产业共生网络演化研究进展

韩 峰，杨 东，李 玉，石 峰＊

［山东省科技发展战略研究所，齐鲁工业大学（山东省科学院），济南 250100］

引言

工业园区是我国国民经济系统的重要组成部分，同时也是资源能源消耗以及环境污染排放的集中区域。在我国工业园区的发展进程中，为了突破资源与环境瓶颈，以经济开发区、高新技术开发区为代表的第一、二代园区正逐步向第三代园区——生态工业园区转变，企业由原本各自独立的个体相互关联成为具有物质、能量交换关系的工业网络。由于具有地理邻近性优势，企业之间通过产业共生对废弃物进行交换利用、对能源进行梯级利用成为实现园区资源能源利用率提升以及污染减排的有效手段之一，工业园区的产业共生网络逐步形成[1,2]。

产业共生是产业生态学的核心理论，其概念起源于Frosch提出的产业生态系统理念[3]。该理念指出，一个工业过程产生的废弃物可作为另一工业过程的原材料使用，同时相应减少该生产过程的环境影响[3]。丹麦卡伦堡生态工业体系，作为最早被认可的产业共生模式，也在此后被广泛借鉴[4-6]。美国[7]、英国[8]、意大利[9,10]、日本[11,12]、韩国[13,14]等国家相继开展了产业共生体系建设项目，产业共生理论与实践均得到快速发展。伴随着我国工业化的加速和节能环保理念的逐渐深入，从20世纪末开始，我国针对工业园区也相继开展了生态工业示范园区建设、循环化改造、绿色园区创建等活动，越来越多的园区在产业生态学理论的指导下构建起了初步的产业共生网络[15-17]。产业共生指标也相继被纳入《国家生态工业示范园区标准》（HJ274—2015）以及《工业园区循环经济评价规范》（GB/T33567—2017），从新增构建生态工业链项目数量、循环经济产业链关联度等方面为园区产业共生提供指导，但指标内涵仍较简单，不能体现产业共生对园区建设的作用[18]。特别是近年来，受产业结构调整、新旧动能转换等宏观政策影响，工业园区正面临再一次的转型升级，产业共生网络也一直处于发展演变之中。石磊等总结了国际上5种典型的产业共生模式，并对其组织形式、运行模式、实践效果等进行了分析与评价，重点比较了我国产业共生与其他模式的区别，指出我国的产业共生实践还停留在初级阶段[19]。

产业共生网络是园区产业关联的外在表现，同时也是园区产业结构的内生体现。我国关于工业园区产业共生的研究与实践仅开展了不到20年的时间，产业共生网络演化的相关研究仍处于起步阶段，缺少系统的理论研究框架及长时间跨度的实证分析[20]。研究工业园区产业共生网络演化，对丰富和完善产业共生理论方法体系、促进工业园区可持续发展具有重要的意义。因此，本文旨在从网络演化的角度综述工业园区产业共生网络的研究进展，系统总结产业共生网络的研究方法与演化机制，探究产业共生网络演化的可持续性，为园区产业的发展规划与管理决策提供参考。

1 产业共生与产业共生网络

1.1 基于产业共生的工业“食物网”

在自然生态系统中，生产者、消费者和分解者通过错综复杂的“食物网”来传递物质及能量并维持系统的稳定。借鉴自然生态系统中的生物共生机制，在工业系统中，不同性质的企业之间通过物质、能量或信息等的交换利用形成工业“食物网”，来提高自身及系统的经济、环境和社会效益，这种现象被称为产业共生[1,2,20-23]。工业系统中的生产者型企业是指资源开采型企业，为工业生态系统提供基础工业原料或能源；消费者型企业为利用资源和能源进行产品生产的企业，根据产业链的长短通常可分为多级；分解者型企业为废物处理型企业，可将前两者产生的废物进行处理，或回收再用，或最终处置。

