王慶云，毛保華，張國伍

(北京交通大學，a.中國綜合交通研究中心；b.綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應用技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京100044)

0 引言

(1)系統(tǒng)工程思想發(fā)展歷史

系統(tǒng)工程思想源遠流長，在我國可以追溯到先秦時期，然而，現(xiàn)代系統(tǒng)工程思想的形成是20世紀40年代之后的事情[1]。第二次世界大戰(zhàn)后，科學技術(shù)迅猛發(fā)展，社會經(jīng)濟空前增長，同時也面臨著越來越復雜的諸多大系統(tǒng)問題，例如，資源過度開采導致的生態(tài)環(huán)境惡化，復雜系統(tǒng)組織、管理、協(xié)調(diào)、規(guī)劃、計劃、預測及控制等涉及的升維問題。這些問題的特點是空間活動規(guī)模大而廣，而且頻次越來越多，時間變化越來越快，層次結(jié)構(gòu)越來越復雜，后果和影響越來越深遠和廣泛。解決這樣高度復雜的問題，單靠人腦的智能與經(jīng)驗已經(jīng)無能為力，必須采用科學的方法。彼時，信息科學和計算機的發(fā)展大大提高了信息收集、存儲、傳遞和處理的能力，為科學組織和管理提供了有力手段。系統(tǒng)工程正是在這樣的情況下，首先從軍事和大型工程的研制中產(chǎn)生并逐漸發(fā)展起來。標志性案例是阿波羅工程的圓滿成功，使世界各國開始接受系統(tǒng)工程。

著名科學家錢學森在不同場合的學術(shù)報告中，多次給出系統(tǒng)和系統(tǒng)工程定義[2]。系統(tǒng)是由許多部分組成的一個整體，系統(tǒng)的概念就是要強調(diào)整體，強調(diào)整體是由相互關聯(lián)、相互制約的各個部分組成的。系統(tǒng)工程是從系統(tǒng)的認識出發(fā)，將對象系統(tǒng)作為一個整體來分析和組織實施，以實現(xiàn)預期的設計目標；工程是強調(diào)達到效果，要有具體、可行的措施(實現(xiàn)路徑)。

我國的交通運輸系統(tǒng)處在一個極其復雜的自然環(huán)境和不同經(jīng)濟地理條件下，東西南北的氣候條件和地理、地質(zhì)條件差別很大，加之交通運輸系統(tǒng)規(guī)模巨大，運輸組織和運營管理非常復雜。如此龐大的系統(tǒng)要在繁雜的經(jīng)濟社會環(huán)境中發(fā)揮基礎性、戰(zhàn)略性和先導性作用，其難度是可想而知的。

正是由于我國交通運輸系統(tǒng)的這一特點，將系統(tǒng)工程理論與交通運輸領域緊密聯(lián)系起來研究具有良好的需求與發(fā)展基礎。系統(tǒng)工程在我國各專業(yè)、各行業(yè)的推廣應用中，交通運輸系統(tǒng)工程是發(fā)展較快的一門專業(yè)性系統(tǒng)工程。該領域?qū)W術(shù)活動非常活躍，已形成諸多有實力的科研團隊、學術(shù)期刊及交流平臺。在研究我國交通運輸發(fā)展的現(xiàn)實問題中，不斷向廣度和深度擴展，在理論與方法上取得了切實有效的進展。

我國現(xiàn)代系統(tǒng)工程思想的形成是從20世紀70年代開始的。1978年，錢學森在文匯報上發(fā)表了題為“組織管理的技術(shù)-系統(tǒng)工程”的文章[3]。我國的系統(tǒng)工程思想體系強調(diào)以實際工程系統(tǒng)為研究和應用對象，包括3個層次：①系統(tǒng)工程，它是系統(tǒng)科學下的技術(shù)層次，指用系統(tǒng)思想直接改造客觀世界的技術(shù)；②系統(tǒng)科學的方法論層次，包括運籌學、控制論和信息論等；③系統(tǒng)學，指系統(tǒng)科學的基礎科學。1980年，中國系統(tǒng)工程學會成立后，掀起了社會系統(tǒng)工程的研究熱潮，涌現(xiàn)出大批系統(tǒng)工程專家和學者，各門類的專業(yè)委員會如雨后春筍般成立，系統(tǒng)工程廣泛應用到社會、經(jīng)濟、自然等領域。這期間，誕生了3 種系統(tǒng)工程領域內(nèi)的科技期刊：一是1981年中國系統(tǒng)工程學會主辦的《系統(tǒng)工程理論與實踐》；二是1984年湖南省系統(tǒng)工程學會主辦的《系統(tǒng)工程》；三是1985年天津大學主辦的《系統(tǒng)工程學報》。這3個期刊成為我國系統(tǒng)工程成果發(fā)表的重要平臺。

(2)我國交通運輸系統(tǒng)工程的產(chǎn)生背景

系統(tǒng)工程產(chǎn)生于經(jīng)濟社會發(fā)展過程，經(jīng)濟社會發(fā)展的需求是其發(fā)展的根本動力。在系統(tǒng)工程推廣和應用過程中，張國伍教授1979年最先將系統(tǒng)工程引入到交通運輸領域，并得到中國科學院院士、中國工業(yè)大系統(tǒng)理論開拓者之一張鐘俊教授的支持。在交通運輸與系統(tǒng)工程結(jié)合的過程中，經(jīng)過實踐、認識、再實踐、再認識的探索，完善了交通運輸系統(tǒng)工程思想，形成了交通運輸系統(tǒng)工程學科，推進了交通運輸系統(tǒng)工程的理論建設和工程應用。1983年，《系統(tǒng)工程》雜志第1任主編張啟人教授在長沙市公共交通系統(tǒng)工程優(yōu)化科研課題中，為指揮部成員和全國各地來培訓的學員編著了65萬字的《公共交通系統(tǒng)工程概論》。1986年，在張國伍教授倡導下，在中國系統(tǒng)工程學會旗下成立了交通運輸系統(tǒng)工程專業(yè)委員會，并將系統(tǒng)工程方法論應用于“深圳港口群功能規(guī)劃”“哈爾濱鐵路樞紐作業(yè)組織優(yōu)化”“北京地鐵開通后與地面公交的協(xié)調(diào)”等一系列科研工作中，推動了系統(tǒng)工程在交通運輸領域全面而廣泛地應用。

