基于耗散结构的农产品冷链物流系统演化分析

摘 要：随着经济的发展，我国呈现出冷链物流服务的供给与冷链物流的需求在质量和数量不相匹配的现象，因此，发展农产品冷链物流，任重道远。鉴于我国农产品冷链物流出现的问题以及与发达国家差距，将农产品冷链物流系统作为研究对象，分析了农产品冷链物流系统耗散结构特征，根据布鲁塞尔器（Brusselator）建立了农产品冷链物流系统演化模型，讨论了系统失稳的条件，并在此基础上研究了农产品冷链物流系统成长与发展的动力要素和规律，对农产品冷链物流系统可持续发展提供科学决策依据。

关键词：冷链物流；系统；演化过程；耗散结构

1 农产品冷链物流系统

进入二十一世纪，随着社会经济深入发展，我国已经成为世界第二大经济体，人们生活物质水平有了质的提高，同时也更加关注生鲜农产品的质量，因此，发展农产品冷链物流迫在眉睫。2010年6月，国家发改委发布的《农产品冷链物流发展规划》指出：“农产品冷链物流是指使肉、禽、水产、蔬菜、水果、蛋等生鲜农产品从产地采收（或屠宰、捕捞）后，在产品加工、贮藏、运输、分销、零售等环节始终处于适宜的低温制环境下，最大程度地保证产品品质和质量安全、减少损耗、防止污染的特殊供应链系统。”经过多年的发展，截至2015年底，我国共拥有冷藏库2.7万座，总容量超过1500万吨，机械冷藏车辆超过5万辆，冷藏列车超过2000辆，冷藏船超过12万吨位，集装箱的生产能力也超过100万标箱/年的水平。但是冷链物流仍有不足之处，其一冷藏仓库经营模式缺乏多样性以及温区单一，其二冷藏仓库投入和运营费用高，其三冷藏仓库分布地域缺乏规划。除此之外，农产品冷链物流系统还存在冷链运输线路规划不科学，操作缺乏专业性。因此，在这种情况下，国内每年生鲜果品损耗约1200万吨、蔬菜1.3亿吨，如果以每公斤1元计算，那么可以导致达千亿元的经济损失。据有关统计，国际物流损耗率百分之五左右，而我国则超过百分之十。另外与国外物流发展较成熟国家对比，美国、日本综合冷链流通率达到百分之九十、百分之九十八，而我国百分之二十左右。显而易见，由于冷链物流落后，生鲜果蔬保鲜质量不高等原因，使得我国生鲜果蔬国际贸易中缺乏优势。鉴于上述我国冷链物流的不足，本文以农产品冷链物流系统作为研究对象，利用耗散结构理论分析其成长动力要素的作用机理，把握其成长与发展的规律，为冷链物流行业和相关政府机构制定决策提供参考意见。

2 农产品冷链物流系统耗散结构分析

农产品冷链物流系统具备耗散结构是其成长和发展的基本条件，以下将从远离平衡态、开放性、非线性、涨落等四个方面来探讨农产品冷链物流系统耗散结构特征。

2.1 远离平衡态

在耗散结构理论中，平衡态是指整个系统呈现出均匀、单一的特点，不存在物理量的宏观流动，是一种混乱无序的状态。对于农产品冷链物流系统，远离平衡态的特征主要包括多种冷链物流功能和复杂的冷链结构。冷链物流功能包括生鲜农产品生产地预冷、初加工、冷库保鲜，冷链流通等等；冷链结构是指物流服务供应链结构，比如一对一、一对二、多对多的物流服务供应链结构。

2.2 开放性

农产品冷链物流系统是社会经济系统中一个重要子系统，且与外部环境系统存在大量物质、信息、能源交换，一方面表现为外部环境的高新技术应用影响冷链物流运作效率和农产品质量，以及国家相关政策对冷链物流行业的支持等，如今年2017年6月财政部、商务部联合印发了《关于中央财政支持冷链物流发展的工作通知》，对相关冷链项目建设给予资金支持；另一方面冷链物流可以向外部环境输出农副产品，满足社会的需要。开放性是农产品冷链物流系统形成耗散结构的必要条件。

2.3 非线性

農产品冷链物流系统内存在大量的非线性关系，在内外因素的作用下，各组成部分彼此制衡，又彼此协作，且一个因素的变化会受到其他多个因素综合作用。农产品保鲜度的提高不仅需要系统内冷链各个环节相互作用，还需要吸收外部环境保鲜技术、资金等资源。因而在非线性的相互作用机制下，农产品冷链物流系统才持续地向更高级有序的方向发展和完善。

