CAS理論視角下產業集群演化模型構建*

任軍號，鞏歲平

(西北工業大學自動化學院，西安710072)

1 引言

產業集群是一個經濟、社會、文化等多層面的區域復合體，其優勢不僅體現在降低產業成本、提高生產效率等經濟層面，還體現在合作、誠信、創新等社會資本和文化層面。產業集群在增強地方產業競爭優勢和拉動社會經濟發展中發揮著重要作用，有利于資源優化配置、推動產業升級，拉動地方經濟增長，實現區域協調發展。無論美國硅谷電子產業集群、德國圖特林根的外科器械產業集群、印度班加羅爾信息產業集群等高科技產業群集，還是“第三意大利”中小企業集群、加利福尼亞葡萄酒產業集群等傳統勞動密集型產業集群，以及國內中關村電子產業集群，浙江的大唐襪業、永康小五金、海寧皮革皮件等制造業集群都表現出極強的競爭力和旺盛的生命力，在當地及國家的經濟發展中發揮著重要作用。正如波特描述的一樣:“當今世界經濟地圖上布滿了被稱為集群的區域”［1］。

作為現代社會經濟發展的重要組織形式，產業集群的演化是復雜的、動態的和非均衡的。隨著市場競爭的加劇，作為產業集群核心主體的企業經營環境在不斷變化，企業面臨的不確定因素在急劇增加，給產業集群的發展帶來了嚴峻挑戰。由于缺乏對產業集群演化的系統認識，產業集群原有的優勢不斷變弱，利潤急劇下降，有些集群甚至面臨生存危機。因此，此文從復雜自適應系統(Complex Adaptive System，CAS)的理論視角分析產業集群演化，建立產業集群的動態演化模型，為進一步研究產業集群演化特征，還提出產業集群發展的對策建議，不僅具有理論意義，而且也具有重要的現實意義。

2 產業集群

產業集群(industrial cluster)是一個在學術界廣泛應用的概念，它是一群相互聯系的企業和機構在某個地理區域緊密集聚在一起的現象［2］。結合國內外學者研究成果［2-5］，作者認為，產業集群是指一組在地理上靠近的相互聯系的相當規模的企業和橫向、縱向相關聯的機構，在特定的產業領域及空間范圍內，按照一定的經濟聯系、以一定的集聚速度、在一定的時間尺度內集中在一起，形成一個類似生物有機體的集聚體群落。此定義用公式(1)表示:

公式(1)中f(x)是空間范圍的函數，v1是產業集群在橫向(政府、科研機構、金融機構等)合作上集聚的速度函數，v2是產業集群在縱向(產業鏈、供應鏈等)合作上集聚的速度函數，v3是產業集群與環境(市場等)交互的速度函數，產業集群演化進程就是產業集群主體在時間和空間范圍內的積分過程。

產業集群系統屬于復雜自適應系統范疇，具有主動適應性、多層次、開放性、協同性以及共同演化等復雜特性。產業集群一定是個開放的系統。經驗數據表明，產業集群不但能夠產生穩定的、平衡的動態行為，而且還產生不確定的混沌行為［7］。產業集群的開放性和動態性是產業集群復雜性的重要基礎。

3 CAS理論模型

CAS理論提出兩個模型:個體演化的基本行為模型和整體演化的ECHO模型。這兩個模型不僅建立了微觀與宏觀之間的聯系，而且較好地解釋了事物從簡單到復雜的演化過程以及復雜系統的演化機制。

3.1 主體演化的行為模型

主體的基本行為模型［6-8］對個體的適應和學習過程進行了描述。其核心是執行系統(Performance system)，說明了主體在某個時刻對環境的反應能力。執行系統包括三個部分:一個探測器(Detector)，一個效應器(Effector)和一組If/Then規則集合，如圖1所示。

圖1 主體基本行為模型

探測器用來接收和處理外部輸入信息，代表了主體從環境中接收信息的能力，它是主體存在的條件。響應器用來輸出消息，按給定控制產生輸出并更新內部狀態，代表了作用于環境的能力，是主體的功能所在。

If/Then規則集合實際上就是一個刺激——反應模型(內部模型)，規定了對刺激實時響應，它代表了處理探測器所接收到信息的能力。這三種元素都是抽象的，所以可應用于不同種類的主體。

其中，激勵是主體對環境信息的感知，響應是主體對激勵的輸出，規則是激勵到響應的映射。因此，執行系統的模型可以用如下數學模式來表示［8］:

設主體 M的輸入(條件集)為 XM={x1，x2，...，xn}(由探測器決定)，輸出(功能集)為 YM={y1，y2，...，ym}(它由響應器決定)，輸入和輸出的關系可表示成式(2):

FM表示從XM到YM的映射，實際上就是主體的If/Then規則。這里很多規則同時起作用并不斷更新，共同描述了復雜系統的決策行為。

3.2 整體演化的ECHO模型

在微觀個體演化的基本行為模型基礎上，加上“資源”和“位置”的概念和若干演化機制，形成了整體演化ECHO模型。下面先介紹ECHO模型的兩個基礎概念:資源(Resource)和位置(Sites)。

