基于可持续目标的城市发展预测方法及系统

本发明涉及城市发展趋势预测技术领域，具体地，涉及一种基于可持续目标的城市发展预测方法及系统。

背景技术：

城市未来的发展将给国家和世界带来诸多机遇和挑战。分析城市未来发展的关键影响因素，了解城市未来的发展趋势，无论是对于国家、政府、人民，都具有重要意义。对城市的发展趋势进行预测之前，需要明确城市系统的结构及对系统发展造成影响的关键要素。以城市的可持续发展为目标，这些关键要素可归为三类：人口、经济和资源，它们之间相互关联，各为一个子系统，如图1所示。

公开号为cn101901462a的中国发明专利，公开了一种城市生态系统承载力的动态分析方法，包括：运用系统动力学模拟城市社会经济系统驱动要素的动态过程和作用关系；通过构造子模块来建立所述驱动要素同生物资源供需的响应关系；采用生态足迹综合核算法进行生态足迹核算；以可行性和可持续发展目标为标准，设计不同的生态调控情景对城市可持续发展趋势进行调控优化。

在城市发展趋势的预测方法方面，差分自回归移动平均模型arima算法，结合了自回归模型、移动平均模型以及差分算法，是中长期时序预测的经典算法，具有灵活、准确的特点。但是，arima模型由于仅仅根据历史数据进行，因此在长期预测时可能出现对突变量的错误估计。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于可持续目标的城市发展预测方法及系统。

根据本发明提供的一种基于可持续目标的城市发展预测方法及系统，所述方案如下：

第一方面，提供了一种基于可持续目标的城市发展预测方法，所述方法包括：

步骤s1：输入某城市的人口、经济、资源数据；

步骤s2：建立该城市的人口-经济-资源系统的数学模型；

步骤s3：建立该城市的考虑中间变量的系统动力学模型；

步骤s4：根据需要对该城市的发展趋势进行预测；

步骤s5：输出预测结果。

优选的，所述步骤s2中建立人口系统的数学模型：

式中，表示城市总人口；和分别表示迁入率、迁出率、出生率、死亡率和劳动力比例；和分别表示迁入人口、迁出人口、出生人口、死亡人口和劳动力数量；表示城市的最大承载人口数。

优选的，所述步骤s2中建立经济系统的数学模型，包括生产函数，表示投入要素与产出之间的经济技术联系关系；

其中，投入要素主要包括资本投入、劳动力投入和人力资本投入，生产函数表示为：

gdp(t)＝f(l,k,h,t)

式中，gdp表示国内生产总值，l、k和h分别表示劳动力投入、资本投入和人力资本投入；t为时间。

优选的，所述国内生产总值按三次产业进行计算，即：

其中，yi是第i次产业的国内生产总值，pi表示第i次产业所占比重；

式中，gdpinc表示gdp增加量；表示gdp增长率，ptech表示技术进步贡献率，表示劳动力增长率，pk表示资本增长率；llabor和lk表示劳动力弹性系数和资本弹性系数。

优选的，所述步骤s2中建立资源系统的数学模型：

式中，表示资源总量，表示初始资源量，表示资源再生量，表示资源消耗量(i＝water,sw,ww)；表示农业灌溉用水，表示工业耗水，表示生活用水；表示固废产生量，表示固废处理量，表示固废处理率；表示废水产生量，表示废水处理量，表示废水处理率。

第二方面，提供了一种基于可持续目标的城市发展预测系统，所述系统包括：

模型m1：输入某城市的人口、经济、资源数据；

模型m2：建立该城市的人口-经济-资源系统的数学模型；

模型m3：建立该城市的考虑中间变量的系统动力学模型；

模型m4：根据需要对该城市的发展趋势进行预测；

模型m5：输出预测结果。

优选的，所述模型m2中建立人口系统的数学模型：

式中，表示城市总人口；和分别表示迁入率、迁出率、出生率、死亡率和劳动力比例；和分别表示迁入人口、迁出人口、出生人口、死亡人口和劳动力数量；表示城市的最大承载人口数。

