（系统工程专业论文）基于自组织理论的铁路运输生产力布局调整评价研究.pdf

中文摘要 摘要：铁路运输生产力布局是铁路运输生产力系统中各要素在一定时期内总体分 布、组合和配置，是对铁路发展的综合考虑，也是一个内容复杂庞大且需要不断 完善的大型动态系统。目前我国铁路运输生产力布局调整面临主要的问题是：针 对铁路运输生产力这一非常巨大和复杂的宏观系统缺乏系统性、定量的分析评价 方法，自组织理论作为一门新兴的研究复杂巨系统的理论方法，特别是在研究巨 大而又高度复杂的非线性系统方面给了我们新的提示。因此，本文重点研究了自 组织理论在铁路运输生产力布局调整中的初步评价应用，并相应地对调整效果进 行了评价研究，具体的研究内容包括： 首先，本文概念性地介绍了铁路运输生产力布局理论和自组织理论，分析了 自组织理论群的关系，并在此基础上阐述了自组织理论对铁路运输生产力布局调 整的启示，提出了铁路运输生产力系统是自组织系统，其发展过程是一自组织过 程，各子系统间存在非线性的相互作用等观点。其次，介绍了铁路运输生产力布 局调整的系统构成，提出了铁路运输生产力布局调整实施方案的评价标准以及基 于自组织理论的铁路运输生产力布局调整实施方案评价指标体系，并根据该指标 体系建立了一个基于自组织理论的铁路运输生产力布局调整实施方案评价模型。 然后，介绍铁路运输生产力布局调整效果的影响因素，建立了铁路运输生产力布 局调整效果的评价指标体系和评价模型。最后，以我国铁路运输生产力布局总体 调整为研究对象，进行调整实施方案评价和调整效果评价，并通过评价结果及其 对比分析进行初步验证，尝试找出我国铁路运输生产力布局调整的关键问题。 关键词：自组织理论；铁路运输生产力布局调整；实施方案评价；效果评价 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：a d j u s t m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t yl a y o u t c a r r i e do u tb a s eo nt h e c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y , i st h eg e n e r a ld i s t r i b u t i o n ，c o m p o s i t i o n a n dc o n f i g u r a t i o nf o ra l lt h ee l e m e n t so ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t ys y s t e md u r i n ga c e r t a i np e r i o de x t e r i o r l y , a n dag i a n t ，d y n a m i ca n dc o m p l e xs y s t e mt h a tn e e da m e n d m e n te s s e n t i a l l y a tp r e s e n t ，t h ek e yp r o b l e mt h a tl i e si nt h ef i e l do fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t y l a y o u t a d j u s t m e n ti st h a ts y s t e m a t i ca n dq u a n t i t a t i v em e t h o d st h a tf i tt oa n a l y z et h eg i a n ta n dc o m p l e x r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t ys y s t e ma r el a c k s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y , ag i a n tc o m p l e xs y s t e m t h e o r ym e t h o d ，g i v e su san e wp e r s p e c t i v ei nt h es t u d yo ft h eg i a n ts c a l ea n dh i g h l yc o m p l e x n o n l i n e a rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y sp r e l i m i n a r y a p p l i c a t i o ni n t h er e s e a r c ho nt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n p r o d u c t i v i t y l a y o u ta d j u s t m e n ta n