企业在没有进行产业共生之前，一般是独立运行或基于市场行为的供应链合作，其在园区内所表现出的关系结构一般为独立的个体或产业链。在经济利益和其他因素的推动下，更多的企业之间开始寻求合作，以物质流、能量流为纽带构建起园区产业共生网络，实现资源能源的节约与污染减排。发电厂一般是最早参与园区产业共生的企业，其一方面具有公共服务属性，与园区其他企业建立物质或能量关联具有必然性；另一方面具有可产生或接纳大量固废或废水的能力，为基于物质和能量的产业共生关系提供了基础。丹麦卡伦堡生态工业园即典型的以发电厂为核心构建的产业共生网络，发电厂通过将蒸汽、余热等供给其他企业实现能源的梯级利用，将粉煤灰、除尘污泥等固废供给水泥厂等生产建材实现废物再用，同时利用炼油厂的冷却水实现水资源的回用[2]。此外，煤化工[24]、钢铁[25]、石油化工[26]等传统产业由于资源能源消耗强度大、废弃物产量大等原因也常作为核心节点参与园区产业共生。产业共生网络即在企业间进行产业共生的基础上所抽象出来的复杂关系结构，是企业主体以及企业之间关系的集合。园区产业共生网络形成前后示意图见图1。

1.2 产业共生网络形成的驱动力分析

图1 园区产业共生网络形成前后示意图

产业共生网络是工业园区内部系统结构，是园区工业代谢及其他系统功能维持稳定的基础。园区产业共生网络的形成有多种模式，包括企业主导的自组织共生、政府主导的规划共生等。无论是何种方式，产业共生网络的本质仍是一种社会市场行为，是基于责任、信任以及互惠的企业间合作。袁增伟等运用企业环境责任市场化理论对产业共生网络的形成机制进行解析，认为企业环境责任的主体是生产过程中的环境污染治理及废物资源化，而企业环境责任的剥离所产生的委托—代理关系是企业间环境合作进而构建产业共生网络的根本[27]。张文龙等则进一步指出，共生单元间通过形成共生产生“剩余”是构建共生系统的前提，共生单元间通过股权、契约等内生媒介的合作具有更高的效益和稳定性[28]。因此，产业共生所能达到的经济、环境及社会效益对企业决策过程的塑造是推动产业共生网络构建及发展的关键。

在工业园区内，产业集群的网络嵌入性也是园区产业共生网络形成的驱动因素之一。嵌入网络的优势体现在企业间信任、信息传递、困难共克等方面[25]。企业在嵌入网络的同时也扩展了其资源与信息边界，有利于提高企业资源配置水平及综合竞争力。在产业共生网络中，企业的网络嵌入方式包括经济嵌入、体制嵌入以及社会嵌入等方面[28]。其中，经济嵌入主要是基于空间层面的产业共生方式，如依赖地理邻近性优势的企业间物质循环利用以及能量梯级利用等[29-31]；体制嵌入是基于组织层面和制度层面的网络嵌入方式，描绘了网络化的市场结构中企业间的相互作用以及制度化的公共池塘资源共生对产业共生网络形成的影响[32,33]；社会嵌入主要体现在认知层面，认知框架与市场、教育、技能、创新之间是相互依存和共同进化的，当认知框架考虑到环境问题时，参与产业共生以提高个体和整体生态效率成为最佳选择[34]。

1.3 产业共生网络的类型及特征

由于不同园区间的企业类型、数量以及企业之间产业共生的关系和程度均存在差异，产业共生网络之间具有显著的异质性特征[29,35]。为了将产业共生网络划分为不同的类型，Zhang等基于网络密度和核心—边缘结构分析方法，把产业共生网络分为“核心—核心”型、“核心—边缘”型以及“边缘—边缘”型[36]。这种分类以产业共生网络各成员间资源交换关系的强弱来划分，如在“核心—核心”型产业共生网络中，核心成员之间占据了网络绝大部分的资源交换，包括原材料、副产品以及废物的输入及输出。进一步，将网络密度及网络中心性指标结合，还可把产业共生网络划分为平等共生型网络、关键承租人型网络以及欠完备型网络三类[37]。在该分类中，平等共生型网络的成员之间角色平等，共生路径灵活多样；关键承租人型网络完备性程度较高，同时附属成员对核心成员的依赖程度也过高；欠完备型网络中节点间连接较少，网络较为稀疏。可见，两种方法所得到的产业共生网络类型在本质上是一致的，均以网络成员之间的关系特征为依据，代表着产业共生网络在结构上不同的发展阶段。

