基于STELLA软件的海洋经济可持续发展系统动力学模型研究＊

狄乾斌，徐东升，周乐萍

（辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心 大连 116029）

基于STELLA软件的海洋经济可持续发展系统动力学模型研究＊

狄乾斌，徐东升，周乐萍

（辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心 大连 116029）

海洋经济可持续发展涉及社会、经济、资源和环境等众多因素，是一个庞大的复杂系统。构建系统动力学仿真模型，为解决这样复杂系统中多因子相互作用问题提供了一种有效手段。文章在简要介绍系统动力学方法及其工具软件基础上，分社会子系统、海洋经济子系统、海洋资源与环境子系统3个模块，构建了海洋经济可持续发展的系统动力学模型，以推动系统动力学在海洋经济研究中的应用。

海洋经济可持续发展；系统动力学；STELLA软件

海洋经济可持续发展是可持续发展概念在海洋领域的体现，是促进海洋经济、社会、海洋资源和环境协调发展的战略思想，即以海洋资源的可持续利用和良好的海洋生态环境为基础，以海洋经济可持续发展为中心，以谋求社会的全面进步为目标的发展模式［1］。从海洋经济可持续发展的定义来看，海洋经济可持续发展系统涉及一个地区或国家之间的海洋资源与环境、经济和社会等诸多因素，是一个复杂的动态系统。从系统论的观点来看，海洋经济可持续发展是人与自然、环境交互作用的集中体现，海洋生态、经济、社会要素之间相互作用、相互联系构成了一个涉及众多因素的、动态的和存在多重反馈联系的复杂社会经济系统。目前研究社会经济系统最常用的方法有投入产出、目标规划、经济计量和系统动力学建模等，前3种方法都是以线性代数为基础，解决不了技术变化和投入产出中的时滞等一系列动态问题。系统动力学基于信息反馈的机制，通过对现实系统结构和功能的模拟分析，提供解决问题的方法和途径［2］。

1 STELLA系统建模仿真软件简介

系统动力学（SD）可以定性（qualitative）和定量（quantitative）地构建模型。口头描述和因果环图（causal loop diagram）可以定性地描述系统；栈一流图（stock－flow diagram）可以定量地描述系统。为了实现定量地描述系统并模拟运行系统随时间展开的动态性，相应的计算机软件是必需的，所以从一开始SD方法就和数字计算机仿真结合紧密。自20世纪60年代开发出第一代仿真软件Dynamo后，尤其是20世纪80年代中后期，可用于计算机的仿真软件陆续问世，如，面向模型（模型结构对用户开放）的软件：STELLA、Vensim、Professional Dynamo等［3］。STELLA软件是一种基于系统动力学的管理决策建模仿真软件，也是第一个允许图形模式输入的仿真软件。它的主要目的是帮助人们重塑思考方式，抛弃以前局部的、静态的思考方式，让人们以整体的、系统的观点来思考问题。

1.1 STELLA软件的特点［4］

1.1.1 简洁明了的层次结构

高层结构（high level）：是系统结构的整体反映。它把系统分为互相关联的子系统，从而保证使用者能从整体上把握其研究的系统。

图层结构（graph）它是整个系统模型的核心，是构造系统模型的主要空间。它的结构决定了模型的实质与函数层的数据结果。图层结构含有4种基本的语言符号：栈（stock）、流（flow）、数据转换器（converter）及连接器（connector），如图1所示。

图1 STELLA图层结构4种基本语言符号

函数层结构（function level）：包含模型中各变量之间的逻辑和数学关系。这些关系可用代数方程、各种变化曲线，或者逻辑函数来表示。

STELLA图层的4个基本语言符号中最主要的是栈和流。栈表示积累，也表示系统所处的状态；流表示系统的活动，如，物质流、资金流和信息流等；数据转换器表示各种数据序列、代数关系，或常数；连接器表示栈、流和数据转换器3者之间的关系或传递信息。

1.1.2 动态交互的系统演示过程

受外界的各种约束条件、长期以来形成的经验以及直接判断事物的习惯和研究对象的复杂程度等因素的束缚，人们有时很难了解系统中的结构影响行为的真相。但人脑一般具有较强的分析事物结构的能力。STELLA可以将人们头脑中所思考的事物结构转换成模型，并动态模拟事物的行为模式。通过4种基本的语言符号来描述人们头脑中构思的系统结构，输入必要的数学关系和参考数值，就可以在计算机上模拟出事物的动态发展过程。

1.1.3 强有力的数学背景支持

STELLA背后有一个结构严谨的数学模型体系，它是以常微分方程组的形式来实现的。使用者不需直接构造艰深的数学方程式，只需通过图形化的语言方式来确定模型中各变量之间的关系（函数层中的数学关系），输入特定变量的初值，然后运行模型就可以得到所需变量的数值或者变化曲线了，因为复杂的数据运算工作完全是由计算机在后台操作。

