基于熵理论的虚拟学术社区系统有序性研究

谭春辉 王一君 王一夫

关键词：耗散结构;熵理论;虚拟学术社区;Bmsselat叫模型;有序度

21世纪是互联网的世纪，尤其是2019年末暴发的新型冠状病毒疫情无形中成为线上学术交流的助燃剂，这意味着将学术交流与互联网结合是大势所趋，代表着科教界发展的未来。致力于促进科技创新、学术交流的虚拟学术社区就是时代的产物，与传统学术交流相比，其具有及时性、交互性和高效性的特点。虚拟学术社区为学科交叉、探索前沿提供平台，使科学研究不受时空限制，帮助参与者随时随地在网络平台中找寻自己认可的理论观点，并与之交流互动和科研合作。本质上讲，参与者的互动是虚拟学术社区的核心.而虚拟学术社区的搭建和运营是其强有力的保障.无论是作为社区参与者的多元主体，还是从主体延伸出的知识客体，都要依赖于健康发展的社区进行学术互动。所以说，研究如何促进虚拟学术社区健康发展的首要问题就是从系统的角度弄清虚拟学术社区内的运行现状和发展趋势。当前，我国虚拟学术社区正处于转型关键期，尤其以科学网为代表的一批虚拟学术网站，正在通过一些新方式试图构建全新的高效学术生态系统，这些环境刺激对虚拟学术社区系统的发展轨迹造成了一定的影响。准确甄别虚拟学术社区系统的运行状态，并对其有序度进行科学地测评，有助于引导虚拟学术社区系统从无序走向有序.从低级有序走向高级有序。

经过前期资料收集，发现对于虚拟学術社区的研究多集中在知识共享的意愿、行为、过程和效率，以及延伸出来的信任问题等方面。对虚拟学术社区系统演化的研究还处于初步认知阶段，但有关系统状态及其有序性的研究已取得丰硕成果，可为虚拟学术社区系统有序性研究提供理论依据。如李电生等从系统论和控制论的角度出发，提出了供应链系统有序度的概念，建立起可以对大多数供应链系统结构进行定量评价的系统结构熵模型，并利用此模型对不同的供应链系统进行了分析：高录问等基于系统动力学.利用数学函数对新疆产业子系统间的有序度进行拟合.分析构成产业结构演化动力系统中子系统间的交互胁迫关系。从上述研究可以看到，有序度的表达多依赖于耗散结构理论和熵理论，本研究亦将运用耗散结构理论和熵理论，通过问卷获取数据，借助于转义的Brussela.tor模型判断科学网是否成为耗散结构后，通过运行熵模型定量分析科学网的有序性，探索系统向高级有序状态演变的路径，为合理引导虚拟学术社区的可持续发展以及科教兴国背景下学术发展政策及制度的制定提供理论参考。

1虚拟学术社区系统有序度

1.1系统有序度

序，是事物的结构方式，指事物或系统诸要素之间的相互联系，分为有序和无序。所谓有序是指系统内部诸要素之间有规则的联系及系统与外界之间有规则的运动转化：无序是指系统内部诸要素之间混乱无规则的排列及系统与外界之间无规则的运动转化。有序和无序是相对的，没有绝对的有序和无序。有序的事物中存在破坏规则排列和秩序运动的因素，无序的事物中包含有序的因素。通过认识系统的组成要素、相互联系、结构功能及演变规律，可促使系统不断从无序向有序方向转化。从组织结构的角度来看，系统能否具有灵活快速的应变能力与有序度之间存在直接相关性，而系统能否维持稳定协调的健康发展更是由有序度决定。有序度是表征系统复杂程度的指标之一.一般来说，系统的有序度越大，其混乱程度越小，运行状态越好。测量系统有序度目前最主流的方式是借助于“熵”，熵的概念最早是被用来描述系统的热力学状态，后经玻尔兹曼和吉布斯等人进一步证明，“熵”表示大量粒子存在的系统中粒子排布的无规则程度，指出系统的有序度可用“熵”直接表示，该方法已被广泛运用于管理系统、产业系统等各领域。

