基于哈肯模型的建筑科技創(chuàng)新

摘要：運用哈肯模型建立建筑科技創(chuàng)新與節(jié)能減碳協(xié)同發(fā)展演化方程，對我國31個?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）建筑業(yè)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同演化進(jìn)行實證分析，識別出第一階段（2010—2015年）節(jié)能減碳是建筑業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的序參量，第二階段（2015—2020年）轉(zhuǎn)變?yōu)榭萍紕?chuàng)新是我國建筑業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的序參量。但目前建筑科技創(chuàng)新子系統(tǒng)并未建立正反饋機(jī)制，建筑節(jié)能減碳子系統(tǒng)效率較低，未對建筑復(fù)合系統(tǒng)發(fā)揮促進(jìn)作用，因此需要特別關(guān)注建筑能源結(jié)構(gòu)改善的技術(shù)研發(fā)及能源效率提升。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減碳;科技創(chuàng)新;協(xié)同演化;哈肯模型

0 引言

建筑科技創(chuàng)新是我國建設(shè)科技強國的重要戰(zhàn)略，是實施“中國智造”的核心內(nèi)涵。建筑業(yè)作為我國高能耗高排放行業(yè)之一，其節(jié)能減排的基本實現(xiàn)路徑為通過科技創(chuàng)新與技術(shù)進(jìn)步緩解能源消費增長幅度和降低單位能源消費碳排放因子，以實現(xiàn)動態(tài)節(jié)能減排^[1]。科技創(chuàng)新與節(jié)能減排是建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展兩大突破口，且呈現(xiàn)相輔相成態(tài)勢。學(xué)者們對科技創(chuàng)新與節(jié)能減排相互聯(lián)系展形研究，并取得豐富的成果?，F(xiàn)有研究主要分為兩個方面：一方面是科技創(chuàng)新特別是技術(shù)創(chuàng)新對節(jié)能減排的作用影響。如吳衛(wèi)紅等^[2]構(gòu)建了高能耗產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與節(jié)能效率和減排效率復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度模型，其技術(shù)創(chuàng)新子系統(tǒng)的有序度最低；蔡寧等^[3]基于新型工業(yè)行業(yè)節(jié)能效率與技術(shù)創(chuàng)新變量的回歸模型探究了兩者間的影響關(guān)系；歐陽銘珂等^[4]采用回歸模型研究技術(shù)創(chuàng)新對我國汽車工業(yè)節(jié)能減排效率的影響；金桂榮^[5]對中小企業(yè)節(jié)能減排效率提升進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新是節(jié)能減排效率提升的主要驅(qū)動，管理創(chuàng)新的貢獻(xiàn)較小。另一方面，聚焦于節(jié)能減排對創(chuàng)新作用機(jī)制的研究，如鄭蘭祥等^[6]研究表明節(jié)能減排財政政策提升了示范城市綠色技術(shù)創(chuàng)新質(zhì)量與數(shù)量；張國興等^[7]基于文獻(xiàn)計量方法分析了節(jié)能減排科技政策演化及帶來實施效果的差異性。

基于已有研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新路徑方式促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的綠色可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排科技政策也提高了產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新成果輸出。但現(xiàn)有文獻(xiàn)主要關(guān)注創(chuàng)新與節(jié)能減排間單向的影響因素、作用機(jī)理等，少有研究將科技創(chuàng)新與節(jié)能減排視為一個整體，在二者相輔相成的協(xié)同發(fā)展的演化路徑中，揭示復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動力，探究隨著時間遷移外部環(huán)境變化下驅(qū)動力是否發(fā)生變化?；诖耍疚脑噲D以建筑業(yè)作為研究對象識別建筑科技創(chuàng)新與節(jié)能減排復(fù)合系統(tǒng)演化內(nèi)驅(qū)動力。目前，我國建筑業(yè)仍處于粗放式發(fā)展階段，存在建筑業(yè)的工業(yè)化、信息化水平較低，科技創(chuàng)新能力不足等問題^[8]。因此，探究建筑科技創(chuàng)新與節(jié)能減排復(fù)合系統(tǒng)能否產(chǎn)生1+1gt;2的效果，以期實現(xiàn)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的變革。

