分子系统进化（共7篇）
分子系统进化 篇1
Ⅱ类毒素-抗毒素 (TA) 系统, 最早在1982年于大肠埃希菌的低拷贝质粒中发现。其后发现, TA系统同样存在于细菌染色体上, 也存在于一些外源DNA岛如噬菌体、转座子、超级内含子和质粒中, 由于近年来发现其参与细菌的多种应激调控过程而被广泛关注[1]。生物信息学分析发现:多达750个细菌和古细菌的基因组中存在Ⅱ类TA系统;自生微生物的基因组中一般含有多个Ⅱ类TA系统编码基因, 而在严格的胞内微生物基因组中未发现Ⅱ类TA系统编码基因;以上证据提示Ⅱ类TA系统对微生物的生存具有重要作用。主流观点认为:TA系统可能作为一个特殊的压力反应原件, 在细菌对不利环境的应激调控过程中发挥重要作用[2,3]。根据TA系统中氨基酸序列的相似度, Ⅱ类TA中的毒素蛋白被分为9个家族, 包括Ccd B、Rel E、Maz F、Par E、Doc、Vap C、ζ、Hip A以及Hig B[3]。根据毒素蛋白的分类, 相应TA系统被分为9类。其中, Maz EF是最早在大肠埃希菌基因组中发现、研究最为深入的Ⅱ类TA系统之一, 参与细菌对营养饥饿、抗生素、高温、DNA损伤等应激反应调控[1,4]。
双歧杆菌 (Bifidobacterium) 是母乳喂养的婴儿肠道中的优势菌, 具有对宿主多方面的益生作用, 如拮抗肠道病原体、调节免疫、平衡肠道菌群等[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。作为一种模式益生菌, 双歧杆菌经常与其他乳酸菌一起用于益生菌制品的生产, 在食品、医药、畜牧等领域应用广泛。作为益生菌使用的双歧杆菌在工业加工、储藏、运输以及进入宿主胃肠道的过程中会遭遇各种环境胁迫, 如酸、热、氧气、营养匮乏和高渗透压等各种不利刺激。目前, 已经有近40株双歧杆菌进行了全基因组测序, 但是它们的基因组中是否存在Maz EF、它们分子的进化关系如何、是否参与双歧杆菌对多种不利环境的应激调控均不清楚。由于构成TA系统的一对毒素蛋白 (Maz F) 和抗毒素蛋白 (Maz E) 处于共进化的状态, Maz F的进化状态可以代表TA系统Maz EF的进化状态[21]。因此, 本研究通过对双歧杆菌Maz F的进化分析间接研究Maz EF的分子进化。作者在NCBI数据库中获得双歧杆菌编码的Maz F, 对其进行多序列比对;进一步将来自双歧杆菌属和其他菌属的毒素蛋白Maz F和菌株16 S r RNA的进化分析结果进行比较, 完成对双歧杆菌Maz EF的分子进化分析。
1 资料与方法
1.1 一般资料
Maz F蛋白和16 S r RNA序列菌株来源均下载自NCBI, 包括B.longum, B.breve, B.stellenboschense, B.ruminantium, B.kashiwanohense, B.bifidum, Streptococcus mutans, Mycobacterium tuberculosis, Escherichia coli, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus和Lactobacillus johnsonii。
1.2 方法
Maz F蛋白和16 S r RNA序列获取通过PSI-BLAST在NCBI中搜索, 获得双歧杆菌染色体编码的Maz F;通过NCBI蛋白数据库 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/) 下载其他菌属染色体编码的6个Maz F序列;而16 S r RNA序列下载自NCBI核酸数据库 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/) 。
1.3 统计学处理
分别应用Clustal X2和MEGA4软件进行多序列比对和进化图绘制。
2 结果
2.1 双歧杆菌染色体编码Maz F情况
共搜索到双歧杆菌染色体编码毒素蛋白Maz F 26个。其中, 21个Maz F编码基因存在于B.longum、B.breve染色体上, 其余位于其他5种双歧杆菌染色体中, 见表1。双歧杆菌中Maz F蛋白序列由99~129个氨基酸构成, 见图1。
2.2 Maz F分子进化分析
通过Clustal X2对26个双歧杆菌染色体上的Maz F蛋白分子进行多序列比对, 结果如图1。选取来自6种双歧杆菌的代表性Maz F蛋白序列和其他菌株Maz F进化分析, 并将结果与16 Sr RNA分子进化分析结果相比较见图2。
*用于绘制进化图 (图2B) 的毒素蛋白Maz F
3 讨论
TA系统通常由处在同一个操纵子中紧密连锁的两个基因组成;其中一个基因编码不稳定的抗毒素蛋白或RNA, 另一个基因编码相对稳定的毒素蛋白。根据抗毒素的成分不同, 通常将TA系统分为三类:Ⅰ类的抗毒素为反义m RNA, Ⅱ类的抗毒素基因编码抗毒素蛋白。前者可以抑制毒素蛋白m RNA的翻译, 从而阻止毒素蛋白发挥作用;后者可以与毒素蛋白结合形成蛋白复合体, 达到抑制毒素的作用。而III类TA系统中的抗毒素虽然也是RNA, 但是其抑制毒素作用的机制与Ⅱ类不同, 它是通过抗毒素与毒素蛋白形成RNA-蛋白质结构发挥毒素抑制作用[22]。
Maz EF是最早于大肠埃希菌基因组中发现的Ⅱ类TA系统, 由处于同一操纵子、紧密连锁的两个基因maz E和maz F编码。上述两个基因均编码小分子蛋白, 其中maz E编码不稳定的抗毒素蛋白, maz F编码相对稳定的毒素蛋白[23]。一般情况下, Maz E和Maz F形成蛋白复合体, 处于动态平衡状态, 细菌正常生长。由于Maz E没有Maz F稳定, 需要不断的合成Maz E维持平衡状态, 因此在某些情况下, 如氨基酸饥饿、抗生素等不利刺激下, Maz E被降解或合成受到抑制, 其含量相对于Maz F减少, 从而引起细菌的死亡或生长抑制[24]。研究发现:Maz EF参与氨基酸饥饿、高温和DNA损伤等恶劣环境下菌株的应激调控, 在细菌压力调控过程中发挥重要作用[1,24]。
双歧杆菌Maz F多序列比对分析虽然发现了双歧杆菌Maz F的保守区域 (黑色、灰色区域) , 然而整个双歧杆菌属基因组上的Maz F保守性不好, 仅个别菌种内的Maz F具有较好的保守性, 如B.breve基因组上的Maz F保守性较好。进一步分子进化分析显示:Maz F的聚类结果与相应菌种16 S RNA的聚类结果不一致, Maz F与16 S RNA的共进化仅在个别菌种中发现, 如B.breve和B.longum中的Maz F。上述结果提示:双歧杆菌中的Maz EF可能是通过基因的水平转移整合入基因组中, 属于菌株的非核心基因组部分, 具有较大的流动性。上述编码Maz EF的双歧杆菌株可能具有某些不利环境下的生存优势。
分子系统进化 篇2
细胞色素b基因位于线粒体基因组功能区, 功能区基因序列的测定与分析常作为比较物种进化的重要依据而被广泛研究[1]。在进化过程中, 细胞色素b基因Ⅰ核苷酸序列的变异率相对其他功能区域要高, 同时由于其序列测定容易进行、含有高分辨率的系统发育信息及在生物类群中存在范围极广等特点而被认为是探讨近缘物种间遗传分化的良好标记, 对系统进化和分类研究有较强的适用性[2]。激素敏感脂肪酶 (hormone sensitive lipase, HSL) 是动物体内引发脂肪组织中三酰甘油分解的关键酶和限速酶。鉴于HSL基因在动物脂肪代谢中的关键作用, 近年来被看作是与动物脂肪代谢和肉质性状相关的重要候选基因[3]。马志杰等[4]选取HSL基因研究了牦牛、瘤牛、普通牛和水牛的进化关系, 表明HSL基因外显子Ⅰ部分核苷酸序列适合于构建物种间分子系统进化树。试验通过对延边黄牛mtDNA cytb 基因全序列和HSL基因外显子Ⅰ部分序列进行测序分析, 从分子水平研究延边黄牛的起源与系统发生, 为探讨延边黄牛的起源演化和分类提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 样品的采集
