基于自組織理論的國際航運中心系統演化

溫文華, 范厚明, 馬鈺雯, 張文靜

(大連海事大學 交通運輸管理學院， 遼寧 大連 116026)

基于自組織理論的國際航運中心系統演化

溫文華, 范厚明, 馬鈺雯, 張文靜

(大連海事大學 交通運輸管理學院， 遼寧 大連 116026)

運用自組織理論中的耗散結構理論、協同學理論，對國際航運中心系統的演化條件、動力進行分析。建立國際航運中心自組織演化的Logistic模型，將其演化過程分為孕育期、成長期、成熟期和衰退期4個階段。闡述國際航運中心演化過程的混沌性，即區域經濟環境、自然環境、港口能力、政策環境是國際航運中心演化的驅動力，決定了其演化動力系數r。r的不同使國際航運中心的演化呈現出4個階段，演化的整個過程中，r顯現出“由小到大，再由大到小”的周期變化。以上海國際航運中心為例，探究其演化過程。

交通運輸經濟學； 國際航運中心； 自組織理論； Logistic模型

航運市場開放程度的不斷提高，促進了國際航運中心的產生。[1]國際航運中心是融發達的航運市場、豐沛的物流、眾多的航線航班于一體，以國際貿易、金融、經濟中心為依托的國際航運樞紐。[2]

1 國際航運中心系統演化的自組織特性

1.1系統自組織演化的基本條件

所謂自組織理論，是指一個系統無需外界指令就能自行組織、自行創生、自行演化，能夠自主地從無序走向有序，形成穩定的結構。[3]其不是一個獨立的理論體系，而是一個學科群，主要由“耗散結構”理論[4](主要研究自組織理論演化條件)、“協同學”理論[5](主要研究自組織形成機制)、“突變論”[6](主要研究自組織演化的途徑)、“超循環”理論[7](主要研究自組織的演化形式)以及“分形”理論[8]和“混沌”理論[9]等組成，揭示了系統要實現從無序到有序的進化過程。

國際航運中心系統是一個自組織演化系統，滿足耗散結構的4個條件。[10]

1) 國際航運中心是一個開放的系統，與外部環境存在物質、能量和信息上的關聯與交流。

2) 國際航運中心的非線性主要體現在其整體涌現性，內部港口間與外部環境間均以非線性函數的形態存在。

3) 激烈的競爭環境與相互作用的內部港口群促使國際航運中心系統遠離平衡態的非平衡區域。

4) 在國際航運中心的發展過程中，運輸需求的漲落、經濟的波動、政策的變遷、航運企業生產率的變動、技術的革新等因素的改變都會引發系統漲落。

因此，國際航運中心具備耗散結構理論提出的演化條件，具有自組織特性，其演化過程屬于自組織演化。

1.2國際航運中心系統演化動力分析

協同學認為系統各要素之間的協同是自組織過程的基礎，系統內各序參量之間的競爭與協同是系統產生新結構的直接根源。[11]

國際航運中心系統演化發展的基本動力是內部各子系統間的競爭與協同作用，二者相互依存、相互轉化；競爭使系統內部產生更強烈的非平衡、非線性，而通過競爭趨向協同，協同又會引起更高一級的競爭。國際航運中心是一個復雜的系統，其內部子系統及要素間既有競爭又有協同，其自組織演化的根本動力在于區域經濟環境因素、自然環境因素、港口能力因素和政策環境因素及自身各要素之間存在競爭和協同關系。

經濟環境、自然環境、港口能力和政策環境作為國際航運中心系統的序參量，通過協同的運行機制，使得國際航運中心系統各子系統間相互制約、相互耦合，產生協同效應，將系統內原來的有序度低(高熵)的子系統變成有序度高(低熵)的“自組織”動態子系統。競爭是系統發展的動力，協同的前提；而區域經濟環境、自然環境、港口能力和政策環境這4個序參量始終是國際航運中心持續發展的驅動力，主宰著整個航運中心系統成長的進程和方向。

2 基于自組織理論的國際航運中心演化模型

2.1國際航運中心的演化模型

國際航運中心的演化一般要經歷孕育期、成長期、成熟期和衰退期等過程，演化的整個過程可表現為S型曲線，即開始增長緩慢，而在以后的某一時間范圍內迅速增長，達到一定限度后，又緩慢下來。表現這種S型國際航運中心演化過程時，最常用的是Logistic成長速度方程，即

(1)

(2)

式(2)中：c為常數，由系統演化的初始條件決定。

對式(1)求導，得

(3)

對式(3)繼續求導，得

(4)

