系统自组织演化（通用7篇）
系统自组织演化 篇1
2015年12月,近200个缔约方在第21届联合国气候变化峰会上一致达成《巴黎协定》,这是继G8峰会、《哥本哈根协议》后关于碳减排协定的又一重要历史节点。党的十八大聚焦低碳环保,明确提出“推进绿色、循环、低碳发展的经济模式”,确保实现我国控制温室气体排放2020年行动目标。全球经济一体化以及国际分工程度的日益加深,区域集聚成为了真正意义上的经济利益体[1]。2015年10月,区域经济一体化平台———经济北约(TPP)达成,成为促进我国区域发展的重要契机。创新系统(IS)与低碳经济两者间关系紧密[2]。“互联网+”绿色生态模式就是通过打造“双创”格局,激发低碳创新活力,重塑低碳创新体系。可见,区域创新系统理论为研究低碳创新问题提供了新的研究思路,但目前关于该系统的研究忽视了其动态演化特性。本文基于区域中观和动态演化视角,深入研究区域低碳创新系统的演化过程,拓展创新系统的研究方法,为制定低碳创新发展策略提供决策依据。
1 区域低碳创新系统的内涵及自组织特征
1.1 区域低碳创新系统的内涵及结构
低碳发展背景下,创新系统向生态效率跨越式的功能性转变被认为是必然的发展趋势[3]。为了更有效地挖掘环境问题及其潜在解决方案中的内在联系,Geel等[4]将社会网络与制度框架的低碳转型纳入创新系统概念中。本文认为区域低碳创新系统是在实现“节能、减排、降耗”绿色生态经济目标的低碳发展途径中,由特定区域内,各种与低碳创新相关联的主体要素(低碳型企业、高校、科研机构、政府、中介及金融机构等)和环境要素(低碳资源、制度、政策要素等)的相互作用下,为创造、储备、使用和转让低碳创新技术、产品、工艺和服务提供媒介和平台的复杂网络系统。该系统以地域和低碳技术为双系统边界,创新主体要素居于系统核心位置,承担执行功能,环境要素则贯穿于该系统运行中的各个阶段,与主体要素之间相辅相成。区域低碳创新系统相比于其他创新系统的本质区别是,该系统将传统的系统演化目标从社会、经济价值的实现增加到生态价值3个维度,兼顾更加全面。该系统的结构模型,如图1所示。
1.2 区域低碳创新系统的自组织特征
自组织理论源于自然科学系统领域,目前,该理论的规范与方法论广泛应用于社会经济系统的革新、组织、动态演化等领域[5,6,7,8]。区域低碳创新系统演化是在一定区域内,多个低碳创新过程的聚合与叠加,是低碳创新集聚发展的过程,该系统演化不但符合自组织复杂适应系统的发展规律,而且具备该系统典型的4大特征。
1.2.1 开放性
区域低碳创新系统的区位指向和低碳技术范畴具有很大的模糊性。另外,随着低碳创新项目的完成或参与主体间的优势互补性丧失,部分创新主体的参与是动态的。区域低碳创新系统从外界输入低碳发展趋势、低碳生活理念、低碳生产物资、人才、技术等,通过系统内部的低碳资源整合向外界输出低碳技术、产品、工艺、服务等作用于外部要素,通过“无碳”“减碳”“去碳”等低碳创新技术达到“低污、低排、低能”的生态目标。
1.2.2 远离平衡态
区域低碳创新系统作为一个开放的系统,基于时间维度,各低碳创新主体进入系统时间存在差异,且各创新主体要素发展速度不一致;基于空间维度,低碳创新意识的形成、低碳创新知识的获取、低碳创新产品的生产在系统内部分布不均,系统关键环境要素在各创新主体间的聚集程度也不均衡,并产生资源、信息等的流动和动态互换。
1.2.3 非线性
区域低碳创新系统规模增量并非仅是各状态参量投入值的累加。基于边际效用递减规律,对系统进行低碳创新政策刺激,或追加低碳研发投资到一定临界值时,系统边际效益产出增速变缓甚至呈递减趋势。同时,系统各主体要素由于所扮演角色、承担职能的不同,以及低碳创新能力的差异,必然存在一定的竞协关系。
1.2.4 随机涨落
区域低碳创新系统作为一个处于非平衡态的复杂开放系统,以能源需求多样化、原材料低耗化、生产过程低排化为指导目标,系统结构调整,产品更新换代,企业重组和政府政策变更等都会引起涨落。这些看似偶然的随机涨落正是区域低碳创新系统演化的有利影响因子,通过非线性放大形成可导致系统宏观态势改变的巨涨落。
1.3 区域低碳创新系统的自组织演化方式
邵云飞等[6]将创新系统自组织演化分为原有创新范式下的自稳定和新旧创新范式交替过程中引发的自重组两大阶段。区域低碳创新系统沿原有创新轨道进行低碳创新活动,一般是直接参与生产的人员局部改进或消费者建议的结果,属于渐进式低碳创新活动,即自稳定。传统低碳创新范式为区域低碳创新过程中各个系统要素之间的非线性作用提供了稳态环境与发展模式,各参量变化在可预测范围内。该方式下的涨落回归,对系统演化产生增强作用。另外,区域低碳创新系统主体要素在新旧创新范式交替下从事低碳创新活动,否定原有局部低碳创新模式,系统结构、性质和功能发生质变,多种新的低碳创新范式形成,实现自创生。通常是低碳创新型企业、高校、科研院所研发活动的结果。此时,系统内部涨落随机性大,对系统未来发展状况预测难度大。区域低碳创新系统在选择机制下,通过非线性作用向符合低碳发展的技术范式演化,即自重组。该系统自组织演化过程,如图2所示。
2 区域低碳创新系统自组织演化过程模型
2.1 基本假设
H1:在特定时空内,区域低碳创新系统自组织演化受到低碳经济、低碳社会的发展要求,生态环境、资源禀赋的倒逼和约束。系统演化会由于传统型区域创新系统与区域低碳创新系统内企业的激烈竞争而产生波动;具有协同关系的主体之间,通过互补优势产生的叠加作用对系统演化速度及增长幅度起到增强作用,称之为系统演化的序参量。
H2:区域低碳创新系统演化程度可用系统演化各阶段的整体发展规模表示。考虑到系统各主体要素自身能力的局限性、低碳资源等环境要素的稀缺性、市场规模的有限性等因素,其整体发展规模存在上限,且忽略到周期性因素,则其演化状态曲线表现为“S”型。
2.2 Logistic改进模型与数理分析
2.2.1 模型构建
Logistic方程由R.Pearl首次提出,现广泛应用于种群数量增长演化的研究中[10]。本文用来表示区域低碳创新系统的总体发展规模增长情况。基于以上假设,本文在对Logistic标准原始方程Yx+1=βYx(1-Yx)[11]改进的基础上构建该系统自组织演化过程模型如下:
其中:Q(x)表示区域低碳创新系统在x时期的整体规模参量;P表示区域低碳创新系统发展规模极限或市场最大承载量;a表示区域低碳创新系统的自然增长率或产品扩散率,且a>0;b表示区域低碳创新系统的随机涨落项。
2.2.2 模型分析
本文首先对Logistic演化模型式(1)作积分处理,此时令初始值Q(0)=Q0并代入公式,得到区域低碳创新系统演化方程的初始解为
其中:C为常数,其具体数值由极值P和系统初始规模Q0决定。式(1)表示区域低碳创新系统自组织演化速度。当a>0,即d Q(x)/dx>0,区域低碳创新系统的演化速度曲线呈现“N”型,式(2)、(3)表示该系统演化曲线呈现“S”型,如图3所示。
由图3可知,x1时刻,系统积聚达到规模经济。随着区域内低碳创新系统规模的扩大,低碳创新资源、信息、人力、资本等出现竞争,负面效应大幅涌现,即x2时刻。之后,系统发展速度迅速减慢,当两者效应等同时,创新系统发展达到均衡,即x3时刻,创新系统的规模不再增长。此时出现3种情况:一是区域低碳创新系统结构升级,低碳创新环境不断完善,创新系统开拓了更广阔的市场容量,研发出新的低碳技术和相应的配套技术,提升了生态环境的承载量,发展路径为S1;二是系统规模趋于稳定,系统内部要素被锁定,发展路径为S;三是系统内部缺乏适度的管制规则,恶性竞争严重,环境要素不能被合理利用,系统整体竞争力降低,加速了系统主体要素的退出,导致系统退化,发展路径为S2。
对式(1)再次求导,进一步研究该系统演化过程及速度变化规律,如下:
此时,该系统在x时刻演化速度的加速度用式(4)来表示。令d2Q(x)/dx2=0,因为0<Q(x)<Px,可得到该系统演化曲线拐点Q(*x)=P/2,将此点带入式(2),则可知:
此时,区域低碳创新系统演化速度的最大值为
进一步对公式(4)求导,得到Q(x)的三阶导数:
同时,令d3Q(x)/dx3=0,则可得:
将两解带回公式(2),则可得:
这样可得到区域低碳创新系统规模的增长速度为
2.2.3 结果分析
综合上述计算与推导可知,区域低碳创新系统演化速度曲线存在2个关于x*对称的拐点,分别是(x1,a P/6)和-(x'1,a P/6)。随时间x的延长,该系统演化曲线存在一条Q(x)=P的渐近线,且演化曲线与速度曲线存在3个拐点。傅首清[12]将区域创新网络演化分为初始、离散、整合、集群以及优势创新五个阶段,分析得出该网络不断向优势创新阶段演化。本文结合区域低碳创新系统自组织特性,将其自组织演化过程分为4个时期,如表1所示。
3 区域低碳创新系统自组织演化各时期特征分析
3.1 孕育期
该阶段,新兴的低碳创新技术较为隐蔽,符合低碳化市场需求的产品刚刚入市,通常是若干具有龙头作用的创新型企业为取得低碳领域技术、产品等方面的突破与创新,发起低碳创新活动,是以自身为凝聚源,寻求能力、资源互补的创新参与主体,自发性低碳创新企业、产业开始集聚,高校、科研院所以及专业的中介服务机构有关低碳创新领域的发展尚不完善,政府开始初步干预,此时区域内低碳创新技术演化轨道多样化。
3.2 成长期
该阶段,区域低碳创新系统内部主体要素之间以及与外部要素之间的共享性和互补性最大化,系统达到了前所未有的开放性,低碳创新技术逐步成熟、完善,低碳产品需求信息越发明确、稳定,各低碳行业标准逐渐形成。系统产生的积聚效应和规模优势吸引更多企业加入,具有较强的“吸虹效应”。高校和科研机构有关低碳创新的研究大量开展,中介服务机构开始向集聚区域集中,低碳创新文化开始形成。
