基于循环经济的我国西部地区生态工业园区优化设计研究

薛伟贤，郑玉雯，王 迪

(西安理工大学 经济与管理学院，陕西 西安 710054)

一、引言

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视社会主义生态文明建设，坚持绿色发展，把生态文明建设融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，加大生态环境保护力度，推动生态文明建设在重点突破中实现整体推进。生态文明作为国家发展的重要战略，要求在区域经济发展的过程中应充分考虑生态环境的承载能力，基于循环经济理念运用生态学模式完成工业生产过程，通过推进生态工业化的发展促进区域经济实现良性可持续性的发展。生态工业园区不仅是生态工业化发展的具体载体和实践形式，也是依据循环经济原理设计的一种重要的新型工业组织形态。最早对生态工业园区作出定义的学者Cote、Hall(1995)从生态工业园区的运作目标角度将生态工业园区定义为：“生态工业园区是一个工业系统，它保存着自然和经济资源，并减少生产、物质、能量、风险和处理的成本，改善运作效率、质量、工人的健康和公共形象，而且它还提供由废物利用和销售获利的机会[1]。

党的十九大报告明确提出，我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化，生态文明建设功在当代、利在千秋，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。可持续发展战略得到了进一步的实践和落实，工业发展中的生态环境问题日益受到重视，逐渐成为与经济发展同等重要的建设因素，工业园区的生态化模式是其主要实现方式。在新时代生态文明建设的背景下，生态园区的建设和发展对于推进生态文明发展具有重要意义。我国西部地区是“一带一路”倡议与西部大开发战略的重点区域，拥有丰富的自然资源，但是地区间的生态环境差异显著，生态环境水平具有先天的脆弱性。西部地区在过去较长的一段时间内为迅速发展经济以改变相对落后的经济发展状况过度利用资源，使得生态问题不断凸显，生态环境质量问题进一步加剧[2]。面临资源与环境的双重约束，西部地区迫切需要推进产业生态化，将传统的“资源—产品—废弃物”的经济运行模式优化为“资源—产品—废弃物—再生资源”的循环再利用模式，遵循“3R”原则，促进产业共生的集约式发展[3]。

传统的工业生产过程是以能源和原材料的大量消耗为基础实现的，随着现有工业企业规模的扩大，对能源和原材料的消耗量还在继续上升，产生了大量的工业污染排放，其中最为典型的环境污染问题是工业污染排放所引起的温室气体效应，而且目前还呈现愈演愈烈的态势，预计到2025年由于工业生产所消耗的自然资源总量将比目前提高22%左右(IPCC，2014)[4-5]。传统的经济增长模式忽视经济生态系统间的物质、能源和信息的循环规律，即工业化过程中所形成的共生关系，从而致使从生产产品至废弃物排放过程中的所产生的所有废弃物的自净能力达到饱和甚至超载的程度。实现的是原材料被投入各制造工艺过程及其生产环节并生产出产品，然后再实现废弃物的处理。这种先消耗后处理的传统模式在生态文明发展的要求下已经不适应于现代化工业生产过程中循环经济的生产理念。应该在工业生产过程中有效实现一种更加一体化的生产模式，即工业生态系统。在这个系统中，废弃物的处理是作为一个中间过程存在于能量和物质消耗的循环过程当中[6]。在工业园区的生产过程中，无论是在工业生产运行中的石油炼制过程中所消耗的催化剂，还是发电过程产生的煤炭燃料等，在生产过程中都可以作为生产运行过程所使用的原材料，这一系列的生产过程都体现着循环经济的思想。全球性资源枯竭使人类意识到，人类生存的基本条件是建立在对生态环境与自然资源的合理利用和保护的基础上，否则必将带来灾难性的后果。

工业生态化的基本观点是利用有限的自然资源模拟自然界生态物质自身交换的循环过程实现工业生产过程的循环发展[7]。目前，我国生态工业园的建设集中发展于东部地区，已经建成和在建过程中的生态工业园区总数量占全国总数的70%以上，同时，东部地区产业之间的协同发展效应越来越明显，生态工业化的发展水平在稳步上升。相比之下，中西部地区传统产业很多，在实现产业间协同发展与产业共生的整体规划方面还存在很多的困难和缺陷[8]。西部地区产业生态化建设还处于理论探索阶段，目前虽已初步建设了少数产业合作示范区、生态工业示范园区等多种形式的生态型工业园区，但是从整体发展情况上来看，生态化改造还处在较低水平阶段，建设过程中存在技术瓶颈，产业链构建不合理，管理系统与保障机制不完善等问题。此外，虽然在工业发展过程中的某些生产环节实现了废弃物的再次利用与再生产，但是还未真正实现大规模的产业共生。结合西部地区的建设现状与生态发展现状，实现产业生态化可以推进西部地区在工业生产过程中更好的实现物质、信息、能源的良性循环与高效率转换，从而克服西部地区的资源与生态环境劣势，实现经济与生态环境协同发展的效益最大化。