根據以上分析，可將國際航運中心的演化過程分為4個階段。

2.2國際航運中心的混沌性分析

當Logistic模型的參數r，K改變時，其取值會影響演化方程、演化的特性與狀態，并產生混沌現象。[12]混沌是指在確定性系統中出現的一種貌似無規則的類似隨機的現象，在現實生活中是隨處可見的，而混沌理論的經典模型之一是標準的 Logistic 方程。

(5)

即

(6)

將上式離散化，可得標準的Logistic方程為

Yt+1=rYt(1-Yt) 0lt;Ytlt;1,0lt;rlt;4

(7)

式(7)中：Yt+1是Yt的一次迭代；由于0lt;Xlt;K，因此0lt;Ytlt;1；由于當rgt;4，Yt=0.5時，Yt+1gt;1，因此0lt;rlt;4。

國際航運中心系統的演化過程是復雜多變的，在Logistic模型中，參數的變化、系統的演化會出現完全不同的行為狀態，這反映了一種混沌現象。[13-14]系統演化曲線的高度及其在穩定點的斜率、穩定點個數及系統最終狀態都依賴于對該方程的參數r的取值。運用MATLAB軟件對不同的r值進行模擬仿真，通過迭代得到的蛛網圖形來直觀展現這一過程。

1) 當0lt;rlt;1時，取中間值r=0.5，仿真結果見圖1(a)，演化軌跡完全處于經過原點的傾斜角為45°的直線之下，t→∞時，Y→0。這表明國際航運中心系統增長動力較弱，逐漸趨于消亡，主要表現在航運中心演化的第1和第4階段。在第1階段，即孕育期，國際航運中心基礎設施建設薄弱、港口腹地經濟不發達、缺少政策支持，如果未能改善這些不足，國際航運中心系統最終會在此階段夭折。在第4階段，即衰退期，如果不能及時找到促使國際航運中心系統演化的新動力，隨著時間的推移，國際航運中心系統會因此逐漸走向消亡。

2) 當1lt;rlt;2時，取中間值r=1.5，仿真結果見圖1(b)，演化軌跡與45°直線交點的斜率為正，穩定點唯一，即t→∞時，Y逐漸趨于一固定值。

3) 當2lt;rlt;3時，取中間值r=2.5，仿真結果見圖1(c)，系統演化軌跡與45°直線交點處斜率為負，穩定點唯一，即t→∞時，Y逐漸趨于一固定值。

綜合以上分析，當1lt;rlt;3時，在t→∞的情況下，Y逐漸趨于一固定值。這表明國際航運中心系統增長動力較強，主要表現在演化的第3階段。在該階段(即成熟期)，航運中心系統已日趨完善，內部各要素相互作用趨于穩定，系統增長速度較第2階段有所減緩，國際航運中心系統趨于穩定。

4) 當3lt;rlt;4時，r對應區域是使Logistic方程產生混沌動態行為的關鍵區域，此時的演化軌跡與45°直線交點處的斜率lt;-1，國際航運中心系統演化將出現分叉和混沌現象。

(1) 當3lt;rlt;3.83時，偶數倍周期出現，演化軌跡開始變得不穩定。任取r=3.2，仿真結果見圖1(d)，2周期出現。當r=3.45時，仿真結果見圖1(e)，4周期出現。此時t→∞時，Y在2個值(2周期)或4個值(4周期)或2的倍數個值(2n個周期)之間跳動，這表明國際航運中心演化動力強，主要表現在演化的第2階段。在成長期，國際航運中心基礎設施加強、腹地經濟發展、政策支持增加，吸引了越來越多的船舶靠泊，國際航運中心系統迅速成長。但是，演化過程在該階段極有可能產生分叉，可能繼續走向成熟，也有可能直接走向衰退；

(2) 當3.83lt;rlt;3.87時，奇數倍周期出現，按照Li-Yorke定理[15]，這預示著混沌的出現。令r=3.83，仿真結果見圖1(f)，3周期出現。此時，演化軌跡將在3個點上做循環運動，隨著r增大，這3個點逐漸變得不穩定，每個點分岔成2個點，進入6周期，這一分岔不斷進行，直至完全混沌；

(3) 當3.87lt;rlt;4時，混沌出現。當r=3.9時，仿真結果見圖1(g)，系統狀態既不是收斂的也不是周期性的，無論迭代多少次也不再具有任何有規律的行為，即產生混沌現象；蛛網圖形軌跡不再是任何穩定的周期軌跡，而是在區間中跳來跳去，在區間的任意一個子區間都會出現無數次，這就是混沌的遍歷性[16]。此時，若t→∞，Y將不再趨于一個或幾個固定值，而是趨向于混沌吸引子，這表明國際航運中心演化動力很強，主要表現在第2和第4階段。