d c o r r e s p o n df i n i s ht h ee v a l u a t i o ns t u d i e sf o rt h ea d j u s t m e n ta c t u a le f f e c t t h i sp a p e ri so r g a n i z e di n t h ef o l l o w i n gs e v e r a lm a j o rp a r t s ： f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e t h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t y l a y o u tt h e o r y a n d s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r yb r i e f l ya n da n a l y z et h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r i e s ；a n d t h e n ，o nt h eb a s eo fi t ，s e tf o r t ht h ee n l i g h t e n m e n t st ot h ea d j u s t m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n p r o d u c t i v i t yl a y o u t ，p u tf o r w a r dt h ec o n c l u s i o n st h a tt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t ys y s t e m i sas e l f - o r g a n i z e ds y s t e m ，t h ep r o c e s so ft h ea d j u s t m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t y l a y o u ti ss e l f - o r g a n i z e d ，a n dt h en o n l i n e a ri n t e r a c t i o ni sb e i n gb e t w e e nt h ev a r i o u ss u b s y s t e m s s e c o n d l y , t h ec o n s t i t u t i o na n dt h ea c t u a lf u n c t i o no ft h eo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t y l a y o u ta d j u s t m e n ta r ec l a r i f i e d p u tf o r w a r dt h ee v a l u a t i o nc r i t e r i af o rt h ei m p l e m e n tp r o g r a m so f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t yl a y o u ta d j u s t m e n t ，a n dt h e n ，b a s e do nt h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y , c o n s t r u c tt h ei m p l e m e n tp r o g r a m se v a l u a t i o ni n d e x e ss y s t e ma n da ne v a l u a t i o nm o d e lf o ri t t h i r d l y , t h i sp a p e rc l a s s i f i e dt h ei m p a c tf a c t o r st h a ta f f e c tt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t y l a y o u ta d j u s t m e n t ，a n de s t a b l i s ht h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n de v a l u a t i o nm o d e l l a s t l y , c a r r yo u tt h ee v a l u a t i o nf o r t h ea d j u s ti m p l e m e n t a t i o np r o g r a ma n da d j u s t m e n te f f e c tf o r t