2 产业共生网络的演化分析

2.1 产业共生网络演化的影响因素

工业园区是一个开放系统，企业作为系统主体在与环境的复杂交互作用中会进行主动或被动的反应，其所构成的产业共生网络也会随之产生复杂的演变，如网络的延展与升级，或者级联失效与崩溃[29,38]。

产业共生网络的发展演变受系统内外多种因素影响。其中，内部因素包括园区的地理位置、技术需求、资源能源的可获得性、基础设施完善程度、行业异质性、多样性以及各方利益相关者的参与积极性等[9,39-43]；而外部因素则包括市场变化、环境保护、行业政策、规章制度等[44-46]。当这些因素发挥积极效应时，将会促成产业共生网络的正向演化，如通过产业共生提升经济效益[47]、通过创新激励促进产业共生发展[48]、通过加强制度能力建设保障产业共生的进一步发展[49]等。而当消极因素起作用时，也可能会导致产业共生网络的负向演化。如意大利著名的马尔盖拉港化工园区，由于受到团体凝聚力、规章制度、政治因素等区域大环境的影响，数家化工企业关停，进而在级联效应的影响下，园区产业共生网络遭到严重破坏[50]。

2.2 产业共生网络的演化阶段

产业共生网络的演化阶段与工业园区产业生态系统的发展程度密切相关。有学者从复杂系统[30]、网络信息交流[31]、社会[34]等不同的角度对产业共生网络的演化阶段进行了划分，而在产业生态学领域认可度较高的划分方式为Chertow基于生物学、生态学以及复杂适应系统理论提出的产业共生发展三阶段，即萌芽阶段、揭示阶段以及嵌入和制度化阶段[26]。在萌芽阶段，企业之间由于经济效益、资源安全或废弃物处理的技术及成本限制等原因自发进行物质交换，形成了一个有限的物质流网络雏形；在揭示阶段，产业共生网络所创造的经济效益以及积极的环境外部性逐渐显露，园区和企业开始有意识地主动寻求参与产业共生的可能性；在嵌入和制度化阶段，园区企业的结构嵌入和关系嵌入，以及园区规划与管理制度等均趋于成熟，网络运行效率及稳定性显著提高。进一步，Boons等通过对近15年来全球范围内产业共生案例进行分析，将产业共生的演化过程划分自组织、组织边界变化、经纪人促进、集体学习促进、试点示范、政府规划、以及生态集聚发展等七个动态发展过程，每个过程的主导者以及参与动机均具有其阶段性特点[32]。由于产业共生发展的内外部影响因素复杂，产业共生网络的演化也具有很强的动态不确定性，同一个产业共生体在不同的条件或时期下，均可能会涌现出新的演化阶段[25]。

2.3 产业共生网络的评价指标

无论是最初基于自组织行为的企业间合作，还是自上而下规划建设的产业共生项目，所形成的产业共生网络系统都是以提高经济效益、降低成本，同时减少系统整体的环境影响为目标[5,21]。

国内外学者从不同角度对产业共生网络进行分析与评价，所采用的指标可总结为两类，其一为反映产业共生网络功能特征的指标，其二为评价产业共生网络结构特性的指标（表1）。在功能方面的指标中，产业共生指数在评价产业共生网络演化过程中的系统功能具有更好的灵活性，生态连通性指标在实际应用中具有更好的简易性，生态效率指标则能更好地体现园区整体性能[51-53]。在结构方面的指标中，弹性和鲁棒性均描述的是产业共生网络在扰动影响下维持自身结构和功能稳定的能力。不同的是，弹性强调的是网络对系统外部的短期冲击的响应，鲁棒性更侧重于反映内部扰动或长期压力所带来的影响[29]。可见，判断产业共生网络的演化不能局限于某个单独指标所反映的问题，而要综合考虑各种因素对产业共生网络发展的影响机制。

