赵丽丹

（1.哈尔滨理工大学 管理学院，哈尔滨 150080；2.中国农业科学院 哈尔滨兽医研究所，哈尔滨 150001）

基于协同理论的生物产业发展系统分析

赵丽丹1，2

（1.哈尔滨理工大学 管理学院，哈尔滨 150080；2.中国农业科学院 哈尔滨兽医研究所，哈尔滨 150001）

文章将协同学理论引入生物产业发展研究，首次提出产业发展系统功能函数，进行了系统整体功能分析；构建了生物产业发展系统协同模型，分析子系统间的协同以及系统的总体协同；通过分析功能函数和协同模型的关系，提出生物产业协同发展模式。

生物产业；功能函数；协同模型；发展模式

当今时代，以生命科学和生物技术为基础的科技革命和产业革命正日益显示出对经济、社会、生态发展的重要作用，生物产业正成为继信息产业之后又一个令世界瞩目和心动的高成长性产业。生物产业在21世纪进入快速发展阶段，现正处于大规模产业化前期。各国都在大力发展生物产业，而对于我国来说，生物产业是我国与国际先进水平差距最小，最有希望实现跨越式发展的高技术领域。生物产业的发展为我国解决社会发展面临的健康、食物、能源、生态、环境等重大问题开辟了崭新的路径，是我国的战略性产业，是新的经济增长点。研究生物产业的发展，对于发挥该产业对我国和地区经济、社会和生态发展的驱动作用具有现实意义。本文基于协同学理论研究生物产业发展，试图为政府和企业促进生物产业的可持续发展提供参考。

1 产业发展模式研究引入协同论

1.1 协同学理论

协同学也称为非平衡系统的自组织的理论，研究系统各要素之间、要素与系统之间、系统与环境之间协调、同步、合作、互补的关系，研究新的有序结构的形成，揭示系统进化的动力。按照协同学理论，协同的实质在于强调系统在发展过程中，其内部各要素或各子系统间保持合作、整体的状态和趋势，强调一致性、和谐性，以及在某种模式下系统产生不同于原来状态的质变过程。它包括两层含义：一是系统内部各要素或子系统之间的相互配合；二是系统从一种序状态到另一种序状态的转化过程中，其内部要素或子系统的相对独立性而产生的无序运动变为它们之间的相干作用，从而产生新质的过程。

此外，哈肯提出了“功能结构”的概念。认为功能和结构是互相依存的，当能流或物质流被切断的时候，物理和化学系统要失去自己的结构；但是大多数生物系统的结构却能保持一个相当长的时间，这样生物系统颇象是把无耗散结构和耗散结构组合起来。他还进一步提出，生物系统是有一定的“目的”的，把它看作“功能结构”更为合适。

1.2 协同论具有普适性

源于激光研究的协同学自提出以来，在自然科学、技术科学和社会科学中已有广泛应用。哈肯指出，“结构的形成是以普遍适用的规律为基础的”，“存在着普遍的更高层次的必然性，它们导致新的机构和新的模式”[1]。协同学把不同学科共同存在的协同现象提炼出来作为其研究对象，研究协同的本质、结构、描述模型、协同的作用、研究方法以及协同的应用等问题。我国学者潘开灵、白烈湖首次提出管理协同的形成机制、实现机制和约束机制，并探讨了管理协同理论的应用。杜栋将协同学应用于软件设计，开发了企业协同管理系统（CMS），以整合企业内部和上下游资源，实现除生产制造以外对企业内外各种资源的全面协同管理[2]。由于协同论强调不同系统之间的类似，因此它试图以远离热动平衡的物理系统或化学系统来类比和处理生物系统和社会系统，所以协同论除设计了许多物理、化学的模型外，还设计了许多生灭过程、生态群体网络和社会现象模型，象“社会舆论模型”、“生态群体模型”、“人口动力模型”、“形态形成模型”等等。协同论作为一门研究完全不同学科中共同存在的本质特征为目的的系统理论具有普适性。

