产业共生网络结构的量化分析*

中国环境学会  2011年 03月31日


  钟 钢1,曹 俊1,曹丽君1,王少平1,2,
  (1. 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092;2. 上海市杨浦区环境保护局, 上海 200093)
   
  摘  要:本文首次将社会网络分析和复杂网络理论综合应用到产业共生系统的结构分析中,初步构建了产业共生网络的结构分析的基础理论体系。将社会网络分析的方法应用于产业共生网络的结构分析中,体现出很强的适用性。利用本文的理论方法,可以清楚地分析网络的基本特征、中心性特征和复杂性特征,并能在一定程度上识别出网络的关键节点——核心节点、薄弱节点与较独立节点。通过选取典型的产业共生案例对本文提出的基础理论进行了实证应用和分析,定量地分析了产业共生网络的基本结构特征。
  关键字:产业共生网络;共生模式;结构分析;中心性;复杂性;节点;特征


  Abstract: The Social Network Analysis and Sophisticated Network Theory are firstly applied to the structural analysis of industrial symbiosis networks in this paper and it preliminarily build the basic theory system on the structural analysis of industrial symbiosis networks. According to the application of Social Network Analysis Methods into the structural analysis of industrial symbiosis networks, it shows strong suitability。Through the above academic methods,it can clearly analyze the basic characteristics of the network, the central characteristics of the network, and the complexity characteristics of the network, and to a certain degree , it can also distinguish the key nodes of the network——core nodes, feeble nodes and relatively isolated nodes. Through the selection of typical industrial symbiosis case, the positive application and analysis on the basic theory raised in the paper and the quantitative analysis on the basic structural characteristics of the industrial symbiosis networks are made.
  Key Words: Industrial symbiosis networks;Symbiotic mode;Structural analysis;Centricity;Complexity;Nodes;Characteristics
   
  引言


  在现代世界的工业化进程中,工业园区在全球经济发展中具有至关重要的地位,工业园区已成为许多国家发展战略的一个重要组成部分,对其经济发展起到不可替代的作用。目前,无论在发达国家还是在发展中国家,推进工业园区发展的趋势仍在继续,尤其工业化或现代化发展迅速的地方这种趋势显得尤为强烈[1]。本文从组织结构的角度研究产业共生网络的结构特征,通过典型案例来认识共生网络的内部组织结构和企业关系,在此基础上分析网络中各企业的地位,识别出关键节点,将为生态工业园区的规划和建设提供决策依据。国内外经验表明,区域经济的凝聚力和竞争力,关键在于这个区域产业的关联度高低。关联度高,则区域经济凝聚力强,产业之间可以相互促进,取长补短,企业生产成本低,产品在市场上具有竞争力[1-2]。


  产业共生网络的组成


  广义的“网络”[4]是指由有关联的个体组成的系统。本文所分析的产业共生网络是指由企业之间或企业与所处环境之间,通过建立“生产者-消费者-分解者”的“产业生态链网”,使企业之间以及该地区的物质和能量充分利用,总体资源增值,以实现当地的可持续发展。产业共生网络由共生单元、共生模式和共生环境构成。


  产业共生网络的共生单元


  共生单元[3]是指构成共生体或共生关系的基本能量生产和交换单位,它是形成共生体的基本物质条件,构成工业系统的各个企业都是共生单元。本文研究的产业共生网络中的共生单元不仅包括企业,还包括与网络整体物质、能量的流动密切相关的节点,例如网络中废弃物资源化的关键技术和主要的共生环境。同时,网络中所有的企业之间必须存在生态关联[6]
  产业共生网络的共生模式
  共生模式,也称共生关系[3],是指共生单元相互作用的方式和相互结合的形式。王志宏等[10]人按照企业的利益关系,结合生态学中生物共生的相关理论,对企业之间的共生关系进行了划分:专性互利共生模式,兼性互利共生模式和附生模式。
  产业共生网络结构特征的表征与测度


  基本特征的表征与测度


  网络的基本特征是对网络整体结构的初步分析,包括节点数和关系数,反映网络规模;网络关系密度和簇系数,反映网络集聚程度;特征路径长度,反映信息传递速度[11-12]。


