全 文 ：第30卷第6期 生态科学 30(6)：659．666
2011年11月 EcologicalScience Nov．2011
王志风，刘宁，姜晓晴，温剑锋，陆根法，郭忠兴．生态产业共生系统仿真研究【J】．生态科学，2011，30(6)：659-666．
WANGZhi·foag，LIUNing，JIANGXiao-qing，WENJian-foag，LUGan-fa,GUOZhong-xing．Researchonthsimulationof
0C0-industrysymbiosissystem[J]．EcologicalScience，2011，30(6)：659-666．
生态产业共生系统仿真研究
王志凤1，一，刘 宁2，．，姜晓晴2”，温剑锋2，．，陆根法“，郭忠兴1
1．南京农业大学公共管理学院，南京210095
2．南京大学环境学院，南京210093
3．江苏经贸职业技术学院，南京210007
4．污染控制与资源化国家重点实验室，南京210093
【摘要】通过ABM方法研究生态产业共生系统，利用STARLOGO软件平台，并结合案例分析生态产业共生系统的宏观规律。
研究结果表明，(1)对于规模相当的不同的生态产业共生系统，在资源输入一定情况下，直接利用输入资源的企业总规模大于
对系统内废弃物再利用的企业总规模是有利于系统稳定的；(2)对于特定的生态产业共生系统，系统稳定性对系统参数改变时
的敏感性是不一样的，其中对污染物产出指标最敏感，对污染物产生量与系统产出的比例关系其次，对资源输入指标最不敏感；
(3)系统时间序列稳定性的变化主要由节点处企业II的不稳定性导致。
关键词：生态产业；共生系统；仿真；STARLOGO
doi：lO．3969／j．issn．1008．8873．2011．06．018中图分类号：X32 文献标识码：A 文章编号：1008·8873(2011)06-659-08
Researchonthesimulationofeco-industrysymbiosissystem
WANGZhi-foa913，LIUNin924，JIANGXiao-qin92，．，WENian-foa924，LUGen-fa2，4，GUOZhong-xingt
J．CollegeofPubicAdministration,NanjingAgriculturalUn versity,Nanfin9210095,China
2．EnvironmentalSchoolfNanjingUniversity,Nanjing210093，China
3．JiangsuIn tituteofEconomicandTradeT chnology,Nanjin921000LChina
4．StateK yLaboratoryofPollutionControlandResourceReus ,Nanjing210093，China
Abstract：Eco-industriessymbios ssystemis tudiedbyABMmethodanthesoRwareplatformisSTARI．OGo．Thencombinedwith
casestudy,macroscopiclawofeco-industriessymbiosisystemisanalyzed．TheresultsareasfoHows．(1)Fordifferentoco-industry
symbiosissystemsofnearlythesamesize，intheconditmnthatr既oulceinputiscertain，thesystemismolestablewhoathetotalscale
ofoaterpfiseusinginputresourcedir ctlyislargerthanthatrecyclingco taminants．(2)Forhespecific∞．,o-industrysymbioticsystem,
thesensitivityofsystemstabilityd fferswithchangingofsystemparameters．Itismossensitiveotheindexofcontaminantinput，
followedbytheratiorelationshipofproductionamou tfcontaminantsandsys eminpuLanditisnotsensitiveotheindexofresource
input．(3)Thechangeofstabilityofs stemtimeseriesismainlyduetotheinstabilityofenterpriseII．
