河南省环境经济协调发展动态耦合评价——基于云模型的研究

李新杰

(中原工学院 a.经济管理学院； b.系统与工业工程技术研究中心， 郑州 450007)



河南省环境经济协调发展动态耦合评价
——基于云模型的研究

李新杰a,b

(中原工学院 a.经济管理学院； b.系统与工业工程技术研究中心， 郑州 450007)

摘要：在协同论的基础上，借鉴系统论中系统演化思想，构建了环境经济协调发展动态耦合模型，将云模型引入到环境经济协调发展的动态耦合评价中，对河南省1990-2012年间的环境经济协调发展状况进行了分析。研究表明：1990-2012年期间，河南省环境经济系统发展经历了螺旋上升的过程，由低级协调、共生发展，到相互胁迫、极限发展，直到演化至目前中度协调发展的状态。河南省环境经济协调发展动态耦合的过程表明，环境经济之间虽然存在矛盾，但通过相应经济手段、环境政策等外部条件的调节和干预，可以影响经济和环境序参量的演化速度及两者之间的相互关系，推进环境经济系统的有序演化。

关键词：环境经济系统；耦合度；云模型；协调发展

经济的快速发展，生态环境的急剧恶化，使环境系统和经济系统之间的耦合作用不断加强,环境与经济的协调发展成为人类社会可持续发展的决定性因素。许多综合性评价模型被应用到环境经济相互作用的研究中。吴跃明等以协同论和自组织理论为基础，提出了功效函数协调发展评价模型[1]；黄海峰等根据数理统计理论，运用变异系数法对环境经济协调发展状况进行评价[2]；张晓东等运用灰色系统理论的建模方法对环境经济系统协调发展度进行了评价[3]；于瑞峰等运用模糊数学中贴近度的概念定义协调系数，采用相对Hamning距离来测度区域协调发展程度[4]；乔标等则借助系统演化的思想分别对城市和农村地区的生态经济系统耦合度进行了动态的分析[5]。DEA模型、结构方程等方法也被运用到环境经济协调发展的研究中。现有研究虽然定量地分析了环境经济协调发展的关系，但偏重于对环境经济协调发展的静态评价，缺少环境经济之间耦合关系的动态度量。

基于上述研究背景，本文在协同论的基础上，建立环境经济系统的动态耦合模型，探讨河南省1990-2012年间环境经济系统的动态演变过程及耦合规律。“协调发展”本身是一个内涵明确、外延不清的模糊概念，为了解决以数值为硬性标准对“协调发展”进行判断的不合理性，本文通过云模型[6]来解决“协调发展”评价中的模糊性和不确定性问题，使评价结果更为直观、可信。

2基于协同论的环境经济协调发展的动态耦合评价模型

首先计算经济系统序参量的功效函数值，设经济系统序参量为X=(x1,x2,…,xn)，其中，xi是描述经济发展水平和运行机制的若干经济指标，βi

(1)

其中，U1(xi)∈[0,1]。当xi具有正功效时,如果xi>αi,则U1(xi)=1;xi<βi,则U1(xi)=10-6。当xi具有负功效时，xi>αi,则U1(xi)=10-6；xi<βi,则U1(xi)=1。

经济系统的有序度：

(2)

其中，ωi为经济系统中序参量指标xi的权重。C1(xi)∈[0,1]，C1(xi)越大，说明序参量对经济有序度贡献程度越高，反之越低。设环境系统序参量为Y=(y1,y2,…,yn),按照如上算法，可以得到环境系统的有序度C2(Yi)∈[0,1]。

经济和环境系统的变化过程是一种非线性变化过程[7],其演化方程可以表示为：

(3)

式中：i=1,2,…,n;f是xi非线性函数。

非线性函数可以在原点附近按泰勒级数展开，略去高次项，可以近似表达为：

(4)

因此，经济系统F(X)和环境系统G(Y)演化的一般函数可以表示为[8]：

(5)

(6)

式中：xj、yi分别表征两系统各指标的功效函数值；αj、βi为各指标的权重。

环境系统和经济系统可以耦合成环境经济复合系统，则环境经济复合系统的演化方程有：

(7)

(8)

式中：H和J为环境系统和经济系统受自身和其他序参量影响下的演化状态；VH和VJ分别是两系统各自的演化速度；环境经济复合系统演化速度V就是关于环境和经济演化速度的函数，V=f(VH,VJ)。

