供需协调视角下城市公共基础设施系统效用提升研究

陶志梅，孙　钰

（1.天津大学管理与经济学部，天津　300072；2.天津商业大学公共管理学院，天津　300134）

供需协调视角下城市公共基础设施系统效用提升研究

陶志梅1.2，孙钰1.2

（1.天津大学管理与经济学部，天津300072；2.天津商业大学公共管理学院，天津300134）

城市公共基础设施的供给与需求相协调是城市公共设施效用实现的前提。从供给水平与社会需求两个层面构建城市公共基础设施系统的供需协调评价模型，以我国2000～2012年的时间序列数据为样本，通过均方差决策法对各指标赋权，实证分析供需协调状况。结果表明：从2005年开始，我国城市能源设施供给水平大于社会需求，影响了该设施的供求协调度，而环境设施的供给水平长期不能满足社会需求，引起该设施的供求协调度下降。因此，在现阶段适时调整能源设施供给水平，尤其是加大环境设施的供给力度，力求能源与环境公共设施的供给水平与社会需求保持相对协调发展，是提高我国城市公共基础设施系统供求协调度的当务之急。

城市公共基础设施；系统；协调度；社会需求；供给水平；效用

一、引言

城市公共基础设施系统是城市生存和发展必须具备的工程性基础设施总称，由能源、给排水、交通、邮政通信以及环境五个子系统构成［1］，各子系统之间相互影响［2］，系统整体为城市经济发展和人民生活提供基本的物质保障。伴随经济转型和城市化的推进，近几年我国城市公共设施投入持续增长。2013年，城市公共基础设施固定资产投资16349.8亿元，比上年增长6.89%，供水综合生产能力达到2.84亿立方米/日；城市蒸汽供热能力8.4万吨/小时，供热管道17.8万公里，比2012年增长11.3%；城市道路长度33.6万公里，比上年增长2.8%，道路面积64.4亿平方米，比上年增长6.0%；全国城市共有污水处理厂1736座，污水厂日处理能力12454万立方米，排水管道长度46.5万公里，比上年增长5.9%城市污水处理率89.34%；城市建成区绿化覆盖面积190.7万公顷，比上年增长5.2%，建成区绿化覆盖率39.70%［3］。尽管如此，我国城市公共基础设施供给仍然难以满足社会需求。夏季暴雨后城市排水不畅、“到城市去看海”成为夏季很多城市的现象；部分城市存在“垃圾围城”现象，甚至有些地方“垃圾靠风刮、污水靠蒸发”；城市交通拥堵，空气、噪声、水污染等问题普遍存在。因此，应当对城市公共基础设施系统效用进行深入研究，以追求系统整体效用的提升。

目前，国内外探讨城市公共基础设施系统效用提升的文献主要表现在以下几个方面。首先是通过公共基础设施的评价，提出公共基础设施效用提升策略。IMD（2010）通过经济绩效、政府效率、商业效率、公共设施四个方面评价国家的竞争力，其中公共设施包括工程基础设施、技术和科技设施、健康、环境、教育五部分［4］。Shih-Hsu Wang（2014）分析国际竞争力比较中的基础设施各项指标，明确台湾地区基础设施建设的薄弱环节［5］。程敏（2012）运用因子分析、主成分分析、熵值法、灰色评价等方法集对我国31个省市的基础设施可持续发展水平进行了综合评价［6］；严盛虎，李宇（2014）应用因子分析法对我国省会、地、县级城市的基础设施水平进行了综合评价［7］。

其次，公共基础设施子系统相互影响的研究。对于公共基础设施子系统之间相互影响的研究主要在国外，早期的研究关注公共基础设施的系统性以及在突发情况下公共基础设施系统内部的相互影响［2］。近年来，有研究开始分析公共基础设施以及其资源的相互影响作用对于公共基础设施供给和需求关系的影响研究。Gary Klein，Martha Krebs（2005）分析加利福尼亚州水能关系，认为应当携手供水战略与能源战略，缔造水资源与能源部门之间关系，通过联合水资源、能源资源以及基础设施管理，来实现可观的公共基础设施供给的增量效应［8］。Matthew D.Bartos （2014）分析美国亚利桑那州的水资源与能源关系，明确节约用水能够降低全州0.82-3.1%的用电需求，采取节能措施和可再生能源发电的投资组合可以有效减少1.9-15%的非农业用水需求［9］。Katy Roelich，Christof Knoeri（2015）分析资源与公共设施的宏观系统的相互依存关系，明确资源需求之间的相互影响以及公共设施系统的复杂性，强调宏观层面的资源及设施供给与需求的整合管理，提高公共设施运营效率［10］。