Keywords：eco—industry；symbiosissystem；s mulation；STARLOGO
收稿日期：201I-1．24收稿
基金项目：国家重大科技支撑计划项目(2006BAC02A18)
作者简介：王志风(1972一)，女，博士研究生，从事公共政策与农村发展、土地经济与管理研究．
·通讯作者，刘宁，E-mail：liuning@nju．edu．∞
万方数据
1引言(Introduction)
对生态产业共生系统宏观规律的认识和运用是
对其进行优化与调控的关键。基于主体的建模与仿真
在研究动态仿真系统宏观规律时有它特有的优势，因
此在研究此类问题中日益受到重视。本文提出基于主
体的建模来研究生态产业共生系统的稳定性，从而为
生态产业共生系统的优化与调控提供理论基础。
2基于主体的建模研究进展(Theresearch
progressofAgent-BasedModeling)
2．1基于主体的建模
ABM(Agent-BasedModeling，基于主体建模)方
法源于20世纪60年代，主体(Agent)概念是它的
基本出发点。它的主动性、适应性以及与环境的相互
作用，使其从根本上区别于传统模型方法中的元素和
子系统。HollandJ首先从遗传算法(GeneticAlgorithm)
的角度提出这一思想【l】。很快地，经济学家就把它应
用于经济系统的研究中。随后，这一思想迅速引起学
术界各领域的广泛注意和积极响应【2钏。90年代，
HollandJ在其代表作《隐秩序》和《涌现》中进一
步把这一思想系统化为复杂适应系统理论。随着计算
机应用，尤其是分布式计算的普及，通过对个体行为
准则进行建模，创建仿真环境的方法在教学和科研上
逐渐受到重视。这种建模方式被称作基于主体的仿建
模(Agent-BasedMod ling)[5-7]。90年代中期，ABM
思想迅速传播，被应用于许多学科并取得显著进展。
在经济学研究领域，美国SANDIA国家实验室的
ASPEN系统运用先进的计算机和通信技术，构造了
基于主体的美国宏观经济模型，描述了数以万计的企
业以及银行、政府等多种利益主体的相互关系和影响，
模拟了整个美国经济的发展轨迹，在计算机的环境中
观察到了经济发展的循环和波动等许多符合客观现
实的情况，引起全世界的广泛关注【8】。此外，赵纯均
和华立借助多主体系统计算机仿真方法，研究了短缺
经济下个体的选择、竞争与适应行为以及制度的进化
过程，成功地解释了占座、啤酒专卖区、专利技术等
一系列社会经济现象【9]；在生态学研究领域，周登勇
等在自行开发的COMPLEXITY平台上仿真了蚁群
觅食行为【lo】；在人工智能和计算机软件领域，面向
主体，特别是面向多主体的软件系统设计和开发新方
法已经得到了学术界和企业界的广泛关注。
2．2工业生态系统建模
生态产业共生系统的建模研究，主要集中在基于
数学模型开发系统管理规划软件包。随着各种基于主
体的仿真软件平台的开发，用仿真手段研究生态产业
共生系统开始起步。Bailey(1997)以卡伦堡工业生态
系统为研究对象，建立系统动态响应模型，并在此基
础上构建了一个多目标线性规划模型11】：优化目标包
括成员之间物料和能量的供应与需求间偏差最小、整
个系统的废物排放最小；优化变量是各控制变量，如
蒸汽产生速率、蒸汽调整时间等；园区负担费用最小
化、净收入最大化、创造更多就业机会等。王曙光
(1998)提出了一个最小排放社区决策支持系统的多
目标混合整数非线性规划模型。模型的整数变量用以
表示项目的投资与否，受投资总额的约束；模型的非
线性简单地体现在某一分目标函数(就业目标)上及
与整数变量结合的一些约束上【12】。
3基于STARLOGO软件的生态产业共生仿真
(TheSimulationofEco-industrySymbiosisSystem
basedonthesoftwareSTARLOGO)
3．1概述
本文基于ABM方法在软件平台STARI．OGo上构
建生态产业共生系统模型，然后结合案例研究生态产
业体系中企业以及企业间、产业间的互动关系，从而
分析得到生态产业共生系统稳定性方面的宏观规律。
STARLOGO是由麻省理工学院(Mrr)多媒体实
验室开发的一个免费的可编程软件平台，它采用的
是基于主体的建模B3]，可用于研究由多个主体组成
的复杂适应系统的运行机制。其中，“主体”是一只只
的海龟(Turtles)，我们可以并行地控制数千只海龟的
行为和它们的相互作用，同时可为它们设定专有属性
和特征；主体所处的“环境”则是用点(Patches)来表现
的，Patch也可以执行STARLOGO的命令，作用于
Turtle和其他Patch。数千个点拼成一块大的背景
(canvas)，代表着主体所处的大环境系统：观察者
(Observer)能够观察和监控现有海龟和点的活动，并