h ec h i n a sr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t yl a y o u ta d j u s t m e n t ，a n dt r yt oi d e n t i f yt h ek e yp o i n t s i nt h ep r o c e s so fi tb ye v a l u a t i n gt h er e s u l t so fc o m p a r a t i v ea n a l y s i sw h i c hc a nb ep r e l i m i n a r y v e r i f y e d k e y w o r d s ：s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y ；a d j u s t m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t yl a y o u t ； t h ee v a l u a t i o no fi m p l e m e n t a t i o np r o g r a m ；e v a l u a t i o no fe f f e c t ； c i 。a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储签名。袁哟 签字吼叫年月口日 导师签 签字日期 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名：袁瑚 签字隰乙叫年 f 6 玛细b 致谢 本论文的工作是在我的导师贾元华教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 构思、到论文的写作、修改和最终定稿，整个过程都渗透着导师的智慧和心血， 凝聚着导师对我的关怀和启迪。在攻读硕士学位两年期间，导师无论在科研还是 在生活上都给予我细致的关怀，由衷感到自己点点滴滴的进步，都离不开导师的 辛勤培育和细心教导。在此，谨向我的导师贾元华教授表示我最诚挚的感谢 和最崇高的敬意。 此外，项目组赵海宽老师于百忙之中审阅了我的论文，在此表示由衷的感谢! 在项目进行过程中，还得到了其他项目成员的大力帮助，为论文的完成提供了宝 贵的调研资料和数据，在此表示衷心的感谢。 本文涉及范围广泛，数据量大，得到了刘奕、李健、李莹英、宋惠娟、曹劲 劲等同f - 1 1 ) 可i 兄弟姐妹的热情帮助和宝贵建议，与他们结下了深厚的友谊，在此向 他们表达我的感激之情，祝愿他们今后事业有成；同门的师弟师妹与我朝夕相处， 情如一家，帮助甚多，在此祝愿他们学业有成，前程似锦! 在研究生学习期间，我一直得到学院多位老师的指导和关怀，在这里一并表 示感谢，并祝各位老师身体健康，工作顺利。同时，向评审本论文以及参加论文 答辩的专家们表示谢意，感谢他们在百忙之中抽出时间审阅和指正我的论文。 最后，还要感谢远在家乡的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 1 1选题的背景和研究意义 1 绪论 一、选题的背景 随着经济社会的不断发展，铁路运输业的脚步不断加快，铁路运输生产的规 模、数量、物质空间和社会经济结构都发生了巨大的变化，铁路运输生产力系统 的复杂化程度和内部冲突日益增强，传统的铁路运输生产力布局方法和管理手段 开始难以适应时代的发展和市场机制的需要，遇到了巨大的挑战，其原因可以主 要归纳为以下三点： ( 1 ) 从铁路运输生产力布局调整的研究历程上看 铁路运输生产力布局调整的研究可以说从铁路路网、车站、机车、车辆、工、 电系统等产生起就开始萌芽。新中国成立以来，铁路建设被列为优先发展的交通 项目，经过5 0 多年的努力，全国的铁路建设取得了辉煌的成就。由于历史的原因， 当时从事实际铁路建设工作的主要是一批建筑学家，他们出自专业的本能，以及 当时的技术条件限制，将全国的铁路建设当作扩展的建筑，而对铁路发展的经济 依据、社会发展目标、铁路的开发、管理和控制缺乏把握，导致了前期铁路运输 生产力布局虽然受孕于经济学、社会学，但却成长在建筑学的摇篮之中，发育得 难免有些“畸形”。2 0 0 3 年以来，为适应经济社会的更进一步发展，我国铁路运输 布局进行了大规模的调整，铁路运输生产力系统之间的协同配合得到相应地提升， 但铁路运输生产力布局短期内的大规模调整而使铁路相关问题更趋于复杂，铁路 运输生产力布局调整的研究工作虽有所进步，却并没有完全的成熟起来，从宏观 布局调整方面，其研究水平至今还基本停留在定性阶段，对于复杂的铁路运输生 产系统问题难以驾驭。 ( 2 ) 从铁路运输生产力布局调整的研究对象上看 铁路运输生产力布局是铁路运输生产力布局调整的研究对象。传统的铁路运 输生产力布局调整方法由于缺乏对铁路运输生产力布局与经济、社会关系的研究， 难以发现铁路运输生产力布局调整的客观规律。一般来说，对铁路运输生产力布 局及其问题的观察和理解越深刻，对铁路运输生产力布局问题的解决才会越彻底。 