  关系数
  节点指网络的基本共生单元。两节点之间的直接邻接性质称为关系(网络内的边)。关系数为所有关系的总数。
  关系密度
  网络关系密度指网络各节点真实关系数占可行关系数的比例。


  网络簇系数
  网络簇系数,反映节点的局部关联能力。设节点v有 个邻接节点,邻接节点之间实际关系数为 ,节点簇系数 即是指 与由邻接节点组成的完全图的边数之比。


  特征路径长度
  网络中第 和第 节点之间的特征路径长度 定义为连接这两个节点的最短路径的边数。网络特征路径长度L的计算方法:为先对所有节点对之间的距离求和,再计算出节点对间距离的平均值。

  
  中心性的表征与测


  点度中心性
   点度中心度
  与某节点相邻的点称为该点的邻点,一个点 邻点的个数成为该点的“度数”,记作 。点度平均值是网络中所有节点度数的平均值,表达式为[13-15]:
  
   中间中心性
   点的中间中心性
  如果一个点处于其他许多点对的特征路径上,称该点具有较高的中间中心度,反映对对资源控制的程度。假设点 和点 之间存在的测地线数目用 来表示。第三个点 能够控制此两点的交往能力用 来表示,即 处于点 和点 之间的测地线上的概率。
 
  特征向量中心性
  特征向量作为刻画行动者中心度以及网络中心势的一种标准化测度,它的目的是在网络整体结构的意义上,找到网络中最核心的成员,同时也可以测量出“特征向量中心势”指数。每个行动者相应于每个维度上的位置就叫做一个“特征值”(eigenvalue),一系列这样的特征值就叫做特征向量。
  核心-边缘结构分析的目的是对现实社会现象中表现出来的核心-边缘模式进行量化处理。


  核心-边缘全关联模型
  核心-边缘全关联模型的来源于以下观念:从直觉上说,核心-边缘结构的一种情况是,网络中的点分为两组,其中一组中的成员之间联系紧密,可以看成是一个子群(核心),另外一组的成员之间没有联系,但是,该组成员与核心组的所有成员之间都存在关联,这就是核心-边缘全关联模型。
 
  核心-边缘无关联模型
  所有的关系仅仅存在与核心成员之间,其他点都是孤立点。核心成员之间不存在任何关联,这种模型为核心-边缘无关模型。                                       
  核心-边缘部分关联模型
  两外一类介于上述两类模型之间的理想模型,即从核心到边缘与从边缘到核心的密度是介于0和1之间的一个特定值的模型,也就是核心成员和局部成员之间存在局部关联的模型。


  核心-边缘关联缺失模型
  在实践上,我们往往没有很好的理论依据来设定核心与边缘之间的密度值,为了弥补这个缺陷,较好的选择是把矩阵中除了核心区域以及边缘区域之外的非对角线区域看成是缺失值,因此,这种算法只需要试图使核心成员之间的密度最大,并且使边缘成员之间的密度最小,而不考虑这两个区域之间以及非对角线区域的关系密度。可以用等式4表达如下( 表示缺失值)。

  产业共生网络复杂性的表征与测度
  复杂网络的研究[16-18],在大量网络现象的基础上抽象出两种复杂网络:一种即小世界网络,另一种即无标度网络。这两种网络都同时具有两个基本特征:高平均集聚程度、小的最短路径,而无标度网络的度分布又具有幂律分布特征。小世界性判定将主要依据网络簇系数和特征路径长度两个指标,无标度性的判定将主要依据网络的度分布特征[20-23]。


  案例分析——以贵港(制糖)产业共生网络为例


  园区概况
  广西贵港国家生态工业(制糖)园区是最典型的复合实体型产业共生网络。其产业共生网络物质流动图如下图所示。
  基本特征分析
  工业共生特征分析
  广西贵港(制糖)产业共生网络中共存在17个主要节点,28条主要共生关系,其中23条为专性互利型共生关系,5条为兼性互利型共生关系
  网络总体由6个系统组成,分别为蔗田系统、制糖系统、酒精系统、造纸系统、热电联产系统和环境综合处理系统。所有的环节几乎都在规模和设计上相互匹配,环环相扣,表现出很强的兼性互利型。