目前已有多种解决方案与措施运用于工业系统中，旨在实现工业生产中的共生发展模式，以更清洁、绿色的生产方式对工业生产中的能源和物质资源进行利用，减少对资源的过度消耗和所带来的环境污染问题。经合组织的最新研究报告《工业生态创新，促进系统增长》中，也指出工业生态创新系统可以通过创新发展的组织和过程管理模式，并通过实现技术创新应对可能带来的工业污染问题，实现“绿色增长”，目前很多学者通过实践调研的方式对工业生产过程进行实践探索性的研究，发现实现工业生态创新的一个重要领域是从生产过程的源头上解决工业领域的能源和材料的过度消耗问题，从工业生产的源头解决可能带来的工业污染。一方面，通过新技术以及新的工业生产工艺对资源和能源进行有效配置与合理运用；另一方面，将生产过程中产生的废弃物通过先进技术处理作为下一轮生产的原材料以实现循环利用。一些学者在研究探索的过程中，逐渐认识到通过模拟自然生态系统的物质能量循环，并通过循环利用的原理和实现手段将产业系统设计成为循环利用模式，相对闭合的能量和物质的自净循环系统可以实现在维护生态平衡的基础上塑造产业共生的循环系统，从而将人类的生产与消费方式约束在生态系统承载力所能承受的范围之内。设计的总体思路是：将工业系统网络模拟为物质和能量代谢的工业“食物链”，从而实现遵循循环经济的原则，基本方式是减少能源和材料的消耗，降低工业生产成本，这一转换的实现过程可以在位于同一地理区域或者同一区域范围内的工业园区内的不同企业之间进行。处于共生关系中的生态工业园提供系统性的平台，使得通过园区企业之间的共生合作使得园区整体的生态效益显著大于各工业企业效益之和[9]，工业园区的这一平台使得企业对能源和材料的消耗效率最大化。然而，生态工业园内企业之间工业系统之间的互联是一个复杂的工程系统，基于优化设计的视角来破解这一难题，从能源、材料的消耗与再利用设计的根源解决问题，是最佳的实现方案。近几年，国内外较为成熟的生态工业园区都建立了有效的智能电网实现热电转换降低电力运行成本。随着智能电网(SG)这一理念的出现，通过智能电网对电力传输的合理分配和企业间电网传输的有效匹配方案，不仅实现了操作的智能化，电力资源分配的合理化，以及电力用户之间的智能互联，更是一种生态工业化理念被广泛应用的体现。本研究不拘泥于先前研究中仅基于简单的工程优化视角从单一生产过程环节中对西部地区工业园区进行优化设计，而是以对智能电网(SG)的实现过程为例，“定制性”地提出了EIP工业互联系统设计建模方案与优化框架，从而确保园区优化设计的可持续性和稳定性，同时，在优化设计的过程中充分考虑到可能产生的不确定性风险。

二、生态工业园优化设计研究进展

(一)生态工业园的出现与发展

随着工业生态学理论的发展，基于工业共生理念的物质资源循环利用模式受到国内外学者越来越多的关注，并在世界各国工业共生和物质循环利用建设中迅速推进，开拓了工业生态学领域的新视野。

生态工业园区(Eco Industrial Parks，EIPs)的概念由国外学者Ernest Lowe(1992)最早提出[10]。其功能体现在生态工业园区内企业间实现废弃物与原材料之间逐级循环利用，通过基础设施与能源、资源等的共享实现工业园区内经济利益与环境利益多赢。随着对生态工业园区研究的深入，近年来，一些学者对生态工业园区赋予了更具有创新性的认识，即除了实现基本的资源、能量、物质的共享，还应该包括“知识、信息、技术的交流”，认为这些新的构成要素所产生的效应是园区未来实现创新发展的内生动力。事实上，生态工业园是由一般性的传统产业园区衍生发展而来的，与一般的产业园区相比，EIP的优势在于园区内部的资源得以合理共享，从而更加合理有效地对人力资源和物质资源进行配置，产业生态化的发展体系与发展模式，是通过单一产业内部的企业之间、产业与相关联产业之间、产业与环境之间的良性循环发展，实现产业与环境构成的有机系统之间的循环互动，是一种最为基本的共生模式，见图1。

