时空协调（精选6篇）
时空协调 篇1
0 引言
随着中国互联大电网的形成, 电网规模越来越大, 互联电网之间的关联更加密切, 电网结构和运行方式日益复杂, 给电网的安全稳定运行和监视、分析、控制带来巨大的挑战。
中国的电网调度系统采用分级监控的模式, 各级调度系统之间缺乏规范的信息共享机制。各调度系统只能对其调度管辖范围内的电网精确建模, 外部电网则采用非精确建模或简单等值处理[1], 这种传统的建模方式不能满足互联大电网的发展要求。互联电力系统分层分解时空协调建模指各级调度系统只需要维护调度范围内的电网模型 (即内网) , 调度系统之间通过信息交换、模型拆分/合并、动态等值等技术, 实现各级调度系统在时空上的协调统一建模, 其中, “时”是指电网模型的时态, 包括历史态、实时态和未来态 (又称规划态) , “空”是指各级电网通过在空间上的互联, 实现不同调度的信息共享。IEC 61970标准为电力调度信息标准化提供了技术规范[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。随着IEC 61970标准、E格式等标准的广泛使用, 模型拆分/合并, 在线外网等值, 图形、实时数据、模型一体化的版本管理等技术的发展, 为互联电力系统的分层分解时空协调建模系统的研究奠定了理论基础。文献[1]提出了2级调度系统电网模型合并的方法。文献[2,3]研究了模型合并/拆分的方法及应用原则。文献[4,5,6,7,8,9,10]介绍和研究了IEC 61970标准及应用。文献[11,12]研究了外网动态等值技术, 提出了动态等值方案。
本文基于IEC 61970、E格式、实时数据通信协议等标准或规范, 综合研究调度中心内部及调度系统之间的信息交换规范, 研究图形、数据、模型一体化的时空协调版本管理技术和电网模型拆分/合并技术、全网模型的在线外网等值技术 (以下简称为外网等值) , 提出互联电力系统的分层分解时空协调建模系统方案 (以下简称为建模系统) 。利用该建模系统, 在调度中心内部各应用系统之间以及各级调度系统之间建立规范的信息交换机制;在调度系统内部建立跨时间的不同规模的全网模型、全网图形和运行数据中心 (以下简称为公共信息中心) , 并最终为调度系统提供规范的电网建模手段, 为互联电网的在线监控、静态和动态安全分析提供数据基础, 实现各级调度之间信息资源整合与共享。
1 关键技术
1.1 版本管理技术
调度中心内部各应用系统之间以及调度系统之间的信息共享包括电网模型信息、电网实时运行数据 (以下简称为实时数据) 、图形信息 (以下简称为图、数、模一体化) 的信息共享。本系统以公共信息模型 (CIM) 文件作为电网模型交换的标准格式, 以E文件作为实时数据交换的标准格式, 以可缩放矢量图形 (SVG) 文件作为图形交换的标准格式。
以CIM文件为主, 对应以SVG文件和E格式文件等组成的信息集合称为版本信息。调度系统之间以版本为单位进行信息交换, 通常一个版本除了包含图、数、模信息以外, 还包含版本描述文件、边界描述文件 (纵向版本) 等。版本描述文件是可扩展置标语言 (XML) 格式的文本文件, 记录该版本的生成时间、包含的文件名、时态。版本建立原则为:①各文件语法正确, 包含信息符合规范;②版本以CIM文件为主, 其他格式的文件必须与模型文件一致。
图、数、模一体化的时空协调版本管理服务 (以下简称为版本管理) 是整个系统的枢纽 (见图1) , 主要实现规范的版本交换机制、版本校验及版本信息管理等。版本管理又分为版本接收/发送服务 (以下简称为信息接收/发送) 、版本信息校验服务 (以下简称为信息校验) 和版本信息管理服务 (以下简称为信息管理) 3部分。
版本管理包括服务器端和客户端 (见图2) , 客户端部署在上下级调度系统中, 主要功能包括上传信息、下载信息、E格式文件订阅、信息交换日志浏览、模型边界定义修改/浏览等。依托调度数据网, 客户端与服务器端、服务器端与服务器端共同形成调度系统之间常态的版本信息交换机制, 版本信息交换支持ftp, Web Service, CORBA/CIS等通信方式。上级调度系统为下级调度系统发送的信息内容包括:①全网的版本信息;②外网等值的版本信息。下级调度系统为上级调度系统发送本地调度系统的版本信息。
版本管理接收客户端发送的版本信息, 自动触发信息校验, 如果信息校验正确, 则进入信息管理, 并记录日志信息, 发送日志至客户端;如果信息校验出错, 则生成错误文件, 记录信息的出错原因, 同时记录日志, 发送日志至客户端, 客户端能下载错误文件。
校验的目的是保证信息的正确性和一致性, 为后续模型合并、外网等值等提供正确的数据源。 信息校验的内容主要包括:①各文件的语法正确性;②CIM文件的边界、网络拓扑、参数等的正确性;③SVG文件与CIM文件的一致性、E格式文件与CIM文件的一致性等。校验的内容可以根据需要自行配置。
信息管理包括信息存储、版本生成、版本发布、版本增量比较、历史版本查询、系列接口等。版本以文件目录的方式管理, 文件目录结构如图3所示。
版本分为横向版本和纵向版本。横向版本是指本地调度系统的图、数、模信息生成的版本, 纵向版本是指模型合并执行结束后自动生成的版本。版本内容包括所有参与模型合并的CIM文件和模型合并生成的CIM文件、SVG文件、E格式文件、版本描述文件、边界定义文件等。信息管理分为5个大的存储目录, 即最新信息目录、纵向版本、横向版本、历史版本转存、版本发布。信息接收/发送服务接收到的信息经信息校验进入最新信息目录, 本地调度系统发送的图、数、模信息也进入最新信息目录;横向版本目录存放本地图、数、模信息形成的版本;纵向版本目录存放模型合并形成的版本 (包括“外网等值+本地模型”合并形成的版本) ;历史版本转存目录把某一时间段的版本打包存储在该目录下, 同时记录该包的索引信息, 供版本查询;版本发布目录是公共目录, 把指定版本发布到该目录, 供第三方系统使用。
版本管理服务相当于公共数据管理中心, 负责数据的接收/发送、存储、管理等, 是系统的核心。
1.2 模型合并/拆分技术
模型合并/拆分技术是实现分层分解时空协调建模非常重要的一环, 它结合CIM文件导入/导出、SVG文件导入/导出、E格式文件导入/导出等技术, 为实现互联大电网全局监视、控制和在线分析提供信息基础。模型合并/拆分技术是相对较成熟的技术, 基于该技术的模型合并方法多次在实际系统中应用, 并取得了不错的效果, 但模型合并方法没有形成统一的技术规范。本系统旨在提出规范的模型合并方法, 并且把规范的模型合并方法有机地融入到建模系统。
基于CIM文件的模型合并, 是通过CIM文件解析、模型调度边界拆分、模型拼接等一系列技术手段, 对各模型进行有效合成, 形成一个完整的全网模型[1]。模型合并分为2类:①“本地CIM文件+若干下级调度系统的CIM文件”形成全网的大模型 (以下简称为“1+n”模型合并) , 为实现互联大电网安全分析提供数据基础;②“本地调度系统的CIM文件+外网等值模型” (由上级调度系统提供) 形成外网建模合理的本地电网模型 (以下简称为“1+1”模型合并) , 用于提高本地安全分析类软件的计算精度。结合2类模型合并, 最终完成“外网等值模型+本调度系统的CIM文件+若干下级调度系统的CIM文件”的电网建模。
规范的模型合并方法主要包含CIM解析、模型拆分、模型拼接、结果导出及纵向新版本生成等技术。基于CIM文件的模型合并是一个复杂的过程, 大量的工作是对模型文件的处理, 解决大批量文件处理的效率问题是模型合并的关键技术之一, 为此, 必须根据CIM文件的特点, 采用共享内存高速索引技术, 开发CIM文件的专用解析器。模型拆分就是根据调度边界信息, 利用拓扑关系, 裁掉各模型中外部模型信息 (包括外部模型的量测信息) , 只保留模型内部信息和边界信息[1]。模型合并将拆分后的各个模型通过边界设备连接起来, 从而在逻辑上形成一个全电网的完整模型。拼接的模型根据需要可导出CIM文件或直接导入系统数据库。完成模型合并后可生成纵向版本, 由版本管理负责新版本的生成与发布。
1.3 外网等值
常用的外网等值模型中, 缓冲网等值模型是最佳的外网等值建模方式[11], 但这种外网等值建模方式需要准确了解外网的实时信息。通过模型合并等技术, 上级调度系统能够准确掌握下级调度系统外围电网的运行方式和运行状态, 可以实时地为下级调度系统计算出带有缓冲网的外网等值模型[12]。下级调度系统利用外网等值模型, 可进行内外网模型的在线合并, 形成包括缓冲厂站和等值厂站的电网模型, 从而以更加合理的方式提高调度系统应用软件的计算精度。缓冲网的选取有2种方式:①用分布因子法计算出缓冲厂站;②根据与内网电气距离远近, 缓冲厂站可分为一级缓冲厂站、二级缓冲厂站等, 调度系统可根据外网的实际情况, 选择性地做到几级缓冲厂站。
外网等值信息包括外网等值模型 (CIM文件) 、缓冲厂站的SVG文件、对应外网等值模型的E格式文件。外网等值模型有2种形式:①“下级调度系统边界厂站+缓冲厂站+动态等值数据”;②“下级调度系统模型+缓冲厂站+动态等值数据”。第1种形式的外网等值模型发送到下级调度系统后, 必须与本地模型合并才能使用, 第2种形式的外网等值模型可直接导入本地系统使用, 2种形式可以选择使用。
外网等值模型生成过程为:①“基于某下级调度系统的电网模型+缓冲厂站”作为内部厂站, 计算出外网等值信息;②基于大模型文件的模型拆分, 拆分出下级电网模型的边界厂站和缓冲厂站;③模型拆分结果与计算的等值数据合并形成外网等值模型。外网等值信息实时发送给下级调度系统, 如果模型本身没有变化, 只发送E格式实时数据, 否则发送全部的外网等值信息。
1.4 实时量测数据同步方案
E格式文件是本系统实时数据交换的标准格式, 有2种传送方式:周期传送和文件召唤。周期传送是常规的传送手段, 文件召唤是辅助手段。E格式文件命名方式为:区域名_时标.QS。其中, 时标精确到秒, 如 NC_20090221101000.QS, 表示华北2009-02-21T10:10:00的全数据文件。为了保证各区域传送的实时数据的同步, 规定:①E格式文件在正分时刻生成, 允许误差不得超过2 s, 即E格式文件时标的后2位在00至02之间;②发送周期一致, 发送周期在分钟级;③各区域要保存一定时间的历史文件 (供召唤) 。系统根据文件的时标, 形成全网的数据断面, 保证各区域的实时数据同步, 如果发现某个区域没有匹配E格式文件, 则启用文件召唤机制, 如果文件召唤再次失败, 则选择距该时刻最近的E格式文件。
2 分层分解时空协调建模系统
2.1 系统结构
互联电力系统分层分解时空协调建模系统就是建立一个系统架构, 将版本管理技术、模型合并/拆分技术、SVG转换技术、模型文件的导入导出技术、在线外网等值技术等有机地融合在一起, 利用版本管理技术在各级调度系统之间形成规范的图、数、模一体化的信息交换机制, 建立一体化的公共信息中心, 实现时空协调建模, 实现互联大电网信息共享。系统结构见图4。以版本管理服务为核心, 以上下级调度系统和本地调度系统为数据源, 以模型合并、外网等值等为数据整合器, 整合后的结果由版本管理服务分发给上下级调度系统和本地调度系统。建模系统与本地调度系统平台是松耦合关系, 接口简单, 主要以文件、结构化查询语言 (SQL) 、自定义等方式交互。