(3)交通運輸系統(tǒng)工程研究的主要內(nèi)容

交通運輸系統(tǒng)作為一個復雜大系統(tǒng)，是由諸多組成部分(子系統(tǒng))組成的。交通運輸系統(tǒng)工程研究的主要內(nèi)容包括：交通運輸系統(tǒng)分析、交通運輸需求預測、交通運輸系統(tǒng)優(yōu)化、交通運輸網(wǎng)絡布局規(guī)劃、運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡分析、運輸系統(tǒng)評價與決策等共性理論與方法，交通運輸系統(tǒng)規(guī)劃、設計、管理、運營、維護和服務等實踐問題，以及交通安全、運輸經(jīng)濟、組織管理、系統(tǒng)仿真和信息服務技術(shù)等應用問題。

我國交通運輸系統(tǒng)工程方面最早的專著是張國伍教授編著的《交通運輸系統(tǒng)分析》[4]，該書分3篇21 章闡述交通運輸系統(tǒng)工程的主要內(nèi)容，重點涵蓋3 部分內(nèi)容：一是關于系統(tǒng)工程理念的總論；二是交通運輸系統(tǒng)工程的理論與方法，包括供需關系、能力形成機理、經(jīng)濟性、安全性、組織與管理、系統(tǒng)評價，以及決策支持理論；三是交通運輸重要子系統(tǒng)的運行與發(fā)展機理分析。1994年，在對海南省、北京市綜合交通系統(tǒng)，長江干流航運發(fā)展戰(zhàn)略，以及哈爾濱鐵路樞紐，深圳港口群發(fā)展，三峽工程航運效益等大量研究實踐基礎上又出版了一本專門的案例集[5]，從應用與實踐角度推進了我國交通運輸系統(tǒng)工程的發(fā)展。

交通運輸系統(tǒng)工程有其自身特定的研究領域，是為強化交通運輸系統(tǒng)發(fā)展的系統(tǒng)性、全局性與協(xié)調(diào)性而誕生的，并非替代其他專業(yè)或?qū)W科?？偟膩砜矗渲饕芯款I域可以分為3個層次：

一是系統(tǒng)工程理論與方法，主要偏重基本理論與方法論層面。這個層面的問題實際上是整個系統(tǒng)工程專業(yè)或?qū)W科的重點內(nèi)容，交通運輸系統(tǒng)工程的任務是從專業(yè)角度補充、豐富理論與方法庫中的內(nèi)容。二是交通運輸系統(tǒng)自身的運行機理與發(fā)展規(guī)律研究。包括交通運輸系統(tǒng)供需的時空特性，以及全過程能力形成的技術(shù)、經(jīng)濟、安全與環(huán)保機理，還包括組織與管理協(xié)調(diào)機理、技術(shù)發(fā)展及集成機理等。三是交通運輸系統(tǒng)服務效能與工程應用層面的問題。交通運輸作為人類社會“衣食住行”基本活動之一，目標是要以較低的資源消耗提供滿意的客貨運輸服務。前者涉及物理、技術(shù)層面的問題，后者涵蓋客貨服務產(chǎn)品設計、服務過程組織與經(jīng)營管理。3層次的內(nèi)容如圖1所示。

圖1 交通運輸系統(tǒng)工程理論與方法體系框架Fig.1 Theoretical and methodological framework of transportation systems engineering

1 我國交通運輸系統(tǒng)工程理論與實踐的演進

將系統(tǒng)工程應用到我國的交通運輸領域，形成我國交通運輸系統(tǒng)工程學科并培養(yǎng)交通運輸系統(tǒng)工程人才，歷時已40 余年。這期間也正是中國改革開放和交通大發(fā)展時期，根據(jù)該過程開展的相關活動將我國交通運輸系統(tǒng)工程發(fā)展分為3個階段。

1.1 起步階段(1980—1986年)

20 世紀80年代，改革開放大潮推動了中國各行各業(yè)的發(fā)展。交通運輸作為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性、戰(zhàn)略性、先導性產(chǎn)業(yè)，不僅極不適應，而且還嚴重制約了經(jīng)濟社會的發(fā)展，供需矛盾非常突出[6]。交通運輸業(yè)如何發(fā)展？以什么方式發(fā)展？為此，將系統(tǒng)工程理論與方法應用于交通運輸系統(tǒng)并形成以交通運輸系統(tǒng)為研究對象的技術(shù)理論方法，即交通運輸系統(tǒng)工程，成為應運而生的必然。

這一階段是我國經(jīng)濟從單一計劃經(jīng)濟向中國特色社會主義市場經(jīng)濟體制改革的時期，也是西方系統(tǒng)工程思想與成果開始并迅速涌入的時期。1984年，黨的十二屆三中全會提出社會主義經(jīng)濟是“在公有制基礎上的、有計劃的商品經(jīng)濟”。1987年，黨的十三大指出，新的經(jīng)濟運行機制，總體上來說應當是“國家調(diào)節(jié)市場，市場引導企業(yè)”。

