基于哈肯模型的电子废弃物回收系统演化机制研究

曾　鸣, 余福茂，苏程浩

(杭州电子科技大学，杭州 310018)



基于哈肯模型的电子废弃物回收系统演化机制研究

曾鸣, 余福茂，苏程浩

(杭州电子科技大学，杭州 310018)

摘要：缺少成熟的电子废弃物回收管理政策及缺乏正规的电子废弃物回收渠道，制约着我国电器电子产业的高速发展。借鉴系统科学的观点，剖析电子废弃物回收处理系统的自组织演化特征，电子废弃物正规企业回收率和电子废弃物综合处置率这两个变量契合哈肯模型的本质要求。选取北京、上海、浙江等13个省市的数据，分析发现：各省市的电子废弃物正规企业回收率会有一个短暂的上升过程，到达极点后将会一直下降；各省市的电子废弃物综合处置率快速下降。正规企业回收率是电子废弃物回收处理系统演化的序参量，我国电子废弃物回收处理产业亟待升级，不断提高正规企业回收率和综合处置率才能促进电子废弃物回收处理产业的发展。

关键词：电子废弃物回收；系统演化；哈肯模型；电子废弃物正规企业回收率；电子废弃物综合处置率

近年来，电子科技产业高速发展，催生了空前繁荣的电子产品消费热潮。热潮之下，问题之多也是前所未有，例如产生了大量的电子废弃物。这些电子废旧物若不妥善处理，将导致严重的环境污染。当前，缺少成熟的电子废弃物回收管理政策及缺乏正规的电子废弃物回收渠道，制约着我国电器电子产业的高速发展。目前，针对普通固体垃圾管理的理论研究较多，针对电子废弃物回收管理的实证研究和定量分析还较为少见。本文借鉴系统科学的观点，在电子废弃物回收处理系统的自组织演化特征的基础上，运用哈肯模型识别控制电子废弃物回收处理系统演化的序参量，希望可以为准确了解我国电子废弃物回收处理产业的发展现状和演化趋势提供理论参考。

一、电子废弃物回收系统演化的自组织特征

(一)电子废弃物回收系统的内涵

电子废弃物回收处理系统是指在相当规模的社会整体环境中，所有与电子废弃物回收处理有关的各个元素所组成的有机整体。该系统包含的内容与元素非常多，包括各种主体以及与回收处理相关的客体。电子产品的生产制造者如各种生产电器的工厂，购买电子产品的消费者，废旧电子产品的回收企业，还有政府等，都属于主体。回收处理相关的客体就是指废旧家电、废旧手机、废旧电脑等被消费者所丢弃的电子废弃物。客体经过生产、使用、回收等一系列过程，通过特定的关系与主体联系在一起，并在生产、使用、回收等方面起着重要的能动作用。系统中的主体、客体与外界环境结合在一起，就形成了电子废弃物回收系统。

(二)电子废弃物回收系统的自组织特性

电子废弃物回收系统是由若干个相互联系、相互作用的部分，以一定的方式组成的有机整体。当前，在我国政府政策的引导下，电子废弃物回收系统中的部分群体是由政府组织构建的,另一部分群体是由市场经济作用而形成的。但是，在市场经济的大环境下，不管是由政府组织的群体还是由市场自发形成的群体,都必须遵守市场经济的规律,并且要不断地创新技术、更新产业模式，以适应不断变化的外界环境。这样，电子废弃物回收体系也就具备了自我生长、自我适应、自我复制等非常典型的自组织特征。

电子废弃物回收系统的演进是从无序的终端治理发展为有序的污染防控和电子废弃物资源再利用，由旧的自组织结构向新的自组织结构进行演化的进程。电子废弃物回收系统内部各子系统的性质是不相同的，其对整个自组织系统的作用也是不平衡的。控制变量是不断变化的，随着变量而改变的自组织影响把系统推过线性失稳点时，系统中这种差异和不平衡将激化并展现出来,于是区分出快变量和慢变量：慢变量主导着演化的进程,支配着快变量的行为，成为新结构的序参量。通过分析电子废弃物回收系统内部不同变量的相互作用以及因此产生的演化过程，可以识别电子废弃物回收系统的演化机制。

二、模型的建立与变量的选取

(一)模型的建立

自组织理论是研究客观世界中自组织现象产生、演化等的理论。自组织过程就是系统内各紧密联系、相互影响的状态变量之间相互作用，形成一种统一的“力量”，使系统发生质变的过程。哈肯的协同学认为系统各要素变量之间的协同是自组织过程的基础。*许国志主编：《系统科学》，上海：上海科技教育出版社，2000年，第189-196页。

