基于复合系统仿真的山东省装备制造业绿色转型发展研究

白晶 张峰

关键词：装备制造业；绿色转型；系统动力学；情景仿真

0 引言

面对全球碳排放量迅速增加、生态压力不断加大，发展“绿色经济”已成为全球共识［1］。从党的十八大以来，我国制造业绿色化转型步伐加快，绿色制造体系建设不断推进，增强绿色发展，提高经济绿色竞争力水平变得尤为重要［2］。当前，装备制造业作为我国国民经济与国防建设技术性保障支柱产业［3］，其快速发展的同时带来的诸多环境问题在区域协同发展中同样存在［4］，经济发展所面临的环境约束矛盾十分突出，而产业结构绿色化必将促进我国制造业加快淘汰落后产能。所以，如何提升环境污染防治能力，挖掘产业绿色发展潜力，在面对全球新一轮技术革命和产业革命，积极把握和面对装备制造业发展机遇与挑战，是当下面临较为棘手的问题［5］。尤其是在新发展格局下，装备制造业不仅要进一步提升传统产业的动能，还要更加注重挖掘新的潜力，提升装备制造业供给体系对国内多种需求的适配性。从目前发展情况来看，山东省装备制造业产业规模实力已位居全国前列，逐渐成为地方经济发展的重要支柱，但随着经济快速发展，产业结构偏重，对能源及资源产生较强依赖，使得制造业经济形势整体下行，发展效率低下、研发创新相对乏力、长期过度集聚的同时使得资源短缺、环境污染等问题日益凸出［6］。对此国家“十四五”规划和《中国制造2025》系列文件要求不断加快推进工业绿色发展，促进产业结构与生产方式由传统制造模式转变为绿色制造模式，实现制造业由大变强的跨越，推动我国装备制造业生产国际化先进制造装备、走可持续健康发展道路［7］，而推进制造业绿色转型升级又是一项复杂的系统工程，需要多要素的综合集成性支持［8］。据此，想要进一步深化山东省装备制造业向高质量转型，加快构建资源依赖低、环境治理强、科技含量高的绿色制造体系，大力推进节能降耗，实现产业绿色转型发展已变得刻不容缓。

1 文獻综述

装备制造业到底有哪些转型发展？围绕这一话题，越来越多的学者也开始尝试分析不同角度下装备制造业转型发展的作用机制。首先，从国家层面来看，李大元等［9］从探索发达国家制造业振兴战略出发，发现各发达国家纷纷大力发展绿色制造业，不断提高自主创新能力，积极寻求新经济增长点来重构现代制造模式；李俊江等［10］基于美国高端制造业“再工业化”创新发展，发现制造业高级生产要素的投入和革新有助于美国高端制造业处于领先地位。其次，从转型路径来看，Vokoun［11］研究发现，技术创新这一中间变量对于企业经营成效具有较强的正向效力，促进技术革新，使得企业跟上时代步伐，有利于促进制造业转型升级；Thumer等［12］通过潜类别探讨生态公司绿色发展水平，发现密集型行业更加注重资源的利用效率，同时生态资源约束对装备制造业可持续发展具有重要意义；宁进［13］通过装备制造业服务化转型路径因子分析，发现装备制造业服务化是制造业与服务业融合发展的一种新型模式，是未来装备制造业转型发展的一种必然趋势。最后，从转型方法来看，BI等［14］提出“可重构制造系统”这一观点，该观点是指能够通过对制造系统结构及其现有零件族结构的快速重组或更新，达到对生产能力以及功能方面的调整，进而更加快速有效、低成本地适应市场变化对制造系统的动态需求。

文献梳理表明，随着新一轮技术革命推进，我国装备制造业发展一方面面临着发达国家“再工业化”战略的严峻挑战［15］，另一方面，随着产业发展日渐成熟，其高能耗、高排放、科技创新动力不足、环境污染严重等弊端也逐渐暴露出来。想要推动经济高质量发展，装备制造业目前亟需通过产业转型升级来实现［16］。据此，本文采用系统动力学方法，选取山东省2010—2017年装备制造业发展相关数据研究山东省装备制造业绿色转型发展路径，为制定装备制造业绿色转型驱动措施提供理论借鉴。

