港口陆路集疏运系统的演化机理

刘沛 穆东

摘要：基于复杂系统演化理论，分析港口陆路集疏运系统在基础设施投资政策下的演化机理和政策效果。将基础设施投资政策视为系统的他组织作用，建立系统的演化模型，通过分析系统在政策他组织作用下能否演化至有序状态来判断政策的有效性。以曹妃甸港集疏运系统为例，结果表明：投资公路基础设施不能促使系统向有序状态演化；应首先投资铁路基础设施，以提高铁路运输的竞争力、构建铁路运输与公路运输间合理的竞合关系，有助于促使系统向有序状态演化；码头泊位设施的投资也应在铁路基础设施投资的基础上实施。

关键词：港口陆路；集疏运；政策；演化机理；他组织

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2016.06.26

中图分类号：F503 文献标识码：A 文章编号：1001-8409（2016）06-0119-05

Abstract：Based on the evolution theory of complex systems， this paper studies the evolutionary mechanism of Port Collecting and Distributing System （PCDS） under Infrastructures Investment Policies （IIPs）. An evolution model of PCDS is developed， taking IIPs as the effect of heteroorganization， for evaluating the effectiveness of IIPs. Analysis is conducted for the case of Caofeidian PCDS. Results show that investment on highway infrastructures is not helpful to the evolution of the system. In contrast， investment priority should be on rail infrastructures as it will help to establish a more reasonable competitive relationship between rail and highway transportation. Investment on dock facilities should be implemented after rail investment.

Key words：port； collecting and distributing； policy； evolution； heteroorganization

1引言

港口陆路集疏运系统是通过铁路、公路等陆路运输方式将腹地货物集中到港口交船舶运出或将船舶运进港口的货物疏散到腹地的运输系统。目前我国部分港口陆路集疏运系统存在运输和码头装卸能力不足的问题，需要对系统的公路、铁路、码头泊位等基础设施进行投资以提高系统通行能力[1]。但是由于投资预算往往有限，因此投资政策必须具有针对性，以针对限制系统整体通行能力的瓶颈环节做出有效改善。在此背景下，如何评价各备选投资政策并筛选出具有针对性的有效政策成为首先需要解决的问题。

现有的运输政策评价方法多采用成本收益分析法[2～4]，此外还有结构方程法[5]，双层规划法[6]和计量经济模型法[7，8]等，但是这些方法没有考虑政策对系统随时间变化的影响，即政策评价模型是静态的[9]。从复杂系统视角看，静态模型的局限性是没有考虑系统构成要素间相互关联引起的政策次生效应[9]，而动态模型，如生态演化模型、系统动力学模型等，通过描述系统构成要素的互动作用、分析系统随时间的演化机理，使管理者更全面地理解系统的动态行为并发现系统结构存在的问题[10]。从复杂系统视角看，政策具有强制性并自上而下实施，具有明显的他组织特性[11]，因此可以通过分析系统在政策他组织作用下的演化机理来评价各备选政策，并识别出有效政策——即能够改善系统结构，促使港口陆路集疏运系统向运输、码头装卸等各环节能力匹配、各运输方式协调发展的有序状态演化的政策[12]。现有的针对货物运输系统演化机理的研究大多仅考虑系统内部的自组织作用[13～17]，考虑外部政策的他组织作用的研究很少。虽然有文献[15]、[16]等考虑了政策要素，但被划入系统内部作为自组织作用之一，而要单独分析政策对系统演化的影响，并且制定促使系统向有序状态演化的政策，则政策要素需被视为系统之外的他组织作用。

本文将港口陆路集疏运系统的基础设施投资政策视为他组织作用，借鉴生态演化模型建立系统在政策他组织作用下的演化模型，通过分析不同政策对系统演化走势的影响评价各备选政策，并筛选出促进系统向有序状态演化的有效政策。结论有助于管理者发现系统结构存在的问题，并制定针对性的基础设施投资政策，达到改善系统结构，促进系统发展的目的。

2基础设施投资政策下港口陆路集疏运系统的演化模型

21模型假设

（1）港口陆路集疏运系统的运输方式只考虑铁路运输和公路运输，不考虑原油、液化天然气等物资涉及的管道运输。

（2）除运输环节外，系统涉及的其他作业环节只考虑码头装卸和堆场堆存环节。

（3）系统之外的区域腹地经济系统有充足的货运需求，且不考虑外部经济的偶然因素对系统的影响。

22演化模型

港口陆路集疏运系统的演化过程经历产生、发展、稳定等阶段，与自然界生物种群的进化过程类似，因此可以借用种群演化模型研究港口陆路集疏运系统的演化过程[18]。考虑两个种群的情形，以x1（t）、x2（t）表示种群规模，两种群间存在共生、竞争、互利、捕食、寄生、偏利、偏害等7种相互作用，其中本文涉及共生、竞争、互利关系，演化模型如表1所示[19]。

dx2（t）dt=r2x2（t）（1-x2（t）N2+k2x1（t）） 其中，ri（i=1，2）表示理想条件下第i个种群的自然增长率，括号内多项式表示种群所受的其他作用的影响，其中第一项表达自然增长率的正负；第二项为饱和项，Ni（i=1，2）是第i个种群的最大容量；第三项为种群间的相互作用项，ki（i=1，2）是表示作用强度的控制参数。

