李新杰

(中原工學院 a.經濟管理學院； b.系統(tǒng)與工業(yè)工程技術研究中心， 鄭州 450007)

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河南省環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合評價
——基于云模型的研究

李新杰a,b

(中原工學院 a.經濟管理學院； b.系統(tǒng)與工業(yè)工程技術研究中心， 鄭州 450007)

摘要：在協(xié)同論的基礎上，借鑒系統(tǒng)論中系統(tǒng)演化思想，構建了環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合模型，將云模型引入到環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展的動態(tài)耦合評價中，對河南省1990-2012年間的環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展狀況進行了分析。研究表明：1990-2012年期間，河南省環(huán)境經濟系統(tǒng)發(fā)展經歷了螺旋上升的過程，由低級協(xié)調、共生發(fā)展，到相互脅迫、極限發(fā)展，直到演化至目前中度協(xié)調發(fā)展的狀態(tài)。河南省環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合的過程表明，環(huán)境經濟之間雖然存在矛盾，但通過相應經濟手段、環(huán)境政策等外部條件的調節(jié)和干預，可以影響經濟和環(huán)境序參量的演化速度及兩者之間的相互關系，推進環(huán)境經濟系統(tǒng)的有序演化。

關鍵詞：環(huán)境經濟系統(tǒng)；耦合度；云模型；協(xié)調發(fā)展

經濟的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的急劇惡化，使環(huán)境系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)之間的耦合作用不斷加強,環(huán)境與經濟的協(xié)調發(fā)展成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的決定性因素。許多綜合性評價模型被應用到環(huán)境經濟相互作用的研究中。吳躍明等以協(xié)同論和自組織理論為基礎，提出了功效函數(shù)協(xié)調發(fā)展評價模型[1]；黃海峰等根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論，運用變異系數(shù)法對環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展狀況進行評價[2]；張曉東等運用灰色系統(tǒng)理論的建模方法對環(huán)境經濟系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展度進行了評價[3]；于瑞峰等運用模糊數(shù)學中貼近度的概念定義協(xié)調系數(shù)，采用相對Hamning距離來測度區(qū)域協(xié)調發(fā)展程度[4]；喬標等則借助系統(tǒng)演化的思想分別對城市和農村地區(qū)的生態(tài)經濟系統(tǒng)耦合度進行了動態(tài)的分析[5]。DEA模型、結構方程等方法也被運用到環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展的研究中。現(xiàn)有研究雖然定量地分析了環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展的關系，但偏重于對環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展的靜態(tài)評價，缺少環(huán)境經濟之間耦合關系的動態(tài)度量。

基于上述研究背景，本文在協(xié)同論的基礎上，建立環(huán)境經濟系統(tǒng)的動態(tài)耦合模型，探討河南省1990-2012年間環(huán)境經濟系統(tǒng)的動態(tài)演變過程及耦合規(guī)律?！皡f(xié)調發(fā)展”本身是一個內涵明確、外延不清的模糊概念，為了解決以數(shù)值為硬性標準對“協(xié)調發(fā)展”進行判斷的不合理性，本文通過云模型[6]來解決“協(xié)調發(fā)展”評價中的模糊性和不確定性問題，使評價結果更為直觀、可信。

2基于協(xié)同論的環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展的動態(tài)耦合評價模型

首先計算經濟系統(tǒng)序參量的功效函數(shù)值，設經濟系統(tǒng)序參量為X=(x1,x2,…,xn)，其中，xi是描述經濟發(fā)展水平和運行機制的若干經濟指標，βi

(1)

其中，U1(xi)∈[0,1]。當xi具有正功效時,如果xi>αi,則U1(xi)=1;xi<βi,則U1(xi)=10-6。當xi具有負功效時，xi>αi,則U1(xi)=10-6；xi<βi,則U1(xi)=1。

經濟系統(tǒng)的有序度：

(2)

