基于哈肯模型的建筑科技創新

摘要：運用哈肯模型建立建筑科技創新與節能減碳協同發展演化方程，對我國31個?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^）建筑業復合系統協同演化進行實證分析，識別出第一階段（2010—2015年）節能減碳是建筑業復合系統的序參量，第二階段（2015—2020年）轉變為科技創新是我國建筑業復合系統的序參量。但目前建筑科技創新子系統并未建立正反饋機制，建筑節能減碳子系統效率較低，未對建筑復合系統發揮促進作用，因此需要特別關注建筑能源結構改善的技術研發及能源效率提升。

關鍵詞：節能減碳;科技創新;協同演化;哈肯模型

0 引言

建筑科技創新是我國建設科技強國的重要戰略，是實施“中國智造”的核心內涵。建筑業作為我國高能耗高排放行業之一，其節能減排的基本實現路徑為通過科技創新與技術進步緩解能源消費增長幅度和降低單位能源消費碳排放因子，以實現動態節能減排^[1]。科技創新與節能減排是建筑行業高質量發展兩大突破口，且呈現相輔相成態勢。學者們對科技創新與節能減排相互聯系展形研究，并取得豐富的成果?，F有研究主要分為兩個方面：一方面是科技創新特別是技術創新對節能減排的作用影響。如吳衛紅等^[2]構建了高能耗產業技術創新與節能效率和減排效率復合系統協同度模型，其技術創新子系統的有序度最低；蔡寧等^[3]基于新型工業行業節能效率與技術創新變量的回歸模型探究了兩者間的影響關系；歐陽銘珂等^[4]采用回歸模型研究技術創新對我國汽車工業節能減排效率的影響；金桂榮^[5]對中小企業節能減排效率提升進行了探究，發現技術創新是節能減排效率提升的主要驅動，管理創新的貢獻較小。另一方面，聚焦于節能減排對創新作用機制的研究，如鄭蘭祥等^[6]研究表明節能減排財政政策提升了示范城市綠色技術創新質量與數量；張國興等^[7]基于文獻計量方法分析了節能減排科技政策演化及帶來實施效果的差異性。

基于已有研究結果，發現創新路徑方式促進了產業節能減排的綠色可持續發展，節能減排科技政策也提高了產業科技創新成果輸出。但現有文獻主要關注創新與節能減排間單向的影響因素、作用機理等，少有研究將科技創新與節能減排視為一個整體，在二者相輔相成的協同發展的演化路徑中，揭示復合系統內驅動力，探究隨著時間遷移外部環境變化下驅動力是否發生變化?；诖耍疚脑噲D以建筑業作為研究對象識別建筑科技創新與節能減排復合系統演化內驅動力。目前，我國建筑業仍處于粗放式發展階段，存在建筑業的工業化、信息化水平較低，科技創新能力不足等問題^[8]。因此，探究建筑科技創新與節能減排復合系統能否產生1+1gt;2的效果，以期實現建筑業高質量發展的變革。

1 復合系統協同演化特征

協同論是研究不同事物共同特征及其協同機理的新興學科，最早由物理學家哈肯提出，在系統內部子系統和外部環境共同作用下，共生耦合聚擴，支配序參量變化，自組織演化為新的有序狀態。目前，該研究已經比較成熟，通過系統方法構建評價體系統計歷史數據模擬仿真評價協同度。梅燕等^[9]、林佳等^[10]、梁齊偉等^[11]、許嘉禾等^[12]探究了協同演化機制的研究框架，協同演化機制研究框架如圖1所示。

結合協同學自組織理論^[13]，建筑科技創新節能減排復合系統具有開放性、非線性、非平衡性的自組織演化特征，具體如下：

（1）開放性。復合系統協同演化，需要與外界環境、內部資源信息等進行互通與交流，通過共同作用，使科技創新要素和節能減碳要素重新分配，催化復合系統協同發展的機制，推動其向高層次復合系統螺旋式進階發展。因此，科技創新和節能減碳子系統之間必然是開放式的。

（2）非線性。復合系統為復雜的系統，其包括多個子系統，子系統間又存在密切的聯系，科技創新子系統促進建筑業節能減排，節能減排子系統倒逼建筑業科技創新，兩者之間的相互作用并非簡單的線性關系。