从吉林省珲春市随机采集7头健康延边黄牛抗凝血, 低温带回实验室, -20 ℃保存。用基因组DNA提取试剂盒提取血液基因组DNA。
1.2 cytb 基因和HSL基因的扩增和序列测定
cytb基因全序列的PCR扩增采用Irwin D M等[5]报道的牛通用引物, 上游引物5′-CGAAGCTTGATATGAAAAAACCATCGTTG-3′, 下游引物5′-GGAATTCATCTCTCCCGGTTTACAAGAC-3′。PCR反应条件:94 ℃预变性4 min;94 ℃变性30 s, 51 ℃退火30 s, 72 ℃延伸1 min, 共35个循环;72 ℃延伸7 min。HSL基因外显子Ⅰ的PCR扩增引物采用马志杰等[4]报道的引物, 其中上游引物5′-CGCACAATGACACAGTCGGT-3′, 下游引物5′-CAGGCAGCGGCCGTAGAAGCA-3′, 覆盖片段长度为498 bp, 由上海生工生物工程技术服务有限公司合成。PCR反应条件:94 ℃预变性5 min;94 ℃变性45 s, 58 ℃退火1 min, 72 ℃延伸1 min, 共35个循环;72 ℃延伸5 min。PCR产物的纯化、回收和测序由上海生工生物工程技术服务有限公司完成。
1.3 统计分析
应用Clustal W 1.82软件进行多序列比对, 通过MEGA 4.0软件计算不同序列间的核苷酸代替、变异位点、转换与颠换比率及遗传距离等。用DNAsp 4.10软件计算单倍型、单倍型多样性、核苷酸多样性。利用MEGA软件计算品种间距离, 利用UPGMA法构建品种的分子系统进化树。
2 结果与分析
2.1 延边黄牛mtDNA cytb 基因和HSL基因PCR扩增结果 (见图1、图2)
M.DL-2 000 Marker;1～3.PCR扩增产物。
M.DL-2 000Marker;1～3.PCR扩增产物。
由图1, 2可知, cytb 基因和HSL基因PCR产物大小分别为1 140 bp和498 bp, 与预期结果一致。
2.2 延边黄牛mtDNA cytb 基因的核苷酸多态位点的突变类型
通过对10条cytb 基因序列 (4条序列由试验测定, 其余6条序列来源于GenBank) 分析结果表明, 所有序列全长均为1 140 bp, 无插入和缺失, 共发现 7个变异位点, 占分析位点总数的0.61%, 包括5个转换和2个颠换。核苷酸的替换位点主要以转换为主, 转换与颠换之比 (R) 为3.0, 表现出较高的转换偏倚。7个变异位点定义了4种单倍型, 单倍型多样性 (Hd) 为0.644, 核苷酸多样性 (Pi) 为0.001 83。其中单倍型Ⅱ的转换为232 (A→G) , 单倍型Ⅲ的颠换为124 (A→T) 、转换为701 (T→C) , 单倍型Ⅳ的转换为232 (A→G) 、318 (T→C) 、360 (G→A) 、412 (A→G) 和颠换为691 (G→T) 。
2.3 延边黄牛mtDNA cytb 基因系统进化分析 (见图3)
利用Clustal W 1.82软件对mtDNA cytb 序列进行同源序列对比, 结果发现, 10头延边黄牛的mtDNA cytb基因全序列由4种单倍型组成, 即单倍型Ⅰ (YB1、YB2、YB3、YB4、YB5、YB18) 、单倍型Ⅱ (YB07、YB08) 、单倍型Ⅲ (YB09) 单倍型Ⅳ (YB06) 。试验采用UPGMA法根据研究的测定结果和引用的国内外普通牛和瘤牛cytb 基因全序列, 以Kimura双参数模型构建系统进化树。从图3中可以看出, 基于cytb基因延边黄牛与普通牛的亲缘关系最近, 两者紧密地聚为一类后, 再与瘤牛相聚。由此可推断, 延边黄牛具有普通牛的血统。
2.4 延边黄牛HSL基因外显子Ⅰ的核苷酸序列对比及其与他牛种间的分子系统进化树 (见图4)
对3头延边黄牛HSL基因外显子Ⅰ部分片段的核苷酸序列进行测定结果表明, 延边黄牛核苷酸序列与瘤牛、普通牛、牦牛、水牛的同源性分别为100%、99.8%、99.6%、97.0%见表1。与普通牛相比, 有1次发生碱基替换, 在267位 (C→T) 的碱基转换, 与牦牛相比, 共发生2次碱基替换, 在267位 (C→T) 和在415位 (C→T) 的碱基转换, 与水牛相比, 共发生15处碱基突变。采用UPGMA法构建5个牛种分子进化树, 从图4中可以看出, 延边黄牛和瘤牛先聚为一类, 再依次与普通牛、牦牛、水牛相聚。由此可推断延边黄牛具有瘤牛血统, 与瘤牛和普通牛亲缘关系较近, 与水牛亲缘关系较远。
注:***上面为各牛种间的核苷酸序列同源性, ***下面为各牛种间的遗传距离。
3 讨论
延边黄牛是东北地区优良地方牛种之一。延边黄牛产于吉林省延边朝鲜族自治州, 分布于吉林、辽宁及黑龙江等省。延边黄牛是朝鲜牛与本地牛长期杂交的结果, 也混有蒙古牛的血液。延边黄牛体质结实, 抗寒性能良好, 耐寒, 耐粗饲, 耐劳, 抗病力强。目前, 对于延边黄牛起源和系统发育的报道较少, 王朝锋等[6]对延边黄牛的线粒体DNA D-loop序列进行多态性分析, 序列分析显示延边黄牛与朝鲜牛亲缘关系很近。试验对10头延边黄牛的mtDNA cytb 基因的1 140 bp全序列进行分析, 共检测到7个多态位点, 占核苷酸总数的0.61%。通过对线粒体cytb 基因分析10头延边黄牛个体分别散布于4个不同的单倍型中, 都与普通牛聚集在一起。其中6头延边黄牛、2头日本和牛、2头韩牛与欧洲普通牛共享1种单倍型, 说明延边黄牛与日本和牛、韩牛存在较近的亲缘关系, 延边黄牛具有普通牛血统。但基于HSL基因外显子Ⅰ部分序列分析表明, 延边黄牛核苷酸序列与瘤牛核苷酸同源性为100%, 与普通牛的同源性为99.8%。从构建的系统进化树和不同牛种间的遗传距离来看, 延边黄牛先与瘤牛聚为一类, 两者的遗传距离0, 表明延边黄牛与瘤牛亲缘关系较近, 由此推断延边黄牛可能含有瘤牛血统。基于HSL基因外显子Ⅰ的聚类结果与王朝锋等[6]线粒体DNA D-loop序列的研究结果不尽相同, 造成这一差异的原因有待于进一步研究。
试验通过对延边黄牛mtDNA cytb 基因全序列和HSL基因外显子Ⅰ部分序列进行研究, 结果表明延边黄牛既含有普通牛的血统又含有瘤牛的血统, 但受普通牛影响较大。对于延边黄牛起源分化的研究, 目前除分子水平的研究外, 尚无其他的研究报道, 故无法考证试验结果是否与其他研究方法结论相一致。下一步的研究工作需加大样本数量, 对Y染色体方面及其他检测手段进行深入研究, 以便进一步了解延边黄牛的起源与分化。
参考文献
[1]KIJAS J M, ANDERSSON L.A phylogenetic study of the origin ofthe do-mestic pig estimated from the near-complete mtDNA ge-nome[J].J Mol Evol, 2001, 52 (3) :302-308.
[2]BATAILLE M, CRAINIC K, LETERREUX M, et al.Multiplexampli-fication of mitochondrial DNA for human and species identificationin forensic evaluation[J].Forensic Sci Int, 1999, 99:165-170.
[3]HARBITZI, LANGSET M, EGE A G, et al.The porcine hormonesensitive lipase gene:sequence, stmcture, polymorphisms and linkagemapping[J].Animal Genetics, 1999, 30:10-15.
[4]马志杰, 钟金城, 陈智华, 等.牛科动物HSL基因序列分析及分子进化研究[J].遗传学报, 2007, 34 (1) :26-34.
[5]IRWIN D M, KOCHER T D, WILSON A C.Evolution of the cyto-chrome b gene of mammals[J].J Mol Evol, 1991, 32 (2) :128-144.
