基于熵理论的综合运输通道耗散结构分析

丰 伟，李雪芹

（西南交通大学 交通运输学院，四川 成都 610031）

基于熵理论的综合运输通道耗散结构分析

丰 伟，李雪芹

（西南交通大学 交通运输学院，四川 成都 610031）

通过对系统开放性、非线性机制、远离平衡态、涨落与突变等方面的分析，说明综合运输通道利用能量的耗散和系统内非线性动力学机制，形成和维持与平衡结构完全不同的宏观时空结构，具有明显的耗散结构特性。提出要实现各运输方式优势互补，不断完善和提高适应环境的能力，发展延伸服务功能，实现通道内外和谐运输的合理构建。

综合运输通道；熵理论；耗散结构

交通需求的发展和现实的要求迫使人们更多地关注资源的节约和综合利用，综合运输通道的合理规划与科学运营必然成为时代的主题。综合运输通道是指在区域内某OD点间有不同运输方式参与多种运营的综合运输走廊，是区域交通运输系统的骨干。目前，我国主要有轨道交通、公路、水路、航空、管道 5 种运输方式，由这些运输方式可以组合成综合运输通道的多种运营模式，共同协作实现客流与货流的时空位移。综合运输通道的规划与构建不仅对于区域经济的发展具有极大的推动作用，同时也是实现交通运输方式可持续发展的必然选择，在实现优势互补的基础上，不断完善和提高各种运输方式适应环境的能力，发展延伸服务功能，实现通道内外和谐交通运输的合理构建。

1 耗散结构的定义及其条件

耗散结构理论由比利时籍俄裔普利高津于1969年在一次理论与生物学的国际会议上提出。耗散结构是指在远离平衡态的非平衡状态下，热力学系统可能出现的一种稳定化的有序结构。耗散结构的形成和维持至少需要满足以下3个条件[1]。

（1）系统必须是开放系统，孤立系统和封闭系统不可能产生耗散结构。

（2）系统必须处于远离平衡的非线性区；平衡结构是“死”的有序化结构，而耗散结构却是“活”的有序化结构。

（3）系统中必须有某些非线性动力学过程，如正负反馈机制等。

综合运输通道系统是一个开放的有序系统，其熵变分为两个部分，即：

式中：des为由物质和能量等的流进和流出所引起的熵变，即社会经济系统的运输需求结构发生变化，综合运输通道系统与外界进行客货运输交换时所产生熵变，称为系统的熵流；dis为系统内部过程所产生的熵变，即综合运输通道内各种运输方式的竞争与协同[2]，称为熵产生。

由耗散结构理论可知，熵产生dis一定大于零，而熵流des则可正可负。对于开放系统，要使整个系统的熵变ds小于零，des必小于零，且满足:︱des︱＞︱dis︱，系统总的熵值减小，才能向更有序的方向发展。

2 综合运输通道的耗散结构特性

在一个综合运输通道中，各种交通运输方式之间是一种相互合作、互为补充的关系，同时由于各种运输方式之间存在不可避免的共性，因此在更广的范围内存在着明显的竞争作用，借助于外界的物质、能量和信息等的交换，通过系统内外的涨落与突变，实现合理分工、优化配置，达到自身升级、经济发展的目的，这本身就是一种耗散结构的特性。

2.1 系统的开放性

综合运输通道的构建即各种运输方式的合理配置，其本身就是一个相互关联、相互影响的系统，也是社会经济大系统中的一个子系统，与其他子系统发生着物质、能量和信息等的交换，共同促进区域经济的良性循环发展。

综合运输通道可以有单一交通运输方式和多种运输方式联合两种类型[3]，其所体现的是各种交通运输方式的互相补充，追求的目标是高效经济的综合交通运输体系，即最经济地分配各种交通运输手段的交通量；最有效地分配对各种交通运输方式的投资，从而达到交通运输在国民经济资源消耗中的总节约。这不仅要求科学地确定各种交通运输方式的合理分工与经济发展对交通运输的需求，合理确定交通运输通道的结构，在各个地区和主要交通运输方向上因地制宜地发展相应的交通运输方式。

2.2 非线性机制

系统论中有一条基本原理：整体不等于各部分之和。实际上，综合运输通道的整体功能可能大于或小于各部分之和，这主要取决于区域通道结构的配置及流量的诱导。这说明系统内各部分之间的关系一般是非线性的，并不单纯存在数学中的那种代数可加性。综合运输通道着重研究交通运输供给的基本功能和特殊功能，现有的和可能的交通运输方式选择和优化组合，目的是实现货流和客流的时空位移，促进区域经济的发展。提高综合运输通道效率的关键是合理配置各种运输方式，各种运输方式的选择遵循非线性规划模型，其演化有可能出现多个不同的方向和结果。这说明耗散结构的出现，并不像“直线因果论”或“机械决定论”那样简单的因果关系，而是带有很大的随机性、偶然性因素的非决定论，这也是由非线性系统的特性所决定的。

2.3 远离平衡态

综合运输通道的形成受自然地理、经济活动模式、人口分布密度、生产力布局、人为规划及政治等多种因素的影响。对于交通运输通道，最基本的是其首先与交通流的形成和发展有关，两个地区之间存在强大的交通流之后，连接这两个地区的具有强大交通运输能力的交通运输通道才会随之产生，由于交通流不断发生变化，各种交通运输模式的配置处于一种动态平衡之中，是一个远离平衡态的系统。