1 復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同演化特征

協(xié)同論是研究不同事物共同特征及其協(xié)同機(jī)理的新興學(xué)科，最早由物理學(xué)家哈肯提出，在系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)和外部環(huán)境共同作用下，共生耦合聚擴(kuò)，支配序參量變化，自組織演化為新的有序狀態(tài)。目前，該研究已經(jīng)比較成熟，通過系統(tǒng)方法構(gòu)建評價體系統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)模擬仿真評價協(xié)同度。梅燕等^[9]、林佳等^[10]、梁齊偉等^[11]、許嘉禾等^[12]探究了協(xié)同演化機(jī)制的研究框架，協(xié)同演化機(jī)制研究框架如圖1所示。

結(jié)合協(xié)同學(xué)自組織理論^[13]，建筑科技創(chuàng)新節(jié)能減排復(fù)合系統(tǒng)具有開放性、非線性、非平衡性的自組織演化特征，具體如下：

（1）開放性。復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同演化，需要與外界環(huán)境、內(nèi)部資源信息等進(jìn)行互通與交流，通過共同作用，使科技創(chuàng)新要素和節(jié)能減碳要素重新分配，催化復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的機(jī)制，推動其向高層次復(fù)合系統(tǒng)螺旋式進(jìn)階發(fā)展。因此，科技創(chuàng)新和節(jié)能減碳子系統(tǒng)之間必然是開放式的。

（2）非線性。復(fù)合系統(tǒng)為復(fù)雜的系統(tǒng)，其包括多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)間又存在密切的聯(lián)系，科技創(chuàng)新子系統(tǒng)促進(jìn)建筑業(yè)節(jié)能減排，節(jié)能減排子系統(tǒng)倒逼建筑業(yè)科技創(chuàng)新，兩者之間的相互作用并非簡單的線性關(guān)系。

（3）非平衡性。在復(fù)合系統(tǒng)開放性的條件下，外界環(huán)境資源、技術(shù)稟賦、引導(dǎo)政策等各子系統(tǒng)主體的差異性，使得各子系統(tǒng)發(fā)展過程中呈現(xiàn)不同類型的群體特征，進(jìn)而形成了一個非平衡性的有序系統(tǒng)，突破某種有序穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)向無序狀態(tài)發(fā)展，隨后再次進(jìn)入無序轉(zhuǎn)向新的穩(wěn)定發(fā)展構(gòu)建高階層演化階段。

2 構(gòu)建模型

2.1 哈肯模型原理

哈肯模型通過引入統(tǒng)計力學(xué)對自組織問題進(jìn)行了深入的研究^[14-16]。當(dāng)系統(tǒng)失去線性穩(wěn)定性時，就會發(fā)生變化。在消去大量自由度后，系統(tǒng)性質(zhì)由少數(shù)自由度確定。假設(shè)復(fù)合系統(tǒng)中存在快慢狀態(tài)變量，識別快變量并利用精準(zhǔn)消元法消去變量得到序參量方程，降維分析系統(tǒng)協(xié)同演化過程。假定u1表征子系統(tǒng)Ⅰ的狀態(tài)量，u2表征子系統(tǒng)Ⅱ的狀態(tài)量，設(shè)u1是復(fù)合系統(tǒng)的內(nèi)在驅(qū)動力，u1影響u2，其相互作用以u1×u2示意。在一定外部條件下，系統(tǒng)由于兩個狀態(tài)量間相互作用產(chǎn)生的物理方程為

μ·1=-λ1 u1-au1u2+ε1（1）

μ·2=-λ2 u2+bu22+ε2（2）

式中，u1、u2為狀態(tài)變量；a、b為控制參數(shù)；λ1、λ2為子系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；ε1、ε2為隨機(jī)漲落項。設(shè)|λ2|gt;|λ1|，λ2gt;0，這就是系統(tǒng)的“絕熱近似”假設(shè)。由于上述方程是基于物理運動而設(shè)，將其應(yīng)用到復(fù)合系統(tǒng)中通常進(jìn)行離散化處理，公式如下

u1（k+1）=（1-λ1） u1（k）-au 1（k）u2（k）+ε1（3）

u 2（k+1）=（1-λ2） u2（k）-bu12（k） +ε2（4）

其中，k表示基準(zhǔn)時間。當(dāng)系統(tǒng)的一個穩(wěn)態(tài)解滿足假設(shè)條件，此時，u1是系統(tǒng)的序參量，因此可以采用絕熱消除法，令u· 2=0消除快變量，公式如下

u2（t）≈bλ2u12（t）（5）

由此可見，u2隨著u1變化而變化，代表著u1表示序參量主宰復(fù)合系統(tǒng)演化，進(jìn)而得到系統(tǒng)序參量的方程，公式如下

u·1=-λ1u1-abλ2 u13（6）

對u·1的相反數(shù)積分可求得復(fù)合系統(tǒng)勢函數(shù)，勢函數(shù)描繪復(fù)合系統(tǒng)的演化狀態(tài)，求得函數(shù)ν，公式如下

