中国经济的系统动力学仿真预测方法研究

经济学硕士学位论文

中国经济的系统动力学仿真预测方法研究

周亚平

燕山大学

2010年12月

国内图书分类号：F201

国际图书分类号：338

经济学硕士学位论文

中国经济的系统动力学仿真预测方法研究

硕士研究生：周亚平

导师：刘新建教授

申请学位级别：经济学硕士

学科、专业：区域经济学

所在单位：经济管理学院

授予学位单位：燕山大学

Classified Index: F201

U.D.C: 338

Dissertation for the Masters Degree in Economics

STUDY ON SD SIMULATION PREDICTION METHOD OF CHINA'S

ECONOMIC

Candidate: Zhou Yaping

Supervisor: Prof. Liuxinjian

Academic Degree Applied for:Master of Economics Speciality: Regional Economics University: Yanshan University

燕山大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《中国经济的系统动力学仿真预测方法研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签字：日期：年月日

燕山大学硕士学位论文使用授权书

《中国经济的系统动力学仿真预测方法研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

摘 要

I 摘 要

对一个国家的经济发展进行仿真预测是现代经济学发展的传统领域，也是长久被关注和探索的科学研究领域。研究目的不同，采取的模式就会不同。本文的研究目的是试图建立一个国民经济动力学模型系统，用以定量研究国民经济在10年左右的发展变化趋势，从趋势变化中发现可能存在的矛盾问题。

本文首先围绕GDP 这一主要经济指标对影响我国经济系统的经济指标集进行结构分析。为了理清经济系统中各种因素的相互关系，我们运用解释结构模型，得到了我国经济系统统计指标集的多级递阶结构模型。

其次，以所建立的我国经济系统递阶结构模型为基础，针对本文的研究目的，对前述统计指标集进行增删，绘制了我国经济的系统动力学因果关系图，并根据因果关系图绘制了流程图，建立了我国经济的动力学模型系统，并以2000年为基年对我国2000年到2008年的主要经济指标进行了仿真。仿真的误差基本都控制在5%之内。

然后，运用建立的系统动力学模型对我国2009到2020年的经济发展情况进行趋势仿真预测和结果分析。我国经济在未来发展过程中存在的问题主要有：三次产业的就业情况有待于进一步调整，第三产业劳动生产率及其内部结构有待于优化；我国对教育发展的投入程度不够，财政性教育经费支出在GDP 中所占的比例需要很大的努力来提高；我国城乡居民的收入差距按趋势将会进一步增大。

最后，根据分析结论给出了关于我国经济发展的对策建议。

关键词 中国经济发展；动力学模型；解释结构模型；系统动力学；仿真

预测；对策建议

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II Abstract

Simulating prediction the economic development of a country is the traditional area of development of the modern economics, and the scientific field which long to be concerned and explore. Different research purposes need different modes. This paper aimed to attempts to establish a national economic dynamics model of quantitative research system, which study the trend of the national economy development in 10 years or so, and found the possible conflict problems of the trend changes.

Firstly, this paper analyzed the economic index set of national economic system around the main economic index, GDP. In order to make certain the interrelationship of various factors in economic system, with ISM we obtained the multilevel hierarchic structure model of national economy system statistical index collection.

Secondly, base on the China's economic system interpretative structural model established above, this paper, according to the research purposes, added or deleted the index sets, and painted SD causality diagram of national economic, then mapped the flowchart according to the causality diagram, established dynamic model system of national economic, and proceeded simulation prediction to main economic indicators of our country economic system from 2000 to 2008 with 2000 as the base year. Simulation error was controled basicly within 5%.

Then, simulated prediction trend and analyzed the results of the development of our economic from 2009 to 2020 with the system dynamics model established. The problems in the process of development of our country mainly are: the employment situation of the three industry needs to be further improved, the labor productivity and internal structure of tertiary industry

needs to be optimized; our education development investment is insufficient,

Abstract

III the proportion of financal expenditure of education in GDP requires great efforts to increase; The income gap between urban and rural residents in China will further increase.