1.3 生物产业发展系统是一个复杂的开放系统

生物产业发展与生物需求、生物产业要素供给、相关产业状况以及产业政策、文化教育、生产服务、金融服务、信息服务、基础设施、自然环境等因素息息相关，这些因素可以概括成由生物产业子系统、经济子系统、社会子系统和生态子系统构成的生物产业发展系统。子系统间相互作用，呈现非线性特征，共同推动生物产业系统的演进。同时，生物产业发展系统不断与外界环境通过物质、信息和能量进行交流，因此，生物产业发展系统是一个复杂的开放系统。其系统运行与子系统、结构、功能和环境之间的关系如图1所示，结构决定功能，子系统自身的变化要通过引起系统构成的重组，导致结构变化时，系统的运行状态才会发生根本变化。据此，分析系统的运行状态和演进、发展，主要考察子系统间的协同和系统与环境的协同两个方面。

图1 生物产业发展系统运行与子系统、结构、功能和环境之间的关系

2 生物产业发展系统的功能分析

2.1 基于协同学的系统基本演化方程

根据协同学，系统基本演化方程是一个q及其不同阶导数的微分方程，一般形式为：

这一方程有如下特点：

（1）可采用状态变量表示。式中的q表示系统的状态变量，它是空间坐标X和时间t的函数，即：

对于不同的系统，q代表不同的参量。由于协同学研究的是大量子系统组成的巨系统，所描述它的行为需用的状态变量数目很大。为简便，常采用状态变量来表示：

（2）非线性。状态变量的各阶导数与状态变量本身有关，反映系统内部不同因素的相互作用。由于研究的是自组织系统，而线性系统不可能出现自组织，所以基本演化方程是非线性的。

（3）当系统处于非均匀介质中时必须处理扩散或波传导等因素，空间导数应包含在基本方程中，即包含哈密顿算子▽，有时还包含拉普斯算子，基本演化方程采用偏微分方程的形式：

应用基本方程可以通过求出状态变量对时空的依赖关系研究系统的演化行为。从数学上看，只要给定适当的初始条件或边界，原则上可以求解基本方程。

2.2 生物产业系统的功能函数

生物产业发展系统的功能体现在生物产业自身状态，以及它的经济子系统状态、社会子系统状态和生态子系统状态四个方面，根据系统基本演化方程，生物产业发展系统的功能可以用函数表征为：

其中：S1——生物产业子系统状态

S2——经济子系统状态

S3——社会子系统状态

S4——生态子系统状态

为提高TF，必须深入研究函数f。由于f的具体函数形式很难获得，从理论上证明f是连续可导的还无法进行。但是，从f的具体含义出发，生物产业发展系统的功能总是连续变化的，尽管TF的变化速度可大可小，但函数总是连续可导的。

设该系统初始状态为x0，将TF在x0点展开，得：

如果设：

Mi，i=3，4，5…可以类似定义，并设 I=[1，1…，1]，则有：

上式中 △1=I·M1·I'，表示四个子系统各自改进对 δTF 的贡献，是一级直接作用贡献，I·M2·I'表示子系统两两相互作用后对 δTF的贡献，是二级作用贡献，以此类推，I·M·iI'即为i级作用贡献。△2=I·M·iI'即为i级各项相互作用对 δTF的贡献之和。

这样就可能出现以下几种情况：

Ⅰ △1>0，△2<0，|△1|>|△2|，δTP>0

Ⅱ △1>0，△2<0，|△1|<|△2|，δTP<0

Ⅲ △1>0，△2>0，δTP>0

Ⅳ △1<0，△2>0，|△1|>|△2|，δTP<0

Ⅴ △1<0，△2>0，|△1|<|△2|，δTP>0

Ⅵ △1<0，△2<0，δTP<0

前两种情况说明，各子系统状态虽有改进，却破坏了系统整体功能，不过情况Ⅰ的破坏性相对小些，因为在总体上|△1|-|△2|>0，仍有贡献；而情况Ⅱ不但没有贡献，反而损失了|△2|-|△1|>0。

第三种情况最好，各子系统和整体功能均得到了改善。

图2 生物产业发展系统子系统联动示意图

情况Ⅳ和Ⅴ中，子系统功能虽有减弱，但却改善了系统的整体功能。而情况Ⅳ对整体功能的改善不如情况Ⅴ大。

情况Ⅵ是最为糟糕的，不仅子系统情况恶化，而且破坏了系统整体功能，应当尽量避免。

通过以上分析可以得出这样的结论：子系统的改进或减弱既可能造成系统整体功能的提高，也可能造成整体功能的下降；决定整体功能提高或下降的关键在于子系统的变化是否改善了系统的整体功能，也就是子系统的改变是否达到协同状态，从而取得最大的△1和△2。