生态工业园区目前已经成为全球范围内各国工业园区发展的目标和产业集群未来演进的主要方向。目前，一些发达国家在产业共生和清洁生产领域先试先行，在生态产业链网的构建、园区生态管理、循环经济技术创新以及意识形态方面实现公共参与等各个方面积累了丰富的经验，生态工业化的发展模式已经得以广泛应用并已经初显成效。直至20世纪90年代末，生态工业园区的理念才进入我国，自从这一理念出现就引起了国内学者的重视，国内学者也展开了理论研究与实践调研，我国也开始逐渐在一些发达地区进行了生态工业园区的实践，从鲁北生态工业模式开始、广东南海生态工业园区的建设、至新疆石河子工业园区的启动，多项实践表明生态工业之路在我国将越走越远，逐渐成为我国各类园区发展的主导方向。

伴随着我国工业园区建设的全面推进，截至2017年底，我国政府已经认定批复了37个国家级生态工业示范园区，此外，71个园区处于待批复状态，并且已经通过规划论证，正在向创建国家生态工业示范园区的方向努力建设，见图2。“十九大”将生态文明建设提升到了前所未有的高度，目前，中央全面深化改革领导小组会议审议通过的生态文明建设的相关文件超过20个。此外，在2015年底至2017年9月期间，中央环保督察覆盖全国31个省份，超过1.5万人被问责。中国俨然已开启生态文明建设的新时代作为生态文明在工业领域的重要实践形式，全方位推进园区的绿色、低碳和循环发展。

图1(a) 产业生态化发展体系

图1(b) 产业生态化发展模式

自从2013年以来，中央政府出台了若干生态文明建设发展的规划。《关于加快推进生态文明建设的意见》、《大气污染防治行动计划》、《水污染防治行动计划》、《循环经济发展战略及近期行动计划》、《中国制造2025》、《国务院办公厅关于促进国家级经济技术开发区转型升级创新发展的若干意见》等一系列重要文件中，均明确指出园区绿色、低碳、循环发展的核心理念，凸显了园区绿色、低碳、循环的发展理念对中国加快经济发展方式转变，建设资源节约型环境友好型社会的重要性。生态工业园区的实现宗旨主要体现在系统性、协调性、环境、资源、效率和合作等方面，目标是建立一个“仿真”的自然共生系统，真正实现园区内工业生产过程中的“共生”发展模式[11]。

表1 中国工业园区的主要类型

资料来源：国家各开发区门户网站

(二)基于循环经济理论的生态工业园区优化方法

基于循环经济的生态工业园区发展模式是一个系统性的发展过程，它以循环经济的思想为指导，以产业循环体系，基础设施循环体系，消费循环体系和生态循环体系为抓手。注重各体系的相互依存和相互作用，把生态工业园的发展置身于区域的整体发展中，在综合有效配置生态工业园的内部资源和能源、并实现对能源与资源合理利用的基础上，致力于解决工业生产过程中内部系统运行中产生的废弃物与外部系统之间的循环利用。

生态工业园区优化的目标是通过将园区内的企业生产过程进行合理有效的组合，实现最为优化的网络化模式配置方案，即如何实现物质和能量在系统中实现有效循环往复的能量交换过程，同时兼顾到针对园区内企业的具体操作实施方案。配给能源与原材料的企业个体数量决定了设计的目标，比如针对园区这一复杂系统内企业的数量和发展模式设定具体的经济和环境指标，兼顾企业之间得以“共生”的约束条件，比如企业个体(IA)的地理位置和企业自身所具备的条件等。就目前的研究现状来看，现有研究主要集中于EIP多目标优化进展，比较典型的案例有：对工业用水的循环利用[12-14]，废弃物的循环利用，企业间能量流动和物质交换[15]。此外，一些学者较早开发的工业过程设计方案和集成解决方案可以实现EIP中个体企业间最佳的协同生产效应，也已经得到了较为广泛的应用。还有学者提出了有效实现工业系统中资源最优的转换途径——电信设备制造商，目前在工业园区的优化设计方面，这一类研究较为成熟，得到了国内外不少工业园区的广泛应用，并已经取得了较好的经济效益和环境效益，如表2所示。