2.4 涨落

涨落是农产品冷链物流系统演化的驱动力。无论是在农产品冷链物流系统内部，还是农产品冷链物流系统外部，都存在涨落，即内涨落和外涨落。当系统达到演化临界值，有些涨落在内部或外部因素（如食品安全事故、国家对冷链政策倾向等因素）影响下，通过系统内非线性作用快速放大，形成巨涨落，实现推进农产品冷链物流系统朝有序的方向发展。

3 农产品冷链物流系统的耗散结构模型

以上从远离平衡态、开放性、非线性、涨落等方面，定性地分析了农产品冷链物流系统构成耗散结构的条件。但是系统能否最终形成耗散结构，朝更高级方向有序演化发展，还有赖于系统是否具备失稳的条件，即从定量的角度去衡量和判断系统演化的临界值。

本文使用布鲁塞尔器（Brusselator）分析农产品冷链物流系统的非平衡演化情况。即：

Ak1X（1）

B+Xk2Y+D（2）

2X+Yk33X（3）

Xk4E（4）

上述模型中：A表示系统发展的内部环境，比如冷链资金投入力度、先进技术应用水平、技能人才规模等等；B表示系统发展的外部环境（主要包括相关政策支持力度、生鲜食品市场需求量、当地经济发展水平等等）；D表示系统运作的整体效益；E表示冷链物流系统市场竞争力；X和Y表示系统运作的状态变量，其中X看作系统的产品质量，Y看作为冷链食品市场需求规模；Ki表示作用的速率（i=1，2，3，4）。

从以上式（1）至式（4），我们可以发现农产品冷链物流系统的朝结构有序方向发展依赖于系统的内部环境和外部环境（系统的内熵和外熵），在内外因素作用驱动下，通过农产品冷链物流系统反馈和自适应机制，促使农产品冷链物流系统有序演化。

在以上分析的基础上，根据简单巨系统建模方法，建立冷链物流系统状态变量X和Y微分动力学方程，来阐述冷链物流系统演化过程。

dXdt=k1A-k2BX+k3X2Y-k4X

dYdt=k2BX-k3X2Y（5）

为简化计算，令式（5）中所有系数为1，即k1=k2=k3=k4，则：

dXdt=A-BX+X2Y-X

dXdt=dYdt=0（6）

令dXdt=dYdt=0，得到Brusselator模型的定态解：

X0=A；Y0=AB

为了探寻农产品冷链物流系统演化状态能否趋向耗散结构，即上述定态解（X0=A；Y0=AB）在什么情况下失稳，往往先借助稳定性分析得出冷链物流系统失稳点，然后探寻冷链物流系统能否向耗散结构过渡。因此，通过所构建Brusselator模型，对上述点（X0=A，Y0=AB）进行稳定性分析的特征方程为：

λ2-（B-1-A2）λ+A2=0（7）

系统的特征值为：

λ1，2=12（π±π2-4A2），其中令π=B-1-A2。

系统的稳定性依赖于B-1-A2，其中A，B为系统的控制参数，同时还可以得出，A的大小对系统稳定性更为重要，即系统的内部环境（资金、技术、人才）。根据以上系统特征值，可以得到以下结论：

当B<1+A2时，特征方程具有负实部的共轭复根，随着时间的增长，在定态点附近的增量收敛且极限为0，（X，Y）趋近于不动点，定态解（X0=A，Y0=AB）为吸引中心，从不同初始状态开始的运动轨迹最后都回归原始均匀态，系统将会处于均匀、无序、稳定的状态。这表明农产品冷链物流系统发展的外部环境的发展水平较低，此时系统处于无序、稳定的状态。我国物流发展初期，社会经济发展水平较低，国家基础建设不完善，信息化普及率水平低，制约冷链物流的发展，同时由于物质生活比较匮乏，人们关注更多的是生活物质的数量，满足人们的基本需求。从系统内部环境而言，冷链物流基础设施投资额巨大，且运营成本很高，同时也需要应用成熟有效的冷链技术，以及大量且熟练的专业性人才，因此资金投入、技术投入和人才投入等三个方面制约着我国冷链物流初期的发展。

当B>1+A2时，有一个特征根的实部变为正数，特征方程具有正实部的共轭复根，点（X0=A，Y0=AB）不再稳定了，热力学分支失稳，运动轨线向外发散，状态变量X（t）与Y（t）随着系统的发展将会发生变化。这表明外部环境的发展，为冷链物流系统演化提供了动力，促进系统失稳。近年来，经济社会对冷链物流的需求大幅度增加，为了促进冷链物流发展，我国出台了一系列的相关政策，比如，2014年10月，国务院印发《物流业发展中长期规划（2014年-2020年）》。《规划》指出，要加强鲜活农产品冷链物流设施建设，形成重点品种农产品物流集散中心，提升批发市场等重要节点的冷链设施水平，完善冷链物流网络。2016年国务院出台的《“互联网+”高效物流实施意见》中，也明确鼓励建设低耗节能型冷库，切实解决好农产品进城“最初一公里”配送难题。除此之外，国家交通基础建设逐渐完善，互联网普及，使得物流主体企业间交易更为频繁和便捷，另外，随着物质生活水平的提高，人们更加注重食品的质量，对高质量生鲜品需求越来越大。因此，内外环境因素为农产品冷链物流系统的演化提供了条件，促进向新的有序结构演化。