坐具的技术系统进化 篇3
(一) 技术系统进化法则
技术系统进化的法则是TRIZ理论的基础, 是用分析大量专利的方法来研究技术系统的历史和发展规律, 它的意义不仅在于解决现有问题, 而且能预测新问题的产生, 有助于直接获得解决方案以及用来预测未来技术的特性。TRIZ确定了下列八项技术系统的进化法则:
1.技术系统的S曲线进化法则:指技术系统发展总是遵循从婴儿期、发展期、成熟期到衰退期的循环往复的发展过程, 且新系统与老系统的各时期会彼此交叠、同时存在, 形成S型进化曲线。如图1所示, 以传统木制坐具为例, 木制坐具的婴儿期出现在古埃及, 是法老的御用家具, 存世极少;随后的成长期应为古稀腊, 出现了克里斯姆斯椅, 产量加大但样式不多;木制坐具最辉煌的成熟期应为欧洲巴洛克、洛可可时期与中国明清时期, 这时的木制坐具已经发展出了复杂的样式与完备的功能, 而且成为民众广泛使用的家具之一;工业革命之后, 新材料与新工艺不断的出现, 金属、塑料渐渐替代木材成为坐具的主要部件, 木制坐具渐渐走入衰退期。
2.提高理想度法则:完整技术系统由动力装置、传输装置、执行装置与控制装置构成, 能量在四个元件间流动, 想要提高技术系统的效率, 就要缩短能量流动的路径, 减少能量的损失, 能量越接近理想状态零损失, 系统的理想度越高, 所以提高理想度也是系统的进化方向之一。以升降椅为例, 早期的升降椅使用杠杆结构, 需要外力才可以调节高度 (如早期理发馆使用的脚踩升降椅) , 其能量利用率不高;如图2所示, 如今的升降椅普遍使用气压棒作为动力装置, 升降所需的能量由气压棒储存, 通过人手即可实现调节, 减小了能量的损失, 系统的理想度较高。
3.子系统的不均衡进化法则:每个技术系统都是由若干实现功能的子系统组成, 各子系统之间的进化速度是不同的, 系统地进化速度受进化最慢的子系统制约, 所以及时改进进化最慢的子系统有助于提高系统的进化速度。以轮椅发展为例, 早期的轮椅在很长的一段时间内都是人力驱动的, 虽然电动机很早就已被发明出来, 但是充当动力元件的蓄电池的发展速度较慢, 电动轮椅的设想很早便有, 却始终无法成为现实。1994年日本新力电池公司开发出锂离子电池后, 这种质量功率高达质量能为100Wh/kg (传统铅酸电池只有30Wh/kg) 的新型蓄电池才打破了电动轮椅发展的瓶颈, 为轻便电动轮椅的普及开创了条件, 如图1-3所示。
4.动态性和可控性进化法则:系统的进化应沿着结构柔性、可移动性、可控性增加的方向发展, 以适应环境状况与执行方式的变化。以办公椅为例, 如图4所示, 早期的办公椅与家具坐具的区别不大;随着技术的进步, 发展出了可以旋转的转椅;而后又进化出了底部带滚轮的轮转椅;如今的办工椅不但可转易移, 其座高、靠背角度、扶手高度都是可以调节的, 其动态性与可控性已经到达了相当的高度。
5.增加集成度再进行简化法则:系统进化是沿着从单系统、双系统、多系统到超系统 (剥离出原有系统的子系统) , 从而系统的进化呈现出增加集成度再进行简化的发展特点。以按摩椅为例, 早期的按摩椅只是简单的在一般坐具上安装按摩垫从而实现按摩功能, 如图5所示, 如今的按摩椅已集成了按摩、坐姿调节、温度调节、多媒体播放等多种功能, 成为多系统, 而这多种功能随着技术的进步已经可以实现高度集成, 外观越来越轻便, 控制元件也经剥离原系统而单独存在 (表现为遥控器) , 实现向超系统的转化。
6.子系统协调性进化法则:系统进化向各子系统系统功能结构、性能参数、工作频率更加协调发展。这里已沙发为例, 沙发的内部弹性支撑最早为弹簧, 虽然基本可以实现功能, 但是存在摩擦噪声与弹性不均的弊端;随着布袋弹簧的出现, 系统更加协调, 噪声问题得到了很好的解决;如图6所示, 如今的沙发已经开始采用发泡材料填充, 更好的实现了功能结构, 性能参数与工作品率的协调。
7.向微观级和场的应用进化法则:系统进化沿着减小或减少其元器件方向发展, 微型元件与场效应的应用可以为系统进化提供可能性。这里以餐椅为例, 餐椅是就餐时的坐具, 常需要搬动, 理论上越轻便越好, 如图7所示, 历史上著名的餐椅之一托耐德14号椅采用蒸汽弯木技术极大的减轻了餐椅的重量, 而后层压胶合板的出现催生了更加轻便的餐椅, 如丹麦著名设计师雅各布森设计的蚂蚁椅;玻璃钢的出现又推动了更加简洁的潘顿椅的产生, 在保证功能的条件下, 尽量减少减小部件已成为现代家剧设计的主要设计思路。
8.减少人工进入的进化法则:系统进化沿着更小的人工介入方向发展, 智能化是未来系统的发展目标。以驾驶椅为例, 智能化已成为其发展的方向, 如图8所示, 日本东大的研发团队已经开发出了内置呼吸传感器的驾驶椅, 可以检测驾驶员是否在打瞌睡, 并通过警报提醒, 防止交通意外的产生。
这八项系统进化法则是我们分析系统进化阶段, 改进系统进化流程、加快系统进化速度、预测系统进化方向的有利武器。
(二) 坐具的进化方向
通过对坐具技术系统进化的分析, 我们可以结合现今材料、能源、信息技术推测出坐具进化的方向
1. 材料方面:
随着塑料的发展与成熟, 金属、木材等传统材料的使用渐渐步入衰退期, 现今的塑料功能日趋完善, 并且具备诸多传统材料无法比拟的特性 (如可塑性、透明性、无限着色性等) , 高透明度的聚碳酸酯、柔软透气的聚氨酯、强度极高的聚甲醛、极度耐腐的聚四氟乙烯, 各种具备优良特性的塑料为坐具设计提供了太多的可能性。所以塑料在坐具中更为广泛的使用应当是坐具发展方向之一, 甚至全塑坐具会进一步替代现今多种材料复合应用的情况, 而且这种使用应具备高度复合化、轻便化的特点。
2. 能源方面:
随着第二代电池 (镍氢电池、镍锌电池、锂离子电池) 与燃料电池 (碳氢化合物电池、锌氧电池) 技术;无线充电技术 (交流电之父尼古拉.特斯拉发明, 近些年来逐步被产业化) 的发展;微电子技术的发展。多功能化将成为未来坐具的发展方向之二, 按摩、加热、多媒体娱乐、上网、移动都将变得更为容易并且没有限制, 这些功能元件将会变得越来越小, 越来越轻且经久耐用, 像如今市场上的大型按摩椅与大型电动轮椅都将被淘汰, 功能多样且结构简单、体积小巧的坐具会成为市场的主流。
3. 信息技术:
随着感测与识别技术 (多点触摸、语音输入、手势识别) ;传递技术 (蓝牙、WIFI、3G) ;存储技术 (闪存、网络存储) ;处理技术 (低功率多核心微处理器) ;显示技术 (柔性屏幕、便携投影、3D显示) 的发展。智能化将成为未来坐具的发展方向之三, 未来坐具与电脑的结合将会成为趋势, 智能坐具将具备更多的人性关怀, 操作也将变得更为容易。
(三) 结语
相关研究表明, 技术进化趋势在一定程度上是可以预测的, 技术系统进化法则作为重要的分析工具, 是TRIZ理论中的核心模块, 它对于我们进行创新研究有着重要的指导意义。TRIZ是一套庞大的理论体系, 它进入中国的时间尚短, 还没有做到向各个行业的普及, 不过坐位一种创新的普适方法学, 它的应用前景是广阔的。
参考文献
[1]刘华.基于TRIZ理论的产品概念设计方法及应用[D].南京理工大学, 2005.
[2]Genrich Altshuller.The innovation algorithm:TRIZ, systematic innovation and technaical creativity[M].华中科技大学出版, 2008.
