匹配度、协调度与和谐度的概念区别与计算方法对比

左其亭, 王娇阳, 马军霞,3, 李雯, 王孟飞

(1.郑州大学 水利与土木工程学院,河南 郑州 450001; 2.郑州大学 黄河生态保护与区域协调发展研究院,河南 郑州 450001; 3.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室,河南 郑州 450001)

系统是不断变化与发展的,其变化与发展具有复杂性与多样性,多系统间及系统内不同要素间的关系研究逐渐成为系统复杂性分析的重点。了解系统之间或内部要素间关系现状、清晰评价其发展状况是把控系统间相互影响,促进良性发展的必要前提。“匹配”“协调”与“和谐”是常用于评价系统或要素间相关关系的概念,匹配度、协调度与和谐度分别为系统或要素间匹配程度、协调程度与和谐程度的定量表示。

目前已有众多国内外文献对系统或要素间“匹配”“协调”与“和谐”程度进行评价,采用各种方法求解的匹配度、协调度与和谐度使系统及要素间抽象关系可视化。南纪琴等[1]深刻理解水土资源匹配概念,并提出了水土资源匹配指数的计算方法;王猛飞等[2]基于基尼系数计算了2009—2013年黄河流域各地区水资源与经济发展要素之间的匹配度;笔者[3]提出了一种基于数列的匹配度计算方法,并应用于时间与空间匹配度的计算;CHEN L Q等[4]利用耦合协调度与动态耦合协调度方法,定量研究了产业结构与生态环境间的协调程度;冯俊华等[5]选取复合系统协调度模型对2006—2017年陕西农业复合系统各子系统综合发展水平与耦合协调度进行了量化计算;笔者[6]利用和谐度方程计算了“一带一路”沿线国家人文系统与水资源系统之间的人水和谐水平;安瓦尔·买买提明等[7]计算了新疆南部地区城市化与生态环境间的和谐度。可以看出,目前对匹配度、协调度与和谐度的定量计算研究已经颇多,甚至存在概念混乱和计算方法千差万别等问题,无法明晰其之间的区别与联系,概念的交叉与重叠直接导致评价结果的合理性与严谨性欠缺。

为了给系统或要素间匹配、协调与和谐关系评价研究提供准确的概念、明确的适用范围以及合理的评价方法比选建议,本文基于国内外对系统及要素间匹配、协调与和谐作用关系的研究,比较三者概念,进而对匹配度、协调度与和谐度的概念、区别与联系进行具体辨析,总结匹配度、协调度与和谐度常用计算方法及适用范围,为今后研究提供参考。

1 匹配度、协调度、和谐度的概念及关系

1.1 概念综述

“匹配”“协调”与“和谐”为两者或多者系统之间的一种状态,或者指系统内部各要素的一种发展的状态。匹配度、协调度与和谐度是运用定量的方法来衡量上述状态程度或水平的数值表达形式。

“匹配”源自种群生态学模型和传统权变理论[8],是指各系统或系统间要素之间的正、负相关的配合关系,其描述的是事物之间的对称关系。“协调”强调事物或系统内部元素之间的相互协作状态[9],被定义为“两种或两种以上系统或系统要素之间相互协作、步调一致、配合得当的关系”[10],系统之间协调意味着系统之间的发展状态必须趋向一致,并且内部各子系统间应具有一定的拉动关系,强调事物或系统的发展趋势。“和谐”指为了达到“协调、一致、平衡、完整、适应”关系而采取的行动。和谐关系是两种或两种以上系统或系统要素之间协调、一致、平衡、完整、适应的关系[10]。

1.2 区别与联系

“匹配”“协调”与“和谐”之间的区别主要体现在其概念范围的差异性。“匹配”强调的是对象之间的对称关系,这种对称关系并不一定“协调”。“协调”是研究对象之间相互协作、互相配合、互相拉动的关系,但其可能向好也可能向坏的方向发展,协调不一定“和谐”。“和谐”不仅是匹配的、协调的,还强调研究对象之间向好的状态,只有事物或系统整体均向好的方向发展,且能够不断促进这种良好发展进程的状态才能被称为“和谐”。