（3）非平衡性。在復合系統開放性的條件下，外界環境資源、技術稟賦、引導政策等各子系統主體的差異性，使得各子系統發展過程中呈現不同類型的群體特征，進而形成了一個非平衡性的有序系統，突破某種有序穩定狀態轉向無序狀態發展，隨后再次進入無序轉向新的穩定發展構建高階層演化階段。

2 構建模型

2.1 哈肯模型原理

哈肯模型通過引入統計力學對自組織問題進行了深入的研究^[14-16]。當系統失去線性穩定性時，就會發生變化。在消去大量自由度后，系統性質由少數自由度確定。假設復合系統中存在快慢狀態變量，識別快變量并利用精準消元法消去變量得到序參量方程，降維分析系統協同演化過程。假定u1表征子系統Ⅰ的狀態量，u2表征子系統Ⅱ的狀態量，設u1是復合系統的內在驅動力，u1影響u2，其相互作用以u1×u2示意。在一定外部條件下，系統由于兩個狀態量間相互作用產生的物理方程為

μ·1=-λ1 u1-au1u2+ε1（1）

μ·2=-λ2 u2+bu22+ε2（2）

式中，u1、u2為狀態變量；a、b為控制參數；λ1、λ2為子系統的阻尼系數；ε1、ε2為隨機漲落項。設|λ2|gt;|λ1|，λ2gt;0，這就是系統的“絕熱近似”假設。由于上述方程是基于物理運動而設，將其應用到復合系統中通常進行離散化處理，公式如下

u1（k+1）=（1-λ1） u1（k）-au 1（k）u2（k）+ε1（3）

u 2（k+1）=（1-λ2） u2（k）-bu12（k） +ε2（4）

其中，k表示基準時間。當系統的一個穩態解滿足假設條件，此時，u1是系統的序參量，因此可以采用絕熱消除法，令u· 2=0消除快變量，公式如下

u2（t）≈bλ2u12（t）（5）

由此可見，u2隨著u1變化而變化，代表著u1表示序參量主宰復合系統演化，進而得到系統序參量的方程，公式如下

u·1=-λ1u1-abλ2 u13（6）

對u·1的相反數積分可求得復合系統勢函數，勢函數描繪復合系統的演化狀態，求得函數ν，公式如下

ν=12λ1u12+ab4λ2u14（7）

2.2 變量選擇與數據處理

本文選取除西藏自治區外（數據缺失）的31個?。ㄖ陛犑?、自治區）作為研究對象，選取2010—2015年、2015—2020年建筑業科技創新子系統（STI）和節能減排子系統（CE）數據作為樣本數據，分析2010—2015年和2015—2020年兩階段我國31個省（直轄市、自治區）建筑行業科技創新與節能減碳復合系統的協同運動方程。

建筑業科技創新與節能減碳子系統變量采用郎思琦等^[17]構建的指標體系及其權重，建筑科技創新與節能減碳子系統指標體系及權重見表1。

3 實證分析

3.1 序參量確定

根據上述理論與方法，利用Eviews10.0軟件對建筑科技創新與節能減碳復合系統的指標體系進行回歸計算。2010—2015年建筑復合系統驅動因素變量分析結果見表2，2015—2020年建筑復合系統驅動因素變量分析結果見表3。結果可得，在2010—2015年，CE主宰復合系統的需殘量，2015—2020年，復合系統平衡打破，STI驅動復合系統運動。

3.2 確定運動方程

根據運動方程，第一階段（2010—2015年）系統演化方程公式如下

u·1=0.328u1-0.127u13（8）

系統勢函數公式如下

ν=-0.162 5u12+0.126 67u14（9）

依據哈肯模型，令u·1=0，求得其具有穩定的唯一解u1=0。對趨勢函數求一階導，公式如下

dvdCE=-0.325CE+0.506 7CE3

令dvdCE=0， 可得

CE（-0.325+0.506 7CE²）=0，

求得序參量CE的三個穩定態解：CE1=0，CE2=-0.800 9，CE3=0.800 9。進一步對勢函數v求二階導，公式如下

d2vd2CE=-0.325+1.520 1CE2

將CE2、CE3 代入得d2v/d2CE=0.650 1＞0，由此得出，在CE=±0.800 9處，ν有極小值，表明CE2、CE3為不穩定解。2010—2015年建筑復合系統勢函數曲線如圖2所示。