从以上文献研究可知，现有文献对城市公共基础设施效用评价研究仍有待于深入。国内外公共设施评价研究一般从宏观评价或者公共设施本体进行指标体系的构建，通过实证分析得出分析建议。但是从公共设施的供求协调视角对公共设施效用评价的研究非常有限。城市公共设施建设的根本目的是满足社会需求，只有有效地满足社会需求才能真正实现公共设施的效用。同时公共设施系统由子系统组成，从现有研究看，子系统相互影响会对系统的整体效用产生影响。因此，本文就供给水平与社会需求之间协调关系的测度展开分析，构建评价能源、环境、供排水、邮电通信、交通5个子系统的评价指标体系，收集2000年到2012年指标数据，运用客观赋权的均方差决策法分析数据的离散程度，进行数据赋权，分别核算公共设施5个子系统的供给水平和社会需求程度，形成供给水平和社会需求评价值。本文借用系统“协调”概念来分析城市公共基础设施系统的供给水平与社会需求之间的相对均衡关系或平衡状态，文中的协调度表示供给与需求之间协调关系的测度。借鉴物理学中容量耦合概念，构建城市公共基础设施系统供求评价模型，进而分析各子系统的供给与需求之间的协调度，探索供求协调状况形成的原因，研究总系统的供需动态变化规律，以期对城市公共基础设施供给结构优化和利用效率的提高提供决策参考。

二、指标体系和模型构建

（一）城市公共基础设施供给水平和社会需求指标体系的构建

城市公共基础设施为城市经济、社会发展带来巨大的经济效益、社会效益和环境效益。很多学者从不同的角度尝试构建城市公共基础设施评价指标体系，例如：黄金川分别从环境设施、交通设施等五个子系统的22项指标构建城市公共基础设施评价指标体系［11］；陈仲常从道路交通指数、给水排水指数、能源指数、信息通信指数、园林环卫指数五系统入手构建13项指标的评价模型［12］。借鉴已有研究成果［5-7、13］，依据指标体系设计的科学性、全面性、可操作性原则，本文按照城市公共基础设施五个子系统的供给水平和社会需求构建供需协调分析评价指标体系（见表1）。该指标体系从五个子系统的内涵出发，兼顾了横向的协同性和纵向上的可持续性，设计能源、道路交通、供排水、环境、邮电通信的供给水平S和社会需求D的评价指标体系，并用N、D、G、H、T分别表示能源、道路交通、供排水、环境、邮电通信子系统，如表1所示。表中原始指标按对系统协调分析水平的贡献性质分为正向指标和逆向指标，其中正向指标（不标注），指标数值越大越好；逆向指标（标注-），指标数值越小越好。

表1.城市公共基础设施各子系统供给水平、社会需求评价指标体系

注：（1）以上数据分别来源于 《中国统计年鉴2000-2013》；（2）《中国环境统计年鉴2000-2013》；（3）《中国能源统计年鉴2000-2013》；-表示为成本型指标；权重值为实证研究中隶属于同一子系统的不同准则的各指标的综合权重值。

（二）模型构建

现有的研究表明，系统多指标综合分析的关键是指标权重的确定。根据原始数据的不同，确定指标权重的方法主要有主观赋权法和客观赋权法两类，前者是根据专家经验主观判断获得，如德尔菲法和AHP，这两种方法较成熟，但是客观性差；后者是根据原始数据运用统计方法计算获得，如主成份分析、均方差法、BP神经网络法。本文采用原理简明清晰、精度较高的客观赋权（均方差决策）法确定指标的权重。在得到5个子系统供给水平及社会需求指标权重的基础上，分别核算不同年度的供给水平和社会需求协调水平的评价值，进而分析5个子系统供求评价值的离差情况，最后测量公共基础设施总系统与子系统的供给、需求协调水平。

1.评价指标的标准化处理

表1中的评价指标包括效益型指标和成本型指标两类，由于这些评价指标的类型和单位不同，需要对其进行标准化处理。设年份数为m，评价指标数为n，评价指标原始数据矩阵为（qij）m×n，其中 i=1，2，3…m；j=1，2，3…n，评价指标标准化数据矩阵为（pij）m×n，则标准化处理公式如下：

2.均方差决策法求解指标的权系数，形成准则层评价值

求出这些随机变量的均方差，将这些均方差归一化及其结果的占比为指标的权重系数。具体步骤为：

其中Dij（Sij）为赋予权重后的社会需求（供给水平）的指标状态值；Di（Si）为各城市公共基础设施子系统的社会需求（供给水平）指标层的评价值。

3.基于容量耦合的城市公共基础设施供求协调度

耦合作为物理学的概念，是指两个以上的系统通过各种相互作用而彼此影响的现象。本文借鉴物理学中容量耦合概念及容量耦合系数模型，参照黄木易、刘辉彬、赵媛等的研究方法［14］，根据城市公共基础设施供给水平与社会需求水平评价值离散情况，分析系统的供给水平和社会需求的耦合、协调的程度高低，并构造城市公共基础设施系统及其5个子系统的供求协调度评价模型，表达式如下：