从之前学者关于系统有序度的研究，可以发现耗散结构理论和熵理论总是成对出现。耗散结构是比利时物理学家普利高津对远离平衡的非线性区形成的新的稳定的有序结构的称呼，即一个开放系统从平衡态到近平衡态的演进过程中，当达到远离平衡态的非线性区时，一旦系统某个参量的变化达到一定阈值，系统便可能通过涨落发生突变.即非平衡相变，由原来无序的混乱状态转变到一种时间、空间或功能有序的新状态。由此可见，耗散结构具有3大显著特征，分别是开放性、非线性和远离平衡态。耗散结构理论作为一个用于分析处理远离平衡态的开放性系统的有力工具，已经广泛地应用于诸多领域的研究。研究表明，达到耗散结构的系统往往可以通过自身的调节能力实现有序发展，因此，判断系统是否成为耗散结构是测评系统有序度的关键一环。换言之，当一个系统未达到耗散结构，即该系统有序性差，无法健康稳定发展;当系统达到耗散结构，即该系统拥有不错的有序性，而且有序度越大，长期健康地稳定发展的可能性越大。

1.2虚拟学术社区系统有序度

根据钱学森等的开放复杂巨系统概念.虚拟学术社区系统是由多个学术圈通过知识共享形成的一个广义的复杂巨系统。其中，学术圈以人为主体，人必然存在着与环境不断地进行物质、能量和信息的交换，且虚拟学术社区系统只有开放才能补充必需的人才储备，接受外来的技术扩散才能获得必要的学术进步，同时向系统外部输出学术合作和科研成果以发展系统，这说明虚拟学术社区系统具有较好的开放性。该系统内自由流动的知识又分为显性知识和隐性知识，系统所受到的外界干扰（如政策干扰等）又具有随机性、非对称性和瞬时性，表明虚拟学术社区系统是一个典型的灰色系统，具有充分的不确定性和非线性。远离平衡态在虚拟学术社区系统中的表现主要有两个方面，一是其本身形成和发展受到社会、经济、政策、文化等多重因素的影响，并与外界发生连续的信息交换，系统始终处于非平衡态;二是系统内部的各节点（学术圈）存在较大的差异.这种差异不仅表现在数量上的差异，而且在性质上相互独立，功能上相互补充，也就是说，系统内存在势能差，其产生的“力”（梯度）动态推动各种“流”（以信息流为主）的运动，信息资源不断流动，这就造成了虚拟学术社区系统的非平衡状态。也就是说，虚拟学术社区系统作为一个复杂的开放系统，其演化就是在一定时空条件下，从平衡态到近平衡态再到远离平衡态的过程，因而具有典型的耗散结构特征，即虚拟学术社区具有明显的开放性、非线性和远离平衡态的特性。这为后续虚拟学术系统有序度的计算奠定了一定的理论基础，说明虚拟学术社区的有序度存在计算的可能性。

从整体和局部的角度分析.虚拟学术社区系统可分为两个层次，第一个层次是社区整体系统，第二个层次是社区内部子系统，包括社区运营、社区文化建设、社区服务、社区财务等子系统。所以，虚拟学术社区系统有序的含义分为3个方面.第一个方面是社区整体系统的有序，指社区与外部环境之间有规则的运动转化：第二个方面是社区内部子系统之间有规則的联系：第三个方面是社区内部子系统的有序，指社区某子系统内部诸要素之间的有规则的联系。不论是社区整体系统还是子系统，其有序程度不仅要考虑社区内部各要素关联的顺序与方式，而且要同时考虑与其他外部环境关联的秩序和能力。

结合系统有序度的定义和虚拟学术社区的性质及特点，虚拟学术社区系统有序的表征可概括为以下5个方面：①虚拟学术社区系统的结构完善合理：②虚拟学术社区系统具备夯实的基础能力和完备的高级能力;③虚拟学术社区的智慧价值、社会价值和文化价值充分得以实现;④虚拟学术社区之间的竞争规范合理且行业环境具备可持续性：⑤虚拟学术社区外部环境因素激发行业发展潜能，促使形成良性反馈调节。由此可知，更具体的行为有团队运营高效，形成良好互动氛围;社区决策科学，合理安排各项工作;流程和制度科学，保证可持续发展;科研成果转化率稳步前进;市场敏感度较高，整体竞争强度大;社区具有生命力和创造力，第三方指数较高等。

