基于時間序列網絡相似度模型的港城協同時滯效應研究

發布時間：2021-12-07所屬分類：經濟論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：在經濟全球化的推動下，持續增長的國際貿易不僅促進了經濟發展，也加強了國際貿易對港口的依賴性。如何科學、準確地衡量腹地經濟發展與港口建設的時滯效應，是在城市經濟發展中發揮港口及臨港產業作用急需解決的問題。針對港城協同發展存在的時滯效應，基于時間

　　摘要：在經濟全球化的推動下，持續增長的國際貿易不僅促進了經濟發展，也加強了國際貿易對港口的依賴性。如何科學、準確地衡量腹地經濟發展與港口建設的時滯效應，是在城市經濟發展中發揮港口及臨港產業作用急需解決的問題。針對港城協同發展存在的時滯效應，基于時間序列網絡相似度模型構建論證和設計時滯效應分析方法，并以上海港、寧波—舟山港和深圳港實證分析，通過構建2000~2020年腹地城市GDP和集裝箱吞吐量時間序列網絡，測度其網絡相似度和時滯效應滯后期。研究表明：(1)時間序列網絡相似度能夠反映價值轉化參數向量的映射關系。(2)中國三大集裝箱港口腹地經濟和集裝箱吞吐量時間序列網絡相似度均為1.00，網絡結構呈現高度相似。(3)上海港、寧波—舟山港和深圳港的時間序列網絡時滯效應的滯后期分別為4年、1年和4年，不同港口受到現實中政治、地理、經濟等方面因素的影響，其港城協同時滯效應也有所差異。

　　關鍵詞：時滯效應;港城協同;滯后期;時間序列網絡;相似度模型

　　0引言

　　經濟一體化促進了國際貿易的發展，我國約95%的國際貿易量是通過海運完成的。2020年，我國海運進出口量增長6.7%，占全球海運貿易量30%。持續增長的國際貿易給我國港口發展帶來了巨大的機遇。現代港口作為海運過程中的重要樞紐，具有水路聯運設備及條件供船舶進出和貨物裝卸，在促進國際貿易和地區經濟發展中的地位和作用越加明顯。近年來，我國港口在基礎設施建設、對外貿易等方面都取得了較大進展，但在高速發展的同時問題也逐漸顯現，沿海城市為爭奪港口資源，盲目投資建設港口碼頭，這不僅會造成港口資源的嚴重浪費，還會對沿海岸生態環境造成不可逆的負面影響。因此，如何科學、準確地衡量城市經濟發展與港口建設的關系，合理規劃港口產業投資建設和港城協同，是發揮港口及臨港產業在城市經濟發展中作用急需解決的問題�？茖W合理地度量港城協同關系，有利于發現中國港城建設發展的現狀和演化規律，為港口資源配置和投資提供有價值的決策依據。

　　港口腹地城市的發展對區域經濟和港口產業有著深遠的影響，相對的，港口對于經濟腹地的依賴也更為明顯。在集裝箱化之前，腹地在現實中一般表現為該港口的專屬腹地。隨著國際貿易的增長，港口與經濟腹地的關系開始受到關注。Notteboom和Rodrigue(2005)首先提出港口區域化概念，闡明了港口腹地發展的新動力[1]。Monios和Wilmsmeier(2013)進一步回顧了港口區域化的文獻，并認為只有當多式聯運系統更加完善之后，港口區域化才得以實現[2]。不同港口和經濟腹地關系的發展變化均存在內在的一致性。港城關系一般是一種互動關系，而經濟腹地與港口則是一種同步發展的關系[3]。SamiBensassi(2015)基于引力模型研究西班牙港口與區域經濟的相互作用，證明了港口基礎設施在區域經濟中的重要性[4]。楊麗香、朱俊麗(2013)則從國際貿易的角度出發，分析了經貿與港口的相互作用及其發展趨勢，提出港口應快速融入國際貿易體系，以尋求新的利潤增長點[5]。楊長春(2007)采用計量方法對中國對外貿易額和集裝箱吞吐量的時序數據進行分析，結果表明我國對外貿易與港口吞吐量存在著反饋性的因果關系，但港口吞吐量的促進作用較大[6]。王領(2010)和徐蘭燕、許繼琴(2012)基于協整理論分別對上海市和浙江省港口吞吐量與對外經濟進行實證分析，結果都表明港口吞吐量與對外經濟存在單向的因果關系[7-8]。林青(2011)運用VAR模型分析了我國外貿與港口發展的互動效應，結果表明對外貿易有效促進港口發展建設，但作用期限較短，而港口建設能夠拉動對外貿易的增長，并且長期效果顯著[9]。朱坤萍、張喜梅(2013)則基于1990~2011年河北省港口貨物吞吐量和外貿進出口貨物總額，通過構建VAR模型進行實證研究，結果表明河北省港口和對外經貿相互促進，并且港口對貿易的短期作用較明顯，港口對經濟的依賴要大于經濟對港口的依賴程度[10]。向敏、于潔(2013)通過計量經濟學方法，實證分析了重慶港口與貿易之間的關系，發現港口與貿易之間保持均衡穩定發展，且經濟對于港口的拉動效應較強[11]。楊月鋒、徐學榮(2013)基于協整理論，并構建向量誤差修正模型對廈門港進行實證分析，結果表明港口與區域經濟存在長期均衡的協整關系，且能夠在經濟出現偏離均衡時，對其進行快速調整[12]。李秋煙、余貴美(2015)則基于福建省2000~2013年港口貨物吞吐量和外貿總額數據進行實證分析，結果表明福建省港口與經濟間存在顯著正相關性，且港口對經濟的推動作用明顯大于經濟對港口的促進作用[13]。

