基于系統進化樹的重大工程復雜性動態演化研究

羅 嵐，劉鈺洋，薄秋實，楊晨曦，王建望

（1.南昌大學 公共政策與管理學院，江西 南昌 330031，E-mail：boqs@ncu.edu.cn；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641）

重大工程是國家社會經濟發展的生命線，并已經成為我國技術創新的重要平臺[1]。重大工程是指投資規模巨大、實施周期長、技術異常復雜，對社會、經濟及生態環境等影響深遠的大型公共工程[2]，具有顯著獨特性和一次性特點，亦是具有多主體、非線性、動態性、集成性的復雜創新系統[3]。盛昭瀚等[4]認為在系統科學范疇，從系統性到復雜性不是系統性“量”的增加，而是系統性“質”的提升，這一變化將導致工程管理與重大工程管理的各個領域在管理思維、原則、方法論的層次和內容都出現了一系列重大變化。這揭示了重大工程復雜性對其造成影響的根本性原因之一——動態演化。

對于重大工程復雜性演化的相關研究，張宇翔等[5]從網絡結構演進的創新性視角，探究了中國工程企業在國際復雜工程項目中的合作網絡特征及合作網絡關系演化規律。樂云等[2]基于“政府—市場”二元情境分析組織模式的形成、配置和全生命周期過程演化，從而揭示了重大工程組織模式呈現多樣性和動態演化性的路徑和特征。李永科等[6]以深圳羅鐵水庫為例從系統科學的角度初步揭示重大工程復雜性全生命周期的動態演化過程?？梢?，雖然業內對于復雜性的探討與研究眾多。目前雖然針對重大工程復雜性主題的研究眾多，但主要以靜態為主，并且對于復雜維度的系統展開式研究甚少，沒有系統地形成復雜性維度的動態演化載體，且大多針對一般工程，對重大工程復雜性的認識缺乏一個通用的、統一的框架，尤其是我國重大工程項目具有獨特的“情境”、強勁勢頭和廣闊空間，是重大工程理論研究的創新源泉[7]。因此，有必要結合重大工程項目情境特征和工程實踐界定重大工程復雜性的內涵與外延，并梳理識別重大工程項目復雜性因素及構成維度。

為了能夠將重大工程復雜性影響因素進行聚類，并對不同的重大工程復雜性維度進行擴展，運用系統進化樹模型（Phylogenetic Tree）可以很好地從系統科學的角度考慮重大工程復雜性的歷史動態演化，從而達到研究目的。本文基于系統科學與復雜適應系統理論、系統進化理論，通過文獻提煉析出重大工程復雜性維度與相關影響因素，借助并裁剪生物進化語言構建契合重大工程復雜性系統進化樹，以此回顧重大工程發展歷程中的復雜性演變機理，并探索在時間效應下重大工程復雜性的動態演化規律和特征。運用系統進化樹模型將重大工程復雜性影響因素重新聚類，使用推理樹計算復雜性影響因素及聚類進化頻次，以此推斷重大工程復雜性未來畫像，試圖探究重大工程復雜性動態演化歷程。

1 重大工程復雜維度與影響因素提取

1.1 重大工程復雜性的構成維度

由于重大工程復雜性的內涵廣泛，許多學者對復雜性的構成維度進行了分類。Baccarini[8]將項目復雜性劃分為組織復雜性和技術復雜性。Maylor[9]則增加了組織和技術復雜性的資源復雜性。Bosch-Rekveldt等[10]將項目復雜性分為三類：技術復雜性（包括目標、范圍、任務、經驗和風險），組織復雜性（包括規模、資源、項目團隊、信任和風險），以及環境復雜性（包括涉眾、市場和風險）。He 等[11]對大型項目的復雜性分為組織、技術、目標、環境、文化和信息復雜性。Nguyen 等[12]認為項目復雜性包括組織、技術、社會政治、環境、基礎設施和范圍復雜性。國內學者如張延祿等[13]將重大工程的復雜性劃分為6 類，分別是技術、內容、信息、組織、目標和環境復雜性。從上述對重大工程復雜性的分類研究可以看出，不同學者對復雜性的分類標準不同，得到了不同的構成維度，但技術、組織和環境復雜性等構成維度在許多研究中得到了一致的認同。

通過梳理歷史文獻，總結學者們的研究，結合重大工程項目的實際建設情況，本文將重大工程的復雜性分為六大維度：技術復雜性、組織復雜性、任務復雜性、環境復雜性、社會復雜性、制度復雜性。