ν=12λ1u12+ab4λ2u14（7）

2.2 變量選擇與數(shù)據(jù)處理

本文選取除西藏自治區(qū)外（數(shù)據(jù)缺失）的31個省（直轄市、自治區(qū)）作為研究對象，選取2010—2015年、2015—2020年建筑業(yè)科技創(chuàng)新子系統(tǒng)（STI）和節(jié)能減排子系統(tǒng)（CE）數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，分析2010—2015年和2015—2020年兩階段我國31個?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）建筑行業(yè)科技創(chuàng)新與節(jié)能減碳復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同運動方程。

建筑業(yè)科技創(chuàng)新與節(jié)能減碳子系統(tǒng)變量采用郎思琦等^[17]構(gòu)建的指標(biāo)體系及其權(quán)重，建筑科技創(chuàng)新與節(jié)能減碳子系統(tǒng)指標(biāo)體系及權(quán)重見表1。

3 實證分析

3.1 序參量確定

根據(jù)上述理論與方法，利用Eviews10.0軟件對建筑科技創(chuàng)新與節(jié)能減碳復(fù)合系統(tǒng)的指標(biāo)體系進(jìn)行回歸計算。2010—2015年建筑復(fù)合系統(tǒng)驅(qū)動因素變量分析結(jié)果見表2，2015—2020年建筑復(fù)合系統(tǒng)驅(qū)動因素變量分析結(jié)果見表3。結(jié)果可得，在2010—2015年，CE主宰復(fù)合系統(tǒng)的需殘量，2015—2020年，復(fù)合系統(tǒng)平衡打破，STI驅(qū)動復(fù)合系統(tǒng)運動。

3.2 確定運動方程

根據(jù)運動方程，第一階段（2010—2015年）系統(tǒng)演化方程公式如下

u·1=0.328u1-0.127u13（8）

系統(tǒng)勢函數(shù)公式如下

ν=-0.162 5u12+0.126 67u14（9）

依據(jù)哈肯模型，令u·1=0，求得其具有穩(wěn)定的唯一解u1=0。對趨勢函數(shù)求一階導(dǎo)，公式如下

dvdCE=-0.325CE+0.506 7CE3

令dvdCE=0， 可得

CE（-0.325+0.506 7CE²）=0，

求得序參量CE的三個穩(wěn)定態(tài)解：CE1=0，CE2=-0.800 9，CE3=0.800 9。進(jìn)一步對勢函數(shù)v求二階導(dǎo)，公式如下

d2vd2CE=-0.325+1.520 1CE2

將CE2、CE3 代入得d2v/d2CE=0.650 1＞0，由此得出，在CE=±0.800 9處，ν有極小值，表明CE2、CE3為不穩(wěn)定解。2010—2015年建筑復(fù)合系統(tǒng)勢函數(shù)曲線如圖2所示。

根據(jù)運動方程，第二階段（2015—2020年）系統(tǒng)演化方程公式如下

μ·1=-0.071u1+ 0.14517u13（10）

系統(tǒng)勢函數(shù)公式如下

ν=0.136u12-0.03629u14（11）

根據(jù)上一階段相同步驟可得勢函數(shù)一階、二階導(dǎo)數(shù)為

dvdSTI=0.272STI-0.14516STI3

d2vd2STI=0.272-0.43548STI2

由此得出d2vd2STI=-0.544＜0，在STI=±1.3689處，ν有極大值，表明STI2、STI3為不穩(wěn)定解，2015—2020年建筑復(fù)合系統(tǒng)勢函數(shù)曲線如圖3所示。