　　關于如何衡量港城協同程度，眾多學者采用不同的方法進行測度。孟慶松、韓文秀(2000)基于協同學理論，構建了復合系統協調度模型，用于驗證“科技—經濟—教育”系統的協調度[14]。鐘銘等(2011)基于協調度模型，構建了港口物流與城市經濟協同度模型，通過對大連市港口進行測算，表明大連市港口與經濟序參量之間協同作用較大[15]。孫鵬、羅新星(2012)基于協同學自組織的角度，構建了物流業與制造業協同評價模型，并以湖南省為例進行測算，結果表明物流業與制造業二者協同程度很低[16]。王愛虎(2014)通過構建灰色動態模型GM()1,N模型對廣東省物流與經濟的協調度進行測算，驗證了二者的協同發展[17]。郭佟佟(2014)利用多維灰色模型測算了河北省港口物流與區域經濟的協同程度，結果表明港口功能過于單一制約了二者的協同發展水平[18]。劉曉春、彭志忠(2009)通過構建系統動力學模型，仿真驗證了物流業與金融業協同發展模型的有效性和合理性[19]。

　　復雜網絡是描述和研究復雜系統拓撲結構和行為的關鍵，近年來對復雜網絡的研究取得了快速的進展，很多學者運用經濟地理學，統計物理學等方法分析其網絡結構及動態特性。Nguyen和Hans(2003)基于圖論、統計學和社會網絡分析了1995~2011年全球航運網絡的拓撲結構和動態變化[20]。Carlos(2000)等用復雜網絡可視圖方法分析了2008~2010三年間海運航線的演變，衡量了港口或航線重要性[21]。Wang(2001)等利用國際航線數據來研究全球航運網絡的空間格局及輪輻系統，表明全球航運網絡存在多層次結構[22]。而Lacasa(2008)最早將時間序列劃分為有序(周期)、隨機和分形時間序列，并提出了適宜其轉換的復雜網絡結構圖[23]。RVDonner(2010)從相空間中的遞推視角出發，將時間序列的遞推矩陣解釋為關聯復雜網絡的鄰接矩陣，提出了一種分析復雜系統時間序列結構的新方法[24]，Li等利用可視性算法來確定研究對象是否具有系統確定性和隨機性[25]。近年來，時間序列可視圖算法也已經應用于不同領域。張夢月等(2020)基于2011~2018年中國專利百度搜索指數，分析了時間序列復雜網絡的社團結構和周期性[26]。湯霞等(2021)通過建立航線出口集裝箱價格網絡，研究了SCFI二級市場的地位及波動性的傳遞特征[27]�；�于可視性算法的原理，從網絡參數上分析復雜網絡的特性，可以在時間序列數據中挖掘出更多的隱藏信息，更全面地了解網絡屬性。關曉光等(2020)基于復雜網絡理論，從網絡結構、港口區位和經濟重要性三個方面，衡量了中國集裝箱港口在全球班輪運輸網絡中的重要程度[28]。蘇凌(2006)通過構建時間序列神經網絡對大連港吞吐量進行預測，并對徑向基函數神經網絡進行改進，使網絡模型更具通用性[29]。

