（技术经济及管理专业论文）生态工业园系统的演化与调控.pdf

摘要摘要本项研究运用牛态工业学以及生态经济学理论，借助复杂适应性理论的多丰体建模思想，分析了系统内外的能量流、物流、信息流运动，抽象出了牛态工业园区的要素、结构和功能。以和谐共生为主题、追求经济效益和相互消耗工业剩余物为目的，在一个开放的空问上，从产业个体意愿出发，通过演化建立牛态工业立体循环网络系统模型，从不同侧面对生态工业系统进行建模和求解，并且在s w a r m 平台建立了它的仿真模型。采用实验运行演化的方法，观察生态工业系统在没有外部干扰下的稳定情况，研究达到这样稳定所需要的演化过程，表现这个稳定状态，分析稳定的本质。如果达不到那种稳定的状态，寻求在外界可靠技术“定位”的帮助下达到那种平衡状态的方法，分析市场波动及政府宏观政策对园区的影响，研究生态工业园区的演化策略理论和方法，建立静态和动态生态经济均衡模型，以可持续发展的方法调控牛态工业园区的企业种类和规模，加强牛态工业共生系统的自适应能力。研究( 虚拟) 牛态工业园区具有重要的实际麻用价值。在欧美等发达国家，出现了将传统工业开发区改建成牛态工业园区的趋势。我国有数百个各种层次、各种类型的工业开发区( 产业聚集区) ，随着环境日益恶化，也面临着牛态改造问题。我们的研究提出了在一个开放的区域范嗣内构建和谐的产业生态循环系统的一些方法，成果可以为政府决策提供参考，为规划、设计部门提供理论指导和实践仿真，为产业绿色技术创新提供“路线图”和行动指南。关键词：多主体、生态工业园区、演化算法、仿真、s w a r ma b s t r a c tb a s e do ne l e m e n t s ，c o n s t r u c t i o n sa n df u n c t i o n so fe c o i n d u s t r i a lp a r k s ( e i p s ) ，b yt h ew a y so fm u l t i a g e n tu n d e rt h et h e o r yo fc o m p l e x ，a n a l y s i st h ef l o w i n go fe n e r g y ,l o g i i s t i ca n di n f o r m a t i o n ，f r o mt h ev i e wo fh a r m o n i o u sa n ds y m b i o s i s ，c o n s u m p t i o nr e s i d u ae a c ho t h e r , t h e nc o n s t r u c ta nc c o i n d u s t r i a lc i r c u l a rf o o dw e bs y s t e mm o d e lw i t h i na no p e ns p a c e f r o mt h er e s e a r c ho fm e t h o do fm u l t i a g e n tm o d e l i n g ，b yt h es w a r ms i m u l a t i o np l a t f o r mw ec o n s t r u c tt h em o d e l ，t e s ta n do b s e r v et h o s es t a t e m e n t sw a i t i n gf o re i p so c c u r , i f t h e r ei sn oi n t e r r u p t i o nf r o mo u t s i d e ，w ew i l lt a k es u c hs t a b l ec o o - i n d u s t r i a ls y s t e mi n t oa c c o u n t ，t a k eag l a n c ea b o u to u t l i n eo ft h i ss t a b l es t a t e ，e s t i m a t et h ec o s tt ob u i l ds u c hab a l a n c es t a b l es t a t et h a tac l o s e ds u b s t a n c ec i r c u l a rs y s t e mb ya n yo t h e re n e r g e t i cm e t h o d s e a r c h i n gs o m ec e r t a i nr e l i a b l et e c h n i q u e st ob u i l ds u c hs t a t e ，a n a l y s i s i n gt h ee f f e c t i v e sb yg o v e r n m e n tm a c r o a d j u s t m e n t ，o u ra i mi st ob u i l dam o r ei m p r o v e de c o - i n d u s t r i a is y m b i o s i sf o o dc h a i nw e bc i r c u l a rs