交通运输系统的耦合过程分析*

2011-07-13王久梗何蓉

铁道经济研究 2011年6期

王久梗何蓉

（1兰州交通大学西北交通经济研究中心教授;2兰州交通大学西北交通经济研究中心工程师，甘肃兰州 730070）

1 系统耦合效应

复杂系统由各个子系统及其子系统之间的相互依赖、相互协调和相互促进的动态关联关系组成[1]，各个子系统之间通过关联关系在相互之间的界面形成耦合的现象。物理学上的耦合（coupling）是指两个或两个以上的系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象[1]；生物学上的耦合则是指两个或两个以上性质相近的生态系统具有互相亲合趋势,当条件成熟时它们可结合为一个新的高一级的系统结构-功能体[2]。从一般意义上而言,系统耦合是指多个系统在一定的条件下,通过能流、物流和信息流的超循环作用,形成新的高级系统——耦合系统的系统进化过程。通过系统耦合结合而成的新的、高一级的结构-功能体就是耦合系统[3]。子系统之间的耦合是复杂系统进化的基本现象，也是复杂系统形成的基本过程[4]。

子系统耦合产生新的功能体。如果系统耦合过程具有正效应，也就是说耦合是一个正向过程，那么新功能体的效率会大于原子系统之和，子系统正向耦合的程度决定了复杂系统外在功能的表现。反之，如果系统耦合过程具有负效应，也就是说耦合是一个逆向过程，那么新功能体就会对复杂系统具有破坏性的作用。人造复杂系统其目的在于利用耦合的正效应，从而实现简单系统所不具有的复杂功能并提高系统的效率[3]。

交通系统是多功能、多层次的复杂人工系统，它具有复杂系统所具有的自组织、自适应功能。交通系统内部各种方式间的耦合以及交通系统与经济发展之间的耦合规律研究是构建符合社会经济发展需要的综合交通系统的关键，也是综合交通规划的基础。

2 交通系统内部耦合效应

首先，交通运输系统是一个复杂社会生产系统，其复杂性主要表现在：1)系统各单元（类别单元或区域单元）之间的联系广泛而紧密，构成一个网络。因此每一单元的变化都会受到其他单元变化的影响，并会引起其他单元的变化。2)系统具有多层次、多功能结构，每一层次均成为构筑其上一层次的单元，同时也有助于系统某一功能的实现。3)系统在发展过程中能够不断学习，并对其层次结构与功能结构进行重组及完善（组织演化和结构演化）。4)系统是开放的，它与环境有密切的联系，能与环境相互作用，并能不断向更好地适应环境的方向发展变化。5)系统是动态的，它处于不断发展变化之中，系统本身对未来的发展变化也有一定的预测能力。6)社会对它的需求是空间维、时间维和物性维（运输方式等）上的多重组合及多种质量要求，因而运输均衡也有空间、时间和物性三个维度。

复杂系统是层级结构，具有可分解性[1]。为了对交通系统的特性进行分析，从解析的角度分解交通系统的相互耦合关系，可大大简化层级结构的行为和对复杂系统的描述，使人们较易理解。为此，笔者尝试将交通系统内部耦合关系和外部耦合关系分离作为第一层次分析，针对内部耦合关系和外部耦合关系在相互关系紧密程度上再细分为三个层次，以解析综合交通系统的复杂性和耦合特征。

其次，交通运输系统是一个人工系统，要提高其稳定性（适应性），就必须具有良好的内部耦合和外部耦合性能。交通系统内部存在着各种运输方式之间的功能耦合，各种运输方式内部的点线之间的耦合，线线之间的功能耦合（匹配关系）；交通系统外部存在着交通系统与经济、社会、自然系统之间的耦合。综合交通系统是各种运输方式功能—结构的复合耦合系统，在这种复合耦合系统形成的过程中，凸现出耦合系统的层次性和进化特征。系统本身意味着界面的存在，界面是系统之间以及系统与外界的分界和连通的中介[5]。

图1表示的是交通系统内部耦合形成综合交通系统的过程。

图1 交通系统内部耦合的进化过程

界面A是线路布局系统和地域空间系统的共同界面，只要具有一定地域空间布局结构和线路布局结构之间的耦对关系，就可以确定地域的交通需求和布局结构，这是简化分析问题的关键，交通区位论是交通系统与地域空间系统耦合的基础理论。“交通区位是由于固定交通资源具有相对成本优势，因而使得交通活动大量聚集的地理位置，也可以把交通区位看作是交通行为与交通资源的聚集地，包括线路或通道形式的交通区位线和场站、枢纽形式的交通区位点”[6]。自然区位和经济区位特征，是一定地域空间系统的本体性特征，线路布局系统具有技术经济特征。只有把交通系统的技术经济特征与地域空间系统的自然区位和经济区位特征相结合，才能够产生耦合效应，这正是交通区位理论的基本原理，因此它们的耦合具有较强的技术活动过程。按照交通区位配置交通资源具有经济上的比较优势，同时符合交通发展的目标要求，易于形成具有可持续发展能力的交通基础设施系统。地域空间的支点系统的交通区位强度及其扩散梯度正是符合经济区位联系的方向，也是规划布局线路基础系统的基本依据。

