基于自组织理论的国际航运中心系统演化

温文华, 范厚明, 马钰雯, 张文静

(大连海事大学 交通运输管理学院， 辽宁 大连 116026)

基于自组织理论的国际航运中心系统演化

温文华, 范厚明, 马钰雯, 张文静

(大连海事大学 交通运输管理学院， 辽宁 大连 116026)

运用自组织理论中的耗散结构理论、协同学理论，对国际航运中心系统的演化条件、动力进行分析。建立国际航运中心自组织演化的Logistic模型，将其演化过程分为孕育期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段。阐述国际航运中心演化过程的混沌性，即区域经济环境、自然环境、港口能力、政策环境是国际航运中心演化的驱动力，决定了其演化动力系数r。r的不同使国际航运中心的演化呈现出4个阶段，演化的整个过程中，r显现出“由小到大，再由大到小”的周期变化。以上海国际航运中心为例，探究其演化过程。

交通运输经济学； 国际航运中心； 自组织理论； Logistic模型

航运市场开放程度的不断提高，促进了国际航运中心的产生。[1]国际航运中心是融发达的航运市场、丰沛的物流、众多的航线航班于一体，以国际贸易、金融、经济中心为依托的国际航运枢纽。[2]

1 国际航运中心系统演化的自组织特性

1.1系统自组织演化的基本条件

所谓自组织理论，是指一个系统无需外界指令就能自行组织、自行创生、自行演化，能够自主地从无序走向有序，形成稳定的结构。[3]其不是一个独立的理论体系，而是一个学科群，主要由“耗散结构”理论[4](主要研究自组织理论演化条件)、“协同学”理论[5](主要研究自组织形成机制)、“突变论”[6](主要研究自组织演化的途径)、“超循环”理论[7](主要研究自组织的演化形式)以及“分形”理论[8]和“混沌”理论[9]等组成，揭示了系统要实现从无序到有序的进化过程。

国际航运中心系统是一个自组织演化系统，满足耗散结构的4个条件。[10]

1) 国际航运中心是一个开放的系统，与外部环境存在物质、能量和信息上的关联与交流。

2) 国际航运中心的非线性主要体现在其整体涌现性，内部港口间与外部环境间均以非线性函数的形态存在。

3) 激烈的竞争环境与相互作用的内部港口群促使国际航运中心系统远离平衡态的非平衡区域。

4) 在国际航运中心的发展过程中，运输需求的涨落、经济的波动、政策的变迁、航运企业生产率的变动、技术的革新等因素的改变都会引发系统涨落。

因此，国际航运中心具备耗散结构理论提出的演化条件，具有自组织特性，其演化过程属于自组织演化。

1.2国际航运中心系统演化动力分析

协同学认为系统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各序参量之间的竞争与协同是系统产生新结构的直接根源。[11]

国际航运中心系统演化发展的基本动力是内部各子系统间的竞争与协同作用，二者相互依存、相互转化；竞争使系统内部产生更强烈的非平衡、非线性，而通过竞争趋向协同，协同又会引起更高一级的竞争。国际航运中心是一个复杂的系统，其内部子系统及要素间既有竞争又有协同，其自组织演化的根本动力在于区域经济环境因素、自然环境因素、港口能力因素和政策环境因素及自身各要素之间存在竞争和协同关系。

经济环境、自然环境、港口能力和政策环境作为国际航运中心系统的序参量，通过协同的运行机制，使得国际航运中心系统各子系统间相互制约、相互耦合，产生协同效应，将系统内原来的有序度低(高熵)的子系统变成有序度高(低熵)的“自组织”动态子系统。竞争是系统发展的动力，协同的前提；而区域经济环境、自然环境、港口能力和政策环境这4个序参量始终是国际航运中心持续发展的驱动力，主宰着整个航运中心系统成长的进程和方向。

2 基于自组织理论的国际航运中心演化模型

2.1国际航运中心的演化模型

国际航运中心的演化一般要经历孕育期、成长期、成熟期和衰退期等过程，演化的整个过程可表现为S型曲线，即开始增长缓慢，而在以后的某一时间范围内迅速增长，达到一定限度后，又缓慢下来。表现这种S型国际航运中心演化过程时，最常用的是Logistic成长速度方程，即

(1)

(2)

式(2)中：c为常数，由系统演化的初始条件决定。

对式(1)求导，得

(3)

对式(3)继续求导，得

(4)

根据以上分析，可将国际航运中心的演化过程分为4个阶段。

2.2国际航运中心的混沌性分析

当Logistic模型的参数r，K改变时，其取值会影响演化方程、演化的特性与状态，并产生混沌现象。[12]混沌是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则的类似随机的现象，在现实生活中是随处可见的，而混沌理论的经典模型之一是标准的 Logistic 方程。

(5)

即

(6)

将上式离散化，可得标准的Logistic方程为

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；由于当rgt;4，Yt=0.5时，Yt+1gt;1，因此0lt;rlt;4。

