21世纪上半叶技术科学发展预测——基于两种数学模型的比较分析，本文主要内容关键词为：两种论文,技术科学论文,数学模型论文,世纪论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：G301 文献标识码：A 文章编号：1003-2053(2007)03-0398-06
众所周知，技术科学已是当代科学技术体系中的重要组成部分，它既是基础科学与工程技术之间的基本纽带、科研成果转化为直接生产力的重要桥梁，又是现代工程技术教育的主要学科基础。如果能在定量的层面上揭示技术科学的发展特征与规律，并据此有效地预测其未来的发展趋势，就能为科技与产业发展战略的制定与调整、工程技术教育的改革与发展、未来社会人力资源的配置与优化等重大问题的决策提供可靠的理论依据。
1 数据来源及其选取
经过认真筛选，我们决定采用姜振寰主编，中国经济出版社1991年出版的《自然科学学科辞典》作为统计源。由于编者在认真研究现代科学技术体系的基础上，“分横断学科、基础自然科学、工程技术科学、农学科学、医学科学、综合科学六大类”收集各学科条目，既反映了“在传统的各门基础学科之间，自然科学与社会科学之间，正在形成为数众多的、具有交叉性质或综合性质的新学科”的趋势，又基本上“能够覆盖自然科学各门类”。因此，作为本课题的统计源，应该说既较简明又颇合适[1]。
从全书1862条学科条目中，以我们在综合研究的基础上对技术科学范畴的统一界定[2]为准则，遴选出技术科学学科1004门，去除其中的101门较冷僻且信息不完全的学科之后，共收集了信息比较完全的903门学科。又由于其中包含着直至公元前 495年的少量古代实用科学，而技术科学主要是在文艺复兴后由工匠传统和理论传统的逐步交融才出现的，因此，最后选定公元1440年（文艺复兴的开始年代）到1987年（统计样本的截止年代）产生的886门学科作为研究技术科学发展特征与规律的样本。
下面分别从技术科学学科在时间过程中的增量和累积量两重视角对这886门学科的时间序列特征展开描述与分析。
2 技术科学学科在时间过程中的增量模型
为了明显地反映技术科学发展的特征与规律，通过尝试比较，我们选定5年为一个计时单位，绘制出如图1所示的，从1440年到1987年间，每个计时单位内新生技术科学学科数的时间序列增量特征曲线。
通过研究发现，技术科学的发展与社会产业结构的变迁之间存在着明显的相关性[2]因此，我们便把美国经济学家梅兹(Rainer Metz)绘制的去除战争影响的经济长波曲线和技术科学总体发展的时间序列增量特征曲线置于如图2所示的同一个坐标系中作对比分析。从图2可以清晰地观察到以下现象并推导出相关结论：
图1 技术科学总体发展的时间序列增量特征曲线
图2 技术科学发展与经济长波 （去除战争影响）演化的对比
(1)技术科学发展存在着周期性增长特征，而且这个周期与经济长波的周期是基本一致的。经济长波理论家们一般认为经济发展存在50-60年的长周期；梅兹根据其统计结果估算，长波平均长度为 54-56年。而技术科学发展的四次高峰出现在 1800-1804年、1850-1854年、1900-1904年、1945 -1949年4个计时单位上（第四次高峰由4个子峰组成，这里以第一个子峰出现作为该阶段技术科学大发展的起点），这就不难看出，大的高峰之间的间隔分别为50年、50年、45年。我们认为，第二次世界大战期间，由于受政治和军事因素的强烈刺激与推动，技术科学获得了超常发展；而这里的经济长波曲线反映的是去除战争影响后的经济运行状况，故两者间显然存在着系统误差。所以原则上可认为，技术科学的发展也存在着50年左右出现一次高峰的周期性特征。而且，图2中两种波峰一一对应，彼此嵌套，这表明历次技术科学发展高潮，就是为对应经济长波中主导产业群的发生、发展提供知识服务的。