3.3 成熟期
该阶段,区域低碳创新系统内外部低碳创新资源、信息等要素的交流趋向稳定。系统创新主体间以自主、协同创新为主,知识溢出效应明显。系统内部微涨落较多,系统内外部熵流处于平衡对冲。低碳型新能源开发利用程度最大化,低碳创新产品实现标准化,低碳创新生产工艺实现规范化,低碳创新服务更加迎合低碳化需求。相关低碳行业竞争态势进入白热化,核心低碳技术潜力不复存在,技术主导转变为价格主导。
3.4 衰退期
该阶段,区域内低碳创新技术趋同,优势互补性消失,低碳产品、工艺和服务供过于求。现有低碳产业亏损局面开始产生,系统内外部关系网络开始解体,低碳发展空间逐渐缩小,大量优质创新型企业外迁,低碳创新环境恶化,低碳环境要素由于稀缺或转移,供给能力下降,低碳创新活力减弱,系统功能衰退。该系统各个时期演化特征,如图4所示。
4 结论与建议
研究表明,区域低碳创新系统自组织演化各时期,系统结构、主体职能、创新模式以及文化理念都在潜移默化地发生变更。该系统在演化过程中表现出的自组织特性,有利于认清其演化本质,利于系统内部低碳创新主体更好地调配创新环境要素,协调系统内的竞协关系,延长系统自组织演化的发展、成熟的作用期,避免或缩小系统衰退风险。
基于区域低碳创新系统的开放性和非线性特征,政府在制定政策时,应多项权衡,动态适宜地协调系统多方利益;系统内部主体要素、环境要素的涨落为系统演化提供能量,可通过引导市场需求低碳化,优化低碳资源要素配置,增加碳减排限制,规范产业低碳生产标准及流程,造就有利的随机涨落,不断寻求打破系统内部平衡的时机。因此,培育区域低碳创新系统,应充分考虑并遵循不同演化阶段下系统发展和演化规律,使各主体要素能为实现系统总体目标达成共识,营造适宜低碳创新系统演化的区域环境,提升区域低碳创新系统的运行效率,实现可持续发展。
参考文献
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系统自组织演化 篇2
1．班级管理是学校教育管理系统中的一个子系统；班集体建设是学校教育、社会教育、家庭教育、学生自主教育协同教育系统中的一个子系统。班集体建设系统包含了班级管理系统。
2．班级管理是“上好课”的一维目标的线性控制系统；班集体建设是“育好人”的多维目标的非线性协同系统。多维目标包含了一维目标。
3．班级管理中班主任是管理者，学生是被管理者；班集体建设中班主任、学生以及其他成员都是班集体的协同建设者。
4．班级管理更多关注学生共性的形成；班集体建设更多关注学生个性的协同发展。
5．班级管理是为了保证学科教师完成教学任务，是为教学中心服务的；班集体建设是学科教师实施学科素质教育任务中的核心目标，教学是为班集体建设作贡献的。
班集体建设的操作系统是控制系统要素资源协同运行，实现系统功能最优化的管理系统。最优化的管理就是“没有管理的管理”，即自行组织、自行创生、自行演化，能够自主从无序走向有序，形成有结构的自组织系统。如果我们将班集体建设视为一个系统工程，班集体建设的操作系统就是开发利用班集体建设的所有资源，协同各种力量与要素，充分发挥班集体自组织功能（自行组织、自行创生、自行演化，能够自主从无序走向有序，形成有结构的系统）的最优化管理系统。
班集体作为学习共同体是学习型社会的基础组织之一。班集体建设系统要开放，创造条件，加强物质、能量与信息输入使得自组织得以产生；要激励班集体建设系统内部子系统的非线性相互作用，通过竞争、合作推动系统产生整体新的模式和功能；要通过循环耦合、突变和渐变等途径，使得班集体建设系统得以维持自组织并且保证发展演化的多样性，增强有序程度和关联程度；要通过自相似构建和寻求混沌临界点或域，将班集体建设系统的演化推进到最大的复杂性可能空间，创造演化有序发展的良机；要通过自组织的方法，使班集体建设系统演化中所有的发展都是一种自发、自觉的行为，正如马克思所说的人类的历史也成为一种自然之史，一种自觉的自然史。
那么，有没有普遍适用的班集体建设的操作系统呢？工厂操作系统：机器、工艺、仓储、生产、调度的管理。人的操作系统：躯体、器官、体液、循环、神经的管理。大脑操作系统：脑体、感官、记忆、思维、情绪的管理。计算机的操作系统：设备、文件、储存、运行、作业的管理。这说明所有的操作系统具有相似性，因而可以找到其内在规律。由此推论，班集体建设操作系统的物质组成子系统是团队，功能组成子系统是制度，资源储存子系统是文化，运行路径子系统是精品，运用功能子系统是爱心。班集体建设的操作系统是团队、制度、文化、精品、爱心的管理，这就是普遍适用的班集体建设的操作系统。成功的班集体建设模式大都是较好地运用了这一操作系统。
这里举一个例子——协同教育的班集体建设模式。
首先是在团队子系统重视4个群体的建设。
1．教师群体是班集体从他组织走向自组织的价值引领力量，是班集体中的导学群体。在学科教学中，教师应根据课程标准，在尊重学科特点的基础上，自觉开掘各科教学中内在的德育资源，教书育人，积极营造愉悦和谐的教学氛围，不断更新教学方式，抓住学生的特点，抓住最佳的时机，抓住适宜的教学环节，将学科教学的“三维目标”落到实处，达成学科教学与班集体建设的有机融合。班主任工作也必须与之相适应，要从过去的事无巨细、全盘包揽，转变为具有一定的宏观调控能力，组织教师群体的力量协同建设班集体。班主任的工作对象不仅仅是班级里的学生，还包括班级所有任课教师和所有学生家长及其他有关社会人士。
2．学生群体是班集体从他组织走向自组织的主体参与力量，是班集体中的学习群体。班集体建设的主要目标是让每个孩子在集体中享有平等——平等一致的成长权和发展权、获得成长——全方位的成长、获得发展——个性化的发展，这也是班集体建设的根本目标。学生成长、发展的基本活动就是学习。在此目标下，班集体的学生群体中不存在成人化的、由班干部构成的所谓“学生管理层”，而是让每个学生在班集体中都拥有为集体服务的岗位；没有固定不变的学生管理机构，而是给每个学生施展才能的机会。苏霍姆林斯基说过，无任何才能的学生是不存在的，教育者的责任是帮助每一个人找到与自己能力相应的事情。多元智力理论认为，每个人都同时拥有8种智力，只是这8种智力在每个人身上以不同方式、不同程度组合，使每个人的智力各具特色。教育必须真正做到面向全体学生，努力发展每一个学生的优势智能，提升每一个学生的弱势智能，为每一个学生取得最终成功打好基础。
3．家长群体是班集体从他组织走向自组织的资源开发力量，是班集体中的督学群体。学生的成长、发展说到底体现在每一个学生个体身上，班集体的目标实现是以每个学生个体目标的实现为基础的。家庭教育对每个学生个体的作用是非常巨大的，因此家长群体对班集体建设的作用也是举足轻重的。家庭教育与学校教育协同，家长的亲情感召、倾心关爱，往往使复杂的教育问题迎刃而解；家长的主动参与、出谋划策，往往为班集体建设提供难以估量的教育力量。
4．社区群体是班集体从他组织走向自组织的社会促进力量，是班集体中的助学群体。校内外关心班集体建设的志愿者、校外法制教育辅导员、科技辅导员、资助贫困生的热心人等社会人士的协同教育，将把班集体带进社会、融入社会，让学生初步体验“社会人”，促进他们更健康地成长。
其次是在制度子系统重视“一主四师”。
协同教育构建了“一主四师”的育人模式，“一主”，即班主任；“四师”，分别是思品指导老师、学习指导老师、心理指导老师和生活指导老师。担任“四师”的有任课老师，有家长，也有社区志愿者。班主任、指导老师、家长和学生构成协同运作的班集体建设系统，致力于学生的全面发展。“一主”与“四师”既分工又合作，协同管理班集体，师生互动，活动过程中形成协同体。这种制度安排，不但适应了初中生成长的心理特点、成才发展规律，还适应了社区和社会发展的需要，得到了社会的广泛认可。“一主四师”的模式，如今已经在我市协同教育实验学校虹桥第二中学成为一个特色。
再次是在文化子系统重视创建品牌。
协同教育实验学校虹桥二中构建了德育5大创新模式：“一主四师”的协同育人模式、“情系西部”系列个性化班集体创建模式、学生会建在社区的“多育协同”模式、关心弱势家庭子女的励志班模式以及“生活塑人”的家校协同教育模式。这些与新时期党提出的“三个代表”“科学发展观”“构建和谐社会”的要求，“德智体美全面发展”“全面推进素质教育”等教育方针是完全相符的，虹桥二中创新型的德育模式，不仅使班集体文化积淀在学生、教师、家长的心中，而且成为南通素质教育的亮点，融进了社会文化中。
最后是在精品子系统重视系列设计。
在中学阶段，初、高中学生从入学到毕业共有6个学期，时间近30个月，约120个星期，班集体建设的活动可以进行系列设计安排。班集体建设的操作系统利用资源的主要载体和运行路径是精品活动。精品活动过程也可看做一个操作系统：
1．活动资源管理运用和生原理、开放系统，组建合格班集体。各门功课的集体学习（文化学习）是最主要的资源。新生刚进校，面对一个陌生的集体和各门功课的集体学习，脑子里充满着一个个问号，这些问题在集体学习中可以找到答案。这是最初的班集体的概念。
2．活动设计管理运用和立原理、激励系统，认识规范班集体。可利用的资源很多，把什么资源引入班集体，取决于班集体中产生的问题，最主要的问题是集体学习活动和个性发展的矛盾（人际关系）。这需要建立规范。班主任活动设计时选择资源应充分考虑针对性，并尽可能地多提供给学生自己选择、解决问题的机会，建立起班集体规范。
3．活动方案管理运用和处原理、循环耦合，走进文明班集体。活动的主体应该是学生（自主活动），活动方案应该是系列性的、开放的，每个学生在活动方案中都能获得发展性的体验，共同走进文明班集体。