国际航运中心系统的演化过程是复杂多变的，在Logistic模型中，参数的变化、系统的演化会出现完全不同的行为状态，这反映了一种混沌现象。[13-14]系统演化曲线的高度及其在稳定点的斜率、稳定点个数及系统最终状态都依赖于对该方程的参数r的取值。运用MATLAB软件对不同的r值进行模拟仿真，通过迭代得到的蛛网图形来直观展现这一过程。

1) 当0lt;rlt;1时，取中间值r=0.5，仿真结果见图1(a)，演化轨迹完全处于经过原点的倾斜角为45°的直线之下，t→∞时，Y→0。这表明国际航运中心系统增长动力较弱，逐渐趋于消亡，主要表现在航运中心演化的第1和第4阶段。在第1阶段，即孕育期，国际航运中心基础设施建设薄弱、港口腹地经济不发达、缺少政策支持，如果未能改善这些不足，国际航运中心系统最终会在此阶段夭折。在第4阶段，即衰退期，如果不能及时找到促使国际航运中心系统演化的新动力，随着时间的推移，国际航运中心系统会因此逐渐走向消亡。

2) 当1lt;rlt;2时，取中间值r=1.5，仿真结果见图1(b)，演化轨迹与45°直线交点的斜率为正，稳定点唯一，即t→∞时，Y逐渐趋于一固定值。

3) 当2lt;rlt;3时，取中间值r=2.5，仿真结果见图1(c)，系统演化轨迹与45°直线交点处斜率为负，稳定点唯一，即t→∞时，Y逐渐趋于一固定值。

综合以上分析，当1lt;rlt;3时，在t→∞的情况下，Y逐渐趋于一固定值。这表明国际航运中心系统增长动力较强，主要表现在演化的第3阶段。在该阶段(即成熟期)，航运中心系统已日趋完善，内部各要素相互作用趋于稳定，系统增长速度较第2阶段有所减缓，国际航运中心系统趋于稳定。

4) 当3lt;rlt;4时，r对应区域是使Logistic方程产生混沌动态行为的关键区域，此时的演化轨迹与45°直线交点处的斜率lt;-1，国际航运中心系统演化将出现分叉和混沌现象。

(1) 当3lt;rlt;3.83时，偶数倍周期出现，演化轨迹开始变得不稳定。任取r=3.2，仿真结果见图1(d)，2周期出现。当r=3.45时，仿真结果见图1(e)，4周期出现。此时t→∞时，Y在2个值(2周期)或4个值(4周期)或2的倍数个值(2n个周期)之间跳动，这表明国际航运中心演化动力强，主要表现在演化的第2阶段。在成长期，国际航运中心基础设施加强、腹地经济发展、政策支持增加，吸引了越来越多的船舶靠泊，国际航运中心系统迅速成长。但是，演化过程在该阶段极有可能产生分叉，可能继续走向成熟，也有可能直接走向衰退；

(2) 当3.83lt;rlt;3.87时，奇数倍周期出现，按照Li-Yorke定理[15]，这预示着混沌的出现。令r=3.83，仿真结果见图1(f)，3周期出现。此时，演化轨迹将在3个点上做循环运动，随着r增大，这3个点逐渐变得不稳定，每个点分岔成2个点，进入6周期，这一分岔不断进行，直至完全混沌；

(3) 当3.87lt;rlt;4时，混沌出现。当r=3.9时，仿真结果见图1(g)，系统状态既不是收敛的也不是周期性的，无论迭代多少次也不再具有任何有规律的行为，即产生混沌现象；蛛网图形轨迹不再是任何稳定的周期轨迹，而是在区间中跳来跳去，在区间的任意一个子区间都会出现无数次，这就是混沌的遍历性[16]。此时，若t→∞，Y将不再趋于一个或几个固定值，而是趋向于混沌吸引子，这表明国际航运中心演化动力很强，主要表现在第2和第4阶段。

结合以上分析，国际航运中心系统在第2阶段迅速增长，可能表现为促使其演化的动力极强。而在第4阶段，国际航运中心系统除了可能衰退外，还有可能向一个新的状态演化。如，新的经济增长点的出现、更加宽松的政策的实施等，使航运中心系统获得更强的动力，在新的起点上持续成长。尽管演化动力越强，航运中心发展速度就越快，但是从另一个角度看，这种动力过强可能导致忽略环境承载能力，不利于航运中心可持续发展。

5) 式(7)中Yt与r的关系可用Logistic方程的分岔图表示。通过上述计算，可得到在不同r值下Yt的多次迭代周期和Yt的各周期性时态的数值；以r为横坐标，Yt为纵坐标得到图1(h)所示图形。可直观地看到，迭代序列收敛性呈一分二，二分四，……的分岔直至混沌的现象。