由于梅兹收集的统计数据截止到1979年，故其第四次经济长波曲线是一个不完全的波形。我们又通过检索1995-2001年的《国际统计年鉴》，并根据其中的“世界工业生产指数”统计数据，分别计算出1986-1989年（缺乏1985年的数据）、1990- 1994年、1995-1999三个计时单位内世界工业产出增长率（扣除采掘业）的平均值，分别为3.76%、 1.23%、4.29%。将这三组数据和图2中的梅兹经济长波曲线拼接起来，便不难发现，第四次经济长波实际应终止于1990-1994计时单位[2]。参照实际经济运行状况，我们可以将1994年作为第四次经济长波的终点，1995年作为第五次经济长波的起点。再按梅兹估算的平均周期做推算，则第五次经济长波当终止于2048-2050年。因此，对21世纪上半叶技术科学发展趋势的预测，实际上就是推测第五次经济长波期间技术科学发展的基本特征。
(2)技术科学发展的前三次高峰都表现为持续 30年的单一波峰，而第四次高峰则由彼此间相距10年的4个子峰组成。首先，这表明第四次高峰期间技术科学的发展模式已与前三次高峰期间出现了质的差异，很可能与这一时期“大科学”的出现，以及控制论、原子能科学、航天学等技术科学已作为带头学科而崭露头角直接相关[3]。其次，由于统计源出版年代与统计分析时间过于逼近，统计数据难以收集齐全，依照历次技术科学发展高峰与经济长波一一对应嵌套的原则，技术科学第四次高峰应与第四次经济长波对应，最迟当截止于1994年。再次，参照其他学者的研究成果，认为“在第二次世界大战后的50年里，科学技术的发展又经历了5次革命性的变革，每次变革的周期为10年”[4]。故我们推测完整的第四次技术科学发展高峰应由5个相隔10年的子峰组成。下面根据相近相似的原则，参照第四次技术科学发展高峰的完整模式外推第五次技术科学发展高峰的状况，应该是比较合理的。
根据上述图形特征和所分析的变化趋势，我们采用下列数学程序来预测第五次经济长波期间技术科学发展的规模与速度。
(1)在技术科学总体发展的时间序列增量特征曲线中，选取不同历史阶段出现的技术科学发展波峰的8个数据点拟合得到上包络线L[,1]，波谷的6个数据点拟合得到下包络线L[,2]。将上、下包络线分别按各自趋势外推到21世纪中叶之后，以第四次技术科学发展高峰的模式作参照，第五次技术科学发展高峰期间各个波峰与波谷的数据点均应处于上、下包络线的沿线之间。
(2)根据技术科学总体发展时间序列增量特征曲线的图形特点，把1752-1957年的时段分成1752-1802年、1802-1852年、1852-1902年、1902-1957年四部分，并分别选取到四部分里所有的数据点（前三部分各有11个点，第四部分有12个点），运用最小二乘法拟合，得到4条抛物线L[,3]、L[,4]、L[,5]、L[,6]。
(3)再根据以上四条抛物线的极值点拟合抛物线L[,7]。对照第四次经济长波期间技术科学发展高峰的特征，我们推测出2010-2014年计时单位内第五次经济长波期间技术科学发展的第二个子峰顶点应与上包络线的延线相交，由交点可求得该计时单位内的技术科学新生学科数为158门。最后通过 (1967，113)、(2012，158)作抛物线L[,8]，既使其最低点的横坐标在1967-2012年之间，又使该点落在L[,7]上。
(4)参照第四次经济长波期间技术科学发展子峰的样式和起落幅度，即模仿数据点与抛物线和上下包络线的相对位置的比例关系，绘制出如图3所示的21世纪上半叶由5个子峰组成的技术科学发展高峰坐标曲线。
图3 21世纪上半叶技术科学总体发展的时间序列增量特征
需要补充说明的是，在第四次高峰期间，统计出的最后两个数据点均处于下包络线的下方，我们认为这是由于对1980年以后实际新生学科数未能收集齐全所导致的。故在推测第五个子峰状况时，作了适当假设：使其位于下包络线的上方，峰值又低于第四个子峰。这样便可全面预测出21世纪上半叶新生技术科学学科的发展与分布状况。
(5)根据步骤4所得到的预测数据点，通过求和，可获得1995-2049年闭区间内技术科学新生学科总数为995门（即：43+99+71+158+87+169+ 60+95+66+74+73=995），结果如图3所示。
3 技术科学学科在时间过程中的累积量模型
为了更为准确、全面地把握技术科学发展的特征与规律，并检验以上结果的可靠性，除采用上述增量统计方法外，我们又对其进行了累积量转化处理，得到如下的累积函数：
其中：M(t)表示到t年底技术科学学科的累积总数；n(k)表示k年内新增技术科学学科数。
以累积学科数M的自然对数作纵坐标，时间t为横坐标，作时间序列曲线，并以最小二乘法拟合，结果得：lnM(t)=-22.2916+0.0145742t。在置信度为0.99（即显著性水平为0.01）情况下，拟合函数的置信区间如图4所示。