优选的，所述模型m2中建立经济系统的数学模型，包括生产函数，表示投入要素与产出之间的经济技术联系关系；

其中，投入要素主要包括资本投入、劳动力投入和人力资本投入，生产函数表示为：

gdp(t)＝f(l,k,h,t)

式中，gdp表示国内生产总值，l、k和h分别表示劳动力投入、资本投入和人力资本投入；t为时间。

优选的，所述国内生产总值按三次产业进行计算，即：

其中，yi是第i次产业的国内生产总值，pi表示第i次产业所占比重；

式中，gdpinc表示gdp增加量；表示gdp增长率，ptech表示技术进步贡献率，表示劳动力增长率，pk表示资本增长率；llabor和lk表示劳动力弹性系数和资本弹性系数。

优选的，所述模块m2中建立资源系统的数学模型：

式中，表示资源总量，表示初始资源量，表示资源再生量，表示资源消耗量(i＝water,sw,ww)；表示农业灌溉用水，表示工业耗水，表示生活用水；表示固废产生量，表示固废处理量，表示固废处理率；表示废水产生量，表示废水处理量，表示废水处理率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、以城市可持续发展为目标，考虑了人口、经济、资源三个子系统之间的相互作用及对城市发展的影响，其预测结果能够更加准确详细地反映城市发展的可持续性；

2、本模型可以更为细致地刻画系统内部运行方式，从而实现对城市的发展趋势更加准确的预测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请中城市各子系统之间的关系图；

图2为本申请中的人口子系统结构图；

图3为本申请中的经济子系统结构图；

图4为本申请中的资源子系统结构图；

图5为本申请的系统动力学模型结构图；

图6为本申请中的中国某地区2000-2017年研究与发展经费和生产总值变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种基于可持续目标的城市发展预测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤s1：输入某城市的人口、经济、资源数据；

步骤s2：建立该城市的人口-经济-资源系统的数学模型；

步骤s3：建立该城市的考虑中间变量的系统动力学模型；

步骤s4：根据需要对该城市的发展趋势进行预测；

步骤s5：输出预测结果，包括人口指标(总人口)、经济指标(gdp)和资源指标(固废、废水、废气)，这些指标描述了该城市未来的可持续发展能力。

其中，城市中的三个子系统，即人口子系统、经济子系统和资源子系统的结构如下所述。

(1)人口子系统：

社会的进步和发展离不开人类，城市的可持续发展离不开人类的活动和人在其中发挥的作用。人口数量是衡量人口子系统规模大小的直接量化数据。而研究一个城市的人口子系统除了关注人口数量外，还要关注体现人口结构的关键指标——劳动力数量。一个城市的劳动力人口的数量、增长速率和结构变化共同决定了该城市的发展状况。人口子系统为城市的发展提供了劳动力保障，人口数量和结构(主要是劳动力占总人口的比重)影响着城市的经济发展水平和生态环境质量，这种影响是深刻且复杂的。

参照图2所示，城市人口数量与自然因素和社会因素相关。自然因素主要指出生率和死亡率。社会因素主要指城市的人口迁入率和迁出率。同时，由于一个城市的资源是有限的，人口数量又与城市的人口承载能力挂钩。关注一个城市的人口子系统，除了要关注人口数量外，更重要的是研究人口的结构。如果一个城市人口老龄化程度严重，那么这个城市的劳动力占比肯定不高。

同时，人口子系统又与资源子系统和经济子系统互相影响。一方面，人口的增长及人口质量的提高，能促进城市科技、生产力的不断进步，进一步促进教育、经济和社会的发展；另一方面，人口的增长会消耗更多的资源，产生更多的废弃物，给资源系统和环境系统造成了巨大压力，阻碍城市的健康发展。

