王 晶,王東磊,鄧新嬌 WANG Jing, WANG Donglei, DENG Xinjiao
(1. 燕山大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,河北 秦皇島066004;2. 燕山大學(xué) 區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心,河北 秦皇島066004)
隨著經(jīng)濟(jì)區(qū)域化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn),港口經(jīng)濟(jì)作為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分,港口集群化發(fā)展已成港口發(fā)展的重要趨勢,包含多個港口和交叉腹地的港口群系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。港口群系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多主體動態(tài)適應(yīng)系統(tǒng),其演化過程受到系統(tǒng)內(nèi)外部多種因素的影響,因此,研究港口群系統(tǒng)的協(xié)同演化需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)外多種作用的影響,其演化過程具有動態(tài)性、復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。
國內(nèi)外學(xué)者從多個角度對港口群系統(tǒng)演化進(jìn)行了研究。國外有關(guān)港口群系統(tǒng)演化的研究較早,其中,Rimmer[1]發(fā)現(xiàn)了港口體系的分散化演化趨勢;Slack[2]研究了港口體系演化的動力機(jī)制;Notteboom[3]在分析現(xiàn)代區(qū)域港口群腹地交叉、重合現(xiàn)象的前提下,提出了六階段港口群空間演化模型;Gordon Wilmsmeier[4]等提出了影響港口系統(tǒng)從主要港口集中到去中心化演化過程的一些關(guān)鍵因素。國內(nèi)港口群系統(tǒng)演化的相關(guān)研究起步較晚,主要集中在以下五個方面:(1) 運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)相關(guān)理論,建立動力學(xué)模型,分析港口群系統(tǒng)演化過程,如:劉沛[5]等研究了區(qū)域港口集疏運(yùn)資源整合的內(nèi)在動力;程佳佳[6]等分析了集裝箱港口體系的演化過程,揭示了其動力機(jī)制。(2) 基于博弈論相關(guān)理論和方法,研究港口群演化過程中的競合策略和協(xié)調(diào)機(jī)制,如:魯渤[7]等建立了政府—港口演化博弈模型,提出了政府促進(jìn)綠色港口建設(shè)的模式;賴成壽[8]等建立了港口競合博弈雙層規(guī)劃模型,并引入“收益分配”、“合作成本”等參數(shù)構(gòu)造非對稱得益矩陣,分析了港口競合演化路徑。(3) 運(yùn)用空間結(jié)構(gòu)理論,對港口體系的空間結(jié)構(gòu)演化過程進(jìn)行研究,如:王紹卜[9]采用ArcGIS 空間自相關(guān)方法,研究了港口體系的空間結(jié)構(gòu)及演化過程;趙旭[10]等分析了長時間序列下海上絲綢之路沿線港口體系集散趨勢變化。(4) 利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,研究港口網(wǎng)絡(luò)演化問題,如:蹇令香[11]等根據(jù)港口群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征,通過構(gòu)建加權(quán)網(wǎng)絡(luò)演化模型,揭示了其演化特征;黎燕[12]運(yùn)用改進(jìn)的BA 模型,對我國重點(diǎn)建設(shè)的沿海港口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬研究。(5) 以協(xié)同學(xué)理論為基礎(chǔ),運(yùn)用動力學(xué)方法,研究港口群系統(tǒng)的演化,如:袁旭梅[13]等以自組織理論為基礎(chǔ),運(yùn)用動力學(xué)方法,研究了港口群系統(tǒng)的演化動因,歸納了港口群系統(tǒng)演化的階段性特征。
