（管理科学与工程专业论文）基于复杂性科学的虚拟城市建模研究.pdf

山东师范大掌博士掌位论文 捅叟 城市是一个复杂系统。虽然目前科学界对复杂系统没有严格的定义，但复杂 系统所具有的特征是明确的，包括分形结构、自组织临界性、复杂网络等基本特 征。本文将运用复杂性科学理论和复杂系统建模工具，研究城市系统的复杂性特 征，包括城市的分形结构，城市的自组织及自组织临界性，以及城市系统中的复 杂网络等。论文的主要研究内容包括以下几个部分： 1 城市分形结构研究 分形结构具有层次性和自相似性，具有空间利用率高，可扩展性强等优点， 广泛存在于自然界中。人类的活动空间自觉或不自觉地形成了空间的分形结构， 从建筑到居住环境，从社区到整个城市，从城市到城市体系，人类的活动空间具 有层次性和自相似性。不仅城市的空间结构具有分形特征，城市中几乎一切具有 整体分布性质的事物都具有分形特征，如交通、通信、能源传输等硬件设施，以 及公安、银行、医院、学校等服务设施，都相应地具有分形特征。研究城市分形 特征中的层次性和自相似模式，有助于在城市规划过程中优化空间结构，在城市 管理过程中优化资源配置。 本文在分析城市分形特征的基础上，利用这些分形特征建立了分形城市模 型。模型运用分形机制规划城市空间，其中包含一个迭代过程和一个分形过程， 迭代过程是一个空间布局的规划过程，同一个层次上的规划过程具有相似性；而 分形过程是递归的迭代过程，该过程实现了空间结构的层次性。在两个过程的相 互作用下，城市的区域不断被划分和分形，最终可以形成在各种大小尺度上具有 自相似结构一即所谓无标度性一的分形城市。论文进一步比较了虚拟分形城市与 中心地景观的异同，并验证了虚拟分形城市的空间分布满足z i p f 律。分形城市 模型为城市建模提供了一个新的方法，对于城市现象研究和城市规划具有一定的 理论和实践意义。 2 城市自组织和自组织临界性研究 复杂系统的另一个特征的是系统的自组织性。城市作为一个复杂系统，也是 一个自组织系统。在一个城市系统中存在大量的自组织机制，而使这些机制发挥 作用的影响因素极其复杂，本文仅就基于博弈的空间实体的选址作为城市形成和 演化的自组织机制，结合h o t e l i n g 模型和d l a 模型，通过该机制建立了基于自 组织的城市形成和演化模型。与分形规划过程相反，自组织过程是一个自下而上 的过程。分形规划过程和自组织过程虽然是两个完全相反的过程，但得到的结果 是致的，即在模拟城市现象方面两个过程是异曲同工、殊途同归的。 山东师范大学博士掌位论文 具体过程是将个体( 居民点和商业点) 的选址博弈行为作为城市空间布局演 化的基本机制，个体根据局部环境的供需均衡情况决定其行为( 转变、迁移、维 持等) 。虚拟城市系统的空间格局是群体博弈的结果，当系统演化到相对稳定的 程度，系统状态是一个博弈均衡状态。运用多a g e n t 技术建立计算机模型，对计 算机模型的模拟演化结果进行统计分析，通过与真实城市系统的空间分布特征的 对比分析，对模型进行定性与定量相结合的研究。该模型对于研究宏观城市系统 的长期演化趋势具有理论价值。 通过对模型的理论分析，得到有关商业、交通、信息技术等环境因素影响城 市发展的一些结论，如“当系统演化到接近均衡状态时，会出现居民点和商业点 的聚集现象。商业点的聚集程度会大大高于居民点的聚集程度”；“在城市发展进 入均衡状态时，商业繁荣程度越高，城市的稳定性越弱，反之则越强”；“空间个 体密集区域的稳定性较高”等等。通过模拟实验分析，验证了理论分析的正确性， 同时也验证了所生成的虚拟城市模型处于自组织临界状态。 3 城市道路网络的自然形成与演化研究 复杂网络是复杂性科学研究的重要领域，复杂网络具有小世界，集群( 集聚 程度) ，幂律的度分布等重要特征。动物身体内的血管、神经系统，植物的枝杆、 叶脉，大地的江河水系等都是复杂网络，城市的交通系统也是一个复杂网络。本 文在借鉴j s 吼模型的基于l 一系统的道路网络分形模型的基础上，提出了一个 基于自组织的道路网络模型，它根据局部的交通需求分布式地自动生成交通系 统。生成规则十分简单，就是根据交通需求率的大小生成不同等级的道路，交通 需求率越高，生成的道路等级越高。局部地域的交通需求率与人口分布密度成正 比，人口分布越密集则交通需求率越高。另一方面，已有的交通系统会影响人口 的分布，为了获得交通的便利，人们有向交通干线迁移的趋势。由于存在这一互 为因果的互动因素，系统始终处于动态演化过程中。通过模型可以研究在自然状 态下城市道路网络的形成与演化规律，对于研究自然形成的交通系统的模式特征 具有理论意义，对城市道路网络的规划具有指导意义。 本文通过与复杂网络5 个基本特征的比较，从理论上论证了所形成的虚拟道 路网络是一个复杂网络。模型给道路网络规划的启示是：现有的道路网络具 有内在的合理性，应尽可能在现有道路网络的基础上，运用复杂网络模型模拟和 分析道路网络的负载能力、流量和时间波动，对道路网络中的个别路段进行拓宽 和改造；寻求人口分布与道路网络分布之间的均衡关系；道路网络中的等 级体系体现了资源利用和效率的平衡关系；物流运输规划可以借鉴植物叶脉 或动物血管等仿生学模型。 4 城市生态系统研究 i i 山东师范大掌博士学位论文 本文将城市隐喻为生命体，城市之间的竞争与合作机制构成了由城市群组成 的生态系统；引入“生态位”的概念分析城市的发展和演化策略，包括城市发展 规模的选择和特色的定位。城市生态位是城市系统长期演化的结果，各个生态位 形成了一个相互依赖的服务链条，在这个链条上传递着物质、能量和信息。城市 规划者需要描绘出区域城市系统中的生念位图景，并确定自己所占据的生态位制 定出适宜的生存策略。每个城市都应该拥有自己的生态位，即自己生存发展的空 间。如果偏离了生态位，就会导致城市之间的恶性竞争和畸形发展。 运用复杂性科学研究城市空间结构和城市管理问题是一个兴起了多年的热 点问题，目前仍然具有重要的研究意义，因为我国的城市一直处在一个动态的发 展过程中，各大中小城市对自身的定位还远远没有完成，城市的空间布局也在平 衡资源的矛盾中不断发展变化，因此城市演化规律的研究对于城市规划和城市管 理具有重要的现实意义。 