“匹配”、“协调”与“和谐”之间的联系主要体现在它们之间存在的从低到高的层次关系。总体来说,当两者或多者事物或系统之间存在对应、相关关系则“匹配”,当“匹配”的事物或系统步调一致、相互协作时,则达到“协调”的状态,良好发展的“协调”关系则可能进化为“和谐”。比如,探讨某地区水资源系统与经济社会系统之间的关系,良好的水资源系统有力支撑经济社会系统发展,反过来,比较恶劣的水资源系统阻碍经济社会系统发展,此时两系统之间“匹配”。若该地区水资源和经济社会发展均处于中等水平,虽然两系统之间的“匹配”程度很高,但若两者步调不一致,则它们之间“协调”不足。当经济社会系统与水资源系统均向好(差)发展时,两系统才能“协调”。而“和谐”发生在两系统均向好发展的“协调”关系中。

2 匹配度计算方法及适用性分析

2.1 计算方法概述

为定量分析系统或要素之间的匹配程度,并根据计算结果提出合理的改善措施,国内外学者从不同学科与计算角度出发,结合各研究领域的实际情况,对匹配度的内涵进行了延展和细化,对其量化展开了大量的探索,提出许多计算匹配度的方法。本文根据具有代表性的研究方法的计算类别与适用范围,对其进行归纳总结,主要将其划分为空间匹配计算与系统匹配关系计算两大类,表1列出了匹配度代表性计算方法的主要公式及其适用范围。

表1 匹配度计算方法及适用范围一览表

2.2 适用性分析

匹配度计算适用于不考虑事物或系统间发展一致性及协调发展程度,只探究系统间对应关系,寻求此对应关系的定量描述。目前匹配度的计算应用于许多领域,例如探讨较多的水土资源匹配、水资源与经济社会发展匹配、投入与产出的匹配等。不同的匹配度计算方法的适用范围也不相同,空间匹配计算类主要应用于空间上的匹配度计算,例如土地利用类型与水资源方面的二维空间上的匹配关系定量研究;系统匹配计算类主要适用于两个或多个系统之间的匹配度计算,系统间不一定是空间关系,其他各种关系都可应用。表1中列举了目前常用匹配度计算方法的适用范围,在具体选择时供参考。

3 协调度计算方法及适用性分析

3.1 计算方法概述

协调度的计算方法非常多,目前主要的方法见表2。将协调度的计算方法分为基于耦合概念的协调度计算方法、基于匹配度的协调度计算方法、基于模糊评价的协调度计算方法以及基于灰色关联的协调度计算方法。目前使用最多的是基于耦合概念的协调度计算方法,其中包括耦合协调度模型以及其延伸的动态耦合协调度模型、复合系统协调度模型。基于匹配度的协调度计算方法是在匹配、协调两概念的联系下,进一步对定量表述进行改善,是基于概念的定量方法。其余两种类型的协调度计算方法是将协调度与目前使用较多的评价模型结合,实质上是基于协调概念的模型改进方法。

表2 协调度计算方法及适用范围一览表

3.2 适用性分析

协调度是定量分析系统间协调程度的指标,协调度越大说明系统间一致性越强。当以定量分析事物或系统间发展一致性而不要求体现向好或向差的发展方向为目标时,即可采用协调度进行量化分析。由各种方法特点可知,基于耦合概念的协调度计算方法中包括的3种模型分别适用于计算耦合协调度、系统间动态发展的协调度及复合系统之间子系统的协调度3种不同情况;基于匹配度和综合评价指数计算的协调度计算方法是基于匹配度与协调度概念的计算方法,充分体现匹配度与协调度之间的关系,可应用到多种协调度计算中;基于模糊评价的协调度计算与基于灰色关联的协调度计算,根据原本模型特点,也存在不同的适用范围。不同方法的具体适用范围见表2。