這一階段持續(xù)到80年代后期，交通運輸系統(tǒng)工程的發(fā)展表現(xiàn)出以下兩個典型特征：

(1) 系統(tǒng)評估由單目標向多目標綜合評估發(fā)展。系統(tǒng)工程思想深化了人們對交通運輸大系統(tǒng)中不同子系統(tǒng)間發(fā)展目標差異的認識，交通運輸系統(tǒng)中市場化元素的引入使系統(tǒng)中不同(甚至相互沖突的)目標的協(xié)調(diào)成為關注的要點。這個階段，關于多目標綜合評價理論與方法，例如，層次分析法、特爾斐法、灰色系統(tǒng)法、模糊綜合評價法和主成份分析法等得到大量應用，學者們對應用中出現(xiàn)的問題也開展了研究[7]。

(2)子系統(tǒng)間的相互關聯(lián)關系備受關注。系統(tǒng)工程的一個重要思想是全局觀，即強調(diào)相互作用的各組成部分的綜合效果，從而子系統(tǒng)之間的相互作用原理及其建模是一個需要解決的重要問題。在這方面，麻省理工學院福瑞斯特(J.W.Forrester)教授1956年基于系統(tǒng)論、控制論和信息論提出的一種結(jié)構(gòu)化研究方法，即系統(tǒng)動力學(System Dynamics,SD)方法受到廣泛關注并得到大量應用[8]。

這一階段交通運輸系統(tǒng)工程的發(fā)展成果有：1980年在北方交通大學管理科學研究所建立了我國第一個交通運輸系統(tǒng)工程研究室，1982年招收了第一批以運輸系統(tǒng)工程為培養(yǎng)目標的碩士研究生；1986年該研究室參照奧地利維也納國際應用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)升格為我國第一個應用系統(tǒng)分析研究所；同年，中國系統(tǒng)工程學會交通運輸系統(tǒng)工程專業(yè)委員會獲準設立[9]。標志著我國交通運輸系統(tǒng)工程正式進入了解決交通運輸實際問題的階段，“哈爾濱鐵路樞紐站群分工與功能優(yōu)化”“北京地鐵環(huán)線開通后與地面公交的協(xié)調(diào)與優(yōu)化”等工程實踐研究成果也是在這一階段完成的。

1.2 快速發(fā)展階段(1987—2000年)

不同運輸方式有自身技術(shù)經(jīng)濟特性，正是這種技術(shù)經(jīng)濟特性滿足了極其復雜的交通運輸需求，交通運輸系統(tǒng)的復雜性加快了系統(tǒng)工程的縱深應用。當交通運輸系統(tǒng)的子系統(tǒng)，即某種運輸方式發(fā)展水平達到一定程度時，由各種運輸方式組成的交通運輸系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)與優(yōu)化問題就提到了議事日程。交通運輸系統(tǒng)的組合優(yōu)化或集成優(yōu)化問題是交通運輸系統(tǒng)整體優(yōu)化研究的重點，該問題既涉及子系統(tǒng)(運輸方式)的組合，也涉及子系統(tǒng)的銜接。而且，交通運輸系統(tǒng)(包括每種運輸方式自身)都由交通基礎設施(交通線路、節(jié)點、樞紐)、運載工具、運輸組織、制度和經(jīng)濟要素等基本功能元素組成，其中交通基礎設施對運載工具運用和運輸組織具有重要的前定性；運行制度決定著運輸系統(tǒng)的組織行為；而經(jīng)濟要素又深刻影響運輸需求的表現(xiàn)形式。

這一階段持續(xù)到20 世紀末，交通運輸系統(tǒng)工程研究與實踐有以下3個特征：

(1)運用系統(tǒng)工程思想促進交通運輸系統(tǒng)組合優(yōu)化成為焦點。交通運輸系統(tǒng)各組成部分是相互關聯(lián)、相互影響的，從功能上看，各部分既有可能存在替代競爭性，也存在銜接互補性[10]。研究更好地發(fā)揮運輸系統(tǒng)的整體功能[11]，使運輸供需實現(xiàn)安全、高效匹配，是交通運輸系統(tǒng)工程的重要任務。

(2)隨著20世紀90年代出現(xiàn)的亞洲金融危機，基礎設施的發(fā)展規(guī)劃受到更大重視，對交通發(fā)展總體目標、長遠規(guī)劃及戰(zhàn)略步驟的研究更加深入[12]。這一時期，國家提出了“五縱七橫”國道主干線、“兩橫一縱兩網(wǎng)”和長江、珠江出海深水航道建設規(guī)劃[13]。交通部通過1993年和1998年兩輪機構(gòu)改革，在轉(zhuǎn)變職能、精簡人員、加強行業(yè)管理方面取得了積極進展。京九鐵路以6 次大提速為標志的鐵路服務水平提升技術(shù)、高速公路建設成套技術(shù)、深水基礎大跨度橋梁和長大隧道建設技術(shù)、水泥混凝土路面滑模施工技術(shù)、集裝箱運輸電子信息傳輸技術(shù)、數(shù)字攝影測量技術(shù)、全球衛(wèi)星定位遙感技術(shù)，以及計算機輔助設計技術(shù)等也取得重要進展。