4．活动实施管理运用和达原理、推进演化，融合特色班集体。不同的班集体的活动实施要具有不同的班集体特色，小目标要服从大目标，班集体目标要服从学校目标（主题活动）。个人目标融进集体的目标中，特色班集体也就应运而生。
5．活动调控管理运用和爱原理、自觉行为，自组优秀班集体。活动的调控原则都是增加集体凝聚力，生生互爱，师生相爱，师长厚爱，这是班集体建设之魂，充满爱的集体（和谐环境），必定能自组成优秀的班集体。
当今，学生接收信息渠道日益多元化，加之社会影响、学习压力、青春期萌动，这些都会给青少年带来心理压力，这也是青少年思想道德建设中不容忽视的重要方面。班集体建设发挥生生互爱、师生相爱、师长厚爱的协同作用，能够化解学生心理压力、自净心理杂念，使班集体一直保持和谐状态。
在班集体建设的操作系统里，每一个班主任可以根据自身的优势和当地的教育资源，形成自己特殊的班主任工作操作系统。协同教育、情境教育、行知教育、成功教育、愉快教育等各具特色的班集体建设模式，魏书生、李镇西等的优秀班主任工作经验，都是充分尊重了班集体建设的操作系统规律，充分运用了班集体建设操作系统规律的结果。用一句话概括班集体建设操作系统的规律，就是让班级从他（被）组织演化为自组织的班集体。
（作者系江苏省南通市祟川区教体局副局长）
系统自组织演化 篇3
技术创新产生的根本原因是外部环境的竞争性与内部资源的稀缺性, 并受企业自身基础与条件的影响与制约。外部环境的竞争性, 是指外部市场竞争的不断加剧, 市场需求瞬息万变, 各企业在竞争中取胜的难度日益加大。内部资源的稀缺性则是指企业现有物质资源、专业技术以及管理水平有限, 现行生产方式无法给其带来更多超额利润, 面临着被市场淘汰的危险境地。由于自身基础与条件不同, 企业进行技术创新的能力亦不同。
企业技术创新系统是一个非线性系统, 它依赖于内外部诸多复杂因素及其之间的相互作用力, 是一个时刻处于耗散运动中的非线性、开放的动态系统, 具有系统的自组织特征。其动态行为一方面取决于外部环境与自身资源, 另一方面也受系统内非线性因素的影响与制约。在这一耗散过程中, 管理熵的变化通过系统内部的非线性机制作用后形成宏观上的管理效果。同时, 管理耗散的直接结果是促使企业科技创新系统运行进入混沌状态, 为企业技术创新运行状态的质变奠定基础。
二、自组织理论与方法
(一) 自组织理论的涵义
所谓自组织理论, 指的是系统在无需外界指令控制的条件下, 能够自行组织、自行创造、自行演化, 即能自主地从无序走向有序, 形成有序结构的系统。对企业技术创新系统进行观察, 不难寻找到其中的自组织机理与其他的自组织系统一样, 即企业技术创新系统的演化也经历着一个自我调节、自我完善、自我发展, 从低级走向高级、从无序走向有序, 且结构功能不断得以提升的不可逆的发展过程。自组织机制渗透在企业技术创新系统的各个要素和系统行为的各个环节中, 它像一根隐藏在系统内部的无形的指挥棒, 对系统的变化发展起着自主的驾御作用。
系统的自组织演化离不开非线性作用, 非线性作用是自组织的根本机制, 如果系统内各要素之间的相互作用仅仅是线性的, 则无论它们如何组合, 也只有量的增减, 而无质的变化, 这样的系统或是无序, 或是虽然暂时有序, 但很快会向无序发展。只有系统内部各要素之间存在非线性作用, 系统才能走向非平衡, 系统内的涨落才能得到放大, 系统内各要素之间才能发生竞争与协同, 系统才具有从无序向有序发展的动力机制。
(二) 自组织理论的组成
自组织理论是研究自组织现象、规律的学说。目前, 它还没有形成为统一的理论, 而是一组理论群。它包括普里高津创立的“耗散结构”理论、哈肯创立的“协同学”理论、托姆创立的“突变论”数学理论、艾根等创立的“超循环”理论, 以及曼德布罗特创立的分形理论和以洛伦兹为代表的科学家创立的“混沌”理论等。
1.耗散结构理论
耗散结构理论研究一个开放系统由混沌向有序转化的机理、条件和规律。该理论认为, 一个远离平衡态的开放系统, 当外界条件或系统的某个参量变化到一定的临界值时, 通过涨落发生突变, 即非平衡相变, 就有可能从原来的混沌无序状态转变为一种时间、空间或功能有序的新状态。这种在远离平衡非线性区形成的宏观有序结构, 需要不断地与外界进行物质和能量的交换, 以形成或维持新的稳定结构。
耗散结构的形成需要具备的条件:成为开放系统;远离平衡态;系统内部各子系统之间存在着非线性相互作用;涨落导致有序。
2.协同学
所谓协同, 指的是系统的各个部分协同工作。相变都是系统微观组分集体运动的结果, 都是合作效应。协同学是研究复杂系统的部分之间如何竞争与合作, 形成整体的自组织行为, 探索在系统宏观状态发生质的改变的转折点附近, 支配子系统协同作用的一般原理。
不稳定性原理、序参量原理和支配原理是协同学的三大基本原理。
3.突变论
突变理论是描述自然界大量存在的不连续的突然变化现象。即研究系统在平衡状态下临界点的性态, 描述由逐渐变化的力量或运动而导致突然变化的现象。
4.超循环理论
艾根认为, 在分子自组织进化阶段, 既要产生、保持和积累信息, 又要能选择、复制和进化, 从而形成统一的细胞机构, 因此这个自组织过程只有采取超循环的组织形式。经过因果的多重循环, 自我复制和选择, 信息不断积累, 从而向高度有序的宏观组织进化。
5.分形学
所谓分形是指某种具有不规则、破碎形状的、同时其部分又与整体具有某种方式下的相似性的, 其维数不必为整数的几何体或演化着的形态。
6.混沌学
在科学上, 如果一个系统的演变过程对初态非常敏感, 人们就称它为混沌系统。混沌学是研究混沌运动的一门新学科。混沌学发现, 出现混沌运动这种奇特现象, 是由系统内部的非线性因素引起的。
混沌不是简单的无序, 也不是通常意义下的有序。首先, 混沌运动是一种典型的非周期运动, 是周期运动对称性的破缺, 而对称性破缺实质上意味着有序程度的提高, 因此, 混沌可以看成具有更高层次上的对称特征的有序态。其次, 非平衡混沌遵循着某些共同的规律:奇异吸引子行为。混沌是比有序更为普遍的现象。它使我们对物质世界有了更深层次的认识, 为研究自然的复杂性开辟了一条道路。
(三) 自组织理论的基本原理
自组织理论提出一系列关于研究自组织系统或自组织过程的基本原理:开放性原理、非平衡性原理、非线性原理、反馈原理、不稳定性原理、支配原理、涨落原理、环境适应性原理等。利用这些原理可以对系统的自组织性或自组织过程进行判定, 它们完整地给出了系统自组织条件、机制、途径等判别的方法和依据。
三、企业技术创新系统的自组织演化
(一) 非线性相互作用使技术创新系统充分开放
由于非线性相互作用选择、吸收外部条件, 使企业技术创新系统充分开放从外界获取有用的物质、能量以及有益于创新的信息吸收到整个技术创新的系统中, 为各个子系统如研发系统、创新决策系统、管理系统提供各自所需的物质、能量和信息。当然, 在充分采纳吸收的同时, 系统还向社会输出满足市场需求的商品, 对于用户的反馈信息, 企业在进行详细研究、分析后, 对企业产品进行改造再推向市场。企业技术创新系统内部总是存在着无序、无效和不确定性, 如技术和设备已不能满足企业生产的要求, 由于创新过程的复杂化程度与管理协调制度不相匹配, 科技进步和市场竞争日趋激烈使得企业技术创新系统所要面临的不确定性不断增加, 随着企业技术创新系统的不断发展, 它所包含的信息量越来越丰富, 内部结构越来越复杂, 这就是系统内部熵的自然增加过程。
一个开放系统从外界可以得到负熵流, 也可得到正熵流。正熵流会加速系统无序化的进程。这里, 控制系统开放的条件是很重要的。我们在强调系统开放的同时, 也要对系统与环境的交流内容进行分析。一方面, 要使系统开放, 大力引进促使系统进步的因素流入;另一方面, 又要加强控制, 尽量不让或减少不利因素的流入。实际上, 对系统发展不利与有利的因素同时存在, 只要系统一开放, 就会同时进入系统, 要想绝对禁止哪一种是不可能的。只能采取适当措施, 使输入的有利影响 (负熵流) 尽量多, 使不利影响 (正熵流) 越少越好。对于系统或同一系统研究不同的问题, 有利因素和不利因素的形式是不同的, 要具体分析。企业技术创新系统应该根据外部环境变化, 加强系统与外界环境之间的物质、能量和信息的交换, 自觉调整系统的结构, 不断引入负熵流, 才能抵消系统内不断产生的正熵流, 尽可能消除无序。
(二) 非线性相互作用使技术创新系统远离平衡态
非线性相互作用的一个特征就是系统中的多个主体间的不对称性。相互作用的对象之间存在着支配与从属、策动与响应、控制与反馈、催化与被催化等不对称关系, 其中某种因素会起到推动整体演化的作用。
系统中微观层次上的运动形式的差异性和非平衡性是产生宏观层次上有序性的根源, 系统中的要素间存在差异及发展不平衡, 也有了系统自组织过程中的宏观流, 有了这种宏观流, 就有助于系统形成新的有序结构。
开放的企业技术创新系统必然处于一种动态的环境中, 由于各子系统中的创新主体不同, 对于物质、能量、信息的获取必然存在差别。各个环节中的主体只吸收对其有用的物质、能量和信息。系统中呈现的是一种不均衡、有差别的状态。由于企业员工中的个人能力存在差异, 所获得的薪酬也不同, 正是由于存在差别, 才能激励员工尽全力发挥自己的才干, 使企业远离平衡态, 向有序方向发展。
企业技术创新系统的非均衡的具体表现形式有:新创意和新设想得以交流和采纳;技术创新的思维发生对称性破缺;技术创新资金来源和投向的多极化, 导致资金运动形式的差异化;产品品种的多元化, 技术的不断升级;创新人员分工和分配的非均匀化, 形成人才的流动;企业知识结构的调整等。非平衡以充分开放为前提, 要使系统远离平衡并且能够保持非平衡状态, 系统必须充分开放。充分开放为系统与外部环境之间的充分交换, 以及系统远离平衡提供可能性。开放性要求企业技术创新系统中的主体应充分考虑到企业内、外部环境中的诸多因素。对于处在动态变化中的企业内、外部环境, 创新主体必须做出相应的调整。系统结构的变化, 使系统功能也有相应的变化, 使系统从平衡态或近平衡态走向非平衡态。