y s t e mu n d e rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt h e o r y , s t r e n g t h e nt h es e l f - a d a p t i v ea b i l i t yo fe i p s t ob u i l da ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tc o n t r o lm o d ef o ri t t h e r ea r eg r e a tp r a c t i c a lv a l u et ob u i l d ( v i r t u a l ) e c o i n d u s t r i a lp a r k ，i nu s a ，f r a n c e ，c a n a d a ，d e n m a r k ，t h e r ei sat r e n dt h a tr e b u i l dt h o s et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lp a r ki n t oe i p s w eh a v em o r et h a n1 0 0a l lk i n d so fi n d u s t r i a lp a r k s ( i n c l u d ei n d u s t r i a lc l u s t e r s ) i no u rm o t h e r l a n d ，w i t h i nt h ec r u s h i n gd o w no f t h ee n v i r o n m e n t ，w ea l s of a c eh o wt oi m p r o v et h o s ee x i s t i n gi n d u s t r i a lp a r k sa n du p d a t et h e m ，e c o i n d u s t r i a lp a r kl e a d so a ran e ww a yt og o ，m a y b ew i l lad i r e c t i o n i nt h i sb i gb a c k g r o u n do u rr e s e a r c hc a nb eav e r yp r e s e n tf o ro u rg o v e r n m e n ta n dw i s ht ob eag u i d e ra n dm i l es t o n ef o rc o m p a n i e s g r e e nc r e a t i v et e c h n i q u e s k e y w o r d s ：m u l t i - - a g e n ts y s t e m ；e c o - i n d u s t r i a lp a r k s ；i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m ；s i m u l a t i o n ；s w a r mvl l 一刖舌随着生态环境的持续恶化和人们对环境问题的日益关注，产业系统已经转变了它的生产模式，原先的生产过程都是从牛态系统中获取原材料，然后将大量的剩余物以废弃物的形式直接排放到自然牛态系统中，而现在的经济活动正在模仿生态系统中的生态循环，一个产业实体产生的“剩余物”正好是其他产业实体的原材料一部分来源，这样循环进行，从而使所有物质得以充分利用，都在向着“资源一产品一再生资源一再生产品”的循环过程转变。从二十世纪末期，开始出现了在工业区、城市甚至不同城市、不同国家之间的早期产业牛态化实践副产品交换，但由于缺乏系统规范的理论研究，这种工业剩余物交换一直处于基于利益的自组织状态，并未引起人们的充分重视。发达国家正在把发展生态工业、建立产业剩余物食物链网作为实现环境与经济协调发展的重要途径，十分重视对生态经济的研究。日前世界已经有近百个生态产业园的项目在规划或建设之中，其中多数是在美国。为此，美国国家环保局为牛态产业的发展提供了大量的财政支持，康奈尔等大学为牛态产业园的建设提供信息与规划服务，美国总统可持续发展理事会( p c s d ) 还专门成立了研究生态产业园的特别工作组，并设立了示范点。在欧洲的奥地利、瑞典、爱尔兰、荷兰、法国、英国、意大利等国家也正在迅速发展。在亚洲，日本是最早关注产业与生态关系的国家之一，印度尼西亚、菲律宾、泰国、印度等国家正在开展牛态产业园区的项目。德国教育与研究部在印度尼西亚和印度资助了两个牛态产业园区项目。我国自1 9 9 9 年开始启动生态工业示范园区建设试点工作，建立了第一个贵港国家生态工业( 制糖) 示范园区，但迄今尚无一个国际上承认的真正意义上的生态工业园。目前对生态工业园区的定义较多，本课题所研究的生态工业园区( e c o i n d u s t r i a lp a r k ，以下简称e i p s ) 是指在一定时期和一定空间( 包括虚拟) 内由企业、工业剩余物、消费者和市场与其所在的自然环境、经济环境和社会环境组成的、按照自然生态系统物质循环和能量流动规律重构的经济系统。