基于系統(tǒng)動力學(xué)的廣州港集疏運系統(tǒng)仿真研究*

□ 鐘慧玲，陳文華，顧一妙

(華南理工大學(xué) 電子商務(wù)系,廣東 廣州 510000)

1 引言

集疏運系統(tǒng)通過公路、鐵路和水路連接港口與貨源腹地，是港口發(fā)展的硬件基礎(chǔ)，其高效運作能夠促進港口-腹地區(qū)域經(jīng)濟一體化發(fā)展。隨著全球貿(mào)易東移、“一帶一路”倡議布局和自貿(mào)區(qū)戰(zhàn)略的實施，廣州港在貨運需求日益增長的同時，其集疏運系統(tǒng)也面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。因此，完善和優(yōu)化廣州港集疏運系統(tǒng)對于提高腹地貨源吸引力，促進港城經(jīng)濟發(fā)展十分重要。集疏運系統(tǒng)是連接港口與腹地的關(guān)鍵紐帶，也是推動廣州港國際航運中心建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[2]，高效暢通的集疏運系統(tǒng)對廣州港乃至粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展都有著重要的影響。

由于港口集疏運系統(tǒng)對港口和經(jīng)濟的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響，因此許多學(xué)者對港口集疏運系統(tǒng)展開研究。董潔霜[3]從集疏運網(wǎng)絡(luò)角度研究和評價港口集疏運網(wǎng)絡(luò)綜合平衡優(yōu)化， 葉彩鴻等[4]從集疏運流量角度建立了雙因素兩階段預(yù)測模型，楊斌等[5]從能耗與時間范圍的角度建立了集疏運系統(tǒng)的成本模型、能耗最小模型以及能耗約束下的成本最小模型，分析了能耗、時間范圍和成本之間的關(guān)系，張戎等[6]對港口集疏運方式及運量影響因素、途徑和作用進行實證分析。以上研究都是集中在空間序列上的動態(tài)問題，未能解決時間序列上的動態(tài)問題。從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，港口集疏運系統(tǒng)受到腹地貨源、港口資源、低碳政策等多個因素的影響，其演變過程是動態(tài)、復(fù)雜的。因此，通過系統(tǒng)動力學(xué)方法(System Dynamics,SD)研究港口集疏運結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢能夠全面考慮復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的各種影響因素，適合作長期和動態(tài)的仿真分析。其中，武慧榮等[7]運用系統(tǒng)動力學(xué)方法對大連港集裝箱海鐵聯(lián)運系統(tǒng)進行仿真和驗證。衛(wèi)斐等[8]以廣西北部灣港口為例，建立港口集疏運協(xié)調(diào)發(fā)展的系統(tǒng)動力學(xué)模型。蔣永雷等[9]以天津市為例，運用系統(tǒng)動力學(xué)分析交通投資對陸路集疏運能力的影響。

目前，雖然已有部分學(xué)者運用系統(tǒng)動力學(xué)研究港口集疏運系統(tǒng)，但大多只研究公轉(zhuǎn)水或者公轉(zhuǎn)鐵，尚未涉及三種集疏運方式的整合。因此，本文將以廣州港為研究對象，分析其集疏運系統(tǒng)的內(nèi)在機理并建立廣州港集疏運系統(tǒng)動力學(xué)模型，仿真分析廣州港集疏運結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展趨勢，并提出相應(yīng)的政策建議。

2 SD模型構(gòu)建

廣州港地處珠江三角洲中心，通過珠江水系、公路和鐵路網(wǎng)絡(luò)，連通泛珠三角以及華南地區(qū)的經(jīng)濟腹地。其中，依托于西江、珠江干線等內(nèi)河航道，廣州港“穿梭巴士”開通了67條支線運輸航線，促進內(nèi)河碼頭與廣州港的貨物運輸；公路運輸方面，主要依靠廣州城區(qū)、佛山、中山與江門幾個方向的集疏運通道；鐵路運輸方面，目前，開通10條海鐵聯(lián)運班列。目前廣州港主要依靠水路和公路集疏運，港口集疏運體系還不完善，缺乏暢通的鐵路運輸通道。