2 模型构建与数据说明

2.1 系统边界分析

系统构建过程参考系统功能、结构、信息交流等要素［17］，依据装备制造业绿色转型的特点，以山东省装备制造业为研究系统边界，不断向可持续发展模式转变，并结合已有的研究成果，引入相关要素，构建模型系统框架（图1）。

2.2 系统仿真因果关系图构建

按照系统原理，将山东省装备制造业绿色转型发展划分为四大子系统：经济子系统、环境子系统、能源子系统、科技子系统，并对各子系统之间的相互关系进行因果反馈分析。各子系统及其主要要素变量如表1所示。

运用Vensim-PLE软件构建山东省装备制造业绿色转型复合系统SD模型，综合考虑因素间相互关系并结合前文所建模型系统框架对主要变量间因果关系进行识别，画出因果关系回路图（图2）。

（1）经济回路

GDP→+全社会固定资产投入总额→+装备制造业固定资产投入总额→+装备制造业增加值→+装备制造业总产值→+环境污染水平→+污染损失→-GDP山东省内生产总值的增加，带动政府对社会固定资产投入力度增加，因此，投资总额有所增加。全社会固定资产投入增加将对装备制造业全社会固定资产投入额的提高产生影响，从而影响装备制造业总产值跃升，带动整体生产总值增加，经济的增长必然会影响环境污染质量，增加污染损失量。

（2）科技回路

GDP→+地方R&D 投入→+科技产出→+科技水平增长率→+技术进步对能源消耗因子→+能源消耗阻碍量→-装备制造业能源消耗总量→-化石能源消耗量→-环境污染水平→-污染损失→+GDP经济的不断发展会影响政府对于地方科技投入的关注，从而加大科技投入借此达到科技进步的目的，科技水平提高直接影响能源消耗使用效率［18］，从而降低装备制造业经济发展对环境的破坏，进而影响经济总量的增加。

（3）环境回路

GDP→+环境污染治理投资→+污染物处理量→-污染存量→-环境污染水平→-污染损失→+GDP山东省内生产总值的增加，政府对环境污染治理投资力度加大，投资额增加。污染物处理量增多，改善污染物整体存量减少［19］，从而降低环境污染水平，使得污染损失更小，带动经济更好的发展。

（4）能源回路

GDP→+节能投资→-化石能源消耗量→-废气及其污染物排放量→-环境污染水平→-污染损失→+GDP装备制造业总值的增加必然会需要投入更多的能源，能源消耗量增加，而工业的能源消耗主要来自于化石能源［20］，因此，山东省内生产总值增加，会带动节能环保投资增长，节能投资增多必然会减少能源消耗或是提高能源消耗率，影响废气及其污染物排放减少，从而促进经济更好的发展。

2.3 系统仿真流图构建

根据建立的系统仿真因果关系，把反应敏感变量融入模型，构造SD存量流量图。该SD模型由多重影响因素综合构建，包括GDP、装备制造业总产值、装备制造业从业人数、装备制造业能源消耗总量为系统初始状态变量以及15个可控变量，进一步判定系统不同要素的属性，借鉴系统动力学的有关理论和方法，绘制出山东省装备制造绿色转型发展系统存量流量图（图3）。

2.4 数据来源及参数设置

模型中涉及的主要数据来源于《山东省统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》等统计资料，运用SPSSAU、Eviews10和Excel等软件对某些数据、表函数、表达式等进行分析处理。