该系统具有一定的大小和结构，企业之间、企业与消费者之问通过市场进行物质循环、能量流通、信息传递、知识交流和技术扩散等，进而相互作用并形成具有自组织与自调节功能的、以互相消耗工业剩余物为目的的产业共牛的食物循环链网系统。一直以来国内外专家学者的研究主要集中在建立和规划e i p s 的具体实践中。如丹麦在7 0 年代就建立的卡伦堡牛态工业园就是最早的一个自组织的生态工业系统的实践，但它并不是一个人们刻意设计的一个e i p s ，它的自组织性和地域的特殊性使得别人难以模仿。国内外专家学者对生态产业园区的研究可以分成几类：( 1 ) 生态产业园区的物质、能源、和信息流动关系研究；( 2 ) 生态产业园区实施原则和策略研究；( 3 ) 生态产业园区的成员角色和相互关系研究；( 4 )生态产业园区的支撑机制研究；( 5 ) 生态产业园区的运作效率研究。研究大多关注生态工业理论的研究和具体牛态工业工程处理流程，鉴于国内外对工业牛态理论的研究处于起步阶段，对e i p s 系统所出现的自组织机理尚不清楚，特别是从系统仿真和建模角度及系统演化角度来分析e i p s 几乎没有文献。事实上，如果缺乏有效的系统建模和仿真，直接建设e i p s 将会面临一系列的问题：( 1 )工业剩余物食物链( 网) 结构复杂，在系统开放的条件下，物质和能量的持续交换，形成能量耗散和系统内的非线性动力机制，用传统的理论很难解决这一复杂系统问题。( 2 )工业剩余物食物链( 网) 中关键结点的失效可能会导致整个e i p s 的崩溃。( 3 )经济效益与牛态效益的矛盾，投资的巨大和风险使得建设者望而却步。( 4 )对e i p s 的政策调控问题，经验的不足和所制定的未经证明的政策随意性很强。为解决这些问题，课题将从以一个区域的的社会环境下进行设计和研究e i p s ，无论他们在地理位置上是否相邻，通过系统将这些离散的企业经过课题所设计的系统仿真演化联结成工业剩余物食物链( 网) ，以减少实际交易成本，并在对该链( 网) 的演化分析基础上，寻求解决以上问题的途径，完善e i p s 演化理论，研究成果可为国家决策提供参考，解决方案，避免在制定政策时的随意性，为规划、设计部门提供理论指导和优化为区域绿色技术创新提供“路线图”和行动指南，在整个和谐社会体系下建立工业牛态和谐体系，推进生态经济的发展。本研究涉及了工业牛态学、系统工程、循环经济学、人工生命、复杂性科学等众多领域，通过众多学科的交叉融合，充分考虑了可持续发展的牛态工业系统的特征，将多主体( m u l t i a g e n t ) 建模思想及智能管理模式引入到生态产业园区的研究中，有别于完全数学建模，通过在信息数据不完全条件下给出计算机模型，对生态产业园区建模领域的研究具有一定探索性意义。研究成果可以在一个比较大的社会环境中，以互相消耗工业剩余物和最求经l i济效益为目的，通过计算机仿真建模，模拟各产业实体自主配对演化，观察经过一定时间序列以后，这些产业实体是否会形成一簇簇的相互消耗工业剩余物的食物链( 网) 。对这个工业剩余物食物链网，运用多主体建模和智能管理的基础理论，研究生态学原理和方法构造生态工业系统的生态网状循环架构，研究生态工业系统可持续发展的内容和方法，分析生态工业系统可持续发展的特殊性。研究生态工业园区智能管理和信息管理方法，解决产业生态食物链网络中的仿真建模和仿真，导出一般理论和方法。用复杂适应性理论研究循环经济的可持续发展模式，探求在非完全理性下多主体系统在生态产业园区系统中的建模技术理论与方法。本人借鉴了丹麦卡伦堡生态工业园区和我国的贵糖、鲁北化工以及浙江衢州巨化等一些生态工业园区建立和规划方法，但是由于本研究是从理论上对虚拟生态工业园区的剩余物交换组成和链接进行的研究，国内至今尚无得到世界公认的牛态工业园区，资料收集十分困难，因此论文通过文中建立的仿真模型进行验证和分析。项目研究在某些方面肯定还存在着这样那样的不足之处，有待本人进行进一步研究，同时恳请有关专家、学者和同行提出宝贵意见，为我今后的研究提供方向和指导。i i i图表目录图1 1 本文技术路线图表目录图2 1 基于a g e n t 的复杂系统的建模方法图3 1 物质流动关系示意图1 5一3 14 4图4 1 赌轮示意图5 2图4 21 5 0 代计算5 6图4 31 0 0 代讣算5 6图4 ，35 0 0 代计算5 6图4 4 生态工业剩余物交换网拓扑结构图6 4图5 1 生态工业园区主体联系示意图7 l图5 2 水资源一体化7 3图5 3 用水企业神经冗节点7 5图5 41 0 0 次迭代计算时的情形7 8图6 1s w a r m 程序结构示意图图6 2 扩展m o o r e 模型走法图6 3 仿真初始参数( 可调) 图6 4 生态丁业同| x ：演化仿真模帮图6 5 企业基于剩余物的链接情况图6 6 演化时剩余物总排放鼍随着时问下调井达到稳定图6 ，7 银行利率上浮企业数减少图6 8 利率下降中小企业发展成大企业图6 9 当政策对排放惩捌力度增加时企业数景剧减图6 1 0 有指定企业参加演化的情况图6 1 1 市场好( 订单多) 的情况图6 1 2 市场不好( 订单较少) 的情况图6 1 3 匹配度要求高( 8 0 的匹配) 