(3)交通結(jié)構(gòu)變化與區(qū)域資源配置優(yōu)化受到重視。公路經(jīng)過20 世紀80年代以來的快速發(fā)展，20世紀90年代后承擔的客運周轉(zhuǎn)量開始超過鐵路。這一時期，交通運輸系統(tǒng)工程還關注到區(qū)域交通資源的優(yōu)化配置問題，包括改革開放以來快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化引發(fā)的交通問題[14]。關于政府與市場關系作用下的交通資源優(yōu)化，京滬高鐵采用磁浮還是輪軌技術(shù)的爭論，如何認識評估三峽工程的綜合效果等受到廣泛重視。

這個時期的工作奠定了我國交通運輸系統(tǒng)工程的理論與方法體系，其標志性成果是張國伍教授1991年主編出版的《交通運輸系統(tǒng)分析》，形成的主要成果包括：交通運輸系統(tǒng)需求與供給分析理論、交通運輸網(wǎng)絡布局方法、交通運輸通道規(guī)劃方法、交通運輸樞紐分析，以及城市交通運輸系統(tǒng)分析與優(yōu)化等[4]。

這一時期，國務院學位辦1987年批準在北方交通大學(現(xiàn)北京交通大學)設立以交通運輸為特色的“系統(tǒng)工程”碩士點，該學科1996年獲博士學位授予權(quán)。而且，1996年國家還批準在該校設立了側(cè)重方法論的“系統(tǒng)分析與集成”理學碩士點[9]，推動了我國交通運輸系統(tǒng)工程理論與實踐的發(fā)展。

1.3 成熟與全面發(fā)展階段(2001年—至今)

這一時期從21 世紀初至今，交通運輸系統(tǒng)工程研究的成熟有兩項重要標志，一是理論體系的發(fā)展與成熟，包括交通運輸系統(tǒng)分析理論和綜合交通發(fā)展理論，兩項理論都是系統(tǒng)科學[15]和系統(tǒng)工程思想的產(chǎn)物。二是運用上述理論解決中國交通現(xiàn)實問題和發(fā)展問題的能力趨于成熟[16]。

交通規(guī)劃是典型的需要運用系統(tǒng)工程思想分析研究的問題。宏觀層面看，規(guī)劃需要從戰(zhàn)略層面考慮生產(chǎn)力布局[17]，包括交通運輸系統(tǒng)的基礎性、戰(zhàn)略性和先導性等作用的體現(xiàn)。中觀層面上，需要研究解決各交通運輸方式間的技術(shù)經(jīng)濟關系及與交通相關領域(可替代運輸)問題[18]。微觀層面上，重點在于交通運輸系統(tǒng)效率的提高，包括：運輸效率、技術(shù)效率及運輸系統(tǒng)中固定設施系統(tǒng)、移動設施系統(tǒng)和組織控制系統(tǒng)的組合效率的提高等。

將交通系統(tǒng)工程理論應用于解決綜合交通體系一體化協(xié)同發(fā)展的問題，要將以往的綜合交通理論只注重與技術(shù)經(jīng)濟互補性，轉(zhuǎn)化為更加關注交通運輸系統(tǒng)的技術(shù)配置與資源配置有機結(jié)合的整體優(yōu)化和組合效率，關注交通系統(tǒng)發(fā)展的頂層設計[19]。從系統(tǒng)整體發(fā)展的視角和邏輯關系分析交通運輸對象系統(tǒng)，包括：交通運輸系統(tǒng)與社會經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境相互依存關系，交通運輸系統(tǒng)自身演化的內(nèi)在規(guī)律，統(tǒng)一交通運輸系統(tǒng)各子系統(tǒng)的技術(shù)標準和運行規(guī)則。

這一階段的主要標志有以下幾方面：

(1)以交通運輸為特色的“系統(tǒng)工程”學科在西南交通大學、中南大學等諸多高校設立并獲得重要發(fā)展。經(jīng)過多年考察，中國科協(xié)2000年正式批準了“交通運輸系統(tǒng)工程與信息”學報的創(chuàng)刊申請，交通運輸系統(tǒng)工程專業(yè)委員會成為中國系統(tǒng)工程學會中最活躍的二級分支機構(gòu)之一，創(chuàng)辦了專供交通運輸系統(tǒng)工程領域?qū)＜遗c學者探討交通運輸系統(tǒng)發(fā)展中的熱點問題的“交通‘7+1’論壇”“中國交通高層論壇”等系列學術(shù)平臺[9]，這些論壇至今已無間斷主辦了16年。

(2)國家對交通運輸系統(tǒng)發(fā)展功能進行調(diào)整，強調(diào)頂層設計的交通運輸系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究在國家與區(qū)域各層面受到廣泛重視[17]。2003年國務院將國家發(fā)展計劃委員會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會、對外貿(mào)易經(jīng)濟合作部合并改組為國家發(fā)展和改革委員會(發(fā)展和改革委)。2008年，國家民用航空局、國家郵政局由新設的交通運輸部管理。2013年，交通運輸部統(tǒng)籌規(guī)劃鐵路、公路、水路和民航發(fā)展，城市交通系統(tǒng)的管理也劃歸交通運輸部，加快了我國綜合交通運輸體系的建設。

(3) 我國交通運輸行業(yè)發(fā)展的科技水平[20]、整體性水平與解決復雜問題[21-22]的水平顯著提高，取得大批重要成果。工程實踐層面上，青藏鐵路、京津城際、杭州灣大橋、京滬高鐵、珠港澳大橋和大興國際機場等一系列具有國際領先水準的重大工程先后投產(chǎn)。從交通角度全面、有力地支撐了我國小康社會的建設[23]。