模型构建成功，对山东省装备制造业绿色转型系统进行量化分析，限于篇幅，仅列出部分主要模型方程，其他参数设置如表2所示。

（1）GDP=INTEG（GDP 增长量-GDP 减少量，33 922.5）（单位：亿元）

（2）装备制造业总产值=INTEG（装备制造业增加值，24 115.2）（单位：亿元）

（3）装备制造业增加值=1.431ד地方R&D 投入”+0.45×装备制造业固定资产投入额（单位：亿元）

（4）环境污染治理投资=（GDP×污染治理投资比重）^1.5（单位：亿元）

（5）污染物处理=（环境污染治理投资×单位治理投资污染物处理量×9.5e-05×科技产出）^1.04（单位：万吨）

（6）单位治理投资污染物处理量=10+9.632×RAMP（1e-06，2010，2030）（单位：万吨）

（7）污染存量=（污染物排放量-污染物处理量）×0.7（单位：万吨）

（8）污染物排放量=废气及其污染物排放量+固体污染物排放量+废水及其污染物排放量（单位：万吨）

（9）污染指数=污染存量/污染物排放量

（10）环境污染水平=（1.5×LN（废气及其污染物排放量）+1.05×LN（废水及其污染物排放量）+1.26×LN（固体污染物排放量））^1.04

（11）装备制造业能源消耗总量=INTEG（化石能源消耗量-0.6×能源消耗阻碍量，1 333.02）（单位：万吨标准煤）

（12）化石能源消耗量=化石能源消耗弹性系数×能源税调控因子×装备制造业能源消耗总量×0.3×LN（装备制造业总产值）（单位：万吨标准煤）

（13）能源消耗阻碍量=（节能投资×投资转化率+装备制造业能源消耗总量×技术进步对能源消耗因子）/10（单位：万吨标准煤）

（14）地方R&D投入=（GDP×"R&D投入占比"×产学研强度）×2.35（单位：亿元）

（15）科技产出=（"地方R&D投入"^0.4416）×（"地方R&D人员"^0.5584）×0.6（单位：亿元）

（16）科技水平增长率=（科技指数-科技指数延迟）/科技指数延迟

3 山东省装备制造业绿色转型发展系统仿真模型

3.1 模型有效性检验

利用Vensim PLE软件针对该模型的有效性展开历史仿真检验，仿真范围从2010—2030年，仿真步长为1年，根据2010—2017年有关指标数据，对经济、环境、能源和科技四个子系统进行有效性进行分析［26］，选取了各子系统具有代表性的要素对模型可靠性与有效性进行了验证，如表3所示。

通过模型运行，在四个子系统中选取主要的四个指标装备制造业总产值、地方R&D 从业人数、环境污染治理投资以及化石能源总消耗量其误差率均在±5% 内，表明模型结构设计及参数选取满足系统仿真要求。

3.2 情景方案设计与分析

结合《山东省“十四五”绿色低碳循环发展规划》要求设定山东省装备制造业发展的不同情景，观察在不同调控情景下指标变量变动情况，为描述研究对象未来的发展趋势提供正确的决策分析工具。

情景1：基准情景。GDP增长率按照2010—2017年的平均增速9.85%增长，不对其经济结构做出调整，不进行环保和技术的研发应用，各参数均保持现有趋势不变，同时该情景可用于其他调控模拟结果的对比参照。

情景2：经济增速情景。参考《山东省装备制造业转型升级实施方案》要求，到2022年全省装备制造业重点行业经济规模和综合效益要居全国前列，营业务收入超过5万亿元，利润率达到7%左右，考虑经济发展与环境保护之间的相互作用，设定要素GDP 增长率为9.95%。

情景3：环境污染治理情景。在该情景下将调控重点置于环境保护投入上，增加环境污染治理投资比重，装备制造业固定资产投入占比维持0.191，同时环境污染治理投资比重提升3.2%，由于环境治理投资增加，带动“三废”系数产生相应降低。

情景4：技术研发情景。考虑到技术研发是影响高端装备制造业发展的重要方面，其会对环境污染治理相關要素产生不同程度影响，据此，调整R&D投入占装备制造业总产值的比例以及提升产学研强度为0.67%，57.5%。