Finally, according to the conclusion analyzed gave some countermeasures and suggestions about the development of economic in our country.

Keywords China's economic development; Dynamic model; ISM; System

dynamics; Simulation forecasting; Countermeasure suggestions

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IV

目 录

V 目 录

摘要················································································································1 Abstract··········································································································II

第1章 绪论 (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 国内外相关研究现状 (2)

1.2.1 经济发展系统分析 (2)

1.2.2 系统动力学应用于国民经济发展分析 (4)

1.3 本文研究的主要内容及结构 (7)

1.3.1 研究内容 (7)

1.3.2 本文结构 (7)

第2章 相关基础理论 (9)

2.1 解释结构模型理论基础 (9)

2.1.1 系统结构的基本表达方式及有关概念 (9)

2.1.2 解释结构模型定义 (12)

2.1.3 解释结构模型的建立方法 (12)

2.2 系统动力学理论基础 (15)

2.2.1 系统动力学概念 (15)

2.2.2 系统动力学特点 (16)

2.2.3 因果反馈分析 (16)

2.2.4 流图分析 (18)

2.3 本章小结 (20)

第3章 经济统计指标体系的系统结构分析 (21)

3.1 经济统计指标体系 (21)

3.1.1 相关概念 (21)

3.1.2 《中国统计年鉴》中的统计指标体系 (23)

3.1.3 研究用指标集的选取 (24)

3.2 邻接矩阵构造 (29)

3.2.1 因果关系的界定原则 (29)

3.2.2 邻接矩阵的确定 (30)

3.3 经济系统指标体系层次递阶结构形成 (31)

3.4 经济系统指标体系结构的定性分析 (39)

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VI 3.5 本章小结 (41)

第4章 经济系统动力学模型 (42)

4.1 经济系统因果关系图 (42)

4.1.1 动力系统指标集确定 (42)

4.1.2 经济系统因果关系图 (46)

4.2 经济系统流程图 (48)

4.3 经济变量之间数量关系的确定 (48)

4.3.1 经济系统初值的确定原则 (48)

4.3.2 经济变量之间的数量关系 (50)

4.4 模型检验 (56)

4.5 本章小结 (65)

第5章 仿真预测及结果分析 (66)

5.1 仿真策略 (66)

5.2 仿真结果与分析 (68)

5.2.1 仿真结果 (68)

5.2.2 仿真结果分析 (75)

5.3 我国经济发展的对策建议 (83)

5.3.1 全面提升第三产业的经济效率 (83)

5.3.2 努力开发提高农村居民收入水平的有效途径 (84)

5.3.3 确实重视教育发展 (84)

5.3.4 进一步加强环保投资力度 (85)

5.4 本章小结...........................................................................................86 结论..............................................................................................................87 附录1...........................................................................................................89 附录2.........................................................................................................101 参考文献....................................................................................................103 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果.......................................107 致谢............................................................................................................108 作者简介. (109)

第1章 绪论

1第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

工业革命以来，随着科学技术的不断发展和工业化进程的不断加快，人类创造了前所未有的物质财富，也推进了文明发展的进程。但是与此相伴的也出现了许多的问题，如人口剧增、资源耗竭、环境污染、生态破坏等一系列问题，严重地阻碍着经济的发展和人民生活质量的提高。传统的社会经济发展模式无法实现经济发展和环境保护两个目标。1972年，联合国第一次通过了《人类环境宣言》，并提出了世界经济发展必须与环境保护协调发展。1987年，联合国世界环境与发展委员会又发表了一篇题为《我们共同的未来》[1]的报告，在报告中首次向人们提出了“可持续发展”这一概念，并以可持续发展作为研究主题，展开了全面的科学的论述。1992年，联合国又通过了《21世纪议程》等文件，从深度与范围上加深了对经济发展的认识，为世界经济发展指明了方向。