其中，ωi為經濟系統(tǒng)中序參量指標xi的權重。C1(xi)∈[0,1]，C1(xi)越大，說明序參量對經濟有序度貢獻程度越高，反之越低。設環(huán)境系統(tǒng)序參量為Y=(y1,y2,…,yn),按照如上算法，可以得到環(huán)境系統(tǒng)的有序度C2(Yi)∈[0,1]。

經濟和環(huán)境系統(tǒng)的變化過程是一種非線性變化過程[7],其演化方程可以表示為：

(3)

式中：i=1,2,…,n;f是xi非線性函數(shù)。

非線性函數(shù)可以在原點附近按泰勒級數(shù)展開，略去高次項，可以近似表達為：

(4)

因此，經濟系統(tǒng)F(X)和環(huán)境系統(tǒng)G(Y)演化的一般函數(shù)可以表示為[8]：

(5)

(6)

式中：xj、yi分別表征兩系統(tǒng)各指標的功效函數(shù)值；αj、βi為各指標的權重。

環(huán)境系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)可以耦合成環(huán)境經濟復合系統(tǒng)，則環(huán)境經濟復合系統(tǒng)的演化方程有：

(7)

(8)

式中：H和J為環(huán)境系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)受自身和其他序參量影響下的演化狀態(tài)；VH和VJ分別是兩系統(tǒng)各自的演化速度；環(huán)境經濟復合系統(tǒng)演化速度V就是關于環(huán)境和經濟演化速度的函數(shù)，V=f(VH,VJ)。

系統(tǒng)的演化過程是非線性的S型發(fā)展機制[9]。在系統(tǒng)內外因素的影響下，經濟變化比環(huán)境更為敏感，因此經濟的演化速度VJ要快于環(huán)境的演化速度VH，以VH和VJ為變量建立坐標系，V與VH的夾角θ滿足:

(9)

通過θ的變化可以確定環(huán)境經濟整個系統(tǒng)的演化狀態(tài)以及子系統(tǒng)之間協(xié)調發(fā)展的動態(tài)耦合度。在演化周期內，整個系統(tǒng)將經歷低級協(xié)調共生(I)、協(xié)調發(fā)展(Ⅱ)、極限發(fā)展(Ⅲ)、螺旋上升(Ⅳ)4個階段[10]。具體見表1。

表1　經濟與環(huán)境耦合動態(tài)模型分析和評判標準

注：評價標準劃分參照文獻[10]。

2河南省環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合分析

2.1評價指標的選取及數(shù)據(jù)量化處理方法

考慮到河南省特殊的省情，結合以往學者的研究[11]，最終確定由經濟發(fā)展水平、經濟結構、經濟活力和經濟效率等4個一級指標、12個二級指標綜合組成經濟系統(tǒng)評價指標體系，以及由污染物排放、環(huán)境污染治理和生態(tài)環(huán)境3個一級指標、 12個二級指標綜合組成環(huán)境系統(tǒng)評價指標體系。具體見表2。分析數(shù)據(jù)主要來源于1990-2013年河南省統(tǒng)計年鑒、環(huán)境統(tǒng)計年鑒及全國統(tǒng)計年鑒，或通過間接計算得到。為了消除數(shù)據(jù)的數(shù)量級及量綱不同對分析結果的影響，本文對數(shù)據(jù)進行了標準化處理。對環(huán)境和經濟序參量的下限指標主要參考1990年各項指標相應的數(shù)值，上限指標則參考河南省國民經濟和社會發(fā)展“十二五”規(guī)劃、河南省環(huán)境保護“十二五規(guī)劃”以及國家平均水平標準和發(fā)達省份的標準，環(huán)境和經濟序參量功效函數(shù)值的計算方法按照式(1)，各指標的權重采用客觀賦權法-信息熵法來確定。

表2　河南環(huán)境經濟系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展評價指標取值范圍及權重