2虚拟学术社区系统有序度测评的设计

2.1虚拟学术社区系统运行熵的类型

虚拟学术社区系统是一个典型的人与社会系统，在这里，沿用申农关于信息熵的定义，用熵日描述这一系统的宏观状态对应的微观状态的不确定性，它反映系统组元之间的现实联系。熵理论应用到虚拟学术社区领域后，本文称其为运行熵，是热力学中的熵、分子运行论中的熵和信息论中的熵在虚拟学术社区中的集中体现。熵理论的启示是：一个封闭孤立的系统，其熵只能不可逆地增加，系统只会从有序走向无序。熵理论深刻揭示了有序和无序的统一，指明了从有序走向无序和从无序走向有序是同一发展过程中相辅相成的两种趋势。但一个开放系统的熵是由正熵和负熵两部分构成的，当系统具备某些必要条件成为耗散结构时，正熵与负熵的总熵值变小，系统从无序转为有序。

因此，根据熵理论可知系统有序度的大小取决于系统负熵流与熵增的大小。在一个封闭的系统中熵增是不可逆且永不为负，这样的系统结构会愈加紊乱，最后趋于“极大熵”的平衡态。而对远离平衡态的虚拟学术社区系统来说.因为有外界不断涌入的“负熵流”，使得系统愈加有序化。但当系统内部各要素之间的协调发生障碍时，或者由于环境对系统的不可控输入达到一定程度时，系统就很难继续围绕目标进行控制，从而表现出某种程度的紊乱，表现出有序性减弱、无序性增强。系统的这种状态，通常称之为系统的熵值增加效应。逆向研究熵值增加效应可知，系统的有序化其实是“负熵”增加的“熵减”过程。具体到虚拟学术社区系统中进行理解，其发展过程中由于政策、理念、技术、模式和环境等因素的改变，有序程度可能发生变化。社区内部自身待解决的问题及外部对社区产生的负面影响会使系统趋于无序.形成熵增，如组织结构设置欠合理、交流主体信息素养不足、政策制度落后和信息渠道不畅等因素：社区内部经过自身调整及外部对社区产生的正面影响会使系统趋于有序，形成熵减，如结构设置的适应性变动、新型管理模式的引进、制度体系的修正和信息交流渠道的完善等因素。

根据耗散结构理论，社区内部的矛盾因素相互作用导致正熵生成并持续增加，这是社区无法蓬勃发展的根源;负熵能够抑制正熵带来的消极影响，从而推动社区进入可持续发展。在社区运行的实践中.正熵的生成在某种程度上带有自发性与主动性，是社区运行的一个必然结果。但社区负熵的产生并不相似，社区想要生成抑制正熵并以此来强化社区管理的有序度的负熵，必须依赖于外界环境的刺激和输入。虚拟学术社区作为一个系统，内部的正熵是其无序的本因，社区外部环境的熵即负熵，是社区有序的来源。因此，如果系统内部要素无序化发展，本文称之为“系统正熵增加”;如果系统内部要素有序发展，本文称之为“系统正熵减少”。系统负熵是从环境中流入的，如果外部因素对系统不利，本文称之为“系统负熵减少”;如果外部环境因素对系统有利，本文称之为“系统负熵增加”。其中，“系统正熵增加”和“系统负熵减少”属于“熵增”过程，“系统正熵减少”和“系统负熵增加”属于“熵减”过程。

2.2虚拟学术社区系统运行熵的指标

为了实现学术虚拟社区系统运行熵的计算，必须建立社区运行熵流的指标体系。指标体系的创建应坚持系统性、科学性、可行性、动态性和定性与定量结合的原则。本文以系统运行熵的构成要素分析为基础，按照层次分析法的思想，将虚拟学术社区运行熵流指标体系分为两个方面，即虚拟学术社区的正熵流指标体系和负熵流指标体系。

