基于耗散系统理论的创新型城市演化机制研究

吴尤可，钟 坚

（深圳大学 中国经济特区研究中心，广东 深圳 518060）

基于耗散系统理论的创新型城市演化机制研究

吴尤可，钟 坚

（深圳大学 中国经济特区研究中心，广东 深圳 518060）

城市具有典型的耗散结构形成的条件，表现出了开放性、远离平衡性，具备涨落和非线性的特征，并且其熵值特征很明显。新经济条件下，创新型城市的建设，要考虑影响城市竞争力优势的最主要因素，在这个基础上来推动城市系统向创新型的城市形态来演化。根据耗散系统的特点，应抓住有利时机推动创新型城市建设。

创新型城市；耗散系统；演化；熵值

一、问题提出

国际上针对创新型城市的研究始于20世纪90年代，西方学者首先意识到城市的衰退和面临的种种危机，将创新思维扩展到经济、社会和文化层面，认为全面创新是城市复兴发展的核心动力。城市变革与创新模型根据新经济增长理论，认为经济效益增长的核心是生产率增长，迈克尔·波特认为国家或区域经济增长包含四种要素驱动：生产要素导向、投资导向、创新导向及富裕导向。在探讨城市的可持续增长问题上，知识积累所带来的创新已经成为一个重要方面。现代创新理论的研究从线性创新模式，发展到了创新系统和创新网络理论，强调创新的“系统范式”。城市作为一个复杂系统，除具有一般复杂系统的整体性、层次性、动态性等特征，还具有典型的耗散结构性质。耗散结构理论是布鲁塞尔学派领导人普里高津教授于1969年在一次“理论物理与生物学”国际会议上提出的，并因此获得1977年诺贝尔奖，该理论在自然科学和社会科学的很多领域都产生了巨大影响。谷国锋用耗散结构理论来探索区域经济问题［1］，曾德明则用耗散理论来研究国家创新体系问题［2］。可见，耗散结构理论在体系研究、创新研究等实践研究方面有重要的理论意义。因此，从耗散结构理论出发，探讨创新型城市的体系建设是个具有启发性的新视角。

二、耗散系统的定义及条件

1.耗散系统的定义

一个远离平衡态的开放系统，可以通过不断与外界环境交换物质、能量与信息，在外界条件达到一定阀值时，就可能从原先混乱无序的状态，转变为一种在时间和空间上都有序的状态［3］（P23）。普里高津把这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定有序的结构，称为耗散结构。耗散结构中的有序，是一种动态变化的有序。

2.耗散结构的形成条件

要形成耗散结构，须满足四个条件：

（1）系统是开放的。根据系统与外部环境的关系，系统可被分为三类：第一类是孤立系统，即与外界既无能量交换又无物质交换的系统；第二类是封闭系统，即与外界只有能量交换但无物质交换的系统；第三类则是开放系统，即与外界同时存在物质交换和能量交换的系统。任何一种耗散结构，只有在开放的条件下才能形成、维持和生存。

（2）系统是非平衡的。一个开放系统可能有三种不同的存在方式：一是热力学平衡态，即系统内部达到一种定态，不再有任何宏观过程，如宏观的热传导、热扩散或者化学反应等；二是近似平衡态，也叫“线性非平衡态”。诸如驰豫、输运、涨落等现象，是平衡态附近的主要非平衡过程，都受趋向平衡这一总倾向所制约。三是远离平衡态。系统不仅在平衡态不能导致有序，在近似平衡态，虽与外界存在能量和物质交换，其自发趋势仍是要回归平衡态，不能产生耗散结构。系统只有远离平衡态，方可形成新的稳定有序的耗散结构。因而，普里高津得出结论“非平衡是有序之源”［3］（P176）。

（3）涨落导致有序。产生有序结构的内部诱因是涨落，即系统中某个变量的行为对平均值发生偏离，它能使系统离开原来的状态或轨道。如果系统处于临界状态，涨落可能被反馈放大为“巨涨落”，导致系统从不稳定的状态跃迁到另外一个新的有序状态，即出现耗散结构。