上述研究分別從不同角度對港口群系統(tǒng)的演化過程進(jìn)行了有益探索。本文以自組織理論為基礎(chǔ),結(jié)合復(fù)雜性和穩(wěn)定性分析,綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)部的自組織和外部環(huán)境的他組織作用對演化過程的影響,引入競爭合作系數(shù)和政府干預(yù)系數(shù),建立演化模型,得到不同條件下系統(tǒng)的演化趨勢和結(jié)果,并進(jìn)行分析討論。
1.1 變量定義。津冀港口群系統(tǒng)是一個由多個港口及交叉腹地組成的多主體的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),其動態(tài)演化過程具有復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,受到系統(tǒng)內(nèi)外部多種影響因素的制約。根據(jù)對津冀港口群系統(tǒng)的自組織與他組織演化條件的分析,模型變量設(shè)計如下:xi(t):子系統(tǒng)i的盈利能力(i=1,2,…,n),xi0是子系統(tǒng)i的初始盈利能力;Ri:子系統(tǒng)i在一定條件下和特定發(fā)展階段內(nèi)盈利能力的固有增長率;Mi:子系統(tǒng)i依靠自身條件獨(dú)立發(fā)展的最大盈利能力;αij:子系統(tǒng)i與子系統(tǒng)j之間的競爭合作系數(shù);Gi:政府對子系統(tǒng)i演化的干預(yù)系數(shù)。
1.2 系統(tǒng)假設(shè)。津冀港口群系統(tǒng)協(xié)同演化模型旨在得到各港口子系統(tǒng)盈利能力xi在其他變量不同的情況下的演化趨勢及結(jié)果,為嚴(yán)格控制變量,得到較可靠的仿真結(jié)果,對模型做出以下假設(shè):
假設(shè)1:各子系統(tǒng)的盈利能力xi()
t是時間t的連續(xù)可微函數(shù)。
假設(shè)2:各子系統(tǒng)的盈利能力的固有增長率Ri>0,且在一定的發(fā)展階段內(nèi)不變。
假設(shè)3:各子系統(tǒng)的最大盈利能力Mi,是在一定腹地資源的限制下,交通集疏運(yùn)條件、物流設(shè)施條件和港口自然條件等的約束下獨(dú)立發(fā)展所能達(dá)到的最高盈利水平。
假設(shè)4:競爭合作系數(shù)αij表示各子系統(tǒng)之間競爭合作的傾向,將αij的取值范圍設(shè)定為-1≤αij≤1。同時,假設(shè)各子系統(tǒng)對其他子系統(tǒng)的競爭合作系數(shù)相同,即αi1=αi2=···=αij,表示港口子系統(tǒng)i對其他子系統(tǒng)的合作競爭態(tài)度一致。
假設(shè)5:港口群系統(tǒng)的演化在政府的宏觀調(diào)控之下,且政府干預(yù)系數(shù)-1≤Gi≤1。政府干預(yù)系數(shù)反映了政府對港口發(fā)展的支持或抑制程度。
1.3 模型構(gòu)建。港口群系統(tǒng)演化模型以logistic 阻滯增長模型為基礎(chǔ),引入競爭合作系數(shù)和政府干預(yù)系數(shù),考慮多個子系統(tǒng)在相互競爭合作和政府干預(yù)的情況下序參量的演化趨勢和結(jié)果;選取港口群系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的盈利能力xi為序參量,來描述港口群系統(tǒng)的自組織與他組織復(fù)合協(xié)同演化過程,得到港口群系統(tǒng)協(xié)同演化模型:
本文以津冀港口群系統(tǒng)為基礎(chǔ),綜合考慮天津港、秦皇島港、唐山港、黃驊港四個港口子系統(tǒng)之間的協(xié)同演化過程,即考慮n=4 時,四個港口子系統(tǒng)的港口群系統(tǒng)協(xié)同演化。
2.1 兩個子系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性分析。當(dāng)港口群系統(tǒng)中只有兩個港口子系統(tǒng)時,即式(1) 中n=2 時模型旨在得到兩個港口子系統(tǒng)的序參量x1,x2的演化趨勢,不需要對方程進(jìn)行求解,只需求出模型的平衡點(diǎn)并進(jìn)行穩(wěn)定性分析,設(shè)二階非線性自治微分方程的平衡點(diǎn)為當(dāng)xi從Ai點(diǎn)的某一穩(wěn)定鄰域內(nèi)的任一初值出發(fā)時,都可以使得則稱Ai是微分方程的平衡點(diǎn)。因此可以得到四個平衡點(diǎn)
針對非線性微分方程,可以依據(jù)近似線性方程判斷方法來判定其平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性,在平衡點(diǎn)Ai對f(x1,x2)和g(x1,x2)進(jìn)行泰勒展開,只需要保留一次項,可以得到兩個子系統(tǒng)時的演化模型的近似線性方程組:
其近似線性方程組(2) 的系數(shù)矩陣記為:
應(yīng)用動態(tài)系統(tǒng)的系數(shù)矩陣及判別指標(biāo)方法對平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,可得A1是不穩(wěn)定點(diǎn),A2、A3有一個主體序參量為0,即有一個子系統(tǒng)被系統(tǒng)淘汰;A4點(diǎn)穩(wěn)定的前提是x1、x2>0,故當(dāng)1-G1+α21>0,1-G2+α12>0 且(1-G2)(1-G1)-α21α12>0 時A4局部穩(wěn)定,可得A4是漸近穩(wěn)定點(diǎn)。
2.2 三個及以上子系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性分析。當(dāng)港口群系統(tǒng)中有i(i≥ 3 )個子系統(tǒng)時,設(shè)dx/dt=f(x),其中:
當(dāng)f(0)=0,即dx/dt=0 時,且在某域G:||x||≤A(A為常數(shù)) 內(nèi)存在連續(xù)的偏導(dǎo)數(shù),因而方程組dx/dt=f(x)由初始條件x(t0)=x0所確定的解在原點(diǎn)的某個鄰域內(nèi)存在且唯一,x=0 是其特殊解。
3.1 變量說明??紤]到模型中各變量與津冀各港口實(shí)際數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,本文以津冀港口群系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對模型中的變量進(jìn)行量化分析:
(1) 其中子系統(tǒng)i的盈利能力xi是系統(tǒng)的序參量,決定著各子系統(tǒng)演化的方向和興衰。對于港口子系統(tǒng)而言,吞吐量越大證明港口子系統(tǒng)的盈利能力越強(qiáng),假設(shè)港口吞吐量為Ti,則子系統(tǒng)i的盈利能力xi≈Ti。
(2) 子系統(tǒng)i初始盈利能力xi0近似等于系統(tǒng)演化起點(diǎn)的吞吐量Ti0。
(3) 在一定的時間和相對穩(wěn)定的空間內(nèi),子系統(tǒng)i的盈利能力的固有增長率Ri不變。假設(shè)子系統(tǒng)i演化至新的穩(wěn)定狀態(tài)的時間為ti,初始盈利能力為xi0,一段時間內(nèi)的平均盈利能力為,則固有增長率