另外可以发现，农产品冷链物流系统能否朝有序结构演化，依赖于定态解（X0=A，Y0=AB）在什么情况下失稳，即依赖于条件B>1+A2。令π（A，B）=B-1-A2，可以看出A因素与π成非线性关系，对π的变化影响程度更大，因此，A因素是关键因素，即在系统演化过程中，内因是关键。

4 农产品冷链物流系统协同演化过程分析

在冷链物流演化过程中，即从定态（X0，Y0）跃迁到另一个定态（X1，Y1）需要经历竞争→协作→协调→协同演化过程，处在不同阶段具有不同的状态。

4.1 竞争阶段

当B<1+A2时，农产品冷链物流系统处于均匀、无序、稳定的状态。即农产品冷链物流系统中的各个成员企业不是合作伙伴关系，彼此作为市场的竞争对手，在价格、市场策略、提高各自的客户群体、培养客户的忠诚度等方面相互竞争，以提高各自冷链企业的最大利润。

4.2 协作阶段

当B=1+A2时，即系统通过某些内外因素的作用下达到临界点，在涨落的作用下开始从竞争关系发展到初级的合作关系，此时农产品冷链物流系统初具轮廓。在协作阶段，企业与企业在某些领域进行简单的合作，合作的收益比独自提供冷链物流服务获得的收益更大。这种协作程度不高，企业与企业未实现长期、持久的合作关系，因此整个系统的冷链物流效率还是较慢。随着内外部环境因素的强化，达到B>1+A2，此时合作领域范围逐渐扩大，合作不断深化，农产品冷链物流系统开始从协作阶段→协调方向发展。否则系统内部企业合作中断，系统将返回到竞争阶段。

4.3 协调阶段

在内外部环境因素的作用下，合作不断的深化，仍然存在B>1+A2。在协调阶段，系统向有序的方向发展。此时的农产品冷链物流系统合作的广度和深度比协作阶段有进一步的提高，系统产生了自适应的规章制度并进行了有效运作。否则系统将退回到协作阶段，甚至竞争阶段。

4.4 协同阶段

随着冷链物流系统的进一步发展，系统整体熵小于零，成员企业在实际操作、企业惯例、文化方面磨合成功，系统达到另一个定态点（X1，Y1），这说明了农产品冷链物流系统完成了从无序到有序，从低级有序到高级有序的演化过程。进入协同阶段的系统，在运作过程中衔接更加紧密，矛盾逐渐消除，成员企业间的关系更为融洽，这说明新的有序结构开始形成，从而相应地也产生了新的秩序和制度，系统成员在新的秩序、制度下，完成系统赋予的任务。此时的农产品冷链物流系统，除了优化配置系统的资源能力，如何产生“1+1>2”效应，还持续保持适应外部市场环境变化。随着内外部环境的改变，在运作过程中，冷链系统一些旧秩序无法匹配新的环境，导致系统内部出现冲突，不和谐，随着系统内部熵的增加，需要外部熵流入系统，在涨落的作用机制下，当系统达到临界值B=1+A2，此时系统开始向更高级有序系统演化发展。

5 结论

进入二十一世纪，我国存在冷链物流服务的供给与冷链物流的需求在质量和数量不相匹配的问题，鉴于此，发展生鲜农产品冷链物流，符合我国实际基本情况，并且任重而道远。本文以农产品冷链物流系统作为研究对象，首先探讨和剖析该系统形成耗散结构的基本条件。在此基础上，以布鲁塞尔器（Brusselator）作为主要研究工具构建了农产品冷链物流系统发展演化模型，并得到Brusselator模型的定态解，认为农产品冷链物流系统能否向有序结构演化，即取决于条件因素A，B大小，即农产品冷链物流系统内部环境（资金、技术、人才综合投入水平），以及系统的客观外部环境；在农产品冷链物流系统朝有序结构发展过程中，将会经历竞争，协作，协调，协同等四个阶段，并分析每个阶段的特征和条件。通过本文分析有助于把握农产品冷链物流系统成长与发展的规律，对农产品冷链物流企业和相关政府职能部门在制定决策时提供参考。

参考文献

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