图4 技术科学总体发展时间序列累积量特征的半对数坐标曲线
把拟合函数还原为指数函数则为M(t)=Exp (-22.2916+0.0145742t)，该函数表明技术科学在时间过程中的累积发展基本呈指数增长特征。按该函数式计算，1995年到2049年间新增技术学科数为1057门；技术科学累积学科数的倍增周期为
年。
4 两种模型比较的结论
增量模型预测的结果是第五次经济长波期间，即1995-2049间，每5年一个计时单位内新生的技术学科数，共11个数据点。我们把预测的增量数据用累积函数转化成相应时间点上的累积量，就得到了如图5所示的用增量模型预测的21世纪上半叶技术学科数的累积量表示。再在同一坐标系中描绘出累积量模型的拟合函数曲线，则两种模型的预测结果就可以放在同一个坐标系中作对比。分析图5中拟合函数曲线和散点系列之间的关系，可以得到以下结论：
图5 两种模型预测结果的比较
(1)两种数学模型对技术科学未来发展趋势的预测是基本一致的，实际上二者从增量和累积量的不同侧面反映了技术科学发展的特征与规律。由图 5可见，1987年前的散点系列表示实际统计获得的技术学科数，后11个散点系列是增量模型预测结果的累积量表示。累积量模型得到的函数图像就是图中的指数曲线。散点位置与指数曲线的位置相当接近，这说明两种数学模型对技术科学未来发展趋势的预测是基本一致的。具体地说，通过以上两种数学模型，我们预测出1995-2049年间新增技术学科数分别为995门和1057门，若取两者的平均值1026门，作为对21世纪上半叶技术科学发展的预测结果，根据我们的其他相关统计研究结论[2]，其中与第五次主导产业群直接相关的技术学科则为599门。如果视技术科学学科数与社会对应用性知识以及生产这类知识的人才需求成正比，以第四次技术科学发展高峰期间相关统计数据作参照，则在第五次经济长波期间，社会在这方面的知识、人才需求总量和对其投资规模要比第四次经济长波期间翻一番。这与累积函数所推算的倍增周期为47.5年的结论是基本一致的。
由累积量模型的函数式和曲线特征还可以看出，技术科学的发展基本符合D.Price提出的科学发展的指数增长规律[5]，即学科增长速度与已有学科数的总量成正比，在“时间－累积学科数的对数”这个半对数坐标系中，图形为一条直线。我们认为， D.Price关于科学发展的指数增长规律，实际上主要揭示了一般的正常社会背景条件下，科学体系内部由学科间交叉渗透、知识信息互动增殖等效应推动科学不断发展的内在逻辑规律。技术科学是现代科学体系的重要组成部分，当然也不例外，故其发展在整体上也基本呈现指数增长规律。在累积量模型中，我们实际上是依据技术科学发展的这一规律作线性外推，预测其下一个周期发展趋势的。对于线性系统，通过趋势外推来预测其未来发展，结果一般是比较合理的。因此，按通常情况，累积量模型预测的结果应当比较可信。而用增量模型作出的预测结果与累积量模型的预测结果基本一致，这表明，增量模型的预测方法也是比较合理的。可以说，它们是从不同侧面反映了技术科学发展的特征和规律。其中隐含着两个重要结论：21世纪上半叶，技术科学仍将呈加速增长态势；第五次经济长波期间，技术科学的发展模式与第四次经济长波期间是基本一致的。
(2)技术科学在总体上基本呈指数增长规律，但局部因受外部产业结构变迁因素的强力驱动而出现跳跃式发展。从科学技术体系结构上看，技术科学应是一个介于基础科学与工程技术之间多层次连续谱式的技术学科群，从抽象到具体包括4个层次：①基本技术科学(T[,1])，研究具有某种技术定向的物质运动形式的学科，如流体力学、工程热物理等；②过程技术科学(T[,2])，研究基本人工自然过程、社会过程运动特征和规律的学科，如传热学、运筹学等；③工程技术科学(T[,3])，研究某一基础行业中物质基本运动规律的学科，如化学工程学、机械工程等；④综合技术科学(T[,4])，研究某一产业或新型开发领域的综合性学科群，如农业科学、空间科学等[2]。根据上述技术科学学科的相关统计资料，我们可绘制出如图6所示的T[,1]、T[,2]、T[,3]、T[,4]发展的时间序列增量特征曲线簇。由图6可见，曲线簇在发展过程中以紊乱波和嵌套波交替的方式不断演进。紊乱波阶段，四个层次的技术科学学科发展相关程度较低；而嵌套波阶段，不同层次技术科学学科之间涨落速率基本一致，起讫时间基本同步，波峰之间彼此嵌套，四者间表现出明显的相关性。
