基于協同理論的生物產業發展系統分析

趙麗丹

（1.哈爾濱理工大學 管理學院，哈爾濱 150080；2.中國農業科學院 哈爾濱獸醫研究所，哈爾濱 150001）

基于協同理論的生物產業發展系統分析

趙麗丹1，2

（1.哈爾濱理工大學 管理學院，哈爾濱 150080；2.中國農業科學院 哈爾濱獸醫研究所，哈爾濱 150001）

文章將協同學理論引入生物產業發展研究，首次提出產業發展系統功能函數，進行了系統整體功能分析；構建了生物產業發展系統協同模型，分析子系統間的協同以及系統的總體協同；通過分析功能函數和協同模型的關系，提出生物產業協同發展模式。

生物產業；功能函數；協同模型；發展模式

當今時代，以生命科學和生物技術為基礎的科技革命和產業革命正日益顯示出對經濟、社會、生態發展的重要作用，生物產業正成為繼信息產業之后又一個令世界矚目和心動的高成長性產業。生物產業在21世紀進入快速發展階段，現正處于大規模產業化前期。各國都在大力發展生物產業，而對于我國來說，生物產業是我國與國際先進水平差距最小，最有希望實現跨越式發展的高技術領域。生物產業的發展為我國解決社會發展面臨的健康、食物、能源、生態、環境等重大問題開辟了嶄新的路徑，是我國的戰略性產業，是新的經濟增長點。研究生物產業的發展，對于發揮該產業對我國和地區經濟、社會和生態發展的驅動作用具有現實意義。本文基于協同學理論研究生物產業發展，試圖為政府和企業促進生物產業的可持續發展提供參考。

1 產業發展模式研究引入協同論

1.1 協同學理論

協同學也稱為非平衡系統的自組織的理論，研究系統各要素之間、要素與系統之間、系統與環境之間協調、同步、合作、互補的關系，研究新的有序結構的形成，揭示系統進化的動力。按照協同學理論，協同的實質在于強調系統在發展過程中，其內部各要素或各子系統間保持合作、整體的狀態和趨勢，強調一致性、和諧性，以及在某種模式下系統產生不同于原來狀態的質變過程。它包括兩層含義：一是系統內部各要素或子系統之間的相互配合；二是系統從一種序狀態到另一種序狀態的轉化過程中，其內部要素或子系統的相對獨立性而產生的無序運動變為它們之間的相干作用，從而產生新質的過程。

此外，哈肯提出了“功能結構”的概念。認為功能和結構是互相依存的，當能流或物質流被切斷的時候，物理和化學系統要失去自己的結構；但是大多數生物系統的結構卻能保持一個相當長的時間，這樣生物系統頗象是把無耗散結構和耗散結構組合起來。他還進一步提出，生物系統是有一定的“目的”的，把它看作“功能結構”更為合適。

1.2 協同論具有普適性

源于激光研究的協同學自提出以來，在自然科學、技術科學和社會科學中已有廣泛應用。哈肯指出，“結構的形成是以普遍適用的規律為基礎的”，“存在著普遍的更高層次的必然性，它們導致新的機構和新的模式”[1]。協同學把不同學科共同存在的協同現象提煉出來作為其研究對象，研究協同的本質、結構、描述模型、協同的作用、研究方法以及協同的應用等問題。我國學者潘開靈、白烈湖首次提出管理協同的形成機制、實現機制和約束機制，并探討了管理協同理論的應用。杜棟將協同學應用于軟件設計，開發了企業協同管理系統（CMS），以整合企業內部和上下游資源，實現除生產制造以外對企業內外各種資源的全面協同管理[2]。由于協同論強調不同系統之間的類似，因此它試圖以遠離熱動平衡的物理系統或化學系統來類比和處理生物系統和社會系統，所以協同論除設計了許多物理、化學的模型外，還設計了許多生滅過程、生態群體網絡和社會現象模型，象“社會輿論模型”、“生態群體模型”、“人口動力模型”、“形態形成模型”等等。協同論作為一門研究完全不同學科中共同存在的本質特征為目的的系統理論具有普適性。