的情况一图6 1 4 匹配度要求不高( 6 0 的匹配) 的情况图7 1 工业剩余物交换网系统架构图7 2 工业剩余物交换网系统的层次结构1 2 01 2 l表1 1 国内外工业生态学领域重大事件( 1 9 9 3 年一2 0 0 5 年) 一表3 1 共生企业相互作用表表5 1 重连概率p 与进入合作平衡的平均时间表6 1 企业和订单属性表i x54 38 29 l黔孵叭窨|吆舛：兮腮凹mm学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：学位论文使用授权说明2 0 0 7 年6 月1 0 日河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登)授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月1 0 日第一章绪论第一章绪论工业化既是人类技术进步、经济发展和社会文明的结晶，也是环境污染、生态破坏和社会问题的汇合处，人们终于开始认识到要有效地组织工业企业，对他们进行一个生态整合，要求他们使用可再生资源的速度小于或等于其再生速度，并对不可再生资源进行最有效的使用。同时，工业剩余物的产生和排放速度应当不超过环境自净或消纳的速度。循环经济要求把经济活动组织成“资源产品再生资源再生产品”的物质反复循环流动过程，遵循“减量化、再利用、再循环”( 3 r )原则，使整个经济系统的生产和消费过程不产生或只产生或者排放很少的工业剩余物，从根本上消解长期以来环境和发展之问的尖锐冲突，建立一个生态工业系统。在自然界中，没有真正意义上的废物，一个物种的代谢产物总能被另一个物种作为营养物加以吸收利用，整个生物圈在太阳能驱动下，通过上亿年的进化过程已经实现了几乎所有物质的闭环流动。人类正是在大自然的启示下，运用生态学的原理来指导和规划整个工业体系，并提出生态工业的概念。工业生态学的一个最重要的观念就是否定废物( w a s t e ) 的概念。字典中的“废物”是指没有用处或者没有价值的物质，然而在自然生态系统中没有什么东西是最终要被抛弃的，所有的物质最终都会以不同的方式得到有效的利用，自然界在其长期的进化过程中已经显示出了这种规律，所以生态工业认为“废物”是一种“错位的资源”，人们通过可以向“废物”注入能源等，可以将其提升为高品质的资源，重新作为原材料用于工业生产，达到变废为宝的目的，从而实现物质在整个工业系统中的循环以及人类社会的可持续发展。本文中，我们将经过生产剩余的和使用过的物质称为工业剩余物( r e s i d u a ) ，而不是废物( w a s t e ) 。工业生态学的一个重要研究内容是生态工业园区( e c o i n d u s t r i a lp a r k s ，生态工业园区) 的设计与管理，研究它的演化机制，对它进行柔性控制。生态工业园区是一个包括自然，工业和社会的复合体，它通过成员之问的副产物和废物的交换、能量和水的逐级利用、基础设施的共享来实现园区在经济效益和环境方面的协调发展。在美国、加拿大等发达国家，生态工业园区的建设正呈迅速发展的势头。需要说明的是，在这里生态工业园中的“生态”，已经不是狭义的生物学概念，而是包括了社会、经济、自然复合协调、持续发展的含义，是人与自然共生、共荣、共存的复合系统。这里我们将生态工业园区看成是在一定的区域或范围内，由各种不同产业组合，如制造业企业、农业生产企业、渔业水产企业、服务业企业等联合组成，而并不局l河海大学博士学位论文限于单一的工业产业，利用生态学原理，通过企业问物质循环和能量流动的功能流相互作用、相互联系，以相互消耗工业剩余物而形成的生态工业体系。电就是把工业经济活动视为一种类似于自然生态系统的循环体系，其中一个企业产生的工业剩余物( 或副产品) 作为下一个企业的“食物”( 原料) ，形成企业“群落”( 工业剩余物食物链) ，随着这个群落的增大，工业剩余物( 或副产品) 可以在这个链中循环消耗殆尽，使得整个群落对外实行“零”排放，同时群落内部实现能量和水的梯级使用。有的专家将生态工业园区也称为生态产业园区，本文考虑再三，鉴于大多数文献的说法，还是称其为“生态工业园区”，需要说明的是两者除了文字，本质上没有区别。生态工业系统和自然生态系统的形成、发展与崩溃都是一个动态的演进过程，生态工业系统在初期所形成的自组织形式就是由产业自发聚集形成的工业共生体( 或生态工业群落) ，从本质上生态工业共生体是在一定的历史条件和可持续发展背景下所演化出来的一种结构表现。以上可以看出，生态工业园系统综合地运用了工业生态学和循环经济理论，把经济增长建立在环境保护的基础上，体现了人和自然和谐相处的思想，是未来经济可持续发展的一种重要模式，所以研究生态工业园区系统有着十分积极的意义。1 1 选题的背景生态工业园区这是一个继传统工业开发区、高新技术产业开发区之后的第三代工业园区。如何在园区开始营建时就有选择地对申请入园企业进行招商，如何在某一个区域或更大的产业范围中找到并实现工业共生食物链网，在工业共生食物链网中某些结点出现问题时又如何在更大的社会范畴中找到可以替代的结点或组建次优网络，对申请加入园区企业进行考查甄别，通过计算机仿真，在生态工业园区实现之前就有一个园区的演化模拟路径以及生态工业共生食物链网络的蓝图，以及如何在一个更大区域范围内实现工业剩余物互相消耗，己经成为摆在我们面前亟待研究的课题。