(4) 港口的吞吐能力除了受到自身條件的限制,還受到腹地市場需求的影響,當(dāng)市場需求大于港口吞吐能力時,港口處于飽和狀態(tài),最大盈利能力近似等于港口吞吐能力;當(dāng)市場需求小于港口吞吐能力時,最大盈利能力近似等于市場需求。設(shè)港口i的吞吐能力為Ci,市場需求為Di,則有
(5) 港口子系統(tǒng)之間的競爭合作系數(shù)主要體現(xiàn)在各子系統(tǒng)之間的競爭合作對系統(tǒng)演化的貢獻(xiàn)或阻礙上。本文設(shè)定競爭合作系數(shù)的取值范圍是[-1,1 ],當(dāng)αij=0 時,表示在系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間不存在合作競爭,依靠自身條件獨(dú)立發(fā)展;當(dāng)αij>0 時,表示各子系統(tǒng)間的競爭合作對系統(tǒng)演化的促進(jìn)作用;當(dāng)αij<0 時,表示各子系統(tǒng)間的競爭合作對系統(tǒng)演化的阻礙作用。
(6) 津冀港口群系統(tǒng)是典型的政府主導(dǎo)型港口群,政府對港口建設(shè)規(guī)模、業(yè)務(wù)類型、發(fā)展方向和戰(zhàn)略等方面有著引導(dǎo)和決策的作用,對津冀港口群系統(tǒng)而言,政府政策的干預(yù)是最重要的外部他組織作用。
3.2 數(shù)據(jù)來源及處理。根據(jù)中國港口網(wǎng)數(shù)據(jù)得知,津冀港口群四個港口的年設(shè)計通過能力分別為天津港3.82 億噸,秦皇島港2.37 億噸,唐山港4.22 億噸,黃驊港1.82 億噸。各港口吞吐量及增長率如表1 所示。
表1 2009~2015 年各港口吞吐量及增長率
根據(jù)以上對變量的假設(shè)和說明,得到模型中相關(guān)變量的數(shù)據(jù)如表2 所示。
表2 津冀港口群系統(tǒng)協(xié)同演化模型數(shù)據(jù)
3.3 津冀港口群系統(tǒng)自組織演化仿真分析。利用Matlab 工具仿真,分析系統(tǒng)內(nèi)部的自組織作用,即相互作用系數(shù)αij對系統(tǒng)序參量xi演化趨勢的影響。理想狀態(tài)下,假設(shè)各子系統(tǒng)都是獨(dú)立發(fā)展的,即各子系統(tǒng)之間的競爭合作系數(shù)αij=0,得到各子系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展時盈利能力xi的演化趨勢,如圖1 所示。由圖1 可知,當(dāng)各子系統(tǒng)間沒有相互作用獨(dú)立發(fā)展時,(1) 各子系統(tǒng)的盈利能力xi受最大盈利能力的限制,演化至穩(wěn)定狀態(tài)時的盈利能力無限趨近于子系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的最大盈利能力Mi。(2) 由于初始盈利能力是演化過程基期各子系統(tǒng)相互作用下的值,受最大盈利能力的約束,天津港、唐山港和秦皇島港演化過程前期曲線有明顯的下降過程,由于黃驊港的初始盈利能力小于最大盈利能力,且固有增長率R4為正,經(jīng)過一段時間的演化,增長至M4后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
圖1 αij=0 時xi 的演化趨勢
圖2 αij=0.1 時xi 的演化趨勢
當(dāng)各子系統(tǒng)間的競爭合作系數(shù)αij>0 時,為分析競爭合作系數(shù)αij的變化對各子系統(tǒng)演化趨勢的影響,令競爭合作系數(shù)都為正且相等,取αij=0.1,得到各子系統(tǒng)的演化趨勢如圖2 所示;再分別取α11=α12=α13=0.1,α21=α23=α24=0.5,α31=α32=α34=0.3,α41=α42=α43=0.2,演化趨勢如圖3 所示。對比圖2 和圖6 可知,當(dāng)αij>0 時,(1) 競爭合作系數(shù)越大,演化至穩(wěn)定狀態(tài)時的盈利能力越大。(2) 在競爭合作系數(shù)的作用下,秦皇島港的盈利能力逐漸超過了天津港的吞吐能力,說明合理的競爭合作策略,能夠極大地彌補(bǔ)獨(dú)立發(fā)展時最大盈利能力對自身的限制。