图6 T[,1]、T[,2]、T[,3]、T[,4]发展的时间序列增量特征曲线簇
比较可见，紊乱波对应着图4中累积曲线的技术科学连续指数增长阶段，它实际上反映了各个层次的技术科学学科按通常的指数增长规律自发发展的特点，表明科学体系内在的逻辑发展规律是该阶段技术科学发展的主要动力。而嵌套波则对应着图 4中累积曲线的跳跃增长阶段，即技术科学发展的高峰阶段，它反映了该阶段4个层次技术科学学科的发展几乎受到同一种外部社会力量的强力驱动。这种力量就是近代以来以主导产业群更替为特征的产业结构变迁现象。并具体表现为在历次技术科学发展高峰期间，新生的学科中与当时主导产业群的相关度平均高达77.56%[2]的特点。这说明与基础科学相比，技术科学发展不仅受科学自身内在逻辑发展规律的制约，而且更要受到外部经济、产业发展需求的强力拉动。也正是周期性产业结构变迁的强力驱动，使得四个层次的技术科学学科发展呈现周期性彼此嵌套现象，并使技术科学在总体上呈现出一次次的周期性发展高潮。
因此，技术科学的发展过程是受科学内在逻辑发展规律持续式推动与外部产业发展需求间断式拉动双重因素共同作用的结果。也可以说，在总体上技术科学的发展具有自组织特征，基本呈现指数增长规律；在某些局部阶段，由于产业结构变迁拉动相关学科迅速发展，也包含着他组织特征。当然一般情况下这种他组织的外力，又必须通过科学、技术内部的知识互动、整合体现出来。正是这种外部社会力量，使经济长周期波动特征与技术科学发展的宏观规律关联起来，使其发展也表现出以50年左右为周期的高潮迭起现象。
(3)20世纪中叶之后，技术科学的发展将更多地受社会、经济需求的制约。从图2、图5和图6的比较中不难看出，1945年以后技术科学的发展较之以前已发生了很大变化。
首先，第四次技术科学发展高峰与梅兹所绘制的去除战争影响的经济长波曲线之间已不像以前那样彼此对应嵌套，前者显然是超越正常的经济增长需求提前出现了。前已述及，这可视为第二次世界大战期间，由于受正常经济、产业之外的政治、军事等社会因素的强烈刺激，技术科学获得超常发展所导致的。实际上这是技术科学在当时受到一种偶然性外部社会力量的作用所表现出来的特殊结果。
其次，第四次经济长波期间，技术科学的发展已不像以前表现为紊乱波与嵌套波的彼此交替，而基本上整个地表现为嵌套波的波形。按照上文的分析，紊乱波对应累积曲线中的连续指数增长阶段，表明科学体系内在的逻辑发展规律是该阶段技术科学发展的主要动力；嵌套波对应累积曲线中的跳跃增长阶段，即技术科学发展的高峰阶段，经济、产业的需求等外部社会因素则是这一阶段的主要驱动力量。而第四次经济长波期间技术科学发展几乎表现为完整的嵌套波，只能说明其整个发展阶段都持续地经受着外部社会力量的驱动。而该阶段“大科学”的出现、国家或区域创新系统的创建、产学研互动的频繁发生，都是外部社会力量驱动技术科学发展的新型社会形式。
再次，第四次经济长波期间技术科学发展的高峰已不像此前表现为持续30年的单一波峰，而表现为连续分布于整个经济长波期间内、彼此相距10年的多个子峰。这说明由于科学、技术的全面发展，科技与社会互动的不断深入，科学长入经济、产业的生长点增多了，外部社会力量驱动技术科学发展的机遇便频繁出现。也正是在这一历史阶段，凯德洛夫发现控制论、原子能科学、航天学等一组技术科学学科已作为新型带头学科而崭露头角[3]。这也表明至此技术科学在整个现代科学体系中已发挥着史无前例的重要作用。
综上可见，20世纪中叶以后，一方面技术科学的发展已较全面地经受社会、经济等外部因素的制约；另一方面，它在整个科技、经济、社会发展中已担当起空前重要的角色。而我们的预测结果又显示，21世纪上半叶，技术科学仍将会按照20世纪下半叶的模式加速发展。因此立足当代，面向未来，人类对技术科学的发展进行合理的全面规划已时不我待，而对其系统地加强管理亦责无旁贷。
收稿日期：2006-05-17；修回日期：2006-08-10
标签：科学论文; 时间序列论文; 增量模型论文; 数学模型论文; 预测模型论文; 统计模型论文; 经济模型论文; 特征函数论文; 经济学论文;