基于混沌理论的煤炭产业技术创新系统研究

吕永卫，韩峥

（太原理工大学 经济管理学院，山西 太原030024）

基于混沌理论的煤炭产业技术创新系统研究

吕永卫，韩峥

（太原理工大学 经济管理学院，山西 太原030024）

煤炭产业技术创新系统的演化过程呈现出混沌特征。借助logistic方程构造创新系统混沌模型，在此基础上结合对系统的混沌状态分析，提出通过对R＆D投入、管理力度、政府政策的微扰可以实现对煤炭产业技术创新系统的混沌控制。

煤炭产业；技术创新系统；混沌理论

目前为止，国内有关煤炭产业技术创新的研究非常有限，研究成果较少，主要集中于以下几方面：煤炭产业技术创新历程、煤炭产业生产设备创新、煤炭产业技术创新路径选择、煤炭产业技术创新模式研究等。［1，2］可以看出相关研究比较分散，还远远没有实现系统化，并且此类研究大部分基于决策型因果律的三种假设：认为创新是在管理者可以把握的稳定均衡环境下发展的；认为创新主体是 “说到做到”的；认为创新管理者对事件的因果关系有足够认识，即倾向于总结过去的创新轨迹来推理以后的结果。然而现实中技术创新的过程，是不确定条件下创新参与者通过与环境的互动来进行的、追求机会价值最大化的复杂过程，它常常与研发投资、创新政策、创新管理、环境需求等交织在一起，具有复杂特征。混沌理论为研究这类复杂系统的运动提供了理论基础。本文旨在通过对煤炭产业技术创新系统混沌特征的研究提出相应的创新系统控制对策以提高煤炭产业的创新能力。

一、混沌与煤炭产业技术创新系统

（一）混沌

“气似质具而未相离，谓之混沌。”—— 《易乾凿度》。所谓混沌，其原意是指无序和混乱的状态。混沌研究起源于20世纪60年代洛伦兹的天气预测模型，1979年12月洛伦兹在华盛顿的美国科学促进会的一次讲演中提出：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，有可能会在美国的德克萨斯引起一场龙卷风，这就是有名的 “蝴蝶效应”。其实我国古人说得更简洁有力：风起于青萍之末。混沌理论揭示了自然界表面看起来杂乱无章事物背后惊人的秩序。

混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动。混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中 （如：人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等）无法用单一的数据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测的行为。在现实生活和实际工程技术问题中，混沌无处不在。混沌研究的进展，无疑是非线性科学最伟大的成就之一，它正在消除决定论和概率论两大对立描述体系间的鸿沟，使复杂系统的理论建立在更加符合客观实际的基础之上。

（二）煤炭产业技术创新系统

作为内生变量，技术创新在煤炭产业经济发展中发挥了巨大的作用。煤炭属于不可再生资源，技术创新可以通过改进勘探水平、开采工艺拓展煤炭储量的边界；技术创新可以通过改善技术设备水平来提高煤炭回采率；技术创新可以通过对煤炭液化、气化、清洁燃烧等最终实现煤炭的清洁利用；技术创新还有利于资源的优化配置，实现规模经济，有益于降低成本，节约能源，缓解能源稀缺状况。［3］

煤炭产业技术创新系统是指煤炭产业中一系列创新参与者和制度构成的网络联系系统，它们相互作用以实现和促进一种新技术或新产品及其多样性的产生、扩散和应用，具有系统性、经济性、创新性等基本特性。其中，企业、大学和科研院所、中介机构、政府部门等创新参与者是构成技术创新体系的要素，煤炭企业是技术创新的主体。构建技术创新系统的目标是促进煤炭产业核心技术的形成、推进煤炭产业技术创新的进行。

二、煤炭产业技术创新系统的混沌特征

煤炭产业技术创新系统具有复杂性特征。混沌是非线性动力系统固有的特征，是复杂系统普遍存在的现象，它具有对初始条件的敏感依赖性和随机性特征。技术创新过程曲折多变，成败无法预测，可以尝试使用混沌理论来解释技术创新系统的演化和成长过程从而实现对系统的控制、管理。

（一）复杂系统特征

煤炭产业技术创新系统的复杂性主要来自非线性。技术创新是不同主体、机构、秩序间复杂的相互作用的结果，创新结果并不以一个完美的线性方式出现，它并非系统内部各要素作用的简单相加，而是各要素在不同时间、空间相互作用和反馈的结果。这表明，煤炭产业技术创新系统各要素间并不完全产生简单的因果关系或线性的依赖关系，而是一个多目标、多层次、多变量的非线性系统。