我国是一个人口众多、地域辽阔、资源多样的发展中国家，我国自改革开放的30年来，经济发展的成绩是非常显著的，但是在经济过程中也出现了许多的问题。特别是自20世纪80年代以来，随着经济的加速发展，致使人类赖以生存的环境遭到了严重的破坏，如失业严重，收入不均，经济结构不平衡，生态恶化，以及能源耗竭等问题都严重的阻碍着我国经济的顺利发展。1992年，中国政府向联合国环境与发展大会提交了《中华人民共和国环境与发展报告》，1994年制定完成并批准通过了《中国21世纪议程》，两份报告从人口、资源、环境、经济发展等几个方面提出了中国实施经济发展的具体框架和总体目标，并将其纳入了“九五”计划和2010年规划中。1996全国人大会议批准通过《国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要》，明确做出了中国在未来几十年内实施经济发展的重大决策。2007年10

月中国共产党第十七次全国代表大会上，

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2胡锦涛在《高举中国特色社会主义伟大旗帜，为夺取全面建设小康社会新胜利而奋斗》的报告中，对科学发展观进行了全面的阐述。科学发展观是在立足于我国社会主义初级阶段的基本国情，总结我国发展经验，借鉴国外发展经验，为了满足新的发展要求而提出的重要战略思想。在这样的一个经济环境背景下，如何寻找国家自身的经济发展之路是我国经济发展过程中所面临的重大课题。

本文借鉴国内外学者对经济发展的研究，对我国经济如何进行可持续发展、科学发展进行了分析，并运用解释结构模型的方法，对我国经济系统的指标体系进行了系统分析；运用系统动力学的方法，构建了我国经济系统发展的系统动力学模型，对我国未来的经济发展情况进行了预测分析。本文的选题在理论上对于研究经济系统的发展，拓展系统动力学应用范围具有积极的现实意义。

1.2 国内外相关研究述评

1.2.1 经济发展系统分析

国外学者对于经济发展的研究方法很多，基于经济与环境可持续发展的研究有：Arrow 、Bolin 、Costanza 等(1995)基于个人的理性行为、效用和利润最大化原则，在完全信息条件下通过价格的相互作用和市场机制，将耗竭资源和环境污染等问题补充于传统经济均衡增长模型，来研究和寻找实现经济发展的途径[2]；Healy(1995)主要通过分析生态系统演进和制度、技术创新的规律，采用非均衡的方法研究经济和生态的协同演化，探求区域经济发展的对策措施[3]。

从区域经济发展角度进行的研究有，Stefan Kuhimann(2004)在对欧洲部分地区和德国区域经济创新政策进行评价时，提出了一个区域创新系统模型[4]；Wan(2004)通过基尼系数分解发现乡镇企业对区域差距的影响很大，因为乡镇企业对促进富裕地区经济增长与发展作用更大，从而由循环累积因果理论可知，这样的结果是扩大区域差异[5]。

第1章 绪论

3针对经济发展其他方面进行的研究有，Port of New York Authority(1978)应用投入产出的方法，定量分析了美国港口同国民经济其

它各部门的经济联系[6]；

G.R.Yochum(1989)运用系统动力学方法以Virginia 港为研究对象，分析了港口活动给港口必需产业、港口吸引产业和港口相关产业带去的经济效益[7]。Bao 等(2002)认为沿海地区在自身地理优势和低运输成本的基础上实行市场改革和开放政策，吸引了大量的外资和流动劳动力，是经济增长的主要原因[8]。Raman H(2002)对美国在农业产业信息化和农业生产系统化，农业系统研究上开始大量的推广应用支持决策系统和仿真技术等信息化技术进行了分析研究，并得到了很好的研究成果

[9]。Choi ，Hyung Rim 等(2007)运用系统动力学找出了影响集装箱码头竞争力的因素，然后通过构建系统动力学模型，分析了由这些因素波动所造成的长期影响[10]。