目前最为广泛使用的优化方法是基于关键影响因素的优化模型构建，比如基于模拟园区内IA在不同目标下生产过程中生产工序、产品、产生的废弃物转移的流向和数量，使园区内的能源消耗与流转达到最佳整合的状态，特殊情况下，还需要考虑到能源的流转质量和企业网络所产生的拓扑约束[16]。然而，工业系统模型的差别程度可能相差很大，优化方法主要可以分为两类：一类是综合考虑能源、材料、工艺、技术、设备等要素，IA之间仅存在基础物质条件之间联系，通过IA之间的流转和中间节点的位置和数量对两个空间维度的变量进行建模；另一类方法则是综合衡量能量、材料的输送和转化、不同企业之间的技术特征和能源、材料、技术相互转化的种类、转化效率，技术的投资成本，利用率等要素，需要建立多维度的优化模型实现。

(三)生态工业园的优化类型

通过对工业园区优化设计方法的分析，确定三类主要优化问题，分别为：全局最优与局部最优、优化目标和操作的不确定性。下面将对三种优化类型进行详细的说明：

1.全局对局部支配最优方案

以全局对局部支配是一种目标驱动的设计方案，这一方案通常应用于制定全球性战略企业资源管理系统。驱动设计过程的目标通常是由处于全球企业系统中最高一级的企业信息系统中制定。基于这一方案的决策方法通常是优先考虑到实现全局优化目标，而忽略区域内IA间地理位置的相互关联。此外，也有学者提出了可以执行主从优化，主从优化的实施方案首先实现满足局部目标的要求，其次再对系统内的下一级目标进行优化，求解约束条件下的主导个体的优化问题。然而，这一目标的制定主要是考虑到企业个体间技术实现互联互通的可行性目标，而不是每个IA个体单独的目标，作为全局系统中单一个体，生态工业园的设计过程需要更强大的“平衡”分布模式，同时兼顾IA个体的发展愿景。

2.经济发展与生态环境协同最优化目标数量有限方案

第二类优化方法是从经典的物质能量交换过程方法的角度处理能源、材料的集成问题。一方面，基于对优化后结果的考量，实现优化后技术关联的可行性和有效性；另一方面，基于系统的复杂性，只将经济与环境作为系统中衡量要素，忽略其他要素的影响。尽管第一类的建模复杂性较低，类似于简单的几何优化问题，寻找优化目标，以保持经济增长和生态环境的优化为目标导向。但是，这一类优化问题需要综合权衡能源供应商和消费者的客观需求，在设计阶段必须考虑到诸如资源供应短缺风险这样的目标函数。此外，企业资源中心需要创建多个网络化的能源和物质交换中心，在设计阶段，必须权衡网络效率和网络脆弱性、网络功能等多方面的网络结构性能。

3.系统操作的不确定性方案

在忽略操作不确定性的前提下，设计进行优化的过程中，IA及其相关企业被假设存在于统一的发展环境。此外，我们在研究中忽略工业生产环节可能存在操作过程中的问题和故障。考虑到合作及非合作博弈环境下，对相关企业信息EIP网络分析可以揭示风险带来的不确定性因素有两点，即IA之间的互连故障与IA退出关联网络系统，这两点不确定性会导致系统整体性能严重衰退，需要后续环节追加投入来平衡网络性能的退化。

表2 国外典型EIP发展现状

资料来源：根据文献资料整理

表3 设计与优化方法的分类

注：依据数学模型的复杂性和目标函数的数量分类，a双水平优化问题，主从优化；b链接/连接数被认为是一个等式约束；c多目标加权优化；d基于合作与非合作博弈的几种网络基础设施运营模式比较

三、有效推进生态工业园优化设计的思路

一带一路倡议使向西开放战略进入了以内陆开放为趋势的深度推进阶段，产业的外向型发展是西部地区经济外部要求和内在能力综合作用的趋势。过去西部地区的高技术产业受到区位地理、要素禀赋、贸易自由化程度、市场潜力、经济规模及政治倾斜等因素的制约[17]。因此基于经济社会可持续发展的理念出发，西部地区工业园区生态化推进的总体思路是：树立“社会层面侧重回收再生，园区层面侧重集成共享，企业层面侧重绿色制造，产品层面侧重绿色消费”的生态化导向，不仅实现园区内的生态小循环，而且要实现区域间的生态大循环，形成基于园区的内循环和基于园区的外循环的“两大闭路资源循环系统”[18]。按照当前工业区的建设状态和园区企业间产业关联程度的不同，工业园区的生态化建设可以按以下不同类型特征实现有效推进，见图3。

