交通運(yùn)輸系統(tǒng)的耦合過程分析*

王久梗何蓉

（1蘭州交通大學(xué)西北交通經(jīng)濟(jì)研究中心 教授;2蘭州交通大學(xué)西北交通經(jīng)濟(jì)研究中心 工程師，甘肅 蘭州 730070）

1 系統(tǒng)耦合效應(yīng)

復(fù)雜系統(tǒng)由各個子系統(tǒng)及其子系統(tǒng)之間的相互依賴、相互協(xié)調(diào)和相互促進(jìn)的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系組成[1]，各個子系統(tǒng)之間通過關(guān)聯(lián)關(guān)系在相互之間的界面形成耦合的現(xiàn)象。物理學(xué)上的耦合（coupling）是指兩個或兩個以上的系統(tǒng)或運(yùn)動方式之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來的現(xiàn)象[1]；生物學(xué)上的耦合則是指兩個或兩個以上性質(zhì)相近的生態(tài)系統(tǒng)具有互相親合趨勢,當(dāng)條件成熟時它們可結(jié)合為一個新的高一級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-功能體[2]。從一般意義上而言,系統(tǒng)耦合是指多個系統(tǒng)在一定的條件下,通過能流、物流和信息流的超循環(huán)作用,形成新的高級系統(tǒng)——耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)化過程。通過系統(tǒng)耦合結(jié)合而成的新的、高一級的結(jié)構(gòu)-功能體就是耦合系統(tǒng)[3]。子系統(tǒng)之間的耦合是復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化的基本現(xiàn)象，也是復(fù)雜系統(tǒng)形成的基本過程[4]。

子系統(tǒng)耦合產(chǎn)生新的功能體。如果系統(tǒng)耦合過程具有正效應(yīng)，也就是說耦合是一個正向過程，那么新功能體的效率會大于原子系統(tǒng)之和，子系統(tǒng)正向耦合的程度決定了復(fù)雜系統(tǒng)外在功能的表現(xiàn)。反之，如果系統(tǒng)耦合過程具有負(fù)效應(yīng)，也就是說耦合是一個逆向過程，那么新功能體就會對復(fù)雜系統(tǒng)具有破壞性的作用。人造復(fù)雜系統(tǒng)其目的在于利用耦合的正效應(yīng)，從而實現(xiàn)簡單系統(tǒng)所不具有的復(fù)雜功能并提高系統(tǒng)的效率[3]。

交通系統(tǒng)是多功能、多層次的復(fù)雜人工系統(tǒng)，它具有復(fù)雜系統(tǒng)所具有的自組織、自適應(yīng)功能。交通系統(tǒng)內(nèi)部各種方式間的耦合以及交通系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合規(guī)律研究是構(gòu)建符合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的綜合交通系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是綜合交通規(guī)劃的基礎(chǔ)。

2 交通系統(tǒng)內(nèi)部耦合效應(yīng)

首先，交通運(yùn)輸系統(tǒng)是一個復(fù)雜社會生產(chǎn)系統(tǒng)，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在：1)系統(tǒng)各單元（類別單元或區(qū)域單元）之間的聯(lián)系廣泛而緊密，構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)。因此每一單元的變化都會受到其他單元變化的影響，并會引起其他單元的變化。2)系統(tǒng)具有多層次、多功能結(jié)構(gòu)，每一層次均成為構(gòu)筑其上一層次的單元，同時也有助于系統(tǒng)某一功能的實現(xiàn)。3)系統(tǒng)在發(fā)展過程中能夠不斷學(xué)習(xí)，并對其層次結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組及完善（組織演化和結(jié)構(gòu)演化）。4)系統(tǒng)是開放的，它與環(huán)境有密切的聯(lián)系，能與環(huán)境相互作用，并能不斷向更好地適應(yīng)環(huán)境的方向發(fā)展變化。5)系統(tǒng)是動態(tài)的，它處于不斷發(fā)展變化之中，系統(tǒng)本身對未來的發(fā)展變化也有一定的預(yù)測能力。6)社會對它的需求是空間維、時間維和物性維（運(yùn)輸方式等）上的多重組合及多種質(zhì)量要求，因而運(yùn)輸均衡也有空間、時間和物性三個維度。