但是，铁路运输生产力作为一个复杂的巨系统，人们难以从一开始就完全地撩开 它的面纱，对它有一个比较全面的认识，如果此时对铁路运输生产力布局问题只 是部分地切入，就会有“横看成岭侧成峰”之感，对问题反而更加不好把握；同 时，铁路运输生产力又是一个开放的系统，在其发展过程中，充满了不确定性， 这成为铁路运输生产力布局调整中无法消除的矛盾。那么，如何充分地利用现有 的信息和科学技术，系统地掌握铁路运输生产力布局调整规律，正确有效地把握 铁路运输生产力布局调整过程中的未来不确定性因素，成为铁路部门目前亟待解 决的问题。 ( 3 ) 从铁路运输生产力布局调整的理论发展上看 传统的铁路运输生产力布局调整理论可被称之为“布局调整中的理论”，它试 图采用自然科学中的推理规则来解释铁路运输生产力布局调整的过程以及预测铁 路运输生产力布局调整的方向，其经典调整顺序为“调查一分析一调整方案一方 案实施”。它认为只要获得足够多的信息，经过严密的推理分析，就可以进行“科 学 的铁路运输生产力布局调整。而在实际的铁路运输生产力布局调整过程中， 关于铁路运输生产力布局相关信息的获得是十分有限的，所以信息的分析推理是 不严密的，往往将铁路运输生产力布局调整过程中出现的这些不确定性划入了非 科学的范畴，从而走向了迷途。 现代的铁路运输生产力布局理论被称为布局调整的理论，它与传统的铁路运 输生产力布局理论相异却互补。它将铁路运输生产力布局调整的实际过程作为研 究对象，抛弃了传统理论那种将布局调整当作编制路网未来的终极理想蓝图的旧 概念，把铁路运输生产力布局调整当作对全路网的发展施加的一系列连续管理和 控制，并借助于寻求模拟发展过程的手段，使这种管理和控制得以实施。其布局 调整顺序着眼于控制布局调整，可以简洁地表示为目标连续的信息各种 有关调整方案的比较评价选择连续的监督。它代表着一种使铁路运 输生产力布局调整系统化的尝试和趋势。但是，由于实际铁路运输生产力布局调 整过程中的复杂性和多变性，以及在现实环境中存在的大量难以服从数学处理的 因素，这种“用理智和逻辑来减少矛盾，加强人类对其社会、经济、物质环境控 制”的理论方法，还面临着困惑，需要更进一步的完善。 二、研究的意义 目前，以系统理论为基础的系统分析技术，尤其是近年来对系统综合理论发 展贡献最大的自组织理论在研究巨大而又高度复杂的非线性系统，特别是在有生 命的系统方面给了我们新的提示。而且，以系统科学的观点来看待铁路运输生产 力布局调整工作，将会使目前的铁路运输生产力布局研究工作得到很大的收益。 本文采用的自组织理论，将铁路运输生产力布局调整的实施方案评价作为主要研 究对象，对自组织理论和方法在铁路运输生产力布局调整实施中作一些初步的应 用研究，并以铁路运输生产力布局调整效果评价作为关联研究，来进行两个方面 的评价结果及其对比分析，尝试找出铁路运输生产力布局深化调整的关键点，为 2 深化调整提供了明确的方向，奠定了良好的基础。同时，本文采用的基于自组织 理论的实施方案评价模型和基于模糊物元的效果评价模型相结合的研究方法为评 价其他相关宏观系统时找到了一个新的方法思路，完善了宏观系统的评价模式。 1 2 国内外研究现状综述 2 0 世纪7 0 年代，当代科学前沿出现了批研究演化的科学理论，如“耗散结 构理论 ( 普里高津) 、“协同学 ( 哈肯) 、“超循环理论( 艾根) 、“突变论”( 托 姆) 、“混沌理论”( 洛伦茨等) 和“分形理论 ( 芒德布罗) 。自组织理论和方法在 铁路运输生产力布局调整的前沿有着非常重要而深刻的应用。国外虽然有较长研 究自组织理论和方法的历史，并在自组织城市系统、自组织生态、自组织物理现 象等方面有很多相关研究，但在铁路运输生产力这一宏观系统上的研究工作还比 较鲜见。国内学者在这方面的研究也比较少，张秀媛、张国伍、申金升基于物理、 事理、人理三层关系的耦合建立综合交通枢纽虚拟企业组织协商模式；张于心、 张国伍根据运输业务网络关联，提出铁路运输系统结合部；李学伟、汪晓霞用现 代自组织理论体系对我国铁路信息资源配置的演化进行了相关的描述，这是自组 织理在铁路运输系统的应用和发展。 目前，国内外的学者对自组织理论和方法在铁路运输生产力布局调整领域应 用研究还不成熟，虽有一些介绍了具有耗散结构和自组织机制的铁路资源配置体 系，但提出创新理论的却为数不多。对铁路运输生产力而言，自组织布局调整理 论还只是一种初步的探索，如果自组织的铁路运输生产力布局调整方法能发展起 来，其理论意义和应用价值也许更为深远。 1 3论文的研究思路与技术路线 一、论文研究的总体思路 基于自组织理论，结合系统“新三论( 耗散结构论、协同论、突变论) 、铁 路运输学、经济地理学、管理学等相关理论，论文通过深入的调研，以及国内外 研究和发展现状分析，研究提出铁路运输生产力布局调整的自组织理论，并系统 分析白组织理论对我国铁路运输生产力布局调整的相关启示；建立铁路运输生产 力布局调整实施方案的评价指标体系和评价模型，以及铁路运输生产力布局调整 的影响效果的评价指标体系和评价模型；并运用调整实施方案和调整效果评价指 标体系和评价模型对我国整个铁路运输生产力布局调整进行系统而全面的案例分 析评价，然后通过调整实施方案和调整效果的评价结果及其对比分析，总结我国 3 铁路运输生产力布局调整的关键点，从而为规范深化铁路运输生产力布局调整实 施方案，实现铁路运输可持续发展服务。 