一般而言，一个系统要成为复杂系统应具备以下几个条件：一是，其由许多处在同等地位的要素构成，这些要素不存在隶属关系；二是，系统自身能依靠这些要素进行运动，系统内存在内在的组织和结构；三是，它符合热力学第二定律的熵增原理，系统在不与外界交换熵的条件下，熵将不断地增加，而最终使系统走向死亡；四是，所有系统都有识别的能力，并能预测将来的情况。［4］煤炭产业技术创新系统明显是满足以上条件的，参与技术创新的各企业、大学和科研院所等是创新复杂系统的要素，它们彼此独立，之间没有隶属关系。创新系统依靠要素进行创新活动，其内部存在科研部门、决策部门等组织结构，它们引导或制约着系统的创新活动。煤炭产业技术创新系统不间断地与外部环境进行着信息、物质、能量的交换，系统存在着内在机制促使其不停地创新、发展、衰落，满足熵增原理。最后，创新系统具备短期的预测能力，虽然这种预测是极为有限的。综上所述，煤炭产业的技术创新活动是在一个复杂系统中进行的，这一系统的一些特征与规律对于引导创新活动的方向和控制创新活动的进行具有重要意义。

（二）对初始条件的敏感依赖性

“蝴蝶效应”是复杂系统特有的特征，它指的是系统对初值的敏感依赖性，即微小的初值变化就会造成系统状态的巨大变化。这种情况在煤炭产业技术创新系统中普遍存在，例如技术创新产生的过程中会面临一系列的决策，在系统组织结构、创新方式、创新管理体制都没有巨大改变的前提下，选择正确的创新方向，构建有利于创新的企业文化，为一个快要出成果的创新项目追加少量投资都可能会给企业带来巨大的效益。反之，一个微不足道的决策失误都可能导致巨大损失。从技术创新体系的微观层面看，新知识的获取和吸收是技术创新的本质，然而新知识的获取、吸收就成为一种重要的初始条件，它的微小变化都会影响慢变参量的形成，最终引导形成不同的涌现回路，从而产生完全不同的创新成果。随着知识经济的到来，知识工作者的越来越重要，在系统创新过程中少数掌握核心知识的员工在相当大的程度上决定着创新的成败。另外，随着全球化和网络化进程，系统的外部环境呈现出混沌态势，而创新系统中科技人才和管理者思维的内在随机性更是加重了系统对外部环境的敏感性。这种对初始条件敏感性的产生是因为在系统的动力学区域内，某些行为 （分岔参数）存在着分岔点，分岔点前后系统会出现完全不同的状态。［5］因此对于系统管理者来说，找到并控制这些关键因子 （分岔参数）是非常重要的。

（三）内在随机性

随机性是指在一定条件下，系统的某个状态既可能出现也可能不出现。内在随机性是指对一个完全确定的系统，在一定的系统条件下，能自发地产生随机结果的特性。煤炭产业技术创新系统是一个由自由个体 （人，部门，机构）通过一定的固定规则和复杂关系构成的耗散系统，其技术创新过程是非线性的，同时系统对初始值敏感依赖，初始值的细微差异受到系统的非线性反馈的不断放大和缩小最终导致面目全非的随机性结果，因此，原因与结果之间的关系随着时间的推移而逐渐消失，从理论上说此系统的长期行为是不可预测的。［6］实际上对于煤炭产业技术创新系统也的确如此，例如政府对于产业创新政策的调整、科技人才的流动、系统内部制度等初始条件的改变，对系统短期影响或许不明显，但对长期来说就难以预测了，其结果可能是促进某一科研成果的成功，也可能是使一项已投入巨大的创新项目半途而废。因此，我们说煤炭产业技术创新系统具有内在随机的特性。

通过上述分析，可以认为煤炭产业技术创新系统是混沌系统。该系统经过一系列的连续变动之后，会产生始料未及的后果，也就是混沌状态。这种现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法预测的随机效果。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的混乱状况，此混沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中找出某种规则出来。

三、煤炭产业技术创新系统混沌模型构建

（一）影响技术创新系统的关键因素

一般企业技术创新的目标是获得更多利润，但是在当前大力推进发展循环经济和建设环境友好型社会的背景下，加上煤炭产业资源、产品的特殊性，使得产业核心价值观趋向于更加重视自然资源资本和环境成本，系统创新目标不仅仅是为了追求利润，更是为了与自然及社会和谐相处，实现可持续发展而服务，同时这也是赢得长远竞争优势，增强产业核心能力的有效途径。因此，煤炭产业比起其他产业在技术创新中，更多的受到政府政策、环境需求、发展绿色能源企业文化等因素的影响。