圖3 αij>0 且不相等時xi 的演化趨勢
圖4 αij=-0.1 時xi 的演化趨勢
當(dāng)各子系統(tǒng)間的競爭合作系數(shù)αij<0 時,為分析競爭合作系數(shù)αij的變化對各子系統(tǒng)演化趨勢的影響,令競爭合作系數(shù)都為負(fù)且相等,取αij=-0.1,得到各子系統(tǒng)的演化趨勢如圖4 所示,再分別取α11=α12=α13=-0.15,α21=α23=α24=-0.1,α31=α32=α34=-0.3,α41=α42=α43=-0.05,演化趨勢如圖5 所示;保持其他子系統(tǒng)的競爭合作系數(shù)αij<0 且不變,以唐山港為例,逐漸增大競爭合作系數(shù)的絕對值,觀察其演化趨勢的變化,當(dāng)取唐山港的競爭合作系數(shù)α3j=-0.4 時,演化趨勢如圖6 所示。對比圖4 和圖8 可知,當(dāng)αij<0 時,(1) 競爭合作系數(shù)的絕對值越大,即各子系統(tǒng)采取的競爭合作策略對其演化的阻礙程度越高時,演化至穩(wěn)定狀態(tài)時的盈利能力越小。(2) 在競爭合作系數(shù)的阻礙作用下,秦皇島港和黃驊港的盈利能力逐漸超過了唐山港的盈利能力,說明不合理的惡意競爭策略,會導(dǎo)致港口盈利能力的急劇下降,雖然在獨(dú)立發(fā)展條件下,唐山港的最大盈利能力是四個港口中最大的,但是由于不合理的競爭合作策略導(dǎo)致的阻礙作用,使其穩(wěn)定狀態(tài)下的盈利能力被其他港口反超,且嚴(yán)重影響了其他三個港口的盈利能力的提升,從而阻礙了整個港口群系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展。對比圖5 和圖9 可知,當(dāng)αij<0 且絕對值不斷增大突破某一臨界點(diǎn)時,唐山港的盈利能力趨近于0。由此可得,當(dāng)αij<0 且絕對值不斷增大至突破某個臨界點(diǎn),即當(dāng)競爭合作系數(shù)對子系統(tǒng)的阻礙達(dá)到一定程度時,會導(dǎo)致該子系統(tǒng)的盈利能力無限趨近于0,即子系統(tǒng)被整個系統(tǒng)淘汰。
圖5 αij<0 且不相等時xi 的演化趨勢
圖6 αij<0 且α3j=-0.4 時xi 的演化趨勢
3.4 政府干預(yù)下系統(tǒng)自組織與他組織復(fù)合演化仿真分析。本節(jié)研究政府的干預(yù)程度對演化趨勢的影響。假設(shè)各港口子系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展且由當(dāng)?shù)卣畣为?dú)管理,即αij=0,且政府間無關(guān)聯(lián)。在Gi的取值范圍內(nèi)分別取G1=0.5,G2=0.2,G3=-0.15,G4=-0.3,得到xi的演化趨勢如圖7 所示。由圖7 可知,(1) 各港口子系統(tǒng)在獨(dú)立發(fā)展且由當(dāng)?shù)卣畣为?dú)管理的情況下,達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時的盈利能力主要受到港口最大盈利能力的限制和政府干預(yù)的影響;(2) 對比圖7 和圖1,由x1和x2的變化可知,各港口獨(dú)立發(fā)展時,政府的正向干預(yù)能夠促使系統(tǒng)突破自身發(fā)展的限制,使穩(wěn)定狀態(tài)時的盈利能力xi >Mi;(3) 由x3和x4的變化可知,政府的負(fù)向干預(yù)會約束子系統(tǒng)盈利能力的增長,使穩(wěn)定狀態(tài)時的盈利能力xi<Mi。
圖7 αij=0 且Gi 不相等時xi 的演化趨勢
圖8 αij>0 且Gi=0.1 時xi 的演化趨勢