二、论文研究的技术路线 本文拟采用的技术路线如图1 1 所示： 实旌过程 硬士论文基于自组织理论的铁路运输生产力布局调整评价研究 i 图l l 论文研究的技术路线图 f i g u r e1 - 1t e c h n i q u ec o u r s e so f t h ed i s s s e r t a t i o ni nt h i st h e s i s 4 1 4论文结构和主要研究的内容 目前铁路运输生产力布局调整面临主要的问题是缺乏系统性的分析方法，在 铁路运输生产力布局调整过程中主要依据铁路相关部门经验，采用定性的分析方 法解决问题；而铁路运输生产力系统是一个非常巨大和复杂的非线性系统，因此 系统化的定量和定性分析方法相结合的应用将对铁路运输生产力布局的调整有着 良好的推动作用。自组织理论是一门新兴的研究复杂巨系统的理论方法，本文将 采用自组织理论中比较成熟的理论方法，构建铁路运输生产力布局调整实施方案 的评价指标体系和评价模型，建立铁路运输生产力布局调整效果的评价指标体系 和评价模型，并从两个评价结果的对比分析中找出铁路运输生产力布局调整的关 键点。具体的研究内容包括： 1 、铁路运输生产力布局调整的自组织理论综述分析。这一章首先从铁路运输 生产力布局的概念性介绍入手，总结提出了铁路运输生产力布局的调整过程。然 后对系统自组织形式和系统自组织理论的相关概念进行阐述，并分析了系统自组 织理论群的关系，指出耗散结构是解决自组织出现的条件环境问题的；协同学基 本上是解决动力学问题的；突变论研究了自组织的途径问题；超循环论解决了结 合形式问题；分形和混沌理论研究了自组织的结构复杂性和演化图景问题。同时 在此基础上，阐述了自组织理论对铁路运输生产力布局调整的启示，提出了铁路 运输生产力系统是自组织系统、铁路运输生产力布局调整过程是一自组织过程、 铁路运输生产各子系统间存在非线性的相互作用等观点。 2 、基于系统自组织理论的铁路运输生产力布局调整实施方案评价研究。这一 章首先介绍了铁路运输生产力布局调整的系统构成，提出了铁路运输生产力布局 调整实施方案的评价标准；随后，提出了基于自组织理论的铁路运输生产力布局 调整实施方案评价指标体系，主要从对铁路运输生产力总体布局调整实施方案本 身的评价和对铁路运输生产力相关子系统及其相互协同关系的评价这两个方面来 评价铁路运输生产力布局调整实施方案，并根据这个指标体系建立了基于自组织 理论的铁路运输生产力布局调整实施方案的评价模型。 3 、铁路运输生产力布局调整效果的综合评价指标及方法研究。这一章首先简 单分析了铁路运输生产力布局调整效果综合评价指标体系建立的影响因素和筛选 的原则，并在此基础上，提出了铁路运输生产力布局调整效果评价指标体系，最 后根据这个指标体系建立了基于模糊物元的铁路运输生产力布局调整效果综合评 价模型。 4 、我国铁路运输生产力布局调整评价的实证研究。这一章将采用上述两章中 提出的基于自组织理论的铁路运输生产力布局调整实施方案评价指标体系和评价 5 模型，以及基于模糊物元的铁路运输生产力布局调整效果评价指标体系和评价模 型，分别对我国整体铁路运输生产力布局调整实施方案情况( 2 0 0 3 年之前的我国 铁路运输生产力布局静态小规模调整实施情况和2 0 0 3 至2 0 0 6 年的我国铁路运输 生产力布局大规模调整实施情况) 和铁路运输生产力布局调整效果( 2 0 0 0 至2 0 0 7 年我国整个铁路运输业发展的效果) 予以评价，并通过评价结果及其对比分析进 行初步验证，然后尝试找出我国铁路运输生产力布局深化调整的关键问题。 5 、结论与展望。论文的最后一章是对全文的一个归纳性总结，以及对自组织 理论在铁路运输生产力布局调整中的应用展望。 6 2 铁路运输生产力布局调整的自组织理论综述分析 2 1铁路运输生产力布局的概念和理论概述 2 1 1 铁路运输生产力布局的内涵 铁路运输生产力布局是铁路运输生产力诸要素在地域上的分布、组合和配置， 是铁路车务系统、机务系统、车辆系统、工务系统和电务系统等五大铁路运输生 产子系统在地域上的调配，是铁路运输生产在地域空间上的体现。合理的铁路运 输生产力布局从目标上体现为行业或企业经济效益、社会效益和生态效益的结合， 在空间形态上体现为生产规模、能力配置与经济社会系统运行过程中对于运输的 需求，及其地域性供需差异的高度适应性。在具体的调整实施过程中，铁路运输 生产力布局要求铁路相关部门研究铁路运输生产力发展的规律，协调铁路运输生 产力各组成要素并加以综合平衡，为全路运输生产力相关子系统的布局和设置提 供控制指标和依据。 由于铁路运输生产力布局是对过去长时期已有的铁路运输生产力进行布局和 设置，决定了它具有长期性和滞后性；在宏观框架上，特别是全路运输生产力布 局的布局结构目标明确，必须以具体的布局原则实施；局部性的内容可以进行适 时调整，以体现铁路运输生产力布局调整的动态性；同时，铁路运输生产力布局 又是一项政策性很强的工作，即铁路运输生产力布局必须在上级主管部门的领导 下，根据国民经济和社会发展战略的要求做出宏观部署，并对各项具体项目做出 具体的详细调整。