結合以上分析，國際航運中心系統在第2階段迅速增長，可能表現為促使其演化的動力極強。而在第4階段，國際航運中心系統除了可能衰退外，還有可能向一個新的狀態演化。如，新的經濟增長點的出現、更加寬松的政策的實施等，使航運中心系統獲得更強的動力，在新的起點上持續成長。盡管演化動力越強，航運中心發展速度就越快，但是從另一個角度看，這種動力過強可能導致忽略環境承載能力，不利于航運中心可持續發展。

5) 式(7)中Yt與r的關系可用Logistic方程的分岔圖表示。通過上述計算，可得到在不同r值下Yt的多次迭代周期和Yt的各周期性時態的數值；以r為橫坐標，Yt為縱坐標得到圖1(h)所示圖形。可直觀地看到，迭代序列收斂性呈一分二，二分四，……的分岔直至混沌的現象。

(a) r=0.5

(b) r=1.5

(c) r=2.5

(d) r=3.2

(e) r=3.45

(f) r=3.83

(g) r=3.9

(h) Logistic方程的分岔圖

3 上海國際航運中心演化的實例分析

以上海國際航運中心為研究對象，應用Logistic模型分析其演化情況。

上海國際航運中心的形成和發展，是城市經濟環境、自然環境、港口能力和政策環境等共同作用

的結果。經濟環境主要包括GDP和進出口總額；自然環境主要包括地理優勢和集疏運體系；港口能力主要包括港口貨物吞吐量、港口集裝箱吞吐量、萬噸級以上泊位數和船舶平均在港停泊時間；政策環境主要指政府的政策扶持。表1中建立了1998—2012年上海國際航運中心的9個特征參量，其中主

表1 1998—2012年上海國際航運中心的特征參量

要數據參閱了《中國統計年鑒》，而地理優勢、集疏運體系和政策扶持則采用了專家打分法。

對{X1，X2,…,X9}的基礎數據進行處理：

1.將 {X1，X2,…,X9}的基礎數據進行歸一化。

2. 運用層次分析法，根據各元素的重要程度，確定各指標的權重。

3. 運用統計軟件SPSS 18.0進行主成分分析，該方法能夠剔除多指標間存在的相關性及信息重疊，得出分析結果。將分析結果代入主成分表達式，計算求得1998—2012年上海國際航運中心的綜合發展指數，并將其歸一化。

從圖2可以看出，擬合度比較理想，即上海國際航運中心整體演化規律符合基于Logistic方程的系統整體演化模型。

結合以上分析，由r=0.35lt;1可得出，現階段上海國際航運中心演化動力較弱，增長速度減緩，處演化的第4階段。上海國際航運中心從1998年到現在，先后經歷了孕育期、成長期、成熟期，現已逐漸達到這一輪增長的峰值。由表1的統計數據可看出，近年來上海市GDP與進出口總額增長速度減緩，直接導致了貿易量減少；長三角港口群內，寧波-舟山港一體化后，一定程度上降低了上海港對長三角貨源的吸引力；東亞地區，韓國釜山港采取低運價策略，神戶港實施江海聯運策略，分流了上海國際航運中心對長江流域貨物的中轉，致使上海國際航運中心的地理、港口能力優勢被削弱。在這些因素的共同作用下，上海國際航運中心的演化動力出現了不足的趨勢，增長速度相對趨緩，達到了這一輪演化的峰值。在這種情況下，找到新的驅動力使演化系統迅速轉入更高一級的下一個周期的演化，對上海國際航運中心未來的發展而言至關重要。

圖2 上海國際航運中心擬合曲線

于

從上海國際航運中心未來發展趨勢看，2013年8月，國務院正式批準設立中國(上海)自由貿易試驗區。自由貿易試驗區的設立對上海國際航運中心的發展而言意義重大，如：貿易量的擴大將使港口吞吐量增加；稅收、外匯使用等優惠政策將促進高端航運服務業發展；免稅和自由港將吸引更多物流企業的集聚等。此外，以上海為中心，浙江、江蘇為兩翼的上海組合港將在“十二五”期間建立上海組合港規劃協商機制，促進各港規劃銜接；將組織聯合研究并推進鐵水聯運發展等十一項重要任務，進一步協調長三角一體化建設。由此可見，自由貿易區的設立帶動貿易量的增加，組合港的發展使上海港與周邊港口合作增強，這些都將為上海國際航運中心的演化帶來強大的動力，促使其向下一個周期演化。