情景5：要素集成情景。综合情景2、情景3、情景4山东省装备制造业的关联要素调整，观测复合系统的变化情况。

3.3 模拟仿真与结果分析

针对山东省装备制造业不同情景下的经济、环境、技术等子系统的模拟预测结果，选取GDP、装备制造业总产值、污染物排放量、污染存量4个指标，对其绿色转型发展水平进行评价，如图4所示。

由模拟结果可见，情景1状态下GDP以年均9.85%的增长速率保持一定的经济发展水平，但是模拟预测效果也只是高于情景4；由于缺乏技术创新支持，到2030年装备制造业总产值达到各情景下最小值。从其引发的环境效应来看，虽然此情境下污染物排放量到2030年仅比情景3 高，但是污染存量却是五种情景下最大值，说明维持现有发展模式使得制造业经济形势整体下行，发展效率低下、长期过度集聚的同时使得资源短缺、环境污染等问题日益凸显，经济发展的同时对生态环境造成较大的承载压力［27］。

情景2中通过提高经济发展速率作为重要调控手段，到2030 年GDP 总量仅次于情景5，达到184 833 亿元，但是装备制造业总产值模拟预测结果仅高于情景1和情景3。上述模拟效果表明在对整体经济发展增速在合理范围内调控，虽然对整体宏观经济会产生一定程度影响，但其模拟结果还是维持在可接受范围之内。到2030年时污染物排放量为940 578万吨，要明显高于情景1，污染存量也仅次于情景1，维持在较高水平。该模拟效果也较容易理解，由于经济发展速率提升，行业所消耗资源总量也随之增加，加以环境治理水平和技术投入有限，进而导致污染物存量居高不下，说明此情景下环境效应具有较大提升空间。

对比情景3中GDP和装备制造业总产值于2030年模拟效果值（181 318亿元，165 019亿元）相较于五种情景中处于较低水平，说明在装备制造业转型发展过程中将更多的资本投入到环境保护治理上，需要经过一定时间才能取得相对较为理想的经济效益。在此情景下，污染物排放量模拟结果取得所有情景中的最低值（910 496万吨），污染存量模拟预测值也显著低于情景1和情景2。该结果说明控制污染物排放系数并增加环境污染治理能力可以有效降低环境污染总量，减少污染物排放量，从而缓解由于经济发展引起生态环境承载的压力。

情景4中GDP到2030年模拟效果值为五种情景下的最小值（181 174亿元），即通过加大对技术投入，在一定时间内对经济发展会产生明显的抑制效应，二者的协同效应不高；但装备制造业总产值却高于前面三种情景，得到此模拟结果也较易理解，即由于政府政策导向，要求不断加强创新体系建设，加快发展壮大新兴高端装备，实现高质量发展的目标，而且将更多资本投入到技术研发与创新中，能够使行业发展在较快时间内得到显著提高。但是，行业的迅速发展必然会产生更多能耗，所以在此情景下污染物排放量达到了最高值，而污染存量仅略高于情景3。该结果说明在制造业绿色转型建设中技术发展能促进环保措施的改进，从而在一定程度上减轻污染物排放造成的环境污染。

对比以上四种情景，情景5相对取得了较为可观的模拟结果。其中，经济效益GDP和装备制造业总产值在2030 年的模拟值分别为184 903 亿元和171 214 亿元，均在五种情景中达到了最大值。其次，该情景下引发的环境效应中，污染物排放量虽然仅比情景4略低，但是污染存量的模拟值（133 114万吨）明显低于情景2，为五种情景下的最小值。由检验效果来看，该措施下经济发展与环境保护起到了协同效应，各要素达到了较为理想状态。