国内外对生态工业园区系统演化的研究从2 0 世纪9 0 年代才f l i j 冈l j 起步，其侧重面和角度都不相同，有从生态工业园区的生态系统性质出发( c o t e r p ，h a l lj ，1 9 9 5 ) ，也有从生态工业园区的历史发展研究其演化( l o w ee ，m o r ns ，h o l m e s ，1 9 9 5 ) ，还有从生态工业园区中能量传递、物质循环和协同的演化来研究( t h e r m o s h a r e ，1 9 9 7 ) ，有从系统的角度研究生态工业园区的设计与操作( c o t e r p ，h a l lj ，k l y n s t r a p ，m a r t i nm ，w a d ep ，1 9 9 5 ) ，有从生态工业园区的案例实证研究( r e s e a r c ht r i a n g l ei n s t i t u t e 。1 9 9 4 ) ，还有对生态工业园区的规划实践( r a y m o n dp ，c o t ee ，c o h e n r o s e n t h a l ，2第一章绪论1 9 9 8 ) ，加拿大生态工业园区的发展政策研究( p e c ka n da s s o c i a t ea n dd a l h o u s i eu n i v e r s i t y ，1 9 9 7 ) 等。生态工业园区的研究一开始主要集中在德国、加拿大、美国、日本等少数发达国家，随后其它各国也积极的开展了生态工业园区的研究和开发r研究内容涵盖工业和环境管理项目，其战略基本都是从招募与当前产业生态相配套的相关企业，特别是再循环与废物交易类公司作为食物链网的“分解者”结点，开发那些兼备利润、资源、效率、工业生态学和污染预防的工业设旋，建立工业废弃物交流中心，改造旧的污染严重的地理区域( 褐色土地开发) 。而我国经济系统中对工业生态问题的研究起步较晚，直到近年来才有专家进行了生态工业、环境生态学的研究，香山科学会议第1 9 8 次学术讨论会曾提出对生态工业系统自组织演化与复杂性研究，应用复杂自适应系统理论研究生态工业系统演化进程，以期探讨促进生态工业系统演化进程的机制。但是他们讨论的是宏观的生态工业的演化机制，而生态工业园区是生态工业的具体实施，他们还没有深入到生态工业园区的演化分析。由此可见，目前国内外专家学者的研究主要关注的还是具体生态工业的规划和生态工业园区的模式和制度，以及进行减轻工业对环境影响的具体技术措施研究，基本上是从工程的角度来研究和分析生态工业园系统，采用的基本还是还原论的建模思想，从系统仿真和管理学角度考虑较少，鲜有文献从系统仿真和系统自组织的角度探讨生态工业园的演化机制。本课题将采用有限的理性、分散控制、追求组织效率和敏捷性以及线性和非线性处理的手段，以系统自组织演化的方式实现计算机仿真，期望在生态工业园区系统的结果和功能上达到某种自组织形式或预测控制可能的涌现。研究生态工业园的演化发展具有重要的实际应用价值。在美国、法国、加拿大，丹麦等发达国家，出现了将传统工业开发区升级改建成生态工业园区的趋势。而我国有数百个各种层次、各种类型的工业开发区，随着环境日益恶化，也将面临改建成生态工业园区问题。经济的再次腾飞，将会掀起新一轮工业开发区建设热潮，和谐社会将要求新的工业开发区直接建成生态工业园区。无论生态工业园区新建或改建都需要对其演化机制深入研究，找到生态工业园区的发展路径及运行结构。在此背景下，生态工业园演化机制的研究成果将为政府招商引资和可持续发展决策提供参考，为生态工业园区的规划、设计部门提供理论指导和优化解决方案，缩短生态工业园区的建设周期，为生态工业园区系统的建设和运行提供“路线图”和行动指南。河海大学博士学位论文1 2 生态工业系统的研究现状综述在1 9 7 7 年的德国地球学年会上，美国地球化学家p r e s t o nc l o u d 在其论文“1 中首先使用了“工业生态学( i n d u s t r i a le c o l o g y ) ”，后来f r o s c h 和n i c h o l a s 在科学美国人上撰文提出了“生态工业系统( e c o - i n d u s t r i a ls y s t e m ) ”“”被引为经典，他们强调人类的产业活动应当模仿自然生态系统，将产业系统和谐的纳入到自然生态系统物质循环和能量流动的大系统中，建立一个新的产业生态系统。随着产业生态学迅速发展，大批学者在该领域开展了深入、有价值的研究，有代表性的有法国著名环境管理学家a y e r su r o b e r t 0 1 教授，美国康奈尔大学c o h e nr a s e n t h a l “1 教授，加拿大达尔湖西大学r a y m o n dp c o t e 0 1 教授，美国r p p 首席科学家兼i n d i g o 产业生态研究中心主任e r n e s tl o w e “1 教授，以及t i b b s “1 ，e h r e n f e l d “3 ，a 1 l e n b y 州和g r a d e l m 等。