根据对煤炭产业考察，技术创新系统在内部动力和外部动力驱动下产生进行技术创新的动机，其中内部动力主要来自R＆D投入和管理能力等。外部动力主要包括：市场需求，科技进步，政府政策，环境需求等。

创新系统外部环境中技术进步、环境需求是产业组织管理者无法预测和控制的，为了对煤炭产业技术创新系统进行动力学分析和混沌控制，本文选取政府政策、管理能力、R＆D投入作为控制变量，市场需求可预测但不可控制，故看作常量。以上各种因素通过多种途径对煤炭产业技术创新系统的演变过程产生重要作用，其作用机制呈现出复杂性特点，技术创新对煤炭产业绩效提高的贡献在实践分布上具有随机性和不确定性，一个接一个新技术的产生，不断改变着煤炭产业技术开发、扩散和应用的进程以及技术份额市场竞争均衡状态，也使煤炭产业的经济增长和对环境的影响产生波动。

（二）系统混沌模型

起源于生物学的种群迭代公式

被称为逻辑斯蒂 （logistic）模型，该模型具有确定性并且看上去似乎非常简单，但参数L在一定范围变化时，它表现出来极为复杂的动力学行为，其中包括分岔和混沌 （如图1所示），它是能说明混沌秩序的数学模型。［7］logistic方程可用于组织系统动态演化过程的描述，故结合煤炭产业技术创新系统的混沌特性及系统控制变量，建立以下煤炭产业技术创新系统的混沌模型：

式 （2）中，Mt表示t时刻技术创新对生产价值增长率的贡献，其值是技术创新产生的经济价值比率和环境价值比率的和；Mt＋1表示Mt的一次迭代，即创新一段时间后，经过各种正负反馈，根据实施情况需要校正下一阶段创新的方向和内容。令

L代表煤炭产业技术创新系统各要素的综合变化率，是系统的综合控制参数。式 （3）中，λ1是对创新方向进行调控的创新团队管理能力力度参数；λ2为政府政策参数，政府政策可能是直接影响系统的创新政策，也可能是间接对系统创新产生影响的节能减排政策；λ3表示在该混沌系统下，煤炭产业的R＆D投入增长率；a、b表示加权平均数，分别表示管理能力和政府政策对于创新的影响程度，a＋b＝1；s表示市场需求增长率预测值。

图1 混沌分岔图Fig.1 Chaotic bifurcate

四、煤炭产业技术创新系统的混沌管理与控制

（一）混沌状态对系统控制的启示

一个系统在高度稳定、固定的状态下是不会发生任何变革的，而复杂性技术创新的发生通常处于稳定与随机的混沌边缘地带。复杂系统的这一特征告诉我们，在系统处于过于稳定的状态时，应调整控制变量，使系统趋于走向混沌的边缘，催使新秩序产生从而促进创新的涌现。但是，对于一个特定的系统而言，混沌虽然意味着机遇，但同时也意味着巨大的失败风险，由于煤炭产业技术创新系统受到外部环境影响极大，所以在混沌分岔口系统可能面临着陷入巨大涨落的选择，一旦产生混沌却没有加以控制或消除，就很可能导致整个系统的混乱，引发恶性结果。从系统混沌模型看，系统参数 （初始值）的微小变化就会使整个动力系统从周期运动变为混沌运动，此时就需要通过具体的控制途径消除或削弱混沌，从而使系统恢复周期运动。复杂系统的另一特性是不能人为控制或驾驭复杂系统，只能干扰它。创新系统是难以控制的，不可能通过改革或决策得到一个确定性的结果，而只能利用系统的放大正反馈机制，对系统进行扰动，从而取得最优绩效。［8］

综上所述，管理者必须正视混沌的事实，找出混沌系统中的秩序，并有效地利用这种混沌中的秩序以实现目标。既不能控制太严格使系统过于稳定，也不能管理太松散使系统进入混沌，而应该注意观察，随时进行微扰，使系统保持在混沌的边缘。通过模型可以看出煤炭产业技术创新系统所处的不同状态取决于系统的参数，当参数在一定范围内连续变化时，系统从稳定状态经过倍周期分岔，演化到2周期态、4周期态、8周期态……最后进入混沌状态。［9］因而，可以通过对混沌模型参数的分析，找出煤炭产业技术创新系统控制的最佳途径。