总之，铁路运输生产力布局是一项综合性很强的工作，其核心 是空间形态的构建。 铁路运输生产力布局决定着铁路运力资源配置、运输综合能力和企业劳动组 织，是铁路运输质量、效率和效益的基础性源头性问题，是中国铁路跨越式发展 战略思路的一个重要内容，也是推进我国铁路跨越式发展的必然选择。新形势下， 我国经济社会发展对于运输需求从数量、质量及其分布特征上发生了巨大的变化， 只有通过不断调整运输生产力布局不合理的要素，才能有效地利用人力、物力、 财力，提高劳动生产率和运输效率，充分发挥先进技术装备的效能，加快铁路现 代化的步伐，促进运输经营方式的转变，实现低成本跨越式发展。 7 2 1 2 铁路运输生产力布局的调整过程 铁路运输生产力布局的调整过程是一系统循环过程，见图2 1 所示。用系统分 析方法可以看出，它的一系列子过程呈直线关系发展，然后通过一个回路不断重 复，并形成一个螺旋式上升的发展模式：即铁道部以系统自组织理论为基础，根 据铁路运输生产力布局调整目标、指导思想和基本原则，从全路总体角度，调整 铁路运输生产力布局以达到铁路运输生产力布局与社会经济发展和铁路行业自身 发展相适应；然后通过调整的实施过程及成效分析，进行布局调整实施方案评价 和效果评价；随后找出铁路运输生产力系统的新问题与新要求，最后采取行动， 进行铁路运输生产力布局的深化调整工作，以形成整个铁路运输生产力布局的优 化升级。同时，铁路相关部门会在以后的每隔一段时间内定期检查铁路运输生产 力布局调整的实施状态，检查其偏离原先的铁路运输生产力布局调整目标假设有 多远，并做出适当的修正。 图2 一l 铁路运输生产力布局的调整过程 f i g u r e2 - 1t h ea d j u s t m e n tp r o c e s s o fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o d u c t i v i t yl a y o u t 8 2 2系统自组织形式及其理论概述 2 2 1 系统自组织形式 系统自组织现象是在一定的条件下，由于系统内各子系统的相互作用，使系 统形成具有一定功能、结构的过程。系统自组织过程是一动态过程，它表现在自 组织前后系统状态的变化，表现为系统从一个均匀、简单、平衡的状态转变为一 个有序、复杂、非平衡的稳定状态。按照自组织过程实现的不同系统功能或方式 可将系统自组织划分为四种基本形式： 一、自创生 自创生是指在没有样本或母体的条件下，一种全新的系统结构、模式、形态 从无到有的自我产生出来，它是从系统在自组织过程中形成的新旧状态对比的角 度对其的一种描述。一般来说，新系统产生的基本方式是差异的整合，即许多被 当作未来系统的元素和子系统的事物或实体经过整合而形成统一整体。如果这种 整合是在没有特定外力干预下自发完成的，这就是系统的自创生。除人类有意识 创建的系统外，自然界及现实生活中的系统都是自创生的。当然，复杂巨系统的 自创生也不是一个单纯的自整合过程，它还包括了自组织的其他形式。 二、自生长 自生长是指系统要素的不断增加，系统规模的不断扩大，系统功能的不断自 我完善，它是从系统整体层次角度对系统自组织过程中所形成状态随时间演化情 况的描述。现代科学规范研究自组织的创始人阿希贝认为自组织有两种含义：一 是系统的从无到有；二是系统的从差到好。自创生解决的是系统从无到有的问题， 自生长解决的就是系统从差到好的问题。由于系统不可能一经产生就很完善，需 要在以后时间内不断地自我再发育、自我再完善、自我成熟起来。同时自生长也 可以存在于子系统层次上，由于每个子系统的自生长实现整个系统的自生长。 三、自适应 自适应是从刻画系统与环境的关系角度对系统自组织过程的一种描述。适应 包括两个方面的内容：从外部看，它是指系统与环境之间的物质、能量、信息交 换，是以一种稳定有序的方式进行的；从内部看，它是指系统的要素之间以一种 稳定有序的方式彼此合作与竞争、互动与互应。只有系统要素之间稳定有序的互 动互应，系统与环境之间才能进行有序的交换。如果系统对环境的适应是靠自己 的力量建立和维持的，这就是自适应。系统的自适应演化不是一蹴而就的，而是 一系列的动态螺旋式上升的过程，即适应不适应适应。需要说明的 是，对一个系统来说，当它处于非临界点时，对于环境压力的小变化就无需改变 9 其结果或行为模式，但是当环境压力增大使系统处于临界点时，系统的结构和模 式就不再适应环境，需要建立新的结构或模式，这可以说是系统的自创生。但是 由于这个过程并没有产生新的要素，只是改变了原有系统的结构，在强调系统与 环境关系时，称为系统的自适应更为准确。 四、自复制 自复制是指系统在没有特定外力作用下产生与自身结构相同的子代，它是从 自组织过程中，子系统之间如何相互作用以保证系统形成某种新的有序稳定态的 角度对自组织过程的一种描述。对于一个复杂系统在形成稳定状态后，从系统层 次上看，其状态不发生改变，但从子系统的层次上看，每个子系统都在变化，有 生有灭。所以说，从某种意义上讲自复制是针对系统中的子系统而言的，子系统 具有自复制功能，才能使系统在白组织过程中形成有序状态并保存下来。 