可以說，這一時期系統(tǒng)工程的發(fā)展是在將系統(tǒng)科學的理論與方法用來解決交通運輸系統(tǒng)問題的同時，推進了我國交通運輸系統(tǒng)工程的理論方法及其實踐的創(chuàng)新[24]，逐步擺脫了前蘇聯(lián)式綜合交通運輸理論框架的局限。在不斷探索和應用中，在交通運輸系統(tǒng)機理分析、交通運輸系統(tǒng)綜合規(guī)劃方法及綜合交通系統(tǒng)發(fā)展理論與實踐領域均取得了重要進展[25]，基本形成了中國特色的系統(tǒng)科學引領下的交通運輸系統(tǒng)工程理論方法，標志著系統(tǒng)工程在我國交通運輸領域的應用日臻完善。

2 我國交通運輸系統(tǒng)工程的發(fā)展分析

系統(tǒng)科學中一條重要原理是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)環(huán)境以及它們之間的關聯(lián)關系決定著系統(tǒng)功能的整體性水平，即系統(tǒng)功能是結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部環(huán)境綜合集成的結(jié)果。針對還原論方法處理不了的系統(tǒng)整體性問題，特別是復雜系統(tǒng)和復雜巨系統(tǒng)問題，錢學森提出將還原論和整體論方法結(jié)合起來的方法，即系統(tǒng)論方法。他強調(diào)應用系統(tǒng)論方法研究系統(tǒng)時，也不要將系統(tǒng)分解處理，在進行分解研究的基礎上再集成到系統(tǒng)整體，可實現(xiàn)“1+1＞2”的效果，實現(xiàn)從整體研究和解決問題的目的[2]。交通運輸系統(tǒng)工程就是將交通運輸系統(tǒng)活動的全過程看作一個整體進行研究的，當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境發(fā)生變化，交通運輸系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容也將發(fā)生變化。

2.1 系統(tǒng)論視角下交通運輸系統(tǒng)的演化

由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特性、行為、功能等隨時間的推移而不斷發(fā)生變化，演化性是系統(tǒng)的普遍特性[24]。如果從足夠大的時間尺度上看，任何系統(tǒng)都是演化系統(tǒng)，都處于快或慢的演化之中[15]。交通運輸系統(tǒng)的演化，其動力可以來自系統(tǒng)內(nèi)部，即組分之間的合作、競爭、矛盾等，從而導致系統(tǒng)規(guī)模的改變；也可以來自外部環(huán)境，即系統(tǒng)環(huán)境的變化、環(huán)境與系統(tǒng)相互聯(lián)系和相互作用方式的變化，包括組分特性、結(jié)構(gòu)方式的改變等，最終導致系統(tǒng)整體特性和功能的改變。我國交通運輸系統(tǒng)具有對不同區(qū)域環(huán)境的依賴性，經(jīng)濟、地理環(huán)境的差異對運輸系統(tǒng)建設和運輸過程的影響導致了不同區(qū)域運輸系統(tǒng)整體性的重要差異。

從系統(tǒng)論的視角觀察交通運輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，交通運輸系統(tǒng)可表達為多元素的集合，其中經(jīng)濟和制度要素是集合中的基本要素。各要素或各子系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)作用，成為推動交通運輸系統(tǒng)演化的主要動因。

2.2 系統(tǒng)論視角下交通運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境分析

(1)供求關系構(gòu)成的動態(tài)演化系統(tǒng)

在市場經(jīng)濟中，交通運輸系統(tǒng)是由運輸供給(取決于交通運輸網(wǎng)絡的運營能力)與運輸需求之間的復雜關系構(gòu)成的動態(tài)演化系統(tǒng)，負責承擔主體運輸服務；貨主或旅客是運輸服務的消費者，是交通運輸實現(xiàn)場所效用和時間效用的受眾。交通基礎設施網(wǎng)絡建設(樞紐、節(jié)點等)、運載工具、運輸組織、制度、經(jīng)濟要素和經(jīng)濟空間等形成了滿足經(jīng)濟系統(tǒng)需求的交通運輸系統(tǒng)。

(2)交通運輸系統(tǒng)自組織演化機制

從交通運輸系統(tǒng)的自組織演化機制分析，交通運輸系統(tǒng)的開放性、非平衡性和非線性等特征[25]，決定了交通運輸系統(tǒng)演化的機制特征，即系統(tǒng)內(nèi)部競爭與協(xié)作，系統(tǒng)發(fā)展的漸變與突變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分叉與選擇，及系統(tǒng)演化的混沌與有序[26]。在信息技術(shù)普及的當下，信息已成為引導系統(tǒng)達到某種形態(tài)的必不可少的推動因素。

(3)交通運輸系統(tǒng)的技術(shù)要素和非技術(shù)要素

交通運輸系統(tǒng)工程構(gòu)成的諸多要素中，技術(shù)要素和非技術(shù)要素的整體統(tǒng)一至關重要。這里，技術(shù)要素構(gòu)成了交通系統(tǒng)工程的基本內(nèi)涵，在交通運輸系統(tǒng)的工程活動中，任何一項活動都是各種技術(shù)的集成，所有交通運輸方式之間的銜接優(yōu)化和整合都依托于技術(shù)的保障。非技術(shù)要素是交通運輸系統(tǒng)的重要內(nèi)涵，兩者相互關聯(lián)、相互制約、相互促進。交通運輸系統(tǒng)的發(fā)展，既取決于基本內(nèi)涵所表達的科學、技術(shù)要素本身的狀況和性質(zhì)，也取決于非技術(shù)要素所表達的一定歷史時期社會、經(jīng)濟、文化和政治等因素的狀況。