借鉴种群演化模型建立港口陆路集疏运系统的演化模型。首先识别系统所包含的子系统以及反映子系统发展变化的状态变量，如表2所示。

x4（t）港口陆路集疏运系统的演化是系统固有结构引起的自组织与外部政策的他组织复合作用的结果。其中自组织作用有3种：①共生。集疏运活动需要线路和节点子系统的协作配合，任一线路和节点子系统都不能离开对方而独立存在，故存在共生关系。②竞争。铁路与公路运输在一定程度上具有可替代性，因此存在竞争关系。③互利。如果线路子系统的货运量增加，则码头吞吐量增加，同时需匹配更大的堆存能力，反之亦然，因此各线路与各节点子系统间存在互利关系。他组织作用方面，政策的他组织作用表现在可以改变自组织作用的强度，反映在演化模型中表现为可以改变相互作用项的控制参数的大小。

总结上述分析，3种自组织作用在系统内同时存在，因此在表1共生模型的基础上，加入竞争和互利模型的相互作用项，并将受政策影响的相互作用项的控制参数设为他组织变量，得基础设施投资政策下系统的演化模型为：

其中，kij（i，j=1，2）为第i种运输方式对第j种运输方式的竞争系数；μi（i=1，2）是码头吞吐量对第i种运输方式运量的影响系数；φi（i=1，2）是码头堆存能力对第i种运输方式运量的影响系数；σ是总运输量与码头吞吐量的互利系数；δ为码头吞吐量对码头堆存能力的影响系数；β是总运输量对码头堆存能力的影响系数。

本文考虑公路、铁路、码头泊位3类基础设施投资，对应的模型（1）中有3个控制参数受到影响，设为他组织变量，如表3所示。

表3演化模型对不同政策他组织作用的反映

政策措施政策效果政策对应的他组织变量变化公路设施投资公路对铁路竞争力增强公路对铁路竞争系数k21增大铁路设施投资铁路对公路竞争力增强铁路对公路竞争系数k12增大码头泊位设施

投资装卸能力增强，吞吐量

增加码头对运输互利系数σ增大23基于稳定性分析的系统演化方向辨别与政策评价

政策的他组织作用应推动系统向有序状态演化。有序状态是一种远离平衡态的相对稳定的耗散结构状态[11]，因此可以通过分析政策对应的他组织变量的变化能否使模型（1）达到非零解的局部稳定来判断能否使系统达到稳定有序状态[20]，以此评价政策的有效性。具体分3个步骤。

步骤1：将受政策影响的控制参数k21，k12和σ设为他组织变量。

步骤2：计算模型（1）的非零解达到局部稳定时他组织变量需要满足的条件。由于模型（1）涉及的状态变量较多，不利于稳定有序条件的计算，根据协同学理论，系统的序参量在演化过程中具有支配地位，故首先根据模型（1）中弛豫系数ri的大小确定序参量，利用绝热消去求出序参量的演化模型[20]，然后计算序参量演化模型的稳定有序条件。考虑含两个序参量xo1（t）和xo2（t）的情况，演化模型一般形式不妨表示为：

3案例：曹妃甸港集疏运系统的演化机理与政策评价

曹妃甸港集疏运系统的主要物资为煤炭和铁矿石，其中煤炭主要通过铁路集港，铁矿石通过公路疏港。由于货流量逐年增大，目前系统的运输和码头装卸等环节已存在较大压力，当地政府拟对系统的基础设施进行投资扩建以缓解目前的运输压力，下面分别分析投资公路、铁路、码头泊位3类设施时系统的演化机理和政策效果。

31系统的稳定有序条件

曹妃甸港集疏运系统稳定有序条件的计算分3个步骤。

步骤1：根据各状态变量的历年值估计模型（1）的弛豫系数ri（i=1，2，3，4）的值，以确定序参量。通过实地调研获取了各状态变量的历年值，起始年取曹妃甸港开始运营的2008年。考虑到系统运营时间较短，各状态变量历史样本量较少，因此采用灰关联分析法，利用其对样本量和样本规律要求低、计算量小的优点[22]，确定弛豫系数的值，得r1=148，r2=091，r3=088，r4=103，其中r2、r3相对较小，对应确定公路运输量x2（t）和码头吞吐量x3（t）为系统的序参量。