我国国内学者对我国经济发展的研究很多，运用的方法也很多，如张宏民、葛家理(2002)运用泛函极值协调配置理论，以系统经济效益最优化为目标进行了我国能源的优化配置研究[11]；赫连佳鹏、景旭、孙晓波(2002)以简单经济供求市场为例，利用Swarm 软件平台提供的类库与面向对象设计的Objective C 语言，将各主体用内部生成训练集的人工神经网络算法进行了仿真实现，结果表明，这种人工神经网络方法设计的智能体是描述经济系统主体适应性行为的有效方法，并且对简单经济供求市场中的均衡现象进行了仿真[12]。傅星(2005)得出以ASPEN 为代表基于CAS 理论的多主体经济仿真具有传统经济计量模型与投入产出模型所不具备的优势，用其进行我国的经济学研究同样具有重要的理论意义与应用价值[13]；曹筠(2006)提出了一种基于动态模型空间和集成模型的集成建模方法，基于因果序约束的改进QSIM 算法和模糊仿真算法FQSIM ，对集成建模方法在宏观经济预测方面进行了应用研究[14]；胡大伟(2006)运用系统动力学、神经网络模型与计算机仿真对江苏省建湖县可持续发展系统进行了研究，通过仿真分析得出了建湖县地区最佳的发展道路[15]；吴峰(2007)以投入产出为主建立了经济-交通运输系统指标体系，结合多元统计的主成分分析法和复合系统的协调理论，建立了评价经济-

交通运输系统协调发展的数

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4学模型[16]；郭路(2007)以复杂适应系统理论的多主体仿真技术作为研究方法，在仿ASPEN 模型的基础之上，通过构造八个不同的仿真实验，初步探讨了在一般经济社会中造成贫富差距的原因，并对政府改善贫富差距状况的作用进行验证[17]；敖山(2009)基于实验经济学和对相关的人工智能理论进行分析的基础上，运用集成式反向传播神经网络对中国股票市场的不同投资主体进行了模拟，建立了符合其行为特征的神经网络子系统[18]；辛宝贵、马军海(2010)提出了一个双寡头R&D 投资竞赛的非线性动力学离散模型，接着对该模型中有经济意义的Nash 均衡点的稳定性及其Hopf 分岔的存在性进行了分析，最后通过计算第一Lyapunov 指数，对模型产生的Hopf 分岔方向与稳定性进行了计算和证明，并进行了仿真模拟[19]。等等。

1.2.2 系统动力学应用于国民经济发展分析

系统动力学(简称SD—system dynamics)出现于1956年，创始人为美国麻省理工学院(MIT)的福瑞斯特(J.W.Forrester)教授[20]。佛瑞斯特教授在20世纪中期，对一系列社会经济问题进行系统动力学的创造性研究，取得了令人瞩目的成绩。1958年，他发表的论文《工业动力学—决策的一个重要突破口》，首次把系统动力学运用于工业研究；1965年，他又发表论文《企业的新设计》，进一步深化了系统动力学在工业中的运用；1968年，他出版的《系统原理》一书，全面论述了系统动力学的基本原理和方法，至此，系统动力学从理论上整体完成；1971年，他又把研究的对象延伸到了世界范围，出版《世界动力学》一书，提出了研究全球发展问题的“世界模型”(WorldModel)。20世纪50年代，系统动力学主要用于工商企业管理，处理诸如生产与雇员情况的变动、企业的供销、生产与库存、股票与市场增长的不稳定性等问题。60年代，系统动力学思想与方法的应用范围日益扩大，其应用几乎遍及各类系统，深入到各个领域[21][22]。70年代，系统动力学经历了世界模型的研制与分析、美国系统动力学模型的研制和对美国及整个西方国家经济长波问题的研究后，