資源是指影響主體生存與發展的任何環境物質。資源可以是生物界的土地、水分、空氣、食物和養料，也可以是經濟系統中的資金、原材料、能源、技術人力和信息等，也可以是社會系統的文化、社會合作競爭關系等。資源是系統演化的基礎。位置是復雜適應系統中主體活動的“空間場所”，如經濟系統中某個城市、某個市場等。ECHO模型的“地理環境”由一組相互連接的位置規定，對于不同的位置，資源的充裕程度不同，相鄰位置主體的特征不同，主體的發展空間不同。

在ECHO模型中，主體具有三個基本部分:進攻標識、防御標識和資源庫。是系統之間交互以及系統內主體之間交互的規則。ECHO模型按如下模式運行:整個系統包含若干位置，每個位置上分布著不同的資源并存在若干主體，主體在位置間移動，主體間進行交互，交換資源和信息［9］，如圖2所示。

圖2 ECHO模型示意圖

4 CAS理論視角下的產業集群構架

4.1 系統分析邏輯

在系統科學中，任何一個存在的系統都必須包含三個方面［10］，即系統結構(系統的諸元素及其屬性)、系統環境及其界限、系統行為(系統的輸入和輸出)，如圖3所示。

圖3 CAS理論視角下系統分析邏輯

(1)系統結構是元素及元素之間關聯方式的總和。一般認為系統結構決定系統功能，系統功能是系統對外部作用的響應，即系統行為引起環境中的某些變化。系統結構是其功能的內在基礎，功能是結構的外在表現。

(2)系統環境及其界限是指系統運行的特定外界環境條件。系統受到環境的影響，同時也對環境施加影響。在一定意義上，抽象系統界限的劃分和確定主要取決于分析人員或決策者。

(3)系統行為是系統與環境的交互產生的輸入和輸出。外界環境給系統一個輸入，通過系統的變換與處理，必然會產生一個輸出，再反作用到外界環境。

4.2 產業集群系統構架

結合產業集群的概念及特征，以CAS理論的個體行為演化模型和ECHO模型為基礎，提出產業集群系統構架，如圖4所示。

下面對產業集群系統構架進行解析。

1)集群系統

在此從三個層面對產業集群系統主體進行分析，包括:組織機構系統、流通系統和產業鏈系統。三個層面之間并不獨立，而是相互交織形成產業網絡。除了系統主體外，集群系統還包括集群資源、探測器，響應器以及集群演化的規則集。

(1)組織機構系統:從組織角度來看，產業集群主體構成組織機構系統。產業集群是網絡化的組織機構，主要包括企業、政府、科研機構、行會、金融機構等等。它們之間有密切的關系，是由相關產業的企業和機構構成的空間集聚體。

(2)流通系統:從產品流通角度看，產業集群系統由處于不同階段的產品流通相關部門構成，主要包括供應系統、生產系統、營銷系統等。

(3)產業鏈系統:從產業鏈角度來看，產業集群系統是以主導產業鏈為核心，以產業鏈的縱向和橫向延伸為目的，這也是產業集群最感官的體現。

(4)探測器:探測器是產業集群內各個主體感知系統內外環境激勵信號，并把信號迅速傳輸給集群系統主體。探測器是集群系統主體與環境交互的核心機制之一。

(5)響應器:響應器是產業集群內各個主體把集群內系統處理過的信號傳輸給環境。也是系統主體與環境交互的核心機制之一。

(6)規則集:規則集是產業集群系統內主體對激勵信號加工處理、轉化的規則機制，是產業集群系統的大腦，規則集的更新是產業集群系統演化的核心機制。

圖4 CAS理論視角下產業集群系統構架

2)環境系統

在此將與集群系統的存在、演化有關的各種外在事物和條件的集合，稱為環境系統。集群環境系統不是孤立存在的，環境系統的構成要素是多方面的，既具有自然的，又具有社會的;既具有經濟的，又具有文化的、技術的，而且各種系統交叉影響、相互制約。環境系統是集群系統演化的重要外部影響因素，在此將其歸納為自然環境、社會環境以及經濟環境。

(1)自然環境:自然環境，通常是指環繞集群的自然界，由地理位置、自然界資源，人文和交通基礎設施等等要素組成。

(2)社會環境:社會環境包括的范圍很廣，包括政治環境、人文環境、科技環境、社會物質環境、社會形態等等。

(3)經濟環境:經濟環境主要包括行業環境、市場環境、投資環境、金融環境、國內外經濟環境等等。

5 產業集群系統演化模型

產業集群系統的演化，既是一種過程，也是一種結果。作為過程的集群系統演化包含集群對系統外部環境激勵的感知、解析、響應等，作為結果的集群系統演化表現為其系統結構、功能、集群效益、運行機制、集群特定性知識等涌現的變化。