復(fù)雜系統(tǒng)是層級結(jié)構(gòu)，具有可分解性[1]。為了對交通系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析，從解析的角度分解交通系統(tǒng)的相互耦合關(guān)系，可大大簡化層級結(jié)構(gòu)的行為和對復(fù)雜系統(tǒng)的描述，使人們較易理解。為此，筆者嘗試將交通系統(tǒng)內(nèi)部耦合關(guān)系和外部耦合關(guān)系分離作為第一層次分析，針對內(nèi)部耦合關(guān)系和外部耦合關(guān)系在相互關(guān)系緊密程度上再細(xì)分為三個層次，以解析綜合交通系統(tǒng)的復(fù)雜性和耦合特征。

其次，交通運(yùn)輸系統(tǒng)是一個人工系統(tǒng)，要提高其穩(wěn)定性（適應(yīng)性），就必須具有良好的內(nèi)部耦合和外部耦合性能。交通系統(tǒng)內(nèi)部存在著各種運(yùn)輸方式之間的功能耦合，各種運(yùn)輸方式內(nèi)部的點(diǎn)線之間的耦合，線線之間的功能耦合（匹配關(guān)系）；交通系統(tǒng)外部存在著交通系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)、社會、自然系統(tǒng)之間的耦合。綜合交通系統(tǒng)是各種運(yùn)輸方式功能—結(jié)構(gòu)的復(fù)合耦合系統(tǒng)，在這種復(fù)合耦合系統(tǒng)形成的過程中，凸現(xiàn)出耦合系統(tǒng)的層次性和進(jìn)化特征。系統(tǒng)本身意味著界面的存在，界面是系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與外界的分界和連通的中介[5]。

圖1表示的是交通系統(tǒng)內(nèi)部耦合形成綜合交通系統(tǒng)的過程。

圖1 交通系統(tǒng)內(nèi)部耦合的進(jìn)化過程

界面A是線路布局系統(tǒng)和地域空間系統(tǒng)的共同界面，只要具有一定地域空間布局結(jié)構(gòu)和線路布局結(jié)構(gòu)之間的耦對關(guān)系，就可以確定地域的交通需求和布局結(jié)構(gòu)，這是簡化分析問題的關(guān)鍵，交通區(qū)位論是交通系統(tǒng)與地域空間系統(tǒng)耦合的基礎(chǔ)理論?！敖煌▍^(qū)位是由于固定交通資源具有相對成本優(yōu)勢，因而使得交通活動大量聚集的地理位置，也可以把交通區(qū)位看作是交通行為與交通資源的聚集地，包括線路或通道形式的交通區(qū)位線和場站、樞紐形式的交通區(qū)位點(diǎn)”[6]。自然區(qū)位和經(jīng)濟(jì)區(qū)位特征，是一定地域空間系統(tǒng)的本體性特征，線路布局系統(tǒng)具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征。只有把交通系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征與地域空間系統(tǒng)的自然區(qū)位和經(jīng)濟(jì)區(qū)位特征相結(jié)合，才能夠產(chǎn)生耦合效應(yīng)，這正是交通區(qū)位理論的基本原理，因此它們的耦合具有較強(qiáng)的技術(shù)活動過程。按照交通區(qū)位配置交通資源具有經(jīng)濟(jì)上的比較優(yōu)勢，同時符合交通發(fā)展的目標(biāo)要求，易于形成具有可持續(xù)發(fā)展能力的交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。地域空間的支點(diǎn)系統(tǒng)的交通區(qū)位強(qiáng)度及其擴(kuò)散梯度正是符合經(jīng)濟(jì)區(qū)位聯(lián)系的方向，也是規(guī)劃布局線路基礎(chǔ)系統(tǒng)的基本依據(jù)。