利用自组织理论方法,找到线性失稳点并在系统中区分出快、慢两类变量，消去快变量，得到序参量的方程。考虑电子废弃物回收系统由一个作用力和一个子系统组成,子系统中的状态变量和作用力分别用q1、q2表示(不考虑随机涨落项)，那么：

(1)

(2)

(3)

它表示子系统(1)支配子系统(2)，后者随前者的变化而变化。因此，q1是系统的序参量，将式(3)代入式(1)，得到序参量方程为：

(4)

为便于应用，将哈肯模型进行离散化，可以得到：*郭莉，苏敬勤，徐大伟：《基于哈肯模型的产业生态系统演化机制研究》，中国软科学，2005年第11期，第158页。

q1(k+1)=(1-λ1)q1(k)-aq1(k)q2(k),

(5)

q1(k+1)=(1-λ2)q2(k)-bq1(k)q1(k)。

(6)

(二)变量的选取与数据来源

1. 变量的选取

哈肯模型的运算需要两个变量,本文使用各地区电子废弃物正规企业回收率IR来表示利益分配层面变量，用电子废弃物综合处置率PR来体现技术支持层面变量。

各地区电子废弃物正规企业回收率IR是指被正规企业回收的电子废弃物的量与所有被回收的电子废弃物总量之比。电子废弃物回收系统的健康、稳定发展，具备自组织特征，很大程度取决于回收体系是否科学，也就是电子废弃物应当规模化、规范化、科学化地被正规的、技术能力强的企业回收。在我国电子废弃物回收系统中，大量的资源流入小作坊或者个体商家，而这些小型的企业因为处理技术不过关，不仅浪费了大量的可再生资源，在拆解的过程中还造成环境的二次污染。

回收不充分造成的二次污染往往比生产时产生的污染更严重，提高了环境治理的成本，使系统向不健康的方向成长。

电子废弃物综合处置率PR是指在一定区域与时间内，得到合理处置的电子废弃物的量与所有的电子废弃物总量之比，它能充分反映某一时段内某一地区对电子废弃物的综合处理能力，从而通过科技进步推动电子废弃物回收处理的规模化、规范化和科学化。所以，电子废弃物综合处置率直观反映了电子废弃物回收处理的技术水平。

电子废弃物正规企业回收率和电子废弃物综合处置率这两个变量基本反映了电子废弃物回收系统的本质特征，契合哈肯模型选取变量的本质要求。因此,基于哈肯模型的自组织理论，针对这两个变量的建模可以比较直观地反映电子废弃物回收系统演化的一般特性。

2. 数据来源

从全国各省市环境保护厅及国家统计局企业联网直报平台获取了我国15个省市的电子废弃物综合处置率及行业利润等数据，经过筛选去除数据不全的省市，最后选取北京、上海、浙江、广东、重庆、四川、贵州、甘肃等13个省市的数据，来反映我国电子废弃物回收系统的基本现状。通过数据筛选与处理，我国13个省市在2013年第三季度和第四季度的电子废弃物正规企业回收率和综合处置率的具体数据如表1所示。

表1　2013年下半年我国13个省市的电子废弃物正规企业回收率和综合处置率

续表1：

省市电子废弃物正规企业回收率电子废弃物综合处置率2013年第三季度2013年第四季度2013年第三季度2013年第四季度浙江0.0677385000.0689021670.3965701440.380771691福建0.0001751670.0003905000.4000000000.388049509山东0.1395898330.1423405000.3609749520.349584698河南0.0834270000.0881120000.3837562580.362689275湖北0.1468533330.1472155000.1751611590.175085586广东0.0015383330.0027200000.3968580720.364213948重庆0.0464608330.0474161670.3455383570.335081793四川0.0215533330.0200270000.3282554900.282627098贵州0.0124026670.0107635000.4410126850.393981950甘肃0.0304158330.0347723330.3964272990.333789614

资料来源：根据各省市环境保护厅公布的废旧电器电子产品拆解处理情况、国家环境保护部公布的各省市正规回收企业名单及企业提供的废旧电器电子产品拆解处理报告等研究整理。

三、电子废弃物回收处理系统的演化分析

(一)系统演化特征分析

假设电子废弃物正规企业回收率IR为序参量,*在研究中，我们曾尝试以PR为序参量进行试算，计算结果表明绝热近似条件不成立。即以IR为q1,以PR为q2,根据式 (5)和式(6)得到电子废弃物回收演化方程：

IR(k+1)=(1-λ1)IR(k)-aIR(k)PR(k)，

(7)

(8)

根据2013年第三、四季度我国13个省市的电子废弃物正规企业回收率及综合处置率的数据，通过Eviews 5.0进行计算得到：

(9)

