的運行特征。抽象化的數學模型有助于大大減小計算過程中的復雜性，這是最基本的優(yōu)化設計實現手段?？紤]到優(yōu)化框架的不確定性，抽象模型可以被有效地用來代表未來的生態(tài)工業(yè)園區(qū)節(jié)點或IA(工業(yè)工廠和制造業(yè))之間的關聯性問題，也可以表征IA之間能源/材料的流轉和技術的轉移。從用抽象數學模型表征工業(yè)園區(qū)之間IA關聯特性的案例我們可以得到一些啟發(fā)：一方面，這些抽象模型必須能夠清晰的表達要素之間的關聯性特征，以降低IA及其互聯的復雜性；另一方面，所建立的抽象模型必須是代表性的，通過前瞻性的研究預測未來發(fā)展的演進趨勢，將能源和原材料物質之間通過關聯網絡互聯起來。為此，不考慮IA自身內部運行過程，將IA作為實現過程中的“黑箱”進行表示。將其進行形式化的表達，這些“黑箱”接收輸入流并拒絕輸出流，通過這樣的方式分為兩組，第一組是與生產/制造過程相關的流程，例如，在燃煤電廠中，輸入流是煤，輸出是電，僅存在輸入和輸出兩種狀態(tài)；第二組則包括轉換/制造過程所需的所有額外輸入的干預?；谶@樣的觀點，以熱電轉換過程為例，在燃煤發(fā)電廠將煤轉化為電能，需要額外的水和能源投入，在這種轉化過程中還伴隨著氣態(tài)(如溫室氣體排放)、液體(例如廢水)和固體(如灰燼)排放物的輔助輸出。

表4 復雜系統(tǒng)特征

表5 生態(tài)工業(yè)園設計的優(yōu)化問題

顯而易見的是，系統(tǒng)中輸入與輸出的數量受IA操作模式(例如，最終產品或“配方”類型)和投入產出能力(或生產能力)的制約?；诖耍琁A生產能力的提高會引起由IA制造的最終產品生產量的增加。因此，增加額外的投入需求，將會產生更多的輔助性輸出物質。IA操作模式的改變也可以修正所需輸入量和產出的輸出量。

圖7 工業(yè)企業(yè)輸入、輸出能量和物質流的示意圖

基于對輸入與輸出的分析，采用通用的IA操作在園區(qū)的一般形式：

(1)

(2)

(3)

在公式(1)中，T是所生產的最終產品和原材料消耗量，代表IA的生產能力或者為IA生產的最終產品；T是在時間t的終端產品生產速度，SK和SC是額外的輸入和輔助輸出。需要注意的是，能量/物質輸入和輸出的數量也可以依賴于IA操作模式。

考慮到IA輸入與輸出量的差異，每個IA旨在增加的收入都在公式(4)中設定，假定庫存成本、產品運輸、操作模式變更成本和短缺成本不考慮在內：

則：R=EPe,m,t.γm,t-ECe,m,t.γm,t-EDe,m′,t.αm′.t-EGe,m′,t.βm′,t

(4)

原料轉換過程所需的一些額外投入可由其個體的消耗所產生，例如，煉油廠將油氣燃料輸送到服務平臺系統(tǒng)中，產生低、中、高壓三個不同層級的蒸汽并發(fā)電。在這種閉環(huán)的情況下(即不需要外部資源來產生額外的輸入)，額外輸入m、t的價格可以被認為為零。

通過使用IA這樣的抽象模型，可以對IA最終產品需求進行分析，它定義了所需能量和輸出能量，以及輸入與輸出材料的數量。在這個模型中，最終產品的需求與其價格通常是高度相關的，價格隨著季節(jié)和需求的變化而變化。此外，所提出的抽象模型可以很容易地用于動態(tài)建模的IA操作內的企業(yè)信息門戶，以驗證相關企業(yè)間共生動態(tài)變化模式下的實現效率。

即使IA被看作為“EIP設計實現的黑箱”，EIP內部結構實現過程，對其數學模型的開發(fā)和相關參數的標定是具有要求的，特別是通過參數量化終端產品、流程之間的依賴關系的生產原材料，水和生產資源。操作程序或供應鏈是一個復雜的過程。目前主要通過供應鏈的優(yōu)化或提高流轉的效率實現。