界面B是交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)與載運(yùn)裝備系統(tǒng)的共同界面，二者耦合的過程中技術(shù)上的耦合過程和經(jīng)濟(jì)上的耦合過程相伴而生。首先，在技術(shù)上必須相適應(yīng)。先進(jìn)的交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)離不開先進(jìn)的載運(yùn)裝備系統(tǒng)。一般來說，交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)可以引導(dǎo)先進(jìn)載運(yùn)裝備系統(tǒng)的應(yīng)用，同時先進(jìn)載運(yùn)裝備系統(tǒng)的應(yīng)用也會對交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)起到推動的作用。我國高速公路的快速發(fā)展對載運(yùn)裝備系統(tǒng)提出了更高的要求，載運(yùn)裝備系統(tǒng)近年來取得了較快的提升，這樣交通系統(tǒng)的效率才能有所提高。我國鐵路載運(yùn)裝備系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)先于交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的提升，因此在載運(yùn)裝備系統(tǒng)的推動下，交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)也得到了全面的提高。技術(shù)上的耦合不僅表現(xiàn)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的一致性，還表現(xiàn)在信息、可靠性、控制系統(tǒng)的一致性，這正是交通工程理論的研究范圍。其次，在資源配置上必須相適應(yīng)。交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是空間上的固定交通資源，具有網(wǎng)絡(luò)性、層次性、稀缺性、永久性、規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和不可轉(zhuǎn)移性等特征，是基于預(yù)期需求的交通資源配置，一旦配置就具有較強(qiáng)的資產(chǎn)專用性和巨大的沉沒成本，因此要發(fā)揮它的規(guī)模效益和網(wǎng)絡(luò)效益，就必須配置相應(yīng)的載運(yùn)裝備資源，但載運(yùn)裝備資源配備一般是反映即期需求的，所以會帶來一定的不匹配。反過來，載運(yùn)裝備資源的過量配備導(dǎo)致交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)效率損失也同樣存在，例如交通阻塞等。加強(qiáng)交通控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)理論研究具有重要的意義。

交通硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)（組織系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、制度系統(tǒng)、信息系統(tǒng)）等經(jīng)過界面C的耦合，形成最高級的綜合交通系統(tǒng)。界面C表現(xiàn)為系統(tǒng)的投入產(chǎn)出通量與系統(tǒng)外延建立耦合系統(tǒng)，這是交通系統(tǒng)最高一級，決策與管理在這里發(fā)生深刻影響。軟硬件系統(tǒng)只有良好地配合，經(jīng)過先進(jìn)的管理技術(shù)的協(xié)調(diào)，才能夠促使綜合交通系統(tǒng)發(fā)揮更高的效用，這正是運(yùn)輸組織理論需要深入研究的問題。

從綜合交通系統(tǒng)的演化層次上看，可以分為基礎(chǔ)層、協(xié)調(diào)層和調(diào)控層。其中基礎(chǔ)層是由界面A所確定的，它是綜合交通系統(tǒng)形成的基礎(chǔ)；協(xié)調(diào)層則是解決綜合交通系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)之間矛盾，從而達(dá)到系統(tǒng)的有效與穩(wěn)定；調(diào)控層則是從管理的角度對綜合交通系統(tǒng)外部擾動進(jìn)行干預(yù)和調(diào)整，從而保證綜合交通系統(tǒng)的輸入和輸出的穩(wěn)態(tài)。

從綜合交通系統(tǒng)活動內(nèi)容的演化過程上看，技術(shù)活動和管理活動存在于每一個層次，但是在微觀層面上以技術(shù)活動為主，在宏觀層面上以管理活動為主。這也揭示了隨著系統(tǒng)范圍的不斷拓展，管理活動在系統(tǒng)中的作用越來越重要，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制越來越成為復(fù)雜系統(tǒng)的主題內(nèi)容。

3 交通系統(tǒng)外部耦合效應(yīng)

綜合交通系統(tǒng)與外部環(huán)境的耦合也是其復(fù)雜性的另一個層面。綜合交通系統(tǒng)的外部環(huán)境包括經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境、社會文化三個復(fù)雜系統(tǒng)，交通系統(tǒng)的外部耦合是復(fù)雜系統(tǒng)之間的耦合，更具有宏觀層次上決策的意義，它們之間的分層次耦合情況如圖2所示。

圖2 綜合交通系統(tǒng)外部耦合進(jìn)化過程

圖2中交通系統(tǒng)與人類活動、經(jīng)濟(jì)活動系統(tǒng)之間的耦合是其基礎(chǔ)層?，F(xiàn)代交通理念認(rèn)為，交通供給和交通需求是一對不可能穩(wěn)定的耦合系統(tǒng)，正反饋機(jī)制導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低，不可能采用有限的供給滿足無限的需求，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對需求側(cè)管理，以適當(dāng)限制交通需求的增加，這就是界面A的主要功能。需求側(cè)管理包括對交通出行需求的抑制和交通運(yùn)行管理兩個方面。