(三) 非线性相互作用使技术创新系统产生涨落作用
在非线性作用下, 各种相互作用关联起来, 系统内部各要素或子系统之间形成关联与协同, 因此系统才会产生整体行为, 排斥和吸引、竞争和协同才形成一种不可分割的关系。有了这种内在的相互作用, 系统内局部的涨落才可能得到放大, 从而引起发展。
宏观上的系统是由大量的子系统组成的。这些子系统运动状态不断改变, 整个系统的状态也不断改变。系统状态不仅是子系统状态的总和, 而且是一个综合平均的效应, 因此必然存在着涨落现象。耗散结构理论中的“涨落”是指系统有时候会偏离统计平均值, 存在着偏差, 这些偏差就叫涨落。涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。
涨落是否对系统起作用, 还取决于系统是否处于临界点。当系统处于稳态时, 涨落相对于系统宏观是微不足道的。而当系统处于临界点时, 涨落所起的作用就非常重要了。因为技术创新系统内的子系统间有着复杂的相互作用, 所以在临界点附近系统可能形成不同类型的耗散结构和有序状态, 一些微小的涨落将会导致整个系统完全不同的发展方向。在技术创新系统中由于内部和外部因素的作用, 涨落是必然普遍存在着的。
对于技术创新系统中的涨落, 可以以临界点划界对涨落所起的作用进行分析。
首先, 技术创新系统处于稳定态。系统处于平衡态或近平衡态时, 由于一些外界环境变化对系统无太大的冲击力, 系统的结构稳定。系统能够经受住内、外部涨落的冲击而保持较好的稳定性, 而且还能够吸收涨落, 从中吸取对系统有利的信息, 弥补系统在某些方面的缺陷, 使系统更加稳定。当系统处于非平衡约束的状态下, 熵产生率会取得最小值, 非平衡态会连续向平衡态接近, 直至达到平衡态。这种涨落一方面增强了系统的非对称性和非均匀性, 在一定时期一定范围内引起了对称性破缺, 另一方面保持了系统行为的整体性和协同性, 增强了系统对不利因素的抵御能力, 加强了系统调整自身行为的能力, 当由于失误而引发系统不稳定时, 涨落的稳定作用能够化解危机。
其次, 技术创新系统处于临界点附近。当外界环境对系统的冲击力达到足够大时, 致使系统中的涨落运动所引起的扰动和振荡达到或超过一定的阀值, 就会使原有系统的结构遭到破坏, 系统原有的结构或模式已不再适应环境, 需要重新配置系统要素, 这为出现新的有序结构提供了可能。此时系统已经不能保持稳定, 在涨落的冲击下, 系统远离了平衡区, 进入非线性区失稳状态。由于企业技术创新系统是一个有人参与的系统, 所以在这种情况下可以人为地创造并利用一些“涨落”, 如建立合理有效的激励制度, 畅通的网络组织等, 都可以促使系统向有序度高的系统演化。企业必须对企业技术创新系统进行变革。在经历一个从无序到有序的过渡阶段后, 各要素之间形成新的稳定的关联方式, 导致了新的序参量的形成, 各子系统在新的序参量的支配下行动。也就是说, 在企业技术创新系统中, 形成了新的有序态, 技术研发系统、市场创新系统、管理创新系统、技术创新决策系统等子系统按照新的关联方式耦合在一起, 在新秩序的支配下发展, 这标志着新的更为有序的稳定系统形成了。
新的稳定态必经的一个环节就是分叉和环境选择。在系统失稳的状态下, 由于系统内部各要素之间的非线性相互作用, 系统将出现分叉行为。所谓分叉指的是当系统进入非平衡区时, 会丧失其稳定性在临界点上发生分叉, 出现不同的分支, 即不同的发展方向。新出现的不同的各个分支自身又是稳定的。较为简单的系统只表现为一次分叉。而复杂的系统在自己的演化过程中一般要经历多次分叉, 复杂程度越高的系统, 它所包含的分叉数目也越多。总之, 企业技术创新系统是一个开放的、非平衡的、动态的复杂自组织系统。要使企业的技术创新活动能够在一个宏观有序的方向上发展, 一方面, 企业必须要与外界环境进行物质、能量和信息的交换, 以获取足够的“负熵流”;另一方面, 企业本身也必须不断地适应环境的变化, 进行内部调节, 实现技术创新、组织创新与管理创新的耦合, 减少企业内部正熵的产生, 增强自身内部各子系统之间的协同作用, 提高自身的组织能力。
四、结论
企业技术创新系统是一个复杂的自组织系统, 系统中的要素之间存在着非线性的相互作用。因此, 线性的发展观已经不适合复杂的企业技术创新过程。系统科学的发展, 特别是非线性科学的发展, 为解释企业技术创新系统提供了科学的理论依据。本文借助自组织理论中的耗散结构理论、协同学、超循环理论、混沌学等非线性系统科学理论、技术创新学和管理学的相关成果, 运用系统的观点对企业技术创新系统中的非线性演化进行分析, 在一定程度上能够对企业开展技术创新活动产生有益的引导作用, 有助于企业解决技术创新过程中所面临的日益复杂的问题, 加速企业技术创新的进程, 同时也为补充和完善已经初步建立的技术创新理论体系做出有益的工作。
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系统自组织演化 篇4
耗散结构理论(Dissipative Structure Theory)是著名物理化学家普里高津于1969年提出的一个科学理论,是指远离平衡态的非线性的开放系统,通过与外界环境进行物质、能量、信息交换,使得系统内部某个参量的变化值达到或超过一定阈值时,系统随机性涨落的非平衡相变导致系统突变。当deS<0,系统输入足够的负熵流,使|deS|>|diS|时,可使dS<0,从而使系统从无序态变为有序态,达到耗散结构状态[1]。
国家重点实验室(State Key Laboratory,简称SKL)是国家重点投资,依托大学、科研院所和企业建设的科研实体,是我国基础研究、战略高技术研究和重要公益性研究的骨干力量。作为国家科技创新体系的重要组成部分,国家重点实验室自主创新能力的形成与提高对国家科技创新体系整体功能的发挥具有举足轻重的影响。国家重点实验室自主创新能力是一个具有开放性和特定属性的知识系统,系统内部各要素之间的非线性相互作用,促使自主创新能力系统远离平衡态,在随机性涨落的诱因下,系统就会实现突变,跃迁到高级、有序状态,是一个典型的耗散结构系统。因此,运用耗散结构理论探讨国家重点实验室自主创新能力的自组织演化机理,对于揭示国家重点实验室自主创新能力系统的演化规律,拓展国家重点实验室自主创新能力提升的有效路径,具有重要的理论价值与现实意义。
1文献简要回顾
自主创新是我国特定发展背景下出现的新概念,国外无直接相关研究。国内学者对自主创新能力的研究,主要集中于企业自主创新能力。例如,雷静等从创新投入能力、创新实施能力、创新实现能力和创新管理能力维度构成企业技术创新能力,并分析了企业技术创新系统的演变模型[2];曹洪军等从创新意识、创新投入能力、创新产出能力、创新管理能力、创新方式等5个方面构建企业自主创新评价指标体系[3];王一鸣等从政府支持、创新环境与知识产权保护方面,研究提升企业自主创新能力的途径[4];石艳霞基于生态因子分析的视角,提出刺激因子、激励因子、维持因子和保障因子对企业自主创新能力有显著影响[5];李金生以高技术企业自主创新能力的内源性为切入点,从技术创新水平和内在生态位两个维度,剖析高技术企业自主创新能力的演化机理[6]。
研究国家重点实验室自主创新能力的文献就更少,但是危怀安等在国家重点实验室自主创新能力问题研究的新近进展一文中,提出了我国国家重点实验室自主创新能力形成与提升的分析框架[7];张琦等认为国家重点实验室创新能力主要由知识创新能力、人才创新能力、管理创新能力构成[8];谢桂红等分析了国家重点实验室的创新特征和表现形式,并对创新对策作了初步探讨[9];刘国瑜指出,加强创新文化建设对提升国家重点实验室的竞争力具有重要的意义,并初步探讨了创新文化的内涵、创新文化的要求及有关建议[10];危怀安等基于生命周期理论,研究科研团队在国家重点实验室自主创新能力演化中的作用机理,分析了处于组建期、成长期、成熟期、变异期等不同阶段的科研团队,分别通过选择机制、学习机制、研发机制和更新机制作用于国家重点实验室自主创新能力的演化过程[11]。
综上所述,对国家重点实验室自主创新能力及其演化机理的研究还处在起步阶段,尚未发现从系统耗散结构的视角对国家重点实验室自主创新能力演化机理进行研究的文献。但是,已有研究成果对本文运用耗散结构理论研究国家重点实验室自主创新能力的演化具有重要参考价值。
2 SKL自主创新能力系统的构成
基于上述回顾,借鉴已有研究成果和结合国家重点实验室的特殊属性,本文提出了一个国家重点实验室自主创新能力系统的构成框架(见图1)。
如图1所示,国家重点实验室自主创新能力系统由以下4个子系统构成:
第一,自主创新投入能力子系统。自主创新投入能力子系统主要包括科研经费、科研人员、科研设施和科研项目等科研资源与要素的投入。这些科研资源投入保证了在国家重点实验室自主创新能力形成与演化过程中的人、财、物等要素支撑,是国家重点实验室开展自主创新研究的前提条件与重要基础。
第二,自主创新产出能力子系统。自主创新产出能力子系统主要包括科技理论、发明专利等具有重要国际影响的重大科技成果的产出和国际一流人才的培养。其中,科技理论、发明专利及其成果奖励是国家重点实验室作为“国家队”科研水平的重要体现;硕士、博士、博士后等高端科技人才以及“长江学者”、“百人计划”、两院院士等科技领军人物培养与造就,也是国家重点实验自主创新产出能力必不可少的组成部分。