(4)技術(shù)要素對交通運輸系統(tǒng)工程的作用

單從技術(shù)要素分析，技術(shù)是交通運輸系統(tǒng)工程的專業(yè)組成要素，若干技術(shù)的系統(tǒng)集成構(gòu)成交通運輸系統(tǒng)工程的基本形態(tài)。在一定時限范圍內(nèi)，或在一定環(huán)境條件下，技術(shù)對交通運輸系統(tǒng)的重要性，在于有序、有效的合理集成，并形成技術(shù)效率較高的有效的結(jié)構(gòu)-功能形態(tài)。技術(shù)只有在有效地、合理“嵌入”交通運輸系統(tǒng)中，才能得到有效的應用和發(fā)展，并對交通運輸系統(tǒng)進化、升級發(fā)揮作用。同時也將改善原有運輸系統(tǒng)本身的技術(shù)性能，催生新的先進運輸方式的誕生。

技術(shù)的作用，使交通運輸系統(tǒng)自身優(yōu)勢的特征更加聚焦于整體性、系統(tǒng)性和集成性。例如，各種運輸方式間的相互銜接、優(yōu)化組合、優(yōu)勢互補，樞紐中的自組織，以及供應鏈、運輸鏈的服務等，都需要運用系統(tǒng)工程思想、方法、理論、技術(shù)統(tǒng)籌考慮。

在現(xiàn)代技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，技術(shù)創(chuàng)新與賦能使交通運輸系統(tǒng)的關聯(lián)度更加緊密，加之以前單獨的指數(shù)型加速技術(shù)，已經(jīng)開始與其他獨立指數(shù)型加速技術(shù)融合起來，從而極大地提高了交通運輸系統(tǒng)的協(xié)同性和服務質(zhì)量，也極大地提高了交通運輸系統(tǒng)工程的能級。

2.3 交通運輸系統(tǒng)工程理論的演進

我國交通運輸系統(tǒng)工程作為一門專業(yè)性的系統(tǒng)工程，其理論建設始終與我國交通運輸領域的實際需要緊密結(jié)合，從應用交通運輸系統(tǒng)工程理論方法研究我國的交通發(fā)展問題角度看，不同發(fā)展階段，有不同的交通運輸系統(tǒng)發(fā)展理論，交通運輸系統(tǒng)工程始終從交通運輸發(fā)展中的現(xiàn)實問題出發(fā)，研究理論、應用理論和發(fā)展理論。交通運輸系統(tǒng)工程理論的演進路徑，既是一種“認識-實踐-再認識-再實踐”的理論形成路徑，也體現(xiàn)了“理論-實踐-再理論-再實踐”的理論升華過程。從理論結(jié)合實際的應用看，理論研究需要注重實用性，而實際問題的解決更需要注重理論指導和科學性。

2.4 交通運輸系統(tǒng)工程研究范圍的拓展

交通運輸系統(tǒng)工程是以交通運輸系統(tǒng)的整個交通運輸活動為研究對象，在研究現(xiàn)實問題的過程中，對交通運輸系統(tǒng)構(gòu)成要素的認識也在不斷深化，較為明顯的變化是，從“單一交通運輸系統(tǒng)論”到更多地關注與交通運輸系統(tǒng)關聯(lián)的各種要素。例如，將交通運輸系統(tǒng)的整個交通運輸活動擴展為“自系統(tǒng)+融合系統(tǒng)和外部系統(tǒng)”的集成，即既是一個由基礎設施網(wǎng)絡、運載工具和裝備、管理控制系統(tǒng)、運輸服務對象及承運主體等要素組成的實體系統(tǒng)，也是一個由運輸供給與運輸需求雙方間復雜關系構(gòu)成的動態(tài)關聯(lián)系統(tǒng)，既有自身“硬件”“軟件”的約束，也有經(jīng)濟、社會發(fā)展、技術(shù)進步和制度創(chuàng)新等影響交通運輸系統(tǒng)集成效應的因素。當今發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)間的融合已成為常態(tài)，而且新技術(shù)的作用既使這種融合成為可能，又使融合后的產(chǎn)業(yè)從中受益?，F(xiàn)實中交通系統(tǒng)工程研究范圍的拓展是必要的。

從交通系統(tǒng)工程研究范圍的拓展考慮，系統(tǒng)的集合形式應為一個多元素的集合，交通運輸系統(tǒng)=｛交通網(wǎng)絡,經(jīng)濟要素,經(jīng)濟空間,技術(shù)進步，運輸組織,制度，…｝。其中，交通基礎設施網(wǎng)絡、經(jīng)濟要素、經(jīng)濟空間是運輸系統(tǒng)的實體部分；技術(shù)進步是嵌入其中的；運輸組織和制度(規(guī)則等)決定了市場上運輸供給與需求的復雜關系。在交通運輸系統(tǒng)的集合中，交通基礎設施具有對運輸裝備及運行管理系統(tǒng)的前定性。而交通運輸網(wǎng)絡又受到自然空間的約束，使其對經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)生固有的空間距離、時間距離及經(jīng)濟距離。交通運輸系統(tǒng)與經(jīng)濟系統(tǒng)的相互關聯(lián)作用，又構(gòu)成了交通運輸與經(jīng)濟社會發(fā)展的適應性系統(tǒng)，從理論上解決了交通運輸系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)同性問題[12]。

從交通運輸系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在邏輯分析，運輸主體依托于一定的交通網(wǎng)絡和制度安排所決定的選擇集，完成運輸服務對象所要求的經(jīng)濟空間位移和服務，實現(xiàn)交通運輸?shù)纳鐣?jīng)濟價值和效用，其演化過程關聯(lián)于交通運輸相關技術(shù)的發(fā)展、社會與經(jīng)濟運行方式、運輸組織與管理模式，以及客貨運輸行為，并產(chǎn)生一系列后續(xù)變化。這些成為交通運輸系統(tǒng)工程研究范圍拓展的重要內(nèi)涵。交通運輸系統(tǒng)演化的形式與內(nèi)容如圖2所示。