关键词：系统复杂性，复杂网络、自组织临界，分形，虚拟城市模型，自组 织城市 山东师范大掌博士掌位论文 s t u d yo nv i r t u a lu r b a nm o d e lb a s e do nc o m p l e x i t yt h e o r y a b s t r a c t c i t i e sa r ev i e w e da sc o m p l e xs y s t e m s t h e r eh a s n tac l e a rd e f i n i t i o no fc o m p l e x s y s t e mi ns c i e n c e ，b u tc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xs y s t e ma r et a n g i b l e ，w h i c hc o n s i s to f f r a c t a ls t r u c t u r e ，s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l ，c o m p l e xn e t w o r k b a s e do nt h et h e o r yo f c o m p l e xs c i e n c ea n dm o d e l i n gt o o lo fc o m p l e xs y s t e m ，t h ep a p e rh a ss t u d i e dc i t y s y s t e m sc o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gc i t y sf r a c t a l ，c i t y ss e l f - o r g a n i z e da n d s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y , a n dc i t y sc o m p l e xn e t w o r k t h ep a p e rh a sc o n c e n t r a t e do n t h ef o l l o w i n gs u b j e c t s ： 1 s t u d yo i lc i t yf r a c t a ls t r u c t u r e f r a c t a l sa r eh i e r a r c h i c a l l yo r d e r e ds t r u c t u r e sr e v e a l i n gs e l f - s i m i l a r i t ya c r o s ss c a l e s ， w h i c hw i d e l ye x i s ti nt h en a t u r e ，a n db e s i d e s ，t h e yh a v ea d v a n t a g e so fh i g hs p a c e u t i l i z a t i o na sw e l la sb e t t e r e x p a n s i b i l i t y f r a c t a l s t r u c t u r e sc o m ei n t o b e i n g c o n s c io u s l yo ru n c o n s c i o u s l yi nd e s i g n i n gh u m a na c t i v i t ys p a c ef r o ma r c h i t e c t u r et o i n h a b i t a n te n v i r o n m e n t ，c o m m u n i t yt oc i t y , a n dc i t yt oc i t ys y s t e m n o to n l yd o e s c i t y sa p a c eh a v ef r a c t a ls t r u c t u r e ，b u ta l s oa l li n t e g e rt h i n g si nac i t yh a v ef r a c t a l s t r u c t u r e s ，b o t hi nh a r d w a r ei n f r a s t r u c t u r e ss u c ha st r a f f i c ，c o m m u n i c a t i o n s ，e n e r g y s o u r c et r a n s p o r te t c ，a n ds e r v i c ee s t a b l i s h m e n t ss u c ha sp o l i c e ，b a n k ，s c h o o l ，a n d h o s p i t a l e t c t od or e s e a r c ho nh i e r a r c h ya n d s e l f - s i m i l a r i t y i n c i t y f r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c sc a nh e l pt ob e t t e rs p a c eu t i l i z a t i o ni n c i t yp l a n n i n g a n do p t i m i z e r e s o u r c ea l l o c a t i o ni nc i t ym a n a g e m e n t t h ep a p e rh a so f f e r e dac i t yf r a c t a lp l a n n i n gm o d e l ，i nw h i c hf r a c t a lm e c h a n i s mi s a p p l i e d t h ep l a n n i n gp r o c e s si n c l u d e sa ni t e r a t i v ep r o c e s sa n daf r a c t a lp r o c e s s i t e r a t i v ep r o c e s si sap l a n n i n g p r o c e s so fs p a c el a y o u tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i m i l a r i t yo nt h es a m eh i e r a r c h y , w h e r e a sf r a c t a lp r o c e s si sar e c u r s i v ei t e r a t i v e p r o c e s s ，w h i c hr e a l i z e sh i e r a r c h i e so ff r a c t a ls t r u c t u r e w i t ht h ei n t e r a c t i o no ft w o p r o c e s s e s ，c i t ys p a c ei sc o n t i n u o u s l yp l o t t e da n df r a c t a l ，i tf i n a l l yf o r m saf r a c t a lc i t y w i t hs e l f - s i m i l a r i t ya c r o s ss c a l e s t h ep a p e rh a sf u r t h e rc o m p a r e ds i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sb