1.3 生物產業發展系統是一個復雜的開放系統

生物產業發展與生物需求、生物產業要素供給、相關產業狀況以及產業政策、文化教育、生產服務、金融服務、信息服務、基礎設施、自然環境等因素息息相關，這些因素可以概括成由生物產業子系統、經濟子系統、社會子系統和生態子系統構成的生物產業發展系統。子系統間相互作用，呈現非線性特征，共同推動生物產業系統的演進。同時，生物產業發展系統不斷與外界環境通過物質、信息和能量進行交流，因此，生物產業發展系統是一個復雜的開放系統。其系統運行與子系統、結構、功能和環境之間的關系如圖1所示，結構決定功能，子系統自身的變化要通過引起系統構成的重組，導致結構變化時，系統的運行狀態才會發生根本變化。據此，分析系統的運行狀態和演進、發展，主要考察子系統間的協同和系統與環境的協同兩個方面。

圖1 生物產業發展系統運行與子系統、結構、功能和環境之間的關系

2 生物產業發展系統的功能分析

2.1 基于協同學的系統基本演化方程

根據協同學，系統基本演化方程是一個q及其不同階導數的微分方程，一般形式為：

這一方程有如下特點：

（1）可采用狀態變量表示。式中的q表示系統的狀態變量，它是空間坐標X和時間t的函數，即：

對于不同的系統，q代表不同的參量。由于協同學研究的是大量子系統組成的巨系統，所描述它的行為需用的狀態變量數目很大。為簡便，常采用狀態變量來表示：

（2）非線性。狀態變量的各階導數與狀態變量本身有關，反映系統內部不同因素的相互作用。由于研究的是自組織系統，而線性系統不可能出現自組織，所以基本演化方程是非線性的。

（3）當系統處于非均勻介質中時必須處理擴散或波傳導等因素，空間導數應包含在基本方程中，即包含哈密頓算子▽，有時還包含拉普斯算子，基本演化方程采用偏微分方程的形式：

應用基本方程可以通過求出狀態變量對時空的依賴關系研究系統的演化行為。從數學上看，只要給定適當的初始條件或邊界，原則上可以求解基本方程。

2.2 生物產業系統的功能函數

生物產業發展系統的功能體現在生物產業自身狀態，以及它的經濟子系統狀態、社會子系統狀態和生態子系統狀態四個方面，根據系統基本演化方程，生物產業發展系統的功能可以用函數表征為：

其中：S1——生物產業子系統狀態

S2——經濟子系統狀態

S3——社會子系統狀態

S4——生態子系統狀態

為提高TF，必須深入研究函數f。由于f的具體函數形式很難獲得，從理論上證明f是連續可導的還無法進行。但是，從f的具體含義出發，生物產業發展系統的功能總是連續變化的，盡管TF的變化速度可大可小，但函數總是連續可導的。

設該系統初始狀態為x0，將TF在x0點展開，得：

如果設：

Mi，i=3，4，5…可以類似定義，并設 I=[1，1…，1]，則有：

上式中 △1=I·M1·I'，表示四個子系統各自改進對 δTF 的貢獻，是一級直接作用貢獻，I·M2·I'表示子系統兩兩相互作用后對 δTF的貢獻，是二級作用貢獻，以此類推，I·M·iI'即為i級作用貢獻。△2=I·M·iI'即為i級各項相互作用對 δTF的貢獻之和。

這樣就可能出現以下幾種情況：

Ⅰ △1>0，△2<0，|△1|>|△2|，δTP>0

Ⅱ △1>0，△2<0，|△1|<|△2|，δTP<0

Ⅲ △1>0，△2>0，δTP>0

Ⅳ △1<0，△2>0，|△1|>|△2|，δTP<0

Ⅴ △1<0，△2>0，|△1|<|△2|，δTP>0

Ⅵ △1<0，△2<0，δTP<0

前兩種情況說明，各子系統狀態雖有改進，卻破壞了系統整體功能，不過情況Ⅰ的破壞性相對小些，因為在總體上|△1|-|△2|>0，仍有貢獻；而情況Ⅱ不但沒有貢獻，反而損失了|△2|-|△1|>0。

第三種情況最好，各子系統和整體功能均得到了改善。

圖2 生物產業發展系統子系統聯動示意圖

情況Ⅳ和Ⅴ中，子系統功能雖有減弱，但卻改善了系統的整體功能。而情況Ⅳ對整體功能的改善不如情況Ⅴ大。

情況Ⅵ是最為糟糕的，不僅子系統情況惡化，而且破壞了系統整體功能，應當盡量避免。

通過以上分析可以得出這樣的結論：子系統的改進或減弱既可能造成系統整體功能的提高，也可能造成整體功能的下降；決定整體功能提高或下降的關鍵在于子系統的變化是否改善了系統的整體功能，也就是子系統的改變是否達到協同狀態，從而取得最大的△1和△2。