进入蓬勃发展

第1章 绪论

5时期。

在国际层次上，除了上世纪70年代至90年代期间，福瑞斯特教授及其学生梅多斯关于世界模型的研究之外，许多学者对系统动力学在经济发展中的运用也做出了重要贡献。Stave 在2002年和2003年以拉斯维加斯为例，利用系统动力学方法模拟了不同水资源利用方式的结果，提出了拉斯维加斯市水资源合理利用的模式[23][24]；Janssen 等(2000)运用系统动力学以草地资源为限制因子，探讨了不同的政策和制度对放牧者以及草地生态系统的影响，在此基础上提出了澳大利亚放牧草场的优化管理模式[25]；Janssen(2001)还对湖泊的富营养化问题及其综合管理进行了研究[26]；Cuneralp 等(2003)针对土耳其境内一湿地湖泊的富营养化问题，利用系统动力学方法探讨了区域经济发展与生态系统之间的平衡关系，并提出了区域经济与环境可持续发展的优化模式[27]；Saysel(2002)指出可持续的土地利用及城市发展系统是一个涉及到人类社会、环境资源、工业发展、农业发展等诸多模块的非线性复杂系统，各个模块之间充满了复杂的因果关系，甚至每个模块又是由诸多子模块、微系统所组成[28]；Saysel(2006)等以土耳其Anatolian 东南部为例，综合考虑了水资源、土地利用、土地退化、农业污染等因素，建立了区域农业可持续发展模型[29]。

我国学者应用系统动力学方法对我国经济发展情况进行的研究很多，也取得了很多成果。以某一经济系统作为研究对象进行研究的有，王其藩、李旭(2004)运用系统动力学的方法对社会经济系统的政策作用机制进行了研究[30]；何绍福、朱鹤键等(2006)在辨析农业信息化和农业系统研究的概念与内涵的基础上，阐述了在农业系统研究中应用农业信息技术的意义，并建立了其系统动力学模型[31]；孙梅(2006)通过分析东部江苏省能源缺口，西部能源发展现状，以江苏能源需求与西部能源供给及江苏能源进口量之间相互支持、相互制约的复杂关系为背景建立了能源需求一供给系统[32]；张晓慧(2008)运用系统动力学的理论和方法对我国油气资源—社会经济系统协调发展进行了研究，根据5个子系统的相关关系，建立了我国油气资源—社会经济系统SD 模型，并运用1999-2006年的数据进行有效性与合理性检验，

最后对提出的未来我国石油工业和经济发展的多种方案

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6进行了仿真，并找出了我国未来发展中最合理的方案，对我国油气资源—社会经济系统协调发展进行了有益的探索[33]。

以某一区域作为研究对象进行研究的有，唐静(2006)以四川省成都平原边缘丘陵山区金堂县又新镇为例，应用系统动力学方法进行了环境经济系统协调发展的研究[34]；朱宏飞、李定龙等(2008)利用系统动力学理论构建了常州市污水回收系统模型，并选择常州市人口、GDP 、城市工业总产值等主要变量进行了模拟分析[35]；刘璟(2009)应用系统动力学方法，结合区域经济-资源-环境系统协调发展的相关理论，分析了该系统的因果基本反馈关系，建立了其系统动力学模型[36]；王光净、杨继军等(2009)运用系统动力学和区域经济方法，构建区域经济可持续发展的系统动力学模型，并以温州经济发展为例对所建模型进行验证分析[37]；蔡林、高速进(2009)提出了建立系统动力学的标准模型应该具备的5个重要系统，即人口、资源、环境、社会与经济，并可按照区域特征进行拓展[38]。

以某一具体行业作为研究对象进行的研究有，赵妍(2009)运用系统动力学的理论和方法，科学系统的对我国石油企业可持续发展系统进行了动态分析，确定了石油企业可持续发展系统中内在的信息反馈结构与机制以及相互因果关系，对部分模型进行了预测分析，为决策部门提供了科学依据[39]；王鹏飞，刘胜(2010)运用系统动力学的理论及方法，对供应链环境下核心制造企业的库存控制系统进行了研究，并结合某润滑装备制造企业的库存控制的实例，构建了库存控制系统动力学(SD)模型[40]。等等。

综上所述，我国学者在运用系统动力学方法解决经济发展问题上的研究很多，有的是针对某一具体系统，如针对农业系统，能源系统，污水回收系统，水资源利用系统，出口加工贸易系统等；有的是针对我国内的某一具体区域，如朱宏飞、李定龙针对常州市的研究；还有的是针对几个区域的多主体系统。但是以我国这一大的经济系统作为一个研究整体进行研究的却很少，本文在借鉴许多学者对我国经济系统的研究，吸收其研究精髓的基础上，针对我国这一大的经济系统展开研究，从影响我国经济发展的各个方面选取影响经济发展的经济指标，建立影响因素之间的系统结构，对我国这一大的经济区域进行系统动力学分析。