2 2 2 系统自组织理论 一、自组织理论( s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y ) 的发展历程 自组织理论是研究自组织现象、规律的学说集合，它的发展经历了三个阶段： 第一发展阶段是在十九世纪中叶，自组织理论刚刚开始萌芽。达尔文提出的进化 论可以称为生物学的自组织理论；马克思提出的五种社会形态演进理论则是关于 社会历史的自组织理论，而他的生产力决定生产关系，经济基础决定上层建筑的 原理是对社会历史系统自组织机制的理论阐述；相变理论是物理学的自组织理论。 虽然这三种理论都未曾明确提出和使用“自组织概念”，但是他们对自组织的理解 可以说与现代意义的自组织理解几乎没什么差异，可以称之为最早期的自组织理 论。第二发展阶段是在二十世纪中叶，1 9 8 4 年维纳创立了控制论，他提出的根据 目标或对象的运动反馈以调节控制系统的反馈过程已包含了一定意义上的自组织 思想；而同时代的阿希贝在1 9 4 8 年出版的一部著作：自组织原理，标志着现代 意义的自组织理论就此诞生。第三发展阶段是从二十世纪六十年代末开始，当时 出现了一批以揭示一般自组织规律为目标的科学学派，代表人物有普旱戈金、哈 肯、艾根等，他们提出的耗散结构论，协同学和超循环理论，以现代科学的前沿 成果为依据，建构了描述自组织现象的概念框架，明晰了自组织的概念定义以及 所具有的内涵，取得了人类认识世界的科学思维的重大突破。但是自组织理的研 究工作并未就此停止，八十年代以来，以圣塔菲学派为代表的一大批科学家仍在 不断地研究、发展和完善自组织理论，为自组织理论在其它学科领域及实践活动 中的成熟应用提供了有力的理论支持。 l o 二、自组织理论概述 如果一个系统无需外界特定的指令就能自行组织、自行创生、自行演化，能 够自主从无序走向有序，形成稳定的结构，我们就将它称为自组织系统。自组织 理论就是研究自组织系统的起源、发展动力、条件、途径和图景的理论，它包括 耗散结构论、协同学等，下面简要介绍一些这些理论。 1 、耗散结构论( d i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r y ) 耗散结构理论是由比利时著名的科学家伊普里戈金( i p r i g o g i n e ) 创立的。 这一理论解决了一百多年来由热力学第二定律引发的有关“热寂说”的争论，第 一次提出了远离平衡态下动态的稳定有序结构辛毛散结构，见下图2 2 。耗散结 构理论证明了：一个远离平衡态的非线性开放不可逆系统，通过不断地与外界交 换物质与能量，在外界条件变化使控制参量达到某一特定阈值时，系统就有可能 失稳，经涨落由原来无序状态转变为一种时间、空间或功能上有序的新状态。 图2 - 2 系统结构的划分 f i g u r e2 - 2d i p a r t i t i o no ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r e 可以证明，稳定化结构的形成是系统诞生的标志，而系统从一种1 日的稳定化 结构演变为另一种新的稳定化结构是系统进化的标志，由此可知，耗散结构能否 形成是一个系统能否诞生和进化的关键。在普里戈金的耗散结构理论中同时也给 出了耗散结构形成所需的条件： ( 1 ) 开放的系统。根据热力学第二定律，一个系统在特定时间间隔内的熵1 变 出，可以分解为内部的d ，s ( 系统内不可逆过程所产生的熵) 和外部的d ，5 ( 与外 部环境交换的熵) ：d s = d ，s + d i s 。内部的d ，s 只能为正或者为零( 此时系统为孤立 系统) ，而决不可能为负，相反，外部的熵流d 。s 则可能为正也可能为负。所以只 1 熵：热力学中定义为对系统能量转化自由程度或趋向热平衡的程度的度龟；信息论中定 义为对一个系统丢了信息的度量。 有开放的系统，才存在外部的熵流d 。s ，总熵才可能减少，系统才可能趋于有序。 ( 2 ) 非平衡是有序之源。根据上面的讨论，在存在外部的熵流d 。s 时，总熵 也可减少也可不增不减，即出= 0 ，此时d ，s = - d ，s 0 ，系统内部的熵产生和输出 给环境的熵流相平衡，而对于平衡态，这两种熵流都为零，此时系统不可能趋于 有序。所以，开放状态的有序只能在非平衡态才能维持。 ( 3 ) 通过涨落到达有序。涨落是系统状态量对其平均值的偏离，它是破坏系 统原有结构导致失稳的因素，也是宏观有序产生的原因。它在系统处于非平衡过 程中起着积极的作用，是系统发生演变乃至产生新结构的触发器。当系统处在其 某一临界值时，某些涨落会被放大成为一个巨涨落产生一个宏观的运动，但此时 系统由于还保持了与外界的交换，就以一种新的高级有序状态稳定下来，这就是 以耗散结构为特征的“来自涨落的有序”。 ( 4 ) 越过不稳定到新的稳定。非平衡是不稳定的，涨落也是不稳定的，外界 输入激励着不稳定，当外界输入到达一定阈值时，意味着系统不稳定性已达到临 界状态，再过一点，系统就会跃迁到新的有序状态。 ( 5 ) 非线性导致自组织。