  密度与网络簇系数
  广西贵港(制糖)产业共生网络的密度为0.21,平均簇系数为0.23,整体集聚水平与局部积聚水平相近。其中,能源酒精技改具有最高的网络簇系数,与能源酒精相关联的环节中,相互之间具有很高的聚集程度。


  特征路径长度
  网络的特征路径长度为2.19,网络的信息传递速度很快。
  观察表4.1,可见网络任意两个节点间的最大特征路径长度为4,节点之间最多需通过3个环节就可联系起来。糖生产、热电厂和绿色制浆工程这3个节点可以与7个其他节点直接连接,初步可见其在网络中地位很重要。
  表 4.1广西贵港(制糖)产业共生网络的特征路径矩阵

 

   

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

1

绿色制浆工程

0

2

2

3

1

1

1

2

2

1

1

1

3

1

2

3

2

2

糖生产

2

0

2

1

2

2

1

1

1

1

2

3

1

3

3

1

3

3

热电厂

2

2

0

1

1

2

1

2

1

1

3

1

3

3

1

3

2

4

能源酒精技改

3

1

1

0

2

2

2

2

1

2

3

2

2

4

2

2

3

5

造纸厂

1

2

1

2

0

2

2

1

2

2

2

2

3

2

2

3

1

6

现代化甘蔗园

1

2

2

2

2

0

2

3

1

1

2

2

3

2

3

3

3

7

水泥厂

1

1

1

2

2

2

0

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

8

轻钙厂

2

1

2

2

1

3

2

0

2

2

1

3

2

3

3

2

2

9

酒精厂复合肥车间

2

1

1

1

2

1

2

2

0

2

3

2

2

3

2

2

3

10

制糖厂压榨车间

1

1

1

2

2

1

2

2

2

0

2

2

2

2

2

2

3

11

碱回收

1

2

3

3

2

2

2

1

3

2

0

2

3

2

3

3

3

12

除尘脱硫塔

1

3

1

2

2

2

2

3

2

2

2

0

4

2

1

4

3

13

低聚果糖生物工程

3

1

3

2

3

3

2

2

2

2

3

4

0

4

4

2

4

14

白水回收

1

3

3

4

2

2

2

3

3

2

2

2

4

0

3

4

3

15

三级沉淀

2

3

1

2

2

3

2

3

2

2

3

1

4

3

0

4

3

16

酵母精生物工程

3

1

3

2

3

3

2

2

2

2

3

4

2

4

4

0

4

17

二级处理

0

4

3

3

4

3

3

3

3

2

3

3

1

3

2

3

2

  

       网络中心性分析
  广西贵港(制糖)产业共生网络的点度中心势为26%,居间中心势为24.98%,接近中心势为22.57%,可见网络节点局部集聚程度、节点对资源的控制能力和不受他人控制的能力均存在较低的势差,网络的所有节点之间的地位相对较为均衡平等。三个中心势指标值,均反映出网络具有较低的中心势,网络中所有节点关系较为均等。究竟网络中是否存在核心节点,我们将对网络展开进一步的节点影响力分析。
  表 4.2广西贵港(制糖)产业共生网络的中心势特征

  广西贵港

接近中心性

居间中心性

点度中心性

 