2.2 系统数据流
系统以版本管理服务为中心, 进行信息的流入/流出。数据流主要包括3部分:①版本管理服务接收上级调度系统发送的外网等值信息, 接收下级各调度系统的电网模型版本信息, 接收本地调度系统的图、数、模信息 (在版本管理内部形成本地版本) 。②模型合并从版本管理获取“外网等值模型+本地模型+边界定义”, 返回对应的“1+1”模型合并模型;模型合并从版本管理获取下级各调度系统的“电网模型+本地模型+模型边界定义”或“‘1+1’模型合并的模型+下级各调度系统的电网模型+模型边界定义”, 返回“1+n”模型合并结果;外网等值从版本管理获取“1+n”模型合并结果及对应的边界定义, 返回下级各调度系统的外网等值模型。③版本管理发送本地电网模型的版本信息给上级调度系统, 发送外网等值版本信息给下级调度系统, 发送“整合后的各种电网模型+对应的SVG文件+对应的E格式文件”给本地调度系统;发送“‘1+1’模型合并结果+对应的SVG文件+对应的E格式文件”给本地调度系统。
2.3 时空协调建模
目前, 国内各级调度系统基本上都实现了实时模型与未来模型的统一维护, 即在实时模型基础上建立不影响调度实时运行的未来电网模型。各调度系统之间不仅要求实时模型共享, 而且要求历史、未来模型都要共享。时空协调建模就是实现各级调度系统的历史、实时、未来模型和图形、数据的共享与整合, 在空间、时态上互相协调, 统一建模。建模系统分别建立历史、实时、未来的全网模型, 以满足各应用系统的需求。
利用建模系统实现互联电力系统的分层分解时空协调建模过程如下:①“外网等值模型+本地调度系统的电网模型+下级调度系统的电网模型”合并成如图5所示的全网模型 (CIM文件) ;②根据调度中心内部不同应用系统的需要, 对全网CIM文件拆分, 形成不同应用系统的电网模型;③本地调度系统利用CIM文件的导入/导出工具、SVG转换工具及E格式文件导入/导出工具, 把图、数、模等相关信息导入本地调度系统。
建模系统形成的电网模型包括历史态、实时态和规划态 (未来态) , 历史态模型由实时态模型转化而来, 规划态模型由各级调度系统对应的规划态模型合并形成, 规划态模型能够转换成实时态。图5所示的“电网模型+对应版本中的SVG文件+对应的E格式文件”就形成了调度系统的数据源, 为调度中心内部各应用系统提供需要的模型、图形和部分实时数据。建模系统可以根据不同应用系统的要求, 对图5中的模型拆分, 拆分出各应用系统需要的电网模型。
3 工程实例
分层分解时空协调建模技术在某市电力公司调度中心得到了很好的应用。
该市电力公司调度中心的调度数据集中平台项目于2007年10月开始建设, 2009年3月投入运行。该平台通过统一的手段来存储、组织、管理、再现来自调度中心内部各应用系统的数据、图形, 建立完整的设备对象模型;基于统一电网模型, 实现调度设备参数、运行数据、管理数据等多种数据的整合。建设全网的时空协调建模应用平台, 实现电网的全网调度数据平台、图形平台, 实现图形及数据共享。
系统硬件结构如图6所示。版本管理分别部署在系统平台、建模服务器和通信工作站上。模型合并/拆分、外网等值等工具部署在建模服务器上。系统平台负责各种信息的整合与管理。建模系统服务器负责时空协调建模。通信工作站负责与部署在上下级调度系统中的客户端完成信息交换与校验。通信工作站接收到上下级调度系统的电网模型版本信息, 通过系统平台发送到建模系统服务器, 在建模系统服务器上利用模型合并/拆分、外网等值等工具实现时空协调建模, 最后由系统平台统一管理。
该项目投运以来, 完成了本地调度系统、网调和10个区调的时空协调建模。全网模型包含有效厂站898座, 量测对象 (遥信、遥测) 约140 000点。模型合并耗时约250 s, 外网等值耗时约4 s, E格式数据发送周期最短30 s, E格式文件导入能量管理系统 (EMS) 数据库耗时约1 s～2 s。
利用时空协调建模技术, 在调度信息系统平台上建立了网 (缓冲网等值模型) 、省、地3级调度系统的模型中心, 实现了全网的实时监控;完成了网、省2级调度系统的调度员培训仿真 (DTS) 联合反事故演习。项目实施表明:时空协调建模系统现阶段的各项性能指标均能达到设计要求, 具有可行性。该项目的实施为分层分解时空协调建模研究提供了有力的支持。
4 结语
本建模系统依托国家电网公司科技项目《互联电力系统的分层分解时空协调建模研究》, 基于IEC 61970标准、E格式规范、版本管理、模型合并/拆分、外网等值、SVG转换、E格式数据导入/导出等多项先进技术, 在各级调度系统之间建立了规范的信息交换机制, 在调度系统平台上建立了规范的公共信息处理机制, 实现了互联电力系统的时空协调建模系统。该系统的应用必将解决互联大电网与传统的电网建模方式之间的矛盾, 解决调度中心各应用系统之间及各级调度系统之间信息整合与共享问题, 为互联大电网的实时监视、控制、在线安全分析提供数据基础和技术支撑。
参考文献
[1]米为民, 韦凌霄, 钱静, 等.基于CI M XML的电网模型合并方法在北京电力公司调度系统中的应用.电网技术, 2008, 32 (10) :33-37.MI Wei min, WEI Lingxiao, QI AN Jing, et al.Application of CI M&XML based combination method of power network models in dispatching system of Beijing electric power corporation.Power System Technology, 2008, 32 (10) :33-37.
[2]潘毅, 周京阳, 李强, 等.基于公共信息模型的电力系统模型的拆分与合并.电力系统自动化, 2003, 27 (15) :45-48.PAN Yi, ZHOU Jingyang, LI Qiang, et al.The separation/combination of power system model based on CI M.Automation of Electric Power Systems, 2003, 27 (15) :45-48.
[3]刘崇茹, 孙宏斌, 张伯明, 等.公共信息模型拆分与合并应用研究.电力系统自动化, 2004, 28 (12) :51-55.LI U Chongru, SUN Hongbin, ZHANG Boming, et al.A research onincremental and partial model transfers based CI M.Automation of Electric Power Systems, 2004, 28 (12) :51-55.
[4]IEC61970Energy management system application program interface (EMS-API) :Part1guidelines and general requirements.2003.
[5]EVANS J.CPSM mini mum data requirements in terms of the EPRI CI M[EB/OL].[2001-06-18].http://www.pti-us.com/pti/software/odms/i mages/CPSM%20Data%20Requirements%20to%20EPRI%20CI M.pdf.
[6]DL/T890.301—2004能量管理系统应用程序接口 (EMS-API) 第301篇:公共信息模型 (CI M) 基础.2004.
[7]Report on the common information model (CI M) extensible markup language (XML) interoperability test#4[DB/OL].[2002-09-12].http://groups.yahoo.com/group/ci mxml.
[8]潘毅, 周京阳, 吴杏平, 等.基于电力系统公共信息模型的互操作试验.电网技术, 2003, 27 (10) :25-28.PAN Yi, ZHOU Jingyang, WU Xingping, et al.Interoperability test based on common information model.Power System Technology, 2003, 27 (10) :25-28.
[9]孙宏斌, 吴文传, 张伯明, 等.IEC61970标准的扩展在调度控制中心集成化中的应用.电网技术, 2005, 29 (16) :21-25.SUN Hongbin, WU Wenchuan, ZHANG Boming, et al.Application of extension of IEC61970standardin control centerintegration.Power System Technology, 2005, 29 (16) :21-25.
[10]何江, 吴杏平, 李立新, 等.基于组件技术的电力系统实时数据库平台.电网技术, 2002, 26 (3) :64-67.HE Jiang, WU Xingping, LI Lixin, et al.Acomponent based real-ti me database management platform.Power System Technology, 2002, 26 (3) :64-67.
[11]张海波, 张伯明, 王俏文, 等.不同外网等值模型对EMS应用效果影响的试验研究.电网技术, 2006, 30 (3) :1-6.ZHANG Haibo, ZHANG Boming, WANG Qiaowen, et al.A test investigation on effect of different external network equivalent models on EMS applications.Power System Technology, 2006, 30 (3) :1-6.
[12]温柏坚, 张海波, 张伯明, 等.广东省地区电网外网等值自动生成系统设计.电力系统自动化, 2004, 28 (20) :77-80.WEN Bojian, ZHANG Haibo, ZHANG Boming, et al.Design of a real-ti me external network auto-equivalence systemof sub-transmission networks in Guangdong.Automation of Electric Power Systems, 2004, 28 (20) :77-80.