當(dāng)各子系統(tǒng)之間的競爭合作系數(shù)αij>0 且政府干預(yù)系數(shù)Gi>0 時,為得到政府干預(yù)系數(shù)對系統(tǒng)盈利能力演化趨勢的影響,取α11=α12=α13=0.1,α21=α23=α24=0.5,α31=α32=α34=0.3,α41=α42=α43=0.2,且保持不變,分別取G1=0.08,G2=0.15,G3=0.2,G4=0.3。得到盈利能力xi的演化趨勢如圖8 和圖9 所示。對比圖8 和圖9 可知,當(dāng)αij保持不變且Gi>0 時,(1) 政府干預(yù)系數(shù)越大,即政府干預(yù)對港口群系統(tǒng)的演化起到明顯的促進(jìn)作用時,演化至穩(wěn)定狀態(tài)的盈利能力越大;(2) 由天津港和黃驊港的變化可知,在政府的正向干預(yù)下,由于黃驊港的干預(yù)程度高于天津港,演化至穩(wěn)定狀態(tài),黃驊港的盈利能力超過了天津港。
圖9 αij>0, Gi>0 且不相等時xi 的演化趨勢
圖10 αij<0 且Gi=-0.1 時xi 的演化趨勢
當(dāng)各子系統(tǒng)之間的競爭合作系數(shù)αij<0 且政府干預(yù)系數(shù)Gi<0 時,為得到政府負(fù)向干預(yù)時Gi的變化對演化趨勢的影響,分別取α11=α12=α13=-0.15,α21=α23=α24=-0.1,α31=α32=α34=-0.3,α41=α42=α43=-0.05,且保持不變,首先取Gi=-0.1,得到盈利能力xi的演化趨勢如圖10 所示;再分別取G1=-0.1,G2=-0.15,G3=-0.2,G4=-0.3,得到盈利能力xi的演化趨勢如圖11 所示。以唐山港為例,逐漸增大政府干預(yù)系數(shù)的絕對值,即增大政府的負(fù)向干預(yù),觀察其演化趨勢的變化,當(dāng)唐山港的政府干預(yù)系數(shù)G3=-0.9 時,得到盈利能力x3的演化趨勢如圖12 所示。對比圖3 和圖10 可知,當(dāng)競爭合作系數(shù)αij<0 且不變時,政府的負(fù)向干預(yù)會放大各子系統(tǒng)間的相互阻礙作用,降低各子系統(tǒng)的盈利能力,且政府的負(fù)向干預(yù)越大,對子系統(tǒng)間的相互作用的放大作用越明顯。對比圖10 和圖11 可知,當(dāng)αij保持不變且Gi<0 時,(1) 政府干預(yù)系數(shù)的絕對值越大,即政府干預(yù)對港口群系統(tǒng)的演化起抑制或阻礙作用越大時,演化至穩(wěn)定狀態(tài)的盈利能力越??;(2) 在天津港的政府干預(yù)系數(shù)不變的前提下,由于αij<0,各港口處于競爭狀態(tài),另外三個港口的盈利能力在政府的負(fù)向干預(yù)增強(qiáng)的情況下盈利能力降低,天津港在政府的干預(yù)下在競爭中勝出,盈利能力提高。對比圖11 和圖12 可知,保持其他港口的政府干預(yù)系數(shù)不變,逐漸增大唐山港的政府干預(yù)系數(shù)的絕對值,即增大政府對唐山港的負(fù)向干預(yù),盈利能力降低,當(dāng)唐山港的政府干預(yù)系數(shù)G3超過某一閾值時,在穩(wěn)定狀態(tài)時被黃驊港超越。
圖11 αij<0, Gi<0 且不相等時xi 的演化趨勢
圖12 αij<0, G3=-0.9 時xi 的演化趨勢
本文以自組織理論為基礎(chǔ),構(gòu)建了以logistic 模型為基礎(chǔ)的協(xié)同演化模型。選取港口的盈利能力為序參量,綜合考慮初始盈利能力、競爭合作系數(shù)、獨(dú)立最大盈利能力和政府干預(yù)系數(shù)等因素的影響下,對津冀港口群系統(tǒng)的演化趨勢進(jìn)行仿真分析。通過分析得出:津冀港口群系統(tǒng)的演化與各子系統(tǒng)的獨(dú)立最大盈利能力、競爭合作系數(shù)、政府干預(yù)系數(shù)密切相關(guān)。各港口在充分發(fā)揮港口群系統(tǒng)自組織作用的前提下,應(yīng)重視他組織作用對系統(tǒng)演化的影響,充分發(fā)揮政府的他組織作用,協(xié)同制定各項方針政策,通過系統(tǒng)內(nèi)各主體間的合作效應(yīng)與政府的正向干預(yù),推動港口群系統(tǒng)向有利的方向演化。