2.4 涨落与突变

耗散结构的形成不仅和系统的结构与功能有关，而且和系统的随机涨落也有密切的关系。结构和功能的关系都是长期相互作用而进化的结果；涨落会导致功能的局部改变，在突变的分支点上，这个局部改变会引起整个宏观时空结构的更新，产生新的宏观结构，反过来又决定了未来可能发生涨落的范围。

交通运输通道的突出特点是点多、线长[3]，因此，构建区域综合运输通道最关键的是点线协调、结构合理配置，然而这些均受到诸多条件的影响，归根结底就是交通运输需求与供给之间的平衡关系。交通运输方式的增加或运输模式数量的增减都会对通道流量的位移产生决定性的影响。同时，区域社会经济、人口分布、工业布局等也会影响交通量的需求，从而使综合运输通道的结构发生质的变化，这些都可以认为是突变和涨落。当然，由于技术和工艺的进步与发展，必然对各种运输方式本身有许多改进和完善，这些都促使系统熵的减少，即负熵的增加，促使系统走向新的有序状态。

综合运输通道系统的发展过程可以经受突变，通过能量的耗散和系统内非线性动力学机制来形成和维持与平衡结构完全不同的宏观时空结构。

3 综合运输通道竞争机理分析

合理地构建综合运输通道的关键是优化综合运输通道的结构，即各种运输方式的有效配置。这如同生物进化的理论，各种运输方式所具有的共性越多，相互竞争越激烈，只有各种运输方式Xi所具有的不同之处越多，共同存在且发展的可能性也就越大，在此引入因子β(0≤β≤1)，表示其开发不同的客货流量资源。如果β＝1，则各种运输模式(或新旧运输方式)共同使用同一资源，即运输同类或同质的客货流；而β＝0，则其没有共同的客货资源；0＜β＜1 是代表有一部分客货资源覆盖，β值主要与各种运输方式的自身特点相关。

设某段时期内区域生成的客货运输总流量为一定值N,即通道饱和系数，在考虑通道内单一运输方式的情况下，如果这种运输方式X的客货流量达到N，则说明通道中运输供给达到能力的饱和状况，这种运输方式X就达到饱和且无法增长。若X＜N，则说明通道运输环境仍允许该种运输方式继续发展，(N－X)越大，则发展的速率也就越大。

从以上分析可知，运输方式X的增长速度dx/dt不仅和X成正比，而且也和(N－X)成正比，可以得出描述运输方式X增长的最简单逻辑方程：

式中：K为增长率系数。当然，一般综合运输通道很少只存在一种运输方式，而是由多种运输方式同时并存，相互竞争又相互依赖，呈现出非常复杂的因果联系。假设所考察的通道具有3种运输方式：X1、X2、X3，显然，生存空间和客货流量应该由3种方式分享，方程中的(N－X)就应为(N－X1－X2－X3)，表示 3种方式与通道饱和系数之差。每一种运输方式的发展速度不仅和自身的增长率有关，同时也与这一差值有关。于是可以得到描述综合运输通道系统的方程组：

新的运输方式的产生作为某个“偶然事故”或“小概率事件”的结果出现，可以看作是再生中的涨落。其在发展过程中有两个因素是非常重要的：机会和涨落的尺度。新的运输方式由于其自身的优势，必然对通道原有的结构和布局产生影响，如果发生质的变化和影响，则会发生突变，促进优化升级和区域发展。

4 综合运输通道的构建建议

综合运输通道作为一个复杂的系统，在区域经济发展中发挥着独到的作用，各地区都将发展通道经济作为自身优先发展的方向，而综合运输通道的科学发展更是支撑通道经济发展的基本要素和先决条件。同样，综合运输通道的构建也是综合运输体系不断完善和发展的过程，在各种运输方式并存的时空中的优化调整，有助于综合交通体系的可持续发展。对于综合运输通道的构建提出以下建议。

（1）重视综合运输通道的科学合理规划工作。综合运输通道的规划工作与区域经济的发展规划紧密相连，在做好需求预测的同时，还要根据资源分布、地理环境和运输量确定交通运输通道的合理走向，并注意与地方经济社会发展规划相匹配和协调。

（2）制定客货流的最佳分配方案。根据综合运输通道发展规律和特性，在客货交通运输需求预测基础上，充分发挥交通运输通道的功能特点，减少不合理交通运输现象，提高通道整体功能，使其在缓和我国交通运输紧张局面和国民经济发展中发挥更大的作用。

（3）加快综合运输通道运力资源配置的市场化进程。切实加强客货运输组织管理，推行多式联合运输。充分发挥市场对运输资源配置的基础性作用，把市场机制引入综合运输通道的运营中，合理引导多种运输方式的有效竞争和协同发展[2]。根据各种交通运输方式的技术经济特点，扬长避短，在交通运输组织上加强相互间的紧密衔接和协作，发挥交通运输系统的整体优势，形成多种运输方式优势互补的新型综合运输通道的发展格局。

（4）从体制和机制上为综合运输通道的发展提供保障。当前，我国交通运输业线性的管理体制是多部门分头管理，很难做到统筹规划和安排整个交通运输行业的综合发展，通道交通运输要求改变这种管理体制与交通运输过程的连续性和整体形象脱节的现象。

：

[1] 宋 毅，何国祥. 耗散结构论[M]. 北京：中国展望出版社，1986.

[2] 刘 奕，贾元华，朱俊峰. 综合运输通道结构演化的自组织机制研究[J]. 综合运输，2009(8)：24-27.

[3] 张国伍.交通运输系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2004.

1003-1421(2010)01-0016-03

F512.3

B

2009-10-12

林 欣