集群系統演化是一種適應性智能活動。在混沌的經濟環境中，集群系統主體感知環境的變化，對變化因素進行綜合解析，并采取智能行動，因此對導致系統的分岔、突變和涌現行為，系統采取了適應環境的變化行動［9］，從而使系統進入相對穩定狀態，其中適應性學習、分岔和突變是產業集群演化的核心機制。集群系統動態演化模型，如圖5所示。

1)混沌的環境:集群的形成過程很復雜，是混沌經濟社會內各要素經過長時間的自組織、自適應交互的結果。這里混沌的環境是集群系統萌芽形成的基礎。集群的產生是混沌經濟社會系統某局部出現了隨機有序，其目標是追逐效益，且功能上能夠進行自組織、自適應和自進化，這種隨機有序產物的產生便體現為集群萌芽。

2)環境感知與解析:集群萌芽在混沌經濟社會環境中，集群系統與環境不斷進行著能量、物質、信息的交換。整個演化模型中系統對環境的感知與解析每時每刻都在進行。

3)適應性學習:集群為了將來更好地發展，便開始積聚資源，并向外界學習。利用外部環境和自身現有資源，復制自身有效規則、模仿消費者和競爭者的成功經驗。其中信用分派和規則更新是適應性學習的核心機制。集群內主體則初步開發與尋求合作，反復實踐和利用有限多元化，以及擴大產業縱橫向合作以提供更多的產品和服務。適應性學習在產業集群形成期起到關鍵作用，它是集群探索發展的必經之路。

4)分岔與突變:所謂分岔就是系統的控制參量改變而引起動態系統定性性質的改變。當系統達到一種狀態向另外一種狀態轉變的臨界點時，系統總是面臨多種可能的狀態選擇［8］。因此說，系統的分岔是系統演化、層次提升的重要前提和基本機制。分岔是產業集群專業化分工的核心機制，突變是集群創新的核心機制。

5)涌現:涌現是在系統微觀主體演化的基礎上，宏觀系統在性能和結構上的突變，促使集群系統得到質的飛躍和提高，并生成新的、原有集群系統所不具備的、更高層次的系統特征的過程。集群系統演化的過程，在本質上就是系統新特征不斷涌現的結果。涌現機制是集群走向成熟期的關鍵，系統在這個階段特定性知識集聚增加，系統主體之間的聯系更加緊密，系統運營成本降低、系統效率明顯提高，集群的競爭力集中涌現，是集群走向相對穩定期的過渡階段。

圖5 產業集群系統動態演化模型

6)系統相對穩定:系統經過上述一系列的演化過程后，逐漸達到相對穩定狀態。但是集群系統所在環境的不斷變化、競爭的不斷加劇，使得系統要不斷感知環境的變化，對變化因素進行綜合解析，并采取行動。因此，集群系統演化是螺旋上升的、相對循環的動態過程。

7)在集群系統演化的每個動態階段，如果采用了不適應環境的規則或者外界環境突發變動，將會導致集群系統消亡。

6 結束語

從傳統經濟學角度研究產業集群方法的不足以及產業集群的復雜性，考慮到復雜性系統理論研究此問題的優越性，在此以CAS理論為視角，把產業集群的概念拓展并結合個體行為演化模型和ECHO模型提出產業集群系統構架，在此基礎上提出產業集群演化動態模型。該模型把產業集群演化的生命周期特性和復雜系統的演化識別過程結合起來，以復雜系統的演化機制為依據，提出產業集群誕生于混沌經濟環境，經過系統對環境的自適應學習，自身的分岔與突變，系統整體的涌現，達到系統暫態穩定的循環過程，是一個螺旋上升的循環過程。其中自適應機制主要體現在以產業集群系統主體之間、主體與環境的交互，分岔與突變機制主要體現在產業集群內主體的特定性知識增加為核心的規則集更新，其外在表現為以物質流、信息流、能量流的更新為主的系統創新。

［1］ Porter M E.Local Clusters in a Global Economy［J］.Economic Development Qarterly，2000:15-34.

［2］ 馬建會.產業集群成長機理研究［M］.北京:中國社會科學出版社，2007.

［3］ 陳莞.產業集群結構分析及其演化的元胞自動機模擬［D］.福州:福州大學，2005.

［4］ Bergman，E dward，M.Industrial and Regional Clusters.Concepts and Comparative Applications［J］.University of West Virginia，Morgantown，1999，5(25):126-145.

［5］ Michael S.Dahl and Christian.Knowledge flows through informal contacts in industrial clusters:myth or reality［J］.Research Policy，2004，26(23):289-297.

［6］ 許國志.系統科學［M］.上海:上?？萍冀逃霭嫔纾?000.

［7］ 黃春萍.基于CAS理論的企業系統演化機制研究［D］.天津:河北工業大學，2007.

［8］ Holland J H，著.隱秩序——適應性造就復雜性［M］.周曉牧，譯.上海:上?？萍冀逃霭嫔纾?000.

［9］ 任錦鸞.基于復雜性理論的創新系統理論及應用研究［D］.天津:天津大學，2002.

［10］ 顧培亮.系統分析與協調［M］.天津:天津大學出版社，1998.