第三,自主创新管理能力子系统。自主创新管理能力子系统主要包括实验室主任负责制、学术委员会的学术指导制、自主创新机制、竞争合作机制等管理体制机制。其中,实验室主任全权负责国家重点实验室的建设、运行和管理工作;学术委员会负责审议国家重点实验室的科研目标、科研任务、研究方向,审批开放研究课题等;自主创新机制是指国家重点实验室在团队协调、组织应变、科研文化、创新机制等方面形成的特定能力;竞争合作机制是指国家重点实验室的开放、流动、联合、竞争的运行机制[12],其核心为国家重点实验室与其他科研机构之间的相互竞争能力以及协同创新能力。
第四,自主创新环境子系统。自主创新环境子系统主要包括科研人员的创新欲望、实验室创新文化、创新规划能力以及对外交流与合作机制等。其中,科研人员的创新欲望越强,创新工作的积极性越高,越有利于自主创新能力的提升;学术自主、平等交流、崇尚创新、宽容失败等良好、宽松的创新文化氛围,有助于启发科研人员的创新意识,激发创新动力;创新规划能力包括国家重点实验室管理者对实验室科研方向、任务以及预期达到目标的科学规划能力和科研人员对自身从事科研任务的科学规划能力。通过对外交流与合作机制,加大对外开放力度,积极主办或参加国际学术会议,支持科研骨干、领军人物担任各类国际学术组织和国际学术期刊重要职务,开展经常性、高层次和高水平的学术交流活动以及国际合作研究等。这些自主创新环境的塑造,有助于国家重点实验室科研人员激发创新潜力,开阔学术视野,了解科技前沿动态,增强研究的前瞻性和原创性。
3国家重点实验室自主创新能力系统的演化机理
国家重点实验室自主创新能力系统具备耗散结构形成的充分必要条件,是典型的耗散结构系统。国家重点实验室自主创新能力系统内部各子系统之间通过非线性相干作用,促使自主创新能力系统的自组织演化,最终发展为自主创新能力的高级系统。国家重点实验室自主创新能力系统演化机理见图2。
3.1开放机制是自主创新能力系统形成和演化的基石
国家重点实验室坚持开放、流动、联合、竞争的运行机制,其中开放机制是前提和基石。国家重点实验室在运行过程中,需要不断地与外界环境交换物质、能量与信息,这样才能维持自身正常运行和健康发展。所以,国家重点实验室自主创新能力系统必须保持开放性的前提,与外界环境不断地进行资源流、人才流和信息流的交换,才能保障系统从混沌无序状态跃迁到耗散有序状态。其中,资源流是指国家重点实验室从外界环境获得国家重点实验室专项经费拨款,竞争获得国家级、省部级纵向科研项目经费以及企业横向科研项目经费等,为实验室自主创新能力系统的有序演化提供建设运行费、仪器设备更新改造费、科研经费、后勤保障等物质条件。人才流是指国家重点实验室通过人才流动机制,优化固定人员队伍结构,提升固定人员素质,并通过设置博士后流动站,接受博士后研究人员,或者设立开放课题,吸引国内外优秀科学家来实验室进行科研工作。通过人员的有序流动,可以优化基础研究队伍,汇聚科研精英,增强实验室科研活力,激发科研人员的创造性和创新精神,促使国家重点实验室自主创新能力系统的有序跃迁。信息流是指国家重点实验室及时获取国际科学前沿与发展趋势、国家战略需求以及国家科技管理部门或地方政府的科技政策、经济社会发展政策等信息,然后据此主动地调整实验室科研方向,积极申请具有前瞻性、创新性的重大科研项目,这样能够有效激发科研人员的创新精神与创新动力,保持实验室自主创新能力系统运行的高效性与时效性。
3.2远离平衡态机制是自主创新能力系统走向有序的源泉
“非平衡是有序之源”。开放系统通过与外界环境的物质、能量、信息的交换,必须使系统处于远离平衡态,才有可能形成有序耗散结构。对国家重点实验室而言,培养自主创新能力既是国家重点实验室建立的逻辑起点,又是其终极追求。自主创新能力系统是国家重点实验室培养科研人员自主创新能力的实现途径,而培养自主创新能力的过程,要求国家重点实验室自主创新能力系统必然远离平衡态,因为自主创新能力的提升,是自主创新能力系统发生质变的标志。同时,国家重点实验室自主创新能力系统是一个多层次、多指标的复杂性系统,其中不同层面的构成要素以及同一层面的不同要素之间必然存在差异,导致不平衡。所以,国家重点实验室自主创新能力系统必然处于远离平衡态,通过远离平衡态机制作用于国家重点实验室自主创新能力的形成与演化过程,使自主创新能力系统走向有序的高级化。
3.3随机性涨落机制是自主创新能力系统自组织演化的直接诱因
在远离平衡的开放系统,涨落是系统有序演化的诱因。如果涨落出现在系统刚刚偏离平衡态的近平衡区,那么它无法诱导系统走向有序演化,而当涨落出现在系统远离平衡区,它就会发挥系统演化的触发器作用。涨落分为内涨落与外涨落。对国家重点实验室自主创新能力系统而言,系统内各子系统随机运动和相互作用所形成的涨落为内涨落,系统外界环境随机运动和相互作用所形成的涨落为外涨落。
一方面,诱导自主创新能力系统演化的内涨落主要包括实验室主任个人特质和科研人员的创新意向。实验室主任个人特质包括年龄、学历、学术荣誉、国内外学术组织任职情况等等。具有较好个人特质的室主任应具备远见卓识、敢于冒险、积极进取的人格以及对科技创新机会的把握,善于利用灵机一动的诱发,引导实验室人员获得较好的创新点。实验室科研人员是科技创新的具体实施者,他们的创新意向往往能够产生具有实用性的创新点子和创新思想,形成创新热情和创新能力的良好氛围,这样能够大大缩短科技创新的周期,极大地提高科技创新效率。
另一方面,诱导自主创新能力系统演化的外涨落主要有国家科技政策、国内外科技发展的趋势与动向、实验室管理部门的政策指导等等。国家科技政策指明了我国科技发展动向以及重点发展的学科领域,国家重点实验室要积极参考国家政策信息,特别是国家创新政策信息,及时制定实验室科研规划并申请相关研究课题,为国家重点实验室自主创新投入能力子系统提供支持。国内外科技发展的大潮流促使国家重点实验室正确把握时代科技前沿信息,能够及时捕捉创新时机,提升自主创新能力。实验室管理部门包括国家重点实验室的宏观管理部门(科技部)、主管部门(教育部、中国科学院等)、依托单位(高等院校、科研院所、企业),这些管理部门的政策指导意见影响着国家重点实验室自主创新能力系统正常运行所需的科研方向选择、科研项目申请、科研人员配备等条件。所以,国家重点实验室主任要审时度势,使自主创新能力系统演化方向与国家科技发展政策走向一致,从而使系统朝着合理化、有序化方向演进。
3.4非线性机制是自主创新能力系统自组织演化的关键
各子系统之间的非线性相互作用,是系统耗散结构产生的内在动力学机制。国家重点实验室自主创新能力系统包括自主创新投入能力子系统、自主创新产出能力子系统、自主创新管理能力子系统、自主创新环境子系统等,各子系统在性质上相互独立且存在显著差异,但各子系统之间不是绝对孤立和简单线性、序列式的关系,而是相互依赖、相互影响、相互制约、相互推动的正反馈的倍增效应及负反馈的饱和效应等非线性关系。自主创新投入能力子系统为整个系统的正常运行提供了人、财、物等基本科研条件,是自主创新能力系统有效运行的前提;自主创新产出能力子系统是国家重点实验室自主创新能力系统的核心部分,是国家重点实验室自主创新能力水平的重要体现;自主创新管理能力子系统包括实验室主任、学术委员会以及项目负责制等等,这三者的管理水平的高低,直接影响科研人员的工作积极性和创新精神的发挥;自主创新环境子系统能够启发科研人员的创新欲望,激发创新动力,与上述3个子系统息息相关。因此,各子系统之间的协同动作和密切配合,才能使国家重点实验室自主创新能力系统发挥“1+1>2”的整体优势,处于最优运行状态。
由此可见,当国家重点实验室自主创新能力系统从外界环境输入足够的负熵流,满足|deS|>|diS|,则自主创新能力系统由偏离原有平衡状态,过渡到系统演化临界点,之后系统进一步远离平衡态,此时系统内外部随机性涨落被扩大,通过系统内各子系统以及子系统内各要素的非线性机制和系统的主动调整,最终实现跃迁突变,演化到更高级有序的国家重点实验室自主创新能力系统。
4结论与建议
上述分析表明,国家重点实验室自主创新能力系统是一个具有多层次、多指标的复杂系统,由自主创新投入能力子系统、自主创新产出能力子系统、自主创新管理能力子系统、自主创新环境子系统构成。这些子系统内部、子系统之间相互开放,促使国家重点实验室自主创新能力系统远离平衡态,通过随机性涨落机制和非线性机制的递进作用,推动国家重点实验室自主创新能力系统的自组织演化和有序高级化。因此,要提升国家重点实验室自主创新能力,必须采取以下对策建议。
4.1建构系统管理理念
国家重点实验室作为一个动态性、复杂性的系统,要破除对其进行条块管理的传统思维定势,建立健全系统管理理念,加强国家重点实验室内部各科研团队及各课题组之间的联系,盘活实验室整体资源,构建自主创新投入能力子系统、产出能力子系统、管理能力子系统和环境子系统之间的非线性合作机制,充分发挥各子系统内部及之间的动态联动机制,实现系统集成、协同创新,扩大整体效应,从而完成国家重点实验室自主创新能力系统的有序演化。
4.2进一步扩大开放
国家重点实验室要进一步扩大开放,包括外部开放与内部开放两部分。首先,要扩大实验室对外开放程度,破解开放课题小、开放基金少的难题。实验室要积极扩展对外开放的新思路,通过与其他科研机构的联合竞争,争取更多的科研经费,促使开放课题规模有所扩大且较为集中,同时逐步增加开放基金,确保科研人员“英雄有用武之地”,这样才能保证国家重点实验室自主创新能力系统顺利地与外界环境进行物质、能量和信息的交流,促使系统有序演化。其次,国家重点实验室内部管理要树立“内部开放”理念,实行扁平化组织管理,增强管理者与科研人员之间的相互了解,使得管理者的管理理念能够有效传达给科研人员,同时保证科研人员的创新点子或建议能够让管理者熟知,这样就能造就和谐的创新文化。