4 和谐度计算方法及适用性分析

4.1 计算方法概述

和谐度是对系统之间和谐程度的度量,反映系统中各个子系统之间相互联系、相互适应、相互协调运行的程度,是充分体现系统或要素间向好发展、协调一致的数量指标。目前和谐度的计算方法大致可分为基于和谐概念的计算模型与基于现有模型改进的计算模型。其中,基于和谐概念的计算模型包括和谐度方程、改进的基于耦合协调度模型方法与人水和谐度计算模型,这些模型是根据“和谐”的概念,将构成和谐的要素进行量化后综合得到和谐度,其注重达到“和谐”状态的必要条件的量化集成;基于现有模型改进的计算模型,大多是将系统之间的关联度或隶属度作为和谐度,其计算大多并未区分与匹配度、协调度计算的区别,因此结果的准确性和表达意义还需要分析。

4.2 适用性分析

和谐度计算的适应范围较匹配度与协调度来说要求更高,当探讨系统或要素之间趋于正向的良好协调发展关系时,可以选择这一数值进行定量评价。和谐度量化的众多方法中,和谐度方程应用最广泛,已成功应用于多个领域,是目前最具代表性的和谐度计算方法之一,其在人水关系和谐程度总体评价和调控、水资源优化配置、跨界河流分水、高质量发展评估等方面的应用充分证明了其广泛的适用性。改进的基于耦合协调度模型方法是基于协调度计算的一种改进模型,它基于协调与和谐的概念,将协调度与和谐度紧密相连,是能够充分体现和谐概念的方法。代表性方法适用范围见表3。

表3 和谐度计算方法及适用范围一览表

5 实例应用

为更好地体现匹配度、协调度与和谐度的适用性,说明其之间的区别与联系,以某地区2004—2020年水资源与经济社会两系统之间的匹配、协调与和谐度计算为例,选取人均水资源量和人均GDP作为两个系统的代表指标,采用基于数列的匹配度计算方法计算匹配度,基于匹配度和综合评价指数计算的协调度计算方法对两个系统的协调度进行定量,最后根据和谐度方程法计算和谐度。

5.1 匹配度计算结果及分析

匹配度等级划分见表4。某地区2004—2020年水资源量与经济社会发展匹配度结果见表5。从表5可以看出,该地区匹配度呈现曲折上升再下降的趋势,其中2004—2006年,2013—2016年与2019—2020年匹配度处于基本匹配及以下阶段(0.5以下),而2004年、2006年与2020年匹配度甚至接近0(完全不匹配)。根据原始指标数据对其匹配不足情况进行分析:①2004—2006年与2013—2016年,区域水资源较为丰富,但其经济发展缓慢,水资源可以支撑该地区的进一步经济社会发展和生态环境改善,而未得到有效利用。充足的水资源和落后的经济社会发展造成该地区匹配度较差,该地区应合理开发利用水资源,在不损害水资源系统的前提下,大力促进区域经济快速发展。②2019—2020年,地区水资源相对缺乏,但经济社会发展迅速,水资源不足以满足经济发展需求,因此造成水资源与经济社会发展不相匹配。该地区匹配度呈现先上升后下降的趋势,在2010年达到峰值,说明在2010年之前水资源较为丰富,与经济社会发展匹配程度高,而后水资源短缺问题凸显,水资源短缺、生态环境恶化问题制约了经济发展。

表4 匹配度等级划分[10]

表5 某地区2004—2020年水资源量与经济社会发展匹配度

5.2 协调度计算结果及分析

考虑到匹配度、协调度与和谐度比较的合理性,采用基于匹配度的协调度计算方法对协调度进行定量计算。基于匹配度的协调度计算方法中综合协调指数P的计算,可参考文献[10]。P越大,代表系统朝越有利于协调的方向发展。本例权重μ、σ均取0.5。协调度等级划分见表6。某地区2004—2020年水资源量与经济社会发展协调度结果见表7。从表7可知,该地区2004—2020年水资源量与经济社会发展协调度多年变化较为平缓,总体上呈现先上升后下降趋势。其中,2004—2006年与2020年协调度处于协调不足及以下状态,说明两系统间协调程度极差,经济社会快速发展带来的过度用水和水体恶化现象造成水资源的短缺现象逐渐凸显,而不断提高的经济水平与急剧减少的水资源量造成了两系统发展方向相悖,从而导致协调度较差。2010—2012年和2017—2019年水资源量与经济社会发展协调度得到了提升,说明两系统发展方向一致,此时水资源得到了保护与补给,人均水资源量提高,与经济发展趋势相符。