所以，城市在发展过程中要控制好人口的数量和结构，实现健康发展的同时，减轻给资源和环境造成的压力，使城市能够可持续发展。

(2)经济子系统：

经济子系统是属于整个城市的动力子系统，是整个城市的核心部分。经济是基础，城市要想获得可持续发展，其经济子系统必须健康有活力。只有实现经济子系统又快又好发展并且保持长期稳定，整个城市的资源利用率才会越来越高，生态环境才能越来越好，社会才能长期持续发展。

参照图3所示，该经济子系统采用了国民生产总值(gdp)、投资等一系列经济影响因素刻画经济生产运作活动。通过引入能源和物质资源模拟资源子系统对经济子系统的作用和影响；通过引入城市人口数量等刻画人口子系统对经济子系统的作用。同时，经济子系统也影响着人口子系统和资源子系统的运行。

经济子系统通过产业之间的产业链使资源变成产品在市场流通，产品被人类消费后变为废弃物进入城市的物质-能源系统，在城市物质-能源系统中被资源化回收利用后转为新的产品重新回到社会大循环中。这个过程中实现了物质的闭路循环和能量、信息等的流动，促进了城市物质-能源系统的发展，对城市物质-能源系统形成一个正向的压力。同时，经济的发展会促进全社会技术水平的提高，给城市物质-能源系统新的反馈，两者相互促进，相互影响。

原材料、劳动力人口、能源、资金等作为城市经济活动的输入，经过城市生产活动产出人们需要的物资，为人们的日常生活提供便利。同时，在这个过程中，也会产生很多副产品和废弃物，给城市环境带来许多不利影响。如果不能够很好的处理城市经济活动带来的废弃物与城市环境之间的关系，会对城市的可持续发展产生不利影响。世界卫生组织(who)指出，城市的可持续发展应在资源最小利用的前提下，使城市经济朝更富效率、稳定和创新方向演进。

(3)资源子系统：

资源是在一定条件下，能够为人类利用的一切物质、能量和信息的总称。资源是一切可持续发展的物质基础。对城市可持续发展最有意义的资源是城市本身及腹地的资源，主要为可以被城市利用的矿产资源、生物资源、水资源和各种能源。土地上承载的是城市的发展与文明的进步，也是城市建设的重要物质资源。

资源的消耗利用直接关系到污染物的排放程度，资源的利用再生与城市物质-能源系统的状态密不可分。从总体上来看，资源的总量、消耗状况和再生能力不仅仅与经济子系统、人口子系统有紧密联系，也是关系到城市能否可持续发展的关键要素。通过对资源子系统与人口、经济子系统各个环节中的关键要素的分析和研究，刻画出资源子系统的主要关系，参照图4所示。资源子系统是一个庞大的系统，通过对原始资源和能源的加工处理，可以得到新的物质资源和能源。同时，资源子系统也会产出一部分的废弃物，包括固废、废水和废气。而这些废弃物输入到城市的物质-能源系统后，经过资源化回收利用等处理后，又将以新的物质资源或能源重新回到资源子系统中，这样就形成了“资源-产品-废弃物-再生资源”的循环。

资源子系统是整个系统的保障子系统，为整个系统尤其是经济子系统的运行提供必要的物质保障。资源是城市发展的重要基础，没有充足的必备资源城市将难以发展。不合理地利用资源，将导致资源浪费和枯竭，逐渐阻碍城市进一步发展。从资源角度来讲，城市可持续发展就是要合理利用资源，不断提高其使用效率和综合利用水平，以达到资源的长期持续利用。

接下来，对本发明进行更为具体的说明。

在步骤s2中，建立城市人口-经济-资源系统的数学模型：

人口系统模型：

城市化进程的不断加快，城市人口所占比重也逐渐增加。一个城市的主要人口包括常住人口和流动性人口，下式中刻画了一个城市的人口系统模型：

式中，表示城市总人口；和分别表示迁入率、迁出率、出生率、死亡率和劳动力比例；和分别表示迁入人口、迁出人口、出生人口、死亡人口和劳动力数量；表示城市的最大承载人口数。