分子系统进化 篇4
然而,鲜有学者专门针对TRIZ技术系统进化法则在管理领域的改善与应用展开研究。从TRIZ解决问题的模式可知,TRIZ是问题驱动的理论,应用TRIZ理论的首要条件就是发现现有问题,因此,TRIZ理论体系中提供了一系列的工具用于激发创新思维并发现问题,其中“技术系统进化法则”是最重要的工具,其作用在于预测未来发展趋势,发现现有技术的问题。特别的,相较于工程技术领域,管理领域的现有问题更难以察觉与发现,在这种情况下,难以在管理领域顺利地应用TRIZ理论。因此,技术系统进化法则对于TRIZ理论在管理领域的顺利应用有着首要的重要性。鉴于此,本文结合管理领域的特征,提出了问题驱动的TRIZ管理创新体系,并尝试对TRIZ技术系统进化法则进行改善,旨在提出基于TRIZ的组织系统进化法则,填补基于TRIZ理论的管理创新研究在该模块的空白,构筑TRIZ理论在管理领域应用的桥梁。
1 研究综述
从内容维度区分,TRIZ理论在管理领域的研究可以分为面向整体TRIZ理论的管理创新体系研究,以及针对部分TRIZ工具的管理创新工具研究。前者旨在以TRIZ理论为指导,建立系统的管理创新理论体系;后者通过对现有TRIZ工具进行改善,应用并解决实际的管理创新问题。特别的,TRIZ技术系统进化曲线在管理领域的相关研究还十分罕见。
在基于TRIZ理论的管理创新体系研究中,部分学者从系统的角度出发,指出了基于TRIZ理论的管理创新理论体系中各个组成部分,例如:易加斌等[3]构建了企业管理创新理论与方法体系;吕荣胜等[4]提出一种基于TRIZ的复杂管理问题求解模式;井辉等[5]构建了一种基于TRIZ理论思想的复杂管理问题求解模式。其他学者从流程的角度出发,阐述了基于TRIZ理论的管理创新的具体模式与步骤,例如:张东生等[6]提出了管理创新方法研究的基本思路和内容;赵文燕等[7]提出一种TRIZ在管理流程优化中的应用流程DTSIC;杨波[8]设计了基于TRIZ的有效求解企业管理冲突的流程优化模式。
在基于TRIZ的管理创新工具研究中,最热门的研究领域为管理参数与管理创新原理与分离原理、管理物场模型及管理问题标准解,其他研究包括管理理想化(IFR)和管理效应知识库等。DarrelllMann等[9,10]提出了适用于商业领域的40条发明原理,同时给出了管理标准技术参数以及相对应的冲突矩阵。任工昌[11]构建了管理系统冲突矩阵。纪建明等[12,13]给出了一般管理参数和管理冲突矩阵,以及判定管理创新解的理想化水平的过程和公式。程文亮等[14]提出了管理领域的“管理元素———场”分析模型。文竹等[15]建立了“管理物场模型”以及与模型对应的寻找管理创新问题解决思路的集合。张亚强[16,17]提出了分离原理在管理创新中运用的规范化工具框架和解决管理问题的创新算法过程(ARIZ)。胡建伟[18]为企业提供了一套基于物—场分析的管理系统创新方法和解决管理系统问题的标准解法。Pentti Soderlin[19]为了使标准解便于在管理领域使用,将76个标准解简化为16个。
2 问题驱动的TRIZ管理创新体系
在以往的研究中,由于受到传统TRIZ理论体系的影响,基于TRIZ理论的管理创新体系大都以“管理问题定义”为起点。组织系统时刻处于变化之中,其存在的问题是不直观的、难以察觉的,TRIZ理论是典型的问题驱动的理论,在难以发现现有问题的情况下更不可能在管理领域中应用TRIZ理论。本文提出了问题驱动的TRIZ管理创新体系如图1所示。与已有研究相比,问题驱动的TRIZ管理创新体系强调了问题发现对于组织实现管理创新的重要性。
(1)管理问题预测。问题驱动的TRIZ管理创新体系以“管理问题预测”为开端,作用在于引出组织系统存在的管理问题,是应用其他模块的前提。该子模块所使用的TRIZ管理创新工具包括“管理创新动机”和“组织系统进化法则”。其中,前者适用于组织能直观地发现现有管理问题的情况,能够意识到问题的存在,并具有明确的管理创新动机;反之,后者适用于组织未能直观地发现现有问题的情况,但能够通过借鉴组织系统进化法则间接地发现组织现状的不足,从而发现管理创新的机会。
(2)管理问题定义。该模块所涉及的过程称为“问题具体化”,其目标为明确地定义管理问题的范围、内容、所希望达到的目标等;该阶段所使用的工具包括管理最终理想解、管理功能分析、管理资源分析等。此外,也可以配合SWOT分析、六西格玛等传统的管理工具,通过综合运用这些工具,结合组织的运营情况,明确地阐述组织管理所存在的问题以及希望实现的目标。
(3)管理问题分析。在管理创新问题具体化后,下一个步骤就是“问题一般化”。该阶段所使用的工具包括管理矛盾矩阵、管理物场模型、管理ARIZ等,这些工具是TRIZ体系中最常用的分析工具,能够把特定情况下的管理问题转化为以管理TRIZ术语描述的一般管理问题,从而更清晰、客观地认识到现有管理问题的矛盾本质。
(4)管理问题解决。基于“问题一般化”的分析结果,就能决定使用哪种或哪几种具体的管理TRIZ创新工具来解决问题了。该阶段所使用的工具包括管理创新原理与分离原理、管理创新标准解以及管理效应知识库等,这些工具通过整合大量管理创新案例的成功经验与启示,并升华为具有普适性的管理创新规律,从而为管理创新实践提供解决方案,是目前最多学者研究的领域。
3 基于TRIZ的组织系统进化法则研究
已有不少学者研究了上述体系中的“管理问题定义”、“管理问题分析”与“管理问题解决”模块及其相关工具,并获取了一定的成果,本文将其筛选整理如表1所示。但“管理问题预测”模块至今还缺乏深入的研究,鉴于此,本文尝试基于TRIZ理论和组织管理的特征,对“组织系统进化法则”作首先的探讨。
3.1 组织系统与技术系统对比分析
要把技术系统进化法则应用于组织系统中,首先就要分析组织系统与技术系统的关系。系统较为常用的定义为:“系统是由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成的,具有特定结构与功能的一个有机整体。”其中的内涵包括:系统是由若干要素(部分)组成;系统要素间存在着联系;系统有一定的结构;系统有具体的功能。无论技术系统还是组织系统均包含上述特征,体现了其共性,能够从这4个层面来分析技术系统与组织系统的差异。
(1)系统要素差异。技术系统的系统要素是元件或零件,组织系统的系统要素是人,这是技术系统与组织系统的根本区别,导致了二者间的差异。例如,元件工作的动力来自于某种能量,而人工作的动力来自于某种动机;元件的物理性质(如体积)能够改变,而人的心理性质(如知识)能够改变等。
(2)要素联系差异。技术系统的要素间通过各自的功能实现逻辑联系,能够通过系统功能图反映;而组织系统的要素间通过各自的价值实现逻辑联系,能够通过价值网络图反映,无论技术系统还是组织系统,皆通过要素间的联系形成一个整体。
(3)系统结构差异。系统结构可分为逻辑结构与物理结构,前者反映了系统要素间的逻辑结合
方式,后者是系统元组间的实际物理结合方式。技术系统结构一般要同时考虑逻辑结构与物理结构,组织系统较多考虑其逻辑结构,用于描述组织间的层次以及各个成员间的合作关系。
(4)系统功能差异。系统功能是系统目标的具体表现,依赖系统的顺利运作实现。技术系统的功能往往比较具体、明确,系统期望功能与实际功能之间的差异容易发现,由产品说明给出;组织系统的功能相对而言较为模糊而且多层次,系统功能不易直接量化描述,由组织使命和愿景给出。
3.2 基于TRIZ的组织系统进化法则
技术系统进化法则在TRIZ体系中拥有重要的位置,在综合应用TRIZ理论方法工具的过程中需要以技术系统进化法则作为指导,并以理想化为目标[20]。技术系统进化法则认为,技术系统的进化过程并非完全是随机的,而是遵循一定的客观规律,因此能够推理抽象出技术系统进化的一般性规律,用于指引已有的技术系统发现其存在问题和可改进之处。与技术系统相一致,组织系统的进化过程也存在特定的进化趋势,能通过对大量的组织系统进行分析,抽象出其中的一般性规律。本文首次尝试以技术系统进化法则为基础,对应地列出了技术系统和组织系统的进化法则,如表2所示。