圖2 交通運輸系統(tǒng)演化的形式與內(nèi)容Fig.2 Evolution logic and content of transportation systems

人類可持續(xù)發(fā)展對交通運輸提出新要求。這一要求實際是增加約束條件，即減少對資源的使用，減少污染排放，減少交通運輸?shù)氖褂寐省＠?，碳中和、零排放以及提倡少出行、少開車和少坐車等。針對諸多約束條件下的交通運輸系統(tǒng)工程，需要有相應的新理念、新理論，使諸多經(jīng)濟社會作用因素的偏向性，發(fā)力于人類可持續(xù)發(fā)展的交通運輸系統(tǒng)，進而完善交通運輸系統(tǒng)工程的理論體系

2.5 系統(tǒng)工程思想下交通發(fā)展理論的完善

系統(tǒng)工程在我國交通運輸領域的應用中形成了兩大交通發(fā)展理論：交通運輸系統(tǒng)分析和綜合交通發(fā)展理論[27]。交通運輸分析是系統(tǒng)科學理論在交通運輸領域的應用與發(fā)展，這個理論體系注重交通運輸與經(jīng)濟空間布局的宏觀關聯(lián)，以及交通運輸系統(tǒng)及其各運輸方式之間的技術(shù)經(jīng)濟關系，其理論基礎是生產(chǎn)力布局理論和系統(tǒng)科學、系統(tǒng)工程、系統(tǒng)分析理論。內(nèi)容包括：交通運輸系統(tǒng)需求與供給、交通運輸網(wǎng)絡、交通運輸通道、交通運輸樞紐和城市交通運輸分析等。

綜合交通發(fā)展理論，其理論基礎偏重于各種運輸方式基于技術(shù)經(jīng)濟特征的優(yōu)勢比較上的優(yōu)化，或者說是技術(shù)經(jīng)濟互補性[16]。實際上，該理論的形成也是基于系統(tǒng)科學原理。交通運輸系統(tǒng)分析偏重于運輸系統(tǒng)的技術(shù)配置，綜合交通發(fā)展理論所提出的系統(tǒng)優(yōu)化思想偏重于資源配置后的整體優(yōu)化和組合效率[24]，兩者構(gòu)成了一個理論集成體系。在發(fā)展過程中，兩個分支也在不斷地融合。從技術(shù)方法、應用理論和基礎理論等層面分析研究交通運輸系統(tǒng)問題，形成的理論和方法充分體現(xiàn)了系統(tǒng)工程思想、系統(tǒng)科學理論及交通運輸系統(tǒng)工程關聯(lián)理論的支撐。

3 交通運輸系統(tǒng)工程演進中的重要議題

交通運輸系統(tǒng)演進的過程中，影響最大的是技術(shù)要素[28]。技術(shù)要素不僅是交通運輸系統(tǒng)的基本要素，更是體現(xiàn)交通運輸系統(tǒng)工程特色的專業(yè)組成要素，也是構(gòu)成交通運輸系統(tǒng)工程基本形態(tài)的重要要素。技術(shù)要素引起的交通運輸系統(tǒng)的變化將直接轉(zhuǎn)換到交通運輸系統(tǒng)工程中，這些影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 不同運輸方式技術(shù)經(jīng)濟特征的變化

技術(shù)要素驅(qū)動下，各種交通運輸方式的安全、經(jīng)濟、快速、環(huán)保、舒適和便捷等技術(shù)經(jīng)濟特征都會發(fā)生變化，這些變化無疑會影響交通運輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成。例如，鐵路旅客運輸系統(tǒng)在技術(shù)要素作用下，經(jīng)歷了由傳統(tǒng)鐵路到高速鐵路，再到磁懸浮鐵路，未來可能將到真空磁懸浮高速鐵路等過程，其技術(shù)經(jīng)濟特征，從經(jīng)濟、環(huán)保、速度和舒適度而言，優(yōu)勢越來越突出。水運的港口碼頭、運輸樞紐和集散中心等，在技術(shù)要素作用下，自動化、智能化運營水平不斷提高，不僅體現(xiàn)了技術(shù)要素提升的效率，還改變著水路、陸路運輸方式的經(jīng)濟性與市場競爭關系。

3.2 復雜環(huán)境下交通運輸系統(tǒng)的協(xié)同性

在未來新技術(shù)支撐下，實現(xiàn)各種運輸方式的有機銜接將更加容易，交通運輸系統(tǒng)的協(xié)同性將明顯增強。從事交通運輸系統(tǒng)工程研究和實踐的人們都會體會到，在交通運輸系統(tǒng)工程中最難解決的理論和實踐問題是各種運輸方式組合后的整體優(yōu)化，即一直強調(diào)的一體化運輸系統(tǒng)[29]。整體優(yōu)化和一體化，如果沒有先進的信息技術(shù)、新計算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等與交通運輸系統(tǒng)融為一體，單靠人為組織管理和協(xié)調(diào)，那是不可能實現(xiàn)各種運輸方式協(xié)同的。如何及時利用新技術(shù)，解決復雜環(huán)境下多方式、多環(huán)節(jié)的協(xié)同障礙，兌現(xiàn)技術(shù)發(fā)展帶來的紅利，是交通運輸系統(tǒng)協(xié)同性研究的重要任務。

3.3 交通行為的改變

技術(shù)要素影響并將改變交通行為，具體體現(xiàn)在人們在出行和貨運方式的選擇上，尤其是在供需關系變化較為顯著的大都市交通和城市交通領域。技術(shù)要素的變化降低了人們優(yōu)化交通選擇行為的代價，使客貨運輸供需匹配過程更富彈性[30]。