2.2河南環(huán)境經濟發(fā)展水平及耦合態(tài)勢分析

1990-2000年，河南省經濟系統(tǒng)F(x)的發(fā)展水平由0.02提高至0.12，保持了緩慢增長的態(tài)勢，但始終朝著有序方向發(fā)展。2000年以后，河南經濟系統(tǒng)發(fā)展呈穩(wěn)定、快速的增長態(tài)勢，經濟活力、經濟發(fā)展水平、經濟結構和經濟效率等指標對經濟系統(tǒng)有序度的貢獻都有明顯提高，促使了河南經濟系統(tǒng)從無序發(fā)展逐漸走向了新的有序結構。1990-2012年環(huán)境系統(tǒng)G(y)的發(fā)展軌跡與經濟系統(tǒng)截然不同，呈現(xiàn)出波動緩慢上升的趨勢。2001年以前，環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展經歷了波動上升的過程，但變化幅度不大，該段時間環(huán)境系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)總體不高。2002-2008年，環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，環(huán)境污染排放的指標功效值下降幅度較大，推動了環(huán)境系統(tǒng)向無序方向發(fā)展。這期間河南經濟飛速發(fā)展，隨著經濟的發(fā)展，污染物排放量剛性增加、結構性污染突出、污染防治水平較低等成為造成河南環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展水平不高的重要原因。2009-2012年，河南省加快了產業(yè)結構調整，同時加強了自然保護區(qū)建設和管理工作，促使環(huán)境系統(tǒng)向有序方向的進一步發(fā)展。

通過對河南省環(huán)境系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)的計算，并對其演化過程進行非線性擬合，利用式(7)和式(8)分別求出環(huán)境(VJ)和經濟系統(tǒng)(VH)各自的演化速度：

(10)

0.002t+0.023t2-0.107t+0.166(R2=0.713)

(11)

式中，t的取值范圍為1～23，相應的年份為1990-2012年。通過式(9)計算出各個年份環(huán)境系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)的各自的演化速度以及兩個系統(tǒng)之間的動態(tài)的耦合度。

模型計算結果顯示：1990-1992年，河南環(huán)境經濟的協(xié)調發(fā)展的耦合度處于第四象限，這一階段經濟發(fā)展緩慢，基本不受環(huán)境影響，兩個序參量之間的耦合作用較??；1992-1994年，經濟發(fā)展速度緩慢提升，環(huán)境發(fā)展速度下降，兩者之間相互脅迫又相互影響，促使環(huán)境經濟系統(tǒng)螺旋上升到一個新的發(fā)展狀態(tài)；1995-1996年，經濟高速發(fā)展，環(huán)境對經濟的限制逐漸變小，環(huán)境經濟之間的矛盾開始處于潛伏期；1997-2002年，河南經濟序參量與環(huán)境序參量演化速度之間的夾角處于60°～90°之間，經濟序參量對整個系統(tǒng)向有序方向發(fā)展的貢獻逐漸增大，對環(huán)境已經產生了脅迫作用；2003-2006年，經濟序參量演化進入高速期，經濟發(fā)展給環(huán)境帶來了破壞，環(huán)境與經濟之間的矛盾日益突出；2007-2012年，河南省加快產業(yè)結構調整，大力發(fā)展循環(huán)經濟，逐步解決了結構型污染問題，有效緩解了環(huán)境與經濟之間的矛盾，促使了河南環(huán)境經濟系統(tǒng)向協(xié)調發(fā)展的方向演化，經濟序參量和環(huán)境參量演化速度之間的夾角重回[60°，90°]區(qū)間，環(huán)境與經濟之間的矛盾依然存在。

3基于云模型的環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合評價

雖然有學者嘗試用模糊數(shù)學來解決“協(xié)調發(fā)展”的模糊性問題，但建立隸屬度函數(shù)過程非常繁瑣。雖然隸屬度函數(shù)解決了模糊概念的亦此亦彼性，但卻忽略了隸屬度函數(shù)本身的不確定性。環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展評價首先要確定評價標準，即將“協(xié)調發(fā)展”這個定性概念劃分成若干個數(shù)值區(qū)間；然后，根據(jù)模型的計算結果判斷環(huán)境經濟系統(tǒng)的發(fā)展處于何種狀態(tài)。在環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合評價模型的基礎上，應用正態(tài)云模型實現(xiàn)“協(xié)調發(fā)展”評價中定量數(shù)據(jù)與模糊性評估信息間的轉換。云模型作為定性定量轉換的不確定性模型，能夠充分體現(xiàn)語言概念模糊性和隨機性，是實現(xiàn)定性定量轉換的有效工具[12]。