e t w e e nv i r t u a lf r a c t a lc i t ym o d e la n dc e n t r a lp l a c es y s t e m ，a n dv a l i d a t e d t h a tt h ev i r t u a lf r a c t a lc i t yo b e y sz i p f sl a w v i r t u a lf r a c t a lc i t ym o d e lh a sp u tf o r w a r d ac r e a t i v em e t h o df o rc i t ym o d e l i n ga n do f f e r sb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et os t u d yo fc i t yp h e n o m e n aa n dc i t yp l a n n i n g 2 s t u d yo i ls e l f - o r g a n i z e dc i t ya n dc i t y ss e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y s i n c ea n o t h e rc h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e x i t yi ss e l f - o r g a n i z e d ，c i t yi sc o n s i d e r e dt o b eac o m p l e xs y s t e m ，a n dm e a n w h i l ei ti sa l s oc a l l e das e l f - o r g a n i z e ds y s t e m t h e r e i v 山东师范大掌博士掌位论文 a r em a n ys e l f - o r g a n i z e dm e c h a n i s mi nac i t ys y s t e m ，a n dr e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s e m e c h a n i s mi sv e r yc o m p l e x t h ep a p e rc o m b i n e sh o t e l i n gm o d e la n dd l am o d e lt o c o n s t r u c tc i t y sf o r m i n ga n de v o l v i n gm o d e lb a s e do ns e l f - o r g a n i z e dm e c h a n i s mo f s p a c ee n t i t i e s s i t e s e l e c t i o n c o n t r a r yt o f r a c t a lp l a n n i n gp r o c e s s ，s e l f - o r g a n i z e d p r o c e s si sab o t t o m - u pp r o c e s s h 1s p i t eo ft h ef a c tt h a tt h et w op r o c e s s e sa r ed i s t i n c t l y d i f f e r e n t ，t h e ya c h i e v et h es a m er e s u l ti ns i m u l a t i n gc i t i e s p h e n o m e n o n t h e s e l f - o r g a n i z e dp r o c e s si no u rm o d e lh a su s e da ne v o l v e m e n tm e c h a n i s mo f c i t ys p a c el a y o u tw h i c hi sb a s e do na c t i o n so fi n d i v i d u a l ss i t e s e l e c t i o n i n d i v i d u a l s c h o o s et h e i r b e h a v i o r s ( t r a n s i t i o n ，m i g r a t i o n ，o rs t a n d ) a c c o r d i n g t ot h e i r c i r c u m s t a n c e s v i r t u a lc i t y ss p a c el a y o u ti sar e s u l to fa l li n d i v i d u a l sd e c i s i o n s w i t h t h ea i do fm u l t i - a g e n tt e c h n o l o g y , w ec a nb u i l dc o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rm o d e lt o s i m u l a t et h ep r o c e s s ，a n da n a l y z et h es i m u l a t i n gr e s u l t s c o m p a r i n gw i t hs p a c el a y o u t f e a t u r e so fr e a lc i t y , w ec a ns t u d yl o n g t e r md e v e l o p i n gt r e n do fc i t ys y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fr e s u l t s ，w ec a nd r a wm a n yc o n c l u s i o n sa b o u t c i r c u m s t a n c ef a c t o r si n f l u e n c i n gc i t y sd e v e l o p m e n t f o ri n s t a n c e ，w h e ns y s t e m d e v e l o p st oab a l a n c e ds t a t e ，w ec a l lo b s e r v eh a b i t a n t s i t ea n dc o m m e r c e s i t ea r e a s s e m b l i n gt o g e t h e r , a n da s s e m b l i n gd e g r e eo