本研究的优化设计思路不拘泥于传统对生产过程进行局部优化的研究视角，以生态工业园为一个整体的复杂工程系统，探索其结构和行为复杂性等特点，以生态化的系统循环层面为研究对象，对生态工业园这一复杂工业系统进行优化设计研究。

(一)生态工业园区的特点与核心功能

为了能够清晰地解析生态工业园建设是基于循环经济这一理念的设计思路，我们以当前国内外生态工业园区内工业系统中多数企业广泛使用的较为成熟的项目——热能与电力的转换系统为例进行解析，以工业园区中热电转换过程为例，简要解析热电转换实现能量循环利用的过程。

图3 工业生态化的各子系统循环实现层面

图4 基于循环经济的工业园区建设系统

对于处于共生关系中的两个利益相关者，从原材料到最终产品的转化，存在相关利益企业之间的能源交换，最终产品的制造与能源/材料的辅助产出相关联。投入和产出可分别看作是利益相关企业之间能源/材料的来源。其特殊性体现在第三方(企业)的可能参与，主要职能是负责能源/物质交换基础设施的运作和维护。此外，利益相关企业之间基础设施平台和转换单元也需要必要的维护，由园区内的基础设施运营商来进行维护[19]，见图5。

(二)实现产业共生是生态工业园的核心理念

生态工业系统的设计理念来自于自然与生物系统中的“共生”，是将自然界中生物间和谐共同栖息的普遍性自然规律运用于工业系统中。生物术语“共生”这一理念当前已被广泛运用在工程系统的研究当中。在工程领域中共生这一理念体现为合作，例如，从IA基础设施和资源的共享使用，以创造系统内部要素之间的相互联系，基于这一研究视角，“共生”在生态工业园区主要以两种形式存在：

(1)创建以共生为理念的工业园区，以提高同一地理区域生产活动的集聚特性，实现多样化的最终产品组合和优化生产链。

(2)EIP可以基于IA各个核心企业之间的能量和物质交流，这种类型的合作交流主要是基于各个IA个体之间的生产协作关系，这一协作共生关系同样符合原始生物体实现共生的内涵。

(三)生态工业园内产业复杂性特征

生态工业园区是通过建立生产者和消费者之间的能量和物质系统循环网络而实现，在生态工业园区所具备的特征当中，复杂性特征是其所具备的最显著特征之一。任何一个生态工业园区都离不开电力能源的利用，目前工业园区中的电力网络系统中，智能电网(SG)这一理念的出现，优化了生产过程中电力能源在企业间的配置方案。SG被称为是“智能电网的信息中枢”，这一电力优化方案能够广泛吸纳新技术，包括尖端的电力测算技术、传输技术，配置与电力存储技术，最大限度地为企业和电力供应商提供具有最强时效性的信息，使电力使用分配过程具有灵活性。

作为复杂的工程系统，SG得益于复杂工程所涉及到的运营过程中的设计理念，探索性地实现了对工业园区的设计和运营领域。主要的挑战是在SG设计中如何实现对现有电网的不同分布布局和不同的发电技术进行相关联的配置；难点是SG与工业信息系统分别具有高度独立性。如何在不相互关联的系统之间建立一致性的管理与控制系统，基于生态工业园的设计和SG系统的优化设计具有相似的复杂性特征，如自适应学习特性、进化和自组织特性，这些一致性的特征能够确保园区在一定范围内的不确定性操作条件下，对存在的技术瓶颈进行优化设计。

图5 能量/材料转换过程的集成

图6 产业共生系统能量与物质流

四、生态工业园区优化设计建模

对于企业之间相互存在关联的工业系统，在设计过程中忽略能量物质转化过程中的物理现象，用数学模型表现结构之间的相互关系。数学模型有助于大大减少结构分析计算过程中的复杂性问题，是实现稳定、可实现的优化以及解决实现优化框架的不确定性和一体化的基础条件。基于这样的分析手段，通过抽象化的数学模型，不仅要表现未来的生态工业园或企业(工业厂房和制造品)要素之间的运营模式，同时还要能够表示企业之间转换和科技信息资源的流转或能源、材料的实现过程[20]。

