基于熵理論的綜合運(yùn)輸通道耗散結(jié)構(gòu)分析

豐 偉，李雪芹

（西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，四川 成都 610031）

基于熵理論的綜合運(yùn)輸通道耗散結(jié)構(gòu)分析

豐 偉，李雪芹

（西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，四川 成都 610031）

通過對(duì)系統(tǒng)開放性、非線性機(jī)制、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、漲落與突變等方面的分析，說明綜合運(yùn)輸通道利用能量的耗散和系統(tǒng)內(nèi)非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制，形成和維持與平衡結(jié)構(gòu)完全不同的宏觀時(shí)空結(jié)構(gòu)，具有明顯的耗散結(jié)構(gòu)特性。提出要實(shí)現(xiàn)各運(yùn)輸方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不斷完善和提高適應(yīng)環(huán)境的能力，發(fā)展延伸服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)外和諧運(yùn)輸?shù)暮侠順?gòu)建。

綜合運(yùn)輸通道；熵理論；耗散結(jié)構(gòu)

交通需求的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)的要求迫使人們更多地關(guān)注資源的節(jié)約和綜合利用，綜合運(yùn)輸通道的合理規(guī)劃與科學(xué)運(yùn)營(yíng)必然成為時(shí)代的主題。綜合運(yùn)輸通道是指在區(qū)域內(nèi)某OD點(diǎn)間有不同運(yùn)輸方式參與多種運(yùn)營(yíng)的綜合運(yùn)輸走廊，是區(qū)域交通運(yùn)輸系統(tǒng)的骨干。目前，我國(guó)主要有軌道交通、公路、水路、航空、管道 5 種運(yùn)輸方式，由這些運(yùn)輸方式可以組合成綜合運(yùn)輸通道的多種運(yùn)營(yíng)模式，共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)客流與貨流的時(shí)空位移。綜合運(yùn)輸通道的規(guī)劃與構(gòu)建不僅對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有極大的推動(dòng)作用，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸方式可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，不斷完善和提高各種運(yùn)輸方式適應(yīng)環(huán)境的能力，發(fā)展延伸服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)外和諧交通運(yùn)輸?shù)暮侠順?gòu)建。

1 耗散結(jié)構(gòu)的定義及其條件

耗散結(jié)構(gòu)理論由比利時(shí)籍俄裔普利高津于1969年在一次理論與生物學(xué)的國(guó)際會(huì)議上提出。耗散結(jié)構(gòu)是指在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡狀態(tài)下，熱力學(xué)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一種穩(wěn)定化的有序結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)的形成和維持至少需要滿足以下3個(gè)條件[1]。

（1）系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，孤立系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)不可能產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)。

（2）系統(tǒng)必須處于遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)；平衡結(jié)構(gòu)是“死”的有序化結(jié)構(gòu)，而耗散結(jié)構(gòu)卻是“活”的有序化結(jié)構(gòu)。

（3）系統(tǒng)中必須有某些非線性動(dòng)力學(xué)過程，如正負(fù)反饋機(jī)制等。

綜合運(yùn)輸通道系統(tǒng)是一個(gè)開放的有序系統(tǒng)，其熵變分為兩個(gè)部分，即：

式中：des為由物質(zhì)和能量等的流進(jìn)和流出所引起的熵變，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的運(yùn)輸需求結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，綜合運(yùn)輸通道系統(tǒng)與外界進(jìn)行客貨運(yùn)輸交換時(shí)所產(chǎn)生熵變，稱為系統(tǒng)的熵流；dis為系統(tǒng)內(nèi)部過程所產(chǎn)生的熵變，即綜合運(yùn)輸通道內(nèi)各種運(yùn)輸方式的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同[2]，稱為熵產(chǎn)生。

由耗散結(jié)構(gòu)理論可知，熵產(chǎn)生dis一定大于零，而熵流des則可正可負(fù)。對(duì)于開放系統(tǒng)，要使整個(gè)系統(tǒng)的熵變ds小于零，des必小于零，且滿足:︱des︱＞︱dis︱，系統(tǒng)總的熵值減小，才能向更有序的方向發(fā)展。

