基于混沌理論的煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)研究

呂永衛(wèi)，韓崢

（太原理工大學 經濟管理學院，山西 太原030024）

基于混沌理論的煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)研究

呂永衛(wèi)，韓崢

（太原理工大學 經濟管理學院，山西 太原030024）

煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的演化過程呈現出混沌特征。借助logistic方程構造創(chuàng)新系統(tǒng)混沌模型，在此基礎上結合對系統(tǒng)的混沌狀態(tài)分析，提出通過對R＆D投入、管理力度、政府政策的微擾可以實現對煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌控制。

煤炭產業(yè)；技術創(chuàng)新系統(tǒng)；混沌理論

目前為止，國內有關煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新的研究非常有限，研究成果較少，主要集中于以下幾方面：煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新歷程、煤炭產業(yè)生產設備創(chuàng)新、煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新路徑選擇、煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新模式研究等。［1，2］可以看出相關研究比較分散，還遠遠沒有實現系統(tǒng)化，并且此類研究大部分基于決策型因果律的三種假設：認為創(chuàng)新是在管理者可以把握的穩(wěn)定均衡環(huán)境下發(fā)展的；認為創(chuàng)新主體是 “說到做到”的；認為創(chuàng)新管理者對事件的因果關系有足夠認識，即傾向于總結過去的創(chuàng)新軌跡來推理以后的結果。然而現實中技術創(chuàng)新的過程，是不確定條件下創(chuàng)新參與者通過與環(huán)境的互動來進行的、追求機會價值最大化的復雜過程，它常常與研發(fā)投資、創(chuàng)新政策、創(chuàng)新管理、環(huán)境需求等交織在一起，具有復雜特征。混沌理論為研究這類復雜系統(tǒng)的運動提供了理論基礎。本文旨在通過對煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)混沌特征的研究提出相應的創(chuàng)新系統(tǒng)控制對策以提高煤炭產業(yè)的創(chuàng)新能力。

一、混沌與煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)

（一）混沌

“氣似質具而未相離，謂之混沌?！薄?《易乾鑿度》。所謂混沌，其原意是指無序和混亂的狀態(tài)。混沌研究起源于20世紀60年代洛倫茲的天氣預測模型，1979年12月洛倫茲在華盛頓的美國科學促進會的一次講演中提出：一只蝴蝶在巴西扇動翅膀，有可能會在美國的德克薩斯引起一場龍卷風，這就是有名的 “蝴蝶效應”。其實我國古人說得更簡潔有力：風起于青萍之末?；煦缋碚摻沂玖俗匀唤绫砻婵雌饋黼s亂無章事物背后驚人的秩序。

混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動?；煦缋碚撌且环N兼具質性思考與量化分析的方法，用以探討動態(tài)系統(tǒng)中 （如：人口移動、化學反應、氣象變化、社會行為等）無法用單一的數據關系，而必須用整體、連續(xù)的數據關系才能加以解釋及預測的行為。在現實生活和實際工程技術問題中，混沌無處不在?；煦缪芯康倪M展，無疑是非線性科學最偉大的成就之一，它正在消除決定論和概率論兩大對立描述體系間的鴻溝，使復雜系統(tǒng)的理論建立在更加符合客觀實際的基礎之上。

（二）煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)

作為內生變量，技術創(chuàng)新在煤炭產業(yè)經濟發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用。煤炭屬于不可再生資源，技術創(chuàng)新可以通過改進勘探水平、開采工藝拓展煤炭儲量的邊界；技術創(chuàng)新可以通過改善技術設備水平來提高煤炭回采率；技術創(chuàng)新可以通過對煤炭液化、氣化、清潔燃燒等最終實現煤炭的清潔利用；技術創(chuàng)新還有利于資源的優(yōu)化配置，實現規(guī)模經濟，有益于降低成本，節(jié)約能源，緩解能源稀缺狀況。［3］

煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)是指煤炭產業(yè)中一系列創(chuàng)新參與者和制度構成的網絡聯(lián)系系統(tǒng)，它們相互作用以實現和促進一種新技術或新產品及其多樣性的產生、擴散和應用，具有系統(tǒng)性、經濟性、創(chuàng)新性等基本特性。其中，企業(yè)、大學和科研院所、中介機構、政府部門等創(chuàng)新參與者是構成技術創(chuàng)新體系的要素，煤炭企業(yè)是技術創(chuàng)新的主體。構建技術創(chuàng)新系統(tǒng)的目標是促進煤炭產業(yè)核心技術的形成、推進煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新的進行。

二、煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌特征

煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)具有復雜性特征。混沌是非線性動力系統(tǒng)固有的特征，是復雜系統(tǒng)普遍存在的現象，它具有對初始條件的敏感依賴性和隨機性特征。技術創(chuàng)新過程曲折多變，成敗無法預測，可以嘗試使用混沌理論來解釋技術創(chuàng)新系統(tǒng)的演化和成長過程從而實現對系統(tǒng)的控制、管理。

（一）復雜系統(tǒng)特征

煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的復雜性主要來自非線性。技術創(chuàng)新是不同主體、機構、秩序間復雜的相互作用的結果，創(chuàng)新結果并不以一個完美的線性方式出現，它并非系統(tǒng)內部各要素作用的簡單相加，而是各要素在不同時間、空間相互作用和反饋的結果。這表明，煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)各要素間并不完全產生簡單的因果關系或線性的依賴關系，而是一個多目標、多層次、多變量的非線性系統(tǒng)。

一般而言，一個系統(tǒng)要成為復雜系統(tǒng)應具備以下幾個條件：一是，其由許多處在同等地位的要素構成，這些要素不存在隸屬關系；二是，系統(tǒng)自身能依靠這些要素進行運動，系統(tǒng)內存在內在的組織和結構；三是，它符合熱力學第二定律的熵增原理，系統(tǒng)在不與外界交換熵的條件下，熵將不斷地增加，而最終使系統(tǒng)走向死亡；四是，所有系統(tǒng)都有識別的能力，并能預測將來的情況。［4］煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)明顯是滿足以上條件的，參與技術創(chuàng)新的各企業(yè)、大學和科研院所等是創(chuàng)新復雜系統(tǒng)的要素，它們彼此獨立，之間沒有隸屬關系。創(chuàng)新系統(tǒng)依靠要素進行創(chuàng)新活動，其內部存在科研部門、決策部門等組織結構，它們引導或制約著系統(tǒng)的創(chuàng)新活動。煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)不間斷地與外部環(huán)境進行著信息、物質、能量的交換，系統(tǒng)存在著內在機制促使其不停地創(chuàng)新、發(fā)展、衰落，滿足熵增原理。最后，創(chuàng)新系統(tǒng)具備短期的預測能力，雖然這種預測是極為有限的。綜上所述，煤炭產業(yè)的技術創(chuàng)新活動是在一個復雜系統(tǒng)中進行的，這一系統(tǒng)的一些特征與規(guī)律對于引導創(chuàng)新活動的方向和控制創(chuàng)新活動的進行具有重要意義。

（二）對初始條件的敏感依賴性

“蝴蝶效應”是復雜系統(tǒng)特有的特征，它指的是系統(tǒng)對初值的敏感依賴性，即微小的初值變化就會造成系統(tǒng)狀態(tài)的巨大變化。這種情況在煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)中普遍存在，例如技術創(chuàng)新產生的過程中會面臨一系列的決策，在系統(tǒng)組織結構、創(chuàng)新方式、創(chuàng)新管理體制都沒有巨大改變的前提下，選擇正確的創(chuàng)新方向，構建有利于創(chuàng)新的企業(yè)文化，為一個快要出成果的創(chuàng)新項目追加少量投資都可能會給企業(yè)帶來巨大的效益。反之，一個微不足道的決策失誤都可能導致巨大損失。從技術創(chuàng)新體系的微觀層面看，新知識的獲取和吸收是技術創(chuàng)新的本質，然而新知識的獲取、吸收就成為一種重要的初始條件，它的微小變化都會影響慢變參量的形成，最終引導形成不同的涌現回路，從而產生完全不同的創(chuàng)新成果。隨著知識經濟的到來，知識工作者的越來越重要，在系統(tǒng)創(chuàng)新過程中少數掌握核心知識的員工在相當大的程度上決定著創(chuàng)新的成敗。另外，隨著全球化和網絡化進程，系統(tǒng)的外部環(huán)境呈現出混沌態(tài)勢，而創(chuàng)新系統(tǒng)中科技人才和管理者思維的內在隨機性更是加重了系統(tǒng)對外部環(huán)境的敏感性。這種對初始條件敏感性的產生是因為在系統(tǒng)的動力學區(qū)域內，某些行為 （分岔參數）存在著分岔點，分岔點前后系統(tǒng)會出現完全不同的狀態(tài)。［5］因此對于系統(tǒng)管理者來說，找到并控制這些關鍵因子 （分岔參數）是非常重要的。