绝对值

标准化

绝对值

标准化

绝对值

标准化

平均

35.06

46.87

9.53

7.94

3.29

20.59

方差

5.87

7.39

11.92

9.93

1.99

12.46

总和

596.00

796.72

162.00

135.00

56.00

350.0

Variance

34.41

54.67

142.01

98.62

3.97

165.2

中心势

22.57%

24.98%

26.00 %

  节点影响力分析
  表 4.3广西贵港(制糖)产业共生网络的节点中心性特征

  序号

节点

特征向量中心性

接近中心性

居间中心性

点度中心性

绝对值

标准化

绝对值

标准化

绝对值

标准化

绝对值

标准化

1

绿色制浆

0.35

50.01

28.00

57.14

33.13

27.61

7

43.75

2

糖生产

0.35

49.76

29.00

55.17

37.74

31.44

7

43.75

3

热电厂

0.42

58.86

29.00

55.17

2631

21.92

7

43.75

4

能源酒精技改

0.25

35.89

34.00

47.06

2

1.66

3

18.75

5

造纸厂

0.24

33.52

30.00

53.33

20.10

16.75

4

25

6

现代化甘蔗园

0.23

32.79

34.00

47.06

3.12

2.59

3

18.75

7

水泥厂

0.27

37.75

30.00

53.33

6.77

5.64

3

18.75

8

轻钙厂

0.17

24.01

33.00

48.49

11.70

9.75

3

18.75

9

酒精厂复合肥车间

0.30

42.20

31.00

51.61

5.87

4.89

4

25.00

10

制糖厂压榨车间

0.32

45.56

29.00

55.17

9.36

7.80

4

25.00

11

碱回收

0.13

17.62

37.00

43.24

1.58

1.32

2

12.50

12

除尘脱硫塔

0.22

31.00

36.00

44.44

4.32

3.60

3

18.75

13

低聚果糖生物工程

0.08

11.84

44.00

36.36

0.00

0.00

1

6.25

14

白水回收

0.08

11.90

43.00

37.21

0.00

0.00

1

6.25

15

三级沉淀

0.15

21.38

40.00

40.00

0.00

0.00

2

12.50

16

酵母精生物工程

0.08

11.84

44.00

36.36

0.00

0.00

1

6.25

17

二级处理

0.06

7.98

45.00

35.56

0.00

0.00

1

6.25

 

  度和点度中心性
  网络中节点的最高度数为7,分别为绿色制浆、糖生产与热电厂,说明这三个节点在整个网络中与其他环节的相关性很强,他们在网络中具有至关重要的地位。网络中节点的最低度数为1,分别为低聚果糖生物工程、酵母精生物工程、白水回收和二级处理。网络的平均度为3.29,具有较高的平均度,整个网络所有节点之间的整体关联程度很紧密。


  介数和中间中心性
  节点中间中心性分析结果与点度中心性分析结果相吻合,糖生产、绿色制浆与热电厂具有相对较高的介数,对整个网络中的资源控制能力较强。其中介数最大的为糖生产,其次为绿色制浆。可见在园区中最能控制资源的节点为糖生产和绿色制浆,可见糖生产和制浆在园区中处于关键地位。热电厂在此的地位,充分体现出共享平台的重要性,几乎所有的生产环节都需要用电,热电厂作为基础设施,在此起到了至关重要的作用。
 

  接近中心性
  所有节点的接近中心性指数相差不大,水平极为相近。仔细分析,可以看到,网络中最不受他人控制的节点分别为绿色制浆工程、糖生产、热电厂、制糖厂压榨车间;最容易受他人控制的节点依然为低聚果糖生物工程、酵母精生物工程、白水回收和二级处理。


  特征向量中心性
  按照特征向量中心性分析结果,该网络中居于核心地位的节点为热电厂、绿色制浆、糖生产、制糖产压榨车间、酒精厂复合肥车间。很明显地可以看到整个产业网络的核心产品为糖、纸和酒。其中酒精厂复合肥车间作为副产物资源化的一个环节,在此具有很高的特征向量中心性,体现出废弃物资源化技术的重  


  核心-边缘分析
  根据核心-边缘分析,可得到以下结论:绿色制浆工程、糖生产、热电厂、能源酒精技改、造纸厂、现代化甘蔗园、水泥厂、轻钙厂、酒精厂复合肥车间、制糖厂压榨车间、除尘脱硫塔为网络的核心成员,碱回收、白水回收、三级沉淀、酵母精生物工程、二级处理和低聚糖生物工程处于网络的边缘地位。核心成员之间的关系密度为0.364,边缘成员的关系密度为0,核心与边缘成员之间的关系密度为0.121。如表4.4-4.6所示。
  表 4.4 广西贵港(制糖)网络核心-边缘分析系列组成

 

  1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

2

11

13

14

15

16

 

 

 

 

 

 