（4）非线性作用。要产生耗散结构，系统内部各要素之间必须存在非线性相互作用。其可使系统的各个要素之间产生协同作用和相干效应，从而使系统从无序变为有序。如果系统内部不存在非线性相互作用的机制，即使系统处于开放和非平衡条件下，系统也不可能产生耗散结构。

3.系统演化的熵值特征

熵（Entropy）是系统演化的重要量度，概念的初始提出者是德国物理学家克劳修斯，表征一种对变化了的能量的量度，微分表达式为：

意为一个系统的熵（S）等于该系统在一定过程中所吸收（或耗散）的热量（Q）除以它的绝对温度（T）。在系统论中，熵的意义在于它为系统演化的方向和过程提供了科学的判断依据。作为一个态函数，它表示系统当时所处状态是否稳定，将向哪个方向转化。即对系统演化过程的发生条件、运行方向和运行限度等提供判断依据。其中，dS≥0，是判断过程是否可逆的依据。如果dS=0，说明系统过程可逆，而dS＞0，则说明系统不可逆。在不可逆过程中dS＞0，意味着系统过程总是朝着熵增大的方向进行，即“熵增加原理”。从宏观意义上说，熵是能量分布均匀性的一种量度。能量分布越不均匀，熵值越小；能量分布越均匀，熵值越大；系统的能量完全均匀分布时系统的熵值达到最大，这对应系统的平衡态。

对于一个远离平衡的开放系统，其总熵的变化由两个部分组成：一个是系统本身由于不可逆过程引起的熵增，即熵产生，这一项永远是正的；另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵流，这一项可正可负可为零，则整个系统的熵的变化可以写作两项之和［4］：

据热力学第二定律，恒有diS≥0（等号对应于平衡态），在孤立系统中，没有熵流，则deS=0，系统总熵为dS=diS≥0，系统只能由有序走向无序。反之，当一个系统的熵流deS≠0，系统并不一定是有序增加，对应上文探讨过的耗散结构形成的外部条件之二，存在三种情况：

第一种是热力学平衡态。此时，虽然deS≠0，但diS＞0，所以，加速系统趋于无序；第二种是线性非平衡态。此时deS≈0，系统即使开始时有一些有序结构，其内部熵增将导致系统最终趋于无序；第三种是系统远离平衡态。此时deS≪0，且当时，系统的总熵dS变化可以小于零，即dS=diS+deS〈0，此时系统的总熵随着时间推移而减少。此时系统外界有负熵流的输入，系统朝着减熵的方向发展，系统趋于有序化。

三、基于耗散理论的创新型城市特征分析

1.创新型城市的耗散结构特征

耗散理论被广泛运用到各类系统，既有力学的、物理的、生物的系统，也有社会的、经济的系统。将城市视为一个系统，要用耗散结构理论来讨论创新型城市的构建问题，需研究其前提，即城市可否构成一个耗散结构。

第一，绝大部分城市系统是一个开放系统，它与外界不断进行物质、能量和信息的交换。一方面城市中各大主体如企业、科研机构、政府等要持续输入能量；另一方面，需要在城市建设的各个方面输出创新成果以获得创新性质的城市发展动力，这是输出的过程。无论是输入还是输出，一旦停下来，城市内部的秩序和结构都会崩溃。

第二，城市系统是一个远离平衡态的系统。城市系统内部，有构成其组成要素的子系统（政府、企业、科研机构、金融部门、中介等等），子系统内还有更小的子系统（政府内的不同机构、企业中的不同部门、科研机构里的不同部门等）。因此，城市系统分为多个层次，系统中的各个子系统的功能、作用和机制各个方面都不相同，因而各个子系统不可能绝对等同，必然存在差异，存在不平衡。

第三，城市系统会产生涨落。城市系统中每个行为主体都有自己的行为目的、作用领域等，并按照各自的目的、想法、计划做出决策。对整个城市系统来说，各个主体行为难以预测，则城市系统状态的平均效应值总是时刻受随机扰动而存在涨落现象。