(一)IA操作

用抽象的数学模型替代工业系统中要素之间的关联关系，忽略原材料和所消耗能源流转过程中所产生的物理特征分析工业系统的运行特征。抽象化的数学模型有助于大大减小计算过程中的复杂性，这是最基本的优化设计实现手段。考虑到优化框架的不确定性，抽象模型可以被有效地用来代表未来的生态工业园区节点或IA(工业工厂和制造业)之间的关联性问题，也可以表征IA之间能源/材料的流转和技术的转移。从用抽象数学模型表征工业园区之间IA关联特性的案例我们可以得到一些启发：一方面，这些抽象模型必须能够清晰的表达要素之间的关联性特征，以降低IA及其互联的复杂性；另一方面，所建立的抽象模型必须是代表性的，通过前瞻性的研究预测未来发展的演进趋势，将能源和原材料物质之间通过关联网络互联起来。为此，不考虑IA自身内部运行过程，将IA作为实现过程中的“黑箱”进行表示。将其进行形式化的表达，这些“黑箱”接收输入流并拒绝输出流，通过这样的方式分为两组，第一组是与生产/制造过程相关的流程，例如，在燃煤电厂中，输入流是煤，输出是电，仅存在输入和输出两种状态；第二组则包括转换/制造过程所需的所有额外输入的干预。基于这样的观点，以热电转换过程为例，在燃煤发电厂将煤转化为电能，需要额外的水和能源投入，在这种转化过程中还伴随着气态(如温室气体排放)、液体(例如废水)和固体(如灰烬)排放物的辅助输出。

表4 复杂系统特征

表5 生态工业园设计的优化问题

显而易见的是，系统中输入与输出的数量受IA操作模式(例如，最终产品或“配方”类型)和投入产出能力(或生产能力)的制约。基于此，IA生产能力的提高会引起由IA制造的最终产品生产量的增加。因此，增加额外的投入需求，将会产生更多的辅助性输出物质。IA操作模式的改变也可以修正所需输入量和产出的输出量。

图7 工业企业输入、输出能量和物质流的示意图

基于对输入与输出的分析，采用通用的IA操作在园区的一般形式：

(1)

(2)

(3)

在公式(1)中，T是所生产的最终产品和原材料消耗量，代表IA的生产能力或者为IA生产的最终产品；T是在时间t的终端产品生产速度，SK和SC是额外的输入和辅助输出。需要注意的是，能量/物质输入和输出的数量也可以依赖于IA操作模式。

考虑到IA输入与输出量的差异，每个IA旨在增加的收入都在公式(4)中设定，假定库存成本、产品运输、操作模式变更成本和短缺成本不考虑在内：

则：R=EPe,m,t.γm,t-ECe,m,t.γm,t-EDe,m′,t.αm′.t-EGe,m′,t.βm′,t

(4)

原料转换过程所需的一些额外投入可由其个体的消耗所产生，例如，炼油厂将油气燃料输送到服务平台系统中，产生低、中、高压三个不同层级的蒸汽并发电。在这种闭环的情况下(即不需要外部资源来产生额外的输入)，额外输入m、t的价格可以被认为为零。

通过使用IA这样的抽象模型，可以对IA最终产品需求进行分析，它定义了所需能量和输出能量，以及输入与输出材料的数量。在这个模型中，最终产品的需求与其价格通常是高度相关的，价格随着季节和需求的变化而变化。此外，所提出的抽象模型可以很容易地用于动态建模的IA操作内的企业信息门户，以验证相关企业间共生动态变化模式下的实现效率。

即使IA被看作为“EIP设计实现的黑箱”，EIP内部结构实现过程，对其数学模型的开发和相关参数的标定是具有要求的，特别是通过参数量化终端产品、流程之间的依赖关系的生产原材料，水和生产资源。操作程序或供应链是一个复杂的过程。目前主要通过供应链的优化或提高流转的效率实现。

以国内东部地区某一典型的生态工业园区中企业中炼油过程为例进行说明，将炼油系统简化配置，可分为工艺系统和公共平台系统。工艺系统中旨在为生产最终产品提供燃料，如石油气、汽油、柴油和一些副产品，一方面，这些燃料被统一配给供给到公共台系统作为燃料，在燃料使用的过程中产生低压蒸汽和电力。所产生的蒸汽和电是由原料、原油、转化等工艺系统使用的。另一方面，炼油厂通常与电力公司签订贸易合同，以平衡供给园区内部企业之间的电力需求，并在公共平台系统产生电力过剩时，将电力盈余出售给电网，见图8(c)。