4.3促进系统远离平衡
对国家重点实验室而言,必须保持系统各个成员的活力,为科研人员提供较大的思维创新空间和诱致创造力的氛围,才能促使国家重点实验室自主创新能力系统达到远离平衡态,为系统的有序演化提供前提条件。国家重点实验室要实行民主管理,保证人人都有表达自己意见的权利,杜绝实验室主任“一言堂”现象,促使自主创新能力处于远离平衡态。同时,国家重点实验室内部各研发团队必须保持凝聚力,使个人或少数群体的微涨落在时空协同作用下,不被耗散,反而通过系统内部动态联动机制,最终转变成为自主创新能力系统的巨涨落,使系统从非平衡、无序、非稳态跃迁到非平衡、有序、定态。
4.4驾驭涨落与突变
国家重点实验室管理者要及时、准确判断涨落性质,有选择地抑制、干扰国家重点实验室自主创新能力系统稳定的涨落,促进、推动国家重点实验室自主创新能力系统演化的涨落。由此,国家重点实验室要保证科研方向与国家自主创新战略要求相协调,合理驾驭有效涨落,促进自主创新能力系统的有序演进。此外,国家重点实验室要提高自主创新能力系统的协调能力和应变能力,建立良好的科研环境与创新文化,积极利用外界环境的有利因素,促使自主创新能力系统的跃迁突变和有序演化,从而提升国家重点实验室的自主创新能力。
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系统自组织演化 篇5
关键词：资本流动结构,自组织演化理论,机制
20世纪80年代以来, 全球信息技术不断发展, 国际资本流动的规模不断扩大、速度不断加快, 流动方式也日渐多样化, 包括直接投资、证券投资、国际借贷等多种形式。国际直接投资为长期投资, 以跨国公司为主要代表。这种资本流动, 由于其规模巨大, 技术先进, 遍布世界各个市场, 对经济全球化的发展产生巨大的推动作用。短期资本流动包括, 银行经营性短期资本流动, 投机性资本流动, 保值性资本流动, 贸易结算性资金流动, 证券性资本流动等多种形式。这种资本流动提高了全球范围内资本配置的效率, 也给各类经济体带来了不同程度的影响和冲击。这些资本流动的多种存在形式组成了一个整体的系统。如何才能有效的疏导这些资本流动方式之间的关系, 使之更好地为经济服务?我们从自组织理论出发对其进行详细分析。
一、国际资本流动结构与自组织理论
国际资本流动是指资本在国家或地区之间的转移。由于国际资本的特性, 其能够迅速反映各国实体经济和金融市场的变动情况, 从而将资金从低效率地方转移到高效率地方, 在全球范围内实现资源的有效配置, 从而成为经济发展的重要载体。
各国的资本流动结构指一国对外经济活动中各种渠道流动的资本 (主要有国际直接投资、国际证券投资、私人股权投资基金的跨境投资等) 占总资本流动 (生产要素、资本禀赋、产出) 的比重, 以及在国家资本利用过程中的功能构成。自组织理论研究系统的演化过程, 具体来看是指系统内部成员在演化中的协调行为, 该协调行动能够使得系统在时空以及功能上的集体行动, 从而呈现出一个有序的系统组织活动结构。
自组织是一种优化的进化选择方式, 常常用来描述自然界尤其生物界现象, 现在也越来越被用于人类社会制度等长期演变现象。自组织这种优化的进化方式, 是一种能够最有效的利用各种资源形成最优的发展结构的方法和途径。体现一国国际经济关系的国际收支系统即资本流动行为, 具有非常明显的自组织特性;用系统论中的自组织理论分析国际资本流动结构的演化具有重要意义。
二、国资本流动演化的自组织条件
一国资本流动结构演化一方面是指在社会经济系统变化中, 国际资本流动结构及功能的不断变化过程;另一方面是指可能存在质的结构改变和功能飞跃等可能, 比如由FDI占主导转变为NFDI占主导就导致资本流入功能发生改变。
资本流动结构演化动力, 一方面来自内部因素, 即参与国际活动的各部门的协同与竞争。现实中, 各国际经济主体经济行为的差异、资本规模的差异, 使得一部分能够适应外界经济环境的需求, 在经济系统协同中起到越来越重要的作用, 并逐渐成为资本流动系统中的主导力量;而另外一部分, 不能与外界经济需求相匹配, 则在竞争中被削弱, 资本流动规模下降, 渐渐失去其应有作用。
另一方面来自外部因素, 即一国及国际经济系统的需求发生变化, 资本流动的存在其主要是因为外部经济环境的需求。在经济社会的发展变化中, 如果资本流动的一些方式, 不再符合社会经济的各种需求, 那么新的资本流动方式将会出现, 这种方式必须是为适应经济需求而出现的最佳流动方式 (比如FDI与NFDI) , 形成了一定的资本流动结构。
从历史上看, 国际资本流动系统演化的主要动力就是经济需求, 而经济发展方式的转变、产业形态与结构的变化、自然资源的变化、技术的发展进步等会对资本的需求数量以及结构产生重大影响。于是就衍生出新的要求, 那么国际收支系统也要产生与之相应的结构和功能。
三、国际资本流动结构演化的自组织机制
通过对耗散结构等代表性的自组织理论进行总结, 我们发现它们具有涌现机制、涨落机制、熵减机制、竞争协同机制、环境选择机制等特征性理论机制。本文结合这些机制来探讨国际资本流动结构的自组织演化现象。
涌现机制。当前国际资本流动现象是各种渠道资本流动相互作用而在整体上涌现出来的, 不是各个渠道资本流动的简单叠加, 而是通过协同作用产生更加强劲的功能和效用。比如在当前情况下, 仅开放经常项目, 与经常项目、资本金融项目都开放相比, 其经济发展效用是不一样的, 只有多种形式的利用资本, 才能更有利于经济发展。所以, 研究资本流动产生的影响, 不能单单考虑短期资本流动的效应, 事实上也无法仅仅考虑短期资本流动的效应。
涨落机制。自组织系统中存在涨落机制, 该机制非常重要, 系统通过涨落使得旧结构失去平衡状态, 从而探寻新结构。当系统参数进入某一阈值范围时, 国际资本流动系统状态开始不稳定, 出现涨落, 并开始由非稳定平衡状态逐步演化到新的稳定平衡状态, 比如国际收支失衡。经济发展中的技术进步和创新往往能够激发系统的涨落机制, 我国对外开放推进、贸易政策变动、产业发展升级, 现代电子交易技术的推广和应用都使资本流动模式发生了巨大变化, 使得资本流动结构不断变化, 出现了新的与经济社会发展要求更为适应的资本流动结构, 使资本在国际流动中呈现出高速化、集聚化的趋势。
熵减机制。国际资本流动发生在全世界大多数国家之间, 囊括了资本、科技、自然资源等各种人类社会的发展进步的必须要素, 所以是一个开放的自组织系统。国际资本流动演化的过程, 是一个通过各国对外经济组织系统之间的相互反馈过程;也是各国国际收支系统内部的各子系统, 以及各子系统与外部环境之间熵减的一个过程。各国国际收支系统与国内、国际经济主体之间进行着信息交换, 同时也与地理、人文等外部自然社会环境进行着物质与能量的交换。这些交换体现在国际收支系统中的资源、资金等要素的分配, 服务、信息的传递等方面。在这种情况下, 一方面, 如果资本流动因无法适应外部环境中的经济社会需求, 而必须进行改变, 因此引入负熵, 从而形成了国际资本流动组织系统的自组织发展。比如资本管制环境的改变等。另一方面, 资本流动的自组织系统, 为经济发展提供资金服务, 在获得利润的同时也提高了经济效率, 并使得资本流动系统得到进一步的发展。比如新金融工具的产生、新资本流动形式的出现等。所以, 国际收支系统可以通过各种资源的交流, 以提高负熵、降低正熵的熵减机制, 促进自身发展的。
竞争协同机制。国际资本流动系统内部不同经济主体都有较为普遍而繁杂的协作与竞争关系。这种关系通过产生协同行为和相干效应, 以序参量的方式促进国际收支中的资本流动系统朝着有序的组织结构发展。首先, 各类资本受政策影响会出现竞争, 即资本流动系统中的各个资本流动子系统之间为了自身的发展需要, 抢占系统资源, 或者获得支配和取代其他子系统的权利。其次, 各类资本流动方式之间也会出现协同发展, 此时各子系统相互依赖、相互合作, 都为经济发展做出相应的贡献。它们在竞争过程中反应了国际收支系统内部相互作用以及变化, 此时出现的是系统中局部的涨落;而它们在协同中反映的是, 把有利于系统发展的局部涨落通过内部各种资本流动方式的相互作用而变得更有力量, 从而形成整个系统中的大涨落, 这种涨落将导致资本流动结构向一个新的方向演化。
环境选择机制。在国际资本流动系统的演化发展中, 国际资本流动结构要接受外部环境的检验, 要么存在, 要么淘汰 (资本构成接受国际经济环境的评价和选择, 比如QFII资本) 。虽然有时适应环境的资本流动结构不一定是最优的, 但是其存在是有理由的即能够与环境协调共存。国际与国内经济社会环境是一国国际收支系统或资本流动的环境系统, 资本流动结构必须要符合经济需求以及国际关系协调需求, 如果不符合将会被系统淘汰。从历史看来, 产业结构将逐渐从第一产业向二、三产业发展。金融资本逐渐取代贸易资本成为资本流动主力, 而且资本流动速度越来越快。贸易结构的转变、新型交易市场的形成与发展 (如碳金融交易) 、新外资政策的实施、经济金融危机等环境变化, 都对资本流动结构具有选择作用。20世纪80年代中期以来, 我国国际资本流动结构中FDI占绝对主导地位的传统格局逐步改变, 这种现象也充分体现了国际资本流动的变化依赖于宏观经济系统发展进程中的选择, 即“适者发展”的特点。
四、结论