系统的演化过程是非线性的S型发展机制[9]。在系统内外因素的影响下，经济变化比环境更为敏感，因此经济的演化速度VJ要快于环境的演化速度VH，以VH和VJ为变量建立坐标系，V与VH的夹角θ满足:

(9)

通过θ的变化可以确定环境经济整个系统的演化状态以及子系统之间协调发展的动态耦合度。在演化周期内，整个系统将经历低级协调共生(I)、协调发展(Ⅱ)、极限发展(Ⅲ)、螺旋上升(Ⅳ)4个阶段[10]。具体见表1。

表1　经济与环境耦合动态模型分析和评判标准

注：评价标准划分参照文献[10]。

2河南省环境经济协调发展动态耦合分析

2.1评价指标的选取及数据量化处理方法

考虑到河南省特殊的省情，结合以往学者的研究[11]，最终确定由经济发展水平、经济结构、经济活力和经济效率等4个一级指标、12个二级指标综合组成经济系统评价指标体系，以及由污染物排放、环境污染治理和生态环境3个一级指标、 12个二级指标综合组成环境系统评价指标体系。具体见表2。分析数据主要来源于1990-2013年河南省统计年鉴、环境统计年鉴及全国统计年鉴，或通过间接计算得到。为了消除数据的数量级及量纲不同对分析结果的影响，本文对数据进行了标准化处理。对环境和经济序参量的下限指标主要参考1990年各项指标相应的数值，上限指标则参考河南省国民经济和社会发展“十二五”规划、河南省环境保护“十二五规划”以及国家平均水平标准和发达省份的标准，环境和经济序参量功效函数值的计算方法按照式(1)，各指标的权重采用客观赋权法-信息熵法来确定。

表2　河南环境经济系统协调发展评价指标取值范围及权重

2.2河南环境经济发展水平及耦合态势分析

1990-2000年，河南省经济系统F(x)的发展水平由0.02提高至0.12，保持了缓慢增长的态势，但始终朝着有序方向发展。2000年以后，河南经济系统发展呈稳定、快速的增长态势，经济活力、经济发展水平、经济结构和经济效率等指标对经济系统有序度的贡献都有明显提高，促使了河南经济系统从无序发展逐渐走向了新的有序结构。1990-2012年环境系统G(y)的发展轨迹与经济系统截然不同，呈现出波动缓慢上升的趋势。2001年以前，环境系统发展经历了波动上升的过程，但变化幅度不大，该段时间环境系统综合发展指数总体不高。2002-2008年，环境系统发展呈现出波动下降的趋势，环境污染排放的指标功效值下降幅度较大，推动了环境系统向无序方向发展。这期间河南经济飞速发展，随着经济的发展，污染物排放量刚性增加、结构性污染突出、污染防治水平较低等成为造成河南环境系统发展水平不高的重要原因。2009-2012年，河南省加快了产业结构调整，同时加强了自然保护区建设和管理工作，促使环境系统向有序方向的进一步发展。

通过对河南省环境系统和经济系统综合发展指数的计算，并对其演化过程进行非线性拟合，利用式(7)和式(8)分别求出环境(VJ)和经济系统(VH)各自的演化速度：

(10)

0.002t+0.023t2-0.107t+0.166(R2=0.713)

(11)

式中，t的取值范围为1～23，相应的年份为1990-2012年。通过式(9)计算出各个年份环境系统和经济系统的各自的演化速度以及两个系统之间的动态的耦合度。

模型计算结果显示：1990-1992年，河南环境经济的协调发展的耦合度处于第四象限，这一阶段经济发展缓慢，基本不受环境影响，两个序参量之间的耦合作用较小；1992-1994年，经济发展速度缓慢提升，环境发展速度下降，两者之间相互胁迫又相互影响，促使环境经济系统螺旋上升到一个新的发展状态；1995-1996年，经济高速发展，环境对经济的限制逐渐变小，环境经济之间的矛盾开始处于潜伏期；1997-2002年，河南经济序参量与环境序参量演化速度之间的夹角处于60°～90°之间，经济序参量对整个系统向有序方向发展的贡献逐渐增大，对环境已经产生了胁迫作用；2003-2006年，经济序参量演化进入高速期，经济发展给环境带来了破坏，环境与经济之间的矛盾日益突出；2007-2012年，河南省加快产业结构调整，大力发展循环经济，逐步解决了结构型污染问题，有效缓解了环境与经济之间的矛盾，促使了河南环境经济系统向协调发展的方向演化，经济序参量和环境参量演化速度之间的夹角重回[60°，90°]区间，环境与经济之间的矛盾依然存在。