虚拟学术社区是一个复杂的社会网络系统，也如同一个生命有机体一样，其通过吸收外界环境的能量，为科教界提供服务的同时，获得相应的成果维持自身的生存和发展，从而适应外界环境变化。结合虚拟学术社区特点后.将虚拟学术社区系统的内部环境分为结构、能力、价值3个部分。虚拟学术社区系统的结构主要包括其资源结构、成员结构和技术结构：虚拟学术社区能力体现在系统的学习性和适应性方面.是决定相应的虚拟学术社区在竞争中所属地位的重要因素：虚拟学术社区价值主要表征为智慧价值、社会价值和文化价值。作为一个系统，虚拟学术社区内部要素产生的正熵是其无序的本因，这些内部要素构成了系统的内部环境。虚拟学术社区只有通过调整内部环境，使得结构、能力、价值3方面和谐地适应外部环境，才能不断抑制正熵的产生。根据虚拟学术社区运行熵流指标体系建立的层次结构，在借鉴李向荣等前人研究成果的基础上，建立虚拟社区系统的正熵流指标体系，如表1所示。

外部环境是虚拟学术社区系统负熵的源泉，是对系统有潜在影响的外部机构或力量，是与系统存在与发展有关的各种外在事物和条件的集合。外部环境对虚拟学术社区产生影响的方式往往是间接的、非线形的，并且是长时期的。从实践上看，适应环境变化是虚拟学术社区生存与发展的前提和关键，而该社区只有不断从外界环境吸收负熵以抑制内部正熵的增加，才能维持系统运行的纪律和系统本身的存在与发展。根据虚拟学术社区运行熵流指标体系建立的层次结构，建立虚拟学术社区系统的负熵流指标体系，如表2所示。

2.3虚拟学术社区系统运行熵的计算

熵是系统混乱程度的度量。从微观角度看，系统的熵值可以从分子排列方式的统计中得出。一般来说.系统的熵值采用玻尔兹曼公式计算：S=K指标体系，采用调查问卷的方法对指标进行评价，评价分5级，即I代表低（或不同意）、Ⅱ代表较低（或较不同意）、Ⅲ代表一般、Ⅳ代表較高（或较同意）、V代表高（或同意），所以每个指标在某个等级上的密度计算中n等于5。

2.3.1社区正熵计算

根据熵值法，虚拟学术社区系统正熵流指标体系中第i个指标的正熵为：

2.3.2社区负熵计算

根据熵值法，虚拟学术社区系统负熵流指标体系中第i个指标的负熵为：

2.4虚拟学术社区系统耗散结构的判断

从前文的总结已经知道，虚拟学术社区系统具有明显的耗散结构特征.但依旧缺乏强有力的证据表明虚拟学术社区系统就是一个耗散结构。普利高津所领导的比利时布鲁塞尔学派经过多年努力，找到了可以表达耗散结构建立的数学条件、分析方法和模型，它就是“布鲁塞尔器”（Brusselator）。Brusselator模型作为耗散结构量化分析的方法，对耗散结构的产生条件作出了重要的判据性断言，这对于本文研究社区运行正熵和负熵的相互关系，判断社区是否成为耗散结构，提供了理论依据和可操作的数学模型。

虚拟学术社区系统有序度的判断标准需借助转义后的Brusselator模型进行判断，计算该系统的熵变阈值。依据普利高津的观点，Brusselator三分子模型表示如下：

现将“布鲁塞尔器”模型进行转义，将A、B、D、E、X、Y所代表的意义转变为虚拟学术社区系统运行熵研究的概念。即在上述式中：A代表虚拟学术社区系统内部的正熵流：B代表系统外部的负熵流：D和E分别代表复杂系统熵变过程中的非耗散结构和耗散结构：X和Y分别代表系统正熵流指标体系的可量化因子和系统负熵流指标体系的可量化因子。

至此，本文找到了判断虚拟学术社区系统是否为耗散结构的依据。如果一个虚拟学术社区的内部运行系统是孤立和封闭的，则其内部运行将趋于一种无序和混乱的状态，它的运行系统就会处于非耗散结构状态，其系统运行效率极其低下;反之，如果一个虚拟学术社区的内部运行系统能够不断地与外部环境进行能量交换.根据外部环境的变化合理调整其内部运行状态，将抑制系统运行正熵的产生，引起负熵的增加，当正熵与负熵之间的关系达到B-（I+A2）>0时，运行系统处于耗散结构状态，系统内部就会产生自组织行为，促进虚拟学术社区系统本身运行效率的提高和运行状态的不断改善。