(1)完备性法则。一个组织必须包括管理人员与业务人员,前者负责指挥,而后者负责执行,二者相互协调维持组织系统的顺利运作,形成具体的组织结构。在组织系统中,每个成员都需要一定的动机,动机可以区分为内在动机与外在动机。根据成员动机,成员在组织运作过程中获得一定的激励维持其积极性。因此,在组织成立之时必须考虑上述要点,才能形成最基本的组织系统。
(2)动机传递法则。在“动力源”方面,与技术系统不同,组织系统的“动力源”一般来自于自身创造的利润或价值,而前者往往来自于外部源,因此,组织系统的整体目标必须与成员目标保持一致,为成员提供动力,满足成员的动机。当组织实现目标、创造利润和价值时,这些利润与价值能够反馈到各个成员当中,激励每个成员的积极性。因此,可以通过对比组织目标与成员动机之间的差异,从成员积极性方面发现组织的管理问题。
(3)柔性进化法则。组织柔性是指组织面对突发情况的应对能力,虚拟性是指组织利用互联网等现代信息技术等能力,而成员自主性是指成员掌握自主权力的程度。在全球化、信息化、大数据等背景下,组织面临着越发激烈的竞争以及不可预料的意外,组织必须提高自身在这3个方面的能力,例如:通过跨团队部门、临时团队等手段提高组织柔性;增强对信息资源的投入以提高信息技术水平;以业务专家参与到基层业务的方式提高成员的自主性。
(4)达成组织愿景法则。组织愿景是组织成立之初就确定的关于“组织成为什么”的问题,代表着组织的最终理想目标,组织应向着这个方向不断前进。组织理想度可以表达为:∑(有用价值)/∑(副作用+成本)。组织运作始终围绕着组织愿景,向提高组织理想度的方向前进。
(5)内部不均衡进化法则。组织价值链分为基本活动和支持活动两类,基本活动包含:生产、营销、运输和售后服务等,支持活动包含:物料供应、技术、人力资源或支持其他生产管理活动的基础功能等。组织系统作为一个整体,通过整合这些活动创造价值,但是在不同活动中有着不同的能力水平,组织的整体能力水平受限于其中的弱势环节。组织系统能够对上述的每个环节分析,发现并改善弱势环节的能力,从而提高整体能力水平。
(6)外部合作法则。当今的社会是一个合作型的社会,组织必须能够在竞争中合作以及在合作中竞争。从博弈论的角度看,当其他竞争对手都紧密合作时,组织紧靠自身的能力是不可行的,组织需要具有高度的开放性,从外部环境中获取优质资源并同时保护自身的核心价值,形成独特的竞争力,实现方式包括外包、合作等,资源包括客户、竞争者、供应商、合作方等,构建开放的合作竞争网络。
(7)知识密集法则。20世纪以来,在信息技术的支持下,人类知识总量急速增长,出现了“知识社会”和“知识经济”等概念。在知识社会环境中,知识资源是价值的主要来源,能够为组织创造核心竞争力,而组织成员是组织知识的重要载体。对于技术系统,微观化本质上意味着系统中元件密度的增加;对于组织系统而言,即意味着成员价值的增加。因此,成员拥有的知识资源将不断增加,组织将趋向于知识密集的方向进化。组织可以通过坚持成员培训、实现知识管理等手段,向着知识型组织进化,实现知识经营。
(8)协调性法则。类似于技术系统,组织系统中每个部门(子系统)在结构、效果、效率等方面必须保持协调,才能充分发挥其创造的价值,否则将造成部门间的资源浪费。组织从价值链或价值网络的角度分析组织内部子系统的能力差异,保持组织内部与外部各环节间的价值平衡,实现整体价值最大化。
4 结论
基于对管理领域与TRIZ理论的认识,本文提出了问题驱动的TRIZ管理创新体系。该体系与已有研究的区别在于,强调了“问题发现”的重要性,认为在管理领域应用TRIZ的首要条件是预测并发现组织现有的管理问题。该体系包括4个模块:问题预测模块、问题定义模块、问题分析模块与问题解决模块,并分别给出了相应的工具。
分子系统进化 篇5
中国已经步入品牌经济时代, 品牌已经成为一个企业或区域核心竞争力的综合体现。近几年来青岛市在以“品牌立市”的理念驱使下, 培育了海尔、海信、青啤、双星、澳柯玛等一批在全国具有较高知名度的产品品牌和企业品牌。在这些品牌中, 海尔、海信、澳柯玛三大家电品牌影响力最大, 以三大品牌为核心的青岛市家电产业集群及集群品牌已初步形成。而随着广州、江苏两大家电产业圈的强势崛起, 行业竞争越来越激烈, 青岛市家电行业为了进一步扩大青岛市家电产业的品牌整体影响力, 开始整合现有品牌资源。而构建家电品牌生态系统, 使集群内大小家电企业相互补充, 促进青岛市各家电品牌的协同进化发展, 是青岛家电产业提高市场竞争力的必然选择。
品牌生态系统是指品牌这个个体与其发展所必须的商业环境之间, 进行物质与信息的交换, 促进自身的进化发展, 使整个品牌群落影响商业环境, 同时商业环境反作用于品牌群落, 形成不可分开的统一整体。品牌生态系统类似于生物的生态系统, 是由品牌个体、品牌种群、品牌群落和品牌生态环境组成。品牌生态系统的协同进化是指品牌种群、品牌群落与生态因子其中的某一个或者几个部分为了适应该系统其他部分的进化而进化, 同时系统其他部分反过来回应这种进化而得到进化, 最终会使品牌生态系统向更高级的有序方向持续下去。品牌之间的品牌系统中某一个或几个组成部分 (种群、群落与生态因子) 的属性为了适应系统的其他部分属性的进化而进化, 同时系统其他部分也因为回应这种进化而得到进化, 最终导致品牌生态系统走向更高级的有序的现象。品牌之间的相关关系有正相互作用 (互利、共生等) 和负相互作用 (竞争、兼并等) 。在生物进化的过程中, 负的相互作用逐渐减少, 正的相互作用逐渐增多, 这样就能够减少生物物种的竞争, 减轻生存压力。同样, 在品牌生态系统中, 各品牌之间相互影响、相互磨合来共同适应环境的变化、实现自身的发展, 换言之, 品牌的系统进化促进了品牌生态系统的进化。
国内外学者对品牌及品牌生态系统已作出深入的研究, 菲利普·科特勒 (Philip Kotler, 1997) 认为, 品牌从本质上表达了六层含义:属性、利益、价值、文化、个性和使用者。大卫·A·艾克 (David A.Aaker, 1993, 1998, 2000) 提出的“品牌群落”概念是对品牌生命的更深层认识。品牌专家大卫·A·艾克 (David A.Aaker) 提出“品牌群”这一从未出现过的概念, 对品牌的认识又更进一步, 随后在2000年提出了“品牌领导”的新管理模式。1999年, 山东大学的王兴元提出了“名牌生态系统”的理论, 在文章中阐释了品牌生态系统的相关概念, 同时探讨了名牌生态系统的合作与竞争、评价、演化及运行等。2005年, 天津大学的殷红春在其博士论文《品牌生态系统复杂适应性及协同进化研究》中利用生态学及复杂系统理论解释了品牌物种之间竞争与合作的本质、过程及机理, 依据复杂系统理论研究了品牌生态系统协同进化的条件、机制及方向, 揭示并系统解释了主导品牌种群、主导品牌产业及品牌集群的规律及原理, 并且构建了品牌生态系统的“品牌--经济”协同度评价模型。但就某一区域的某一产业进行品牌生态系统的实证研究很少, 本文主要从青岛市家电行业品牌生态系统进行实证研究, 试图通过“品牌--经济”协同度分析来探索建立区域行业品牌生态系统的基本对策。
二、青岛市家电品牌生态系统的构成
品牌生态系统与自然系统一样, 是由品牌自身成分 (品牌、代理商、供应商和消费者等) 和对品牌存在发展产生重要影响的非品牌成分 (自然形态、经济生态、社会形态等) 组成。
1. 青岛市家电品牌群落的形成
(1) 品牌个体。品牌个体是品牌的最基本单位, 是品牌物种的DNA, 它记录的是品牌最基本的特征和属性。目前, 青岛市家电品牌个体分别有海尔、海信、澳柯玛、朗讯等。
