系统动力学模型

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1、1.1 海洋资源可持续开发研究综述海洋可持续发展包括三层含义， 即海洋经济的持续性、海洋生态的持续 性和社会的持续性，海洋的可持续发展以保证海洋经济发展和资源永续利 用为目的，实现海洋经济发展及经济环境相协调，经济、社会、生态效益 相统。运用海洋可持续发展理论和海域承载力理论研究海洋资源开发的可 持续性，从我国的海洋产业入手， 分析我国海洋资源开发利用的状况， 从海洋产业结构和产业布局、海洋管理和海洋开发技术等方面总结我国海 洋开发的问题， 并针对这些问题， 提出切实可行的实现海洋可持续发展 的途径和措施。国外学者对海洋资源的发展和研究进行研究，建立相应的 模型，认为技术在海洋资源发展过程中起

2、到极其重要的作用。国内学者则 以具体省份为例研究海洋资源可持续发展，对辽宁省所拥有的海洋资源进 行概述后，分析了辽宁海洋资源开发及海洋生态环境保护之间的关系，提 出开展海域资源价值折损评估，采用政策调控和市场机制保护海洋生态环 境。利用我国重要海洋产业数据，分析我国海洋资源开发利用的状况，并 从海洋产业结构和布局及管理等角度总结海洋资源开发存在的问题，提出 实现海洋资源可持续发展的途径。学者从海洋资源及环境保护角度分析， 研究开发海洋的过程中， 存在着海洋环境污染、 海洋渔业资源衰退等问题。 1.2 系统动力学模型研究综述到20 世纪 70 年代初系统动力学被用来解决很多领域的问题，成为比较成

3、 熟的学科，系统动力学到 20 世纪 70 年代初所取得的成就使人们相信它是 研究和处理诸如人口、自然资源、生态环境、经济和社会等相互连带的复 杂系统问题的有效工具。基于市场均衡论和信用风险理论， 完善运用于分析代际消费计划的系统动力学机制模型， 并提出可替换选择。国内学 者将系统动力学运用于研究资源及社会经济的可持续发展，结合“长白山 生态环境保护及可持续发展系统动力学模型” 建立的， 对怎样用系统动 力学研究可持续发展问题进行了概略的阐述， 概述了系统动力学所具有 的普遍特征和一些独特的认识论和方法论特征。建立我国水资源以及航运 可持续发展的系统动力学模型，前者引入水资源可持续发展因子，将

4、水资 源及社会、经济、人口、环境放在一个大系统中，研究满足我国未来用水 需求，保证水资源可持续发展的策略； 后者描述航运可持续发展的因果 逻辑关系，在确定以航运供给量、航运短缺量和资源环境承载力为决策作 用点的基础上， 构造航运可持续发展动力学模型， 并给出模型中相关系 数的确定方法。运用系统动力学原理，建立石化工业可持续发展的系统动 力学模型， 对模型中的反馈环的结构、功能做具体分析，从而揭示石化 工业可持续发展影响因素的交互作用机理。国内外学者运用系统动力学研 究海洋可持续发展很少， 从系统动力学的角度研究了我国海洋可持续发 展所面临的问题， 在分析海洋可持续发展系统特征的基础上， 建立了

5、海 洋可持续发展的系统动力2 海洋不可再生资源可持续开发的系统动力学机制模型其中一个子2.1 海洋不可再生资源可持续开发的因果反馈图 因果关系图用于分析海洋不可再生资源可持续开发系统内各因素的相互 影响关系（见图 1）。由于整个系统包含的因素较多，为了便于分析，可 以将海洋可持续开发系统划分为海洋不可再生资源和环境子系统、社会经 济子系统，每个子系统都有自己的结构特点和独特的功能，系统的输出是其他子系统的输入，子系统之间彼此联系1o社会经济子系统提供海洋不可再生资源幵发所需要的勘探和幵发投资，提供经济生产技术水平支持，以及各种宏观的经济因素，它包括市场价格、利润、技术水平等方面。其中技术进步在

6、整个系统中处于支配地位，通过影响和支配生产来决定系统中各要素的地位、作用和相互关系。而勘探直接投 资和幵发直接投资的变化可以作为海洋可持续发展的衡量指标。海洋不可 再生资源可持续幵发是以海洋资源和环境为物质基础。海洋资源和环境的 状况不仅影响系统的整体功能和运行，而且对系统的发展方向和过程也起到重要的作用。图1海洋不可再生资源可持罐发展的杲统因果关基图社会经济子系统考虑利润、投资以及生产能力等因素，主要的因果反馈回路是：正反馈（见图2）图2海洋不可再生资源可持续发展的社会经济子系统因果关系图海洋不可再生资源和环境子系统主要考虑资源储量、采出量、资源承载能 力和污染物排放等因素，主要的因果反馈回

7、路是：正反馈（见图 3）污染物排放T资源储量畫源承載能力生产能力T污染图3海洋不可再生资源可持续雄展的环境子蔡统因果关系图根据现有资源的实际利用情况，资源和环境子系统主要研究海洋石油资源的幵发和利用。因果反馈关系图用于帮助分析系统内各因素的相互影响 关系，在此只考虑系统内主要因素的影响，略去了次要因素的影响。由于 正反馈联系使系统内各因素的变化加强和放大，既是系统不稳定的原因， 也是系统得以发展和进化的动力。从对各子系统的主要因果关系分析中可 以看出，正反馈回路是各子系统的主要反馈回路，说明在不考虑子系统间的相互影响时，各子系统的发展都偏向于不稳定，敏感于子系统的初始 变化。2.2海洋不可再生