第四，城市系统内部各要素之间的关系是非线性的。创新型城市系统并非是一种固定了的组织结构，由于创新主体的多元化和系统结构的多层次性，使得创新过程决非一种线性直线模型，而是非线性网络模型［5］。这种非线性的交互作用，是创新型城市系统发展的动力结构。

以上的分析说明，创新型城市系统满足成为耗散结构需具备的四个条件，对于创新型城市建设可运用耗散结构理论来进行研究。

2.创新型城市系统的熵值特征分析

作为一个开放的、远离平衡的、存在涨落以及非线性作用的耗散系统，创新型城市的发展存在正熵流和负熵流。

正熵流的产生要根据城市系统内部与其所处的环境两个部分分别对待。城市系统内部正熵流的产生源于诸如政府管理效率低下、城市文化的包容度欠缺、研究部门的科研能力低下、研究机构的研究成果转化为现实生产力的实施力度不够、企业经营效率不高、城市资金流运转不畅等对创新型城市建设不利的因素。由城市所处的环境产生的正熵流，表现在了城市对整个社会体系进步所产生的不适应性如外部不经济，对不可抗拒的自然力产生的不适应性，对区域文化的难以塑造而带来的不适应性等。

负熵流产生于一切有利于创新型城市构建或者消除和缓解城市建设中各种矛盾的因素，也分为城市系统内部与其所处的环境两方面。城市系统内部所产生的负熵流源于健全高效的政策制度、和谐的城市文化体系、流畅的资金运转体系等。创新型城市还可以不断从外界吸收能量，并通过自身的调整来引入外界的负熵流，如加强经济政策的支持、严格城市中行业的管理规范、促进技术创新、减少外部风险等。

就创新型城市建设而言，熵可以成为衡量其建设成果的因素。城市系统内部熵值增加，则城市混乱程度增加，各主体间协调程度下降，创新型城市建设的效率下降；相反，城市内熵值减少，城市混乱程度减少，各主体间协调程度提高，创新型城市建设的效率提高。城市要不断吸收内外部物质、能量和信息，形成负熵流，通过各主体间的学习效应、创新效应和协调效应，在城市内部进行消化和吸收，使得城市系统内正熵流降低，总熵值下降，有序性增强，从而推动创新型城市建设的和谐发展。从另一个视角来看，这种可以不断吸收外界能量并加以利用的城市耗散结构是由城市对国家甚至世界大的经济环境的适应而产生的。也就是说，创新型城市的优势就在城市不断吸收内外界的能量，并加以整合，能动地适应外界经济环境的变化中体现出来。

四、创新型城市建设的演化机制分析

在当前世界经济一体化带来的要素自由流动，以及知识经济的蓬勃发展使得创新成为经济发展重要驱动力的国际环境下，创新型城市的建设过程，实际上也是一个不断增强本城市竞争力以适应当前新经济发展形势的过程。提升城市的竞争力要基于城市本身已有优势，城市优势是一个城市的自然特色和人文特色，是城市形象的客观展示和魅力所在。影响城市竞争力的因素主要有区位因素、自然资源因素、地理文化因素、社会资源因素、政策因素。要使耗散结构的城市系统形成创新型的城市形态，就必须结合城市优势，考虑城市个性，遵从耗散结构的特点，创造城市发展的条件，使得它能拥有繁荣而充满竞争活力，能充分满足其市民需求的经济实力，具有前瞻性的积极的战略规划，高效的城市管理机制等。创新型城市的演化，表现在这样几个方面：

第一，形成创新的基核。作为创新型城市系统开始形成的组织核心，一个创新的基核对整个城市系统的演化走向有重要的作用。涨落会形成基核。普利高津写到：“当一个新的结构出自某个有限的扰动时，从一个状态引向另一个状态的涨落大概不会在一步之内就把初始状态压倒。它首先必须在一个有限的区域内把自己建立起来，然后再侵入整个空间：这里有一个成核机制”［3］（P33）。可以在系统内创造一个涨落，也就是选准一个创新突破点，启动创新型城市的建设。当这种涨落得到其他子系统的响应并在城市系统内被放大时，城市系统就被诱导进入新的有序状态。