3 生物產業發展系統的協同分析

通過以上分析，可以看出生物產業發展系統功能的實現程度依賴于子系統改變的協同，也就是說生物產業發展實質是生物產業子系統自身，以及與經濟子系統、社會子系統和生態子系統協調運作，協同演化的過程，如子系統聯動示意圖2所示。

協同模型可以表示為：

其中：H——生物產業發展系統的協同

h——協同函數

（1）生物產業子系統自身的協同h1(S1)

子系統自身的協同，主要表現在：

①具有與子系統功能相適應的構成要素。

生物產業是高技術產業，它的興起和發展直接依賴于生命科學、生物技術及其免疫學、微生物學、生物工藝學、生物化學、流行病學和分子生物學等學科的技術突破。從生物技術、基因工程技術等科學技術轉化為生物產品需要經過研究與開發、研發成果的工程化、工程化的研發成果的產業化三個過程，產業共性技術、產業關鍵技術、工藝技術等等貫穿其中，技術的開發利用能力和效率是生物產業發展的關鍵。

生物產業是高投入產業，高技術的研究開發，需要有大量的資金投入，這是由高技術的知識密集型和人才密集性特點以及高技術產業的市場風險所決定的。動物生物制品產業的技術含量高、技術更新速度快、設施設備投資大，產品生命周期較短，企業為盡快形成經濟規模，必須快速、大量投資才能滿足發展需要。

生物產業中有些是國家嚴格管控的產業。產品的研發條件、產品質量關系到食品衛生安全，更關系到公共衛生安全和生物安全，所以國家管理嚴格。有些生物制品從研制、生產到銷售都有嚴格的規程、管理條例、質量規范、銷售許可等。產業的規章制度和產業政策是影響生物產業發展的重要因素。

②各種要素合理組合和匹配，具有一定的協調性。有效地組織和整合產業資源和要素，形成適合發展的產業組織模式，使生物產業在合理的市場結構下，以適當的市場行為，取得良好的市場績效。

③結構決定功能，不同的構成有不同的功能，因而可以選擇最佳構成來實現子系統功能。生物產業的技術、產品、所有制以及產業的需求、要素供應、貿易和投資等構成了生物的產業結構。通過產業結構的調整、優化，使其更加合理化、高級化，提高產業子系統功能，從而推動產業發展。

④子系統活動的各種主體適應子系統發展的要求。生物產業的行為主體分為核心行為主體和中間行為主體，產業內的企業是核心行為主體，與企業活動相關的政府組織、學術機構、中介機構等是中間行為主體。在解釋企業產生長期收益的機制過程中，普拉哈拉德和哈梅爾認為企業創新能力只有從產業層次上進行建設，才能使創新能力強的企業擁有持續的競爭優勢。產業發展是企業發展的最高層次和歸宿。

（2）生物產業子系統與經濟子系統的協同h2(S2)

生物產業子系統與經濟子系統的協同，能夠為產業中各種主體帶來滿意的經濟效益。生物產業具有良好的經濟效益，是該產業發展最直接的動力和最基本的要求，只有當企業認為該產業能為其帶來預期的經濟效益時，才會投資于該產業，經濟效益上去了，才能充分兼顧其它效益。

（3）生物產業子系統與社會子系統的協同h2(S3)

生物產業子系統與社會子系統的協同是指該產業適應當地人民需求，帶動相關產業發展，解決就業問題，提高收入水平和生活質量，改善文化、衛生條件，促進社會均衡發展，對社會進步與發展具有積極的推動作用。一般來說，直接經濟效益容易顯現，但從全社會角度，則更應強調社會效益。

（4）生物產業子系統與生態子系統的協同h4(S4)

生物產業子系統與生態子系統的協同是指該產業通過資源的合理配置取得預期收益，并不斷隨著區域乃至國家生態環境政策的改變來調整其行為方式，提高資源利用率，采取環保措施，降低廢棄物排放量和環境污染，改善生態環境。生態環境的外部影響要經過較長時期才會明顯地影響到產業的成本與效益，生態資源的價值只有當它被破壞并影響到區域的生活和生產時，才會反映出來。從長遠來看，產業發展的外部不經濟會逐漸內部化，因此生物產業與生態的協同將降低這種外部不經濟，從而有利于產業的可持續發展。