2 綜合運(yùn)輸通道的耗散結(jié)構(gòu)特性

在一個(gè)綜合運(yùn)輸通道中，各種交通運(yùn)輸方式之間是一種相互合作、互為補(bǔ)充的關(guān)系，同時(shí)由于各種運(yùn)輸方式之間存在不可避免的共性，因此在更廣的范圍內(nèi)存在著明顯的競(jìng)爭(zhēng)作用，借助于外界的物質(zhì)、能量和信息等的交換，通過系統(tǒng)內(nèi)外的漲落與突變，實(shí)現(xiàn)合理分工、優(yōu)化配置，達(dá)到自身升級(jí)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的，這本身就是一種耗散結(jié)構(gòu)的特性。

2.1 系統(tǒng)的開放性

綜合運(yùn)輸通道的構(gòu)建即各種運(yùn)輸方式的合理配置，其本身就是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，與其他子系統(tǒng)發(fā)生著物質(zhì)、能量和信息等的交換，共同促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)發(fā)展。

綜合運(yùn)輸通道可以有單一交通運(yùn)輸方式和多種運(yùn)輸方式聯(lián)合兩種類型[3]，其所體現(xiàn)的是各種交通運(yùn)輸方式的互相補(bǔ)充，追求的目標(biāo)是高效經(jīng)濟(jì)的綜合交通運(yùn)輸體系，即最經(jīng)濟(jì)地分配各種交通運(yùn)輸手段的交通量；最有效地分配對(duì)各種交通運(yùn)輸方式的投資，從而達(dá)到交通運(yùn)輸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)資源消耗中的總節(jié)約。這不僅要求科學(xué)地確定各種交通運(yùn)輸方式的合理分工與經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨?，合理確定交通運(yùn)輸通道的結(jié)構(gòu)，在各個(gè)地區(qū)和主要交通運(yùn)輸方向上因地制宜地發(fā)展相應(yīng)的交通運(yùn)輸方式。

2.2 非線性機(jī)制

系統(tǒng)論中有一條基本原理：整體不等于各部分之和。實(shí)際上，綜合運(yùn)輸通道的整體功能可能大于或小于各部分之和，這主要取決于區(qū)域通道結(jié)構(gòu)的配置及流量的誘導(dǎo)。這說明系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的關(guān)系一般是非線性的，并不單純存在數(shù)學(xué)中的那種代數(shù)可加性。綜合運(yùn)輸通道著重研究交通運(yùn)輸供給的基本功能和特殊功能，現(xiàn)有的和可能的交通運(yùn)輸方式選擇和優(yōu)化組合，目的是實(shí)現(xiàn)貨流和客流的時(shí)空位移，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。提高綜合運(yùn)輸通道效率的關(guān)鍵是合理配置各種運(yùn)輸方式，各種運(yùn)輸方式的選擇遵循非線性規(guī)劃模型，其演化有可能出現(xiàn)多個(gè)不同的方向和結(jié)果。這說明耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，并不像“直線因果論”或“機(jī)械決定論”那樣簡(jiǎn)單的因果關(guān)系，而是帶有很大的隨機(jī)性、偶然性因素的非決定論，這也是由非線性系統(tǒng)的特性所決定的。

2.3 遠(yuǎn)離平衡態(tài)

綜合運(yùn)輸通道的形成受自然地理、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)模式、人口分布密度、生產(chǎn)力布局、人為規(guī)劃及政治等多種因素的影響。對(duì)于交通運(yùn)輸通道，最基本的是其首先與交通流的形成和發(fā)展有關(guān)，兩個(gè)地區(qū)之間存在強(qiáng)大的交通流之后，連接這兩個(gè)地區(qū)的具有強(qiáng)大交通運(yùn)輸能力的交通運(yùn)輸通道才會(huì)隨之產(chǎn)生，由于交通流不斷發(fā)生變化，各種交通運(yùn)輸模式的配置處于一種動(dòng)態(tài)平衡之中，是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)。

2.4 漲落與突變

耗散結(jié)構(gòu)的形成不僅和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有關(guān)，而且和系統(tǒng)的隨機(jī)漲落也有密切的關(guān)系。結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系都是長(zhǎng)期相互作用而進(jìn)化的結(jié)果；漲落會(huì)導(dǎo)致功能的局部改變，在突變的分支點(diǎn)上，這個(gè)局部改變會(huì)引起整個(gè)宏觀時(shí)空結(jié)構(gòu)的更新，產(chǎn)生新的宏觀結(jié)構(gòu)，反過來又決定了未來可能發(fā)生漲落的范圍。