2.5虚拟学术社区系统有序度的评判

综合熵值是度量系统无序程度的量，为更直接反映系统有序程度.现定义有序度函数，R为有序度指数：

3虚拟学术社区系统有序度测评的实证

3.1数据来源

本论文选取了虚拟学术社区科学网进行实证分析，先于问卷星平台构建调查问卷（https：//www.wix.cn/iq/51886892.aspx），后于2019年12月19日-2020年1月2日时间段内，对科学网8个学科领域进行问卷的等比例随机发送，同时发表博客呼吁科学网用户进行调查问卷的填写，最终回收问卷116份，其中有效问卷115份，问卷统计结果如表4和表5所示。

3.2数据处理

基于表4和表5中的基础数据，利用前文中的式（1）～（6）计算出科学网各评价指标的熵值和熵权以及正熵值和负熵值，计算结果如表6和表7所示。

由计算得知，科学网的运行正熵A=0.63247559.运行负熵B=-1.323033，结合式（7）可得：B-（1+A2）=1.323033-（1+0.40002537）=-0.077<0，所以科学网处于非耗散结构状态。结合表6和表7的要素层熵值，利用有序度函数式（8）进行计算，确定各要素层的有序度水平如表8所示。

3.3结果讨论

3.3.1实验结果

从表6和表7可知科学网目前并未达到耗散结构.整体处于无序状态，但是运用社区正熵和社区负熵进行运算后可发现科学网已经到达成为耗散结构的临界值，这说明科学网的有序发展指日可待。

总体来看.造成科学网处于无序状态的主要原因还是社区内部正熵偏高，熵值为0.6325，社区外部的负熵偏低也给科学网早日成为耗散结构增加了困难。其中熵值为0.2721的系统结构是科学网向有序发展的最大障碍，而间接环境方面.是目前科学网所有要素中最可观的发展推动源，熵值为-0.9175。具体来讲，造成科学网正熵偏高的具体因素主要有：社区成员情感参与的投人性严重缺乏，熵值高达0.7152;其学术资源的权威性也有待进一步提高，熵值达0.6958;成员知识结构的合理性在社区成员看来.也有较大的进步空间，熵值达0.6884;科学网的友好性稍显不足，熵值达0.6817：其知识转化能力未达到科学网成员的期待，熵值达0.6799;科学网的接人多样性需要增强，熵值达0.6741;其学术资源的完整性也急需提高，熵值达0.6698。造成科学网负熵偏低的具体因素主要有：虚拟学术社区的竞争规范性严重不足，熵值低至-1.2362;整个社会对其需求程度较低，熵值为-1.2386;行业发展的推进力也较为绵软，熵值为-1.2404;整个行业的研发投入水平偏低，熵值为-1.2601。

虽然科学网整体处于无序状态，但是依旧可以从表8得出局部的有序程度，其中社区内部的系统结构、能力和价值以及社区外部的直接环境均为高度有序，有序度分别为0.8639、0.9350、0.8848和0.7972，而社区外部的间接环境有序度水平则为中度，其值为0.5412。从准则层进行有序度排序，前8分别是成员结构、高级能力、基础能力、智慧价值、文化价值、社会价值、技术结构和资源结构，其有序度均大于0.95.行业环境以有序度0.8790居于榜末。

科学网应针对上述具体方面采取措施，创造和培育条件，在抑制产生正熵的不利因素的同时.加大力度促进负熵增加的有利因素成长，努力成为稳定发展的耗散结构并且持续下去，从而才能在平台的发展浪潮中获得成功。