3.1確定云模型的定性概念集

云模型表示定性概念的轉化算法如下：

(1)根據(jù)已有的評判標準，將定性概念用云模型的3個數(shù)字特征Ex(期望)、En(熵)、He(超熵)表示出來。En的確定有2種方法：①由于邊界值是級別之間的過渡值，是模糊的邊界，應同時屬于對應的兩種級別，即兩種級別的隸屬度相等；②3En準則[13]：云滴對定性概念的貢獻主要集中在[Ex-3En,Ex+3En],而該區(qū)間之外的云滴對定性概念的貢獻幾乎可以忽略不計，因此En值等于兩相鄰等級的期望值差的三分之一。超熵是對熵不確定的度量，反映除了云滴的凝聚程度，可以根據(jù)En的大小，通過經驗或者實驗取值。超熵越小，云層的厚度越薄，反之越厚。

(2)確定出定性概念評判標準的云模型數(shù)字特征以后，利用前件云發(fā)生器計算出評價對象i對應于不同概念評價等級的隸屬度矩陣，然后根據(jù)隸屬度最大原則進行決策。

根據(jù)表1中的評價標準和上述算法，將定性概念用3個數(shù)字特征Ex、En、He表征出來，采用3En準則確定熵En的數(shù)值，超熵He的大小決定了結果的不確定性程度。取超熵He=0.05，將結果的動態(tài)性控制在一定的概率區(qū)間內。環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展評價的6個等級的云模型數(shù)字特征如表3所示。

3.2基于云模型的河南環(huán)境經濟系統(tǒng)動態(tài)耦合評價

根據(jù)1990-2012年河南省環(huán)境經濟系統(tǒng)耦合度計算的結果和6個評價云，對于給定的任意年份的耦合度，可以通過云發(fā)生器分別計算出對于6個評價云的確定度，然后根據(jù)最大隸屬度原則來判斷其屬于哪一個評價云團。與模糊數(shù)學的隸屬度不同，云模型的評價結果是隨機的，但這個結果必然在某一可接受的范圍之內。隨機的評價結果體現(xiàn)出了評價的不確定性，但其結果基本處于可接受的范圍之內。

表3　環(huán)境經濟協(xié)調評價云的數(shù)字特征

云模型評價結果顯示:1990-2012年河南省環(huán)境系統(tǒng)與經濟系統(tǒng)動態(tài)耦合演化過程大致分為4個階段，與按照角度大小的評價結果相似的是，1990-1991年，河南環(huán)境經濟系統(tǒng)處于低級協(xié)調共生區(qū)，2個序參量之間的耦合作用較??；1992-1994年，經濟發(fā)展速度緩慢提升，環(huán)境發(fā)展速度下降，兩者之間相互脅迫又相互作用，處于低度協(xié)調、脅迫發(fā)展階段；1995-1996年，經濟高速發(fā)展，環(huán)境對經濟的限制逐漸變小，促使環(huán)境經濟系統(tǒng)螺旋上升至一個新的發(fā)展狀態(tài)。與按照角度大小的評價結果不同，雖然2003-2006年表征環(huán)境經濟系統(tǒng)耦合度的夾角均大于90°，但根據(jù)最大隸屬度原則，云模型的評價結果認為它們與2007-2012年處于同一發(fā)展階段，屬于環(huán)境經濟中度協(xié)調、相互制約階段，經濟序參量對整個系統(tǒng)向有序方向發(fā)展的貢獻逐漸增大，并對環(huán)境產生脅迫作用，環(huán)境序參量的演化速度開始牽制和制約經濟序參量的演化速度。云模型對處于閾值區(qū)間的邊界值的判斷，比僅根據(jù)數(shù)值大小進行硬性判斷更加科學和可信。