经济系统模型：

结合新经济增长理论，采用生产函数刻画城市的经济系统模型。生产函数反映了投入要素与产出之间的经济技术联系关系。投入要素主要包括资本投入、劳动力投入和人力资本投入。生产函数可以表示为：

gdp(t)＝f(l,k,h,t)

式中，gdp表示国内生产总值，l、k和h分别表示劳动力投入、资本投入和人力资本投入；t为时间。

在我国，国民生产总值按三次产业进行计算，即

其中，yi是第i次产业的国内生产总值，pi表示第i次产业所占比重。

式中，gdpinc表示gdp增加量；表示gdp增长率，ptech表示技术进步贡献率，表示劳动力增长率，pk表示资本增长率；llabor和lk表示劳动力弹性系数和资本弹性系数。

资源系统模型：

资源子系统将物质生产资料(比如水资源、土地资源和矿产资源等)和能源进过加工转变成为经济系统中的gdp，同时，会产生一些污染(比如固废、废水和废气等)。下式中分别描述资源子系统模型：

式中，表示资源总量，表示初始资源量，表示资源再生量，表示资源消耗量(i＝water,sw,ww)；表示农业灌溉用水，表示工业耗水，表示生活用水；表示固废产生量，表示固废处理量，表示固废处理率；表示废水产生量，表示废水处理量，表示废水处理率。

在步骤s3中，建立城市考虑中间变量的系统动力学模型：

针对可持续发展城市系统的运行现状，站在城市运行角度，通过人口-经济-资源系统以及现有的城市物质-能源系统模型，构建出如图5所示的城市系统动力学模型结构图。接下来具体解释系统中主体变量与中间变量的运行方式。

主体变量：

主体变量包含城市总人口、生产总值、固废产出量、污水产生量以及废气产生量。城市总人口直接由迁入、迁出、出生、死亡率决定，而人口与劳动参与率共同确定了劳动力的供给能力，同时，人口也与能源消耗及固废产出直接关联；生产总值反映了系统整体的发展水平，由劳动力、人均产值以及资本积累确定，另一方面，生产总值关系到人口承载能力、劳动力成本、能源需求量、各类废弃物排放量等内容，是经济子系统的核心；固废产出量则由生产总值、总人口等共同确定涉及到了物质-能源系统的物质能量来源，能够反馈给城市生产系统；污水及废气产生量是需要环保基金支持解决的环境问题，污水的合理治理将产生新的水资源供给社会生产生活使用。

值得注意的是，该模型中存在可以细化的内容，比如生产总值在不同领域中的分布、经济增长对人口变化速率的影响等。通过构建中间变量，实现对系统变化的细节模拟。

中间变量：

设置中间变量为科技水平，科技水平反映随着经济的发展，人均产值、能源生产成本、能源需求量、固废处理能力等变量的变化情况。

中国某地区的年生产总值、研究与发展经费支出的变化趋势如图6所示，因此，每年的生产总值与研究与发展经费支出关系可以表示为：

其中，s表示科技水平变量的值，表示针对(m)号变量的n次多项式，同样的，可以改进系统模型中对于人均产值单位能源价格固废焚烧所得能量固废填埋所得能量能源总需求量以及死亡率公式为：

其中，k^(m)、a^(m)、b^(m)、c^(m)为模型参数，通过历史数据拟合便能得到中间变量对于其他参数的影响计算公式。配合前述子系统模型，便可求得可持续发展城市系统在当前运行模式下的各变量变化规律。

本发明实施例提供了一种基于可持续目标的城市发展预测方法，以城市可持续发展为目标，考虑了人口、经济、资源三个子系统之间的相互作用及对城市发展的影响，其预测结果能够更加准确详细地反映城市发展的可持续性；

通过本发明中建立的模型可以更为细致地刻画系统内部运行方式，从而实现对城市的发展趋势更加准确的预测。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。