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　　綜上所述，目前對腹地城市與港口間相互關系的研究表明，腹地經濟水平與港口發展間存在較強相關性，腹地經濟水平的提升會推動港口及臨港產業的發展，而港口建設所帶動的貿易增長會反過來拉動腹地經濟發展。從系統的角度看，腹地城市和港口同屬于社會經濟系統的重要子系統，具有一定的相似特性，兩者的高水平協調對于社會經濟發展至關重要。當前對于腹地和港口協同發展的研究已經較為全面，但是對于腹地經濟和港口發展間存在的時滯效應和滯后程度卻鮮有涉及。因此，為了探究腹地經濟和港口發展的相似程度和時滯效應，以提高政策制定有效性，本文在已有研究的基礎上，一方面，基于協同學，系統論等從宏觀層面深入探究了腹地經濟與港口產業的作用機理;另一方面，利用時間序列網絡相似度模型對衡量系統時滯效應的優越性，以我國上海港、寧波—舟山港和深圳港三大集裝箱港口為研究對象，采用時間序列可視圖網絡方法，計算港口腹地城市GDP和集裝箱吞吐量時間序列的網絡相似度，并測度城市經濟發展和港口建設的時滯效應及滯后期，不僅為港城協同發展的政策規劃提供了理論依據，有助于加強港城分工協作，還為研究多系統時滯效應提供了思路和可行性。

　　1腹地經濟與港口產業作用機理

　　經濟的高速增長伴隨著貿易量的激增，促進了港口及臨港產業的快速發展，而港口基礎設施的逐步完善，港口作業和流通效率的不斷提高，推動港城經濟的高質量持續發展�；�于已有研究，歸納總結出腹地經濟與港口產業的協同作用機理如圖1所示。港城協同效應主要表現在腹地經濟對港口產業的推動效應和港口產業對腹地經濟的拉動效益兩個方面：

　　1.1腹地經濟對港口產業的推動效應

　　(1)伴隨著經濟聯系的日益緊密，貿易量的逐年增加，催生了龐大的運輸需求，這就對港口的吞吐能力及服務質量提出了更高的要求，促使港口加快基礎設施建設，如加快碼頭建設、航道疏浚、航線開通等方面，港航基礎設施的規�；�發展極大提高港口物流服務供給能力。

　　(2)基于對經貿需求呈現出多樣化的趨勢，為滿足客戶的不同需求，港口必須加快改革傳統的運輸方式。通過運用先進港口技術和管理運營理念，在貨物的生產、運輸、裝卸、包裝、儲存等流通環節中提高產品附加值，降低流通過程中的價值損耗，增強對市場的敏感度，提高其產品在國際市場上的競爭力，促使港口物流能夠提供包括加工包裝、裝卸運輸、倉儲配送、貨運代理、報關報檢、金融保險等全方位一體化的綜合服務。

　　1.2港口產業對腹地經濟的拉動效應

　　(1)降低對外貿易成本，增加貿易總量。港口基礎設施如港區、碼頭的建設，港口綜合物流服務如加工包裝、裝卸運輸、倉儲配送、貨運代理、報關報檢、金融保險等全方位服務的開發，有助于外貿企業降低交易成本、提高生產經營及交易效率，能夠為貿易提供充足的物流供給和高效的物流服務，以促進雙方的貿易發展，增加貿易總額。

　　(2)提高服務能力，優化產業結構。港口經貿、物流和金融等多項服務功能的完善，有助于優化產品結構，促進產業升級，以拓展新的利潤增長。港口通過改善傳統的運輸、倉儲和裝卸等基本服務需求，在港口流通環節中提高產品附加值，降低產品在流通環節中的損耗，加快貨物的流通效率，提高港口綜合服務能力的同時提升港口經濟效益。

　　腹地經濟與港口產業作用機理如圖1所示。

　　2方法及模型

　　基于對腹地經濟與港口產業的作用機理分析，本文選取代表性指標腹地城市GDP和港口吞吐能力構建了港城協同時間序列網絡，并采用時間序列網絡相似度模型計算港城協同滯后期，以科學、準確地衡量腹地經濟水平與港口建設間的時滯效應及滯后期。

　　2.1時間序列網絡相似度模型

　　由于x()t、y()t均為參數向量，故可以根據參數向量構建時間序列網絡的相似性來反映f()x()t,0的變化，時間序列網絡能夠很好地反映出時間序列數據在某個時間段內的結構，這主要是由于即便是同樣的增長，其時間序列網絡的結構也是不相同的，因此通過結構的相似性可以判斷該系統的延時情況，也就是子系統x()t和y()t轉化的時滯效應。