能创建新的海龟【141。
为便于研究，将模型中的主体(Agent)设定为两
类企业：利用资源进行生产并排出污染物的企业(简
称企业I)和对企业I产生的污染物进行循环利用的
企业(简称企业II)。
万方数据
6期 王志风，等．生态产业共生系统仿真研究 661
3．2仿真的假设条件
本文假定外输入系统的资源消耗不变，这种情况
下更利于研究和得出没有外部输入干扰的系统稳定
性的一般性规律，其他假设条件如下：
i．企业t时刻的产出Qf和其t时刻的投入K符
合幂律关系【7】；
ii．企业t时刻的产出Qf和其乒l时刻的污染物排
放Rl符合负幂律【15】；
iii．企业投入中所有符合相同指数幂律关系的用
同一个变量K表示，所有不符合相同指数幂律关系
的变量统一归入一个常数A中。这样，在模型设计
中只考虑企业投入中符合相同指数幂律关系的单变
量；
iv．f-1时刻的污染物的排放瓦1和t-1时刻的产出
Qf．1存在线性相关，这个线性相关系数为A。
上述四个假设用数学方程描述见式(1)、(2)和(3)。
Ql，，=Ax(Kl，，)。xe一鸺‘1(1)
Q2，，=Ax(zK2，，)“xe一肛一1 (2)
E一1=Q—l×兄 (3)
其中：A一常数，指系统中所有K中不符合相
同指数幂律关系的量：
局．，一节点处企业I的所有符合相同指数幂
律关系的变量的乘积；
局。一节点处企业II的所有符合相同指数幂
律关系的变量的乘积；
)，一调整系数。考虑到企业II对污染物循环利
用，相对企业I对资源的直接利用而言，其资金或技
术等因素的投入会更大，相应的，在相同投入的情况
下，企业II对污染物循环利用的产出率小于企业I对
资源利用的产出率；
A一企业污染物产生量和企业产出的线性相关
系数；
6t，卢一计算企业生态效率时的相关指数，a反
映了资源投入和产出的幂关系，口反映了污染物和产
出的负幂关系；
0Q1f一企业I在t时刻的产出；
Q，，一企业II在t时刻的产出；
3．3仿真的思路
本文模型仿真的思路如下：
i．用产出9来反映节点处企业I和企业II的生
态效率；
ii．通过节点处企业I和企业II的行为描述，反
映产出Qf表示的生态效率中各要素的作用机理；
iii．用STARLOGO软件的plot功能输出整个仿真
期内时间序列的系统生态效率、系统生态效率的时间
均值和系统生态效率时间序列的标准差，上述3个值
用数学方程描述如下：
％=％导 ∽
f=N
一∑Q，，——‘一‘7^’fg=』三铲
其中：
幺。，一t时刻系统单位输入的产出；
N 一一个仿真期内的离散取样个数，它用
幺，，值的输出个数表征：
西一一个完整的仿真期内(从卢l到仿真
结束时刻)，Q_，，对时间的代数平均值；
“ 一幺，r标准差，用于检验幺，r对均值芴偏
离的程度，它反映系统的稳定性。
3．4仿真的目的
在上述思路下，本模型动态仿真节点的行为和生
态效率各要素间的作用机制，通过STARLOGO软件
plot功能输出达到下面三个目的：
i．企业总数一定的情况下，通过调整企业I和
企业II的比例，根据模型输出的U值，研究企业I和
企业II的比例发生变化对系统稳定性的影响；
ii．企业总数及企业I和企业II的比例都一定的
情况下，通过调整生态效率中各要素的系数，研究系
统的宏观规律；
万方数据
iii．企业总数一定，企业I和企业II的比例一定，
研究生态效率中特定要素的不同取值时的系统宏观
规律。
3．5程序实现
3．5．1乌龟
模型的主体——生态产业共生系统节点处的企
业以乌龟来代表，设置乌龟有两种属性：乌龟I代表
节点处的企业I，乌龟11种代表节点处的企业Ⅱ。
3．5．2点
在程序中以“点”代表资源和污染物，故设置它
的两种属性：一种代表资源，另一种代表污染物。当
污染物点被作为资源循环利用时就是环境经济系统
中外部性问题内部化思想的体现，这也是系统中基于
污染物循环利用的新供需关系的开始，系统在这种供
需关系及市场规律的作用下会趋于一种动态平衡。我
们希望构建适应环境经济约束条件且稳定平衡的循
环经济体系，但大多数情况下，人为构建的这种污染
物循环利用关系达到一定的平衡时，稳定性往往较差，
这将最终导致污染物循环利用产业链的瓦解。因此，
研究生态产业共生系统的稳定性特点以便更好地为
循环经济建设服务，是本文的出发点及仿真研究的核
心内容。
3．5．3观察者
以它为中心的正方形区域内，乌龟II的搜索范围也只
能在以其为中心的正方形区域内，这两种正方形区域
的边长通过初始值设定，在整个仿真期内不变。
仿真期间，乌龟I对资源点的消耗采用随机函数，
虽然设定随机函数的取值区间不变，但是从统计的角
度看，在每个离散的时间间隔内，乌龟I消耗资源点
的总量仍会出现一定范围内的波动，因此，本模型中
需计算每一个离散时间间隔内单位输入的产出，以避
免资源消耗随机函数的误差。