时空协调 篇2
文献综述
1.耦合协调度已被广泛应用在相关经济领域
方叶林等以大陆地区31 个省份10 年的面板数据为基础,运用耦合协调度研究旅游业发展与生态环境的关系,得出中东部地区需要进行旅游产业结构调整,加大对西部地区的资金、技术投入,以利用生态环境促进旅游业发展。[1]朱江丽等运用耦合协调度,研究“长三角”城市群产业—人口—空间发展水平,得出促进“长三角”城市群发展的途径,以达到提升城市发展质量的目标。[2]刘浩等研究区域城市化与城市土地集约利用的耦合协调发展,认为城市化的协调发展度与城市土地的集约利用具有很强的关联性,研究期内环渤海地区的城市基本处于同步发展状态,滞后发展城市数目很少。[3]钱丽等构建耦合协调度评价模型,研究我国区域工业化、城镇化与农业现代化的发展水平。[4]
2.关于“四化”发展问题的研究
徐维祥等运用空间计量分析方法,研究后得出,近年来我国“四化”发展水平不断上升,但地区间的差异依然很明显,建议加强推动信息化与其他“三化”的融合,从而促进“四化”发展。[5]周振等采用几何平均数法及HR评价模型,研究“四化”协调发展格局,得出农业现代化发展滞后,阻碍了“四化”同步发展水平。[6]胡艳兴等运用地理加权回归、重心转移等方法,分析我国地级及以上城市“四化”协调发展现状,得出我国“四化”协调发展的任务依然较为严峻。[7]
现有文献大多侧重于对省市层面“四化”的研究,或“两化”与“三化”之间关系的探讨,很少有对“四化”发展全面的时空演化特征研究。因此,基于2001 年、2005 年、2010 年、2013 年全国289 个地级及以上城市的面板数据,运用耦合协调模型、多元线性回归模型,从时间维度对我国“四化”协调发展进行研究并提出政策建议。
数据来源与分析方法
1.数据来源
原始数据主要来源于《中国城市统计年鉴》、《中国区域经济统计年鉴》,对个别缺失的经济数据,采用回归填补法补齐。为消除量纲及数值大小对评价结果的影响,对数据进行离差标准化处理,即数据都在(0,1)范围内,构建我国“四化”发展评价指标体系。
各个指标的权重由熵权法计算得出(具体结果见表1)。所用面板数据库共包含289 个地级城市的数据资料,具有较强的代表性。
2.“四化”发展研究方法———耦合协调模型
根据“四化”发展水平的内涵,构建“四化”发展水平指数。工业化发展水平指数用I表示,农业现代化发展水平指数用A表示,城镇化发展水平指数用U表示,信息化发展水平指数用F表示。计算公式分别为:
其中,αi、βi、δi、λi表示各个指标的权重,gi、ni、ci、xi分别表示工业化、农业现代化、城镇化、信息化各个指标经过极差标准化后得出的无量纲值。将4 项指数等权加和求其平均值,即可得到“四化”综合发展指数T:
耦合度,指两者或两者以上之间关系的密切程度及相互依赖程度。引入物理学中的耦合度模型并将其进一步修正,得到“四化”发展耦合度测算模型:
综合考虑“四化”综合发展指数T和“四化”耦合度C,构建“四化”协调发展模型:
我国“四化”圈层结构的特征
1.地级市“四化”子系统发展水平测度
(1)我国工业化发展水平快速提高。至2013 年,鄂尔多斯地区最高(0.7361),最低为定西(0.0754),全部城市标准差为0.0876。除了金昌、攀枝花等少数资源型城市工业化发展水平较高以外,其他工业化水平较高的城市主要分布在东部沿海发达地区、东北地区、长江中下游地区。低水平区域主要分布在西南山区丘陵区,与地区经济发展格局基本一致。
(2) 我国农业现代化发展水平呈上升趋势。截至2013 年,农业现代化指数均值提高到0.3085。在289 个地级城市中,高于均值的城市有262 个。农业现代化发展水平较高地区主要分布在京津翼、“长三角”、东南沿海地区,与“胡焕庸线”沿线区域的低发展水平城市群有明显的格局区别。
(3)我国城镇化发展水平总体不高。至2013 年,城镇化发展水平最高的为深圳(0.9787),最低为毕节(0.055),全部地级城市平均值为0.2406,标准差为0.1298。城镇化发展水平较高地区主要分布在东部及部分内陆地区,低水平区域主要分布在西南山地丘陵区及中部传统农区,绥化、庆阳、铜仁、平凉、陇南等中小城市的城镇化发展水平仍然很低。
(4)至2013 年,高于信息化发展指数均值的城市数量,由2001 年的80 个增加到94 个。信息化发展水平较高的地区主要分布在“珠三角”、“长三角”、东南沿海及京津都市圈,西南山地丘陵区及中部传统农区的信息化发展水平仍然很低。
2.地级市“四化”耦合协调发展的圈层结构时空演化
基于耦合协调模型,测得全国289 个地级城市的“四化”耦合发展指数和“四化”协调发展指数。其中,2013 年耦合度最高为肇庆的0.979,最低为榆林的0.4335。全部城市平均值为0.867,标准差为0.0714。“四化”耦合度相对较高的城市主要分布在东部沿海、华北及部分内陆地区,相对较低的城市主要分布在中部传统农区。由于耦合度无法说明该城市是高发展水平下的耦合,还是低发展水平下的耦合,因此引入“四化”协调指数来描述“四化”之间的协调程度。
综合考虑各城市的协调发展水平,对“四化”协调度进行类型划分[8](见表3、图2)。2013 年,严重失调城市有1 个(毕节);中度失调城市有17 个,主要分布在甘肃地区;轻度失调城市有84 个,分布在西南地区;濒临失调城市的数量最多,为108 个,主要分布在黑河、腾冲沿线;勉强协调城市有48 个,分布范围很广,以东部沿海城市为主;另外还有26 个初级协调城市、4 个中级协调城市以及1 个良好协调城市(深圳)。总体而言,严重失调、中度失调、轻度失调这三类城市的数量逐年减少,濒临失调、勉强协调、初级协调城市的数量呈增加趋势,而中级协调城市、良好协调城市及优质协调城市的数量依然屈指可数,表明我国“四化”总体协调水平不高。另外,利用Arc Gis10.2,将“四化”协调度分类得出:2001—2013年,濒临失调城市从50 个增加到108 个,勉强协调城市从20 个增加到48 个,初级协调城市数目也有所增加,由此形成的“四化”协调发展水平不断上升、圈层结构日渐显化。2001 年“,四化”协调发展高水平区域仅集中在“长三角”、“珠三角”、北京和天津等个别城市。至2013年,随着“长三角”、“珠三角”的“四化”协调发展圈层结构空间规模扩张,山东半岛、辽宁、大连等地也开始显现与周边城市组成“四化”协调发展圈层结构的特点。
我国“四化”耦合协调发展时空演化影响因素分析
1.建立计量回归模型
根据已有研究,结合我国“四化”数据客观性、可获得性原则,主要考察经济发展水平、受教育程度、信息化水平、金融因素、产业结构因素,对我国“四化”协调发展的影响,建立计量回归模型:
其中,“四化”协调水平D作为被解释变量,i和t分别代表城市和年份,β0代表截距项,β1至 β5表示待估参数,Xit代表不可观测的随机变量,GDP代表经济发展水平,EDU代表受教育程度,INF代表信息化水平,FIN代表金融因素,STR代表产业结构。
2.回归结果分析
利用eviews8.0 进行回归分析,选择固定效应模型。最终回归结果如表4 所示。
(1)人均GDP代表的经济发展水平,对我国“四化”协调发展有正向推动作用,回归系数为0.153。作为国民经济的重要指标,科学稳健的人均GDP增速有利于我国“四化”的发展。
(2)每万人大学生数代表的教育水平,在1%水平上显著正相关,回归系数为0.04,表明高等教育是推动“四化”协调发展的重要因素。
(3)信息化水平回归系数为0.124,与“四化”协调发展正相关。因此,建立一个优质的信息化社会,能推动“四化”,进而促进国家的发展。
(4)金融机构人均人民币贷款余额代表的金融因素未通过显著性检验,甚至与“四化”协调发展存在负向关系,可能受当前我国经济金融运行特征的影响。另外,金融分配问题在一定程度上也阻碍了我国“四化”协调发展水平。因此,全面深化金融改革任重而道远。
(5)产业结构与“四化”协调发展存在正相关的关系,回归系数为0.216,表明在当前我国经济结构面临重要转型期的背景下,产业结构调整和提高有利于我国“四化”的协调发展。
结论与建议
1.结论
(1)近年来,我国工业化发展水平快速提高。工业化高水平区域主要分布在东部沿海、东北及长江中下游地区,而西南山区丘陵区仍处于较低水平;农业现代化发展水平区域格局以“胡焕庸线”为界,高水平区主要分布在京津翼、“长三角”、东南沿海地区,低水平区主要分布在“胡焕庸线”沿线;城镇化发展水平较高的地区主要分布在东部沿海地区,且东部的城镇化发展水平高于中西部地区,但铜仁、平凉、陇南等中小城市的城镇化水平仍然很低;近年来信息化发展速度很快,“珠三角”、“长三角”、京津都市圈地区信息化发展水平很高,而湖北、湖南、四川、贵州等地的信息化发展水平仍然很低。
(2)我国“四化”协调发展水平不断上升,严重失调、中度失调、轻度失调城市的数目有所减少,濒临协调、勉强协调、初级协调城市的数目逐渐增加,“四化”圈层结构日渐显化。至2013 年,随着“长三角”和“珠三角”“四化”协调发展圈层结构规模的扩张,山东半岛、辽宁等地也开始显现“四化”协调发展的圈层结构特点。经济发展水平、受教育程度、信息化水平、产业结构,对“四化”协调发展有着正向推动作用,金融因素与“四化”协调发展存在负向关系。
2.建议
(1)在互联网发展迅猛的同时,我国应把握全球信息技术革命发展的机遇,推动信息化建设,促进“四化”协调发展水平的提高。
(2)利用东部地区“四化”协调发展水平的先行优势,带动中西部城市“四化”发展。
(3)全面深化经济体制改革,完善金融监管,维护金融稳定,加大对农业现代化发展的重视力度并给予金融支持,以提高“四化”整体协调发展水平。
参考文献
[1]方叶林,黄震方,段忠贤,王坤.中国旅游业发展与生态环境耦合协调研究[J].经济地理,2013(12):195-201.
[2]朱江丽,李子联.长三角城市群产业—人口—空间耦合协调发展研究[J].中国人口·资源与环境,2015(2):75-82.
[3]刘浩,张毅,郑文升.城市土地集约利用与区域城市化的时空耦合协调发展评价——以环渤海地区城市为例[J].地理研究,2011(10):1805-1817.
[4]钱丽,陈忠卫,肖仁桥.中国区域工业化、城镇化与农业现代化耦合协调度及其影响因素研究[J].经济问题探索,2012(11):10-17.
[5]徐维祥,舒季君,唐根年.中国工业化、信息化、城镇化和农业现代化协调发展的时空格局与动态演进[J].经济学动态,2015(1):76-85.
[6]周振,孔祥智.中国“四化”协调发展格局及其影响因素研究——基于农业现代化视角[J].中国软科学,2015(10):9-26.
[7]胡艳兴,潘竟虎,陈蜒,张建辉.基于ESDA和GWR的中国地级及以上城市四化协调发展时空分异格局[J].经济地理,2015(5):45-54.