(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方程的分岔图

3 上海国际航运中心演化的实例分析

以上海国际航运中心为研究对象，应用Logistic模型分析其演化情况。

上海国际航运中心的形成和发展，是城市经济环境、自然环境、港口能力和政策环境等共同作用

的结果。经济环境主要包括GDP和进出口总额；自然环境主要包括地理优势和集疏运体系；港口能力主要包括港口货物吞吐量、港口集装箱吞吐量、万吨级以上泊位数和船舶平均在港停泊时间；政策环境主要指政府的政策扶持。表1中建立了1998—2012年上海国际航运中心的9个特征参量，其中主

表1 1998—2012年上海国际航运中心的特征参量

要数据参阅了《中国统计年鉴》，而地理优势、集疏运体系和政策扶持则采用了专家打分法。

对{X1，X2,…,X9}的基础数据进行处理：

1.将 {X1，X2,…,X9}的基础数据进行归一化。

2. 运用层次分析法，根据各元素的重要程度，确定各指标的权重。

3. 运用统计软件SPSS 18.0进行主成分分析，该方法能够剔除多指标间存在的相关性及信息重叠，得出分析结果。将分析结果代入主成分表达式，计算求得1998—2012年上海国际航运中心的综合发展指数，并将其归一化。

从图2可以看出，拟合度比较理想，即上海国际航运中心整体演化规律符合基于Logistic方程的系统整体演化模型。

结合以上分析，由r=0.35lt;1可得出，现阶段上海国际航运中心演化动力较弱，增长速度减缓，处演化的第4阶段。上海国际航运中心从1998年到现在，先后经历了孕育期、成长期、成熟期，现已逐渐达到这一轮增长的峰值。由表1的统计数据可看出，近年来上海市GDP与进出口总额增长速度减缓，直接导致了贸易量减少；长三角港口群内，宁波-舟山港一体化后，一定程度上降低了上海港对长三角货源的吸引力；东亚地区，韩国釜山港采取低运价策略，神户港实施江海联运策略，分流了上海国际航运中心对长江流域货物的中转，致使上海国际航运中心的地理、港口能力优势被削弱。在这些因素的共同作用下，上海国际航运中心的演化动力出现了不足的趋势，增长速度相对趋缓，达到了这一轮演化的峰值。在这种情况下，找到新的驱动力使演化系统迅速转入更高一级的下一个周期的演化，对上海国际航运中心未来的发展而言至关重要。

图2 上海国际航运中心拟合曲线

于

从上海国际航运中心未来发展趋势看，2013年8月，国务院正式批准设立中国(上海)自由贸易试验区。自由贸易试验区的设立对上海国际航运中心的发展而言意义重大，如：贸易量的扩大将使港口吞吐量增加；税收、外汇使用等优惠政策将促进高端航运服务业发展；免税和自由港将吸引更多物流企业的集聚等。此外，以上海为中心，浙江、江苏为两翼的上海组合港将在“十二五”期间建立上海组合港规划协商机制，促进各港规划衔接；将组织联合研究并推进铁水联运发展等十一项重要任务，进一步协调长三角一体化建设。由此可见，自由贸易区的设立带动贸易量的增加，组合港的发展使上海港与周边港口合作增强，这些都将为上海国际航运中心的演化带来强大的动力，促使其向下一个周期演化。

4 结 语

基于自组织理论的相关理论分析了国际航运中心演化的基本条件与演化动力，建立了国际航运中心演化的Logistic模型，对模型的混沌性进行了分析，得出结论如下：

1. 国际航运中心系统满足耗散结构的基本条件，存在系统开放性、非线性、非平衡性以及涨落现象,在激烈的竞争下产生区域经济、自然环境、港口能力和政策环境的序参量。序参量所产生的竞争合作效应，使得各个港口间及外部环境间达到协同，形成具有自组织特性的国际航运中心。国际航运中心在自组织条件机制、动力机制的共同作用下，不断从远离平衡态的无序走向有序、从低级有序走向高级有序，从而形成了国际航运中心的自组织演化过程。

2. Logistic模型适用于描述国际航运中心系统的演化过程，该过程可以分为4个阶段：孕育期、成长期、成熟期、衰退期。

3. 对国际航运中心的混沌性进行仿真，结果表明：由自然环境、经济环境、政策环境、港口能力决定的演化动力系数r对国际航运中心演化状态起着决定性的作用。r的不同使航运中心演化呈现出不同的状态，表现为不同的演化阶段。国际航运中心演化的整个过程中，r显现出了“由小到大，再由大到小”的周期性变化。

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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

国家自然科学基金(71072081；61473053);辽宁省教育厅科学技术研究一般项目(L2014046)

温文华(1965—), 男, 广东河源人，博士生，研究方向为交通运输规划与管理。E-mail:wwhuasz@163.com

范厚明(1962—)，男，山东蓬莱人，教授，博士生导师，主要研究方向为交通运输规划与管理、战略管理与系统规划。E-mail:fhm468@163.com

1000-4653(2014)03-0112-06

U692.2

A