　　3實證分析

　　3.1研究對象及數據來源

　　為了衡量時滯效應模型的有效性，本文根據中國交通部《全國沿海港口規劃》，選取中國沿海港口貨物吞吐量排名前3的上海港、寧波—舟山港和深圳港作為研究對象，以港口2000~2020年的集裝箱吞吐量(千TUE)和腹地城市GDP(億元)來構建時間序列網絡并計算其相似度和滯后期。這些港口的數據來自國家統計局及歷年《中國統計年鑒》，如圖5所示。

　　3.2時間序列網絡相似度計算

　　網絡相似度衡量了港口腹地城市GDP與集裝箱吞吐量時間序列網絡的相似程度，為更深入地評估港城協同作用奠定基礎。網絡相似度越高，說明港城兩系統發展過程越同步，二者的時間序列網絡呈現出相似的結構;反之，則說明二者的網絡結構存在差異。本文基于我國三大集裝箱港口腹地GDP與集裝箱吞吐量數據，通過時間序列網絡相似度模型對網絡相似程度進行測算，研究腹地經濟與港口產業二者之間發展的相似程度。

　　在將上海港、寧波—舟山港和深圳港港口腹地GDP與集裝箱吞吐量時間序列數據轉化為網絡后，進一步計算了兩者的網絡相似度，如表1所示。從網絡相似度出發，可以清楚地發現，上海港、寧波—舟山港和深圳港港口腹地GDP與集裝箱吞吐量時間序列網絡相似度均為1.00，說明港城系統網絡結構呈現高度相似，腹地經濟水平和港口發展較為同步，在一定程度上表明港城發展較為協同。結合國家宏觀政策分析可以發現，中國加入世貿組織(WTO)20年以來，在推動高水平對外開放的同時，也積極加快構建港城協同新發展格局，城以港興，港為城用。如今，我國已基本形成環渤海、長三角、東南沿海、珠三角和西南沿海五大港口群，充分發揮港口對區域經濟協調發展的輻射帶動作用。總體來看，通過對腹地經濟與集裝箱吞吐量數據對比分析，隨著腹地經濟水平的提高，貿易貨物需求量也不斷增長，帶動港口貨物和集裝箱吞吐量提高，拉動了港口及臨港產業的發展，港口腹地GDP與集裝箱吞吐量增長趨勢擬合，發展也較為協同。但是由于兩者的發展受到諸多因素的影響，不同城市的經濟結構、發展規劃、地理限制及資源環境等存在差異，導致不同港口的港城協同存在差距。

　　3.3港城協同時滯效應分析

　　通過對網絡相似度的計算可以發現三大集裝箱港口腹地GDP與集裝箱吞吐量時間序列網絡具有顯著的相似性，本節在時間序列相似度網絡的基礎上進行時滯效應分析和滯后期的測度;首先，以基準年時間序列網絡的鄰接矩陣為x()t，計算其與y()t在有效期p內的相似度S=s1,s2,…,s()p;其次，根據公式可知，在每個階段的有效期內，最大相似度對應的年數，即為此階段的滯后期;最后，將每個階段所對應的滯后期相加，即為滯后期整體時間。計算結果如表2所示。