表1 产业共生网络评价指标

3 产业共生网络演化研究模型

产业共生网络具有显著的复杂适应系统特征，可以灵活地应对及适应外部环境扰动[26,53,63]。这些特征包括：企业个体行为具有不确定性及其产生的影响不具有线性或可预测性；企业个体的行为模式以及企业间的交互均可导致网络系统行为的涌现；系统与周围环境具有物质、能量以及信息的交换，并可以通过改变结构或调节流量等措施来适应外部环境的变化，维持其结构和功能稳定等[38,60,64,65]。基于复杂适应系统理论框架，建立产业共生网络模型可以帮助我们更好地理解网络的演化行为，探寻产业共生网络演化的最优路径，为工业园区的可持续发展提供参考[38,66]。目前，常用的产业共生网络建模方法主要包括网络分析法、系统动力学建模以及基于主体建模等。

3.1 网络分析法

网络分析法被认为是产业生态学中复杂结构系统研究最有效的方法，其以网络实体及其之间的共生逻辑为基础绘制网络图形，然后对网络成员间的社会关系或生态关系进行数学分析，揭示产业共生网络系统的运行及发展状态[29]。根据侧重点的不同，网络分析法又分为社会网络分析法和生态网络分析法，二者均是通过构建邻接矩阵来搭建产业共生网络模型[29]。社会网络分析法被更多地用来对网络结构进行分析，主要包括网络连通度、节点中心性、网络密度、网络中心性以及凝聚子群分析等[67]。通过评价产业共生网络的结构特征，可识别出现有结构中存在的问题，进而揭示产业共生网络对园区物质、能量代谢等运行功能的影响[36,37,68-70]。生态网络分析法则更侧重于分析系统组成要素之间的作用关系，通过流量分析、存量分析以及效用分析等，从整体上辨识产业共生网络系统的内在属性[71]。

社会网络分析法常用的分析工具为Ucinet网络分析集成软件，该软件可以对网络进行中心性测量、凝聚子群识别、个体角色分析等，其内嵌的Netdraw工具可生成产业共生网络图形，并将指标评价结果直观地体现在图形结构当中。社会网络分析法在产业共生网络结构特征研究中的应用较多，其中比较典型的研究为Zhang等利用社会网络指标将产业共生网络进行分类，并揭示了网络结构与系统运行之间的关系。而生态网络分析法主要被用来剖析园区产业共生的生态内涵、生态特征以及共生条件等，并揭示这些生态关系如何影响系统的资源流动与整体发展[69,71]。此外，还有学者将两种分析方法结合来研究产业共生网络的功能特征及生态关系，可以比传统的分析方法更全面地评价工业园区的运行状态[72]。

3.2 系统动力学建模方法

系统动力学是一种基于反馈控制理论和计算机仿真技术，将定量和定性分析结合来处理非线性和动态复杂性问题的有效方法[65]。这种方法采用自上而下的研究策略，从系统整体的角度出发，将系统的复杂行为的产生假设为系统因果结构和内生属性导致的结果。其中因果结构考虑系统的反馈回路、时间延迟、流程图和库存积累，而内生属性作为系统的水平变量，可表示系统的状态[73,74]。系统动力学模型用代数方程表示系统变量之间的反馈结构，可定量反映系统的时空状态，并寻找相关的策略来提高系统性能[75]。

系统动力学建模方法常用的建模工具为Vensim软件，该软件具有可视化及多窗口界面等优点，在产业生态学领域得到了较多的应用。Qu等以工业增加值或技术投资等作为水平变量评估了企业多样性或网络关联度等特征指标对工业区可持续发展的影响[76]。Cui等以能耗、固废利用和废水利用为水平变量分析了产业共生体的演化过程[77]。Zhao等则以人为污染物的累积量作为水平变量研究了产业生态系统的环境影响评价[78]。可见，系统动力学模型在产业生态学复杂系统建模领域具有较好的适用性，可从多角度模拟与评价产业共生网络的演化。

3.3 基于主体建模方法

基于主体建模方法使用主体来刻画仿真目标系统中单个个体的行为，通过仿真主体的个体行为、主体之间以及主体与环境之间的相互作用关系来达到对现实系统的抽象复制，进而达到研究与控制系统的目的[73]。