4模型应用分析(Theapplicationsandanalysisof
themodel)
4．1模型应用I
应用1分析在企业总数不变时，不同企业比例对
系统稳定性的影响。取企业总数100(口=100，企业
I和企业Ⅱ的数量分设为al和a2)，a--O．1、B=o．02、
7=0．5，A=O．21，t=40。根据系统输出，图l中显示
出u／历在不同企业比例(alJaz)时的变化曲线如下：
O．2
0．15
O．1
观察者通过调整参数纵声、)，和五来观察系统瓦 。瞄
和Ⅳ的变化规律，从而实现对系统宏观稳定性特征的
把握。为了便于研究不同瓠∥、y和A取值对系统稳
定性的影响，在仿真模型里，将瓠卢、)，和五取值设
置成可调，且o<，，，旯，％B假设和初始条件时，仿真案例的初始设定令a、声、)，
和A取有代表性的定值，且在整个仿真阶段保持不变。
2．6．4初始状态
局J值的设定采用随机函数，即设定乌龟I对资
源点的消耗量为0到某个定值，随机分布，在整个仿
真阶段的每个离散时间的初始时刻都随机取值。岛．，
值由乌龟II搜索到的污染物点量决定。
t=O时，污染物点为零，资源点平均分布(且在
整个仿真过程始终平均分布)。乌龟的初始位置及运
动方向随机分布，运动速度不变。
产生污染物的乌龟I产出的污染物点只分布在
O
卜
一
．?———～—-／
9 4 2．3 1．5 l O．7 0．4 0．17 O．1
不同乌龟比例
differentproportionofcnterprisos
E三亟囹
图1u／孬输出值随不同企业比倒时的相应曲线
Fig．1thecurveofoutputvaluesu／历withdifferent
proportionofenterprises
由图1可见，aJaz甜／历>10％并逐渐呈上升趋势；而当口／a：≥l时，随着
口l逐渐增加，材／历<10％并保持基本不变。本文用
“／孬作为反映系统相对平衡的波动指标，其大于
10％，则认为系统相对平衡位置波动较大，系统稳定
性较差，反之系统稳定性较好。总体看来，对于企业
总数一定的生态产业共生系统，企业I的数量大于企
万方数据
6期 王志风，等．生态产业共生系统仿真研究 663
业II的数量有利于保持系统的稳定。
因此，对于特定的工业园区，在企业总数不变情
况下，需控制企业I和企业II的数量比例，即保证利
用资源生产并产污企业的数量大于园区内“静脉企业”
的数量，这样才有利于生态产业共生系统的稳定。
4．2模型应用Ⅱ
4．2．1伍、B、丫和九值对系统幺值和u的影响
初始值设定如下：企业总数和比例一定(口=100，
口l：口2=80：20)，a=O．2，D=o．02、】，=0．5和2=0．21，
t=40。
当，参数a、声、】，和A分别取不同值而系统的其
它参数不变时，对系统的稳定性都会产生影响，模型
的甜／历输出见图2、图3、图4和图5。
／／
。／
●——p一’
O．1 0．2 0．3 0．4 0．5 0．6 0．7 0．8 0．9
a
E三亟困
图2√历输出值随不同a值时的相应曲线
Fig．2恤ecunreofoutputvmuesⅣ／历喇tlIm旬fe忡毗a
，一一—k、，
／
／
／／。
O．02 0．04 0．06 0．08 0．1 0．12 0．17 0．27
p
广———————————]I十u比QA的均值I
图3“／孬输出值随不同p值时的相应曲线
Fig．3恤ecunreofoutputvmues√孬w油mafe托ntp
4．2．2结果分析
由图2、图3和图5仿真的输出结果可见，当
／＼．．／～··＼
0．1 O．2 O．3 O．4 0．5 O．6 0．7 O．8 0．9
YF二硐
图4“／历输出值随不同丫值时的相应曲线
Fig·4thecurveofoutputvaluesu／历withdifferent丫
／
。，／
／’
。
，—一
／／
0．1l O．2l 0_3lO．41 0．51 O．6l O．7l o．81 0．91
九Fi碉
图5甜／历输出值随不同刈宦时的相应曲线
Fig·5thecurveofoutputV砒u铭u／历withdifferentL
口<0．5，∥≤0．02，旯<0．2时，Ⅳ／历<10％，利于系统
稳定；而当a、卢和A取值超出上述范围时，”／历曲
线快速上升，且大于10％。图4中”／孬曲线较平缓，
且甜／孬值都小于lO％，说明)，的变化对系统的稳定
性影响很小。
由此可见，系统的稳定性对口的变化最敏感，其
次依次为A，仅，)，。因∥和A对应的是污染物排放相
关，a对应着资源消耗相关，这表明关注工业园区的
资源消耗固然重要，但其污染物排放更不容忽视。因
此，对于特定的工业园区，在企业总数以及企业I和
企业II间的比例都一定时，从工业园区循环经济系统
稳定性的角度考虑，首先需预防修的取值偏大，即控
￡!