根據運動方程，第二階段（2015—2020年）系統演化方程公式如下

μ·1=-0.071u1+ 0.14517u13（10）

系統勢函數公式如下

ν=0.136u12-0.03629u14（11）

根據上一階段相同步驟可得勢函數一階、二階導數為

dvdSTI=0.272STI-0.14516STI3

d2vd2STI=0.272-0.43548STI2

由此得出d2vd2STI=-0.544＜0，在STI=±1.3689處，ν有極大值，表明STI2、STI3為不穩定解，2015—2020年建筑復合系統勢函數曲線如圖3所示。

3.3 參數分析

第一階段，2010—2015年的序參量是碳排放強度驅動，在“十二五”期間城市化水平實現了一個歷史性的突破，其表現為復合系統中建筑節能減碳子系統建筑規模結構顯著增加。結合現有研究對建筑業碳排放因素貢獻度數據看出，除規模結構，能源強度是拉動建筑碳排放正增長的主要因素，貢獻度最大。從結果來看，在這個階段建筑節能減排子系統倒逼驅動科技創新發揮創新作用與正向影響。

λ1=-0.328lt;0，說明科技創新與節能減碳系統已建立起建筑能源效率增加的正反饋機制；a=-0.112＜0，表明科技創新對建筑節能減碳子系統能源效率、能源結構正向指標起到推動作用；b=0.285gt;0，表明建筑碳排放強度也在倒逼促進建筑產業科技創新人才、經費投入，創新科技成果、勞動生產率提高與優化。

第二階段，2015—2020年的序參量是科技創新效率驅動。λ1=0.071gt;0，說明建筑科技創新與節能減排系統還沒有建立科技人才、科技經費、技術升級增加的正反饋機制，需要各地區加強對建筑業科技創新的力度，仍需增加建筑產業鏈對科技創新人才、經費投資以及建筑新技術、新工藝、新材料等創新成果產出，提供良好的科技創新政策與環境，有效促進我國建筑行業的綠色可持續發展；λ2=0.272gt;0，表明我國建筑節能減排的效率較低，無論是節能減碳關鍵技術還是產業鏈管理方式上都沒有達到節能減碳效果，存在節能理念設計的缺失、建造過程資源浪費及運維階段能源管理不善等問題。因此，需要注重建筑能源結構改善的技術研發，還要同時加大能源效率的提升。

4 結語

本文應用哈肯模型對我國建筑業復合系統進行分析，建立復合系統演化方程計算勢函數，研究表明，

建筑業復合系統協同發展在2010—2015年、2015—2020年兩個階段發生了轉變，系統在開放式條件下，與外界環境的資源、信息交換打破了原有平衡，實現進階式協同推動發展。兩個階段序參量發生了轉變，序參量由第一階段（2010—2015年）節能減排驅動轉變為第二階段的科技創新驅動。第二階段（2015—2020年）復合系統序參量轉為科技創新驅動，但并未建立正反饋機制，且建筑節能減碳子系統效率較低，未對建筑復合系統發揮促進作用。

基于以上研究結論， 提出以下三方面建議：

（1）我國建筑業技術創新逐步深入，由勞動密集型向技術密集型轉變。應制定和完善建筑業科技成果推廣的相關政策，完善建筑業創新市場競爭秩序，以持續激發建筑企業自主創新的效率。

（2）將科技資源配置向建筑節能減碳傾斜，探索跨地區、產學研等多種聯合攻關模式研發，推廣建筑節能新技術、新產品，實現建筑全生命周期節能減排核心技術和產品突破。

（3）通過政府補貼等政策引導，推廣使用清潔能源，減少使用煤炭燃料能源，以改善能源結構，推動建筑行業高質量發展。

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收稿日期：2024-07-03

作者簡介：

郎思琦（1989—），女，研究方向：工程管理、BIM技術。

李麗紅（通信作者）（1979—），女，教授，碩士研究生導師，研究方向：工程管理。