STELLA算法的一般步骤是：①按照一定的顺序产生栈、流和数据转换器的顺序列。②计算栈、流和数据转换器的初值。③根据计算步长和给定时间范围来计算和更新各个变量的值。

1.2 STELLA软件系统建模的步骤［5］

STELLA的具体建模步骤遵循由简到繁、由浅入深和由部分到整体的原则，步骤如下。

（1）确定问题（focus the effort）：主要是指在建立模型之前明确所要分析的问题，并设定一个简明的目标，它要解决什么问题、范围有多大等。

（2）构建高层结构图（mapping）：高层结构图（high level）是由子系统（或者一些关键因素）组成的。这一步要求把所分析的系统划分为若干子系统，然后把每个子系统中的关键因素找出来，子系统的数量不宜太多。

（3）构建系统详细结构图（modeling）：对模型进一步的细化，其中包括连接子系统之间的各种关系，对变量进行定义和初始化，定义变量之间的关系等。主要分4个步骤：①确定流跟栈之间的关系；②定义各个流的代数方程；③寻找闭环链，确定反馈链之间的关系；④对参数进行赋初值和初始化。

（4）仿真运算（simulation）。

（5）扩展模型（challenge）：主要是看模型在多大程度上能解决实际问题。深度扩展：看模型中的流和变量的代表性是不是足够充分，有没有一些细节性的问题、变量没有考虑到；广度扩展：看模型所包括的范围是不是足够全面，它所能解决的问题具有多大的普遍性。

2 基于STELLA软件的海洋经济可持续发展系统动力学模型

2.1 我国海洋经济可持续发展面临的问题

问题是指系统内部存在的矛盾、相互制约与作用以及产生的结果与影响，建模的目的就在于研究这些问题，并寻求解决它们的途径［6］。我国是一个发展中的海洋大国，海域自然环境和资源条件非常优越。从20世纪80年代初到2009年，全国主要海洋产业总产值连翻7番多，2009年已达到31 964亿元，海洋产业增加值达到18 742亿元，相当于同期国内生产总值的5.5%，海洋经济已成为国民经济重要的增长点［7］。但在经济快速增长的同时也存在资源浪费、环境污染和掠夺式经营等问题，尤其是由于污染海域，海洋生态环境遭到破坏，严重制约了海洋经济可持续发展。

2.2 构建海洋经济可持续发展系统模型高层结构图

构建系统模型的指导思想是用尽可能简单的模型来描述系统结构，而构造高层结构图的指导思想则是简单、概括，即抓住系统的关键性流程，建立系统内的高层关系。由于海洋经济可持续发展系统包含的因素较多，为便于分析，可以将海洋经济可持续发展系统划分为社会子系统、海洋经济子系统、海洋资源和环境子系统3个子系统，每个子系统都有自己的结构特点和独特功能，其中一个子系统的输出是其他子系统的输入，子系统之间彼此联系。

在海洋经济可持续发展系统中，①要考虑的是人口因素。人是进行生产活动的主体，人口的消费需求是刺激和推动经济生产的根本原因，提高人口生活质量和生活水平是海洋经济可持续发展的根本目的，人口在海洋经济可持续发展中处于核心地位。②海洋经济生产是推动海洋经济可持续发展系统演变和进化的动力，是实现海洋经济可持续发展的中心。③海洋资源是进行海洋经济生产的物质基础，资源承载力直接影响海洋经济生产活动。最后，海洋经济可持续发展系统中还应包括科技因素。科学技术作用于生产部门，可以提高生产力水平，创造更多物质财富和经济价值；作用于环境保护部门，可以提高环境保护能力，提供良好的生活环境，同时促进海洋资源再生，更好地实现海洋的可持续发展。到这里，可以得到海洋经济可持续发展系统的高层结构图（图2）。

图2 海洋经济可持续发展系统高层结构

2.3 海洋经济可持续发展系统的因果关系图

因果反馈关系图可用于帮助分析系统内各因素的相互影响关系，在此只考虑海洋经济可持续发展系统内主要因素的影响，略去了次要因素的影响。由于正反馈联系使系统内各因素的变化加强和放大，既是系统不稳定的原因，也是系统得以发展和进化的动力。

从对系统内的主要因果关系分析中可看出，正反馈回路是系统的主要反馈回路，说明在不考虑子系统间相互影响时，各子系统发展都偏向于不稳定，敏感于子系统的初始变化。而系统间的负反馈回路是使整个系统平衡、稳定的原因，要使整个系统在和谐的状态下进化发展，需要对正、负反馈回路进行综合分析，找出制约发展的敏感变量。经分析，海洋经济可持续发展系统的因果关系如图3所示。