通过理论研究和实践推广，他们认为建立“工业共生”是解决人类产业系统污染和提高环境资源配置效率的有效途径。在国内，生态工业系统的研究大多出现在介绍工业生态学和循环经济相关文章中，比较有代表性的学者有清华大学的钱易“0 1 “”( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) ，金涌，李有润，冯久田“2 1 ( 2 0 0 3 ) ，中国环境科学研究院的段宁n 4 1 ( 2 0 0 1 。2 0 0 4 ) 和王金南7 1 ( 2 0 0 2 ) 等，在他们关于工业生态学、循环经济和清洁生产以及废弃物处理的相关著作中都对工业生态园和工业共生网络的理念进行了介绍和评论，对我国生态工业共生建设具有重要的指导意义，也为我们对生态工业系统的研究奠定基础。从目前的研究来看，对资源环境约束强化的条件下的工业共生演化以及工业生态共生网络领域的研究还是刚刚起步，学者们分别从不同视角尝试寻找解决办法，对产业共生的研究基本集中在以下几点：( 1 ) 生态工业共生不仅仅是废弃物或者副产品的交换网络，还包括产业中实体单元之间技术、设备等资源的共享，产业实体单元之间的相互信任、知识管理等。( 2 ) 共生在不同空问分布形式下表现出不同的特征。比如从生态工业园的建设或者更大范围的空间布局相对分散的副产品循环网络。d e r o s c h e r s “”( 2 0 0 0 ) 指出，由于价值规律、市场机制等经济因素的作用，生态工业园强调的闭路循环很难实现，而分散企业间的区域工业共生以及副产品交换是较易实现原料和排放物的减量化的。( 3 ) 还有些学者从基于组织关系的角度，提出对工业共生关系不仅仅包含合作，同时还有竞争和淘汰，组织间有学习和创新。b o o n s 和b a a s “”( 1 9 9 7 ) 指出，生态工业共生与生物界的共生的一个本质区别是进化的非自发性，即工业系统不像生态4第一章绪论系统会自发地向着更高效率的目标进化，因而实现经济和环境的双赢必须对企业成员的组织关系进行管理。表1 1 国内外工业生态学领域重大事件( 1 9 9 3 年- - 2 0 0 5 年) 年份事件及内容1 9 9 3清洁生产杂志( i n t e m a t i o n a lj o u r n a lo fc l e a n e rp r o d e c t i o n ) 出版，该杂志经常刊发有关工业生态学研究的文章美国成立了可持续发展总统委员会( p r e s i d e n t sc o u n c i lo i ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , p c s d )1 9 9 6美国可持续发展总统委员会召开生态工业园( e c o i n d u s t r i a lp a r k s ) 研讨会，对生态工业园区的定义、建设原则及美国生态工业园区建设实践情况作了研讨工业生态学研究内容之一的生命周期评价杂志( i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 发行1 9 9 7美国耶鲁大学和麻省理工合办了全球第一个工业生态学杂志0 n t e m a t i o n a lj o u r n a lo fi l l d u s w i a le c o l o g y )美国环境科学与技术杂志( h l t e m a t i o n a lj o u r n a lo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 发表了“2 l 世纪研究的优先领域”专题报告，介绍了今后2 0 年需要加强关注的6 个优先领域：经济与风险评估，环境监测与生态学，环境中的化学品，能源系统，工业生态学和人口等1 9 9 8耶鲁大学成立工业生态学研究中心美国白宫环境质量委员会召开生态工业研讨会美国国家科学基金会资助1 8 项有关生态工业的基础研究课题美国矿产资源局( u s g s ) 在v i r g i n i a 举行了“关于科学、可持续能力和天然资源管理：u s g s 物质与能量流动研究”专题工作会，与会者就工业生态学! 物质与能量流动进行了研讨，认为物质与能量流动研究对于正在形成的工业生态学研究具有重要的意义2 0 0 0国际工业生态学学会( i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yo fi n d u s l r i a le l o g y ) 成立美国跨部门工作小组发表题为“工业生态学美国的物质与能量的流动”的报告2 0 0 l美国国家生态工业发展研究中，t j , ( n a t i o n a lc e n t e r6 ”e c o - i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ) 在康乃尔大学成立；中国国家环保总局批准广西贵港和广东南海为国家生态工业建设示范园区2 0 0 4工业生态学分支领域工业共生学术研讨会在耶鲁大学召开，来自世界各国的专家和学者就工业共生的内涵、理论和方法做了界定2 0 0 5第三届国际工业生态学大会在瑞典召开，包括经济学、社会学等传统学科的5 0 0 余名专家出席了本次大会国内外对生态工业系统的研究是伴随着工业生态学理论的发展而进行的，在环境和化工学界居多，尚未引起管理学界和经济学界足够的重视。