时空协调 篇3
“四化”相关研究概述
“四化”既是一个整体概念, 也是一个互动的系统。党的“十八大”以前, 对“四化”的研究并不多见, 且大部分集中于对各个子系统或“两化”、“三化”间的研究。下面将国内学者对“四化”的相关研究做一概述。
蒋永志提出, 要发展工业化水平偏低地区的重工业, 应注意把握产业转型升级的路径选择, 如可增强企业创新能力、发展可持续发展的工业企业、市场对资源的有效配置等。[1]姜爱林认为, 工业化与信息化两者是相辅相成、互相作用和促进的。工业化是信息化发展的前提和基础, 信息化正是工业化发展的衍生物。[2]徐维祥等从产业集群的角度, 提出了城镇化的要素空间集聚, 为工业化提供了基础条件, 同时, 也更利于产业结构的升级创造, 并从新的角度, 构建了产业集群与城镇化互动的发展模式。[3]徐大伟等以农业发展为基点, 研究了工业化、城镇化与其的互动关系, 指出工业化是助力、城镇化是外在体现, 而农业现代化是终极目标, 三者需要统筹发展。[4]夏春萍等通过构建VAR模型, 利用协整分析等方法, 对工业化、城镇化、农业现代化进行了实证研究。结果表明, 三者发展具有长期均衡关系, 并互相作用。[5]张兰婷等也基于VAR模型, 对“四化”整体作了实证研究。[6]蓝庆新等则对“四化”的关联机制进行研究, 分别论述了各个子系统在“四化”互动中的作用, 并认为工业化是根本动力, 城镇化是带动力量, 信息化是重要引擎, 农业现代化则是基础和保障。[7]
目前, 大量研究都是建立在工业化、城镇化、农业现代化的基础上的, 而研究“四化”整体的较少。以浙江省11个地级市为研究对象, 对其2004—2013年“四化”协调发展情况, 进行了时空分异研究, 探索其“四化”协调发展在空间上的相关性, 并根据浙江省的特点, 提出了促进“四化”协调发展的对策建议。
评价指标体系的构建及评价方法
1. 评价指标体系的构建
“四化”系统内容丰富、结构复杂, 构建时需要考虑相互之间的关系、层次, 对指标的结构进行一个划分。在遵循客观性、系统性、重点性、可比性、可行性原则的基础上 (如表1所示) , 纵向上以“四化”协调发展水平为目标层, 逐步细分到各个子系统准则层, 每个准则层分别建立自己的次准则层, 层层构建, 一直细化到具体指标;横向上, 从总量、速度、质量三个方面对指标的范围进行控制和约束 (后面会加以说明) , 以保障指标的综合性。
对横向约束来说, 属于总量指标的有:I11、I12、N21、N31、U11、U21、A11、A21;属于速度指标的有I21、I22、N22、N23、U12、U13、A12、A22、A23;属于质量指标的有:I31、I41、I42、N11、N12、N32、U14、U31、U32、A31、A32。
2.评价方法
(1) 采用熵权法, 确定“四化”子系统发展水平。首先采用极差值法, 对各指标数据进行去量纲标准化:
其中, Rij为第i个评价对象的第j个指标, R为一个m×n的一个矩阵形式, 而Rij则为标准化以后的指标含义。其中, rij的范围是[0, 1], 并且用如下方法确定第j个指标的熵:
采用线性综合评价模型, 来计算各个子系统发展水平:X=∑nj=1rijwj (4)
分别用X1、XN、XU、XA代表工业化、信息化、城镇化、农业现代化。因此, “四化”综合发展指数为:
(2) 构建离差系数最小化协调度模型。构建原理是, 系统间的离差系数越小, 则系统越协调。引入离差系数:
当Cv离差系数达到最小时, 系统越协调, 同时Cv' (离差系数的一阶导数) 达到最大。假设n=2, 即只有两个系统时一阶导数Cv'的情况, 经推算得出, 当n=2时:
把Cv'作为协调度模型的雏形, 构造“四化”协调度模型, 即
其中, K为调节系数, 并且K≥2。通过验证发现, 当XI=XN=XU=XA时, 协调度C达到最大。
(3) 在以上“四化”综合发展指数和离差最小协调度模型的基础上, 取两者几何平均值, 得到协调发展度D, 用于衡量“四化”协调发展水平的高低, 即
D的取值范围在[0, 1]之间, 当D=0时, 说明系统间极度不协调;当D=1时, 说明系统间达到最佳协调发展状态。
浙江省“四化”协调发展的时空分异情况
本文数据主要来自《浙江省统计年鉴》、《中国区域经济统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》、《中国高新技术产业统计年鉴》和各地级市的统计年鉴等。对一些缺失的数据, 采用R软件进行插值法补充。
根据前文构建的模型及评价方法, 对浙江省2004—2013年的数据进行测算, 依次可得出各个子系统发展水平、“四化”综合发展水平、“四化”协调度、“四化”协调发展度。
1. 浙江省各个子系统发展水平分析
浙东北地区, 是指杭州、宁波、嘉兴、湖州、绍兴、舟山6个地级市;而浙西南地区, 则是温州、金华、衢州、台州、丽水5个地级市。图1、图2所展示的就是浙东北和浙西南地区2004—2013年各个子系统发展水平情况。
从图1、图2中可以看出, 2004—2013年, 浙江省的“四化”发展有以下几个特点:一是在两个地区“四化”子系统发展水平中, 都是工业化居高、城镇化其次、信息化和农业现代化较低。其中, 浙东北地区的农业现代化稍高于信息化, 而浙西南地区从2008年以后, 信息化高于农业现代化。二是浙东北地区的“四化”子系统发展水平均高于浙西南地区。三是从增长速度上说, 浙西南地区的工业化发展速度较高, 并且从2008年开始, 其信息化的发展速度也超过浙东北地区, 两者城镇化与农业现代化的发展速度相近。四是从子系统发展协调性角度看, 浙东北地区的“四化”子系统发展差异较小, 而且有逐年减小的趋势, 而浙西南地区的“四化”子系统发展差异仍然较明显, 虽然有减小的趋势, 但是日后提高信息化和农业现代化的发展水平依然是重点。
2. 浙江省“四化”综合发展水平和协调度分析
通过对子系统发展水平的测度, 可进一步得出“四化”综合发展水平和协调度 (具体图形在这里就不予展示) 。通过分析结果可发现, 浙东北地区不论是“四化”综合发展水平, 还是协调度均高于全省平均水平, 而浙西南地区则在全省平均水平之下。
3. 浙江省“四化”协调发展情况分析
从图3中可看出, 2004—2013年, 不论是全省还是两大区域, 其“四化”协调发展度都处于上升趋势。
(1) 从全省的数据看, 2004—2013年总增长率为40.34%, 年均增长率为3.84%。其中, 2004—2007年比2007—2013年的发展速度快, 年均增长率为4.95%, 而2007—2013年的年均增长率为3.28%。说明整体虽然是上升趋势, 但是增长速度在减慢。
(2) 从浙东北和浙西南两大区域看, 浙东北地区的“四化”协调发展度高于浙西南, 主要是浙东北地区的综合发展水平和协调度均高于浙西南地区。但是, 对比两地区的增长率发现, 浙西南地区2004—2013年总增长率为48.74%, 高于浙东北地区的32.96%, 并且在2004—2007年发展速度较快, 年均增长率达到6.11%, 而2007—2013年增长率降低为3.72%。正因为浙西南地区增长速度高于浙东北地区, 所以, 两大地区间的差异有逐步缩小趋势, 两者的差异在2004年达到最大, 相差0.35倍, 而到2013年, 两者差距仅为0.2倍, 差异减小了42.86%。总的来说, 浙江省“四化”协调发展水平的增长速度在逐年减慢, 并且浙东北地区的发展水平高于浙西南地区, 但是两者差距有逐渐缩小的趋势。
4. 浙江省“四化”协调发展水平体现在地级市上的差异
为了更好地观察“四化”协调发展水平体现在地级市上的差异, 笔者利用Arcgis软件, 取2004年、2007年、2010年、2013年的面板数据, 得出每年“四化”协调水平的空间分异图 (见图4) 。
(1) 整体上浙东北与浙西南地区有较为明显的差异。对浙东北地区来说, “四化”协调发展水平较强的是杭州和宁波两个地区, 其次是嘉兴和湖州两个地区, 而舟山和绍兴的排名靠后。杭州、湖州、嘉兴三个地区彼此相邻, 有强强集聚的特征。相比之下, 浙西南地区的“四化”协调发展水平偏低。其中, 金华和衢州由于邻近杭州, 因而发展水平在浙西南地区属于领先位置, 最弱的两个地区为温州和丽水, 而台州则处于中等水平。
(2) 从增长率角度看, 浙西南地区的增长速度高于浙东北地区。因此, 差异有逐年缩小的趋势。根据自然分级法划分的五个等级, 观察其值域范围, 发现每一年都有所提高。对最高等级来说, 2004年, 其值域范围是 (0.6035, 0.6588) , 而到2013年提高至 (0.7436, 0.7927) , 整体提高幅度为20%以上。而对最低等级来说, 2004年, 其值域范围是 (0.3594, 0.3894) , 2013年提升至 (0.5353, 0.5536) , 整体提升幅度为45%左右, 远远超过最高等级的涨幅。这一点反映在个体上更为明显。例如, 丽水市10年来“四化”协调发展水平整体增幅为54%, 年增长率达5%左右。而杭州市2004—2013年的整体增长幅度为19.46%, 年均增长率为2%左右。
浙江省“四化”协调发展水平的空间自相关研究
通过Arcgis的空间分析, 分别把2004年、2007年、2010年、2013年, 浙江省各地市“四化”协调发展水平的数据加载进去, 可得出每一年的Moran’s I值、P值。在此基础上求得Z值, 如表2所示。
零假设是浙江省各地市“四化”协调发展水平的高低分布是随机的, 不具有相关性。通过表2可看出, P值均小于0.05, Z值均大于1.96。说明“四化”协调发展水平的高低分布, 不是一个随机的过程, 它在95%的置信度上是可以拒绝零假设的。也就是说, 浙江省“四化”协调发展水平的高低分布是具有相关性的。Moran’s I均大于0, 说明整体呈现正相关的关系, 并且随着年份的增长, Moran’s I和Z值都在增加, 而P值在减小。说明空间的相关性在逐年增强, 置信度也在不断增加, 随机性越来越小。
通过局部自相关分析中的Moran散点图, 研究具体区域内的空间异质性, 如图5所示。
为了对图5中的散点进行说明, 通过表格形式, 说明每个地级市所处的位置 (如表3所示) 。
从地区的角度来看, 浙东北地区的杭州、宁波、嘉兴、湖州、舟山都属于自身水平较高的地区。相比之下, 绍兴的水平就偏低。而在浙西南地区, 金华、衢州两个地区, 相比温州、台州、丽水来说还是稍高的。这也就可以解释为什么浙东北地区大部分集中在第一象限, 而浙西南地区大部分位于二、三象限。
总的来说, 10年间, 浙江省各地市“四化”协调发展水平的演变路径, 验证了空间相关性的结论。特别是2004年与2013年的散点图对比, 有明显集中的趋势, 大部分集中在一条横跨一、三象限的斜线附近, 这条斜线就代表空间正相关性较强的区域。
促进浙江省“四化”协调发展的建议
1.大力发展信息化, 提高“四化”协调发展水平
发展信息化, 就是要把信息化融入到其他“三化”的发展过程中。
(1) 信息化与工业化的深度融合, 为工业化提供了技术支持, 提高了生产效率, 促进了产业的结构调整, 使得产业的发展趋于合理化。
(2) 信息化与城镇化协调发展, 就是要加快建设智慧城市, 把信息技术应用到居民生活的方方面面。关键就是完善基础设施, 提高公共服务质量, 同时, 还要加快建设城市大数据库。
(3) 信息化与农业现代化协调发展是农业发展的关键所在。用农业机械逐步替代传统农耕的生产方式, 通过先进的农业管理方法, 实现信息资源共享。发展农业现代化, 除了要与信息化融合以外, 还应完善当前的农村保护制度, 例如, 对农村耕地和人口的保护制度等。同时, 完善农产品市场体系, 也是加快实现农业现代化过程中一个重要的保障。
2.发挥空间相关性优势, 缩小地区间的“四化”发展差异
(1) 加强浙东北、浙西南两大地区间的合作与交流, 加强贸易往来, 形成长期稳固的贸易关系。达到一定程度以后, 可学习“上海自贸区”的形式。例如, 国务院批复的《浙江舟山群岛新区发展规划》中就指出, 在条件成熟时探索建立舟山自由贸易园区, 为“舟山自贸区”的构建埋下伏笔。
(2) 发展城市化路线。例如, 典型的“杭甬温”三地区的城市带建设, 并辐射到周边地区, 把浙东北和浙西南两地区的联系不断加强和扩大。
(3) 加大对相对落后地区的投资, 包括对基础设施、人力资源、创新企业的投资等。
(4) 浙江省块状经济发达, 关键是要加快块状经济向产业集群的高级形态发展, 形成具有一定经济组织形式的空间经济发展模式, 在一片区域内形成产业链。这样, 不仅可减小生产成本, 同时也可增强产业的竞争力, 对市场资源配置起到合理的调控作用。
摘要：首先构建“四化”评价指标体系, 运用熵权法和最小离差协调度模型, 测算了浙江省各地市2004—2013年“四化”子系统发展水平和协调度;然后, 从全省、浙东北、浙西南、地级市四个角度, 对该省“四化”协调发展情况作了时空分析;最后, 根据实证结果并结合浙江省的特点, 提出了推进“四化”协调发展的建议。
关键词：浙江省,“四化”,协调发展,评价指标体系,时空分异,建议
参考文献
[1]蒋永志.工业优先行地区产业升级路径研究[J].中国工业经济, 2005 (5) :74-80.
[2]姜爱林.论工业化与信息化的关系[J].上海经济研究, 2002 (7) :36-41.
[3]徐维祥, 唐根年, 陈秀君.产业集群与工业化、城镇化互动发展模式研究[J].经济地理, 2005 (6) :868-872.
[4]徐大伟, 段姗姗, 刘春燕“.三化”同步发展的内在机制与互动关系研究——基于协同学和机制设计理论[J].农业经济问题, 2012 (2) :8-13.
[5]夏春萍, 刘文清.农业现代化与城镇化、工业化协调发展关系的实证研究——基于VAR模型的计量分析[J].农业技术经济, 2012 (5) :79-85.
[6]张兰婷, 洪功翔.信息化推动工业化城镇化农业现代化发展实证研究[J].安徽工业大学学报 (社会科学版) , 2013 (3) :3-6.