3基于云模型的环境经济协调发展动态耦合评价

虽然有学者尝试用模糊数学来解决“协调发展”的模糊性问题，但建立隶属度函数过程非常繁琐。虽然隶属度函数解决了模糊概念的亦此亦彼性，但却忽略了隶属度函数本身的不确定性。环境经济协调发展评价首先要确定评价标准，即将“协调发展”这个定性概念划分成若干个数值区间；然后，根据模型的计算结果判断环境经济系统的发展处于何种状态。在环境经济协调发展动态耦合评价模型的基础上，应用正态云模型实现“协调发展”评价中定量数据与模糊性评估信息间的转换。云模型作为定性定量转换的不确定性模型，能够充分体现语言概念模糊性和随机性，是实现定性定量转换的有效工具[12]。

3.1确定云模型的定性概念集

云模型表示定性概念的转化算法如下：

(1)根据已有的评判标准，将定性概念用云模型的3个数字特征Ex(期望)、En(熵)、He(超熵)表示出来。En的确定有2种方法：①由于边界值是级别之间的过渡值，是模糊的边界，应同时属于对应的两种级别，即两种级别的隶属度相等；②3En准则[13]：云滴对定性概念的贡献主要集中在[Ex-3En,Ex+3En],而该区间之外的云滴对定性概念的贡献几乎可以忽略不计，因此En值等于两相邻等级的期望值差的三分之一。超熵是对熵不确定的度量，反映除了云滴的凝聚程度，可以根据En的大小，通过经验或者实验取值。超熵越小，云层的厚度越薄，反之越厚。

(2)确定出定性概念评判标准的云模型数字特征以后，利用前件云发生器计算出评价对象i对应于不同概念评价等级的隶属度矩阵，然后根据隶属度最大原则进行决策。

根据表1中的评价标准和上述算法，将定性概念用3个数字特征Ex、En、He表征出来，采用3En准则确定熵En的数值，超熵He的大小决定了结果的不确定性程度。取超熵He=0.05，将结果的动态性控制在一定的概率区间内。环境经济协调发展评价的6个等级的云模型数字特征如表3所示。

3.2基于云模型的河南环境经济系统动态耦合评价

根据1990-2012年河南省环境经济系统耦合度计算的结果和6个评价云，对于给定的任意年份的耦合度，可以通过云发生器分别计算出对于6个评价云的确定度，然后根据最大隶属度原则来判断其属于哪一个评价云团。与模糊数学的隶属度不同，云模型的评价结果是随机的，但这个结果必然在某一可接受的范围之内。随机的评价结果体现出了评价的不确定性，但其结果基本处于可接受的范围之内。

表3　环境经济协调评价云的数字特征

云模型评价结果显示:1990-2012年河南省环境系统与经济系统动态耦合演化过程大致分为4个阶段，与按照角度大小的评价结果相似的是，1990-1991年，河南环境经济系统处于低级协调共生区，2个序参量之间的耦合作用较小；1992-1994年，经济发展速度缓慢提升，环境发展速度下降，两者之间相互胁迫又相互作用，处于低度协调、胁迫发展阶段；1995-1996年，经济高速发展，环境对经济的限制逐渐变小，促使环境经济系统螺旋上升至一个新的发展状态。与按照角度大小的评价结果不同，虽然2003-2006年表征环境经济系统耦合度的夹角均大于90°，但根据最大隶属度原则，云模型的评价结果认为它们与2007-2012年处于同一发展阶段，属于环境经济中度协调、相互制约阶段，经济序参量对整个系统向有序方向发展的贡献逐渐增大，并对环境产生胁迫作用，环境序参量的演化速度开始牵制和制约经济序参量的演化速度。云模型对处于阈值区间的边界值的判断，比仅根据数值大小进行硬性判断更加科学和可信。

4结语

经济系统向有序方向的演化发展速度要高于环境系统。自1990年以来，河南省环境系统的发展呈曲折略微上升态势，而经济系统则保持了稳健的增长态势。2000年以后，经济系统发展在一定程度上制约了环境系统的有序发展，环境系统发展处于波动下降的趋势，而经济系统发展势头强劲。

(1)河南省现阶段环境经济系统基本处于中度协调发展的状态，这与河南省在“十一五”与“十二五”期间大力发展循环经济，强制取缔关闭能耗高、污染严重的企业，逐步解决结构型污染问题，把促进经济增长方式的转变作为环境污染总量减排的突破口和着力点是分不开的。