有非线性时，系统内部发生具有自催化反应的超循 环，由于增加了单独要素没有的相互作用，使系统在整体上产生了非加和的突现 性，即整体大于部分之和。在这个意义上，可以说白组织都是非线性所导致的。 2 、协同学( s y n e r g e t i c s ) 协同学的创始人是德国的理论物理学家h 哈肯( h a r m a n n h a k e n ) ，他从对 激光的研究中受到启发，以现代科学理论中的最新成果信息论、控制论为基 础，同时吸取了耗散结构理论的论点，采用统计力学的考察方法研究开放系统的 行为，找到了复杂系统从无序向有序转变的机理。 协同学有两个很有名的论断：一是“协同导致有序”，即任何一个包括有大 量子系统的复杂系统，在与外界环境有物质、能量和信息交换的开放条件下，通 过各子系统之间的非线性相互作用，就能产生子系统相互合作的协同现象，使系 统能自动的在宏观上产生空间、时间或功能的有序结构，出现稳定的状态。这就 是说系统演化的动力是系统内部各子系统之间的竞争和协同，而不是外部的指令。 系统内部各子系统通过竞争而协同，从而使竞争中的一种或几种趋势优化，并因 此支配整个系统从无序走向有序，从而自组织起来。二是“支配原理 ，又称伺 服原理、役使原理，它是协同学的核心理论。它认为当任意系统的状态可由多个 变量描述时，不同变量对系统的影响是有差异、不平衡的，根据它们在临界点处 的行为可以分为两类：一类是在临界点附近阻尼大，衰减快的变量，称为快变量， 它们犹如历史上的昙花一现，不会左右系统演化的进程；另一类是发生临界慢化， 几乎不衰减的变量，称为慢变量，这种慢变量在临界点上诞生并很快成长起来， 1 2 迅速成为主导力量，打破原有平衡，推动系统走向新的有序。哈肯将这种慢变量 又称为序参量。支配原理可简述为：快变量服从慢变量，序参量支配子系统的行 为。根据支配原理，我们可在系统处于失稳点，即临界点时，消去快变量，从而 将复杂系统问题简化。 3 、突变论( c a t a s t r o p h et h e o r y ) 突变论是由法国数学家r 托姆( r t h o r n ) 于是1 9 7 2 年创立的一种拓扑数学 理论，它为现实世界的形态发生的突变现象提供了可供利用的数学框架和工具， 被认为是耗散结构理论和协同学的数学工具和基础。在突变论中，托姆将突变分 为两种：具有普遍意义的突变，即系统遭到了破坏，并不可逆的让位给另一系统： 突变论意义的突变，又称为托姆突变，它指系统整体的“形态发生”，即新结构的 诞生，其特征是过程连续但结果不连续，如图2 3 。曲线s 表示系统，a ，b 为两 临界点，当u b 1 ，系统有了相应的6 l 点，说明系统未被破坏，只是内部状态发生 突变，从b “突跃”到反，并从b l 开始向上方生长，意味着系统将在更高层次形态 上发展。一般来说，在原先均匀介质中出现一种新的状态相时，系统就会出 现初始对称性破缺，失去结构稳定性，产生突变，托姆将这种突变推广为广义突 变。 图2 3 托姆突变 f i g u r e2 - 3t h o r nc a t a s t r o p h e 4 、超循环理论( h y p e r c y c l et h e o r y ) 超循环理论是直接建立在生命系统生成演化基础上的自组织理论，由英国生 物化学家m 艾根( m e i g n e ) 创立。超循环理论以耗散结构理论为研究起点，应 用系统观点和数学方法直接解决并回答了生命如何从无生命中起源的问题，为研 究生命巨系统以及人类社会系统复杂现象提供了新的科学方法。 超循环是超循环理论的一个十分重要的概念，它具有以下的特点：超循环 1 3 能使所有成员协调生长；超循环和任何不属于该循环的单个复制单元竞争； 超循环的内部联系和协同性质可以向最佳功能进化，“表现型 优势( 直接有利于 突变) 被直接稳定化，而“基因型”优势( 间接有利于发生突变的复制单元) 为 了竞争定位需要空间隔离；一个超循环的选择是一种“一旦永恒”的决策， 它使得超循环虽开始于随机事件，而且在演化过程中还包含了大量的随机事件， 但只要条件具备，系统就会向合适的高度有序的宏观组织进化；由于超循环内 在的非线性，选择优势总是种群数的函数，也就说，一个超循环一旦确定就不易 为任何新来者所取代，新种一般以一个或不数几个复制品出现，往往“寡不敌众”。 5 、分形理论( f r a c t a lt h e o r y ) 分形理论的创始人是美藉法国数学家b b 曼德布罗特( b b m a n d e l b o r t ) 。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。可将分形的特征归纳如下， 并以此作为判别某一系统是否具有分形结构的依据：具有复杂无规则的外表； 无特征尺度，即分形内部结构不存在特征尺度，其形体的尺度随测量尺度的变 化而变化；自相似性，即分形不变性，也就是说以任意数量级的尺度对其进行 度量，其形态都相似，用数学语言可表达为：内齐次性；具有无限精细的结构， 即具有无穷嵌套的几何结构；实际维数大于拓扑维数，或者说其实际存在形式 的维数大于其经典维数，一般为分维数；可用简单方式生成，也就是说可在不