界面B是交通基础设施系统与载运装备系统的共同界面，二者耦合的过程中技术上的耦合过程和经济上的耦合过程相伴而生。首先，在技术上必须相适应。先进的交通基础设施系统离不开先进的载运装备系统。一般来说，交通基础设施系统可以引导先进载运装备系统的应用，同时先进载运装备系统的应用也会对交通基础设施系统起到推动的作用。我国高速公路的快速发展对载运装备系统提出了更高的要求，载运装备系统近年来取得了较快的提升，这样交通系统的效率才能有所提高。我国铁路载运装备系统技术优先于交通基础设施系统的提升，因此在载运装备系统的推动下，交通基础设施系统也得到了全面的提高。技术上的耦合不仅表现在技术标准上的一致性，还表现在信息、可靠性、控制系统的一致性，这正是交通工程理论的研究范围。其次，在资源配置上必须相适应。交通基础设施系统是空间上的固定交通资源，具有网络性、层次性、稀缺性、永久性、规模经济性和不可转移性等特征，是基于预期需求的交通资源配置，一旦配置就具有较强的资产专用性和巨大的沉没成本，因此要发挥它的规模效益和网络效益，就必须配置相应的载运装备资源，但载运装备资源配备一般是反映即期需求的，所以会带来一定的不匹配。反过来，载运装备资源的过量配备导致交通基础设施系统效率损失也同样存在，例如交通阻塞等。加强交通控制系统的协调理论研究具有重要的意义。

交通硬件系统与软件系统（组织系统、管理系统、制度系统、信息系统）等经过界面C的耦合，形成最高级的综合交通系统。界面C表现为系统的投入产出通量与系统外延建立耦合系统，这是交通系统最高一级，决策与管理在这里发生深刻影响。软硬件系统只有良好地配合，经过先进的管理技术的协调，才能够促使综合交通系统发挥更高的效用，这正是运输组织理论需要深入研究的问题。

从综合交通系统的演化层次上看，可以分为基础层、协调层和调控层。其中基础层是由界面A所确定的，它是综合交通系统形成的基础；协调层则是解决综合交通系统内部系统之间矛盾，从而达到系统的有效与稳定；调控层则是从管理的角度对综合交通系统外部扰动进行干预和调整，从而保证综合交通系统的输入和输出的稳态。

从综合交通系统活动内容的演化过程上看，技术活动和管理活动存在于每一个层次，但是在微观层面上以技术活动为主，在宏观层面上以管理活动为主。这也揭示了随着系统范围的不断拓展，管理活动在系统中的作用越来越重要，系统的协调和控制越来越成为复杂系统的主题内容。

3 交通系统外部耦合效应

综合交通系统与外部环境的耦合也是其复杂性的另一个层面。综合交通系统的外部环境包括经济、自然环境、社会文化三个复杂系统，交通系统的外部耦合是复杂系统之间的耦合，更具有宏观层次上决策的意义，它们之间的分层次耦合情况如图2所示。

图2 综合交通系统外部耦合进化过程

图2中交通系统与人类活动、经济活动系统之间的耦合是其基础层。现代交通理念认为，交通供给和交通需求是一对不可能稳定的耦合系统，正反馈机制导致系统效率降低，不可能采用有限的供给满足无限的需求，应当加强对需求侧管理，以适当限制交通需求的增加，这就是界面A的主要功能。需求侧管理包括对交通出行需求的抑制和交通运行管理两个方面。

交通需求管理主要是通过税收、价格、政策等手段对交通需求进行适当的调控，以抑制需求的无节制增长，其直接目标是对机动车使用加以合理限制。例如通过大幅度提高城市中心地区的停车费用和严格该地区的违章停车管理，控制车辆向该地区的流入量；提高与小汽车使用有关的税收，促使使用者转向公共交通；执行车辆牌照管理和控制，压制汽车的增长速度等。交通需求管理往往涉及产业发展和社会影响等，因此不能仅从交通单方面考虑问题。

交通运行管理的目标是充分提高现有道路的使用效率，采取的手段主要有道路信号控制、交通组织（例如交叉口划分直行、左转专用车道，规定禁止停车路段，建立单行道系统，建立自行车专用道路系统）等。某些措施具有保障交通总体战略得以实现的作用，例如建立公共汽车专用道路或专用车道系统，禁止其他车辆使用，使得公共汽车少受交通拥挤的影响，获得较高的行驶车速，取得相对小汽车的车速优势，以争取旅客转向公共交通。

20世纪70年代以来，以需求为导向的交通系统所带来的自然、资源和环境问题引起人们的高度重视。加强交通系统与自然、资源、环境系统的耦合，构建可持续发展的交通系统是界面B的主要功能。从可持续发展的观点来看，资源和能源是有限的，环境污染需要人类付出长久的代价。我们不仅需要考虑当代人的需要，同时应该兼顾后代人的生存条件。交通发展需要考虑环境资源、能源以及土地空间资源的制约，不能无限制地满足交通需求的增长。交通产生的废气、噪声、振动等方面对环境的破坏，直接引起人类生活质量的降低。因此加快能源更新、新型载运技术的开发和提升技术标准是实施可持续发展交通的重要环节。

综合交通文化系统不仅要求个体具有文明的交通意识和交通行为，同时要求总体具有“交通法权”理念。平等、公正的“交通法权”是政府政策的主要思想，也是界面C的主要职能。界面C主要通过政府的法律、政策调控、引导社会交通文化的建设，从而实现“科学发展”的理念，构建和谐的交通体系。交通文化既是社会文化的一个有机组成部分，又是交通系统建设不可忽视的内容，交通文化所宣扬的就是交通的秩序和文明，是规范人们交通行为的理念系统。在一个自利至上的社会中，交通秩序无法起到应有的作用，无序就意味着低效，所以提高公民的交通文明意识应当是构建和谐交通、和谐社会的重要内容。