图3 海洋经济可持续发展系统因果关系

2.4 海洋经济可持续发展系统模型详细结构图

根据以上对海洋经济可持续发展系统高层结构与系统内因果反馈关系的分析，下面采用STELLA软件编制模型详细结构图。这一步骤主要是利用栈、流、数据转换器及连接器等图层结构的4种基本语言符号来构建模型以确定模型的结构与函数层的变量关系等。

（1）社会子系统模块。社会子系统提供海洋经济生产所需要的劳动力，提供经济生产和环境保护的技术水平支持，以及各种宏观的经济、资源和环境保护管理政策，它包括人口、就业率、人均收入和技术等方面。其中人口的发展和技术进步在整个系统中处于支配地位，通过影响和支配生产来决定系统中各要素的地位、作用和相互关系，而就业率和人均收入的变化可以作为海洋经济可持续发展的衡量指标。因此，在设计社会子系统模块时主要考虑人口、就业率、人均消费以及技术投资等影响因素，引用该模块时可以考虑人均消费基金对人口增长的影响、GDP对劳动力的影响、技术进步对GDP变化的影响等（图4）。

图4 社会子系统模块流程

（2）海洋经济子系统模块。此系统推动着整个海洋经济可持续发展系统的进化发展，海洋经济的发展程度受到海洋资源与环境承载力水平的制约，对资源环境的索取超过一定的允许值，人类的经济活动与社会行为就会受到自然资源规律的惩罚。生产能力是整个系统发展的原动力，产业投资及技术水平反映了社会子系统的支持。同时，经济活动的作用是双向的，一方面不可避免地带来资源消耗、环境污染；另一方面也为自然资源的再生、环境的改造提供经济支持。因此，在设计海洋经济子系统模块时，主要考虑海洋产业增长率、产业投资率、技术进步贡献率及人均消费等因素（图5）。

图5 海洋经济子系统模块流程

（3）海洋资源与环境子系统模块。海洋经济可持续发展系统是以海洋资源和环境为物质基础的。海洋资源和环境的状况不仅影响系统的整体功能和运行，而且对系统的发展方向和过程也起到重要的作用。过去被人们的各种经济活动无节制地消耗所造成的资源和环境恶果，使人们意识到资源和环境有其基本承载力，它决定了社会经济活动的规模与范围。在设计海洋资源与环境子系统模块时，主要考虑资源再生与资源总量的关系，以及海洋环境对资源再生的影响（图6）。

图6 海洋资源与环境子系统模块流程

最终的海洋经济可持续发展系统动力学模型见图7。

图7 海洋经济可持续发展系统动力学模型流程

3 讨论与展望

系统动力学仿真模型是对现实系统结构和功能的模拟，模型的建立是一个不断向真实系统逼近的过程。STELLA系统仿真软件是目前逐渐展开应用的建模软件，它把系统内的一系列反馈关系用图形化表示出来，表现直观、易于理解，显示出系统模拟在处理可持续发展系统问题上的优越性。但限于作者的水平和经验，以及资料来源的局限性，笔者在构建海洋经济可持续发展的系统动力学模型时，只对影响海洋经济可持续发展的主要因素做出分析，而海洋经济可持续发展系统是非常复杂的大系统，模型有待于在实际应用中不断细化和完善。同时，鉴于应用仿真软件能力还比较肤浅，未能开展海洋经济可持续发展系统动力学实证分析，这需要在今后的工作中进一步研究完成。

［1］ 张德贤.海洋经济可持续发展理论研究［M］.青岛：中国海洋大学出版社，2000：15－16.

［2］ 殷克东.可持续发展的系统仿真研究［J］.数量经济技术研究，2002（10）：61－64.

［3］ 王其潘.系统动力学［M］.北京：清华大学出版社，1994：25－27.

［4］ COSTANZA R，GOTTLIEB S.Modeling ecological and economic systems with STELLA：PartⅡ［J］.Ecol Mod，1998，112（2）：81－84.

［5］ 成洪山，王艳，李韶山，等.系统动力学软件STELLA在生态学中的应用［J］.华南师范大学学报：自然科学版，2007（3）：126－131.

［6］ 杰拉尔德·温伯格.系统化思维导论［M］.张佐，译.北京：清华大学出版社，2003：50－52.

［7］ 国家海洋局.2009年中国海洋经济统计公报［R］.2010.

教育部人文社科重点研究基地项目基金（10JJD790015）；教育部人文社会科学研究青年基金（10YJC790045）.