4 讨论

通过情景分析，参考《山东省装备制造业转型升级实施方案》政策规定，综合衡量装备制造业绿色转型发展在各方案下达成的模拟效果，结果发现在实际推动装备制造业绿色转型发展过程中，只促进某一要素或者提升单一方面的措施无法实现经济和生态效应的协同发展，反而可能会因“厚此薄彼”引发新的问题。而通过复合系统下对山东省装备制造业关联指标进行调控，预测结果显示基于调整经济增速、环境污染治理、技术创新研发等情景模式下，其产生的复合系统各项效应差异相对显著。因此，想要实现经济提质增效和绿色转型升级需要综合考虑系统中各要素之间的相互作用，充分为装备制造业高质量发展注入多方动能。

5 结论和建议

5.1 结论

本文运用系统动力学方法构建山东省装备制造业绿色转型发展仿真模型，选取2010—2017年数据，通过定性与定量相结合，提出5 种情景方案并进行模拟仿真，观测该系统在不同发展模式下各重要指标的响应程度。结果发现：

（1）维持当前发展趋势，山东省装备制造业经济总量增长缓慢，环境污染程度在持续扩大，行业发展依赖资源消耗的模式对生态环境造成较大承载压力，将难以实现工业绿色发展的目标，远远达不到政府对于环境大力改善，经济协调发展的良性预期。

（2）提高经济速率的方式能快速促进工业经济提升，且对装备制造业产值能够产生长期正向效应，说明改善资本结构比重增加可以显著提升未来装备制造业经济总量，但是社会经济快速发展，对资源环境仍造成较大压力，生态环境效应方面显著促进作用尚不明显，给经济带来的影响仍然是高增长、高污染的环境损失，无法满足现阶段山东省装备制造业绿色转型发展迫切需求。

（3）强调环境保护，污染物排放总量在此措施下取得最优效果，但是经济发展缓慢，虽然一定程度上达到了绿色生态化发展，但是无法实现经济效益的稳固提升，反而易消耗较多资源成本。

（4）注重技术研发投入优先会对装备制造业总产值产生较强支撑，而且增加研发创新和技术进步，使得能源利用效率提升从而实现工业绿色增长，但是工业经济总量发展却并不显著，此外，装备制造业产值持续提升会在源头产生较多污染物，进而导致环境治理投入失去來源支撑，对于经济和生态环境效应还是有很大的提升空间。

（5）将要素综合加以调整，尽管某些指标在此情景下并未取得最佳值，但是综合考察此情景下对系统整体协调作用的影响来看，仍为最优选择，充分考虑了不同要素之间相互作用，该模式下社会经济发展与资源环境保护达到了共赢状态，使经济稳定发展的同时生态环境效应也能保持在较为理想态势。

5.2 建议

对于山东这样一个制造业大省，能源消费结构单一，环境较为脆弱，转型难度较大，为实现山东省装备制造业高质量发展，助力经济提质增效和绿色转型升级，本文提出如下对策建议：

（1）以装备制造业绿色转型发展为导向针对性地提升技术创新驱动能力，不断推进山东省装备制造业稳步发展。逐步推进环保装备制造业数字化、智能化、绿色化、服务化转型，实施技术创新能力提升“补短板”行动。强化关键核心技术攻关、推动共性技术平台建设、加速科技成果转移转化、通过数字技术与可再生能源和清洁能源的融合与应用，优化能源供需模式，加快产业绿色、低碳转型步伐。

（2）因地制宜制定环境规制政策。在促进经济向更高水平发展的同时，增加生态环境治理投入，出台相关法律法规政策支持绿色发展综合评价方案的实施，激励各市、各企业加快推进经济社会全面绿色转型的积极性、主动性和创造性，使得经济和环境相辅相成共同进步。

（3）综合考虑各方面影响因素，增强协同方案激励作用。单要素驱动情景中的各路径在提高装备制造业总产值以及降低污染存量方面作用有限，协同发展路径是综合了科技支撑、结构优化和环境规制共同发展的绿色化发展之路。各要素协同发展下既保证了经济高速发展，又可以有效从源头和末端对“三废”污染物进行控制，有助于装备制造业增长方式由粗放型增长向绿色环保、集约型增长转变。