结合上述分析, 根据自组织理论的基本原理, 可以得到以下启示:国际资本流动结构或国际收支结构的外部因素是国际国内经济社会发展的资本需求变化。所以, 一国资本流动结构必须把服务社会经济发展需求作为导向, 要把各种资本流动方式组织协调好。如果能够协调好, 实现各种资本流动方式鱼总体资本流动过程中的高效对接, 就能够把资本流动结构的整体效应发挥出来, 把资本流动系统的效率提上来。我国政府在面对资本流动问题时, 可从系统自组织角度分析问题, 然后根据具体情况提出相应的系统性对策。
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系统自组织演化 篇6
目前对于房地产业发展规律的研究主要体现在关于房地产经济周期的研究[1,2,3,4], 但是房地产周期的研究具有一定的局限性。房地产周期理论能够根据房地产业是否处于复苏、繁荣、衰退或萧条等状态来帮助企业制定适当的战略, 帮助国家制定相应的政策, 帮助投资者决定是否入市。这是一种相当机械的观点。这种方法假定:行业的发展必然会遵循一种既定的生命周期。然而, 真实的情况要微妙得多。技术在不断发展, 政治经济环境在发生变化, 消费者的偏好也在不断改变, 所有这些都将会延长繁荣期抑或是快速进入复苏期, 从而改变原有的产业周期。
有鉴于此, 本文从系统的角度, 利用自组织理论来研究房地产业的演化规律, 并提出房地产业系统的概念。房地产业系统是指在生产环节、流通环节和消费环节的房地产业运行全过程中, 由各类相互作用、相互联系的产业要素组成的具有一定结构和功能的有机整体, 是社会经济系统中的一个子系统。以房地产业系统为研究对象, 能够以更系统、更创新的角度来分析研究房地产业的形成和演化规律。
2.自组织理论
2.1自组织的概念
自组织是与他组织 (被组织) 相对而言的一个概念。从系统论的观点来看, 自组织是指系统在内在机制的驱动下, 自行从简单到复杂, 从粗糙向细致方向发展演化, 不断地提高自身的复杂和精细度的过程[5]。自组织概念作为一种过程演化在哲学上的抽象概念, 包含着三类过程: (1) 由非组织到组织的过程演化; (2) 由组织程度低到组织程度高的过程演化; (3) 在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。自组织与他组织具有相对性, 是矛盾的两个方面。现实世界不存在纯粹的自组织系统, 也没有纯粹的他组织系统, 一切自组织都是在外部环境的特定约束和限制下进行的, 环境的限制就是外在的组织力。
自组织理论是以自组织现象为研究对象的理论体系。它主要包括普利高津创立的耗散结构理论和H·哈肯的协同学。耗散结构理论在自组织理论群中有重要的地位, 它是系统自组织条件的理论和方法基础, 可以把自组织的耗散结构方法论称为自组织的创造条件方法论。
2.2自组织系统的判别条件
系统的耗散结构无法创造, 但可以创造出现耗散结构的条件。如果出现了那些条件, 耗散结构的出现则也是必然的了。以下是普利高津耗散结构的自组织性判别条件:
第一, 系统的开放性是形成有序耗散结构的前提和基本条件。所谓开放系统, 就是与外界既有物质交换, 又有能量交换的系统, 对于生物系统和社会系统而言, 还包括信息交换。自组织理论证明, 一个系统要想形成、维持并保持有序的结构, 必须不断从外部 (环境) 引人物质、能量和信息的“负嫡”流, 并不断排出其“代谢”产物, “吐故纳新”, 即只有在开放条件下“耗散”才有可能。所以对于开放系统来说, 系统可以通过自发地从无序进人有序的耗散结构状态。
第二, 远离平衡态是形成有序耗散结构的最有利条件。所谓远离平衡态, 指系统内部各个区域的物质和能量分布是极不平衡的, 差距很大。自组织理论认为, 系统的有序结构不能从无序的平衡态产生。因为平衡态就像一个吸引中心, 它会使有序结构趋向于平衡态而遭到破坏并最终瓦解。
第三, 系统内部要素间的非线性相互作用是有序耗散结构形成并得以保持的内在根据。系统要形成新结构, 构成系统的各要素既不能是各自孤立的, 也不能仅仅是简单的线性联系, 只有它们之间存在非线性的相互联系和相互作用, 才能使它们产生复杂的相干性和协同性, 进而形成区别于原有系统结构的新的有序结构并得以保持。
第四, “涨落”是耗散结构形成的动力学因素。“涨落”是指系统中某个变量或行为对平均值所发生的偏离。对于任何一个多自由度的复杂体系, 这种偏离是不可避免的。按照自组织理论, 任何一种有序状态的出现都可以看作是某种无序的参考系失去稳定性的结果, 而系统就可以“通过涨落达到有序”。在系统的演化过程中, 系统中那些不随时间而衰减, 相反却增大的涨落, 便成为新的有序结构的“种子”, 并推动系统由无序走向有序。
3.房地产业系统的自组织条件
房地产业系统是一个自适应、自协调、自组织的有机系统, 它具备自组织系统的4个基本特征:
(1) 房地产业系统的开放性。房地产业系统是由一些企业构成的系统, 房地产业系统要存在, 就必须同系统外部进行资源交换。例如, 企业要维持生产, 就需要有资本、劳动力、原材料等生产要素, 同时要将产品 (房子) 卖给消费者。房地产业系统同系统外部进行资源交换, 系统内部各个子系统相互交流, 可能形成和维持某种稳定有序的结构。房地产业系统的开放性, 是房地产业系统产生自组织的前提和必要条件。
(2) 远离均衡态。开放系统是形成自组织的一个必要条件, 但绝不是充分条件。另一个重要条件是外界必须驱动系统越出非线性平衡区域, 达到远离平衡态。
房地产业系统的平衡态, 是指房地产业系统的状态随着时间的变化, 最终达到一种不变的状态。但在现实社会经济发展中, 房地产业系统是非平衡的。从层次上来看, 房地产业系统包括各个区域的房地产经济子系统, 而各区域的房地产经济子系统的演化发展会呈现出明显的不平衡, 而且差异比较大。同时, 在房地产业系统内还包括各种各样的相关要素。比如, 土地资源有限, 消费者需求各异, 企业开发实力良莠不齐, 社会服务业以及金融保险业并未健全等, 各类要素均处于非平衡状态。因而, 房地产业系统会随着时间的推移和开放度的增大而远离平衡态。
(3) 非线性作用。房地产业系统内各个组成部分之间相互作用的机制是非线性的。房地产商品需求的扩大, 导致房地产商品价格的上涨, 房地产商品价格上涨又导致更多的开发商和投机者进入房地产业, 开发土地价格也轮番上涨, 从而又促使房地产商品价格迅猛飚升, 政府为了促进房地产业的健康发展出台了一系列的宏观政策, 许多刚性需求的消费者又担心房价只升不跌而会加快购房进程, 这就造成目前房地产业系统处于不健康状态的结果。所有这些作用关系并不能用简单的线性关系表示, 它们之间的相互作用是非线性的, 因此, 房地产业系统是一个非线性体系。
(4) 涨落机制。涨落是状态变量对其平均值的偏离, 它是对原有系统均衡态的破坏, 又是使得系统达到新的均衡状态的内在动力, 可以类比于熊彼特所言“创造性的破坏”。在自组织理论框架下, 涨落是驱动房地产业系统由原来的稳定分支演化到耗散结构分支的初始推动力。例如, 上世纪80年代, 住房与土地制度的改革推动了我国处于休眠状态的房地产市场的形成, 使得我国房地产业系统具备了初步的结构和功能。同样, 1992年房地产泡沫的破灭导致我国的房地产业在经历了短暂的繁荣后迅速进入了衰退期, 尤其是海南的经济发展受到了重创。但是在另一方面, 却对我国房地产业的结构体系、运行机制、市场构成和政策框架的初步形成, 起到了积极的作用, 房地产商品化程度也有较大提高。我国房地产业系统自此开始跃迁至更为有序的系统状态, 呈现新的系统结构。
房地产业系统为了适应外界的竞争, 取得长足的发展, 必须不断与外界进行物质、能量和信息的交换, 通过交换系统不断远离平衡态, 引起系统宏观序参量的变化, 从而使系统单元发生非线性相互作用, 并通过涨落现象的发生, 使得集群自组织地发展。因而, 房地产业满足上述自组织发生的条件, 通过适当的途径和方式, 系统将自组织地发展。
4.房地产业系统的自组织演化过程
本文把房地产业系统的自组织演化过程分为两种情况:自稳定过程和自重组过程。房地产业系统的自稳定过程是指, 涨落低于“临界状态”的条件下, 通过渐进性和连续性的自组织, 经济活动的涨落向原有的房地产业系统均衡状态回归, 增强了原房地产业系统模式;自重组过程是指, 在房地产业系统内经济活动的涨落超过了临界状态, 通过非线性产生放大作用, 原有的房地产业系统失稳并出现分叉, 一种新的房地产业系统出现并取代原有的房地产业系统, 这个过程具有突变性和非连续性的特征。
涨落给房地产业系统内企业带来的利益驱动, 是推动房地产业自组织机制的原动力。如果涨落低于临界状态, 房地产业系统将稳定于原有的均衡状态;如果涨落超过临界状态, 那么房地产业系统就会远离均衡状态并失去稳定结构, 从而实现自重组。
房地产业系统的开放性不仅是房地产业系统存在的前提, 也是导致系统涨落被放大的原因。房地产业系统的开放性包括两方面:房地产业与系统外部的联系;系统内企业之间的合作与交流。两者相互抗衡, 缺一不可。在一个开放性的房地产业系统里, 由于外部性的存在, 一个企业或者子系统的涨落, 会导致相关企业或子系统也随之涨落;来自系统外部的涨落也会波及到房地产业系统, 从而会放大涨落的作用幅度和范围。
非线性的作用机制的存在是房地产业系统出现复杂性的原因。在开放性、非线性、正负反馈机制的共同作用下, 房地产业系统的自组织过程复杂多变, 呈现出耗散结构的特征。对于这样一个处于远离均衡态的房地产业系统, 房地产业向哪个方向演化具有不确定性, 此时房地产业自组织就会出现分叉。在存在多种因素可能导致新的均衡态出现的情况下, 具体实现哪种路径选择取决于初始条件和偶然性的历史事件, 系统能够获取自组织所必需的推动力, 从而决定了系统自组织的性质、内容和基本方向。