（1）城市公共基础设施子系统供求协调度评价模型为：

其中，Gi为第i年城市公共基础设施某个子系统的供给水平和社会需求之间的，且Gi∈（0，1），Gi越大表明供给水平和社会需求之间协调程度越高，公式中的DiSi分别为某个子系统第i年供给水平或社会需求的评价值，z为调节系数且z≥2，i=1，2，…，m。本文取z=2。

（2）城市公共基础设施总系统供给水平和社会需求协调度评价模型构建：

能源—道路交通—供排水—环境—邮电通信城市公共基础设施系统协调度评价模型为：

其中TGi是第i年能源—道路交通—供排水—环境—邮电通信城市公共基础设施总系统供给水平和社会需求的协调度，对五个子系统的供给水平和社会需求的协调度做几何平均值，可以得到总系统的供求协调度。

（三）实证研究

1.数据来源

样本数据选取我国能源、环境、给排水、道路交通、邮政通信五个系统的供给水平和社会需求相关的指标，数据来源于 《中国统计年鉴2000-2013》、《中国环境统计年鉴2000-2013》、《中国能源统计年鉴2000-2013》，部分数据经过简单处理。

2.实证研究

（1）指标的标准化及均方差赋权

将2000—2012年我国能源、环境、给排水、道路交通、邮政通信这五个子系统的供给水平和社会需求评价指标原始数据值采用式（1）、（2）进行指标标准化处理。指标分为成本型和效益型，将各子系统的成本型指标代入式（2），其余效益型指标代入式（1），得到各子系统指标的标准化数据（略去），然后通过式（3）将标准化后的指标数据求13年的均值，并用式（4）求每个标准化后的指标值对均值的均方差，分别分析每个子系统的供给水平和社会需求指标的均方差和占比情况，通过式（5）得到各项指标所占的权重（如表1）。

（2）供给水平和社会需求水平评价值

根据式（6）将权重赋予标准化后的指标数据，得到供给水平、需求水平的各时间序列评价值 （见表2、表3）。

表2.城市公共基础设施各子系统供给水平的评价值

表3.城市公共基础设施各子系统社会需求的评价值

从五个城市公共基础设施子系统的供给水平横向比较看，环境设施的供给水平偏低，需要加大投入力度。就数据时间序列看，道路、能源系统的供给水平相对高于其他设施，增长率均值分别为0.0919和0.0909，说明道路交通设施和能源设施的供给增长快于其他三个系统。从五个子系统的社会需求情况看，环境、道路交通、供排水设施的社会需求水平相对偏高，能源设施系统的社会需求水平从2000年的0.1209增长到2003年的0.5617，2003-2008年处于调整阶段，2008年回调到0.3061，此后至2011年恢复需求递增态势，达到0.7863。

（3）城市公共基础设施5个子系统供给水平和社会需求的协调度

本文结合均方差决策法得到各指标权重，根据式（7）计算出能源、供水排水、环境、道路交通、邮政电信的供给水平和社会需求的协调度，再通过式（8）计算出总系统的供给水平与社会需求的协调度（见表4）。

表4.城市公共基础设施各子系统和总系统的供给水平和社会需求的协调度

根据式（8）计算出城市公共基础设施总系统的协调度（如表4）。

3.结果分析

通过以上数据分析可知：（1）2000-2012年供排水、道路交通、邮政电信系统的供给、需求水平协调度逐渐上升；能源与环境系统的供给、需求的协调度出现回调，其中，能源设施系统协调度2001年为0.9656，然后开始震荡，到2008年下调至0.7192，之后逐渐恢复；环境设施系统也从2002年开始下调，最低到2005年供需协调度到达0.8291，之后逐渐恢复上升趋势。（2）进一步分析能源、环境设施的供给水平和社会需求协调程度，发现能源设施供给水平和社会需求协调度不高的原因是供给水平自2000—2011年持续升高，但社会需求状况却出现三个阶段性特征：2000年到 2003年持续升高，从0.1148到0.5617；2003年到2008年能源需求处于震荡之中；2008年到2012年逐渐攀升；但是，供给水平13年以来持续高于社会需求水平。环境设施供求协调度不高的原因主要是社会需求水平在时间序列中一直持续高于供给水平，导致环境设施长期处于供小于求的失衡状态。（3）受能源与环境设施的供求协调状况影响，城市公共基础设施系统的协调度变化趋势分为三个阶段：第一个阶段为2000—2007年，系统供求逐渐上升到0.9767；第二个阶段为2007—2008年，协调度有所回调，由0.9767回调到0.9276；第三个阶段为2008—2012年，协调度由0.9276逐渐上升到0.9915。由此可见，城市公共基础设施系统协调度回调的主要原因是受能源设施系统供大于求和环境设施系统供小于求的影响。