以國內東部地區(qū)某一典型的生態(tài)工業(yè)園區(qū)中企業(yè)中煉油過程為例進行說明，將煉油系統(tǒng)簡化配置，可分為工藝系統(tǒng)和公共平臺系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)中旨在為生產最終產品提供燃料，如石油氣、汽油、柴油和一些副產品，一方面，這些燃料被統(tǒng)一配給供給到公共臺系統(tǒng)作為燃料，在燃料使用的過程中產生低壓蒸汽和電力。所產生的蒸汽和電是由原料、原油、轉化等工藝系統(tǒng)使用的。另一方面，煉油廠通常與電力公司簽訂貿易合同，以平衡供給園區(qū)內部企業(yè)之間的電力需求，并在公共平臺系統(tǒng)產生電力過剩時，將電力盈余出售給電網，見圖8(c)。

為了簡化實現過程，只有煉油系統(tǒng)被認為需要額外的原油轉化投入，例如蒸汽、電力和水，并輔助性的排放產出，例如溫室氣體排放和廢水的排放。輸入和輸出的數量取決于操作模式和轉換效率，由操作部門根據最終產品需求決定。

(二)操作預測和環(huán)境條件

在一些特殊的操作環(huán)境和條件下，EIP將操作的識別過程作為一個重要的研究內容。一方面，OEC可以通過調節(jié)環(huán)境，實現環(huán)境的顯著性變化刺激附加值的創(chuàng)造及新業(yè)務的開發(fā)；另一方面，伴隨著經營行為相關的不確定性，OEC的波動會導致EIP產生缺陷，在這樣的狀態(tài)下需要進行預測與防范。

此外，不確定性因素決定了不同IA的運作情景的不同影響。例如，碳稅的變化情況對某些IA的營業(yè)收入有相當大的影響，可能會迫使IA工業(yè)部門采取一系列提高經濟效率的手段，如在能源生產方面提高電價，園區(qū)內的其他企業(yè)實現電力供應的自給自足。

(三)工業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化

綜合上述分析，優(yōu)化方法的設計理念主要體現為實現工業(yè)園區(qū)系統(tǒng)設定的整體目標，例如盡可能的減少總投資成本、運營成本或對生態(tài)環(huán)境帶來的影響等?；谶@一總體優(yōu)化理念，為實現生態(tài)工業(yè)園區(qū)的總體目標，園區(qū)內單一企業(yè)的目標可能會被忽略。因此，用于生態(tài)工業(yè)園優(yōu)化設計方法必須將每個工業(yè)企業(yè)視為擁有自己目標的個體行動者，園區(qū)內的每一企業(yè)都將個體視為園區(qū)內積極的行動者，實現共生的發(fā)展模式。

基于生態(tài)學的共生理論，生態(tài)工業(yè)園也存在幾種典型的共生關系：

圖8

表6 能量在生產過程中的分配

資料來源：根據調研生態(tài)工業(yè)園區(qū)中企業(yè)獲得

表7 提煉石油所消耗的熱力資源

資料來源：根據調研生態(tài)工業(yè)園區(qū)中企業(yè)獲得

表8 生產過程中水的凈化獲取

aGC=一般消費

b鍋爐用水=去離子水，新鮮的水=地下水出水=流動水源

圖9 煉油廠水平衡示意圖

1.互利共生，考慮到單個IA個體參與共生的直接或間接的效益；

2.共棲，單獨企業(yè)具有典型性，受益于共生單元；

3.寄生性，以園區(qū)中單獨企業(yè)的相互作用為特征，相互之間具有較強的適應性。

此外，一方面，在目前的工業(yè)系統(tǒng)設計優(yōu)化研究中，大多數研究是通過企業(yè)的生命周期考慮園區(qū)的設計要素，缺乏對生態(tài)工業(yè)園區(qū)不確定性和風險的考慮；另一方面，另一不確定因素是能量和物質交換控制的管理程序。事實上，EIP網絡操作不同于能源/材料轉換過程集成于傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)操作，有一個或一組核心業(yè)務。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產過程中，工業(yè)企業(yè)的生產過程有相同的生產周期，因此，所有相關的參數和要求都具有“共性”，事實上，在現有的工業(yè)能源/材料流轉環(huán)節(jié)主要是依托生產過程之間消耗與原料的轉化方式。