目前的研究大多便i重于宏观政策和概念层面的介绍，对生态工业演化机制和演化路径研究不多，对于该领域所涉及的深层次问题的研究还刚刚起步，开始从概念、理论向应用实践和试验推进。国内外一些专家学者对生态工业园区的研究可以分成几类：( 1 ) 、生态工业园区的物质循环、能源传递、和协同机制动关系研究汹1 ；( 2 ) 、生态工业园区实施原s河海大学博士学位论文则和策略研究1 ；( 3 ) 、生态工业园区的成员角色和相互关系研究o ；( 4 ) 、生态工业园区的支撑机制研究“；( 5 ) 、生态工业园区的运作效率研究”“。l o w e n t h a l 、m i c a hd 、k a s t e n b e r g 、w i l lj a me 、r e c h b e r g e rh 、6 r a e d e lt e 、h u e s e m a n nm i c h a e lh 。“、s i e n i u t y c z ”、s t a n i s l a w 等学者分别用熵理论对工业生态与能量系统、当代欧洲铜金属的循环、环境科学与技术的有效解决手段以及机械能的产生或消费与工业系统的热力学有限性等问题进行了探索。自2 0 世纪9 0年代末我国对工生态工业园区系统的研究才被秀视起来，鉴于国内外对工业生态理论的研究处于起步阶段，对生态工业园区系统所出现的自组织机理尚不清楚，特别是从系统仿真和建模角度及系统演化角度来分析生态工业园区文献少之又少。一直以来国内外专家学者对生态工业园区的建立和规划都进行了研究和探索。如丹麦在7 0 年代建立的卡伦堡生态工业园就是最早的一个自组织的生态工业系统的实践，但事实上它并不是一个人们刻意设计的个生态工业园区，它的自组织性和地域的特殊性使得别人难以模仿。1 9 9 4 年，美国总统可持续发展理事会指定了四个生态工业园区示范点：马里兰的巴尔的摩，弗吉尼亚的查尔斯角，德克萨斯的布朗斯维尔，田纳西的恰塔努加，这以后又有百余座生态工业园区诞生。美国的一些著名大学正在加紧生态工业的研究，麻省理工学院( m i t ) 于1 9 9 7 年在全美率先开设了工业生态学的课程。康奈尔大学还在2 0 0 1 年成立了美国国家生态工业发展研究中心。1 9 9 8 年9 月耶鲁大学成立了生态工业学研究中心，合作伙伴包括了该校的相关院系和澳大利亚、荷兰等国家的有关科研机构。其它各国也积极的开展了生态工业园区的研究和开发，研究内容涵盖工业和环境管理项目，其战略基本都是从招募与当前生态学配套的相关企业，特别是再循环与废物交易类公司，开发那些兼备利润、资源、效率、工业生态学和污染预防的工业设施，建立工业废弃物交流中心，改造旧的污染严重的地理区域( 褐色土地开发) 。我国自1 9 9 9 年开始启动生态工业示范区建设试点工作，建立了一些生态工业示范园区，在园区中产业各环节实现了资源共享，变污染负效益为资源正效益。但事实上我国的生态工业园项目经距真正意义的生态工业园还很远。比如贵港生态工业园区中除了固体废物的循环利用外，能源和水的效率优化并没有真正纳入到该项目的建设中，而且关于利用自然生态特点消除环境负面影响的内容也没有纳入到项目的规划中。其他生态工业园区如广东省南海国家生态工业示范区、四川沱酒集团生态工业园、海南环保工业园项目等类似的项目正在进行并基本完成，大连、烟台、天津的开发区也已经开展了生态化改造的实践，然而，这些项目或者是众多从事环保产品或缘色产品生产的企业的集合体，或者是以某个环保主题为主线的众多企业6第一章绪论构成的企业社区，到目前为止国内尚无一家国际上承认的真正意义上的生态工业园。2 0 0 1 年4 月清华大学化工科学与技术研究院成立过程工程与生态研究中心，率先在国内开展生态工业研究。中科院过程工业研究所开拓了绿色工业化学与清洁生产技术的研究新方向。东北大学正在展开冶金行业的工业生态学研究。中国科学院生态环境研究中心正在研究产业生态学。中国环境科学研究院也进行着生态工业园区的规划工作。在香山科学会议第1 9 8 次学术讨论会中，李有润教授曾提出过对生态工业系统自组织演化与复杂性研究，应用自适应复杂系统理论研究生态工业系统演化进程，以期探讨促进生态工业系统演化路径的机制。对工业生态园区系统的研究主要集中在德国、加拿大、美国、日本等少数发达国家。为描述问题对象，我们先从国内外专家对生态工业园区系统的定义出发了解研究目标，下面是关于生态工业园区的一些定义：美国r p p 公司首席科学家、靛青( i n d i g o ) 发展研究所主任e r n e s tl o w e “1 教授对生态工业园下的定义为：一个生态工业园区是一个由制造业企业和服务业企业组成的群落，它通过在管理包括能源、水和材料这些基本要素在内的环境与资源方面的合作来实现生态环境与经济的双重优化和协调发展，最终使该企业群路寻求一种比每个公司优化个体表现就会实现的个体效益的总和还要大得多的群体效益。简言之，生态工业园区的目标就是要改善参与公司的经济表现，同时最大限度地减少其环境影响；在生态工业园区内，企业模仿自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最终达到工业可持续发展的目标。