R2=0.998，F=3382.54。其中,拟合优度R2=0.998，十分接近1，说明回归效果良好,F检验的显著性概率接近0，回归效果显著。此方程可以较好地反映系统中变量之间的关系，结果可信度也相对高(括号中数字为t检验值，下同)：

(10)

R2=0.787，F=18.494。其中,拟合优度R2=0.787，表明回归效果较好，F检验的显著性达到0.000437，回归效果良好，此方程可以较好地反映系统中变量之间的关系，结果可信度高。由式(9)、式(10)中的系数，通过以上计算得λ1=0.028，λ2=0.204。由结果可知λ2>λ1>0，则q2是快速衰减的快变量,即PR是比IR变化快的状态参量,IR为阻尼小、衰减慢的序参量，与假设一致。

将a=-0.148，b=0.293带入式(5)可得反映PR和IR相互作用的微分方程组：

(11)

(12)

(13)

可以看出，PR随着IR的变化而改变，将式(13)代入式(11)，可以得序参量方程：

(14)

由式(14)的相反数进行积分，可以求得势函数：

(15)

势函数F的二阶导数为：

(16)

把所求的定态解IR=±0.3626代入到式(16)，可得：

说明IR的势函数在IR=±0.3626这两点处拥有极大值，如图1所示。势函数F的图形趋势反映了电子废弃物回收系统的演进趋势，当状态参量(q1,q2)和控制参数(a, b, λ1,λ2)发生变化时，电子废弃物回收系统的势函数也会随之产生变化，由之前的稳定态变为不稳定态。从势函数的图中可以看到，在电子废弃物回收机制中，电子废弃物正规企业回收率和综合处置率两个变量会发生非零作用，形成新的稳定态解IR=±0.3626。换句话说，在稳定态解处，电子废弃物回收系统形成了新的有序结构，而从式(7)、式(8)可知，此时系统演化的支配变量(也就是序参量)，是电子废弃物正规企业回收率。

图1　电子废弃物回收系统的势函数曲线

(二)未来演化状态预测

根据式(7)和式(8)的递推关系，结合已有的统计数据推算出2014年以后电子废弃物正规企业回收率和综合处置率的预测数据，如图2和图3所示。

图2　13省市的电子废弃物正规企业回收率预测

图3　13省市的电子废弃物综合处置率预测

根据图2所示，各省市的电子废弃物正规企业回收率会有一个短暂的上升过程，到达极点后将会一直下降。这个极点的意义就是当前回收系统结构的发展极限。其中，北京、上海、山东、湖北到达极点的时间要比其他省市长(数据显示将在2014年第三季度到达极点)，说明这四个省市的回收系统相对完善，容纳极限比较大。但是由于这些省市经济发达，电子废弃物在近几年空前增多，增速高于其他省，因此需要更优的回收系统，所以在条件不变的情况下，后期的电子废弃物正规企业回收率会下降。总体而言，现阶段的回收系统结构很快就会到达极限，升级完善迫在眉睫。

根据图3所示，各省市的电子废弃物综合处置率快速下降，其中北京、上海、山东、湖北四省市的下降速度要比其他省市快得多。近年来，智能电子设备的消费热潮空前高涨，导致电子废弃物数量前所未有，但是，回收企业的增长速度和处理技术的进步速度相对滞后，造成电子废弃物相对过剩。然而，正规企业回收率和综合处置率的降低，说明随着电子废弃物越来越多，整个电子废弃物回收系统迫切需要升级。这个阶段对应于图1的势函数曲线，在状态变量和控制变量发生改变时，对现有电子废弃物回收系统的特定结构来说，已经到达或者即将到达发展极限。因此，现有结构必须发生变化，系统需要达到另一个稳定状态。随着技术的改良、政策的创新，电子废弃物回收系统必须进行结构升级——只有更先进的结构才可以容纳更高的发展极限。

另外，图中各省市的预测数据趋势完全相同说明：在未来的几年中，作为分子的电子废弃物正规企业回收数量和综合处置数量在目前回收体系下变动不大，而作为分母的电子废弃物总量增速发展。因此，若干年后，分母高速增长而分子相对稳定将造成电子废弃物正规企业回收率和综合处置率趋势相同，也就是说，通过改变现有的回收体系和提升分解技术以增大分子势在必行。