基于主体的产业共生网络仿真模型可用来模拟和预测各种因素对产业共生系统可持续发展的影响，包括个体行为、社会因素[66]、结构因素[79]及其他因素[51,80]等。更重要的是，仿真模型能够克服传统案例分析中真实数据获取困难等弊端，通过模拟不同情景下产业共生网络的动态演化轨迹，帮助识别提高产业生态系统生态效益的潜在要素，从而为管理决策起到重要的参考作用[51,75]。例如，Batten通过基于主体仿真模拟产业生态系统的复杂功能，认为主体参与性建模可形成自组织与共同进化，并进一步促进系统的产业共生[75]。Bichraoui通过构建基于主体的产业生态系统模型探究了在预期情景下产业共生发展的可持续性，并对产业共生发展的驱动因素进行了探讨[79]；Mantese使用基于主体建模方法构建了一个生态工业园区仿真模型，并评估了产业共生指数、生态连通性、副产品及废物回收率三个环境影响指标在产业共生网络演化方面的表现[51]。可见，产业共生网络仿真模型能突破案例与数据的束缚，从可持续性的角度为工业园区产业发展的路径选择提供参考。

3.4 产业共生网络建模方法对比评价

本文从基本原理、建模步骤、实现平台、优劣势等角度，对三种建模方法进行对比，对比结果见表2。

目前，三种方法用于产业共生网络演化的研究仍处于初级阶段。网络分析法注重的是分析产业共生网络在社会结构层面的特征，其建模过程相对简单，一般视企业为节点，重点分析其“社会关系（或生态关系）”在网络中的表现。系统动力学建模和基于主体建模方法则属于系统仿真的范畴，强调对系统动态演化过程的分析。不同的是，系统动力学建模方法采用演绎的思路，更倾向于从系统的内部结构来分析问题产生的根源，而对系统中个体的具体特征、目标以及个体间的异质性没有充分考虑；基于主体建模方法则通过自下而上的策略，将企业视为“智能体”，通过对企业赋予相应的属性及交互规则来研究系统的演化行为。

然而，面对产业共生网络系统的高度复杂性，三者在目前产业共生网络建模的应用研究中仍存在诸多问题，如共生逻辑过于简单、影响因素单一、缺乏真实数据验证等。因此，为了得到更加精确的产业共生网络演化模型，揭示工业园区产业共生的最优发展路径，需进一步加强产业共生机制的研究，并辅以真实案例，来验证产业共生网络模型的有效性。

表2 产业共生网络建模方法对比

4 结论与展望

由于产业生态系统的复杂性以及数据统计的困难性，目前针对工业园区产业共生网络演化的研究仍较少，尤其缺乏长时间跨度的定量分析及实证研究。本文从网络演化的角度，对产业共生网络的结构与功能特征、形成机理以及演化模型的相关研究进行了综述，为工业园区的产业可持续发展提供重要的理论及方法支撑。产业共生网络演化研究不是为了预测工业园区的命运，而是要通过系统的模拟，识别园区产业发展的最优路径。其关键在于如何精准地识别产业共生网络存在的问题，以及如何对园区产业共生网络进行系统的仿真。因此，未来应重点从以下几个方向对产业共生网络演化开展研究：

（1）开发更完善的产业共生网络演化仿真模型。目前针对产业共生网络建模的研究存在模型层次单一、逻辑简单等问题。工业园区企业多样，企业间产业共生关系复杂，受内、外部因素影响多变，需要继续深入探究产业共生网络形成机理，积累大量数据样本，不断学习园区实际的产业共生网络结构对仿真模型进行验证及优化。

（2）加强工业园区产业共生可持续性评估研究。可持续性是系统结构和功能保持良性发展的能力，表现为资源利用的可持续、经济发展的可持续、环境生态的可持续。成熟的定量评价方法与完备的数据支撑是完成产业共生可持续性评估分析的基础，也是管理决策的重要参考依据。结合工业代谢、网络演化以及价值链分析的可持续性评估研究可为工业园区的规划及管理提供更全面、科学的指导。

（3）拓展研究边界，开展不同尺度的产业共生网络演化研究。由于产业共生理论研究及应用边界的不断拓展，产业共生不再仅局限于工业园区内部。园区之间、城市及区域层面的产业共生将相互孤立的园区产业共生网络链接为范围更广的区域网络，这无疑又给产业共生网络的结构、功能及演化研究提供了新的挑战。