4結語

經濟系統(tǒng)向有序方向的演化發(fā)展速度要高于環(huán)境系統(tǒng)。自1990年以來，河南省環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展呈曲折略微上升態(tài)勢，而經濟系統(tǒng)則保持了穩(wěn)健的增長態(tài)勢。2000年以后，經濟系統(tǒng)發(fā)展在一定程度上制約了環(huán)境系統(tǒng)的有序發(fā)展，環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展處于波動下降的趨勢，而經濟系統(tǒng)發(fā)展勢頭強勁。

(1)河南省現(xiàn)階段環(huán)境經濟系統(tǒng)基本處于中度協(xié)調發(fā)展的狀態(tài)，這與河南省在“十一五”與“十二五”期間大力發(fā)展循環(huán)經濟，強制取締關閉能耗高、污染嚴重的企業(yè)，逐步解決結構型污染問題，把促進經濟增長方式的轉變作為環(huán)境污染總量減排的突破口和著力點是分不開的。

(2)環(huán)境經濟動態(tài)耦合模型能夠較好地反映區(qū)域環(huán)境經濟交互脅迫和動態(tài)耦合的演變過程。在現(xiàn)階段，河南省環(huán)境與經濟之間矛盾依然存在，環(huán)境經濟系統(tǒng)尚未演化至高度協(xié)調、均衡發(fā)展的階段。但是，只要能正確認識環(huán)境系統(tǒng)與經濟系統(tǒng)交互影響的動態(tài)耦合規(guī)律，并經過經濟手段、環(huán)境政策等外部條件的調節(jié)和干預，就可以影響經濟和環(huán)境的演化速度、方向以及兩者之間相互關系，使之協(xié)調發(fā)展。

(3)在環(huán)境經濟協(xié)調發(fā)展動態(tài)耦合評價模型的基礎上，應用正態(tài)云模型實現(xiàn)“協(xié)調發(fā)展”評價中定量數(shù)據(jù)與模糊性評估信息間的轉換，克服了經典數(shù)學僅以數(shù)值為硬性標準進行評估、判斷的片面性，實現(xiàn)了對模糊概念的亦此亦彼性的判斷，為環(huán)境經濟部門運用經濟手段、環(huán)境政策進行調節(jié)和干預提供了判斷依據(jù)。

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(責任編輯：陸俊杰)

The Dynamic Coupling Analysis for Coordinated Development of the

Environment and Economy of Henan: Based on Cloud Model

LI Xin-jie

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007, China)

Abstract:Based on synergetic theory and general system theory, the comprehensive evaluation analysis of the coordinated development between environment and economy of Henan province is conducted with the comprehensive efficiency of coordination degree model, the dynamic coupling degree model and cloud model. The research results indicate that from 1990 to 2012, the coordinated development between environmental and economic system of Henan province has undergone a process of spiraling climbing-the environmental system and economic system from the low-level coordination, symbiotic development stage, to the two order parameters of the environment and economy mutual coercion, interaction until the system evolution to a new development state. The environmental and economic system of Henan province has evolved to a state of moderate coordinated development from the low-level coordination development in early 1990’s. However, the contradiction between the environment and economy of Henan province still exist, which should adjust and intervene by corresponding economic measures, environmental policy and other external regulations to influence the evolution rate, direction and the interaction of economic parameters and environmental parameters and promote an orderly evolution for environmental and economic system.

Key words:system of environment and economy； coupling degree; cloud model； coordinated development

中圖分類號：F019;X196

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.05.008

文章編號：1671-6906(2015)05-0028-06

作者簡介：李新杰(1981-)，女，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，主要研究方向為環(huán)境經濟。

基金項目：國家自然科學基金項目(71173248)；河南省軟科學項目(132400410204) 河南省教育廳人文社會科學研究項目(2015-GH-087)

收稿日期：2015-06-17 2015-06-20