針對上述問題，提出了更為有效的優(yōu)化框架。這種優(yōu)化框架可以通過關鍵績效指標(KPI)的評價實現園區(qū)的共同目標。這一優(yōu)化框架分為兩個部分，包括EIP拓撲優(yōu)化和園區(qū)的運行優(yōu)化。每個環(huán)節(jié)的優(yōu)化都是在不確定的操作條件下進行的，具有不同的預測范圍。借鑒Kuznetsova(2015)的經典研究，指標的選取都基于EIP系統(tǒng)的全球水平，在經濟效益和環(huán)境效益方面實現全局最優(yōu)方案。為了能夠更好地解決園區(qū)的特殊性和復雜性特征的問題，全局性的KPI兼顧規(guī)范化的經濟和環(huán)境性能指標、風險識別、以及EIP網絡性能相關的指標。

EIP的拓撲優(yōu)化是在擴展規(guī)劃的框架下進行，這種擴展的框架反映了主要的風險和不確定性，這些風險和不確定性可以在企業(yè)生命周期中的不同階段產生。鑒于此，采用的方法必須能夠對未來的不確定參數變化進行預測并實現效率最大化。

表9 KPI工業(yè)系統(tǒng)評價

資料來源：通過文獻資料整理

五、結論與啟示

目前我國已經有一定數量的工業(yè)園區(qū)在逐步開展生態(tài)工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃與建設，這些園區(qū)在污染減排、基礎設施建設、產業(yè)結構優(yōu)化、建筑節(jié)能、能源效率提升、固廢管理以及水資源管理等領域開展了廣泛的實踐和探索，并取得了積極的成效。但進一步發(fā)展及研究仍存在一些共性問題和難點，現階段我國的生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)發(fā)展整體仍處于實踐探索階段，尤其是西部地區(qū)由于生態(tài)環(huán)境方面存在的困境，雖然目前已經在工業(yè)治理方面取得了成效，但在減少水資源、能源消耗，減少固體廢棄物產生和排放等方面仍需進一步探索優(yōu)化方案與措施，特別是固體廢棄物的減量化及資源再利用等方面。但是現有研究無法完全解決新時期下西部地區(qū)工業(yè)園區(qū)建設生產中存在的具體問題，如何量化地分析中國生態(tài)工業(yè)園區(qū)未來發(fā)展的潛力及途徑，使得中國生態(tài)工業(yè)園區(qū)實現絕對脫鉤發(fā)展，是園區(qū)未來發(fā)展中需要著力解決的研究難點之一。中國宏觀經濟發(fā)展所處的新時期新形勢對工業(yè)園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提出了新的要求，需要深入剖析國內外工業(yè)園區(qū)和生態(tài)工業(yè)園區(qū)設計的模式。此外，現階段統(tǒng)計體系中園區(qū)并非獨立的統(tǒng)計單元，如何有效針對工業(yè)園區(qū)開展基于長時間跨度的物質能量代謝動態(tài)演化機理研究并進行優(yōu)化設計是關鍵性的基礎工作。