交通運(yùn)輸通道的突出特點(diǎn)是點(diǎn)多、線長(zhǎng)[3]，因此，構(gòu)建區(qū)域綜合運(yùn)輸通道最關(guān)鍵的是點(diǎn)線協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)合理配置，然而這些均受到諸多條件的影響，歸根結(jié)底就是交通運(yùn)輸需求與供給之間的平衡關(guān)系。交通運(yùn)輸方式的增加或運(yùn)輸模式數(shù)量的增減都會(huì)對(duì)通道流量的位移產(chǎn)生決定性的影響。同時(shí)，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口分布、工業(yè)布局等也會(huì)影響交通量的需求，從而使綜合運(yùn)輸通道的結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化，這些都可以認(rèn)為是突變和漲落。當(dāng)然，由于技術(shù)和工藝的進(jìn)步與發(fā)展，必然對(duì)各種運(yùn)輸方式本身有許多改進(jìn)和完善，這些都促使系統(tǒng)熵的減少，即負(fù)熵的增加，促使系統(tǒng)走向新的有序狀態(tài)。

綜合運(yùn)輸通道系統(tǒng)的發(fā)展過程可以經(jīng)受突變，通過能量的耗散和系統(tǒng)內(nèi)非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制來形成和維持與平衡結(jié)構(gòu)完全不同的宏觀時(shí)空結(jié)構(gòu)。

3 綜合運(yùn)輸通道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理分析

合理地構(gòu)建綜合運(yùn)輸通道的關(guān)鍵是優(yōu)化綜合運(yùn)輸通道的結(jié)構(gòu)，即各種運(yùn)輸方式的有效配置。這如同生物進(jìn)化的理論，各種運(yùn)輸方式所具有的共性越多，相互競(jìng)爭(zhēng)越激烈，只有各種運(yùn)輸方式Xi所具有的不同之處越多，共同存在且發(fā)展的可能性也就越大，在此引入因子β(0≤β≤1)，表示其開發(fā)不同的客貨流量資源。如果β＝1，則各種運(yùn)輸模式(或新舊運(yùn)輸方式)共同使用同一資源，即運(yùn)輸同類或同質(zhì)的客貨流；而β＝0，則其沒有共同的客貨資源；0＜β＜1 是代表有一部分客貨資源覆蓋，β值主要與各種運(yùn)輸方式的自身特點(diǎn)相關(guān)。

設(shè)某段時(shí)期內(nèi)區(qū)域生成的客貨運(yùn)輸總流量為一定值N,即通道飽和系數(shù)，在考慮通道內(nèi)單一運(yùn)輸方式的情況下，如果這種運(yùn)輸方式X的客貨流量達(dá)到N，則說明通道中運(yùn)輸供給達(dá)到能力的飽和狀況，這種運(yùn)輸方式X就達(dá)到飽和且無法增長(zhǎng)。若X＜N，則說明通道運(yùn)輸環(huán)境仍允許該種運(yùn)輸方式繼續(xù)發(fā)展，(N－X)越大，則發(fā)展的速率也就越大。

從以上分析可知，運(yùn)輸方式X的增長(zhǎng)速度dx/dt不僅和X成正比，而且也和(N－X)成正比，可以得出描述運(yùn)輸方式X增長(zhǎng)的最簡(jiǎn)單邏輯方程：

式中：K為增長(zhǎng)率系數(shù)。當(dāng)然，一般綜合運(yùn)輸通道很少只存在一種運(yùn)輸方式，而是由多種運(yùn)輸方式同時(shí)并存，相互競(jìng)爭(zhēng)又相互依賴，呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的因果聯(lián)系。假設(shè)所考察的通道具有3種運(yùn)輸方式：X1、X2、X3，顯然，生存空間和客貨流量應(yīng)該由3種方式分享，方程中的(N－X)就應(yīng)為(N－X1－X2－X3)，表示 3種方式與通道飽和系數(shù)之差。每一種運(yùn)輸方式的發(fā)展速度不僅和自身的增長(zhǎng)率有關(guān)，同時(shí)也與這一差值有關(guān)。于是可以得到描述綜合運(yùn)輸通道系統(tǒng)的方程組：