第1章 绪论

71.3 本文研究的主要内容及结构

1.3.1 研究内容

本文的主要研究内容包括三个方面：

(1)影响我国经济发展的因素分析。应用系统动力学方法研究我国经济发展的首要环节就是找出影响经济发展的主要影响因素，并分析各因素之间的因果关系。本文尝试用系统工程学中的解释结构模型作为辅助方法分析经济指标间的因果关系。

(2)建立我国经济发展的系统动力学模型系统。在分析理清各种经济变量的因果关系的基础上，研究的中心工作是以核心目标变量为中心构建经济运动发展的动力学模型系统，并以实际经济数据估计必要的参数，进行检验仿真。

(3)对未来进行仿真预测分析。应用所建立的系统动力学模型系统，以2008年为基础，对2009年到2020年我国经济的发展运行状况进行趋势仿真预测，并进行系统的结果分析，然后依据分析结论，提出对我国经济发展改革的建议。

1.3.2 本文结构

本文包括如下章节：

第一章为绪论，主要对本文的研究背景、意义，国内外关于区域经济发展以及系统动力学应用于区域经济发展领域的理论与研究进行了述评，并明确本文的主要研究内容及使用的方法。

第二章为相关理论基础，将本文研究过程中所要用到的主要理论及方法进行总结与概括。主要内容包括解释结构模型理论基础和系统动力学理论基础。

第三章为区域经济统计指标体系的系统结构分析，主要完成对我国经济系统影响因素的选择，以及确定这些影响因素之间的因果关系。

主要内

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8容包括区域经济指标体系、邻接矩阵构造、经济指标体系层次递阶结构形成和经济指标体系结构的定性分析。

第四章为经济系统动力学模型，主要是基于第三章的经济系统因果关系分析，建立针对我国经济系统的系统动力学仿真模型系统。主要内容包括经济系统因果关系图、经济系统流程图、经济变量之间数量关系的确定和模型检验。

第五章为仿真预测分析，在前面各章研究的基础上，运用所建立的系统动力学模型对我国2009年到2020年12年的经济发展情况进行仿真预测分析。主要内容包括是仿真策略、仿真过程和对我国经济发展的政策建议。

第2章 相关基础理论

9第2章 相关基础理论

2.1 解释结构模型理论基础

2.1.1 系统结构的基本表达方式及有关概念

2.1.1.1 系统结构的集合表达 设系统由)0(>n n 个要素)...,,(21n s s s 组成，记其集合为S ，则集合S 表示为：

{}n s s s S ,...,,21= (2-1)

在集合中，系统的各个要素一般都是以两个要素之间的二元关系为基础联系在一起的。所谓二元关系，是根据系统的性质和研究目的所约定的一种需要讨论的、存在于系统中两个要素),(j i s s 之间的关系ij R (简记为R )。要素之间的关系通常有影响关系、因果关系、隶属关系以及各种可以比较的关系。二元关系是结构分析中所要讨论的系统构成要素之间的一种基本关系，一般有三种情况：

(1)i s 与j s 之间有某种二元关系，记为j i Rs s ；

(2)i s 与j s 之间没有某种二元关系，记为j i s R s ；

(3)i s 与j s 之间某种二元关系不明，记为j i s R s ~。

2.1.1.2 系统结构的有向图表达 由节点和连接各节点的有向弧(箭线)所构成的图，称为有向图，记作D 。系统的结构可用有向图表示。在有向图D 中，用节点表示系统中的各个构成要素，用有向弧表示各构成要素之间的二元关系。从节点i s 到节点j s 的最小或最少有向弧的个数称为有向图D 中节点间的通路长度，也称为路长，即要素i s 与j s

间二元关系的传递次数。

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