1.2 重大工程復雜性影響因素提煉

Pauget 等[14]認為組織是重大工程復雜性的主要影響因素，影響項目復雜性的因素可以歸納為大規模和長時間跨度、多種技術學科，參與者的數量，跨國家、利益相關者的不同利益、隨著時間推移成本的增加，國家風險、不確定性和公眾的注意力或政治利益等因素。樂云等[15]以上海世博會重大工程建設項目為例，從結構、規模、環境、信息、動力學特征、系統目標和人的因素7 個方面研究重大工程項目復雜性的根源。Zhu 等[16]依據訪談數據確定了影響項目細節復雜性的關鍵因素有信息質量、項目類型、項目位置和項目規模，動態影響因素有人的行為、經濟波動、需求變化和政府部門要求。除此之外，王紅衛[17]提出如何應用大數據和人工智能增強傳統基于知識和模型的決策方法對復雜性的應對能力也需要探索，將智能制造、運維管理與重大工程復雜性結合在了一起。何清華等[18]則基于扎根理論對復雜性影響因素做出解釋。

通過對前人的文獻進行梳理，總結出影響重大工程復雜性的因素特征可以分為內源性與外源性，顯現與隱現。內源性以與項目和組織自有性質及以其為基礎發育形成的其他性質為主，外源性特征主要以含有環境因素的特征來區分；而顯現指的是參與方眾多、施工技術難度高等特征，隱現指的是高度動態的緊耦合系統、非線性涌現性現象突出等特征。這些因素相互影響相互作用，同時有會隨著重大工程項目的進行而發生變化。如果能預先預料到可能出現的風險情況或外在環境并有效防治則能降低重大工程復雜性。

基于重大工程復雜維度的文獻分析，可以析出并形成共包含6 個復雜維度與53 個影響因素的重大工程復雜維度系統，傳遞了復雜維度與復雜因素關聯性及復雜因素聚類情況如表1 所示。

2 重大工程系統進化樹構建

2.1 基于二元數據的重大工程系統進化樹構建

重大工程復雜性影響因素會隨著時間的變化而產生動態變化，進而影響其復雜性，這種動態變化體現了生物進化的特征。而在生物學上，進化樹方法是一種工具，其目的是為了理解生物的未來進化過程，而提供一種構建生物證據的有效工具，能為有機體提供進化的依據。MEGA 軟件可用于序列比對、進化樹的推斷、估計分子進化速度、驗證進化假說等，還可以通過網絡進行序列的比對和數據的搜索，能夠直接將生物進化序列轉化成系統進化樹，因此本文選用MEGA 軟件導入重大工程復雜性影響因素序列，使用0-1 聚類判定的UPGMA 法構建進化樹。

通過回顧系統進化樹分析在生物學以外領域的應用，這些應用足以驗證和描述這些領域的技術，并梳理了復雜性的進化進程。姜鵬[20]梳理了影響大型工程復雜性演化因素的特征，包括原因、損失、結果和特征；由共同原因衍生的復雜性特征；創新、規則偏差；決策者選擇有限資源對抗風險的后果；復雜性影響因素分類；復雜性影響因素的傳播；不同行業、不同組織對影響因素的偏好不同；歷史案例研究。

同時，系統進化樹的0-1 聚類判定又以重大工程復雜性特征為基礎。李永奎[23]認為與經濟、社會和生物系統等一樣，重大工程也具有強烈的變化和依賴特征，并具有“情境-策略”的適應性。盛昭瀚等[24]認為重大工程方案功效關于情景深度不確定性的魯棒性就成為重大工程核心決策的本質品質，具有重大工程核心決策屬性的內核表征。以復雜性影響因素進化的特征作為判斷依據，通過專家打分及學者們對于項目復雜性的評價，將文獻析出的復雜性影響因素標記的電泳譜帶轉換成二元數據，0 表示該因素不受此特征影響，1 表示受其影響。將二元轉化結果計算為距離矩陣（下三角）數據，將距離矩陣導入MEGA 軟件，使用UPGMA 法建樹，得到系統進化樹如圖1 所示。通過phylogeny test進行1000 次隨機bootstrap 檢驗，得到進化樹每個分支的bootstrap 值。一般認為節點處的bootstrap值大于60 時分支置信程度高。

圖1 復雜性系統進化樹最大節約樹及影響因素熱圖

2.2 復雜性聚類分析

根據進化樹的計算，得到8 個復雜性聚類。該系統進化樹所有分支的bootstrap 值均在60 以上，故保留所有分支。聚類a，b，c，d 距離根更近，說明這些聚類與復雜性起源有更強的親緣關系。將系統進化樹最大節約樹及熱圖的數據結果整理后，解釋進化樹所包含的信息。聚類特征及每個聚類所包含的復雜性影響因素如表2 所示。