新的運(yùn)輸方式的產(chǎn)生作為某個(gè)“偶然事故”或“小概率事件”的結(jié)果出現(xiàn)，可以看作是再生中的漲落。其在發(fā)展過程中有兩個(gè)因素是非常重要的：機(jī)會(huì)和漲落的尺度。新的運(yùn)輸方式由于其自身的優(yōu)勢(shì)，必然對(duì)通道原有的結(jié)構(gòu)和布局產(chǎn)生影響，如果發(fā)生質(zhì)的變化和影響，則會(huì)發(fā)生突變，促進(jìn)優(yōu)化升級(jí)和區(qū)域發(fā)展。

4 綜合運(yùn)輸通道的構(gòu)建建議

綜合運(yùn)輸通道作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著獨(dú)到的作用，各地區(qū)都將發(fā)展通道經(jīng)濟(jì)作為自身優(yōu)先發(fā)展的方向，而綜合運(yùn)輸通道的科學(xué)發(fā)展更是支撐通道經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本要素和先決條件。同樣，綜合運(yùn)輸通道的構(gòu)建也是綜合運(yùn)輸體系不斷完善和發(fā)展的過程，在各種運(yùn)輸方式并存的時(shí)空中的優(yōu)化調(diào)整，有助于綜合交通體系的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于綜合運(yùn)輸通道的構(gòu)建提出以下建議。

（1）重視綜合運(yùn)輸通道的科學(xué)合理規(guī)劃工作。綜合運(yùn)輸通道的規(guī)劃工作與區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)劃緊密相連，在做好需求預(yù)測(cè)的同時(shí)，還要根據(jù)資源分布、地理環(huán)境和運(yùn)輸量確定交通運(yùn)輸通道的合理走向，并注意與地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃相匹配和協(xié)調(diào)。

（2）制定客貨流的最佳分配方案。根據(jù)綜合運(yùn)輸通道發(fā)展規(guī)律和特性，在客貨交通運(yùn)輸需求預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮交通運(yùn)輸通道的功能特點(diǎn)，減少不合理交通運(yùn)輸現(xiàn)象，提高通道整體功能，使其在緩和我國(guó)交通運(yùn)輸緊張局面和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

（3）加快綜合運(yùn)輸通道運(yùn)力資源配置的市場(chǎng)化進(jìn)程。切實(shí)加強(qiáng)客貨運(yùn)輸組織管理，推行多式聯(lián)合運(yùn)輸。充分發(fā)揮市場(chǎng)對(duì)運(yùn)輸資源配置的基礎(chǔ)性作用，把市場(chǎng)機(jī)制引入綜合運(yùn)輸通道的運(yùn)營(yíng)中，合理引導(dǎo)多種運(yùn)輸方式的有效競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同發(fā)展[2]。根據(jù)各種交通運(yùn)輸方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在交通運(yùn)輸組織上加強(qiáng)相互間的緊密銜接和協(xié)作，發(fā)揮交通運(yùn)輸系統(tǒng)的整體優(yōu)勢(shì)，形成多種運(yùn)輸方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的新型綜合運(yùn)輸通道的發(fā)展格局。

（4）從體制和機(jī)制上為綜合運(yùn)輸通道的發(fā)展提供保障。當(dāng)前，我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)線性的管理體制是多部門分頭管理，很難做到統(tǒng)籌規(guī)劃和安排整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)的綜合發(fā)展，通道交通運(yùn)輸要求改變這種管理體制與交通運(yùn)輸過程的連續(xù)性和整體形象脫節(jié)的現(xiàn)象。

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[1] 宋 毅，何國(guó)祥. 耗散結(jié)構(gòu)論[M]. 北京：中國(guó)展望出版社，1986.

[2] 劉 奕，賈元華，朱俊峰. 綜合運(yùn)輸通道結(jié)構(gòu)演化的自組織機(jī)制研究[J]. 綜合運(yùn)輸，2009(8)：24-27.

[3] 張國(guó)伍.交通運(yùn)輸系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2004.

1003-1421(2010)01-0016-03

F512.3

B

2009-10-12

林 欣