要研究廣州港集疏運系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要梳理港口經(jīng)濟、港口吞吐能力、交通運輸投資建設(shè)和各集疏運方式的運輸能力等要素之間的反饋聯(lián)系。一方面，廣州港集疏運系統(tǒng)受到廣州市經(jīng)濟發(fā)展水平、交通投資建設(shè)和港口航運能力的影響。另一方面，廣州港集疏運系統(tǒng)又影響著整個港口的運輸效率和經(jīng)濟效益，進而影響到廣州市的經(jīng)濟發(fā)展。因此，為了科學(xué)有效地分析廣州港集疏運系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系，本文采用系統(tǒng)動力學(xué)分析廣州港集疏運系統(tǒng)存在的因果反饋關(guān)系并建立仿真模型。

2.1 因果反饋關(guān)系分析

本文從廣州市GDP、廣州港集裝箱吞吐量、廣州港集裝箱吞吐能力、廣州港集疏運能力之間的因果關(guān)系出發(fā)，分析主要的5個反饋環(huán)，如圖1所示。

圖1 廣州港集疏運系統(tǒng)因果關(guān)系圖

①反饋環(huán)1：廣州市GDP↑→廣州市固定資產(chǎn)投資↑→廣州市交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施完成投資額↑→廣州港集裝箱吞吐能力↑→廣州港吞吐壓力↓→集裝箱吞吐量阻礙量↑→廣州港集裝箱吞吐量↓→港口拉動GDP↑→廣州市GDP↑。該反饋環(huán)是正反饋，反映了城市經(jīng)濟與港口運輸供給能力的相互作用機理。

②反饋環(huán)2：廣州市GDP↑→廣州港集裝箱吞吐量↑→廣州港吞吐壓力↑→集裝箱吞吐量阻礙量↑→廣州港集裝箱吞吐量↓→港口拉動GDP↑→廣州市GDP↑。該反饋環(huán)為正反饋，反映了城市經(jīng)濟與港口發(fā)展的協(xié)同促進關(guān)系。

③反饋環(huán)3：廣州港集裝箱吞吐量↑→廣州港公路集疏運量↑→公路集疏運短缺量↑→集裝箱吞吐量阻礙量↑→廣州港集裝箱吞吐量↓。該反饋是負反饋，反映了港口發(fā)展和公路集疏運系統(tǒng)的制約反饋關(guān)系。

④反饋環(huán)4：廣州港集裝箱吞吐量↑→廣州港鐵路集疏運量↑→鐵路集疏運短缺量↑→集裝箱吞吐量阻礙量↑→廣州港集裝箱吞吐量↓。該反饋是負反饋，反映了港口發(fā)展和鐵路集疏運系統(tǒng)的制約反饋關(guān)系。

⑤反饋環(huán)5：廣州港集裝箱吞吐量↑→廣州港水路集疏運量↑→水路集疏運短缺量↑→集裝箱吞吐量阻礙量↑→廣州港集裝箱吞吐量↓。該反饋是負反饋，反映了港口發(fā)展和水路集疏運系統(tǒng)的制約反饋關(guān)系。

2.2 SD模型結(jié)構(gòu)

基于上述分析的廣州港集疏運系統(tǒng)因果關(guān)系圖和反饋環(huán)，進一步確定狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量等，構(gòu)造廣州港集疏運系統(tǒng)流圖，如圖2所示。

圖2 廣州港集疏運系統(tǒng)流圖

2.3 參數(shù)確定

本文的廣州港集疏運系統(tǒng)動力學(xué)模型仿真時間為2010-2025年，時間間隔為1年。 模型主要數(shù)據(jù)來源于歷年的廣州市統(tǒng)計年鑒、廣州市統(tǒng)計公報、中國港口年鑒以及廣州市港務(wù)局官網(wǎng)。基于歷史數(shù)據(jù)，運用加權(quán)平均、線性回歸和表函數(shù)等方法確定模型參數(shù)。