三、结论与建议

本文基本结论如下：（1）从2000年到2012年，我国供排水、道路交通、邮政电信三个子系统的供给水平和社会需求平稳、同步提高，其协调度也平稳上升，从而带动城市公共基础设施系统供给和社会需求均衡增长，2012年的协调度增长到0.9915。然而，由于能源与环境设施的供给水平与社会需求偏离，引起总系统供给与需求之间的协调度在2007年到2008年之间有所回调。（2）从5个子系统供给水平看，环境设施的供给不足，道路交通、邮政电信系统的供给增长速度高于其他系统。从社会需求情况看，环境、道路交通、邮政电信设施的社会需求迅猛增长，而能源设施系统的社会需求水平略显不足。（3）通过考察城市公共基础设施系统供给和社会需求的协调水平，可以看到，在能源设施社会需求水平增长速度放缓的情况下，供给水平仍然持续增长；相反，环境设施的供给水平长期维持在低于社会需求水平的状态。能源、环境设施供求不协调对于城市公共基础设施系统的协调水平产生重要影响。

各项城市公共基础设施的结构失衡与供需失调是阻碍其效率提高的重要因素，城市公共基础设施子系统之间的协调度研究是平衡各项城市公共基础设施、实现城市公共基础设施互联互通的基础。根据本文的研究结论，实现公共基础设施各子系统的供需协调与结构平衡需要做到以下几点：（1）鉴于现阶段我国城市居民对供排水、道路交通、邮政电信三个子系统的需求平稳上升，地方政府应保证这三个子系统的供给量，实现三者协调度平稳上升。（2）因为居民对能源的需求相对较低，现阶段地方政府应适当降低能源系统的供给水平，实现能源设施的供给与需求相协调，同时应增加环境设施的供给水平，以保证城市公共设施供给与需求水平的均衡发展，提升城市公共设施系统的供求协调度。

［1］林森木，叶维钧，刘岐.城市基础设施管理［M］.北京:经济管理出版社，1987.

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［8］Matthew D.Bartos*and Mikhail V.Chester.The Conservation Nexus:Valuing Interdependent Water and Energy Savings in Arizona［J］.American Chemical Society.dx.doi.org/ 10.1021/es4033343|Environ.Sci.Technol.2014，（48）: 2139-2149.

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［12］陈仲常，姜建慧等.城市基础设施现代化评价模型研究［J］.经济与管理研究，2010，（6）：70-76.

［13］程敏、陈辉.城市基础设施系统长效性评价研究［J］.工业技术经济，2012，（11）：84-88.

［14］赵媛，沈璐.江苏省能源与经济系统协调发展评价［J］.地理科学，2012，（5）：557-561.

【责任编辑：张西山】

Enhancing the Utility of Urban Public Infrastructure System from the Perspective of Coordination between Supply and Demand

TAO Zhi-mei1，2，SUN Yu1，2
（1.School of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin，300072；2.School of Public Management，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134）

Coordination between supply and demand of urban public infrastructure is the precondition for cities to realize the utility of urban public infrastructure.This paper builds an evaluation model of coordination between supply and demand of urban public infrastructure system from two aspects:supply level and social demand.In light of time-series data of 2000-2011，confirming weight for each indicator by the mean square error decision-making method，this paper analyzes the coordination situation between supply and demand.The research shows：the supply of urban energy facilities has been greater than social demand since 2005，which affects the coordination between supply and demand of the infrastructure；the supply of environmental facilities cannot meet social demand for a long time，which results in a decline of the coordination degree of the infrastructure.Therefore，to make the supply and demand of public infrastructure more coordinated at this stage，it is imperative to adjust the supply of energy facilities，and especially increase the supply of environmental facilities，striving to make the supply of energy and environmental facilities to be coordinated with social demand.

urban public infrastructure；system；coordination；social demand；supply level；utility

F 292

A

1000-260X（2016）03-0100-06

2016-03-04

2015年天津市社科规划基金项目 “城市公共基础设施绩效与公众感知评价的契合度研究——以京津冀主要城市为例”（TJGL15-040）；2012年国家自然科学基金资助项目“城市公共基础设施利用效益研究”（NSF 71273186）

陶志梅，天津商业大学副教授，硕士生导师，天津大学博士生，主要从事公共基础设施运营效率研究；孙钰，天津商业大学教授，天津大学博士生导师，主要从事城市公共基础设施利用效益和有效优化配置研究。