（三）內在隨機性

隨機性是指在一定條件下，系統(tǒng)的某個狀態(tài)既可能出現也可能不出現。內在隨機性是指對一個完全確定的系統(tǒng)，在一定的系統(tǒng)條件下，能自發(fā)地產生隨機結果的特性。煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)是一個由自由個體 （人，部門，機構）通過一定的固定規(guī)則和復雜關系構成的耗散系統(tǒng)，其技術創(chuàng)新過程是非線性的，同時系統(tǒng)對初始值敏感依賴，初始值的細微差異受到系統(tǒng)的非線性反饋的不斷放大和縮小最終導致面目全非的隨機性結果，因此，原因與結果之間的關系隨著時間的推移而逐漸消失，從理論上說此系統(tǒng)的長期行為是不可預測的。［6］實際上對于煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)也的確如此，例如政府對于產業(yè)創(chuàng)新政策的調整、科技人才的流動、系統(tǒng)內部制度等初始條件的改變，對系統(tǒng)短期影響或許不明顯，但對長期來說就難以預測了，其結果可能是促進某一科研成果的成功，也可能是使一項已投入巨大的創(chuàng)新項目半途而廢。因此，我們說煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)具有內在隨機的特性。

通過上述分析，可以認為煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)是混沌系統(tǒng)。該系統(tǒng)經過一系列的連續(xù)變動之后，會產生始料未及的后果，也就是混沌狀態(tài)。這種現象起因于物體不斷以某種規(guī)則復制前一階段的運動狀態(tài)，而產生無法預測的隨機效果。但是此種混沌狀態(tài)不同于一般雜亂無章的混亂狀況，此混沌現象經過長期及完整分析之后，可以從中找出某種規(guī)則出來。

三、煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)混沌模型構建

（一）影響技術創(chuàng)新系統(tǒng)的關鍵因素

一般企業(yè)技術創(chuàng)新的目標是獲得更多利潤，但是在當前大力推進發(fā)展循環(huán)經濟和建設環(huán)境友好型社會的背景下，加上煤炭產業(yè)資源、產品的特殊性，使得產業(yè)核心價值觀趨向于更加重視自然資源資本和環(huán)境成本，系統(tǒng)創(chuàng)新目標不僅僅是為了追求利潤，更是為了與自然及社會和諧相處，實現可持續(xù)發(fā)展而服務，同時這也是贏得長遠競爭優(yōu)勢，增強產業(yè)核心能力的有效途徑。因此，煤炭產業(yè)比起其他產業(yè)在技術創(chuàng)新中，更多的受到政府政策、環(huán)境需求、發(fā)展綠色能源企業(yè)文化等因素的影響。

根據對煤炭產業(yè)考察，技術創(chuàng)新系統(tǒng)在內部動力和外部動力驅動下產生進行技術創(chuàng)新的動機，其中內部動力主要來自R＆D投入和管理能力等。外部動力主要包括：市場需求，科技進步，政府政策，環(huán)境需求等。

創(chuàng)新系統(tǒng)外部環(huán)境中技術進步、環(huán)境需求是產業(yè)組織管理者無法預測和控制的，為了對煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)進行動力學分析和混沌控制，本文選取政府政策、管理能力、R＆D投入作為控制變量，市場需求可預測但不可控制，故看作常量。以上各種因素通過多種途徑對煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的演變過程產生重要作用，其作用機制呈現出復雜性特點，技術創(chuàng)新對煤炭產業(yè)績效提高的貢獻在實踐分布上具有隨機性和不確定性，一個接一個新技術的產生，不斷改變著煤炭產業(yè)技術開發(fā)、擴散和應用的進程以及技術份額市場競爭均衡狀態(tài)，也使煤炭產業(yè)的經濟增長和對環(huán)境的影響產生波動。