  表 4.5 广西贵港(制糖)网络核心-边缘分析密度矩阵

   

1

2

1

0.364

0.121

2

0.121

0.000

  表 4.6 广西贵港(制糖)网络核心-边缘分析关系矩阵

   

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

11

13

14

15

16

17

1

绿色制浆工程

 

 

 

 

1

1

1

 

 

1

1

1

 

1

 

 

 

2

糖生产

 

 

 

1

 

 

1

1

1

1

 

 

1

 

 

1

 

3

热电厂

 

 

 

1

1

 

1

 

1

1

1

 

 

 

1

 

 

4

能源酒精技改

 

1

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

5

造纸厂

1

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

6

现代化甘蔗园

1

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

7

水泥厂

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

轻钙厂

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

9

酒精厂复合肥车间

 

1

1

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

制糖厂压榨车间

1

1

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

除尘脱硫塔

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

11

碱回收

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

低聚果糖生物工程

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

白水回收

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

三级沉淀

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

16

酵母精生物工程

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

二级处理

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  从图4.2,我们可以清楚地看到数据结构的如下三方面:首先,核心成员之间关联程度很强,形成一个“派系”;其次,核心成员与某些边缘成员之间存在关系;第三,边缘成员之间不存在关系。这种模式正是核心/边缘部分关联结构的特点,是该结构的重要性质。同时,与沱牌酒业产业共生网络相似,核心成员要多于边缘成员。


  关键节点识别。
  在以上五个指标分析的基础上,我们可以识别出该网络的关键节点。
  核心节点。该网络中居于核心地位的节点有5个,为热电厂、绿色制浆、糖生产、制糖产压榨车间、酒精厂复合肥车间。
  较独立节点。水泥厂和酒精能源技改。水泥厂的接近中心性位居第三,而居间中心性位居第七,可见水泥厂虽然对于资源的控制能力较弱,但是其不受他人控制的能力很强,也就是说水泥厂具有较高的独立性,在该网络中其他产业和环节的变动很难影响到水泥厂的发展。此外,能源酒精技改也表现出与水泥厂较为相像的情形。
  薄弱节点:低聚糖生物工程。低聚糖生物工程作为该园区将要重点发展的环节,需要进一步加强保护。
   
  网络复杂性分析
  小世界性分析
  表 4.7广西贵港(制糖)产业共生网络小世界特征指标分析

  名称

节点数

平均度

密度

网络簇系数

特征路径长度

随机

真实

正规

随机

真实

正规

贵糖

17

3.29

0.206

0.19

0.23

0.75

2.38

2.19

2.58

  如表4.7所示,可见其具有较高的网络簇系数和很短的特征路径长度,具有小世界性。


  无标度性分析
  广西贵港(制糖)产业共生网络的度分布曲线如图4.3所示,该曲线既不呈现Poisson分布,也不呈现幂率分布,网络不具有无标度性。


  结果与分析


  广西贵港(制糖)产业共生网络共有节点17个,关系28条,平均度为3.29;密度与簇系数相近,约为0.2,整体集聚水平与局部积聚水平相近;网络的特征路径长度为2.19,网络的信息传递速度很快;网络具有较低的中心势,约为25%,网络中所有节点关系较为均等;存在核心节点5个、较独立节点2个、薄弱节点1个。网络具有很强的小世界性,但是不具有无标度性。
  网络分析方法的适用性。社会网络分析的方法初步应用于产业共生网络分析,体现出很强的适用性。可以清楚地分析网络的基本特征和中心性,并能在一定程度上识别出网络的关键节点——核心节点、薄弱节点与较独立的节点。但是该工具目前无法将网络之间的联系进行加权计算,也就是说,网络中各节点之间的关系只能表示有无,不能对其中的重要性进行量化,这在一定程度上影响了网络分析的准确性。
  网络分析可进一步的简化。在网络中心性分析中,选取点度中心势、居间中心势和接近中心势中的任意一个指标进行分析即可。
   
  参考文献
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  * 第一作者:钟钢,男,安徽人,1987年6月生,硕士。联系方式:13816510296,E-mail: sai19870601@126.com

 
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