时空协调 篇4
加热炉是轧钢生产线的关键设备之一, 炉内温度场具有很强的时空耦合特性, 任意某点的温度变化都将引起整个温度场的波动, 使其偏离理想的加热曲线, 必须通过动态补偿进行实时调整[1]。文献[2, 3]以理想加热曲线为基础, 采用分段PID调节为主和专家经验为辅的方法对加热炉温度场进行动态补偿。文献[4, 5]提出了一种带有前馈修正的炉温模糊控制器;文献[6]考虑加热炉温度场的分布参数特点, 提出了一种分散推理结构的模糊控制方法。然而这些方法都只是对加热炉炉温进行局部的检测调整, 无法实现温度场的全局稳态控制。
本文基于时空耦合模糊集理论提出了一种基于空间加权的加热炉温度场时空耦合协调模糊控制方案, 其特征在于:在每个炉温控制点设置一个时空耦合模糊控制器, 以加热炉温度场在一维空间的偏差及偏差变化率分布作为控制器的输入, 根据各炉温检测点与炉温控制点的耦合影响程度确定各检测点的空间加权因子, 最后推理输出获得各控制点的炉温补偿量。上述控制方案, 在每个控制点都考虑了整个温度场的偏差及偏差变化率的空间分布信息, 为温度场平稳的恒定到理想加热曲线提供了保证。
1 钢温预测模型及加热炉温度场优化
实际生产过程, 钢坯在加热炉中是一个步进移动式加热过程, 无法在线实时检测钢坯的温度, 只能通过检测炉温, 采用炉内钢坯温度预报模型间接测量控制炉内钢坯加热过程。采用移动坐标系方法可获得炉内钢坯预报模型为[7]:
考虑到生产工艺对钢坯加热质量和节能要求, 可建立炉温稳态优化性能指标函数:
在满足约束条件下, 采用全局寻优法确定最优炉温分布Tf (z) , 使其满足:
2 加热炉温度场时空耦合模糊动态协调补偿控制策略
2.1 时空耦合模糊集
加热炉内部温度场是一个连续的空间时滞系统, 空间某点的温度T (z i) 既受该点之前空间点温度T (z j) (j (27) i) 的影响, 同时也影响该点之后空间点的温度T (z k) (k (29) i) 。为了协调整个温度场的平衡控制, 每个控制点都必须对温度场的全局空间误差分布信息进行考虑, 以便对控制点温度补偿量 (35) T (z j) 进行决策。
由于输入信息是呈空间分布, 故在传统二维模糊集控制策略上增加了空间维, 如图1所示, 构成时空模糊集:
其中:fz (x) 表示时间隶属函数, fx (z) 表示空间隶属函数。
2.2 加热炉温度场时空耦合模糊控制器设计
时空耦合模糊控制器各部分设计如下:
1) 时空模糊化。时空耦合模糊控制器的输入为加热炉温度场的偏差e (zi) 及偏差变化率e (5) (z i) 分布, 输出为控制点加热系统的补偿量 (35) Uj。输入采用三角形隶属度函数, 输出采用单点时间隶属度函数。输入论域E (z) , R (z) 取为:[-3, 3], 对应的输入模糊子集分别为:NB (负大) , NM (负中) , NS (负小) , ZO (零) , PS (正小) , PM (正中) , PB (正大) 。
时空耦合模糊输入表示为:
式中“*”表示t-norm操作。
2) 规则库。基于两输入单输出的时空模糊控制规则为:
式中1C和2C为输入时空模糊集, G为输出时空模糊集。对任意空间位置z, 输出论域为:[-6, 6], 对应的输出模糊子集分别为:NB (负大) , NSB (负稍大) , NM (负中) , NSM (负稍中) , NS (负小) , NSS (负稍小) , ZO (零) , PSS (正稍小) , PS (正小) , PSM (正稍中) , PM (正中) , PSB (正稍大) , PB (正大) 。
根据实际操作经验和专家知识可得到模糊规则, 如表1所示。
式中“”表示合成运算, 采用极大极小值方法。
隶属度函数为:
5) 解模糊化。经空间降维后, 得到传统的模糊集。采用“center-of-set”解模糊化运算, 其输出表达式如下:
式中clU表示所触发规则Rl (l (28) 1, 2, , L) 结论集Gl的中心值, L表示触发规则总数。
2.3 空间加权因子设计
因子计算公式如下:
3 炉温控制模拟
本文以规格为240mm240mm3500mm的钢坯为例, 钢坯初始温度为20℃, 其目标出炉温度按工艺要求为1130℃。用现场测试数据对模型进行仿真实验, 结果如图4所示。炉温控制稳定, 仿真预测值与理想期望值吻合很好, 表明此控制方案合理, 符合工艺要求。
4 结论
本文提出一种基于空间加权的加热炉温度场时空耦合协调模糊控制方法, 通过对加热炉整体温度场的分布及其变化趋势进行空间加权和时空模糊推理, 获得每个控制点的温度补偿量, 实现了钢坯加热过程稳定的动态温度补偿控制。
参考文献
[1]AntonJaklic, FranciVode, TomazKolenko.Onlinesimulation model of the slab-reheating process in a pusher-type furnace[J].AppliedThermalEngineering, 2007, 27 (5/6) :5-6.
[2]WangZJ, WuQD, ChaiTY.Optimal-settingcontrolfor complicatedindustrialprocessanditsapplicationstudy[J].Control Engineering Practice, 2004, 12 (1) :65-74.
[3]王锡淮, 李柠, 李少远, 席裕庚.步进式加热炉建模和炉温优化设定策略[J].上海交通大学学报, 2001, 35 (9) :1306-1309.
[4]张卫军, 陈海耿, 吴雪琦, 王维妍.带有前馈修正的炉温智能模糊控制器的开发[J].钢铁研究学报, 2006, 18 (12) :59-62.
[5]张卫军, 吴雪琦, 陈海耿.基于机理模型的加热炉在线炉温模糊决策[J].东北大学学报 (自然科学版) , 2005, 26 (9) :878-881.
[6]朱丽娜, 王广军, 沈曙光.基于分散推理结构的加热炉钢坯温度分布模糊控制[J].控制与决策, 2009, 24 (9) :1426-1428.
时空协调 篇5
结合福建省粮食生产和畜牧业发展的实际情况以及任继周等人的观点,可以定性判断福建省粮食生产和畜牧业发展处于不协调的系统相悖状态,在福建省粮食缺口不断加大的情况下,耗粮型畜牧业的进一步发展,至少会导致以下两个方面的问题:(1)耗粮型畜牧业生产的过度发展,会产生对粮食的过度需求,进一步加大粮食缺口,加重人-畜争粮的局面,放大福建省粮食安全问题,不利于政府的宏观调控。(2)粮食缺口不断加大及粮食安全问题的放大,必将会加重耕地生产粮食的压力,然而福建省耕地资源极其有限,依靠增加耕地面积来提高粮食产量的可能性很小,因此只有依靠提高单位耕地面积的粮食产量,来增加粮食总产量。其结果必然促使人们大量使用化肥、农药、农膜等各种工业辅助能,因而必将导致农业生产环境的进一步恶化。鉴于此,笔者拟对1991年以来福建省粮食生产和畜牧业发展的协调状况作一定量分析,并从时空两个方面来说明其变化情况,以期为福建省农业的可持续发展提供一定的科学依据。
1 福建省粮食生产与畜牧业发展协调状况的计算方法
根据任继周等人的观点,耗粮型畜牧业发展的基础应为种植业系统中能生产出足够的粮食,不但能满足人们直接粮食消费的需求(口粮需求),也能满足耗粮型畜牧业发展的需求,这样才不至于发生人-畜争粮、粮食缺口不断加大的局面。也就是说,为有效协调粮食生产和畜牧业发展之间的关系,种植业系统所生产的粮食必须先满足人们的直接粮食需求(口粮需求),所剩余的粮食才能用于发展耗粮型畜牧业。因此,我们可以根据种植业系统中剩余粮食数量(粮食总产量扣除粮食的直接消费量),与耗粮型畜牧业生产所需消耗粮食数量之间的匹配情况,来分析粮食生产和畜牧业发展之间的协调状况。鉴于福建省耗粮型畜牧业产量占畜牧业总产量一直都维持在90%以上的水平,因此粮食生产和耗粮型畜牧业之间的协调程度总体上可以说明粮食生产和畜牧业发展的协调状况。鉴于此,笔者构建福建省粮食生产和畜牧业发展之间的协调关系指标,并将该指标定义为粮畜生产协调度(Coordination Degree between Grain Production and Animal Husbandry,CDGPAH),以定量分析福建省粮食生产和畜牧业发展之间的协调关系,CDGPAH的具体计算公式如下:
式中,CDGPAHi为福建省i年或福建省i地区(按福建省9个地级市进行分析)粮畜生产协调度,SGAi为i年或i地区种植业系统中的剩余粮食数量(粮食总产量扣除粮食直接消费量)(Surplus Grain Amounts,,SGA),GACAHi为i年或i地区耗粮型畜牧业猪肉、禽肉、蛋类生产所消耗的粮食数量(Grain Amounts Consumed in Animal Husbandry,GACAH)。SGA和GACAH应为同一计量单位,即统一按“万吨粮食”表示,笔者将该单位称为“粮食当量”。
CDGPAHi理论上的取值范围为(-∞,+∞),但实际上各国或各地区基于自身粮食安全考虑,其粮食总产量一般都能满足直接粮食消费的需求,即SGA基本上都为正;同时鉴于当前各国或各地区耕地资源拥有量以及粮食生产的实际水平,SGA高出GACAH两倍以上水平的情况也相对较少,因而现实中的CDGPAH的取值范围基本上维持在[-1,+1]之间。CDGPAHi<0,说明福建省在i年或福建省的i地区种植业系统中所提供的剩余粮食数量(SGAi)无法满足其耗粮型畜牧业生产的需求,即耗粮型畜牧业生产规模过大,此时要使粮食生产和畜牧业协调发展,就必须压缩耗粮型畜牧业生产规模;而且CDGPAHi越小(CDGPAHi<-1则说明SGAi<0,即粮食生产尚无法满足直接粮食消费的需求),说明i年或i地区粮食生产和畜牧业发展之间的关系越不协调。CDG-PAHi=0,说明福建省在i年或福建省的i地区所提供的剩余粮食数量(SGA),刚好能满足其耗粮型畜牧业生产的需求,粮食生产系统和耗粮型畜牧业系统中的物质和能量均得到充分利用,两系统之间达到了良性耦合状态。CDGPAHi>0,说明福建省在i年或福建省的i地区所提供的剩余粮食数量(SGAi)不但能满足其耗粮型畜牧业生产的需求,而且尚有剩余,耗粮型畜牧业生产的规模偏小,此时要使粮畜生产协调发展,就必须扩大耗粮型畜牧业生产规模或将多余的SGAi输出系统,而且CDGPAHi越大,说明i年或i地区粮食生产和畜牧业发展之间的关系越不协调。
参考城市化与生态环境耦合度的划分标准及其耦合关系的判断模式[5,6],将粮畜生产协调度(CDGPAH)化分为:(1)当-0.20
对于公式(1)中的剩余粮食数量(SGAi),采用如下公式计算:
式中,TGOi为福建省i年或福建省i地区的粮食总产量(Total Grain Output,TGO),TDGCi为福建省i年或福建省i地区的直接粮食消费总量(Total Direct Grain Consumption,TDGC)。
对于粮食的直接消费量TDGCi,采用如下公式计算:
式中,AGCUPi为福建省i年或福建省i地区城镇居民的人均粮食消费量(Average Grain Consumption of Urban Population,AGCUP),TUPi为i年或i地区城镇居民人口总数(Total urban population,TUP),AGCRPi为福建省i年或福建省i地区农村居民人均粮食消费量(Average Grain Consumption of Rural Population,AGCRP),TRPi为i年或i地区农村居民人口总数(Total Rural Population,TRP)。
对于公式(1)中的耗粮型畜牧业猪肉、禽肉、蛋类生产所需消耗的粮食数量GACAHSi,则采用如下公式计算:
式中,TMOij为福建省i年或福建省i地区猪肉、禽肉、蛋类三类肉产品的总产量(Total Meat Output,TMO),Wj为猪肉、禽肉、蛋类三类肉产品的折粮系数(即生产1kg肉产品所需消耗的粮食数量[7])。折粮系数Wj采用中国农业科学院提出的肉料比[8,9]进行折算,其中猪肉为4.3:1、禽肉和蛋类为2.7:1。
2 数据来源及处理
本文所使用的粮食总产量、猪肉、禽肉、蛋类总产量、城镇和农村居民的人均粮食消费量、城镇和农村居民人口总数等各种数据来自于《福建省统计年鉴》(1992-2006)、《福建农村经济年鉴》(2002-2006)、《福建农村调查年鉴》(1997-2006)以及福建省各地市的统计年鉴(2006年)。粮食和耗粮型畜牧业的总产量均指福建省区域内的产量,不包括任何区外来源。需要指出的是,统计局统计的粮食总产量和农村居民的粮食消费量是按原粮形态计算的,而城镇居民粮食消费量则是指成品粮的购买量[10],因此对于粮食总产量和农村居民粮食消费量按照0.85的通用折算系数[11],将原粮转化为成品粮后,才能参与计算。经过折算后,通过公式(2)-(4),便可将SGAi和GACAHi的单位统一为粮食当量(万t粮食),再根据公式(1)计算出福建省粮畜生产协调度。
3 福建省粮畜生产协调度的时空变化分析
3.1 福建省粮畜生产协调度的时序变化分析
根据以上计算方法,分别计算出1991-2005年福建省的TDGCi、SGAi和GACAHi,然后根据公式(1)计算出其粮畜生产协调度(CDGPAHi),并将其编制成图1所示。
从图1可以看出,福建省粮食生产和畜牧业发展关系存在以下两个特点:
(1)福建省粮畜生产协调度(CDGPAHi)总体上由1991年的-0.66下降到2005年的-0.96,下降幅度绝对值为45.45%,年均下降3.03%。造成粮畜生产协调度下降的主要原因是福建省耕地面积逐年减少,导致粮食总产量不断下降,因而种植业系统所能提供的剩余粮食数量(SGA)也不断减少;而与此同时,耗粮型畜牧业生产规模却急剧加大。表现在福建省耕地面积由1991年的123.45万hm2下降到2005年的112.90万hm2,粮食总产量也相应由1991年的756.20万t下降到2005年的607.90万t。在此期间虽然随着人们生活水平的提高,直接粮食消费量也由1991年的632.95万t下降到2005年的570.85万t,但粮食直接消费量下降幅度远低于粮食总产量的下降幅度,因而种植业系统所能提供的剩余粮食数量(SGA)也相应由1991年的123.25万t下降到2005年的37.05万t。而与此同时耗粮畜牧业的生产规模却由1991年的361.59万t粮食当量上升到2005年的871.79万t粮食当量。CDGPAH不断下降表明,福建省粮食生产和畜牧业发展之间的关系越来越不协调,粮食生产和畜牧业相悖发展的趋势越来越严重。
(2)粮畜生产协调度(CDGPAHi)的下降可以分为两个阶段:(1)1991-1999年,其值由-0.66呈波动起伏状态下降到-0.81,下降幅度绝对值为22.73%,年均下降2.53%。CDG-PAHi在此时段呈波动式下降的主要原因是由于粮食总产量的波动,以及在此期间耗粮型畜牧业发展速度相对较缓所引起的。该阶段福建省粮食生产和畜牧业发展整体上处于粮食生产与畜牧业发展的冲突模式,即表明在该段时间内福建省种植业系统所能提供的剩余粮食数量(SGA)远远无法满足耗粮型畜牧业生产的需求,耗粮型畜牧业生产规模已明显过大。(2)1999-2005年,CDGPAH由-0.81一直下降到-0.96,下降幅度绝对值为18.52%,年均下降2.66%,尤其是进入2000年以后,农牧系统耦合协调度一直都维持在[-0.91,-0.97]之间。在此期间CDGPAHi不断下降的主要原因是粮食总产量快速下降,导致剩余粮食数量(SGA)下降,以及在此期间耗粮型畜牧业发展较快的综合作用所致。表现在剩余粮食数量(SGA)由1999年的124.46万t下降到2005年的37.05万t,而耗粮型畜牧业则由644.26万t粮食当量上升到871.79万t粮食当量。该阶段粮食生产和畜牧业发展一直处于相悖的发展模式,即表明在该段时间内福建省耗粮型畜牧业生产得以维持,其所需粮食几乎完全依赖于外界粮食的进口。
综上所述,福建省是典型的贫粮省份,其粮食生产只能满足粮食直接消费而略有剩余(表现在其剩余粮食数量已由1991年的123.25万t下降到2005年的37.05万t),因而根本不适宜大规模发展耗粮型畜牧业。但事实上福建省耗粮型畜牧业的发展不但大大超过其种植业系统所提供的剩余粮食数量(SGA),而且其生产量的增长量和增长速率也远超过了其消费量的增长量和增长速率。表1显示了1991-2005年福建省耗粮型畜牧业猪肉、禽肉、蛋类三种食品的生产和消费情况的增长量和增长速度。
从表中可以看出,1991-2005年福建省猪、禽肉和蛋类的年均生产量明显大于其年均消费量,分别为年均消费量的1.97倍、1.28倍和2.18倍;而生产量的年均增长率也明显大于消费量的年均增长率,分别为消费量年均增长速度的1.66倍、1.30倍和1.91倍。因此无论从哪方面讲,福建省耗粮型畜牧业都存在过度发展的事实。可见耗粮型畜牧业的过度发展,严重的割裂了植物生产层和动物生产层的自然耦合机制,是导致福建省粮畜生产协调度(CDGPAHi)不断下降,使粮食生产和畜牧业相悖发展趋势日益严重的根本原因。
3.2 福建省粮畜生产协调度的空间变化分析
根据公式(2)-(4),分别计算出2005年福建省9个地市(福州、厦门、莆田、三明、泉州、漳州、南平、龙岩、宁德)的剩余粮食数量(SGA)和耗粮型畜牧业生产所消耗粮食数量(GACAH)(表2)。
从表2中可以看出,剩余粮食数量(SGA)以南平市最多,达74.10万t;其次分别为三明、龙岩、漳州、宁德、福州、泉州、莆田。而厦门市的剩余粮食数量(SGA)为-10.99万t,这表明厦门的粮食生产尚不足以满足其直接粮食消费的需求,其直接粮食消费缺口为10.99万t。耗粮型畜牧业生产规模(折算成粮食当量)则以龙岩最大,为178.09万t粮食当量,其次分别为福州、泉州、漳州、南平、三明、莆田、宁德和厦门。若将福建省分成闽东南(福州、厦门、莆田、泉州、漳州)和闽西北(三明、南平、龙岩和宁德)两个地区,则可以看出剩余粮食数量(SGA)主要集中在闽西北地区,其总量为213.02万t,闽东南地区只有32.69万t。而耗粮型畜牧业生产(GACAH)则主要集中在闽东南地区,其生产总量为485.70万t粮食当量,闽西北为386.28万t粮食当量。根据SGA和GACAH的数据,利用公式(1)分别计算出福建省9地市的粮畜生产协调度(表2)。
从表2可以看出,粮畜生产协调度(CDGPAH)以三明市最高为-0.01,已近似达到0的最佳水平,表明其粮食生产与耗粮型畜牧业发展的规模最相匹配,耗粮型畜牧业发展所需粮食可以完全由种植业系统所提供,因而其生产效益最高(仅就两粮食生产和畜牧业发展的耦合协调关系而言,不考虑畜牧业生产技术、区位等其他因素)。而厦门市粮畜生产协调度最低为-1.33,表明其粮食生产与畜牧业发展处于极为严重的相悖状态,耗粮型畜牧业生产所需粮食全部依赖于外界进口,其生产成本要明显高于其他地区,因而其生产效益也最低。各地市粮食生产和畜牧业发展的协调关系由好到差(CDGPAH)的顺序依次为:三明>南平>宁德>龙岩>漳州>福州>莆田>泉州>厦门。
由表2还可以看出,闽东南地区的粮畜生产协调度均处于CDGPAH<-0.80的范围,根据对粮食生产和畜牧业发展协调度的划分可知,闽东南地区均属于粮食生产和畜牧业发展的相悖模式,因而可以将闽东南地区定义为粮畜生产相悖区。宁德和龙岩则两市的粮畜生产协调度则处于-0.80
粮畜生产协调度(CDGPAH)的空间分析表明,经济最为发达的闽东南地区是福建省粮食生产和畜牧业发展严重相悖的地区,其原因是由于近年来闽东南地区经济和城市化的快速发展,耕地大量面积减少,粮食总产量也不断下降;同时由于其经济和城市化的快速发展,人口不断向其聚集,加上其本身人口不断增加,因而粮食直接消费总量也不断增加,两者综合结果使闽东南地区剩余粮食数量(SGA)不断减少(甚至出现负值,如厦门市);而另一方面闽东南的耗粮型畜牧业却在不断发展,并占据了福建省耗粮型畜牧业的绝大部分,因而总体上导致了闽东南地区粮畜生产协调度(CDG-PAH)下降,粮食生产和畜牧业发展处于系统相悖的发展模式。根据闽西北SGA=213.02万吨和GACAH=386.28万吨,可以计算出闽西北地区整体的粮畜生产协调度CDGPAH闽西北=-0.49,属于基本协调的发展模式:但其区域内部存在着巨大差异,龙岩和宁德两地市耗粮型畜牧业仍存在过度发展的趋势,因此该两地区仍需要压缩一部分耗粮型畜牧业。
4 结论及建议
4.1 结论
(1)1991-2005年来,福建省粮畜生产协调度(CDGPAH)由-0.66下降到-0.96,表明其粮食生产和畜牧业发展的关系越来越不协调。同时,粮畜生产协调度(CDGPAH)下降可以分为两个阶段:第一阶段为1991-1999年,CDGPAH值由-0.66下降到-0.81,粮食生产和畜牧业发展总体上处于冲突的发展模式;第二阶段为1999-2005年,CDGPAH值由-0.81下降到-0.96,粮食生产和畜牧业发展总体上处于相悖的发展模式。
(2)福建省粮畜生产协调度(CDGPAH)的空间变化分析表明,三明市粮食生产和畜牧业发展之间的关系最为协调,而厦门市最不协调;各地市粮食生产和畜牧业发展之间的协调关系由好到差依次为三明>南平>宁德>龙岩>漳州>福州>莆田>泉州>厦门。进一步分析表明,可将福建省划分为闽东南(福州、漳州、泉州、厦门、莆田)的粮畜生产相悖区和闽西北(三明、南平、宁德、龙岩)的粮畜生产基本协调区;而闽西北内部又存在差异,其中宁德和龙岩两市属于粮畜生产冲突区,南平市属于粮畜生产基本协调区,而三明市则属于粮畜生产的耦合协调区。
4.2 协调福建省粮食生产和畜牧业发展的对策建议
