CAS理论视角下产业集群演化模型构建*

任军号，巩岁平

(西北工业大学自动化学院，西安710072)

1 引言

产业集群是一个经济、社会、文化等多层面的区域复合体，其优势不仅体现在降低产业成本、提高生产效率等经济层面，还体现在合作、诚信、创新等社会资本和文化层面。产业集群在增强地方产业竞争优势和拉动社会经济发展中发挥着重要作用，有利于资源优化配置、推动产业升级，拉动地方经济增长，实现区域协调发展。无论美国硅谷电子产业集群、德国图特林根的外科器械产业集群、印度班加罗尔信息产业集群等高科技产业群集，还是“第三意大利”中小企业集群、加利福尼亚葡萄酒产业集群等传统劳动密集型产业集群，以及国内中关村电子产业集群，浙江的大唐袜业、永康小五金、海宁皮革皮件等制造业集群都表现出极强的竞争力和旺盛的生命力，在当地及国家的经济发展中发挥着重要作用。正如波特描述的一样:“当今世界经济地图上布满了被称为集群的区域”［1］。

作为现代社会经济发展的重要组织形式，产业集群的演化是复杂的、动态的和非均衡的。随着市场竞争的加剧，作为产业集群核心主体的企业经营环境在不断变化，企业面临的不确定因素在急剧增加，给产业集群的发展带来了严峻挑战。由于缺乏对产业集群演化的系统认识，产业集群原有的优势不断变弱，利润急剧下降，有些集群甚至面临生存危机。因此，此文从复杂自适应系统(Complex Adaptive System，CAS)的理论视角分析产业集群演化，建立产业集群的动态演化模型，为进一步研究产业集群演化特征，还提出产业集群发展的对策建议，不仅具有理论意义，而且也具有重要的现实意义。

2 产业集群

产业集群(industrial cluster)是一个在学术界广泛应用的概念，它是一群相互联系的企业和机构在某个地理区域紧密集聚在一起的现象［2］。结合国内外学者研究成果［2-5］，作者认为，产业集群是指一组在地理上靠近的相互联系的相当规模的企业和横向、纵向相关联的机构，在特定的产业领域及空间范围内，按照一定的经济联系、以一定的集聚速度、在一定的时间尺度内集中在一起，形成一个类似生物有机体的集聚体群落。此定义用公式(1)表示:

公式(1)中f(x)是空间范围的函数，v1是产业集群在横向(政府、科研机构、金融机构等)合作上集聚的速度函数，v2是产业集群在纵向(产业链、供应链等)合作上集聚的速度函数，v3是产业集群与环境(市场等)交互的速度函数，产业集群演化进程就是产业集群主体在时间和空间范围内的积分过程。

产业集群系统属于复杂自适应系统范畴，具有主动适应性、多层次、开放性、协同性以及共同演化等复杂特性。产业集群一定是个开放的系统。经验数据表明，产业集群不但能够产生稳定的、平衡的动态行为，而且还产生不确定的混沌行为［7］。产业集群的开放性和动态性是产业集群复杂性的重要基础。

3 CAS理论模型

CAS理论提出两个模型:个体演化的基本行为模型和整体演化的ECHO模型。这两个模型不仅建立了微观与宏观之间的联系，而且较好地解释了事物从简单到复杂的演化过程以及复杂系统的演化机制。

3.1 主体演化的行为模型

主体的基本行为模型［6-8］对个体的适应和学习过程进行了描述。其核心是执行系统(Performance system)，说明了主体在某个时刻对环境的反应能力。执行系统包括三个部分:一个探测器(Detector)，一个效应器(Effector)和一组If/Then规则集合，如图1所示。

图1 主体基本行为模型

探测器用来接收和处理外部输入信息，代表了主体从环境中接收信息的能力，它是主体存在的条件。响应器用来输出消息，按给定控制产生输出并更新内部状态，代表了作用于环境的能力，是主体的功能所在。

If/Then规则集合实际上就是一个刺激——反应模型(内部模型)，规定了对刺激实时响应，它代表了处理探测器所接收到信息的能力。这三种元素都是抽象的，所以可应用于不同种类的主体。

其中，激励是主体对环境信息的感知，响应是主体对激励的输出，规则是激励到响应的映射。因此，执行系统的模型可以用如下数学模式来表示［8］:

设主体 M的输入(条件集)为 XM={x1，x2，...，xn}(由探测器决定)，输出(功能集)为 YM={y1，y2，...，ym}(它由响应器决定)，输入和输出的关系可表示成式(2):

FM表示从XM到YM的映射，实际上就是主体的If/Then规则。这里很多规则同时起作用并不断更新，共同描述了复杂系统的决策行为。

3.2 整体演化的ECHO模型

在微观个体演化的基本行为模型基础上，加上“资源”和“位置”的概念和若干演化机制，形成了整体演化ECHO模型。下面先介绍ECHO模型的两个基础概念:资源(Resource)和位置(Sites)。