第二，创新的基核成为吸引子，推动相关产业的产生，相关产业的发展，又进一步带来城市相关设施建设，促进城市经济发展。基核的内部构造和相关要素，在城市系统内构造了一个创新的子系统。基核存在和进一步演化的前提，是基核系统处于一个开放状态。基核在开放的城市系统中，通过非线性作用，吸入负熵，排出正熵，这个过程通过基核的吸引子作用来完成。当外在扰动达到一定程度时，城市系统内部的子系统就会以吸引子为始，带动其他产业的发展，推动整个系统朝某一方向作有序运动。

基核相关产业集群的建成，将使得整个城市系统以基核为基点向四周发散。而吸引子与集群外界系统的熵流过程，体现出来的影响力就是吸引子的吸引力。它能促进负熵不断流入。基核之所以对外界系统有吸引作用，原因在于基核能够从外界吸入稀缺的物质、能量和信息，即促进负熵流入，对整个城市体系而言，基核也促进城市本身的负熵流的产生。基核拓展创新的产业市场。创新的基核形成一个创新的产业集群，拓展新的产品和要素市场；同质企业的聚集，增强了城市的对外辐射能力，更容易吸引外界的金融资本、人力资源，促进创新服务机构、科研机构的聚集，使游资、专业人才、技术、信息等稀缺资源向城市涌入，为创新型城市发展创造更好的经济基础和配套设施；活跃的技术创新驱动力，能激发“创新主体”的活力，推动城市中产业的更新换代以及创新经济形态的形成和调整；创新的产业集群的形成促使政府设计相关的配套政策进行管理或者监督，推动城市的政策创新，以及进行一些基础设施建设，为新出现的经济形态提供便捷的服务；由于创新的城市经济形态的形成，相关的城市精神文化面貌也会出现相应的调整和改变。勇于挑战、包容失败、积极创新的文化形态将会出现。

第三，作为系统有序之本的反馈，在创新型城市系统中所起到的作用，体现在两个方面，一是流畅的反馈渠道的建立，二是通过正负反馈来协调创新作用的发挥。

第一个方面，关于流畅的反馈渠道的建立，这是为了创新作用的发挥和加强。城市系统中创新作用的发挥，不会是从研发开始，到运用结束，而是有多种源泉，产生于各个反馈环节之中。要构建流畅的反馈渠道，就应建设适应城市发展的创新服务机构。在创新成果流动的过程中，创新服务机构可以及时为研发部门提供反馈，促进进一步创新活动的开展，提高城市创新动力。

第二个方面，通过正负反馈来协调创新作用的发挥，体现城市系统自我控制的自组织功能。创新的措施或行为对于城市发展的作用，一般随时间有一个衰减的过程。即某个创新的措施或行为，在初始阶段会发挥较大的正面作用，而不出现负面作用。但随着措施的继续进行，正面作用的力度逐渐衰减，负面作用会渐渐体现，逐渐有悖于该措施提出的初衷。而这一措施的继续运行与否，就看正反馈和负反馈的互相抵消程度，当负作用过大时，就是该措施或者行为更新换代、推出新的替代品的时机［6］。