4 結 語

基于自組織理論的相關理論分析了國際航運中心演化的基本條件與演化動力，建立了國際航運中心演化的Logistic模型，對模型的混沌性進行了分析，得出結論如下：

1. 國際航運中心系統滿足耗散結構的基本條件，存在系統開放性、非線性、非平衡性以及漲落現象,在激烈的競爭下產生區域經濟、自然環境、港口能力和政策環境的序參量。序參量所產生的競爭合作效應，使得各個港口間及外部環境間達到協同，形成具有自組織特性的國際航運中心。國際航運中心在自組織條件機制、動力機制的共同作用下，不斷從遠離平衡態的無序走向有序、從低級有序走向高級有序，從而形成了國際航運中心的自組織演化過程。

2. Logistic模型適用于描述國際航運中心系統的演化過程，該過程可以分為4個階段：孕育期、成長期、成熟期、衰退期。

3. 對國際航運中心的混沌性進行仿真，結果表明：由自然環境、經濟環境、政策環境、港口能力決定的演化動力系數r對國際航運中心演化狀態起著決定性的作用。r的不同使航運中心演化呈現出不同的狀態，表現為不同的演化階段。國際航運中心演化的整個過程中，r顯現出了“由小到大，再由大到小”的周期性變化。

[1] DABROWSKI K. Comments on the Mechanisms of the World Shipping Market [J]. Maritime Policy amp; Management.1981，8(2):85-98.

[2] GOTTMANN J. The Urbanized Northeastern Seaboard of the United States [M]. New York: The Twentieth Century Fund, 1961.

[3] 吳彤.自組織方法論研究[M].北京：清華大學出版社，2001.

[4] PRGOGINE I. Structure, dissipation and life. Communication Presented at the First Confer [M]. Amsterdam: North-Holland Puh, 1969.

[5] HAKEN H. Information and Self-Organization [M]. New York: Springer-Verlag, 1998.

[6] THOM R. Structure Stability and Morphogenesis [M]. Reading Mass: Benjamin, 1975.

[7] EIGEN M, SCHUSTE P. The Hypercycle[M]. Springer Berlin/Heidelberg, 2004.

[8] MANDELBROT B. The Fractal Geometry of Nature [M]. San Francisco: WH Feeman amp; Co, 1982.

[9] GOODWIN, RICHARD M. Chaotic Economic Dynamics [M]. Oxford University Press, 1990.

[10] 王莉靜.基于自組織理論的區域創新系統演進研究[J].科學學與科學技術管理，2010(8)：128-132.

[11] 余黎峰，雷星暉.基于自組織理論的供應鏈系統關系管理研究[J].現代管理科學，2009(7):14-16.

[12] STUTZER M J. Chaotic Dynamics and Bifurcation in a Macro Model [J].Journal of Economic Dynamics and Control，1980，(2):353-376.

[13] 張雙紅.Logistic模型的MATLAB計算與可視化[J].吉林師范大學學報:自然科學版,2009(3):97-99.

[14] THEODORE M. Chaoslike States Can Be Expected Before and After Logistic Growth[J]. Technological Forecasting and Social Change，1992，4 (41)：

[15] LI T Y, YORKE J A. Period Three Implies Chaos [J]. American Mathematical Monthly, 1975(82): 985-992.

[16] 鄭洲順，曲選輝.Logistic阻滯增長模型的計算機模擬[J].計算機工程與應用.2002(23):37-39.

EvolutionofInternationalShippingCenterAnalysisBasedonSelf-OrganizationTheory

WENWenhua,FANHouming,MAYuwen,ZHANGWenjing

(Transportation Management College, Dalian Maritime University， Dalian 116026, China)

Dissipative structure theory and synergetic theory of the self-organization theory are used to analyze the evolution condition and the dynamic mechanism of the international shipping center system. The Logistic model of the self-organized evolution of the international shipping center is established. The evolution process is divides into four phases in the model: birth, growth, maturity and decline. The chaos of the international shipping center system evolution is described taking the regional economy, the natural environment, the port capacity and the policy as the driving forces, which determine dynamic coefficientrof the international shipping center system evolution. The coefficientrrepresents the phase of the evolution of international shipping center system. In the whole process of evolutionrvaries, gradually increasing first and then descending. The model is used to explore the evolution of Shanghai international shipping center.

tranffic transport economics; international shipping center; self-organization theory; Logistic model

2014-04-10

國家自然科學基金(71072081；61473053);遼寧省教育廳科學技術研究一般項目(L2014046)

溫文華(1965—), 男, 廣東河源人，博士生，研究方向為交通運輸規劃與管理。E-mail:wwhuasz@163.com

范厚明(1962—)，男，山東蓬萊人，教授，博士生導師，主要研究方向為交通運輸規劃與管理、戰略管理與系統規劃。E-mail:fhm468@163.com

1000-4653(2014)03-0112-06

U692.2

A