本文基于復雜系統(tǒng)理論，分析了生態(tài)工業(yè)園的復雜性及體現復雜性的各項性能指標，并以目前國內外較為成熟的生態(tài)工業(yè)園區(qū)的智能電網技術(SG)為例進行分析，兼顧工程中的智能分配和管理的分散式發(fā)電的理念，旨在對復雜的工業(yè)互連系統(tǒng)進行設計和操作的背景下，以確定一個有效的企業(yè)資源管理系統(tǒng)的配置，在工業(yè)園區(qū)設計的重點。提出了兩階段企業(yè)資源管理系統(tǒng)設計框架。每一階段針對園區(qū)內的IA的分布進行抽象建模，第二階段，對環(huán)境和運營條件進行預測(EOC)，并進行優(yōu)化的企業(yè)地理信息系統(tǒng)的拓撲優(yōu)化設計和能源/材料管理策略。這兩個階段之間是一個反饋循環(huán)的系統(tǒng)，運用企業(yè)網絡拓撲設計解決生態(tài)園區(qū)內單一企業(yè)生命周期的不同。從而減少未來潛在的風險和脆弱性的影響，以及企業(yè)生產經營過程中產生的負面影響，該框架旨在促進不同的運營階段。事實上，由于IA之間的互聯將工業(yè)園區(qū)轉變成復雜的系統(tǒng)，因此其治理策略是不確定的。此外，考慮到園區(qū)企業(yè)特殊性，不同IA的不確定性行為也會顯著影響企業(yè)的績效。鑒于此，找出設計缺陷并將其反饋于設計環(huán)節(jié)中，從而確定合理的設計方法，確定工業(yè)系統(tǒng)評價關鍵績效指標，驗證所選的EIP拓撲設計的可靠性。

目前我國處于經濟高質量發(fā)展階段，雖然在全球價值鏈中的地位與國內自身的產業(yè)結構與發(fā)達國家仍然存在很大的差距。目前中國經濟的發(fā)展仍然是以發(fā)展工業(yè)為主，然而，工業(yè)發(fā)展重在園區(qū)的建設。工業(yè)園區(qū)是實體經濟發(fā)展的主要載體和前沿領域，經過近40年的經濟高速發(fā)展階段，在經濟發(fā)展新常態(tài)下，工業(yè)園區(qū)現在正站在發(fā)展的“十字路口”，黨的“十八大”報告提出了“五位一體”的中國特色社會主義事業(yè)總體布局，和城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農業(yè)現代化和信息化“四化同步”的發(fā)展要求?！笆糯蟆备菍⑸鷳B(tài)文明建設提升到與經濟建設同等重要的高度。習近平在十九大所做的報告全面闡述了加快生態(tài)文明體制改革、推進綠色發(fā)展、建設美麗中國的戰(zhàn)略部署。十九大報告明確指出，我們要建設的現代化是人與自然和諧共生的現代化，既要創(chuàng)造更多物質財富和精神財富以滿足人民日益增長的美好生活需要，也要提供更多優(yōu)質生態(tài)產品以滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要。十九大報告為未來中國推進生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展指明了路線圖。作為工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進行快速發(fā)展不可或缺的載體，工業(yè)園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展是中國經濟發(fā)展和生態(tài)文明建設的重要組成。工業(yè)園區(qū)實施綠色發(fā)展、生態(tài)化發(fā)展，是破解資源環(huán)境壓力、實現可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，建設生態(tài)工業(yè)園區(qū)，在工業(yè)領域踐行生態(tài)文明的發(fā)展應當發(fā)揮更關鍵的作用。西部地區(qū)由于生態(tài)環(huán)境的脆弱性，目前開展國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)建設的園區(qū)比例仍很低，現有研究表明生態(tài)工業(yè)園區(qū)在資源能源效率方面的研究還相當匱乏，與國外的研究存在很大的差距。中國工業(yè)園區(qū)的生產規(guī)模、產業(yè)技術水平、生態(tài)化發(fā)展水平各異，尤其是中小規(guī)模的園區(qū)的生態(tài)化發(fā)展水平距國家級生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)的發(fā)展仍有較大差距。因此，歸納總結國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)在生態(tài)化發(fā)展中行之有效的主要做法和經驗，從根本上對生態(tài)工業(yè)園區(qū)提出有效的建設方案，并對目前已經建成的生態(tài)工業(yè)園區(qū)從循環(huán)經濟層面進行優(yōu)化設計，提出未來中國工業(yè)園區(qū)生態(tài)化發(fā)展路線圖，對實踐者和管理決策者提供科學依據和政策建議，具有重要的意義和價值。此外，對改善區(qū)域環(huán)境質量具有重要應用價值，這些方面的研究是園區(qū)精細化管理和生態(tài)化發(fā)展決策的重要支撐，同時也是建立中國工業(yè)園區(qū)生態(tài)化發(fā)展的基礎理論和方法的關鍵性基礎工作。