（二）系統(tǒng)混沌模型

起源于生物學的種群迭代公式

被稱為邏輯斯蒂 （logistic）模型，該模型具有確定性并且看上去似乎非常簡單，但參數L在一定范圍變化時，它表現出來極為復雜的動力學行為，其中包括分岔和混沌 （如圖1所示），它是能說明混沌秩序的數學模型。［7］logistic方程可用于組織系統(tǒng)動態(tài)演化過程的描述，故結合煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌特性及系統(tǒng)控制變量，建立以下煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌模型：

式 （2）中，Mt表示t時刻技術創(chuàng)新對生產價值增長率的貢獻，其值是技術創(chuàng)新產生的經濟價值比率和環(huán)境價值比率的和；Mt＋1表示Mt的一次迭代，即創(chuàng)新一段時間后，經過各種正負反饋，根據實施情況需要校正下一階段創(chuàng)新的方向和內容。令

L代表煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)各要素的綜合變化率，是系統(tǒng)的綜合控制參數。式 （3）中，λ1是對創(chuàng)新方向進行調控的創(chuàng)新團隊管理能力力度參數；λ2為政府政策參數，政府政策可能是直接影響系統(tǒng)的創(chuàng)新政策，也可能是間接對系統(tǒng)創(chuàng)新產生影響的節(jié)能減排政策；λ3表示在該混沌系統(tǒng)下，煤炭產業(yè)的R＆D投入增長率；a、b表示加權平均數，分別表示管理能力和政府政策對于創(chuàng)新的影響程度，a＋b＝1；s表示市場需求增長率預測值。

圖1 混沌分岔圖Fig.1 Chaotic bifurcate

四、煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌管理與控制

（一）混沌狀態(tài)對系統(tǒng)控制的啟示

一個系統(tǒng)在高度穩(wěn)定、固定的狀態(tài)下是不會發(fā)生任何變革的，而復雜性技術創(chuàng)新的發(fā)生通常處于穩(wěn)定與隨機的混沌邊緣地帶。復雜系統(tǒng)的這一特征告訴我們，在系統(tǒng)處于過于穩(wěn)定的狀態(tài)時，應調整控制變量，使系統(tǒng)趨于走向混沌的邊緣，催使新秩序產生從而促進創(chuàng)新的涌現。但是，對于一個特定的系統(tǒng)而言，混沌雖然意味著機遇，但同時也意味著巨大的失敗風險，由于煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)受到外部環(huán)境影響極大，所以在混沌分岔口系統(tǒng)可能面臨著陷入巨大漲落的選擇，一旦產生混沌卻沒有加以控制或消除，就很可能導致整個系統(tǒng)的混亂，引發(fā)惡性結果。從系統(tǒng)混沌模型看，系統(tǒng)參數 （初始值）的微小變化就會使整個動力系統(tǒng)從周期運動變?yōu)榛煦邕\動，此時就需要通過具體的控制途徑消除或削弱混沌，從而使系統(tǒng)恢復周期運動。復雜系統(tǒng)的另一特性是不能人為控制或駕馭復雜系統(tǒng)，只能干擾它。創(chuàng)新系統(tǒng)是難以控制的，不可能通過改革或決策得到一個確定性的結果，而只能利用系統(tǒng)的放大正反饋機制，對系統(tǒng)進行擾動，從而取得最優(yōu)績效。［8］

綜上所述，管理者必須正視混沌的事實，找出混沌系統(tǒng)中的秩序，并有效地利用這種混沌中的秩序以實現目標。既不能控制太嚴格使系統(tǒng)過于穩(wěn)定，也不能管理太松散使系統(tǒng)進入混沌，而應該注意觀察，隨時進行微擾，使系統(tǒng)保持在混沌的邊緣。通過模型可以看出煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)取決于系統(tǒng)的參數，當參數在一定范圍內連續(xù)變化時，系統(tǒng)從穩(wěn)定狀態(tài)經過倍周期分岔，演化到2周期態(tài)、4周期態(tài)、8周期態(tài)……最后進入混沌狀態(tài)。［9］因而，可以通過對混沌模型參數的分析，找出煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)控制的最佳途徑。