表6 协调度等级划分表[10]

表7 某地区2004—2020年水资源量与经济社会发展协调度

5.3 和谐度计算结果及分析

选取和谐度方程法计算某地区2004—2020年水资源量与经济社会发展和谐度。在计算中,将匹配度作为统一度a、综合协调指数作为和谐系数i代入方程中,并根据统一度a和和谐系数i计算出分歧度b和不和谐系数j的值[10]。和谐度等级划分见表8。计算得该地区2004—2020年水资源量与经济社会发展和谐度结果见表9。和谐度HD>0时,代表水资源系统与经济社会系统处于向好发展状态,否则为敌对状态。从表9可知,某地区水资源量与经济社会发展和谐度在历年曲折上升,并在2018年达到峰值(0.507),处于基本和谐状态,但其余年份均于和谐不足及以下状态,甚至多年处于敌对。其中,2006年和谐度最差为-0.558,处于基本敌对状态。

表8 和谐度等级划分表[10]

表9 某地区2004—2020年水资源量与经济社会发展和谐度

5.4 综合对比分析

从实例计算结果可知,匹配度、协调度与和谐度之间存在差别,又有一定的联系。匹配度、协调度与和谐度计算结果如图1所示。由图1可知:2010年达到匹配度最高值说明匹配度的计算注重的是两系统要素是否对应,当两者均优(差)时匹配程度高,当一者较优,而另一较差时,两系统就不相匹配;而协调度高点均出现在两指标均向好(差)发展时,这说明协调度注重协调一致,当两系统步调一致,发展均向好(差)时,协调程度较优;和谐度的高点出现在协调的两指标均向好发展时,这说明提升和谐度要求两系统必须向好协调发展。从取值范围来看,匹配度与协调度的取值均在[0,1]范围内,这是因为“匹配”与“协调”较“和谐”有所不同,当两系统不具有对应关系时,匹配度为0,但只要两系统之间存在对应关系,就会存在匹配,其取值就一定大于0。协调侧重于两者发展的一致性,而不区别发展的好坏,因此当匹配的两个系统在发展时存在步调一致的情况就存在“协调”,此时协调度就一定存在,并且非负。和谐度的取值范围为[-1,1],这是因为协调的两系统发展有双向性,向好则将其定义为“和谐”,而向差则为敌对状态。

图1 匹配度、协调度与和谐度计算结果

6 结语

基于前期研究和文献综述,归纳总结了系统或要素间的“匹配”“协调”与“和谐”概念,通过对比三者概念,辨析三者区别与联系,总结匹配度、协调度与和谐度常用计算方法,探讨各方法适用范围,并通过简单例子对匹配度、协调度与和谐度计算并进一步说明其之间的区别与联系,主要有以下结论:

1)“匹配”“协调”与“和谐”被理解为两者或多者系统之间的一种状态,或者指系统内部各要素之间关系的一种发展状态。匹配度、协调度与和谐度是运用数学和定量的方法来衡量上述状态的数值表达形式。

2)“匹配”“协调”与“和谐”之间的区别主要体现在其概念范围的差异性,“匹配”不一定“协调”,“协调”不一定“和谐”。“匹配”“协调”与“和谐”之间的联系主要体现在其之间存在从低到高的层次关系,“和谐”一定“协调”,“协调”一定“匹配”。

3)在实例计算中,协调度为匹配度与综合协调指数的集成,代表综合考虑匹配和协调一致的发展关系;和谐度计算时实质上是将协调度作为和谐度计算的一部分,结合分歧度与不和谐系数集成的不和谐因素部分,从而得到和谐度。