3 生物产业发展系统的协同分析

通过以上分析，可以看出生物产业发展系统功能的实现程度依赖于子系统改变的协同，也就是说生物产业发展实质是生物产业子系统自身，以及与经济子系统、社会子系统和生态子系统协调运作，协同演化的过程，如子系统联动示意图2所示。

协同模型可以表示为：

其中：H——生物产业发展系统的协同

h——协同函数

（1）生物产业子系统自身的协同h1(S1)

子系统自身的协同，主要表现在：

①具有与子系统功能相适应的构成要素。

生物产业是高技术产业，它的兴起和发展直接依赖于生命科学、生物技术及其免疫学、微生物学、生物工艺学、生物化学、流行病学和分子生物学等学科的技术突破。从生物技术、基因工程技术等科学技术转化为生物产品需要经过研究与开发、研发成果的工程化、工程化的研发成果的产业化三个过程，产业共性技术、产业关键技术、工艺技术等等贯穿其中，技术的开发利用能力和效率是生物产业发展的关键。

生物产业是高投入产业，高技术的研究开发，需要有大量的资金投入，这是由高技术的知识密集型和人才密集性特点以及高技术产业的市场风险所决定的。动物生物制品产业的技术含量高、技术更新速度快、设施设备投资大，产品生命周期较短，企业为尽快形成经济规模，必须快速、大量投资才能满足发展需要。

生物产业中有些是国家严格管控的产业。产品的研发条件、产品质量关系到食品卫生安全，更关系到公共卫生安全和生物安全，所以国家管理严格。有些生物制品从研制、生产到销售都有严格的规程、管理条例、质量规范、销售许可等。产业的规章制度和产业政策是影响生物产业发展的重要因素。

②各种要素合理组合和匹配，具有一定的协调性。有效地组织和整合产业资源和要素，形成适合发展的产业组织模式，使生物产业在合理的市场结构下，以适当的市场行为，取得良好的市场绩效。

③结构决定功能，不同的构成有不同的功能，因而可以选择最佳构成来实现子系统功能。生物产业的技术、产品、所有制以及产业的需求、要素供应、贸易和投资等构成了生物的产业结构。通过产业结构的调整、优化，使其更加合理化、高级化，提高产业子系统功能，从而推动产业发展。

④子系统活动的各种主体适应子系统发展的要求。生物产业的行为主体分为核心行为主体和中间行为主体，产业内的企业是核心行为主体，与企业活动相关的政府组织、学术机构、中介机构等是中间行为主体。在解释企业产生长期收益的机制过程中，普拉哈拉德和哈梅尔认为企业创新能力只有从产业层次上进行建设，才能使创新能力强的企业拥有持续的竞争优势。产业发展是企业发展的最高层次和归宿。

（2）生物产业子系统与经济子系统的协同h2(S2)

生物产业子系统与经济子系统的协同，能够为产业中各种主体带来满意的经济效益。生物产业具有良好的经济效益，是该产业发展最直接的动力和最基本的要求，只有当企业认为该产业能为其带来预期的经济效益时，才会投资于该产业，经济效益上去了，才能充分兼顾其它效益。

（3）生物产业子系统与社会子系统的协同h2(S3)

生物产业子系统与社会子系统的协同是指该产业适应当地人民需求，带动相关产业发展，解决就业问题，提高收入水平和生活质量，改善文化、卫生条件，促进社会均衡发展，对社会进步与发展具有积极的推动作用。一般来说，直接经济效益容易显现，但从全社会角度，则更应强调社会效益。

（4）生物产业子系统与生态子系统的协同h4(S4)

生物产业子系统与生态子系统的协同是指该产业通过资源的合理配置取得预期收益，并不断随着区域乃至国家生态环境政策的改变来调整其行为方式，提高资源利用率，采取环保措施，降低废弃物排放量和环境污染，改善生态环境。生态环境的外部影响要经过较长时期才会明显地影响到产业的成本与效益，生态资源的价值只有当它被破坏并影响到区域的生活和生产时，才会反映出来。从长远来看，产业发展的外部不经济会逐渐内部化，因此生物产业与生态的协同将降低这种外部不经济，从而有利于产业的可持续发展。

