耗散结构视角下连云港港城系统演进机理及规律研究_杨山

第31卷第7期2011年07月

地理科学

SCIENTIAGEOGRAPHICASINICA

Vol．31No．7July，2011

耗散结构视角下连云港港城系统演进机理

及规律研究

杨

1山，潘

12

婧，季增民

（1．南京师范大学地理科学学院，江苏南京210046；2．昌山女学园大学文化信息系，日本名古屋464－8662）摘要：从耗散结构的视角，港城系统是以外部自然与社会经济环境为支撑，以港口系统与城市系统时空耦合为基“涨落”础的耗散结构系统。分析其演进历程，港城系统通过大小向着有序、高级方向发展，运用综合发展度从时间序列纵向评价系统综合发展水平，运用系统熵从要素构成横向测度系统有序状况；对比分析两者演变规律，综合发展度和系统熵具有很强的相关性。通过解析系统熵结构，进一步探究和理解港城系统发展的演变机理，港城系统有序发展本质是港城系统及港口系统、城市系统的负熵流输入。结合江苏省连云港，对1996～2008年29项指标377个原始数据进行处理，合并成开放程度熵、社会实力熵、设施环境熵和经济实力熵，得出引发连云港港城系统涨落的负熵流输入时间与输入方式，在理论上总结了港城系统有序演进规律。关

键

词：耗散结构；熵；发展度；演进规律；连云港

文献标识码：A

文章编号：1000－0690（2011）07－0781－07

中图分类号：F127

港城系统作为复杂大系统，是港口系统与城市

系统的时空耦合。港城系统的演进是港口与城市社会进步、生态良性循环的协调统一过经济发展、

程。长期以来，针对港城的研究主要是从要素相关性分析进行港城发展研究

，将港城作为一个系统探讨其演化规律和理论的研究较少。阐述港城

［1～6］

熵变方法研究港城系统从不稳定无序状态向稳定

有序的自组织结构进行演化的过程和规律。通过探指标构建测度港城系统的综合发展度与系统熵，

究1996～2008年间江苏省连云港港口与城市系统演变过程及演进机理，进而推导出普遍意义上的港城系统有序演化规律。

系统演化的传统理论是Bird（1963）的“任意港”理［7］论，其中总结出海港城市时空演变的六个阶段。不过Bird的阶段划分主要基于英国海港发展过程的总结，港口的自然经济与社会条件决定了模式的局限性，且当时集装箱运输与物流理念刚刚兴起，其模式并不适用于现今的港城演化研究。一些后如更科学的续研究虽然在一定程度上进行了拓展，

［8，9］

，量化方式和更详尽的解释以及不同类型港城的合理经济规模

［10］

1

1．1

研究理论及思路

耗散结构与熵的概念

耗散结构理论由比利时科学家普利高津（Ilya

Prigogine）1969年首创：一个远离平衡的开放体系，通过与外界交换物质、能量和信息，在外界条件变

能从原来的无序状态变为时化达到一定阈值时，

间、空间或功能的有序状态，这种非平衡条件下稳

［13］

定有序的结构称为耗散结构。耗散结构系统的状态及其变化通过体系状态函数“熵”来表达。熵（entropy）由德国物理学家克劳修斯（RudolfClau-sius）1854年提出，表示一个物质系统中能量衰竭

［13］

的程度。熵概念被广泛运用于几乎所有科学领域，在社会科学研究中熵是开放系统无序程度的度

［14］

量。开放系统熵变dS由两部分组成：一部分是系统内本身不可逆过程引起的熵增加（diS），另一

等，但随着研究的深入，原有的

模型与方法在解释更加深层次的演化过程时已显

单薄。系统科学的发展为更加全面地解释港城系统的演化提供了新视角，一些学者从港城复杂系统的角度对其演化进行了解释，主要有一般系统论观点、耗散结构理论观点、系统动力学观点以及系统

［11，12］

，控制论观点但多偏重理论的探讨，缺少结合港城发展的实证研究。本文运用耗散结构理论与

收稿日期：2010－10－11；修订日期：2011－03－27

基金项目：国家908专项项目（JS－908－02－11）、江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）资助。

mail：yangshan@njnu．edu．cn作者简介：杨山（1963－），男，江苏盐城人，教授，主要从事城市地理学及区域规划研究。E-

部分是系统与外界交换能量与物质引起的熵流（deS），diS恒大于0，即：dS=diS+deS，而deS可正可负，只有deS＜0且|deS|＞diS，才能保证dS＜0（dS＜0是开放系统有序的必要条件）。这说明一个非平衡状态开放系统可以通过与外界进行物质能量交换获得负熵deS来减少总熵dS，从而达到新的有序状态。

1．2耗散结构视角下的港城系统1．2．1

港城系统熵模式

港城系统是“经济—社会—资源”复合开放的

明港城系统演化状态较低，系统处于无序状态；熵

值高但dS＜0表明系统进入向有序状态演化的耗散结构，处于低水平有序状态；熵值低且dS＜0表明系统演化状态较高，系统处于高水平有序状态。通过综合发展度从时间序列纵向评价港城系统各个年份的发展水平，通过系统熵从要素构成横向测对比分析两者间度各个年份港城系统的有序状况，的关联及熵值动态变化，判断港城系统演进规律，通过负熵流的输入时间及输入方式分析探究系统的演化机理，得到港城系统有序演化规律（图2）

。

大系统，存在各种物质流、能量流、信息流。开放性

是系统产生耗散结构的基础，只有开放才能使港城向外界输出正熵，保持系统系统从外界输入负熵，

的活力及内部的有序。由港城系统熵模式（图1）可知，港城系统具有相对独立性，又与外界存在互动联系。系统内部独立性使内部熵diS不断产生，港城系统有向混乱无序状态发展的趋势；系统的互动性使其持续与外界进行物质、能量与信息的交换，deS持续输入。当负熵流deS大于内部熵产生diS时，dS＜0，港城系统出现了耗散结构。随着负熵流的继续增大，引发港口与城市子系统间的协同作用，外部的政策与资源熵被系统吸收，转化为城市向港口输入的产业、信息与各种资源熵，以及港口向城市输出的收入、交通与各种能力熵，港城系统向有序方向发展

。

图2

Fig．2

研究思路

Researchtrainofthought

2

2．1

研究方法

指标体系构建

采用频度统计法、理论分析法、专家咨询法对港口与城市指标进行设计，得到一般指标体系；利

图1

Fig．1

港城系统熵模式

Theentropymodeofport-citysystem

用相关分析、主成分分析对一般指标体系进行主成

［15］［16］

分和独立性的设置筛选，参考顾朝林、倪鹏飞

［18］

和国家统计局城市调查总队等研究成果，最终确定7项评价指数29个评价指标构成港城系［17］

1．2．2研究思路

耗散结构理论视角下研究港城系统，从定性角

度，需要确定系统结构间的合理性即协同性，判断输入及输出熵流的极性，只有能促进港城协调有序发展的负熵流有利于系统发展。从定量角度，需要计算耗散结构系统熵的变化。系统熵是港城系统

［14］

演化状态的综合指标，系统熵值高且dS＞0表

统指标体系（表1）。

2．2指标归一化计算

在熵的计算过程中，因涉及对数概念，需对指标数据进行去负值处理，对标准化数据采用公式Xij=H+Xij进行坐标平移（H的数值大小以去除所有负数为标准），得到指标归一化值。

表1

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