在自组织理论框架下, 房地产业自组织系统具有不可逆性。虽然房地产业系统会出现多种可选择路径, 但是分叉一旦选定了自组织的演化方向, 那么该路径就具有不可逆性。涨落的方向一旦确定, 在开放性、非线性、正负反馈机制的共同作用下, 涨落的效应被放大, 从而强化了分叉情况下最初的路径选择。一旦房地产业系统自组织演化路径选定, 走上分叉路就不能再回头。
自组织形成的新的房地产业系统与原来的房地产业系统相比不仅是规模上的差异, 更重要的是质的差异。在这里, 我们描述的是一个被增强和强化了的房地产业系统。在房地产业系统的产生和强化阶段, 房地产业系统因自增强机制会迅速扩张, 而一旦进入衰退期则会迅速死亡, 两者的自组织机制原理是相同的。
参考文献
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工程系统中的自组织技术研究 篇7
1 自组织的概念与特征
自组织系统在各个学科中定义不尽相同, 普遍认为自组织系统为一些个体集合, 可无需通过外部控制, 系统通过个体之间的局部相互作用的实现全局行为。
一般来说, 自组织系统具有如下的一些特性[1]:
(1) 分散控制。指的是系统主要利用个体的局部交互作用影响全局行为。
(2) 涌现性。一般来说, 涌现是一种来自系统各组元之间的相互作用的全局结果的现象。而系统全局结果相对于系统的组成部分是新颖的, 或者说系统内部组成部分的交互作用是无法预测系统的全局行为的。涌现的例子包括:蚂蚁系统中蚂蚁个体通过信息素交互产生的全局路径、鸟群的迁徙、汽车之间的相互作用而产生的堵车等等。
(3) 自适应性。一个自组织系统会自动调整系统状态以适应环境的变化, 即其具有一定的抗扰动能力和自适应维持其结构的能力。
(4) 进化:进化是自组织系统涌现和自适应性的结果。
2 自组织系统的求解模型
利用自组织系统研究工程问题, 需要对自组织系统模型进行研究, 使得其可以在数学上进行分析或通过计算机模拟研究。由于涌现行为不可预测性, 合理的模型可以提供了一个虚拟实验平台来探索涌现与局部规则之间的关系。目前, 研究较多的模型有元胞自动机 (CA) [2]和多智能体系统 (MAS) [3]。
2.1 元胞自动机
元胞自动机模型是一个研究自组织系统的模拟方法, 其实质上是定义在一个由有限离散状态的元胞组成的元胞空间上, 并按照一定的局部规则, 在离散的时间维度上演化的动力学系统。元胞自动机是一类模型的总称, 或者说是一个方法框架。其特点是时间、空间、状态都离散, 每个元胞只取有限多个状态, 且其状态改变的规则在时间和空间上都是局部的。元胞自动机自产生以来, 被广泛地应用到社会学、生态学、计算机科学、物理学、化学等领域。
2.2 多智能体系统
多智能体系统 (MAS) 是通过多个智能体相互交互和作用而使得系统达到某种目标的计算系统。MAS方法中包含组成系统的智能体和环境的定义以及智能体之间的相互作用。MAS系统中环境作为智能体生存活动的空间, 将MAS组织成一个整体, 为智能体提供通信和协调平台;智能体被认为是具有智能性和自适应性的个体, 遵循一定的规则, 根据自身的局部信息与环境和其他智能体的交互作用来调整自身的状态和行为, 使得系统逐渐进化, 从而在整体上显现出更高层次的有序性。换句话说, 系统是基于分散控制的思想, 根据智能体的局部适应度函数来评价组成整体解的智能体的状态变量, 每个智能体根据局部信息和局部适应度函数在当前解得邻域内作出相应的决策行为, 通过智能体之间的相互竞争与协作等局部相互作用, 系统自组织涌现出宏观的结构。
元胞自动机模型中各个元胞一般是同质的并遵循相同的邻域和局部规则, 其元胞状态更新也是同步的;而多智能体系统中的智能体可以是同质的, 也可以是异质的, 并且各个智能体具有独立性和自主性, 其邻域设定和局部作用规则也不尽相同, 智能体的状态更新可以是同步的, 也可以是异步的。因此, MAS对于复杂系统的具有更强的表达力。此外, 若将元胞自动机中的元胞看成智能体, 元胞的邻域结构和局部规则对应看成智能体邻域结构和局部规则, 则元胞自动机可以看成一类特殊的MAS系统。MAS方法已被证明是非常适合研究复杂系统涌现性质的模拟系统。
3 自组织系统机制与应用
3.1 直接相互作用机制
直接相互作用机制是直接设计个体的局部相互作用的自组织机制。其基于一些基本的原则如局部化和广播, 智能体通过直接的局部的耦合作用自组织涌现出全局状态。与传统的分布式算法不同, 自组织算法具有在环境中存在一定扰动的情况下, 系统能最终收敛到并保持需要的全局稳定状态, 也就是说系统具有较强的鲁棒性。
这种机制的典型实例是那些应用在自组装和分布式自定位领域。例如, 文献[4]中, 通过设计粒子的局部规则, 使得粒子自组织形成不同的形状。
3.2 Stigmergy机制
Stigmergy这个词是生物学家Grasse创造的, 用来解释白蚁的筑巢行为。它是一种间接相互作用的自组织机制:群体中的个体之间没有直接的相互作用, 个体通过改变环境的方式来发生作用。而环境的变化又会影响个体的行为, 其结果导致了环境的更新。这是一个信息的正反馈机制。
Stigmergy机制被广泛应用于MAS的设计中以获得需要的涌现特征。Brueckner等[5]将它作为Agent协作机制, 应用于移动自组网的管理中, 使得管理具有良好的自组织特征。Karuna等[6]等将MAS应用于工业自动控制, 并把Stigmergy作为其协调和控制机制, 使得整个控制系统具有涌现特征的预测能力。
3.3 强化机制
强化是导致生物系统中分化出“专家”和“一般劳动力”的机制。这主要通过两种方式实现: (1) Agent的工作效率随着经验的增长而提高; (2) Agent对相关刺激的阈值随着工作经验增加而降低。强化机制可以导致劳动分工和产生组织结构, 这是MAS中非常重要的一种涌现现象。强化机制是一种天然的学习方法, 学习和工作效率的提高往往被认为是产生劳动分工的主要原因。在强化学习过程中, Agent尝试在其环境中产生一些作用 (输出) , 然后收到一个关于该作用的评价 (报酬) , 学习算法选择性地保留那些最大化自身报酬的输出。强化学习一般通过奖惩函数来调整Agent的行为, 这样的交互学习作用使得系统具有较强的适应性和涌现特征。例如, Mazurowski等[7]将强化学习用于MAS通信, 以产生通信涌现。
3.4 竞争与合作机制
在自然界中, 各种生物与物种共同生存在一定的生活环境中, 这种生存环境中的资源是有限的, 它们必须通过竞争与合作才能获得自己生存所需的资源共同生存下去。通过这些竞争与合作的交互, 物种们不断进化和改变, 并相互影响彼此的进化过程, 因而自然界中的生物与物种之间实际上构成了一种协进化的关系, 生态系统逐步完善, 以适应环境。受生物系统协进化机制的启发, 工程系统所期望的集体行为可通过智能体协进化作用涌现出来[8]。换句话说, 系统的功能是在智能体的局部相互竞争与合作的作用中涌现出来的。每个智能体具有一定的自组织的能力, 能根据其知识和任务改变其与其它智能体和环境交互, 以适应环境的改变。
4 自组织系统在工程优化设计中的特点、优势, 存在的问题及难点
基于MAS的自组织系统设计对于复杂工程系统具有无可比拟的表达力, 可以成为研究复杂工程系统涌现行为的通用的模型和求解框架, 其基于分散控制的思想, 能充分挖掘智能体的局部信息指导智能体的进化, 同时, 在系统进化过程中, 可以结合多种求解策略, 特别是结合具体问题的特征, 根据环境的变化有针对性的设计智能体相应的规则, 具有灵活性, 适应性与鲁棒性的优点, 大大提高求解问题的能力。
自组织技术在工程中的应用中, 大多数是利用自组织系统进行系统模拟与预测。而在工程优化领域应用的较少。对于设计自组织涌现系统应用于工程优化问题, 其关键问题在于如何设计个体局部相互作用, 使得智能体的微观行为能涌现所要求的宏观性能[7]。然而, 由于自组织涌现的具有新颖性以及难以预测性, 使得自组织系统的应用于工程优化设计很难实现。因为我们很难根据想要的系统优化设计目标来推断出局部作用规则。
目前, 存在着三种方法寻找局部作用规则, 即解析方法, 仿生设计, 试错方法。解析方法主要用于所研究的问题模型相对简单, 所需局部规则可以通过对全局属性的解析得到, 但这种方法局限性比较大。仿生设计方法主要通过生物系统的启发来设计局部规则, 仿生设计可以希望得到较好的设计结果, 但它需要找出生物系统与所解决问题之间存在相似关系。试错方法是三类方法里面最一般的方法。然而, 可能出现的巨大的参数空间和经常反直觉的涌现性质都给这类方法带来很大的麻烦[7]。
5 总结与展望
工程系统中自组织涌现算法具有分散控制、自适应性、鲁棒性、灵活性以及扩充性强等优点。但其研究与应用仍存在以下几方面问题: (1) 它们均是基于概率搜索的方法, 从数学上对它们的正确性与可靠性的证明非常困难, 仿真成为一种不可或缺的测试与验证方法。 (2) 系统的高层次的结构是通过的个体之间的简单交互作用涌现出来的, 但由于涌现行为不可预测性质, 如何设计智能体之间的局部交互行为使得系统能够涌现出所希望看到的高层次的行为结构是一个极为困难的问题。
相比于自上而下设计的智能算法, 自组织涌现的方法求解复杂工程优化问题更有优势, 但也存在一些问题和困难, 今后的工作可以从自组织系统构建、邻域结构设计、交互机制设计等方面做深入研究, 使自组织求解成为复杂工程优化的高效的求解框架。
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