（二）對技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌控制

由煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)混沌模型可知，此系統(tǒng)驅動力中三個可控因素包括R＆D投入、管理能力、政府政策，通過對它們的控制可以實現對整個系統(tǒng)的控制。

由式 （3）知，隨著λ3的增大，L也增大，當L大于某定值時創(chuàng)新系統(tǒng)的成長出現混沌狀態(tài)，此時投資價值變得動蕩不定?？梢詫Ζ?進行微調反饋控制從而實現控制系統(tǒng)的成長績效。當管理能力λ1和政府政策λ2不確定的情況下，要盡可能地控制技術創(chuàng)新系統(tǒng)避免其從分岔點進入混沌狀態(tài)，同時應不斷觀察系統(tǒng)的運動態(tài)勢，在每一個觀察到的時間內，對其R＆D投入不宜盲目過大，采取一邊仔細觀察一邊對研發(fā)進行謹慎投入，是避免企業(yè)創(chuàng)新活動進入混沌分岔點的途徑之一，可有效避免創(chuàng)新失敗的風險。一位成熟的創(chuàng)新管理者時刻依據企業(yè)發(fā)展的實際需要確定投資規(guī)模，而不傾向于一次性的R＆D投資過多。

煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的混沌模型表明，系統(tǒng)管理力度的控制參數對系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展有相當重要的影響，可以看出λ1與綜合控制參數L正相關；再由式（2）知，可以對λ1進行延遲反饋控制，從而實現提升企業(yè)績效的目的。但是，在必須進行混沌控制的前提下λ1不宜過大，也就是說系統(tǒng)的管理力度應保持在一個合理范圍，既不應對創(chuàng)新過程控制過于苛刻，也要在管理過程中避免激進的改革，最好能適時地調整管理手段、管理理念、管理方法，對系統(tǒng)采取微擾控制。［10］

政府政策是技術創(chuàng)新混沌系統(tǒng)中不可忽視的重要因素。同樣，當λ2增大時L也增大，因此可以通過對λ2的調整，實現對整個系統(tǒng)的反饋控制。政府政策應當從煤炭企業(yè)當前的實際情況出發(fā)，例如不應頒布過高節(jié)能減排標準，提出過高的資源開發(fā)指標等，否則會讓創(chuàng)新系統(tǒng)陷入混亂。因此，對政府政策也要采用微擾反饋控制，以利于煤炭產業(yè)創(chuàng)新系統(tǒng)在新環(huán)境中的耗散運動，循序漸進地促進煤炭產業(yè)的發(fā)展。［11］式 （3）說明，三個參數λ1，λ2，λ3都與煤炭產業(yè)技術創(chuàng)新系統(tǒng)的綜合控制參數L正相關，在實際創(chuàng)新活動中對混沌系統(tǒng)控制時，可以同時對三個參數進行調控，在對市場科學預測的前提下，調整系統(tǒng)管理和政府政策的方向和力度，進而適當控制R＆D投入，使創(chuàng)新活動符合混沌的內在規(guī)律才能使創(chuàng)新系統(tǒng)對煤炭產業(yè)績效的貢獻實現最優(yōu)。

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Study on Technology Innovation System of the Coal Industry Based on Chaotic Theory

LV Yong－wei，HAN Zheng
（CollegeofEconomicsandManagement，TaiyuanUniversityofTechnology，TaiyuanShanxi030024，China）

The evolution process of coal industry technology innovation system presents chaotic features.The author sets up the innovation system chaos model by means of logistic equation.Based on the model and the analysis of chaotic state，the author puts forward the chaotic control of coal industry technology innovation system with the perturbation of R＆D input，the strength of management and the policy of the government.

Coal industry；Technology innovation system；Chaotic theory

C934

A

1671－816X（2011）02－0133－05

（編輯：程俐萍）

2011－01－06

呂永衛(wèi) （1964－），男 （漢），山東龍口人，副教授，碩士，主要從事企業(yè)管理方面的研究。