(1)加强耕地保护力度,提高复种指数和粮食产量。粮畜生产协调度下降的重要原因之一就是近年来福建省粮食总产量快速下降,而粮食总产量下降的根本原因则是耕地面积的不断减少。相关研究表明,人均耕地面积和人均粮食占有量在18个影响福建省农业可持续发展的障碍因素中,分别居第1位和第3位[12]。因此,福建省应采取切实有效的行政、法律和经济手段,严格控制各种土地开发项目,切实保护极其有限的耕地资源,并大力实行土地整理,缓解人多地少的矛盾。福建省拥有“四季常青”的气候条件,是全国土地生产潜力最高的区域之一,但现有耕地粮食平均产量只有生产潜力的55.21%,复种指数只有150%-200%,耕地冬种面积不及25%[13]。因此应充分挖掘耕地生产潜力,大力提高耕地的复种指数,以缓解粮食产量逐年下降的趋势。同时因提高农业基础建设投资在总建设投资的比例,加强农业基础设施建设,提高农业的抗灾能力。
时空协调 篇6
为探索新型城镇化与耕地集约利用协调发展时空演变规律,本文从新型城镇化与耕地集约利用两个层面选取21个指标构建协调发展评价指标体系,采用熵权TOPSIS模型分别测算新型城镇化与耕地集约利用指数,对两种指数进行回归分析以甄别两者相关性,运用协调发展模型测算两者协调发展度以分析时空差异;继而采用重心模型,借助GIS平台,模拟协调发展度重心转移轨迹。并以广东省为实证区域,以期为广东省以及同类地区协调推进新型城镇化发展与耕地集约利用,保障粮食安全与经济社会可持续发展提供科学依据。
1 理论基础
1.1 新型城镇化
新型城镇化强调民生、质量和可持续发展[7],坚持以人为本,加快户籍城镇化进程,以城乡统筹、产城互动、节约集约、生态宜居为基本特征。其核心在于不牺牲“三农”利益、粮食安全和生态环境,力促工业反哺农业、城市支持农村,实现城乡一体化和公共服务均等化,以及人口、资源、环境与发展的可持续发展。《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》将城镇化水平、基本公共服务、基础设施、资源环境作为新型城镇化的主要考核指标,是对新型城镇化内涵的精准把脉,也为评价新型城镇化水平提供了基本依据。
1.2 耕地集约利用
耕地集约利用是指在单位面积土地上,投入较多生产资料和劳动,使用先进技术和管理方法,以获得高额产出的经营方式。单位土地面积上投入的劳动、资本、技术等越密集,集约程度越高,反之越低[8]。投入强度与利用效率是耕地集约利用最直接的内涵属性,要综合考虑资源投入强度、利用程度、利用效益的长期效果,耕地集约利用不是静态的终极目标,而是动态过程。因此,耕地集约利用评价可从耕地投入强度、利用程度、利用效益等方面展开。
1.3 协调发展
“协调”指事物间和谐一致、配合得当的关系;“发展”指事物运动变化的过程[9]。如果一个事物的发展以另一个事物衰退为代价,导致两者的发展状态不匹配,则为不协调;如果两个事物发展状态匹配,且共生共荣、良性循环,则为既协调又发展。协调发展的本质是多系统、多要素发展的综合协调增长,强调相互促进、整体发展与系统优化,但并非“平等发展”。因此,协调发展是一种强调整体性、综合性、内生性的发展聚合[10]。
1.4 新型城镇化与耕地集约利用
快速城镇化要求耕地集约利用以满足粮食安全等需求,但由于城乡二元体制下进城农民仍依附于农地权利关系,城镇反哺农村不足引发的农业人才、技术和资本短缺,农村劳动力析出并未带来相应的耕地流转和规模化经营。耕地非集约利用引发的粮食安全隐患和农村民生凋敝,倒逼城镇化自我革新,驱动新型城镇化诞生。新型城镇化通过消除城乡二元体制壁垒,实现进城农民与农地脱钩,为耕地流转和规模化经营创造有利环境,且经济转型发展和技术进步,为耕地的资本投入和技术改良等提供长效支撑;耕地集约利用不仅提高粮食生产水平,为新型城镇化健康稳定发展提供保障,而且生产效率提高也将进一步释放人口红利,加速城乡一体化进程,促进新型城镇化发展。因此,新型城镇化和耕地集约利用本质上是相互促进、良性互动的内生过程,但这种关系并非一蹴而就,必然经历反馈调整、逐步协调的发展过程。
2 研究模型与方法
2.1 指标体系构建
新型城镇化与耕地集约利用是社会经济发展复杂系统中既相对独立又相互影响的两个子系统,本文旨在测度系统层面的协调发展关系,不对各指标间的作用关系和机理进行分析,因此采用相对独立的两部分指标体系分别评价两个子系统的发展水平,进而采用协调度模型分析二者间的协调发展程度。为保障研究结论的真实客观性,应根据相关国家、行业标准或者已有成熟的研究成果,合理选取评价指标并构建评价框架,为此本文根据《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》以及耕地集约利用评价的重要成果[11,12],依照系统性、典型性、独立性和易操作性等指标选取原则,建立新型城镇化与耕地集约利用协调发展评价指标体系(表1)。其中,新型城镇化大多采用规划建议指标,部分指标因国内尚未列入统计项目等原因而以近似指标替代;耕地投入强度理论上为适度性指标,但在具体操作中可根据研究区实际进行正、负向调整。
2.2 评价模型构建
1)熵权TOPSIS模型。即“逼近理想解排序方法”,通过在目标空间中定义一个测度,以此测量目标靠近正理想解和远离负理想解的程度,据此评估目标对象的发展水平。具体步骤[13]:
①采用极值法无量纲化指标数据,得到标准化决策矩阵rij,采用熵权法确定指标权重矩阵wi,相乘得到加权决策矩阵V=(vij)m×n=(rij×wi)m×n。
②确定最偏好的方案(正理想解)矩阵V+和最不偏好方案(负理想解)矩阵V-,分别计算评价对象的评价向量(加权决策矩阵V的列向量)到正、负理想解的距离d+、d-。
③计算评价对象与最优方案的贴近度N,N取值0-1之间,值越大则发展水平越优。
式中:m、n依次为评价指标、评价对象(本文指参评城市)数量,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n;vi+、vi-表示第i项评价指标的正、负理想解。
2)回归分析模型。确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法,可借助Excel、SPSS等软件建模分析。
3)协调发展模型。该模型涉及综合发展指数T、协调度C及协调发展度D三种模型,分别反映系统整体发展水平、子系统间的协调关系、系统的整体协调发展水平。具体公式[9,14]:
其中F(x)=∑wirij,G(y)=∑w'ir'ij
式中:F(x)、G(y)分别指子系统x、y的发展指数,wi、w'i表示子系统x、y内各指标权重;rij、r'ij为无量纲化后的指标值;α、β为系统综合评价中各子系统的权重值,依据各子系统的重要性进行赋权;k为调节系数,描述F(x)×G(y)最大时系统组合协调数量等级,一般取值2≤k≤5。
4)重心转移模型。协调发展重心表征协调发展度在空间上的集中性特征,通过研究区域协调发展重心的变化,可得到研究时期内协调发展空间格局的变化规律。具体公式[15]:
式中:X、Y表示整个区域协调发展度重心的经纬度坐标,xk、yk、Dk表示第k个子区域的几何中心经纬度坐标和协调发展度。
2.3 协调发展等级与类型划分
协调发展评判标准的划分,既要考虑使新型城镇化和耕地集约利用发展差距尽可能小,也要考虑我国所处的社会经济发展阶段,标准过高则脱离实际不利经济增长,标准过低则不利于可持续发展,现阶段协调发展水平不宜低于0.6。综合借鉴协调发展等级划分标准[9,15]以及协调发展类型标准[16]的相关研究,根据均匀分布函数法,构建本文协调发展分级分类标准(表2)。新型城镇化与耕地集约利用之间包含协调而不发展(低水平同步)、发展而不协调(非同步型)、协调且发展(高水平同步)三种发展态势,分别为“零增长”、“非均衡增长”和“协调增长”模式,只有第三种模式才可持续。
注:①[m,n)、[m,n]指数学意义的半开区间和闭区间,分别为m≦D<n,m≦D≦n;θ取大于1.2的任意有理数。②表2中协调发展等级与类型的划分标准相互独立,协调等级与类型并非对应关系,仅便于列表。
3 实证研究
3.1 研究区概况与数据来源
3.1.1 区域概况
广东省地处中国大陆最南部,地理区位优越。下辖珠三角、粤东、粤西、粤北四大区域共21个地级市,陆地总面积1 798万km2。2013年末,珠三角地区生产总值和人均GDP位居全省第一,粤西次之,粤北最末,其中粤西地区上述两指标仅占珠三角的9.9%、17.8%;GDP增长速度方面粤西排第一,粤东次之,粤北最末,粤西、粤北相差3.7个百分点。城镇化建设加快,但市民化进程总体滞后,全省常住人口和户籍人口城镇化率分别为68%、44%,其中珠三角、粤东、粤北、粤西地区的常住人口城镇化率和户籍人口城镇化率分别为80%、41%,59%、61%,46%、38%,42%、44%。耕地集约利用方面,2013年末全省耕地面积2.6万km2,农作物播种面积468万hm2,有效灌溉面积177万hm2,农业机械总动力投入2 498万k W,劳动力投入1 366万人,其中珠三角地区机械投入水平相对较高,其余地区较依赖于劳动力投入;全省粮食总产量1 316万t,总产值达2 496亿元,粤东地区耕地产出效率最高,珠三角最低,地区差异较为明显。
3.1.2 数据来源与处理
2012年新型城镇化首次作为国家战略被提出,而新型城镇化实践探索相较其理论出现得早[17,18],广东省相关实践最早可追溯至2004年左右[17,19]。以新型城镇化的理论视角审视以往相关实践,初探新型城镇化与耕地集约利用协调发展特征规律,具有重要意义。另外由于开展本文研究时2014年以后的相关统计数据尚未发布,因此综合确定研究期限为2004-2013年。新型城镇化指标数据主要来源于《中国城市统计年鉴》(2005-2014),其中年末常住人口、城镇化率、非农人口、单位GDP能耗四项指标来源于《广东省统计年鉴》(2005-2014);耕地数据从《广东省农村统计年鉴》(2005-2014)获取。对于少部分城市个别年份缺少的统计数据,为尽量保持统计口径一致,采用趋势预测法加以补充。
数据处理:首先,由于某些年份数据量纲不一致,需要统一指标量纲,确保数据的可比性和准确性;其次,运用SPSS,以新型城镇化、耕地集约利用指数为自变量、因变量,取置信度为95%,进行回归分析,交换自、因变量,揭示两者的相关性;第三,考虑到现阶段广东省大部分地区的耕地生产要素投入仍然偏低(珠三角地区经济引力强,农村留守劳动力较匮乏,广东省70%多的地区属丘陵山地,耕地较破碎,机械化生产规模较小,以家庭为单位的粗放经营较普遍,导致劳动力、机械和化肥等投入不足),因此将单位耕地面积化肥、机械和劳动力投入三项指标作正向处理,基于指标体系运用熵权TOPSIS模型分别测算新型城镇化指数F(x)、耕地集约利用指数G(y),即对应的贴紧度N;第四,利用F(x)、G(y)求取T指数、协调度C、协调发展度D以及F(x)⁄G(y)指数,据此确定不同年份各市协调发展等级和类型,测算时考虑到新型城镇化与耕地集约利用对社会经济发展同等重要,取α=β=0.5,结合研究区实际情况,取k=2;最后,运用重心模型测算研究区协调发展度重心转移轨迹和发展趋势。
3.2 结果与分析
3.2.1 相关性分析