四、结论与建议

通过以上分析，可以得到以下结论。

第一，电子废弃物正规企业回收率是电子废弃物回收系统演化的决定因素，也就是电子废弃物回收系统的序参量。本文中的式(7)和式(8)揭示了电子废弃物回收处理系统的演进特征：以0.05为临界点，北京、上海、山东、湖北等四个省市达到了系统临界水平，在剩下的未达标省市里，广东、福建与临界水平相比还有较大的差距。这些地区电子工业比较发达，电子废弃物比较多，同时大量回收单位鱼龙混杂，其中还包括许多私人小作坊，这些作坊式企业在拆解的过程中产生了严重的污染。以北京中关村为例，电子废弃物在这里集结，由于相关管理制度比较健全，管制也比较严格，许多回收企业都通过了有关部门的审批,符合准入条件，形成了结构比较稳固的回收渠道。而广东、福建虽然有增长趋势，但是基础薄弱，相比之下还有较大的差距。

从预测数据来看，要想达到临界点，必须采取相应措施，不能任其自然发展。更重要的是，已经达到临界点的省市如果不立即升级已有的回收系统结构，随着时间的推移终将下滑到临界点以下。因此，对于广东、福建等基础薄弱的省，建议有关部门加强监管，严格回收的流程与标准。对各方面皆不合格、不规范的小规模企业和作坊式企业要加强监督管理，不能放任自流造成严重的环境污染；对正规回收处理企业，需要提供一定程度上的政策扶持和政策引导。对于基础较好的北京、上海、山东、湖北等省市，应加快回收系统结构升级，加大对正规回收企业的扶持力度，适当加大成本投入，增强全民的电子废弃物回收意识。

第二，控制变量的值反映电子废弃物回收处理系统的演化状态。首先，参数a的值为负值，说明在电子废弃物回收系统中，综合处置率的提高可促进正规企业回收率的提高。其次，b为正值，反映正规企业回收率的提高可以促进综合处置率的提高。再次，λ1和λ2为正数，说明系统内尚未建立使得正规企业回收率不断增长的良性机制，现有的电子废弃物回收系统是一个逐步趋于稳定的负反馈系统，综合处置率和正规企业回收率都极不理想。

从预测数据来看，电子废弃物综合处置率越来越低，北京、上海、山东、湖北等省市的下降速度明显快于其他省市，说明技术创新落后于电子废弃物增速。因此，在规范回收体系的同时要重视提高综合处置率，鼓励成立拥有高新技术的回收企业。从这些降速较快的省市开始，加强技术研发投入，融合国内外最先进的技术，提升分拣与处理水平，尝试更符合现状的回收方法，构建更加广泛的回收体系与回收网络。同时，要求地方支持、培育、建立正规回收企业，从政策、资金、技术上三管齐下，为优质回收企业提供良好的生长土壤。

第三，我国电子废弃物回收处理产业目前还处于发展阶段，而且亟待转型升级。基于哈肯模型的分析表明，我国多数省市电子废弃物回收处理系统即将达到的临界值都较为悲观，临界值所代表的电子废弃物回收处理产业的发展水平都十分不理想。要使我国电子废弃物回收处理情况出现根本性好转，必须大力提高电子废弃物正规企业回收率，因此，如何促使非正规回收渠道向规范化经营模式转变是我国电子废弃物回收管理政策研究的重要课题。

〔责任编辑：沈丹〕

·经济观察·

Research on the Evolution Mechanism of Electronics

Waste Recycling System Based on Haken Model

Zeng Ming, Yu Fu-mao, Su Cheng-hao

(HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)

Abstract:The purpose of studying the evolution mechanism of e-waste recycling system is to better explore the management way to promote e-waste industry and ecological recycling. This paper establishes the evolution equation of e-waste recycling systems, combining Haken model of self-organization theory with China’s e-waste recycling practices. After 13 provinces and cities as sample been verified and predicted, it shows that regular recycling business recovery is the order parameter to control the evolution of e-waste recycling system. Now, improving the recovery rate of the formal recycling enterprises is imperative.

Key words:e-waste recycling; system evolution; Haken model; recycling rate of e-waste corporation; disposal rate of e-waste

作者简介：曾鸣，女，博士，杭州电子科技大学管理学院副教授；余福茂，男，博士，杭州电子科技大学管理学院教授；苏程浩，男，杭州电子科技大学管理学院硕士研究生。

基金项目：国家自然科学基金“电子废弃物回收处理系统的多主体协同演化机理及政策研究”(71373064)；国家自然科学基金“责任主体能力配置优化下的电子废弃物回收责任分担政策研究”(70903021)；浙江省教育厅科研项目“基于协同进化的电子废弃物回收利用系统演变机理研究”(Y201432260)；杭州市哲学社会科学规划项目“电子废弃物生态回收的激励与约束机制研究”(D13GL17)

收稿日期：2014-12-10

中图分类号：X708

文献标识码：A文章分类号：1674-7089(2015)01-0020-07