生态工业作为解决环境、资源和能源问题的手段之一,是学术界和工程界研究的热点和难点。成功的规划管理和先进可靠的技术支持是一个生态工业园实现其经济及环境目标的关键因素。随着科学技术的进展以及国内外生态工业园的广泛推行,园区的管理和生产技术已经趋于成熟。然而由于生态工业系统在构成、不同成员生产工艺、企业共生关系、环境政策等方面的复杂性和演变性,急需对生态工业系统形成和发展的内部机理进行研究,找出其规律,为园区的规划和管理的完善提供理论支持和指导。目前,尚缺乏一个比较完整的模型来模拟生态工业系统中企事业单位等各种子系统互动互作的社会、经济、空间行为导致的生态工业园区或区域生态工业系统宏观结构的动态演变过程,这样的过程也没有一个成熟的理论支持,这正是本文要解决的主要问题。生态工业系统是一类典型的复杂开放系统,企业之间以及企业与环境之间,相互关联、相互制约,存在着复杂的、多种多样的非线性相互作用。本文从非线性科学出发,充分应用自组织理论、分形理论等复杂系统理论探讨了生态工业系统的演化规律。首先对生态工业系统进行了复杂性分析,阐述了其开放性、复杂性、进化性、多层次性、适应性等特点;其次以非平衡统计力学为基础,构建了子系统相互作用的生态工业园系综,并推导出判断系统结构模式的势函数和演化方程,探讨了生态工业系统的宏观结构形成和演变的动力学规律,从全新的视角分析了在内外环境约束下生态工业园区各企事业组元之间物质流、能量流和信息流的分配机制,指出生态工业系统形成和演化过程遵循分形长大的规律;然后,选取丹麦卡伦堡工业共生体和中国鲁北生态工业园作为典型案例,并以共生关系、功能块参数等作为原始数据,结合SOM(自组织特征映射网络)的算法,通过数值计算进行了量化的结构参量分析,得到的模拟结果和理论分析一致。本研究从理论和实证分析两个角度论证了生态工业系统形成和演化中的自组织现象和分形结构特性,为深入了解工业共生网络中复杂的关系变化打下了基础,对掌握生态工业园的结构演变和指导更广泛的工业园结构的优化设计无疑都有重要意义。