广东省2004-2013年间新型城镇化(x)与耕地集约利用(y)回归分析结果如表3。无论以新型城镇化或耕地集约利用指数为自变量,相关系数均为0.667 1,显著性水平都远小于0.05,显然两者中度相关,且相关性可靠,表明两者具有较强的正相关性。究其原因,一方面,研究区新型城镇化建设使户籍制度、城镇基本公共服务等不断改善,吸引农村剩余劳动力进城落户,耕地向种田能手集中;城市空间集约利用减少侵占耕地,促进耕地规模化集约化经营;新技术新工艺以及环境友好型产业兴起,降低工业“三废”等有害排放,为耕地灌溉、培肥等提供便利;人口素质和技能提高允许农民运用先进设备进行耕作,提高农业科技水平,促进耕地集约利用。另一方面,耕地集约化利用提高耕地产能,释放大量劳动力,减少占用其他生态用地,能够满足城镇发展对劳动力、粮食、生产性原材料等需求;农业生产集聚要求更多的资本、机械投入以及生产服务配套,从而刺激新型服务业诞生,促进新型城镇功能体系完善。因此,新型城镇化与耕地集约利用存在互促共进的本质关系。
中度相关性从另一角度表明两者并非互为充分条件,还涉及多种复杂的影响因素,例如劳动力转移利于耕地规模化集约化经营,但不成熟的耕地流转市场则削弱甚至抵消有利因素。不同时期、地区的新型城镇化水平、土地市场发育程度、耕作水平等各异,利弊要素共存,因此开展协调发展研究,甄别和消除阻碍因子、强化互促作用尤为重要。
3.2.2 协调发展时空差异分析
广东省整体协调发展水平较低,属于轻度失调衰退同步型;10 a间各市协调发展度D值均有一定程度波动;空间分异明显,珠三角地区(均值0.559 9)明显高于其他地区(均值0.358 4)。
1)时序上协调发展度以升为主。10 a间,全省D值从0.428 7升至0.473 3,整体趋优,除深圳和珠海D值下降外,各市均有不同程度的上升(表4)。从变化特征看,全省D值变化可分为两类:
①总体下降:包括深圳和珠海。新型城镇化指数F(x)有所提升,而耕地集约利用度G(x)降幅较大,D值分别由良好、初级降为勉强协调发展。深圳社会经济生态建设较好,F(x)值远超各市;但由于耕地少,农业依存度低,耕地投入产出等不断下降,化肥投入、复种指数和劳均产值降幅均超过50%,粮食单产跌幅逾96%,导致G(x)水平低下。珠海市发展较为均衡,但近两年G(x)值下降,原因在于其耕地投入、利用程度、粮食单产等降低,有效灌溉面积降幅接近60%。“十二五”期间,珠海加大产业结构调整力度,2013年末农业比重比2010年降低3.7%。因此,耕地资源不足、对农业重视不够是两市协调发展水平下降的主要原因。
②总体上升:其余19市。经过“十五”至“十二五”的发展,该地区基础设施改善,基本公共服务能力增强,农业机械化水平提高,耕地劳均产值涨幅均值达153%;但面临环境约束趋紧、耕地投入不足、粮食单产下降等问题。“广佛莞中”F(x)与G(x)趋优且较为均衡,由勉强升至初级协调发展。发达的经济使城镇公共服务、机械化耕作等优化,“腾笼换鸟”战略使东莞和广州的生态环境好转,而作为产业承接地的中山、佛山近年来环保压力增大;城乡户籍制度配套不足导致户籍城镇化率不高,此外东莞、佛山还面临粮食单产低难题。以惠州、江门、肇庆为代表的珠三角外围地带D值上升,基本达到勉强协调发展。由于临海和近粤北山区,加之注重节能环保,生态环境较好,优良的土壤和灌溉条件使播种面积和粮食单产维持较高水平;但公共服务、户籍城镇化和耕地投入水平有待提高。潮州、韶关、茂名等粤东、粤西、粤北部分地区由中度失调衰退上升为轻度失调衰退。除资源环境较优外,其他新型城镇化指标值均较低;劳动力、农药化肥投入大,机械化水平低,产出效率并不高,但未来提升空间大。“十二五”期间,粤东、粤西、粤北三个片区经济社会发展规划的实施使各市城乡特色产业培育、城市建设取得明显成效,但与珠三角的差距仍较大,协调发展水平较低。其余6市D值略有上升,但发展水平变化不大,耕地集约利用好于新型城镇化。优越的资源禀赋和临海区位为发展特色农业奠定基础,而新型城镇化建设滞后。总的来说,户籍城镇化和农业机械化水平提升缓慢是该类地区的主要问题。
2)空间上协调发展度分异明显。基于均值,按照协调发展标准,运用Arcgis10.0,结果如图1、2所示。大部分城市处于失调衰退阶段,并以同步型和新型城镇化滞后型为主。初级协调发展分布在珠江口东西沿岸,勉强协调发展位于珠三角中部地区,轻度失调衰退分布于珠三角东北、西南区以及粤东东部,中度失调衰退则覆盖粤东、粤西、粤北地区以及珠三角西北部的肇庆市。同步型主要分布在珠三角及粤北、粤西部分地区,涵盖全省38%的城市;新型城镇化滞后型分布最广,涵盖粤东、粤西、粤北绝大部分地区及珠三角2市,几近全省一半城市;耕地集约利用滞后型则位于深圳、江门和清远3市。
按协调发展等级及类型进行综合分析:①“深莞珠中”D值较高,为初级协调发展。作为珠江口沿岸城市,经济较为发达,城市基础设施和公共服务体系较完善,环境较优耕地肥沃。其中“莞珠中”耕地投入与利用较合理,新型城镇化与耕地集约利用良性互动,同步发展。受耕地少、零农业户口限制,深圳市劳动力、机械投入和粮食单产非常低,耕地集约利用明显滞后。综合来看,户籍城镇化率低是阻碍该地区向中级协调发展提升的重要原因,“深莞中”户籍城镇化率仅25%左右。
②广州、佛山属勉强协调发展。经济较发达,社会保障能力较强,2009年以来城市更新改造使人居环境、基础设施不断改善;机械投入水平、复种指数和劳均产值均较高,但户籍城镇化水平仍较低。广州城建较为成熟,耕地集约利用效益较好,灌溉条件恶化,F(x)与G(x)勉强协调,但发展较为同步;作为工业城市,佛山资源环境约束较紧,而耕地集约利用程度较好,新型城镇化滞后,未来应抓住“广佛肇”一体化契机,提高新型城镇化质量,促进协调发展。
③惠州、江门、汕头为轻度失调衰退。作为港口城市,经济发展较快,生态环境本底较好,但基础设施建设不足,户籍城镇化和公共服务有待加强。惠州以工业立市,指标显示工业能耗及排污较高,生态压力加大,耕地投入及利用程度不高,但新型城镇化与耕地集约利用基本同步发展;江门市耕地集约利用呈“低投入低产出”特征,农田水利设施不足,耕地集约利用滞后于新型城镇化;汕头市户籍城镇化率最高,但F(x)较低;尽管耕地投入强度和利用程度趋优,由于机械化程度不够,耕地利用效率偏低,说明耕作方式过于传统,总体上新型城镇化滞后于耕地集约利用。
④肇庆、潮州、阳江、清远等12市属中度失调衰退。作为产业承接地,经济较落后,农业比重大,城镇建设缓慢,工业生产能耗高污染大,所有指标值均较低。韶关、河源和阳江市新型城镇化与耕地集约利用处于低水平同步发展阶段;肇庆、潮州、云浮等8市耕地集约利用稍好于新型城镇化发展,但近年来肇庆协调发展度提升较快,2013年基本达到勉强协调发展;清远市恰恰相反,耕地集约利用滞后于新型城镇化发展,未来发展任务艰巨。
如图3,10 a间广东省协调发展重心基本位于“深莞惠”、“广佛肇”与“珠中江”三大经济圈交汇处,且靠近前两者,并朝东南偏离广东省几何中心,印证协调发展水平受经济影响。总体上D值重心呈向西北移动的趋势,表明未来一段时期“广佛”地区将发挥协调发展的示范引领作用。究其原因,近年来广佛同城建设、城市更新改造以及户籍制度改革,使广州和佛山城市内部环境、基础设施条件以及基本公共服务趋优,产业升级使GDP能耗、工业排污等下降,推动市民化进程,协调发展水平加速提升,引起重心移动。未来三大经济圈同圈各市将加快融合,促进区域一体化,协调发展度重心将在三大经济圈的博弈下选择转移路径。
3.3 对策建议
综上所述,“深莞珠中”及广佛6市主要面临户籍城镇化不足问题,深圳耕地集约度偏低;“惠江肇”及汕头市城镇化建设较快,但与前述6市差距较大,城乡互动不足,耕地投入和农技水平等不高,经济驱动力有待强化;其余各市经济质量较差、农业比重大,工业污染大,协调发展处于较低水平,面临全面挑战。促进广东省新型城镇化与耕地集约利用协调发展,应结合各地区特色及所处协调阶段,采取差异化创新驱动发展策略,加强思路、制度、模式和技术创新,针对性解决问题。
1)珠江口沿岸及珠三角中部6市应采取重点突破战略,着力改革户籍制度,完善相关配套,如建立居住证制度,取消农业和非农户口区分,促进城镇基本公共服务均等化,使农民工真正融入城市,为耕地集约利用“腾地”;此外加大农业科技投入,提高耕地产能。
2)“惠江肇”及汕头4市应采取强化发展战略,落实区域一体化战略,以核心城市为辐射中心,加快城市群一体化建设,优化城镇功能布局,促进产业升级,实现经济高效联动阶梯式增长,形成“局部差异、整体优化”的协调发展格局。同时加强反哺农业,以工促农、以城带乡,促进城乡统筹。
3)其余11市应采取全面、均衡发展战略,立足本土特色,着眼长远发展,以“创新、绿色、协调”视角承接产业转移,并建立健全农地流转市场、创新经营模式,促进适度规模经营,协调推进城乡一体化建设,走“经济与生态齐抓、一二三产业协同”的可持续发展新路,逐步释放后发优势。
4 结论
新型城镇化与耕地集约利用协调发展是统筹“发展”与“吃饭”问题的关键,有利于保护耕地、保障粮食安全和实现城乡可持续发展。本研究表明:1)新型城镇化与耕地集约利用呈中度正相关(相关系数0.667 1),揭示两者互促共进的本质。前者为后者创造人口、空间和技术环境,反之提供劳动力、粮食、原材料等保障,但受发展阶段和地区差异等影响,两者间仍存在矛盾。2)户籍城镇化率是影响协调发展等级优化的重要因素。协调发展等级随户籍城镇化率同向变化,如低户籍城镇化率(约25%)阻碍“深莞中”向中级协调发展提升,而户籍城镇化率高的佛山等市则持续优化。3)协调发展等级与经济水平关系密切,而协调发展类型对经济实力依赖较小。地区经济越发达,其基础设施建设、防污治污、农业科技等投入能力越强,协调发展等级往往越高,可见促进经济高效增长是提升协调发展水平的重要驱动;协调发展类型与经济实力无明显关系,主要受产业结构、城建投入力度、农业机械化水平以及耕地资源禀赋影响。4)协调发展度的空间重心处于动态变化过程。研究区协调重心的转移轨迹表明,协调发展重心的移动方向趋于创新驱动发展、产业升级加快、城乡一体化进程加速的地理空间。5)促进协调发展应结合地区特色及所处协调阶段,采取差异化创新驱动发展策略。注重从加大农业机械投入、深化户籍制度改革、加速区域一体化发展等方面发力,提高农业科技水平,打破“入市”制度壁垒,促进经济高效联动增长,实现城乡统筹。
摘要：本文通过构建新型城镇化与耕地集约利用协调发展评价指标体系,运用熵权TOPSIS、协调发展、重心迁移等模型,以广东省为实证,揭示两者间协调发展时空演变规律。结果表明:新型城镇化与耕地集约利用呈较强正相关,本质上属互促共进关系,但受发展阶段和地区差异影响,两者间仍存在矛盾;户籍城镇化率是协调发展等级优化的重要影响因素,后者随前者同向变化;经济发展较好的地区协调发展等级较高,协调发展类型对经济实力依赖较小,主要受产业结构、耕地资源禀赋等影响;协调发展度重心大体向创新驱动、产业升级、城乡统筹发展的地理空间转移;促进协调发展应结合地区特色及所处协调阶段,采取差异化创新驱动发展策略,注重加大农业机械投入、深化户籍制度改革和加速区域一体化发展。