（二）对技术创新系统的混沌控制

由煤炭产业技术创新系统混沌模型可知，此系统驱动力中三个可控因素包括R＆D投入、管理能力、政府政策，通过对它们的控制可以实现对整个系统的控制。

由式 （3）知，随着λ3的增大，L也增大，当L大于某定值时创新系统的成长出现混沌状态，此时投资价值变得动荡不定。可以对λ3进行微调反馈控制从而实现控制系统的成长绩效。当管理能力λ1和政府政策λ2不确定的情况下，要尽可能地控制技术创新系统避免其从分岔点进入混沌状态，同时应不断观察系统的运动态势，在每一个观察到的时间内，对其R＆D投入不宜盲目过大，采取一边仔细观察一边对研发进行谨慎投入，是避免企业创新活动进入混沌分岔点的途径之一，可有效避免创新失败的风险。一位成熟的创新管理者时刻依据企业发展的实际需要确定投资规模，而不倾向于一次性的R＆D投资过多。

煤炭产业技术创新系统的混沌模型表明，系统管理力度的控制参数对系统的动态发展有相当重要的影响，可以看出λ1与综合控制参数L正相关；再由式（2）知，可以对λ1进行延迟反馈控制，从而实现提升企业绩效的目的。但是，在必须进行混沌控制的前提下λ1不宜过大，也就是说系统的管理力度应保持在一个合理范围，既不应对创新过程控制过于苛刻，也要在管理过程中避免激进的改革，最好能适时地调整管理手段、管理理念、管理方法，对系统采取微扰控制。［10］

政府政策是技术创新混沌系统中不可忽视的重要因素。同样，当λ2增大时L也增大，因此可以通过对λ2的调整，实现对整个系统的反馈控制。政府政策应当从煤炭企业当前的实际情况出发，例如不应颁布过高节能减排标准，提出过高的资源开发指标等，否则会让创新系统陷入混乱。因此，对政府政策也要采用微扰反馈控制，以利于煤炭产业创新系统在新环境中的耗散运动，循序渐进地促进煤炭产业的发展。［11］式 （3）说明，三个参数λ1，λ2，λ3都与煤炭产业技术创新系统的综合控制参数L正相关，在实际创新活动中对混沌系统控制时，可以同时对三个参数进行调控，在对市场科学预测的前提下，调整系统管理和政府政策的方向和力度，进而适当控制R＆D投入，使创新活动符合混沌的内在规律才能使创新系统对煤炭产业绩效的贡献实现最优。

［1］胡宝民，王丽丽，李子彪，等.科技创新管理研究领域状况及展望 ［J］.河北工业大学学报，2004，33（2）：121－126.

［2］吴洪涛.我国煤炭产业技术创新系统演化及功能分析 ［D］.河北工业大学，2008.

［3］王喜莲，张金锁.技术进步对煤炭产业经济增长的贡献率研究 ［J］.矿业研究与开发，2009，29（1）：92－95.

［4］王三义，俞向前，万威武.基于混沌理论的公司战略管理研究上 ［J］.商业研究，2005（13）：42－44.

［5］范拓源.复杂技术创新过程中的混沌控制 ［J］.科技管理研究，2008（6）：1－3.

［6］范拓源.有序来自混沌对科学技术创新的启示 ［J］.中国青年科技，2007（158）：14－18.

［7］刘兴国.混沌与混沌管理 ［J］.企业经济，2003 （10）：113－114.

［8］赵敏，彭润中，李湛.基于混沌理论的高科技企业创立及管理过程研究 ［J］.科技进步与对策，2009，26（24）：94－97.

［9］王建华，孙林岩.混沌理论在经济系统中的研究 ［J］.甘肃工业大学学报，2001，27（3）：104－106.

［10］徐俊，王宁.论管理对混沌理论的借鉴 ［J］.企业经济，2006（1）：11－13.

［11］叶金国.技术创新积累效应的混沌模型及其政策条件 ［J］.数学的实践与认识，2005，35（9）：9－14.

Study on Technology Innovation System of the Coal Industry Based on Chaotic Theory

LV Yong－wei，HAN Zheng
（CollegeofEconomicsandManagement，TaiyuanUniversityofTechnology，TaiyuanShanxi030024，China）

The evolution process of coal industry technology innovation system presents chaotic features.The author sets up the innovation system chaos model by means of logistic equation.Based on the model and the analysis of chaotic state，the author puts forward the chaotic control of coal industry technology innovation system with the perturbation of R＆D input，the strength of management and the policy of the government.

Coal industry；Technology innovation system；Chaotic theory

C934

A

1671－816X（2011）02－0133－05

（编辑：程俐萍）

2011－01－06

吕永卫 （1964－），男 （汉），山东龙口人，副教授，硕士，主要从事企业管理方面的研究。