为了简化实现过程，只有炼油系统被认为需要额外的原油转化投入，例如蒸汽、电力和水，并辅助性的排放产出，例如温室气体排放和废水的排放。输入和输出的数量取决于操作模式和转换效率，由操作部门根据最终产品需求决定。

(二)操作预测和环境条件

在一些特殊的操作环境和条件下，EIP将操作的识别过程作为一个重要的研究内容。一方面，OEC可以通过调节环境，实现环境的显著性变化刺激附加值的创造及新业务的开发；另一方面，伴随着经营行为相关的不确定性，OEC的波动会导致EIP产生缺陷，在这样的状态下需要进行预测与防范。

此外，不确定性因素决定了不同IA的运作情景的不同影响。例如，碳税的变化情况对某些IA的营业收入有相当大的影响，可能会迫使IA工业部门采取一系列提高经济效率的手段，如在能源生产方面提高电价，园区内的其他企业实现电力供应的自给自足。

(三)工业系统优化

综合上述分析，优化方法的设计理念主要体现为实现工业园区系统设定的整体目标，例如尽可能的减少总投资成本、运营成本或对生态环境带来的影响等。基于这一总体优化理念，为实现生态工业园区的总体目标，园区内单一企业的目标可能会被忽略。因此，用于生态工业园优化设计方法必须将每个工业企业视为拥有自己目标的个体行动者，园区内的每一企业都将个体视为园区内积极的行动者，实现共生的发展模式。

基于生态学的共生理论，生态工业园也存在几种典型的共生关系：

图8

表6 能量在生产过程中的分配

资料来源：根据调研生态工业园区中企业获得

表7 提炼石油所消耗的热力资源

资料来源：根据调研生态工业园区中企业获得

表8 生产过程中水的净化获取

aGC=一般消费

b锅炉用水=去离子水，新鲜的水=地下水出水=流动水源

图9 炼油厂水平衡示意图

1.互利共生，考虑到单个IA个体参与共生的直接或间接的效益；

2.共栖，单独企业具有典型性，受益于共生单元；

3.寄生性，以园区中单独企业的相互作用为特征，相互之间具有较强的适应性。

此外，一方面，在目前的工业系统设计优化研究中，大多数研究是通过企业的生命周期考虑园区的设计要素，缺乏对生态工业园区不确定性和风险的考虑；另一方面，另一不确定因素是能量和物质交换控制的管理程序。事实上，EIP网络操作不同于能源/材料转换过程集成于传统的工业系统操作，有一个或一组核心业务。在传统的工业生产过程中，工业企业的生产过程有相同的生产周期，因此，所有相关的参数和要求都具有“共性”，事实上，在现有的工业能源/材料流转环节主要是依托生产过程之间消耗与原料的转化方式。

针对上述问题，提出了更为有效的优化框架。这种优化框架可以通过关键绩效指标(KPI)的评价实现园区的共同目标。这一优化框架分为两个部分，包括EIP拓扑优化和园区的运行优化。每个环节的优化都是在不确定的操作条件下进行的，具有不同的预测范围。借鉴Kuznetsova(2015)的经典研究，指标的选取都基于EIP系统的全球水平，在经济效益和环境效益方面实现全局最优方案。为了能够更好地解决园区的特殊性和复杂性特征的问题，全局性的KPI兼顾规范化的经济和环境性能指标、风险识别、以及EIP网络性能相关的指标。

EIP的拓扑优化是在扩展规划的框架下进行，这种扩展的框架反映了主要的风险和不确定性，这些风险和不确定性可以在企业生命周期中的不同阶段产生。鉴于此，采用的方法必须能够对未来的不确定参数变化进行预测并实现效率最大化。