近年來，通過智能手機對共享單車、公共交通出行線路與網(wǎng)約車的選擇，顯著改變了人們的出行習慣，出租車街頭隨機攬客比例大幅度降低，“預約”成為越來越普及的“打的”方式，而網(wǎng)上購物也顯著降低了居民通過實體店購物的比例，降低了城市道路上購物出行的交通量。未來自動駕駛技術(shù)推動下，共享汽車的推廣或許將降低人們對私家車擁有的欲望，并改變城市交通結(jié)構(gòu)。

3.4 時空元素的變化

交通運輸網(wǎng)絡決定著經(jīng)濟系統(tǒng)的空間、時間及經(jīng)濟距離，因為交通運輸?shù)谋举|(zhì)是人員和貨物在空間的位移。這里，位移的效率是由運輸速度及其所依賴的交通基礎設施網(wǎng)絡和運輸工具決定的，技術(shù)要素的變化帶來了快速和協(xié)同，無疑將縮短運輸?shù)臅r間距離。

從交通運輸系統(tǒng)與經(jīng)濟系統(tǒng)的相互作用看，交通運輸作為社會經(jīng)濟系統(tǒng)運行的一種衍生活動，未來在區(qū)域產(chǎn)業(yè)體系優(yōu)化背景下的空間距離可能將發(fā)生變化。例如，隨著住房供給條件的改善，就近就業(yè)將改變職住結(jié)構(gòu)，降低城市居民的出行距離；而3D 打印、就近制造將顯著縮短產(chǎn)銷地之間的距離，從而縮小運輸距離與運輸規(guī)模[28]。

因此，技術(shù)要素對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的影響，將造成產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和資源配置的改變、貨物倉儲方式的改變、貨物物流及供應鏈結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進而作用到交通運輸系統(tǒng)。生產(chǎn)方式、流通方式和交換手段的變化都將從時空角度影響交通運輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和組合效率。

3.5 要素變化的效果分析

作為一個復雜系統(tǒng)，交通運輸系統(tǒng)的市場需求是交通運輸系統(tǒng)變化的拉動力，決定交通運輸系統(tǒng)工程演化的進程；技術(shù)革命是交通運輸系統(tǒng)變化的推動力，決定交通運輸系統(tǒng)工程的形態(tài)；制度創(chuàng)新和政策措施是交通運輸系統(tǒng)能否運行的重要因素，決定交通運輸系統(tǒng)工程對變化中運輸系統(tǒng)研究方向的選擇。

總之，人類社會活動規(guī)模不斷增長給全球有限資源帶來的可持續(xù)發(fā)展壓力將是未來交通運輸系統(tǒng)發(fā)展的硬約束，決定交通運輸系統(tǒng)工程研究的邊界條件。從系統(tǒng)角度評估各類技術(shù)、組織模式、產(chǎn)品供給特性以及服務效能的效果是面臨的另一項重要任務。

4 結(jié)論與討論

我國交通運輸系統(tǒng)工程的發(fā)展已有40年歷史，回顧其成長歷史，可以得到以下幾點基本結(jié)論。

(1)我國綜合交通系統(tǒng)發(fā)展水平的提高與國家社會經(jīng)濟發(fā)展需求的增長增加了交通運輸系統(tǒng)問題的復雜性，使得交通運輸系統(tǒng)工程的發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要涉及可持續(xù)發(fā)展、提升服務效能、降本節(jié)耗及安全保障等方面。交通運輸系統(tǒng)工程研究的主要領域如圖3所示。

圖3 交通運輸系統(tǒng)工程研究的主要領域Fig.3 Coming key fields of transportation systems engineering

(2)復雜的經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境與資源壓力增加了交通運輸系統(tǒng)工程問題的難度。一方面，我國社會與經(jīng)濟發(fā)展經(jīng)過長期、快速發(fā)展，基礎設施水平已經(jīng)有了顯著改善，我國的城市化以及部分一線城市地區(qū)機動化水平已接近資源限界，交通運輸系統(tǒng)發(fā)展面臨戰(zhàn)略選擇。另一方面，我國提出的“碳達峰，碳中和”戰(zhàn)略對交通運輸系統(tǒng)發(fā)展提出了新的要求。如何在這兩大背景因素約束下，做好交通強國建設工作，實現(xiàn)交通強國綱要的目標，需要深入研究。

(3)交通運輸系統(tǒng)工程問題的重點向復雜性的縱深發(fā)展，需要協(xié)調(diào)的因素數(shù)量、問題深度及其不確定性進一步增加。交通運輸系統(tǒng)中出現(xiàn)了許多新業(yè)態(tài)、新模式，包括新的供需模式，這些問題一方面值得研究和完善，另一方面，如何從政府與市場角度，以更加長遠的角度、更加系統(tǒng)的視角去研究其應對與交通結(jié)構(gòu)引導策略[31]也值得深思。

(4) 新技術(shù)給交通運輸系統(tǒng)發(fā)展帶來了新機遇，同時也可能對既有交通運輸系統(tǒng)的發(fā)展帶來更迅速的變革需求與更嚴峻的經(jīng)營挑戰(zhàn)。作為支撐社會與經(jīng)濟長遠發(fā)展戰(zhàn)略的基本元素，如何結(jié)合我國不同區(qū)域的自然地理環(huán)境條件，從系統(tǒng)工程角度研究選擇適合我國國情的未來交通運輸技術(shù)體系及發(fā)展實施路徑是復雜而重要的課題。