应用复杂自适应系统方法构建生态工业园运行模型外文翻译资料

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应用复杂自适应系统方法构建生态工业园运行模型

Elena Romero 和 M. Carmen Ruiz

关键词：

复杂

工业生态学

影响因素

嵌套系统

计划生态工业园（PEIPs）

自组织共生（SOS）

摘要：

生态工业园（EIPs）模型可以帮助我们通过促进可持续生态工业园的出现来改变我们的生产系统，因为这种模型有潜力支持参与其中合作公司的决策过程，并减小经营的不确定性。本文提出了一个对EIPs进行建模操作的概念框架。该框架以复杂自适应系统理论、工业生态学和现有EIP经验分析为基础。该框架借鉴了两种工业共生模型的观察优势——计划生态工业园区（PEIPs）和通过自组织共生（SOS）发展的生态工业园，以及从其中观察到的劣势和复杂适应系统的特性，在此基础上推导出建模的五个关键特性:功能性、可靠性、生命周期、理论知识和适应性。由此得出，功能性和理论知识属性是由EIP及其成员公司的目标决定的；而适应性属性是由EIP中的公司对EIP周围环境的理解决定的，可靠性和生命周期属性由构成EIP的公司的内部和外部关系决定的。

初步概念模型

基于上述分析，概念模型预测的生态工业园的五个特性是功能性、可靠性、生命周期、理论知识和适应性。这五个属性是通过对通过自组织共生创建的规划生态工业园区和生态工业园的观察到的优势和劣势的分析以及对生态工业园系统中复杂适应性系统属性的识别而推导出来的。本节阐述了表4中概述的这五个关键建模属性。

理解生态工业园区及其下属公司的目标, 以建立功能和理论模型

领域图书《生态工业园的发展》(Lowe 1997)中指出, 衡量整体生态工业园最大潜能的大致性能(商业合作带来的经济效益和环境效益)的两个业务目标是：超出个别公司经济利益和环境效益的总和,可以通过优化个别公司获得, 如公式 (1)和 (2) 所示:

(1)

(2)

正如 Ehrenfeld (2009, 166) 所指出的, “复杂系统的预期输出通常是这些系统的凸显属性”。换言之, 生态工业园区的性能提升, 如增加资源节约或尽量减小环境影响, 产生于最初为实现其他业绩目标而采取的具体做法, 如交换副产品或共享基础设施。公司在制定总体战略时, 应考虑和理解环境和经济运行目标。正如 Ehrenfeld (2009, 166) 也提出, “可持续性本身并不是一种属性，而是一种元质量，可以描述为系统在很长一段时间内交付所需输出的可能性。”重要的是要记住, 虽然生态工业园结构加强了商业合作, 但生态工业园内部的公司是在经济竞争框架内发展其业务的。

在讨论经济和环境目标之前, 了解生态工业园内各个公司的特征非常重要。如“选择建模框架”一节中所述，这些公司本身就是真实、复杂和动态的系统。它们有与生产相关的具体经济指标, 并有规范或法律规定的环境限制。企业的总体目标是最大限度地提高经济效益, 这可以通过在公司层面引入战略来实现，如制造优化、水级联和能源效率的提高。

当一家公司在生态工业园网络中合作时, 经济改善的可能性就会增加, 合作公司除了在单独工作时实现的福利外, 还可以享受利润。合作的物质交流, 如新的副产品销售、扣除税款或减少资源采购, 可以带来实际的经济和环境效益。无形经济在生态工业园中也可能带来好处, 例如改善公司在公众眼中的环境形象。生态工业园中的公司数量增加了网络多样性和合作关系中可能组合的数量。正如梅特卡夫定律所表明的, 参与协作网络的节点越多, 网络的价值就越大。

在今后的研究中, 我们将审查“园区经理”的实施情况, 他指导合作网络内的业务关系, 并提高信息处理的有效性, 以此来强大生态工业园。这样的园区管理者可以通过分析数据流和提取最相关的信息等活动，来提高系统的适应性，加快企业之间关系的形成，从而为企业可能的新合作提供建议。这些公司自己将决定如何管理他们的流量和关系, 但他们在做决定时会得到园区经理的支持。

了解生态工业园区与周边环境的关系，以建立适应性模型

如前所述，生态工业园与周边环境的关系是理解生态工业园对变化的适应性的一个因素。如图1所示，对生态工业园系统边界的描述为确定生态工业园的终点和环境的起点提供了一个实用的起点。生态工业园系统为物质和能量的交换开发内部网络，这些网络减少了来自环境的输入和对环境的不良输出。生态工业园的系统边界仅限于积极参与这一协作网络的公司。

正如Chertow(2000)和Fernarsquo;ndez(2009)所讨论的那样，这种边界受到公司之间物理距离的影响。距离的增加促进了公司的多样化，促进了流量的多样化。然而, 由于分配成本增加和一些流量的质量下降, 如能源或蒸汽，增加距离也使一些交换不可行。生态工业园系统边界的适当空间限制旨在解决企业多样性与交流的经济可行性之间的权衡问题。

生态工业园被嵌入在多变和不完美的环境中。为了预测生态工业园操作的适应性, 必须了解生态工业园与其周围环境之间的环境和关系机制。在科学文献中, 环境已经成为不同尺度的研究和建模对象。在他关于供应链管理的研究中，Fiksel(2006)考虑了一个由通过物质流动相关联的独立系统(生态系统、社会系统和工业系统)组成的环境。在他之前关于可持续业务系统的著作中(Bakshi和Fiksel 2003; Fiksel 2003), 环境被表示为分层嵌套系统 (图2a), 其中一个系统嵌入或包含在一个更大的系统中, 并且系统本身包含较小的系统。其他研究采用了不同的框架，如Kay(2002)所描述的SOHO系统模型(在“选择建模框架”一节中进行了讨论)，该模型考虑了自然范围和社会范围之间的部分关系，以及系统高层的嵌套结构(图2b)。