(2) 品牌种群。品牌种群是由占据一定时间空间的品牌个体构成的, 是品牌物种存在、进化的基本单位。例如青岛家电凭借海尔、海信、澳柯玛等品牌组成三个品牌种群, 牢牢占据山东家电市场, 每个品牌又延伸出许多子品牌, 形成了一个个坚固有效的品牌阵营, 成功的抵御了其他区域行业品牌的入侵。
(3) 品牌群落。品牌群落与自然界类似, 是由于经济条件、文化条件、社会条件等的不同形成的各个品牌种群, 在一定区域内相互集聚从而形成了具有地方特色的区域品牌。品牌群落是地域产业集群的品牌集合, 青岛凭借多年的家电行业的发展, 已经成为了全国知名的家电品牌生产聚集地。“青岛家电”区域品牌作为品牌群落构成了青岛家电品牌生态系统的主体, 使青岛整体经济以家电生产的高品牌、高利润著名于世。
2. 青岛市家电品牌生态环境分析
(1) 自然生态环境。青岛位于山东省半岛南端, 濒临黄海, 环绕胶州湾, 是环渤海湾经济圈中心城市之一。青岛港是我国唯一可同时接卸大宗集装箱、石油、矿石、煤炭等货物的大港, 是大西洋西海岸重要的国际贸易口岸和海上运输枢纽。这些优势都是青岛大力发展家电行业得天独厚的条件。
(2) 政治生态环境。青岛市历届政府始终高度重视和积极推进“品牌兴市”战略, 其中一直大力支持家电品牌建设, 推动家电品牌经济发展, 并且规划财政、税务、信贷、外汇、投资及产业政策均给予支持。
(3) 经济生态环境。改革开放后, 青岛是十四个率先开放的沿海城市之一, 给其发展带来难得的机遇。青岛是全国著名的港口城市, 凭借着其沿海的优势, 经济建设发展迅速, 势头强劲。近几年, 青岛市紧跟国家经济调控步伐, 积极转变经济发展方式, 突出科学发展、创新发展, 经济全面快速稳定发展。品牌经济优势突出, 青岛市企业品牌化意识比较强, 如海尔刚起步时, 就明确标明创造名牌的目标, 一直坚守自己的品牌战略, 多方面地塑造鲜明的品牌形象。
(4) 社会文化生态环境。齐文化和海洋文化是青岛成为“中国名牌之都”的文化基础。海尔、海信、澳柯玛等企业受齐文化的影响很大, 体现出不同的开放性、多元性, 同时受海洋文化的影响, 体现出其冒险性、外向性。正是齐文化和海洋文化的完美结合, 为青岛经济的发展壮大奠定了深厚的、适宜的文化基础。
综上所述, 最终青岛市家电品牌群落和生态环境共同构成了青岛市家电品牌生态系统。
三、青岛市家电品牌生态系统的“品牌--经济”协同度分析
拥有“海尔”、“海信”“澳柯玛”等知名品牌的青岛市家电行业, 在全国范围内始终处于行业领先水平。下面我们对青岛市家电行业进行“品牌--经济”协同度分析。
为了使结果更加客观科学, 我们选取了具有代表性的指标, 如表1所示:
青岛市家电业各指标的初始值如表2、3所示:
1. 数据预处理。采取以下的步骤对各指标进行无量纲化处理:
为了方便计算及保证结果的准确性, 我们采用SPSS统计软件来处理以上数据, 得到表4、表5:
2. 指标权重的计算
3. 家电行业系统协同度计算
4. 数据分析
从表7中数据可以得出, 青岛市家电行业品牌系统的有序度从2007年的0.086772逐年递增至2014年的0.569136;青岛市家电行业经济系统的有序度从2007年的0.11969逐年递增至2014年的0.539340;而且青岛市家电行业“品牌-经济”系统的协同度也从2008年的0.011673逐年递增至2014年的0.266132, 三大指标均呈现逐年稳定增长态势。可以看出青岛市家电品牌的发展和经济的发展密不可分, 品牌的发展有助于经济的发展, 经济的发展又继续反哺品牌的发展。同时企业普遍认识到品牌的重要性, “海尔”、“海信”、“澳柯玛”等品牌不仅仅是中国名牌, 而且享名世界。在“十三五”期间, 以政府品牌建设战略为指导, 青岛家电类品牌企业通过深化对品牌的认识, 勇于转变发展观念, 经济有序度会得到提升, 进而使“品牌-经济”系统协同程度大幅提高, 家电品牌生态系统的协同进化将进一步推动青岛市品牌经济又好又快发展。
四、青岛市家电品牌生态系统协同战略政策措施
为了实现青岛市家电品牌协同战略的目标, 青岛市应综合政府、企业及中介及科研高校等各方力量, 整合资源, 为青岛市家电品牌生态系统的协同进化建设提供良好的基础和环境。
1. 提升青岛市家电产业集群的竞争力
政府应该发挥作用, 让海尔、海信、澳柯玛三大家电巨子以品牌优势带领青岛家电产业集群竞争力的进一步提升。合理地依托产业集群平台, 向高新技术, 高端产品发力, 用高端、高科技、高附加值的产品完成产业形象的重塑, 让青岛从国家级的家电生产基地向世界级家电基地转变。最终通过集群品牌的塑造与宣传, 促进青岛家电品牌生态系统的核心竞争能力的形成。其中重点需要进行技术法规和技术标准体系建设。建立家电质量保证体系, 并建立品牌行业标准积极有效利用外资, 学习国外的技术与管理经验, 借助国外的先进设备, 促进品牌企业的成长。
2. 强化系统内个体品牌协同意识
青岛市各家电企业要始终将树立品牌作为企业的经营理念, 在生产经营过程中, 不能只是一味的追求短期利益, 与其他竞争企业之间进行“价格战”, 应该有效的对企业资源进行整合, 每个企业共同树立全员品牌意识, 以品牌带动各家电企业的共同成长, 以品牌强化青岛家电行业的整体竞争力。为此需要企业将品牌理念渗透到各企业管理的每一个环节, 加大人力、财力和物力的投入, 有计划、有层次、有步骤的培训教育, 提高全员自身的综合素质。让每位员工做到时刻以品牌建设为发展理念, 人人都是品牌宣传员和监督员, 时刻关注产品的质量, 把企业建成一个股东安心、员工用心、客户放心的知名品牌企业, 把青岛家电的行业品牌推向全世界。
3. 促进生态系统内企业的沟通与交流
政府应使用家电行业协会等中介组织形式, 使其发挥沟通协调、信息服务等方面的优势, 降低企业交易成本, 鼓励青岛市各家电企业间的相互合作和交流。同时为企业提供学术交流场所和各类交流活动的规划, 为企业间的学术交流和非正式交流提供了机会, 促进他们之间的相互学习。
4. 坚持技术创新为动力的企业品牌发展战略
在当前产业结构调整时期, 青岛家电企业为了保证品牌的持续发展, 必须加大技术创新的力度。重点在关键技术、人才吸引、设备的引进方面下功夫, 注重引进高技术人才, 同时引进高科技含量的设备, 不断创新技术, 让企业拥有自主知识产权, 开发自主产品, 在该领域拥有核心竞争力, 并立于不败之地。
5. 品牌人才的培养与引进
品牌人才促进品牌的发展, 特别是创新型的、高水平的品牌人才, 他们给品牌的发展注入崭新的血液。青岛市家电品牌发展要贯彻科学发展观, 以人为本, 培养与引进高素质的人才, 加快建设家电品牌的人才队伍。在各大高校积极宣传家电品牌战略, 使更多的高校人才加入家电品牌建设的大家庭中, 鼓励高校开展品牌相关专业, 为各大企业培养品牌相关的专业人才, 让他们认识到品牌在经济中的关键性作用, 学习并掌握扎实的理论知识, 并提供相关企业供专业人才实践, 理论与实践相结合, 更好地把握品牌战略。在企业品牌发展中起到重要作用的人才, 企业除了给予物质上的奖励外, 还提供相互沟通交流的机会与平台, 为青岛市家电品牌建设提供人才支撑。
参考文献
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分子系统进化 篇6
电力系统无功优化可以充分利用电网中的无功电源,改善电压质量、减少网络损耗和提高电压稳定性。常用的控制设备有带负荷调压变压器、可投切电容器(电抗器)和可调压发电机[1,2,3]。
无功优化问题是一个动态、多目标、多约束、不确定性的非线性整数规划问题。长期以来,国内外专家学者对此进行了大量的研究,提出了很多方法,主要有试验误差法、非线性规划法、线性规划法、动态规划法、遗传算法、粒子群算法等方法。近年来随着计算机技术及人工智能技术的发展,产生了遗传算法、粒子群算法、人工神经网络优化算法、模拟退火算法、蚂蚁算法等一系列智能优化算法用以解决电力系统优化问题,并且取得了很大的进步[4,5,6,7,8]。