第四，创新型城市的衍生路径。通过上文的分析，创新型城市的演化路径已较为清晰。从形成城市竞争力的各大要素中，可能产生无数个创新点。经过涨落的调节，反馈机制的作用，能够形成创新型城市基核的创新点只有一个，就成为该城市的吸引子。吸引子要演化成为创新产业集群，取决于吸引力与排斥力的作用。吸引力促进基核的群体规模扩张，形成创新的产业集群，排斥力推进同行的企业趋于发散。随着环境的变化，吸引力和排斥力不停进行博弈，在多次基核系统组织态演变临界点的较量选择之后，将逐渐演化为具有稳定规模的集群组织态。此时，创新型城市的经济基础已然形成。产业集群的形成会推动相关要素市场建设，并促使政府建设相关公共设施。人力资源体系和金融投资体系将加大创新力度，为城市经济发展和城市建设注入人力和财力。服务机构提供推陈出新的服务，为新出现的社会实体或者无形投资提供相关的服务。城市精神文化建设也会上一个新台阶，形成新的价值观，与物质文明的建设发展相适应。政府亦会进行政策支持，或者加大政策创新的力度，为城市中各个主体的创新活动提供强有力的政策支持。城市各大体系互相之间有复杂的非线性作用，而其不仅是系统本身所固有的不断协调各子系统的一种内在机制，也是系统与外界环境相互协调，促进系统演化的主要根据。在以上各大体系共同非线性作用下，城市得以成为一个有机整体，并向前演化和发展，最终形成创新型的城市发展形态。

五、结 论

创新型城市建设，无论是发展前提，还是演化历程，都具有耗散结构的独特之处。当城市系统经过形成基核以及涨落过程产生了创新的产业集群、具备了创新型城市发展的经济基础之后，就进入到了创新型城市的整体建设阶段。这个时候应该对各个城市组成主体制定相应的城市建设战略。要把握城市运动、发展、变化的规律，加强对城市内外环境中机遇和挑战的分析研究。根据质变和量变、渐变与突变相互转化的原理，创新型城市建设必须在各个方面进行创新，对内注重理顺各个主体之间的利益关系，树立城市的核心价值观，形成高效的内部冲突协调机制；对外则注意完善发展战略、协调城市文化、建设体系与外部环境，不断增加与其他区域的交流……最重要的是，要善于利于突变原理，为突变的产生积蓄条件。在城市内部聚集了一定的力量、而且又具备了可供利用的外部经济、环境条件的情况下，敏锐地捕捉并充分利用有利的时机，果断提升渐变的过程，使得长期积累的资源、能量、优势得到彻底释放，实现从量变到质变的突飞猛进式的进展，使城市发展水平实现飞跃，呈现创新型的城市发展新面貌。

［1］谷国锋.区域经济系统耗散结构的形成与演化机制研究［J］.东北师大学报自然科学版，2005，（9）：119-124.

［2］曾德明，彭盾.基于耗散结构理论的国家创新体系国际化研究［J］.科学管理研究，2009，（6）：12-20.

［3］伊·普利高津.从混沌到有序［M］.上海：上海译文出版社，1987.

［4］李柏洲，朱晓霞.基于耗散与灰关联熵的RIS演化机制研究［J］.科学学研究，2007，（12）：1239-1243.

［5］宝 胜.创新行为的系统性和创新系统的非线性特征［J］.中国科技论坛，2005，（1）：94-96.

［6］郭金秀.我们公共支出规模增长的驱动与制约［J］.上海财经大学学报（社会科学版），2010，（6）：58.

The Study of Evolution Mechanism about an Innovative City Based on Dissipative System

WU You-ke，ZHONG Jian
（Research Center for Chinese Special Economic Zones，Shenzhen，Guangdong 518060，China）

City has the typical formation conditions of dissipative structure，fulling of openness，away from balance，with the fluctuation and non-linear characteristics，and also evident entropy feature.Under the new econmic situation，to construct an innovative city，it need to consider the most important influence factors of city competitve edge.On this basis，we can promote city system to the evolution of innovative city.Besides that，according to the characteristices of dissipative system，we should seize the opportunity to promote the construction of innovative city.

innovative city；dissipative system；evolution；entropy

F290

A

1000-2529（2011）05-0097-04

2011-04-18

国家社会科学基金项目“中国共产党创办经济特区的历史与经验研究”（09BDJ009）

吴尤可（1982-），女，湖南岳阳人，深圳大学中国经济特区研究中心博士研究生；钟 坚（1965-），男，江西万安人，深圳大学中国经济特区研究中心主任，教授，博士生导师。

（责任编校：文 心）