(2)环境经济动态耦合模型能够较好地反映区域环境经济交互胁迫和动态耦合的演变过程。在现阶段，河南省环境与经济之间矛盾依然存在，环境经济系统尚未演化至高度协调、均衡发展的阶段。但是，只要能正确认识环境系统与经济系统交互影响的动态耦合规律，并经过经济手段、环境政策等外部条件的调节和干预，就可以影响经济和环境的演化速度、方向以及两者之间相互关系，使之协调发展。

(3)在环境经济协调发展动态耦合评价模型的基础上，应用正态云模型实现“协调发展”评价中定量数据与模糊性评估信息间的转换，克服了经典数学仅以数值为硬性标准进行评估、判断的片面性，实现了对模糊概念的亦此亦彼性的判断，为环境经济部门运用经济手段、环境政策进行调节和干预提供了判断依据。

参考文献:

[1]吴跃明,郎东锋.环境-经济系统协调度模型及其指标体系[J].中国人口.资源与环境,1996.6(2):47-48.

[2]黄海峰.珠三角地区环境与经济系统发展研究及GIS技术应用[D].北京：中国科学院，2006.

[3]张晓东，朱德海.中国区域经济与环境协调度预测分析[J].资源科学，2003，25 (2): 2-6.

[4]于瑞峰，齐二石． 区域可持续发展状况的评估方法研究及应用[J].系统工程理论与实践，1998，18(5): 1-6.

[5]乔标，方创琳．城市化与生态环境协调发展的动态耦合模型及其在干旱区的应用[J].生态学报，2005，25 (11): 3003-3009.

[6]邸凯昌,李德毅，李德仁. 云理论及其在空间数据发掘和知识发现中的应用[J].中国图象图形学报,1999,4(11):930-935.

[7]Li C M, Ding L Y. Study of Coordinated Developmentmodel and its Application Between the Economy and Resources Environment in Small Town[J].Systems Engineering-theory& Practice, 2004, 24(11): 134-139.

[8]Bertalanffy L V.General System Theory-Foundation,Development,Applications (Reversion edition) [M].New York:George Beazitler, 1987:27-28.

[9]徐学荣，吴组建.可持续发展通道及预警研究[J].系统工程理论与实践,2003,33 (2): 31-37.

[10]韩瑞玲.沈阳经济区环境与经济协调发展研究[D].长春：中国科学研究院东北地理与农业生态研究所,2012.

[11]周荔，盖美. 辽宁资源环境经济协调发展可变模糊识别研究[J].地域研究与开发,2009(5):42-46.

[12]邓红莉，杨韬.基于云模型的复杂仿真系统评估方法研究[J].科技与生活，2010(12):18-7.

[13]李德毅.知识表示中的不确定性[J].中国工程科学，2000,2(10)：73-79.

(责任编辑：陆俊杰)

The Dynamic Coupling Analysis for Coordinated Development of the

Environment and Economy of Henan: Based on Cloud Model

LI Xin-jie

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007, China)

Abstract:Based on synergetic theory and general system theory, the comprehensive evaluation analysis of the coordinated development between environment and economy of Henan province is conducted with the comprehensive efficiency of coordination degree model, the dynamic coupling degree model and cloud model. The research results indicate that from 1990 to 2012, the coordinated development between environmental and economic system of Henan province has undergone a process of spiraling climbing-the environmental system and economic system from the low-level coordination, symbiotic development stage, to the two order parameters of the environment and economy mutual coercion, interaction until the system evolution to a new development state. The environmental and economic system of Henan province has evolved to a state of moderate coordinated development from the low-level coordination development in early 1990’s. However, the contradiction between the environment and economy of Henan province still exist, which should adjust and intervene by corresponding economic measures, environmental policy and other external regulations to influence the evolution rate, direction and the interaction of economic parameters and environmental parameters and promote an orderly evolution for environmental and economic system.

Key words:system of environment and economy； coupling degree; cloud model； coordinated development

中图分类号：F019;X196

文献标志码：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.05.008

文章编号：1671-6906(2015)05-0028-06

作者简介：李新杰(1981-)，女，河南新乡人，讲师，博士，主要研究方向为环境经济。

基金项目：国家自然科学基金项目(71173248)；河南省软科学项目(132400410204) 河南省教育厅人文社会科学研究项目(2015-GH-087)

收稿日期：2015-06-17 2015-06-20