c o t e 和h a l l 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、风险和处理的成本与责任；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的利用和销售获利的机会。”1 ( c o t er p ，j h a l l ，1 9 9 5 ) 。与此同时，l o w e ，m o r a n 和h o l m e s 等学者也给出了生态工业园区的定义，他们强调生态工业园区内的合作机制，认为生态工业园区是制造业和服务业的共同体，通过环境与资源管理方面的合作，这些制造业和服务业追求增强的环境和经济绩效( p e r f o r m a n c e ) 。产业共同体通过合作寻求集体利益，这一利益大于每个公司使其各自利益最优化时实现的利益总和乜6 1 ( l o e w ，e ，m o r a n ，d h o l m e s ，1 9 9 5 ) 。1 9 9 6 年1 0 月，美国可持续发展总统委员会主办了专题讨论会( w o r k s h o p ) ，并同时提出了两个颇受关注的生态工业园区定义：( i ) “为了高效地分享资源( 信息、物资、水、能源、基础设施和自然居留地)7河海大学博士学位论文而彼此合作且与地方社区合作的产业共同体，它导致经济和环境质量的改善和为产业与地方社区所用的人类资源的公平增加”。( 2 ) “有计划的物质和能量交换的工业系统，寻求能源和原材料消耗的虽小化、废物产生的最小化，并力图建立可持续的经济、生态和社会关系”。美国环保局( e p a ) 给出的定义是：“生态工业园区是一种由制造业和服务业所组成的产业共同体，他们通过联合来共同的管理环境与物资流动( 包括能量，水和资源) 从而致力于提高环境与经济绩效。通过联合运作，产业共同体可以取得比单个企业通过个体的最优化所取得的效益之和更大的效益”。1 9 9 9 年著名工业生态学家埃尔克曼在他的工业生态学一书中明确提出建立生态工业园区，并描述了生态工业园区的特征：“在一个园区中，各企业进行合作，以使资源得到最优化利用，特别是相互利用废料( 一个企业的废料成为另一企业的原料) ”“1 。从2 0 0 6 年9 月1 日起，国家环保总局发布了生态工业园区标准，我国生态工业园区将依照3 项标准进行建设、管理和验收。这3 项标准是综合类生态工业园区标准( 试行) 、行业类生态工业园区标准( 试行) 和静脉产业类生态工业园区标准( 试行) 。综合类生态工业园区标准( 试行) 规定了国家级和省级综合类生态工业园区验收的基本条件和指标，由经济发展、物质减量与循环、污染控制和园区管理4 部分组成，共2 1 个指标。行业类生态工业园区标准( 试行) 规定了行业类生态工业园区验收的基本条件和指标，由经济发展、物质减量与循环、污染控制和园区管理4 部分组成，共1 9 个指标。静脉产业类生态工业园区标准( 试行) 规定了静脉产业类生态工业园区验收的基本条件和指标，由经济发展、资源循环与利用、污染控制和园区管理4 部分组成，共2 0 个指标。这3 项标准对生态工业园区提出了基本要求：一是国家和地方有关法律、法规、制度及各项政策要得到有效贯彻执行，近3 年内未发生重大污染事故或重大生态破坏事件；二是环境质量达到国家或地方规定的环境功能区环境质量标准，园区内企业污染物达标排放，污染物排放总量不超过总量控制指标；三是生态工业园区建设规划已通过国家环保总局组织的论证，并由当地人民政府或人大批准实施。生态工业园区生态系统作为一种新型复杂人工生态系统，具有一般人工生态系统所没有的特点，从而导致传统的生态系统理论具有很大的不适应性，进而造成目前生态工业园区建设过程中没有系统的理论作为依据的局面，本研究从生态工业园生态系统的特点出发，分析其结构和功能。运用复杂适应性系统理论，以演化建模的方式，从系统进化的角度阐释其演化机制，为生态工业园建设提供理论依据。8第一章绪论1 2 1 生态工业系统建模方法的发展目前对生态工业系统的仿真建模方法的研究尚在起步之中，很难找到一种普遍适用的建模方式和建模工具。从传统意义上来说，系统建模属于系统辨识技术范畴，即从现实系统到系统的概念逻辑模型，然后到系统模型的抽象过程，下面列举一些已经运用到的对生态工业这个复杂系统的建模方法：( 1 )定性的系统建模方法基于建立模型框架，对于参数采取定性处理( 从一个定性的约束集和一个初始状态出发，预测系统未来行为) 的方法。( 2 )模糊仿真建模法基于模糊数学，在建立模型框架的基础上，对于观察资料的不确定性，采用模糊数学的方法进行处理。( 3 )归纳推理方法基于黑箱概念，假设对系统结构一无所知，仅从系统的行为一级进行建模与仿真( 同态模型) 、根据系统观测资料，生成系统定性行为模型，用于观测系统行为。( 4 )因果分析法基于人类思维中因果分析这一个重要方式，人们进行推理、作出判断、人事周围世界这些过程中，因果关系起着基础作用。从因果关系的分析角度上看这个方法大致分为两类：一类研究的是事务个体之间支配于被支配关系，即研究一种静态关系：另一类研究事务之间的一种必然联系，即研究一种动态过程。( 5 )定量的系统建模方法定量的分析工具对于生工业园区的设