交通需求管理主要是通過稅收、價格、政策等手段對交通需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，以抑制需求的無節(jié)制增長，其直接目標(biāo)是對機(jī)動車使用加以合理限制。例如通過大幅度提高城市中心地區(qū)的停車費(fèi)用和嚴(yán)格該地區(qū)的違章停車管理，控制車輛向該地區(qū)的流入量；提高與小汽車使用有關(guān)的稅收，促使使用者轉(zhuǎn)向公共交通；執(zhí)行車輛牌照管理和控制，壓制汽車的增長速度等。交通需求管理往往涉及產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會影響等，因此不能僅從交通單方面考慮問題。

交通運(yùn)行管理的目標(biāo)是充分提高現(xiàn)有道路的使用效率，采取的手段主要有道路信號控制、交通組織（例如交叉口劃分直行、左轉(zhuǎn)專用車道，規(guī)定禁止停車路段，建立單行道系統(tǒng)，建立自行車專用道路系統(tǒng)）等。某些措施具有保障交通總體戰(zhàn)略得以實現(xiàn)的作用，例如建立公共汽車專用道路或?qū)Ｓ密嚨老到y(tǒng)，禁止其他車輛使用，使得公共汽車少受交通擁擠的影響，獲得較高的行駛車速，取得相對小汽車的車速優(yōu)勢，以爭取旅客轉(zhuǎn)向公共交通。

20世紀(jì)70年代以來，以需求為導(dǎo)向的交通系統(tǒng)所帶來的自然、資源和環(huán)境問題引起人們的高度重視。加強(qiáng)交通系統(tǒng)與自然、資源、環(huán)境系統(tǒng)的耦合，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的交通系統(tǒng)是界面B的主要功能。從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來看，資源和能源是有限的，環(huán)境污染需要人類付出長久的代價。我們不僅需要考慮當(dāng)代人的需要，同時應(yīng)該兼顧后代人的生存條件。交通發(fā)展需要考慮環(huán)境資源、能源以及土地空間資源的制約，不能無限制地滿足交通需求的增長。交通產(chǎn)生的廢氣、噪聲、振動等方面對環(huán)境的破壞，直接引起人類生活質(zhì)量的降低。因此加快能源更新、新型載運(yùn)技術(shù)的開發(fā)和提升技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是實施可持續(xù)發(fā)展交通的重要環(huán)節(jié)。

綜合交通文化系統(tǒng)不僅要求個體具有文明的交通意識和交通行為，同時要求總體具有“交通法權(quán)”理念。平等、公正的“交通法權(quán)”是政府政策的主要思想，也是界面C的主要職能。界面C主要通過政府的法律、政策調(diào)控、引導(dǎo)社會交通文化的建設(shè)，從而實現(xiàn)“科學(xué)發(fā)展”的理念，構(gòu)建和諧的交通體系。交通文化既是社會文化的一個有機(jī)組成部分，又是交通系統(tǒng)建設(shè)不可忽視的內(nèi)容，交通文化所宣揚(yáng)的就是交通的秩序和文明，是規(guī)范人們交通行為的理念系統(tǒng)。在一個自利至上的社會中，交通秩序無法起到應(yīng)有的作用，無序就意味著低效，所以提高公民的交通文明意識應(yīng)當(dāng)是構(gòu)建和諧交通、和諧社會的重要內(nèi)容。

4 結(jié)論

采用復(fù)雜系統(tǒng)理論研究交通系統(tǒng)問題，顯然有必要對交通系統(tǒng)本身進(jìn)行解析，從其復(fù)雜關(guān)系當(dāng)中找到耦對系統(tǒng)并對耦對系統(tǒng)的界面進(jìn)行分析。只有這樣才能深入到復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部，找到其系統(tǒng)的驅(qū)動關(guān)鍵要素并分析不同的理論衍生過程。

在綜合交通系統(tǒng)的不同層次上，其基本矛盾是不相同的。綜合交通規(guī)劃在不同的層次上要采用不同的手段，解決不同的基本問題，這樣才能為綜合交通系統(tǒng)的進(jìn)化提供符合發(fā)展規(guī)律的動力因子，也才能符合綜合交通發(fā)展的規(guī)律。

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