表2 復雜性影響因素的聚類及特征

聚類a 主要顯現出特有情境下跨組織的不確定與依賴等性質；聚類b 主要顯現出組織戰略層面的不確定性與動態性；聚類c 表達了重大工程的自然環境與資源特性；聚類d 表達了具有文化情境依賴的信息與策略特性，有明顯的隱現復雜性特征；聚類e 表達了組織與跨組織的固有特質；聚類f，g 表達了組織內部的固有特質，有強烈的內源性；聚類h 顯現出與目標、信息與技術維度的內源性特征。

根據模型計算結果，聚類d 包含10 項影響因素，使得聚類d 成為系統進化樹中最大的分支；聚類a，b，h 都含有9 項影響因素，其共同特征包括強烈的變化和依賴、“情境-策略”的適應性與關于情景深度不確定性的魯棒性特征。聚類e 與f 擁有3 個影響因素，是系統進化樹中的最小分支，表明這些影響因素在復雜性的歷史追溯中表達較少。值得注意的是，因素“社會經濟與法律環境”“工期緊迫性及不確定性”“裁剪模式”與“信息共享”獨立形成分支，表明因素獨立性強，難以判斷變化情況。

從系統進化樹的聚類結果來看，復雜性影響因素的進化與重大工程特征呈正相關。其中具有外源性特征的復雜性影響因素都因為受政策與環境影響而聚類發生組織間的復雜性變化，這種復雜性聚類具有一定的溢出作用。而保持緊密內源性特征的復雜性影響因素與強烈的變化與依賴顯示出了持續的耦合性，有同時增進或減少復雜性的趨勢。

3 復雜性影響因素的進化歷史追溯與發展預測

基于聚類得出二元數據轉化疊加結果如圖2 所示，其中橫坐標N，O，P 分別表示低、中、高度進化，可以看出所有元素都得到了中度到高度進化。聚類a 與聚類b 的進化次數最高，并各代表了16.37%與16.00%的復雜性。這表明隨著復雜性的增強，戰略、價值、文化、跨組織、信息等相關影響因素得到了強烈進化，并凸顯出高度復雜性。53 個影響因素中有26 個因素達到了5 次進化，占比達到49.06%，表明系統總體進化水平高。除此之外，聚類d 與聚類h 中的復雜性影響因素在復雜性進化中也具有較大的影響力。

圖2 復雜性聚類及各影響因素進化次數

針對復雜性聚類中進化頻次最高與最低的影響因素結合復雜維度進行特征描述及推測他們可能對復雜性產生的影響，結果如表3 所示。其中任務復雜性影響因素包含最多進化信息，存在大量變化，推測未來將會強力推動重大工程復雜性增強。組織固有性質的影響因素如“組織層次結構”與“組織成員的經驗和社會背景”進化頻次低，推測隨著重大工程復雜性增強，這些影響因素也會隨之進化。

表3 復雜性特征的歷史模式及未來預期

從數據結果發現，聚類a 與聚類b 有最大的進化頻次，具有高度復雜性水平。另外，顯現特征較隱現特征具有更長的進化距離，而隱現特征更難衡量其復雜性。從表3 數據可以發現，項目構成復雜維度中組織固有性質的影響因素進化頻次低，推測可能與在重大工程領域中對人的行為量化研究較少。組織復雜性維度中的影響因素由于與“情境-策略”二元性具有強烈的耦合性而一同進化，表現出正相關趨勢，這表明隨著項目復雜性的增大，組織內與組織間的復雜性也隨之增大，產生溢出效應。而之前具有強烈的顯現特征的社會經濟與法律環境等影響因素穩定性相對較高，與復雜性呈現出一定的對抗性，同時也是形成復雜性及推動復雜性演化的充分條件。通過形成復雜性影響因素系統和系統進化樹可以分析復雜性的進化史，了解復雜性是如何形成的，以及如何更好地管理復雜性。

4 結語

基于重大工程內外視角，可將重大工程復雜性影響因素特征分為強烈的變化和依賴、“情境-策略”的適應性、顯隱現、內外源與關于情景深度不確定性的魯棒性。本文基于系統科學與系統進化理論，探討了每一影響因素與復雜維度整體的關系。系統進化樹在此演化過程中用來形成復雜性聚類與測量復雜性因素的進化次數，此模型提供了一個重點方向，即根據項目復雜性維度來分配項目有限資源。本文將進化樹分析方法應用于重大工程的復雜性分析，拓寬了對復雜性的認識。通過分析大型工程復雜性影響因素的動態變化，追溯復雜性的起源，預測未來復雜性的演化方向。在實踐過程中，有助于在項目實施前進行預測，幫助管理者識別復雜性管理中存在的問題。