3.3 參數(shù)分析

第一階段，2010—2015年的序參量是碳排放強度驅(qū)動，在“十二五”期間城市化水平實現(xiàn)了一個歷史性的突破，其表現(xiàn)為復(fù)合系統(tǒng)中建筑節(jié)能減碳子系統(tǒng)建筑規(guī)模結(jié)構(gòu)顯著增加。結(jié)合現(xiàn)有研究對建筑業(yè)碳排放因素貢獻(xiàn)度數(shù)據(jù)看出，除規(guī)模結(jié)構(gòu)，能源強度是拉動建筑碳排放正增長的主要因素，貢獻(xiàn)度最大。從結(jié)果來看，在這個階段建筑節(jié)能減排子系統(tǒng)倒逼驅(qū)動科技創(chuàng)新發(fā)揮創(chuàng)新作用與正向影響。

λ1=-0.328lt;0，說明科技創(chuàng)新與節(jié)能減碳系統(tǒng)已建立起建筑能源效率增加的正反饋機(jī)制；a=-0.112＜0，表明科技創(chuàng)新對建筑節(jié)能減碳子系統(tǒng)能源效率、能源結(jié)構(gòu)正向指標(biāo)起到推動作用；b=0.285gt;0，表明建筑碳排放強度也在倒逼促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新人才、經(jīng)費投入，創(chuàng)新科技成果、勞動生產(chǎn)率提高與優(yōu)化。

第二階段，2015—2020年的序參量是科技創(chuàng)新效率驅(qū)動。λ1=0.071gt;0，說明建筑科技創(chuàng)新與節(jié)能減排系統(tǒng)還沒有建立科技人才、科技經(jīng)費、技術(shù)升級增加的正反饋機(jī)制，需要各地區(qū)加強對建筑業(yè)科技創(chuàng)新的力度，仍需增加建筑產(chǎn)業(yè)鏈對科技創(chuàng)新人才、經(jīng)費投資以及建筑新技術(shù)、新工藝、新材料等創(chuàng)新成果產(chǎn)出，提供良好的科技創(chuàng)新政策與環(huán)境，有效促進(jìn)我國建筑行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展；λ2=0.272gt;0，表明我國建筑節(jié)能減排的效率較低，無論是節(jié)能減碳關(guān)鍵技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)鏈管理方式上都沒有達(dá)到節(jié)能減碳效果，存在節(jié)能理念設(shè)計的缺失、建造過程資源浪費及運維階段能源管理不善等問題。因此，需要注重建筑能源結(jié)構(gòu)改善的技術(shù)研發(fā)，還要同時加大能源效率的提升。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用哈肯模型對我國建筑業(yè)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立復(fù)合系統(tǒng)演化方程計算勢函數(shù)，研究表明，

建筑業(yè)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展在2010—2015年、2015—2020年兩個階段發(fā)生了轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)在開放式條件下，與外界環(huán)境的資源、信息交換打破了原有平衡，實現(xiàn)進(jìn)階式協(xié)同推動發(fā)展。兩個階段序參量發(fā)生了轉(zhuǎn)變，序參量由第一階段（2010—2015年）節(jié)能減排驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙A段的科技創(chuàng)新驅(qū)動。第二階段（2015—2020年）復(fù)合系統(tǒng)序參量轉(zhuǎn)為科技創(chuàng)新驅(qū)動，但并未建立正反饋機(jī)制，且建筑節(jié)能減碳子系統(tǒng)效率較低，未對建筑復(fù)合系統(tǒng)發(fā)揮促進(jìn)作用。

基于以上研究結(jié)論， 提出以下三方面建議：

（1）我國建筑業(yè)技術(shù)創(chuàng)新逐步深入，由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。應(yīng)制定和完善建筑業(yè)科技成果推廣的相關(guān)政策，完善建筑業(yè)創(chuàng)新市場競爭秩序，以持續(xù)激發(fā)建筑企業(yè)自主創(chuàng)新的效率。

（2）將科技資源配置向建筑節(jié)能減碳傾斜，探索跨地區(qū)、產(chǎn)學(xué)研等多種聯(lián)合攻關(guān)模式研發(fā)，推廣建筑節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品，實現(xiàn)建筑全生命周期節(jié)能減排核心技術(shù)和產(chǎn)品突破。

（3）通過政府補貼等政策引導(dǎo)，推廣使用清潔能源，減少使用煤炭燃料能源，以改善能源結(jié)構(gòu)，推動建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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收稿日期：2024-07-03

作者簡介：

郎思琦（1989—），女，研究方向：工程管理、BIM技術(shù)。

李麗紅（通信作者）（1979—），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：工程管理。