图1 一般生态工业园(EIP)的系统边界

图2 描绘环境与工业系统之间关系的两个框架：（a）分层嵌套系统，资料来源：Fiksel（2003）、Bakshi和Fiksel（2003），经许可使用；（b）自组织分层开放系统，资料来源：Kay（2002）。

本文采用嵌套系统框架来描述生态工业园的环境, 这是一种介于Fiksel(2003)和Kay(2002)之间的方法。此框架能够重新搜索生态工业园设置的自然层次结构, 但它不同于Fiksel (2003)在Fiksel的研究重点是工艺设计, 因此它设置在嵌套系统的最小层次, 并根据过程的生命周期评估将分析扩展到嵌套系统的其他部分。我们提出的嵌套系统框架是基于这样的观察, 即生态工业园开发了它的功能, 参与了它的功能, 并由三种系统来控制: 社会、经济和环境 (见图3)。

围绕着嵌套系统的环境或自然系统产生自然资源并提供物理支持, 尽管其动态也会干扰它们。社会系统被看作是自然系统内部发展起来的系统。人类由具有等级结构的子系统组织起来, 以开展不同的活动, 实现社会和经济目标。这些社会子系统的演变取决于每种文化、组织背景以及经济框架。经济框架不仅为社会组织、市场和产业的发展制定了规则, 也是社会制度的产物。因此社会和经济边界被认为是交织在一起的, 如图3所示, 一条虚线将它们分隔开说明了这一点。生态工业园被认为是一种针对特定工业活动的子系统。它位于嵌套层的最小层，受到整个嵌套系统其余部分的影响, 因此生态工业园必须适应周围环境的变化。

图3 嵌套系统环境——用于描述本研究中应用的环境与工业系统之间关系的框架

了解生态工业园的内外部关系，以建立可靠性和寿命模型

表4中列出的生态工业园的最后两个建模属性 (可靠性和寿命) 与生态工业园中的公司之间的关系 (内部关系) 以及公司与环境之间的关系(外部关系)相关联。这些内部和外部关系, 包括竞争、合作和贸易, 是利益相关者决策的结果。它们会导致生态工业园中的公司之间以及生态工业园和嵌套环境之间的流发生变化 (图3)。这些变化导致了生态工业园的演变。对影响流动波动因素的理解可以用来揭示企业在生态工业园中的决策结果。一些作者试图将影响流量的因素分为环境、经济、社会、空间、文化、地理、政治等类别 (Frosch, 1999; Seiffert和 Loch 2005;Tudor等人, 2007), 但对这些因素的分类缺乏一致意见。表5总结了本文提出的分类方案, 该方案是基于以前的努力和以自然资本主义为前提 (Kuo和Hsiao2008; Lovins和Lovins 2001)。自然资本主义是一项社会经济发展的建议, 它认识到全球经济对自然资源的相互依赖，并提出合理利用自然资本的手段, 例如将一部分经济利润再投资于自然资源保护。

有助于了解生态工业园周围环境的演变和当前表现的广泛方面, 如文化、人口或地形, 被称为语境因素。这些方面影响着构成生态工业园设置的社会、经济和环境嵌套系统, 因此它们不会与这些系统分开分类。这些方面是生态工业园的特性, 随着时间的推移, 这些特性已经从其周围的嵌套系统中继承了下来。

相比之下, 环境投资计划的具体方面分为四个主要的影响因素: 环境、社会、经济和技术。基于图3嵌套系统各要素之间的流动情况, 利用四种类型的资本和物质流动来确定影响因素属于哪一类。第一类物质流动，即自然资源的流动、其他流入和流出自然环境的流动，界定了环境类别的影响因素。这一类包括与生产有关的流入、生态工业园流出和支持这些流动的自然环境生产力。第二种类型的资本流动是社会性的: 人力资本的流动, 包括劳动力和知识。影响因素的社会范畴包括自发或由规范创造的行为和关系模式。第三种类型的资本流动涉及货币和金融资本, 它们与经济利润有关。因此，影响因素的经济范畴包括生态工业园内部公司之间的金融和物质往来, 以及生态工业园中的公司与外部市场之间的金融和物质往来。表5中的第四类流动与技术类别有关, 其流动是制造资本和修改制造资本的手段。技术类别的影响因素包括与产品和服务流动有关的因素以及支持执行可持续战略的因素。这些类别相当广泛，代理人的决定依然是有必要的。

影响因素的分类是通过负责影响每个类别流量变化的代理人将因素类别划分为子类别来完成的。总共产生了11个子类别。表5简要说明了每一类影响因素的子类别。

综上所述，影响生态工业园寿命和可靠性因素的子类别是根据它们修改的流和导致流中修改的代理进行分类的。这些子类别包括不同类型的利益相关者关系, 并支持影响因素与它们所引起的流的变化之间的相关性。生态工业园特性的演变可能反映了影响因素的动态效应以及代理对这些因素的反应。通过将经济、自然、社会和技术类别的内部和外部因素结合起来, 可以提高生态工业园的复杂性, 如可靠性和寿命。

表5 影响生态工业园（EIP）可靠性和寿命的四类因素总结

结论及进一步工作

今天, 重新设计破旧的工业区以及设计新的工业区, 往往是为了改善其环境和经济运作。目前的工作着眼

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资料编号：[2581]

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