　　具體來看，上海港的滯后期為4年，意味著上海市經濟水平的提高到實現完全推動港口及臨港產業發展，所需平均時間約為4年。這主要是由于上海市作為我國國際經貿、金融服務、交通運輸和科技創新中心，始終以城市整體發展為目標，港口航運建設作為社會經濟子系統配套城市系統建設。由于上海市具有較高的綜合發展水平，產業結構也以第三產業為主，服務業發展迅速，港口及臨港產業對于城市整體的拉動作用成效有限，城市經濟發展水平的提升很大程度上來自其自增長效應，所以上海港的時滯效應偏大。20年來，上海市“以港興城、港城聯動”，通過港口航運的輻射作用極大地提高了經貿、交通運輸和金融等綜合實力，逐步進入城市自增長的“脫港而強”階段。但是，在當今經濟“雙循環”的背景下，國際貿易仍然是城市經濟發展的重要增長點，上海市應重視港城協調發展，加大對港口經濟的投資和扶持，全面提升上海港和腹地經濟協同聯動以“促港共榮”，實現港城系統良性循環，構建新時代高質量港城共同繁榮。寧波—舟山港的滯后期為1年，意味著寧波—舟山港及臨港產業的發展滯后于腹地經濟的平均時間約為1年。相較于上海市，寧波市和舟山市的城市綜合實力較低，寧波—舟山港及其臨港產業的集聚效應作為腹地城市經濟發展的強勁動力。據統計，寧波—舟山港2020年完成貨物吞吐量11.72億噸，其中集裝箱吞吐量2872萬TUE，貨物吞吐量連續第12年保持全球第一，集裝箱吞吐量繼續位列全球第三，僅次于上海港和新加坡港。寧波市和舟山市已基本實現工業化，城市與港口發展較為同步，都處于同規模收益增長較快的階段，所以港口對城市經濟發展的拉動作用顯著，港口和腹地經濟趨于良性互動發展。隨著我國經濟發展逐步進入沿海與內陸經濟協同發展的新時期，寧波—舟山港應借助其獨特的港口資源優勢，基于云計算、5G和物聯網等新技術開始從傳統港口向智能化港口轉型，提高信息化率，從而發揮信息資源的最大效能，提高港口生產效益，以更好地促進腹地經濟發展。深圳港的滯后期為4年，意味著深圳港及臨港產業的發展滯后于腹地經濟的平均時間約為4年。深圳作為經濟特區和國際化城市，港城發展演變進程同上海市相似，而深圳港也已逐步建設成為全球第三大集裝箱樞紐港。由于深圳市城市綜合實力較高，港口及其臨港產業在城市經濟中所占比重較低，但是在產業結構升級與航運需求變化等多重壓力下，深圳市仍需從提高港口綜合能力著手，加強港口配套設施建設，提高港口吞吐能力和流通作業效率，釋放港口發展潛力，打造成為現代化國際樞紐港，以期進一步帶動深圳市對外開放水平和國際影響力。

　　綜上分析，港城協同時滯效應具有規律性，港口腹地經濟對港口產業的推動存在一定程度的滯后，但不同港口由于受到政治、地理、經濟等諸多因素的影響，其港城協同的滯后期分布也有所不同，間接證明了基于時間序列網絡和余弦相似定理來測度滯后期的方法具有較好的穩定性，這對制定港城協同政策具有指導意義。

　　4結論與不足

　　本文基于已有研究分析了腹地經濟與港口產業的作用機理，利用2000~2020年中國三大集裝箱港口的面板數據，構建了時間序列可視圖網絡，并計算港口腹地城市GDP與集裝箱吞吐量的網絡相似度;最后實證分析了上海港、寧波—舟山港和深圳港時間序列網絡的時滯效應及滯后度。最終得出以下結論：

　　(1)時間序列網絡相似度能夠反映價值轉化參數向量的映射關系，其最大相似度反映了價值轉化程度，即滯后效應，且對應的時間反映了滯后期;可以通過構建各子系統的時間序列網絡并采用余弦相似定理測度系統隨時間推移的相似度，求解最優映射關系以確定滯后效應及滯后期。時間序列網絡相似度模型為探討復雜網絡提供廣泛的可能性。

　　(2)中國三大集裝箱港口上海港、寧波—舟山港和深圳港的港城時間序列網絡最大相似度均為1.00，表明港城系統時間序列網絡結構呈現高度相似，腹地經濟水平和港口發展較為同步。

　　(3)上海港、寧波—舟山港和深圳港的港城協同時滯效應滯后期分別為4年、1年和4年，這主要是由于不同港口的規劃和管理受到現實中政治、地理、經濟等方面因素的影響，其港城協同時滯效應也會有所差異。

　　本文的研究結論對我國港城協同發展具有一定的啟示，總體而言，經濟的高速增長伴隨著貿易量的增長，促進了港口及臨港產業的快速發展，而港口產業的繁榮，也會推動港城經濟的高質量持續發展。因此重視港城協同及其時滯效應對于我國新時代區域均衡高質量發展具有重要意義。通過上述分析，本研究的主要貢獻為：在理論方面，構建了一套較為完整的港城系統時滯效應分析框架，論證了系統時間序列網絡結構的映射關系，構建了測度時滯效應的模型，為研究多階段時滯效應提供了思路和可行性。在實踐方面，對港城系統的時滯效應及滯后期進行衡量和觀測，提供了滯后期計算的理論依據，有助于港城協同發展的政策制定。但是，本研究在進行實證時，僅考慮到了港口腹地GDP和港口吞吐量兩個指標，缺乏全面性和合理性，沒有考慮對港城系統有影響的經濟和政策等外部因素，將在未來研究通過構建全面的港城系統綜合指標體系進行突破，以便進一步提高港城協同時滯效應研究的科學性與準確性。——論文作者：鄭建平1，胡永仕2