表9 KPI工业系统评价

资料来源：通过文献资料整理

五、结论与启示

目前我国已经有一定数量的工业园区在逐步开展生态工业园区的规划与建设，这些园区在污染减排、基础设施建设、产业结构优化、建筑节能、能源效率提升、固废管理以及水资源管理等领域开展了广泛的实践和探索，并取得了积极的成效。但进一步发展及研究仍存在一些共性问题和难点，现阶段我国的生态工业示范园区发展整体仍处于实践探索阶段，尤其是西部地区由于生态环境方面存在的困境，虽然目前已经在工业治理方面取得了成效，但在减少水资源、能源消耗，减少固体废弃物产生和排放等方面仍需进一步探索优化方案与措施，特别是固体废弃物的减量化及资源再利用等方面。但是现有研究无法完全解决新时期下西部地区工业园区建设生产中存在的具体问题，如何量化地分析中国生态工业园区未来发展的潜力及途径，使得中国生态工业园区实现绝对脱钩发展，是园区未来发展中需要着力解决的研究难点之一。中国宏观经济发展所处的新时期新形势对工业园区的可持续发展提出了新的要求，需要深入剖析国内外工业园区和生态工业园区设计的模式。此外，现阶段统计体系中园区并非独立的统计单元，如何有效针对工业园区开展基于长时间跨度的物质能量代谢动态演化机理研究并进行优化设计是关键性的基础工作。

本文基于复杂系统理论，分析了生态工业园的复杂性及体现复杂性的各项性能指标，并以目前国内外较为成熟的生态工业园区的智能电网技术(SG)为例进行分析，兼顾工程中的智能分配和管理的分散式发电的理念，旨在对复杂的工业互连系统进行设计和操作的背景下，以确定一个有效的企业资源管理系统的配置，在工业园区设计的重点。提出了两阶段企业资源管理系统设计框架。每一阶段针对园区内的IA的分布进行抽象建模，第二阶段，对环境和运营条件进行预测(EOC)，并进行优化的企业地理信息系统的拓扑优化设计和能源/材料管理策略。这两个阶段之间是一个反馈循环的系统，运用企业网络拓扑设计解决生态园区内单一企业生命周期的不同。从而减少未来潜在的风险和脆弱性的影响，以及企业生产经营过程中产生的负面影响，该框架旨在促进不同的运营阶段。事实上，由于IA之间的互联将工业园区转变成复杂的系统，因此其治理策略是不确定的。此外，考虑到园区企业特殊性，不同IA的不确定性行为也会显著影响企业的绩效。鉴于此，找出设计缺陷并将其反馈于设计环节中，从而确定合理的设计方法，确定工业系统评价关键绩效指标，验证所选的EIP拓扑设计的可靠性。

目前我国处于经济高质量发展阶段，虽然在全球价值链中的地位与国内自身的产业结构与发达国家仍然存在很大的差距。目前中国经济的发展仍然是以发展工业为主，然而，工业发展重在园区的建设。工业园区是实体经济发展的主要载体和前沿领域，经过近40年的经济高速发展阶段，在经济发展新常态下，工业园区现在正站在发展的“十字路口”，党的“十八大”报告提出了“五位一体”的中国特色社会主义事业总体布局，和城镇化、工业化、农业现代化和信息化“四化同步”的发展要求。“十九大”更是将生态文明建设提升到与经济建设同等重要的高度。习近平在十九大所做的报告全面阐述了加快生态文明体制改革、推进绿色发展、建设美丽中国的战略部署。十九大报告明确指出，我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化，既要创造更多物质财富和精神财富以满足人民日益增长的美好生活需要，也要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要。十九大报告为未来中国推进生态文明建设和绿色发展指明了路线图。作为工业化和城镇化进行快速发展不可或缺的载体，工业园区的可持续发展是中国经济发展和生态文明建设的重要组成。工业园区实施绿色发展、生态化发展，是破解资源环境压力、实现可持续发展的必然选择，建设生态工业园区，在工业领域践行生态文明的发展应当发挥更关键的作用。西部地区由于生态环境的脆弱性，目前开展国家生态工业示范园区建设的园区比例仍很低，现有研究表明生态工业园区在资源能源效率方面的研究还相当匮乏，与国外的研究存在很大的差距。中国工业园区的生产规模、产业技术水平、生态化发展水平各异，尤其是中小规模的园区的生态化发展水平距国家级生态工业示范园区的发展仍有较大差距。因此，归纳总结国家生态工业示范园区在生态化发展中行之有效的主要做法和经验，从根本上对生态工业园区提出有效的建设方案，并对目前已经建成的生态工业园区从循环经济层面进行优化设计，提出未来中国工业园区生态化发展路线图，对实践者和管理决策者提供科学依据和政策建议，具有重要的意义和价值。此外，对改善区域环境质量具有重要应用价值，这些方面的研究是园区精细化管理和生态化发展决策的重要支撑，同时也是建立中国工业园区生态化发展的基础理论和方法的关键性基础工作。