¨
腮
∞
舛
g|
o
c；
●
m
仉
m
仉
4
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O
O
O
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O
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O
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叭
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仰
5
4
3
2
1
O
O
O
O
O
O
万方数据
制污染物产生量以初步保证工业园区的稳定性，还必
须保证污染物产生量与系统产出的比例合适，将污染
物的排放水平控制在一定的范围内才可以确保工业
园区的可持续发展。
4．3模型应用Ⅲ
在应用III中将分析上述对同一个参数取不同值
时，系统稳定性存在差别的原因。为此，根据图2～
图5中系统输出结果，图乱图lO分别给出了在仿真
期内，参数a，口，A取有代表性的值(对应系统稳定
和不稳定状态的值)时，系统状态的输出瓦。
由输出图形可以看出，参数的不同取值使系统的
稳定性出现以下三种情况：
、_
一、图8反映了p=0．17时，系统输出幼在整
个仿真期内振荡都较强烈，系统稳定性较差；
i
二、图10反映了A=0．91时，系统输出幼在仿
真期的初始阶段振荡比较强烈，后逐渐趋于稳定；
三、其它几个输出图形说明，在这样的参数取值
时，系统稳定性较好。
针对上述三种情况，在图1l～图13中再分别画
出其对应的企业II的输出，以便进一步研究系统稳定
性和节点稳定性的关系，从而解释系统稳定性存在差
异的原因。
将图11、图12、图13分别与图7、图9、图10
相对照，可见，节点时间序列稳定性的变化特征与系
统宏观稳定性的时间序列变化特征一致。因此，对于
资源消耗一定的生态产业共生系统而言，其系统稳定
性主要由节点处企业II的稳定性决定，利用统计分析
方法和建立节点离散模型得出的结果都可验证这一
结论。由此可知，节点的时间序列稳定性一定程度上
决定了系统宏观的稳定性。
5结论(Conclusion)
本文通过STARLOGO软件实现对生态产业共生
系统的动态仿真，并通过模型的三个应用，侧重对系
统不同情况下的宏观规律(时间序列的稳定性)分别
进行研究。结果表明：
(1)对于规模相当的不同的生态产业共生系统，
在资源输入一定的情况下，直接利用输入资源的企业
总规模大于对系统内废弃物再利用的企业总规模是
有利于系统稳定的；
∞
、
如
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Fig．6outputofewhena罱o．1
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万方数据
6期 王志风，等．生态产业共生系统仿真研究 665
30
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图132=0．91时企业Ⅱ输出纵
Fig．13outputofenterpriseIIQ知when2----0．91
例关系其次，对资源输入指标敏感性最弱。
(3)系统时间序列稳定性的变化主要是由于节
点处“静脉企业”的不稳定性导致。
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子蟹涵状幼体的急性毒性[J】．集美大学学报，2008，13(4)：
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万方数据
生态产业共生系统仿真研究
作者： 王志凤， 刘宁， 姜晓晴， 温剑锋， 陆根法， 郭忠兴， WANG Zhi-feng， LIU Ning， JIANG
Xiao-qing， WEN Jian-feng， LU Gen-fa， GUO Zhong-xing
作者单位： 王志凤,WANG Zhi-feng(南京农业大学公共管理学院,南京210095;江苏经贸职业技术学院,南京
210007)， 刘宁,姜晓晴,温剑锋,陆根法,LIU Ning,JIANG Xiao-qing,WEN Jian-feng,LU Gen-fa(南
京大学环境学院,南京210093;污染控制与资源化国家重点实验室,南京210093)， 郭忠兴,GUO Zhong-
xing(南京农业大学公共管理学院,南京,210095)
刊名： 生态科学
英文刊名： Ecological Science
年，卷(期)： 2011,30(6)

参考文献(14条)
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