3.3.2对策建议

综合考虑科学网内部的熵值和有序度可知，系统结构、能力和价值均处于高度有序的状态，其中系统结构有序度最大，系统能力有序度次之，系统价值有序度最差。所以针对致力于推动科学进步的科学网来说，需要加强智慧价值、社会价值和文化价值的建设，其中又应以社会价值为重点展开，着力点是加强科学网成员的忠诚度和推动科学网的共享氛围建设，但科学网成员的归属感和科学网的自我成就感方面也不可高枕无忧。值得一提的是，尽管科学网的系统结构有序度很高.但是科学网资源结构和技术结构的有序度比系统价值的有序度要差很多，这就意味着对于系统结构的重视程度不能减弱.由于实名制带来的成员结构高有序度的优势要保持的同时，还要对资源结构和技术结构进行有效补充和提高，否则系统结构会比系统价值更混乱。资源结构方面，学术资源的准确性得到了科学网成员的一致好评，但学术资源的完整性和权威性其成员均表示有较大的进步空间;技术结构方面，科学网的友好性和其接入的多样性也是社区成员最希望改进的地方。除上述以外，社区成员情感参与的投入性和成员知识结构的合理性是极其容易被忽略的指标，从准则层有序度排序来看.成员结构的有序度高居榜首，但这主要是因为科学网在建设初期就高度注意了社区成员结构的互补性，弥补了成员结构中剩下两个指标造成的损失。基于目前的科学网状态，科学网的运营者应试图找出影响社区成员知识构成状况合理程度的关键因素从而优化，继续引入高质量的友情链接丰富社区接人的多样性，创立设计部门进行平台页面的友好性建设，建立宣传部门进行其他平台的宣传，使得社区成员对科学网的认同感提高，建立激励机制和巩固协同机制等促进科学网成员参与学術交流的主动程度，营造和谐高效的知识共享氛围，增加社区成员粘性，为科学网的可持续发展形成强有力的保障。

从科学网外部来讲.结合熵值和有序度进行分析后可以发现，虽然直接环境比间接环境对科学网整体产生的负熵少，但直接环境的有序度比间接环境的有序度更高.这意味着尽管目前间接环境对虚拟学术社区系统向有序推进贡献得更多，但直接环境正在准备弯道超车即将超越间接环境带来的贡献。换言之，社区外部带来的负熵正在加倍努力抵消社区内部产生的正熵，如果持续保持目前的状态并且进行积极改善，社区内部的正熵被抵消从而促使科学网成为稳定的耗散结构指日可待。需要注意的是，科学网依旧处于无序状态.且从负熵排序来看.属于直接环境的竞争环境和行业环境都需要加大力度进行改进，尽管科学网外部中竞争环境的有序度是唯一高于0.9的，但直接环境中属于竞争环境层面的竞争规范性稍显不足;间接环境层面，法律法规的健全性、融资环境的合理性以及社会群体的品质道德水平是科学网目前最优质的有序发展推动燃料，这离不开国家的大力支持，同时要注重激发社会需求程度和加大行业研发水平。无论是直接环境还是间接环境，虚拟学术社区本身也应该恪守行业规范，拒绝恶意竞争，政府部门应采取一定的措施加强虚拟学术社区市场竞争的规范性，增加经济援助改善目前的虚拟学术社区行业研发的投入水平.虚拟学术社区的成员们也需要积极向平台进行反馈建议，督促虚拟学术社区良性发展成为高级有序的耗散结构。

4结束语

本文在构造虚拟学术社区系统熵流指标体系和系统有序度测评方面是一次大胆的尝试，从熵理论的角度进行了一些有益的探索，取得了一些认识。首先对虚拟学术社区系统的正熵和负熵作出概念界定.运用指标体系和熵值评价法量化了系统运行正熵和负熵：然后通过建立虚拟学术社区转义的Brusselator模型来成为推导系统成为耗散结构的判据，接着定义系统有序度函数;最后选取典型的虚拟学术社区系统——科学网为研究对象进行实证分析，并实施虚拟学术社区系统有序度测评，得到相应结果并给予对策建议。这对认识虚拟学术社区的本质，研究虚拟学术社区系统如何在维持内部良好发展的同时应对全新的外部环境.使系统与外部环境保持高度互动、高度适应具有重要的指导意义。

但是，仍有许多问题需要进一步地研究和探索，尤其是一些局限性和不足，以期在后续的研究中可以得到解决和规避。例如本文的数据来源形式是线上问卷，有效问卷115份中，只收到1份来自社区运营者的反馈，所以可能会致使运行状态和发展趋势的判断存在问题。本文更多的是提供一种解决问题的新思路，如何利用熵理论来大幅度提高虚拟学术社区的发展水平还需作深入研究。