资源是指影响主体生存与发展的任何环境物质。资源可以是生物界的土地、水分、空气、食物和养料，也可以是经济系统中的资金、原材料、能源、技术人力和信息等，也可以是社会系统的文化、社会合作竞争关系等。资源是系统演化的基础。位置是复杂适应系统中主体活动的“空间场所”，如经济系统中某个城市、某个市场等。ECHO模型的“地理环境”由一组相互连接的位置规定，对于不同的位置，资源的充裕程度不同，相邻位置主体的特征不同，主体的发展空间不同。

在ECHO模型中，主体具有三个基本部分:进攻标识、防御标识和资源库。是系统之间交互以及系统内主体之间交互的规则。ECHO模型按如下模式运行:整个系统包含若干位置，每个位置上分布着不同的资源并存在若干主体，主体在位置间移动，主体间进行交互，交换资源和信息［9］，如图2所示。

图2 ECHO模型示意图

4 CAS理论视角下的产业集群构架

4.1 系统分析逻辑

在系统科学中，任何一个存在的系统都必须包含三个方面［10］，即系统结构(系统的诸元素及其属性)、系统环境及其界限、系统行为(系统的输入和输出)，如图3所示。

图3 CAS理论视角下系统分析逻辑

(1)系统结构是元素及元素之间关联方式的总和。一般认为系统结构决定系统功能，系统功能是系统对外部作用的响应，即系统行为引起环境中的某些变化。系统结构是其功能的内在基础，功能是结构的外在表现。

(2)系统环境及其界限是指系统运行的特定外界环境条件。系统受到环境的影响，同时也对环境施加影响。在一定意义上，抽象系统界限的划分和确定主要取决于分析人员或决策者。

(3)系统行为是系统与环境的交互产生的输入和输出。外界环境给系统一个输入，通过系统的变换与处理，必然会产生一个输出，再反作用到外界环境。

4.2 产业集群系统构架

结合产业集群的概念及特征，以CAS理论的个体行为演化模型和ECHO模型为基础，提出产业集群系统构架，如图4所示。

下面对产业集群系统构架进行解析。

1)集群系统

在此从三个层面对产业集群系统主体进行分析，包括:组织机构系统、流通系统和产业链系统。三个层面之间并不独立，而是相互交织形成产业网络。除了系统主体外，集群系统还包括集群资源、探测器，响应器以及集群演化的规则集。

(1)组织机构系统:从组织角度来看，产业集群主体构成组织机构系统。产业集群是网络化的组织机构，主要包括企业、政府、科研机构、行会、金融机构等等。它们之间有密切的关系，是由相关产业的企业和机构构成的空间集聚体。

(2)流通系统:从产品流通角度看，产业集群系统由处于不同阶段的产品流通相关部门构成，主要包括供应系统、生产系统、营销系统等。

(3)产业链系统:从产业链角度来看，产业集群系统是以主导产业链为核心，以产业链的纵向和横向延伸为目的，这也是产业集群最感官的体现。

(4)探测器:探测器是产业集群内各个主体感知系统内外环境激励信号，并把信号迅速传输给集群系统主体。探测器是集群系统主体与环境交互的核心机制之一。

(5)响应器:响应器是产业集群内各个主体把集群内系统处理过的信号传输给环境。也是系统主体与环境交互的核心机制之一。

(6)规则集:规则集是产业集群系统内主体对激励信号加工处理、转化的规则机制，是产业集群系统的大脑，规则集的更新是产业集群系统演化的核心机制。

图4 CAS理论视角下产业集群系统构架

2)环境系统

在此将与集群系统的存在、演化有关的各种外在事物和条件的集合，称为环境系统。集群环境系统不是孤立存在的，环境系统的构成要素是多方面的，既具有自然的，又具有社会的;既具有经济的，又具有文化的、技术的，而且各种系统交叉影响、相互制约。环境系统是集群系统演化的重要外部影响因素，在此将其归纳为自然环境、社会环境以及经济环境。

(1)自然环境:自然环境，通常是指环绕集群的自然界，由地理位置、自然界资源，人文和交通基础设施等等要素组成。

(2)社会环境:社会环境包括的范围很广，包括政治环境、人文环境、科技环境、社会物质环境、社会形态等等。

(3)经济环境:经济环境主要包括行业环境、市场环境、投资环境、金融环境、国内外经济环境等等。

5 产业集群系统演化模型

产业集群系统的演化，既是一种过程，也是一种结果。作为过程的集群系统演化包含集群对系统外部环境激励的感知、解析、响应等，作为结果的集群系统演化表现为其系统结构、功能、集群效益、运行机制、集群特定性知识等涌现的变化。