（5）生物產業發展系統總體的協同H

總體協同是生物產業子系統自身，以及與經濟、社會和生態子系統的綜合協同：①產業功能健全，組成合理，技術創新、組織創新和市場創新協同發展，產業核心競爭力得到提高；②給產業內各種主體帶來滿意的經濟收益；③符合社會需求，解決就業問題，提高生活水平，維護公共衛生安全；④節約資源，降低污染，保持生態平衡；⑤以上四方面相互協調，形成整體協同，實現生物產業的可持續發展。

4 生物產業的協同發展

4.1 生物產業系統功能函數與協同模型的關系

根據功能函數，生物產業系統的整體功能實際上是系統在狀態x=(S1,S2,S3,S4)下的輸出，而協同模型中的H是刻畫系統狀態的標量函數。因此，可以將（5）式改寫成TF=f(x)，將（10）式改寫成H=h(x)。因為對于任一狀態x都對應著H，所以存在逆函數x=h-1(H)，代入TF=f(x)，得到：

由上面的分析和式（11）可知，TF是H的單調遞增函數，說明：系統協同程度越高，系統整體功能越大。由此，生物產業系統發展應盡量提高系統的協同度，按照協同模式發展。

4.2 生物產業的協同發展模式

未來20年，我國生物技術與產業發展的指導思想是堅持“發展高科技，實現產業化”，以促進經濟發展、提高健康水平、改善生態環境、保障國家安全為最終目標。在這一戰略目標的指引下，生物產業發展的目標將是由實現經濟效益、社會效益、生態效益和可持續發展四個層次組成的目標體系。我國提高生物產業競爭力，要充分發揮生物產業系統的整體功能，使產業子系統、經濟子系統、社會子系統和生態子系統協同發展。這些子系統的協同發展實際上是政府引導能力、科技支撐能力和市場供給和需求能力以及企業競爭和合作能力的“四力”協同。

（1）政府引導。政府通過財政資金在基礎研究和應用基礎研究以及產業化硬件設施上高投入，發揮產業政策在人才培養和引進、規范行業競爭等方面的作用，以及引導產學研、產業聯盟、產業園區等區域產業聚集，在生物產業發展中起著重要作用。

（2）科技支撐。科研工作和技術創新是產業發展的發力點。科研既包括政府的研發部門和公益性研究機構，也包括企業的研發中心，擁有強大科研機構的企業在該產業的發展中將顯示出巨大的實力和潛力。

（3）市場資源。市場對于各種生產要素的供給和需求能力，決定了產業發展的規模和發展程度。任何勞動和生產方案的實施都必須具備六個基本條件，即人力、資產力、物力、自然力、運力和時力，這六個力就是六種基本要素。[4]市場對于這六種要素的供給能力推動產業發展。市場的需求在本質上是對產業發展的評價，消費者對產品的選擇，客觀上就是對區域產業系統性能實現效果的評價和反饋。

（4）企業競合。企業是區域產業發展的主體和突破口。一方面，解決生物產業發展中市場資源利用效率低下的問題，最終要靠企業完成；第二，企業對于市場供求變化的適應和不斷創新的能力是產業能否不斷發展的關鍵；第三，政府的引導作用如果沒有企業的呼應，就不能落到實處。企業間的競爭和合作是推動產業發展的主要動力。

5 結語

本文將協同學理論引入生物產業發展研究中，對生物產業發展系統進行功能分析和協同分析，提出了生物產業協同發展模式。然而，生物產業發展系統的子系統間如何通過政府引導能力、科技支撐能力和市場供給和需求能力以及企業競爭和合作能力的“四力”產生協同，更進一步，由于系統的開放性、漲落性和復雜性，系統總會遇到各種各樣的干擾，舊的協同狀態必然被打破，系統演化到新的狀態，在生物產業發展系統遇到擾動后，系統如何動態適應和調節，從而維持系統的協同發展，也就是該產業發展系統的協同形成機制需要進一步研究。

[1][德]赫爾曼·哈肯.協同學——大自然構成的奧秘[M].上海：上海譯文出版社，2005.

[2]杜棟.協同管理系統[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]徐壽波.技術經濟學[M].南京：江蘇人民出版社，1988.

F124

A

1002－6487（2011）04-0065-04

趙麗丹（1976-），女，河北徐水人，博士研究生，研究方向：技術經濟及管理。

（責任編輯/亦 民）