3 SD模型檢驗與分析

3.1 模型檢驗

利用Vensim軟件檢驗該模型的結(jié)構(gòu)和量綱一致性，并選取廣州港2010-2020年的港口集裝箱吞吐量實際數(shù)據(jù)完成有效性檢驗，偏差率控制在±5%之間，如表1所示。檢驗結(jié)果表明該系統(tǒng)動力學(xué)模型能較為準確地反映廣州港集疏運的實際發(fā)展情況，適用于廣州港集疏運系統(tǒng)發(fā)展仿真研究。

表1 廣州港集裝箱吞吐量模擬結(jié)果與實際值誤差分析

3.2 仿真結(jié)果分析

表2和圖3是廣州港公路、水路、鐵路集疏運量的仿真結(jié)果，其中2006-2020年各集疏運方式的運輸量占比和變化趨勢符合實際情況。如表 2所示，從“十一五”到“十四五”期間，各集疏運方式比重相對穩(wěn)定，廣州港形成以公路和水路運輸為主、鐵路運輸為輔的集疏運結(jié)構(gòu)，其中小部分公路集疏運量逐漸被水路集疏運取代，水路集疏運比重從60.4%提高到65.1%。從圖 3可看出，廣州港未來五年公路和水路集疏運量都保持較快增長，到2025年，廣州港公路和水路集疏運量將達到1113萬TEU和2089萬TEU。廣州港鐵路集疏運量保持平穩(wěn)增長，但即使到2025年，鐵路集疏運量仍不超過8 萬TEU。未來五年廣州港公路集疏運量和水路集疏運量差距在逐年擴大，水路集疏運發(fā)展速度加快。這主要是因為廣州港“穿梭巴士”為珠三角各中小碼頭提供支線運輸服務(wù)，截止至2019年已開通67條“穿梭巴士”支線，完善了廣州港水路運輸通道，提高水路集疏運需求。而由于廣州港的進港鐵路配套不足，沒有形成完善的鐵路集疏運網(wǎng)絡(luò)，不能滿足鐵路集疏運需求，導(dǎo)致廣州港的鐵路集疏運量較小。待南沙進港鐵路投入使用，廣州港的鐵路集疏運量將會有一定程度上的增加，但占集疏運量的比重僅為0.2%。

表2 廣州港各集疏運方式運量占比變化情況

圖3 廣州港各集疏運方式運輸量仿真結(jié)果

4 結(jié)論及建議

本研究通過分析廣州港集疏運體系的內(nèi)在因果關(guān)系和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了廣州港集疏運的系統(tǒng)動力學(xué)模型。仿真結(jié)果表明廣州港集疏運主要以公路運輸和水路運輸為主導(dǎo)，鐵路運輸占比不足1%。要調(diào)整和優(yōu)化廣州港集疏運結(jié)構(gòu)，緩解公路運輸對城市交通的壓力和減少集疏運產(chǎn)生的碳排放量，促進廣州港集疏運體系的可持續(xù)發(fā)展，就必須減少對公路集疏運方式的依賴，加大水路和鐵路的投入，加快推進廣州港集疏運結(jié)構(gòu)調(diào)整，積極引導(dǎo)推動“公轉(zhuǎn)水”和“公轉(zhuǎn)鐵”。

完善江海聯(lián)運和海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)布局，擴大廣州港集裝箱腹地范圍，提高水路和鐵路運輸?shù)母偁幜?，發(fā)揮其在大宗散貨運輸上的優(yōu)勢。強化江海聯(lián)運，構(gòu)建以南沙港區(qū)為核心的珠江-西江江海聯(lián)運樞紐，積極在西江流域的內(nèi)河碼頭布局，擴大廣州港“穿梭巴士”的航線覆蓋范圍，增強對內(nèi)河港口的貨源吸引力。

大力發(fā)展海鐵聯(lián)運，加快南沙進港鐵路建設(shè)及配套設(shè)施完善，建設(shè)南沙海鐵聯(lián)運樞紐，提高對非沿江地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)的貨源吸引力。