微分进化法(Differential Evolution,DE)是由Storn和Price在1995年提出的一种高效率的智能优化计算方法。该算法源于遗传算法,但由于不需进行编码和解码操作,使用上大为简化,被认为是一种极具潜力的跨学科优化算法。因此,此算法一经提出,马上得到了许多领域学者的密切关注[9,10,11,12]。本文在标准DE算法中引入增强算子,并采用模拟赌盘操作的方法来有目的地使种群中的较差个体参与增强运算,提高了算法的寻优能力,并依据无功优化的本质,根据初始潮流结果启发初始种群产生,加快收敛速度。
1 无功优化数学模型
1.1 无功优化模型的常规表示方法
无功优化指在给定运行方式下,改变发电机无功出力,以及有载调压变压器分接头位置和无功补偿设备的投入容量,在满足系统运行的各种约束条件下,使得系统在某时段内的目标函数最小。以有功功率损耗最小为目标函数,即
等式约束条件为有功、无功功率平衡,即:
不等式约束条件为节点无功电源,节点电压上下限等,即:
式中:PΣloss为支路的有功功率损耗;gk为支路k的电导。Gij和Bij为节点导纳的系数;Pi和Qi分别为节点i的有功和无功注入;Vi为节点i的电压幅值。θij为节点i和节点j之间的电压角度差;QGi为节点i的无功发电功率。
1.2 无功优化数学模型的矩阵表示方法
上述无功优化模型虽然表达清晰,但对于大系统的编程实现十分繁琐。为了方便模型的编程实现,本文采用矩阵形式[13]表达这个数学模型。
对一个n节点、有K个可调变压器的系统,按照先PQ节点后PV节点,最后平衡节点的顺序对节点依次编号。I1、I2分别表示PQ节点和PV节点的个数,V1、V2和Vs分别表示PQ节点、PV节点的电压模值向量和平衡节点的电压模值。则V=[V1T,V2T,VsT]表示所有节点的电压模值向量,θ是平衡节点外所有节点的电压相角向量,是I1+I2行的列向量。
定义n阶方阵MP,MQ为:
导纳矩阵Yn是变比K的函数,从而MP和MQ都是K的函数。节点功率注入方程组可以用矩阵形式表示为:
控制变量为U=[V2T,Vs,KT]T,状态变量为X=[θT,V1T]T,将控制变量和状态变量组合作为决策变量,记为
这样无功优化控制模型就可以用矩阵形式表示如下[15]:
2 微分进化算法及其改进
2.1 引入增强算子的微分进化算法
其基本思想如下:在按DE基本算法得到新种群后,以MP(0
其中:Xbest,g+1为新种群中当前最优个体;Ci,g+1为增强后的新个体,用于替换旧个体Xi,g+1;Xr,1 g+1、Xr2,g+1从新种群中随机选取并且满足r1≠r2≠i,gen为算法迭代次数。
2.2 改进增强算子的微分进化算法
由于MP选取的随机性[17],该算法有陷入局部最优的风险,本文对上述方法提出了两点改进:
1)在原有算法基础上对式(10)作如下改进:
当一定数量的个体被选中并按局部增强算子更新时,其效果相当于使这部分个体在当前种群中的最优个体附近随机扰动,收敛性更好。
2)有目标的控制进行局部增强个体的数量,在MPDE算法引入概率选择参数Pi,设群体大小为n,个体i的适应度为Fi,则个体i被选中增强的概率与其适应值的大小成反比,即越接近最优解的个体其增强概率越小:
首先计算群体中所有个体的适应度函数值;然后利用比例选择算子的公式,计算每个个体的增强概率;最后采用模拟赌盘操作(即生成0~1之间的随机数与每个个体微分进化到下一代群体的概率进行匹配)来确定各个个体是否进行增强计算。
3 基于改进微分进化算法的无功优化
3.1 初始种群的产生
DE算法最优解的质量取决于初始群体是否能够包含解空间的全部可能的解的取值,并在进化的过程中不失去其中优良的性状。初始种群应尽量散布在解空间中,而且在最有希望获得最优解的区域,应该适当增加搜索的力度。因此,如何产生初始群体对微分进化算法的应用效果影响很大。DE算法一般采用对每个控制变量在其取值范围内取随机数的方法获得初始解群体。
在电力系统无功优化中,随着控制变量的取值不同,运行状态变化很大,而其中许多控制变量取值代表的运行方式对寻找最优解是没有意义的。因此,本文提出了针对具体运行方式特点采用倾斜分布方式产生初始解群的方案。
首先,进行初始潮流计算,根据潮流计算的结果判断该方式属于下面的哪种类型,然后据此给出初始解的参考取值范围。
1)较多节点电压越下限,此时为系统处于严重缺无功状态,应投入容性无功补偿设备或提高发电机的机端电压。
2)少量节点电压越下限或越上限,其余大部分节点电压合格,此时系统无功基本平衡。
3)较多节点电压越上限,此时系统处于无功大量过剩状态,应切除容性无功补偿设备、投入感性无功补偿设备或降低发电机的机端电压。
这里以情况1)为例进行发电机机端电压初始化的说明。假设发电机机端电压的当前值为1.00,将电压分为A-E五个区域。其中区域A包括[1.06,1.10],区域B包括[1.02,1.06],区域C为[0.98,1.02],区域D包括[0.94,0.98],区域E为[0.90,0.94]。当然,具体的区域划分应根据所计算电网的实际情况确定。初始种群按A区域15%,B区域40%,C区域30%,D区域15%,E区域0%生成。
上面的分配比例说明,应该在略高于当前值的范围内分布大多数点。发电机端电压应尽可能充分发挥其无功发电能力,但电压过高容易导致发电机无功越限,所以取接近上限的值的比例也相对较小。低于当前值的机端电压以较小的比例考虑,更低的电压则基本不予考虑。与发电机端电压的分布原则相似,电容(电抗)器投运容量、变压器分接头档位亦按倾斜分布方式产生。
3.2 电力系统无功优化步骤
基于改进DE算法求解无功优化问题的流程图如图1所示。
1)确定群体规模、最大迭代代数、交叉概率、变异概率等微分进化算法的运行参数。
2)进行初始潮流计算,根据无功优化的本质,倾斜分布式启发初始种群产生。
3)计算种群适应度,且对所有个体进行变异和交叉操作,以获得候选个体。
4)计算候选个体的适应度进行选择操作,更新种群。
5)采用模拟赌盘方法使种群中较差个体参与增强运算。
6)如果满足收敛条件或达到最大迭代次数,则停止计算,否则返回步骤(3)。
改进DE算法仅比基本算法增加一个步骤:按DE算法得到新种群后以概率选择参数pi对较差个体参与增强计算。改进算法在迭代过程中没有增加对目标函数的评价次数,因此对整体计算量影响很小。
4 仿真算例和分析
本文采用IEEE-l4节点标准系统测试改进DE算法的有效性。算法用Matlab语言实现。
IEEE-l4节点系统包含5台发电机、3台有载调压变压器、1个电容器组。其中变压器上下限取0.9、1.1,步长为0.012 5。电容器上下限取0、0.4,步长为0.05。表1为初始潮流的电压情况,优化前有功损失为13.456 MW。
由表1可以看出,所有节点电压合格,系统无功基本平衡。因此根据倾斜分布式启发初始种群产生。发电机机端电压分布:A区域0%,B区域30%,C区域40%,D区域30%,E区域0%。电容器投运容量为0,变压器分接头位置在控制范围内随机生成。
表2是IEEE-14节点控制变量的优化结果;表3为不同算法的网损优化结果及收敛时间对比。
如表3所示,在损失方面,改进DE算法优化后有功损失降为12.64 MW,比优化前降低了6.06%,降损效果最明显。与GA算法和DE算法相比较,改进DE算法不但降低了系统有功损失,且具有更好的寻优效果和全局收敛能力。另外,利用倾斜分布式启发初始种群产生算法比随机产生初始种群收敛速度更快,这是由于减少了不可行解的数目,加快了收敛速度。
6 结论
分子系统进化 篇7