（5）生物产业发展系统总体的协同H

总体协同是生物产业子系统自身，以及与经济、社会和生态子系统的综合协同：①产业功能健全，组成合理，技术创新、组织创新和市场创新协同发展，产业核心竞争力得到提高；②给产业内各种主体带来满意的经济收益；③符合社会需求，解决就业问题，提高生活水平，维护公共卫生安全；④节约资源，降低污染，保持生态平衡；⑤以上四方面相互协调，形成整体协同，实现生物产业的可持续发展。

4 生物产业的协同发展

4.1 生物产业系统功能函数与协同模型的关系

根据功能函数，生物产业系统的整体功能实际上是系统在状态x=(S1,S2,S3,S4)下的输出，而协同模型中的H是刻画系统状态的标量函数。因此，可以将（5）式改写成TF=f(x)，将（10）式改写成H=h(x)。因为对于任一状态x都对应着H，所以存在逆函数x=h-1(H)，代入TF=f(x)，得到：

由上面的分析和式（11）可知，TF是H的单调递增函数，说明：系统协同程度越高，系统整体功能越大。由此，生物产业系统发展应尽量提高系统的协同度，按照协同模式发展。

4.2 生物产业的协同发展模式

未来20年，我国生物技术与产业发展的指导思想是坚持“发展高科技，实现产业化”，以促进经济发展、提高健康水平、改善生态环境、保障国家安全为最终目标。在这一战略目标的指引下，生物产业发展的目标将是由实现经济效益、社会效益、生态效益和可持续发展四个层次组成的目标体系。我国提高生物产业竞争力，要充分发挥生物产业系统的整体功能，使产业子系统、经济子系统、社会子系统和生态子系统协同发展。这些子系统的协同发展实际上是政府引导能力、科技支撑能力和市场供给和需求能力以及企业竞争和合作能力的“四力”协同。

（1）政府引导。政府通过财政资金在基础研究和应用基础研究以及产业化硬件设施上高投入，发挥产业政策在人才培养和引进、规范行业竞争等方面的作用，以及引导产学研、产业联盟、产业园区等区域产业聚集，在生物产业发展中起着重要作用。

（2）科技支撑。科研工作和技术创新是产业发展的发力点。科研既包括政府的研发部门和公益性研究机构，也包括企业的研发中心，拥有强大科研机构的企业在该产业的发展中将显示出巨大的实力和潜力。

（3）市场资源。市场对于各种生产要素的供给和需求能力，决定了产业发展的规模和发展程度。任何劳动和生产方案的实施都必须具备六个基本条件，即人力、资产力、物力、自然力、运力和时力，这六个力就是六种基本要素。[4]市场对于这六种要素的供给能力推动产业发展。市场的需求在本质上是对产业发展的评价，消费者对产品的选择，客观上就是对区域产业系统性能实现效果的评价和反馈。

（4）企业竞合。企业是区域产业发展的主体和突破口。一方面，解决生物产业发展中市场资源利用效率低下的问题，最终要靠企业完成；第二，企业对于市场供求变化的适应和不断创新的能力是产业能否不断发展的关键；第三，政府的引导作用如果没有企业的呼应，就不能落到实处。企业间的竞争和合作是推动产业发展的主要动力。

5 结语

本文将协同学理论引入生物产业发展研究中，对生物产业发展系统进行功能分析和协同分析，提出了生物产业协同发展模式。然而，生物产业发展系统的子系统间如何通过政府引导能力、科技支撑能力和市场供给和需求能力以及企业竞争和合作能力的“四力”产生协同，更进一步，由于系统的开放性、涨落性和复杂性，系统总会遇到各种各样的干扰，旧的协同状态必然被打破，系统演化到新的状态，在生物产业发展系统遇到扰动后，系统如何动态适应和调节，从而维持系统的协同发展，也就是该产业发展系统的协同形成机制需要进一步研究。

[1][德]赫尔曼·哈肯.协同学——大自然构成的奥秘[M].上海：上海译文出版社，2005.

[2]杜栋.协同管理系统[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]徐寿波.技术经济学[M].南京：江苏人民出版社，1988.

F124

A

1002－6487（2011）04-0065-04

赵丽丹（1976-），女，河北徐水人，博士研究生，研究方向：技术经济及管理。

（责任编辑/亦 民）