集群系统演化是一种适应性智能活动。在混沌的经济环境中，集群系统主体感知环境的变化，对变化因素进行综合解析，并采取智能行动，因此对导致系统的分岔、突变和涌现行为，系统采取了适应环境的变化行动［9］，从而使系统进入相对稳定状态，其中适应性学习、分岔和突变是产业集群演化的核心机制。集群系统动态演化模型，如图5所示。

1)混沌的环境:集群的形成过程很复杂，是混沌经济社会内各要素经过长时间的自组织、自适应交互的结果。这里混沌的环境是集群系统萌芽形成的基础。集群的产生是混沌经济社会系统某局部出现了随机有序，其目标是追逐效益，且功能上能够进行自组织、自适应和自进化，这种随机有序产物的产生便体现为集群萌芽。

2)环境感知与解析:集群萌芽在混沌经济社会环境中，集群系统与环境不断进行着能量、物质、信息的交换。整个演化模型中系统对环境的感知与解析每时每刻都在进行。

3)适应性学习:集群为了将来更好地发展，便开始积聚资源，并向外界学习。利用外部环境和自身现有资源，复制自身有效规则、模仿消费者和竞争者的成功经验。其中信用分派和规则更新是适应性学习的核心机制。集群内主体则初步开发与寻求合作，反复实践和利用有限多元化，以及扩大产业纵横向合作以提供更多的产品和服务。适应性学习在产业集群形成期起到关键作用，它是集群探索发展的必经之路。

4)分岔与突变:所谓分岔就是系统的控制参量改变而引起动态系统定性性质的改变。当系统达到一种状态向另外一种状态转变的临界点时，系统总是面临多种可能的状态选择［8］。因此说，系统的分岔是系统演化、层次提升的重要前提和基本机制。分岔是产业集群专业化分工的核心机制，突变是集群创新的核心机制。

5)涌现:涌现是在系统微观主体演化的基础上，宏观系统在性能和结构上的突变，促使集群系统得到质的飞跃和提高，并生成新的、原有集群系统所不具备的、更高层次的系统特征的过程。集群系统演化的过程，在本质上就是系统新特征不断涌现的结果。涌现机制是集群走向成熟期的关键，系统在这个阶段特定性知识集聚增加，系统主体之间的联系更加紧密，系统运营成本降低、系统效率明显提高，集群的竞争力集中涌现，是集群走向相对稳定期的过渡阶段。

图5 产业集群系统动态演化模型

6)系统相对稳定:系统经过上述一系列的演化过程后，逐渐达到相对稳定状态。但是集群系统所在环境的不断变化、竞争的不断加剧，使得系统要不断感知环境的变化，对变化因素进行综合解析，并采取行动。因此，集群系统演化是螺旋上升的、相对循环的动态过程。

7)在集群系统演化的每个动态阶段，如果采用了不适应环境的规则或者外界环境突发变动，将会导致集群系统消亡。

6 结束语

从传统经济学角度研究产业集群方法的不足以及产业集群的复杂性，考虑到复杂性系统理论研究此问题的优越性，在此以CAS理论为视角，把产业集群的概念拓展并结合个体行为演化模型和ECHO模型提出产业集群系统构架，在此基础上提出产业集群演化动态模型。该模型把产业集群演化的生命周期特性和复杂系统的演化识别过程结合起来，以复杂系统的演化机制为依据，提出产业集群诞生于混沌经济环境，经过系统对环境的自适应学习，自身的分岔与突变，系统整体的涌现，达到系统暂态稳定的循环过程，是一个螺旋上升的循环过程。其中自适应机制主要体现在以产业集群系统主体之间、主体与环境的交互，分岔与突变机制主要体现在产业集群内主体的特定性知识增加为核心的规则集更新，其外在表现为以物质流、信息流、能量流的更新为主的系统创新。

［1］ Porter M E.Local Clusters in a Global Economy［J］.Economic Development Qarterly，2000:15-34.

［2］ 马建会.产业集群成长机理研究［M］.北京:中国社会科学出版社，2007.

［3］ 陈莞.产业集群结构分析及其演化的元胞自动机模拟［D］.福州:福州大学，2005.

［4］ Bergman，E dward，M.Industrial and Regional Clusters.Concepts and Comparative Applications［J］.University of West Virginia，Morgantown，1999，5(25):126-145.

［5］ Michael S.Dahl and Christian.Knowledge flows through informal contacts in industrial clusters:myth or reality［J］.Research Policy，2004，26(23):289-297.

［6］ 许国志.系统科学［M］.上海:上海科技教育出版社，2000.

［7］ 黄春萍.基于CAS理论的企业系统演化机制研究［D］.天津:河北工业大学，2007.

［8］ Holland J H，著.隐秩序——适应性造就复杂性［M］.周晓牧，译.上海:上海科技教育出版社，2000.

［9］ 任锦鸾.基于复杂性理论的创新系统理论及应用研究［D］.天津:天津大学，2002.

［10］ 顾培亮.系统分析与协调［M］.天津:天津大学出版社，1998.