泾阳链霉菌5406, 是由尹莘耘教授等1953年自陕西泾阳老苜蓿根际分离, 在全国作为抗生菌肥料使用, 能促进有机物分解, 使养分更有效, 同时能释放抗菌物质, 从而能有效地防止多种作物病虫害, 并能产生刺激植物生长的激素[1]。1979年, 陶天申对此菌株进行了形态、培养特征和生理生化特性的研究, 定名为泾 阳链霉菌 (Streptomycesjingyangensisn.sp.Taoetal., 1978) [2]。由于该菌株生产上的优良特性, 国内对该菌的作用机制和应用研究一直没有间断。链霉菌5406能产生两种以上的抗生素[3], 对多种微生物有拮抗作用[4,5]。1975年, 辽宁省林业土壤研究所从菌株中提取到3种不同成分的刺激物质———苯乙酸、琥珀酸和一种很微量就具有生物活性的物质, 发现具有明显的细胞分裂系的生物活性, 刺激细胞横向伸长, 刺激细胞分裂打破休眠[6]。1989年张靖溥等[7]从链霉菌ACCC40021的突变株及其融 合子中提 取出玉米 素和Zip。2012年, 张雯等[8]对该菌代谢产物的生物活性进行研究, 发现发酵液抑制小麦发芽, 促进小麦生长, 菌株发酵液和菌丝体均有一定的固氮、解磷、解钾作用。该菌株于1979年发表于国内的微生物学报, 没有在国际上有效发表, 此后一直没有对该菌株进行分子生物学系统进化分析鉴定。
1材料和方法
1.1主要材料、试剂和仪器
链霉菌ACCC40021由中国农业微生物菌种保藏管理中心提供;黄赭色链霉菌 (S.silaceus) 模式菌DSM41861T购自德国DSMZ;培养基:高氏一号培养 (培养基编号:0012) ;PCR仪2720型 (美国ABI公司) 。
1.2DNA提取
将在高氏一号试管斜面活化好的单菌落, 接种于100mLTSB培养基, 28℃振荡培养2d;离心收集菌体, 用无菌水冲洗2次, 取0.15g新鲜菌体于研钵 (-20℃预冷) 中, 液氮反复研磨至细粉状, 迅速平均分装至2个1.5mL离心管中;加TE缓冲液550μL, 加65℃预热的20% SDS溶液30μL, 漩涡振荡5s, 加20mg·mL-1蛋白酶K20μL, 轻轻混匀, 37℃保温1h;加等体积Tris饱和酚/氯仿/异戊醇 (25∶24∶1) 抽提, 轻微颠倒 混匀, 10000v·min-1离心10 min;小心吸取 上清至新 离心管中, 加等体积氯仿/异戊醇 (24∶1) 抽提, 10000r·min-1离心5min, 吸取上清液与等体积异丙醇 (4℃预冷) 混匀, 然后10000r·min-1离心3min, 弃上清;沉淀用1mL70%乙醇 (4℃预冷) 洗涤1min, 自然风干, 加入40μLTE溶解, -20℃保存备用。
1.3PCR反应体系
参照链霉菌模式菌天蓝色链霉菌和阿维链霉菌的保守序列设计gyrB, recA, rpoB和trpB的扩增引物[9], 见表1。
PCR反应体系 (50μL) :ddH2O39.5μL, DNA0.5μL, 10×GCBuffer5μL, 引物F2μL, 引物R2μL, dNTPMix0.5μL, TaqDNApolymerase0.5μL。
1.4系统进化分析
将上述PCR产物送交是上海英骏生物技术公司测序, 将获得的16SrRNA, gyrB, recA, rpoB和trpB序列与选取模式菌序列信息用Clustalx软件分析计算, MEGA5.0绘制系统进化树。
2结果与分析
2.15个基因的PCR扩增条件
经过反复实验验证, 确定了链霉菌ACCC40021中16SrRNA, gyrB, recA, rpoB和trpB最佳PCR扩增条件, 见表2。实验表明, 不同的退 火温度对PCR反应有很大的影响, 16SrRNA、recA和rpoB的最佳退火温度为60℃, gyrB的最佳退火温度为65℃, trpB的最佳退火温度为63℃。
2.216SrRNA, gyrB, recA, rpoB和trpBPCR扩增
链霉菌ACCC40021的16S rRNA, gyrB, recA, rpoB和trpB 5个基因在 合适的PCR条件下, 均被成功扩增, 五个基因片段长度分别 大约是1500、1000、1000、900、700bp。
2.3系统进化分析
将16SrRNA序列提交 至Eztaxon, 获得与其序列相似度最高的模式菌的16SrRNA序列, 计算进化距离, 根据进化距离, 使用MEGA5.0构建系统发育NJ树。链霉菌ACCC40021的16SrRNA序列与S.silaceusNRRLB-24166T (EU812170) 序列相似性为99.8%, 进化距离最近, 在NJ树中处于同一进化分枝上, 系统进化树谱结果见图1~5。
PCR扩增S.silaceus模式菌DSMZ41861T的gyrB、recA、rpoB和trpB基因。在NCBI数据库中选取与链霉菌ACCC40021的gyrB、recA、rpoB和trpB基因序列相似性最高的菌株。根据序列信息分别构建gyrB, recA, rpoB和trpB的系统进化树。
根据链霉菌ACCC40021的16SrRNA序列相似性分析其系统发育地位。然后扩增链霉菌ACCC40021中已经普遍应用于细菌鉴定的4个持家基因gyrB, recA, rpoB和trpB, 根据这4个基因的序列信息对链霉菌ACCC40021的系统发育地位进一步验证。根据菌株16SrRNA的序列比 对分析结果, 链霉菌ACCC40021与S.silaceusNRRLB24166T (EU812170) 的序列相似性最高, 进化距离最近。gyrB, recA, rpoB的分析结果显示S.silaceusDSM41861T进化距离最近。通过分析trpB的序列信息, 结果显示链霉菌ACCC40021与S.kanamyceticusAS4.1441 (EF055140.1) 和S.silaceusDSM41861T在同一进化分枝 上, 链霉菌ACCC40021与S. kanamyceticusAS4.1441 (EF055140.1) 的进化距离最近。综合所得数据分析, 将ACCC40021定为黄赭色链霉菌 (Streptomycessilaceus) 。
3讨论
16SrRNA能否作为 细菌种系 发生的黄 金标准, 一直存在争议[10]。16SrRNA在种以上的水平具有很强的分辨力, 在物种水平的分辨力通常很低, 一些研究 已经报道 了代表不 同物种的 细菌16SrRNA的序列完全相同或几乎完全相同[11~14]。有的生物基因组间的相似性是70%, 而16SrRNA的序列相似性却可以达到97%以上[15], 而且很多细菌的基因组16SrRNA有多个拷贝[16], 在一些链霉菌中16SrRNA基因的多 个拷贝间 还存在序 列差异[17]。因此, 依据16SrRNA序列不足以将关系很近的种区分开, 尤其是链霉菌的进化枝[9,18]。一些持家基因如atpD, gyrB, recA, rpoB, trpB等已经被验证可 用于细菌 和链霉菌 的鉴定, 并且比16SrRNA具有更高的分辨率, gyrB等一些基因都可以单独用于链霉菌的进化分析[19,20], 一些基因 在S.coelicolorA3 (2) 的基因组中都只有一个拷贝, 分别在初级代谢中执行不同的功能, 并且具备进化保守性, 在链霉菌的系统发育分析中分辨率更高, 更可靠, 可以对链霉菌在物种水平进行鉴定。黄赭色链霉菌是Labeda等[21]2009年发表的新种, 模式菌株保藏编号NRRLB-24166 (T) =DSM41861 (T) =LDDC6638-99 (T) 。
摘要：链霉菌ACCC40021是尹莘耘1953年分离筛选, 用于农业生产的抗生菌肥。该菌株1979年经鉴定为泾阳链霉菌 (Streptomyces jingyangensis) , 但该菌株名称一直没有在国际上得到有效发表。为了在分子水平上明确该菌株的分类地位, 对ACCC40021的菌株进行了16SrRNA和gyrB, recA, rpoB和trpB等基因的进化分析, 将ACCC40021鉴定为黄赭色链霉菌 (Streptomyces silaceus) 。