fc o m m e r c e s i t ei sg r e a t e rt h a nt h a to f h a b i t a n t - s i t e f u r t h e r m o r e ，t h em o r ep r o s p e r o u sc i t y sc o m m e r c ei s ，t h ew e a k e rc i t y s s t a b i l i t yi s ，a n dv i c ev e r s a t h ep a p e rh a sv a l i d a t e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st h r o u g h a n a l y s i so fr e s u l t so fs i m u l a t i n ge x p e r i m e n t s i nt h em e a nt i m e ，i th a sa l s ov a l i d a t e d t h a tv i r t u a lc i t ym o d e l i si nt h es e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a ls t a t e 3 s t u d yo nf o r m a t i o na n de v o l v e m e n to fr o a dn e t w o r k c o m p l e xn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tf i e l di nt h ec o m p l e xs c i e n c e t h ec h a r a c t e r i s t i c o fc o m p l e xn e t w o r ki n c l u d e ss m a l lw o r l d ，c l u s t e r , a n dp o w e r - l a wo fd e g r e e d i s t r i b u t i o n a n i m a l sb l o o dv e s s e l ，n e u r a ls y s t e m ，p l a n t st w i ga n dv e i n ，w a t e rs y s t e m o fr i v e r sa r ea l lc o m p l e xn e t w o r k c i t yt r a f f i cs y s t e mc a na l s ob et r e a t e da sac o m p l e x n e t w o r k b a s e do nj s u nm o d e l ，t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r dat r a f f i ca u t o g e n e r a t i o n s y s t e mm o d e l t h em o d e lc a na u t o m a t i c a l l yg e n e r a t en e wr o a ds y s t e ma c c o r d i n gt o l o c a lt r a f f i cs i t u a t i o n t h ed e m a n df o rt r a f f i cd e t e r m i n e st h em a g n i t u d eo fr o a d n e t w o r k t h ed e m a n df o rl o c a lr o a d si sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hp o p u l a t i o nd e n s i t y , w h i l et h ee x i s t i n gr o a dl a y o u th a sa ni m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o no fp o p u l a t i o ns i n c e p e o p l ew i l lm o v et o w a r d sm a i nl i n e so f c o m m u n i c a t i o n t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nr o a d l a y o u ta n dp o p u l a t i o nd e n s i t yc a u s e st h et r a f f i cs y s t e mt ob ei nad y n a m i ce v o l v i n g s t a t e t h ef o r m i n ga n de v o l v i n gl a wo fc i t i e s r o a dn e t w o r k sc a nb es t u d i e sw i t ht h e h e l po f m o d e l c o m p a r i n gw i t h5f e a t u r e s o fc o m p l e xn e t w o r k ，t h ep a p e rh a s g o ts o m e r e v e l a t i o n sa b o u tc i t yr o a dn e t w o r kp r o g r a m m i n g ：c u r r e n tr o a ds y s t e mh a si t s o w ni n n e rr a t i o n a l i t y c i t yr o a dn e t w o r kp l a n n e rs h o u l dm a k et h em o s to fc u r r e n tr o a d s y s t e mt oo p e nu po rr e b u i l dr o a ds e c t i o n sb a s e do no l dr o a d o n ec a nu s ec o m p l e x v 山东师范大掌博士学位论文 n e t w o r km o d e it os i m u l a t et r a f f i ca n da n a l y z el o a da b i l i t y , f l u x u n d u l a t i o no fr o a d s y s t e mt og e tm o r ek n o w l e d g eo fc u r r e n tr o a ds y s t e m ：i tn e e d st of i n dt