步骤2：利用绝热消去求出序参量的演化模型。将受政策影响的控制参数σ，k21和k12设为变量，固定其他控制参数的值，利用绝热消去求得序参量x2（t）和x3（t）的演化模型为

所示。图1系统当前状态点与稳定有序空间的相对位置图1显示：w*处于稳定有序空间之外，表明曹妃甸港集疏运系统目前没有处于稳定有序的运行状态，系统结构存在问题，因此当地政府进行基础设施投资是必要的。然而将有限的预算投向哪类基础设施能够解决系统存在的问题需进一步分析。

32基础设施投资政策下系统的演化机理和政策效果

321投资铁路基础设施

由图1可见：由于w*沿k12轴的位置过低，即k12值过小，导致系统处于无序状态，即系统存在的主要结构问题是铁路对公路的竞争力过低。对系统的调研验证了这一结论，调研发现目前系统的铁路运输量仅占货运总量的382%，对于以煤炭、铁矿石等大宗散货为主的曹妃甸港集疏运系统，铁路货运分担率显然过低。这也造成公路货运压力过大，而且公路车辆在利益驱使下多选择超载运输，公路和桥梁因此受到严重破坏，设施维护费用居高不下。

投资铁路基础设施能为更多的货物实现铁路运输创造条件，可增强铁路对公路的竞争力，在模型中表现为k12增大，w*沿k12方向向上运动能进入稳定有序空间，如图2所示。因此，该政策能针对性改善系统运力结构不合理的现状，从根本上缓解公路运输压力和货物在港的堆存压力，是实现系统向有序状态演化的有效政策。图2投资铁路设施对系统演化的影响

政策实施方面，考虑到曹妃甸港集疏运系统公路运输的主要物资是铁矿石，因此建议通过投资修建地方铁路分流部分铁矿石，缓解公路运输压力。

322投资公路基础设施

如果投资公路基础设施，在模型中反映为公路对铁路的竞争系数k21增大，系统的演化表现为w*沿k21轴方向运动。为显示该方向的运动，将下界曲面s1和w*沿k21轴方向进行投射，得s1的投射面sp1和w*的投射点w*p的位置如图3所示。

图3投资公路设施对系统演化的影响

图3显示：w*psp1，即w*沿k21方向运动不能进入稳定有序空间。这表明虽然目前系统的公路运输压力较大，但是投资公路基础设施不是促进系统向有序状态演化的有效政策，政府投入的资金和各类资源将无法收到有效回报。这是因为继续投资修建公路依然会受到超载车辆的破坏，长期来看将进一步增加公路维护成本。而如果实行车辆限载，虽然会保护公路设施，但会大大削弱运输的规模经济，导致铁矿石运输成本升高、在港堆存压力增大，进而降低曹妃甸港对货主的吸引力，不利于系统的长远发展。

323投资码头泊位设施

如果对码头泊位设施进行投资，在模型中表现为σ增大，对应图1中w*沿σ方向向左运动（为显示需要，图1中σ轴的值为自右向左增大），虽然能进入稳定空间，但是紧贴稳定空间的下界，不是一种稳妥的演化路径。当遇到外界因素扰动时，很容易偏离稳定空间而再次进入不稳定的无序状态。原因仍是因为当前状态下铁路对公路的竞争系数k12值过低。因此，当地政府应首先投资铁路基础设施，提高铁路运力。当形成较为合理的运力结构之后，如果再对码头泊位设施进行投资，系统合理的运力搭配已能够接纳码头泊位投资带来的吞吐量的增长，反映在模型中即w*先沿k12轴方向向上运动，再沿σ轴方向向左运动，系统仍能处于稳定有序状态，如图4所示。图4先投资铁路再投资码头泊位设施对系统演化的影响

4结论

本文将港口陆路集疏运系统的基础设施投资政策视为他组织作用，通过分析他组织作用对系统演化方向的影响判断政策的有效性。研究发现：由于港口陆路集疏运系统构成要素较多且相互存在复杂的耦合关联，导致政策对系统产生全局影响，因此政策应具有针对性，不能盲目，否则不仅不能将系统导向有序状态，反而使政策投入的资金和各类资源无法收到有效回报。以曹妃甸港集疏运系统为例，结果表明虽然系统的公路运输压力较大，但是投资公路设施不是促使系统向有序状态演化的有效政策。应将有限的资金向铁路基础设施倾斜，促使铁路与公路间形成更为合理的竞合关系，才能针对性地改善系统的集疏运结构，有助系统的长远发展。

本文结论有助于地方政府制定合理的基础设施投资政策，不足之处是演化模型仅能定性判断政策的有效与否，对于有效政策具体的投资与收益分析，则需要通过成本—效益模型或其他系统模型来分析。

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