8、资源可持续幵发系统的动力学机制模型流图及方程因果及相互关系图只能描述反馈结构的基本方面，不能表示不同性质的变量的区别， 这是它的弱点。为了清晰地描述影响反馈系统的动态性能 的积累效应，采用系统动力学流图来描述系统的动态反馈机制。根据系 统动力学原理，首先对石油幵发总体结构和反馈机制进行研究，根据实际 情况划分系统的子块；然后根据系统中变量的因果关系确定变量的种类； 第三，确定系统中各反馈回路之间的耦合关系，并将各子块耦合为一个复 杂系统；最后就是建立系统中各变量的系统动力学方程，初步估计有关参 数，利用Vensim软件构件计算机仿真模型的流图。参照以上思路，将海洋石油勘探幵发可持续发展系统动力

9、学模型流图组建如图4所示。方程式的建立是海洋石油幵发可持续发展系统动力学模型最重要的一环，下面给 出模型中关键的状态方程、速率方程和辅助方程（以下用到的单位调整值均为避免单位不统一而设置，作用仅为调整单位，数值为1）（见表 1）。3 海洋石油资源可持续开发的动力学机制的实证分析3.1 数据的选取 海洋石油资源开发可持续发展的动力学机制模型建立后，选取适合的数据 变量进行实证分析，其中主要包括的数据有勘探直接投资（ec ）、新增净探明石油可采储量（po）、石油价格（p）、储量替代率（rr ）、收入（tr八 储采平衡率（b）和新增采出量（op）等（见表2）。3.2 海洋石油资源可持续开发的动力学机

10、制模型的检验 构建的模型能否有效反映现实状况， 直接决定了模型仿真和政策分析质 量的高低。因此，在进行仿真试验前，必须对模型进行有效性验证。其方 法有理论检验和历史仿真检验两种， 前者主要研究模型边界是否合理， 模型变量之间的关系是否有现实意义，参数取值是否有实际意义以及方程 量纲是否一致；后者则选定过去某一时刻， 将仿真得到的结果及实际结 果相比照，考察这两者是否吻合，以验证模型是否能有效代表实际系统 2。对于本文构建的海洋不可再生资源可持续开发的系统动力学模型， 可以按照上述方法逐步验证。理论检验较为简单，在此略过不述。在通过 理论检验之后，即可进行历史仿真检验。选取的三个指标即新增净探明

11、石 油可采储量、销售收入和储采平衡率在模型中的地位重要而且处于整个回 路的开始、中间和结尾，因此具有很强的代表意义。将1995 2008 年中海油公司开采海洋石油资源的数据输入模型，可以得到一组模拟数据，将 模拟数据及实际数据进行比较，分析两者之间的相对误差（见表3）。现实的环境系统十分复杂，模型只是现实系统的抽象和近似。构建的模型能否有效代表现实系统，直接决定了模型仿真和政策分析质量的高低，因此必须对模型进行有效性验证。选择储采平衡率和销售收入两个变量进行误 差分析，可由图 5 和图 6 看出其相应仿真得到的结果及实际结果的对比 图。图5中b代表储采平衡率，op代表新增采出量，po代表新增净

12、探明 石油可采储量。由设定的速率方程可以得出，新增采出量和新增净探明石 油可采储量决定储采平衡率，当新增采出量和新增净探明石油可采储量的 模拟数量曲线及实际数量曲线完全重合时，得到bl曲线即储采平衡率的模拟数量曲线和b2曲线即储采平衡率的实际数量曲线。经过历史仿真检验， 储采平衡率模拟结果及历史数据较好吻合，变化趋势一致。图6中tr代表销售收入，op代表新增采出量，p代表石油价格。由设定的速率方程可 以得出，新增采出量和石油价格决定销售收入， 当新增采出量和石油价 格的模拟数量曲线及实际数量曲线完全重合时，得到 tr1 曲线即销售收入 的模拟数量曲线，和 tr2 曲线即销售收入的实际数量曲线。

13、经过历史仿真 检验，销售收入模拟结果及历史数据较好吻合，变化趋势一致# / 14海洋石油资源开发可持续发展系统动力学模型方程式变量方程式累计探明石油储量新增石油采出量*储量替代率累计探明石油可采储量INTEG （+新増探明石油可采储扯，初始值）累计石油采出董INTEG （+新増石油釆出量.初始值）剩余可采储量储最寿命套新增石油采出最储采平衡率新塔探明石油可采储量/新增石油采出議收入新增石油采出量事石油价格勘探投资比例a+b储采平衡率代收入单位调整1环境污染度1NTCG （+污染物排放，初始值）污染物排放海样产业产值吐单位海洋产业产值排污系数污染净化函数with lookup （环境污染度/标准

14、污染度，数组注:储采平衡率指一口油井、一个油田或一个国家每年新增可采储蚤与年开采绘 的比值或剩余可采储量与年产量的比值，它是判断一个油出是否可持续稳产、生产 的1R要指标G将储釆平術率设为斯，收入为搅勘探投忧比例设八用那淞软件进行 回归分折 ty=241619.6-6297.703ij+0+024477xJ&滴洋石閤讲韋弄笈数据年恃新增净探明可果勘探直接投畫收入储采平術皐储新增采出愉格（百打桶）懐1於元（刈炉元）(%)（百万桶）（元）1995428.4-16.622636.S65-1996496!11.523356.7575169.7761997979.845E25212372.8410796

15、3.729155.433819981176A5B40679412341211481M1O3596.94S2ti1999124L624&40215310.5923.617063.97501156.52720001215J55286924223.9220.110475.31666233J33720011245.91039297208I95618.7 183.53901193.185220021424.41318 益 326373.8215.9281lOSMl201.54520031436.1848072409502716.3187232,66652004L4S5J6131616055222 0615.9173116616291081520051457.41293687694555415.31S6130 卫 5W387J49320061489.817050758894728