h e b a l a n c e dr e l a t i o n sb e t w e e np o p u l a t i o nd i s t r i b u t i o na n dr o a dn e t w o r kl a y o u t h i e r a r c h yi n r o a ds y s t e me m b o d i e st h eb a l a n c eb e t w e e nr e s o u r c eu t i l i t ya n d e f f i c i e n c y ；b i o n i cm o d e lo fa n i m a l sb l o o dv e s s e lo rp l a n tv e i nc a nb ee m p l o y e d i np l a n n i n g1 0 9 i s t i e s 4 s t u d yo i lc i t ye c o s y s t e m t h ep a p e ru s eam e t a p h o rt h a tc i t yi sak i n do fl i f e f o r m c i t ys y s t e mi sac i t y e c o s y s t e mi nw h i c ht h e r ee x i s tm e c h a n i s m so fc o m p e t i t i o na n dc o o p e r a t i o na m o n g c i t i e s t h ec o n c e p to fe c o l o g i c a ln i c h ec a nh e l pu st o a n a l y z es t r a t e g yo fc i t y d e v e l o p m e n ta n de v o l v e m e n t ，s u c hs t r a t e g ya sc i t yd e v e l o p m e n ts c a l ea n dc i t yf e a t u r e o r i e n t a t i o n c i t i e s e c o l o g i c a ln i c h ei sar e s u l to fal o n ge v o l v e m e n ta n de a c h e c o l o g i c a ln i c h eh a sf o r m e da ni n t e r d e p e n d e n ts e r v i c ec h a i n ，b yw h i c hs u b s t a n c e ， e n e r g ya n di n f o r m a t i o na r ep a s s e d c i t yp l a n n e rs h o u l dd e s c r i b et h ec i t ys y s t e m s e c o l o g i c a ln i c h em a pa n dd e t e r m i n et h ep o s i t i o ni nw h i c hh ei s ，i no r d e rt of i g u r eo u t s t r a t e g yo fc i t yd e v e l o p m e n t e v e r yc i t ys h o u l dh a v ei t so w ne c o l o g i c a ln i c h e ，n a m e l y s u r v i v a lr o o m i fd e v e l o p m e n to fac i t yd e v i a t e sf r o mi t se c o l o g i c a ln i c h e ，m a l i g n a n t c o m p e t i t i o n sa m o n gc i t i e sa n dc i t i e s a b n o r m a ld e v e l o p m e n tw i l ly i e l d i th a sb e e nah o tt o p i cf o rm a n yy e a r st oa p p l yc o m p l e xs c i e n c et ot h es t u d yo f c i t ys p a c es t r u c t u r ea n dc i t ym a n a g e m e n t t h et o p i cs t i l lr e m a i n sg r e a ts i g n i f i c a n ta t p r e s e n t ，s i n c em a n yc i t i e s i no u rc o u n t r ya r ea l lt h ew h i l ei nad y n a m i cs t a t e t h e s e c i t i e s d e v e l o p i n go r i e n t a t i o n sa r en o tc l e a ra n dc i t ys p a c es t r u c t u r e sk e e pc h a n g i n gt o b a l a n c et h ec o n f l i c t i o no fu t i l i t yo fa l lk i n d so f r e s o u r c e t h e r e f o r e ，s t u d yo nl a wo f c i t yd e v e l o p m e n ti so fg r e a ti m p o r t a n c et op l a n n i n ga n dm a n a g e m e n to fc i t i e s k e yw o r d ：s y s t e mc o m p l e x i t y , c o m p l e xn e t w o r k ，s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y , f r a t a l ， v i r t u a lc i t ym o d e l ，s e l f - o r g a n i z e dc i t y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：阵疙导师签字训伤 n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权趁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：9 京残 签字日期：2 0 0 9 年，2 月7 e t 导师签字洲钞 - 4 签字日期：2 0 0 年f z 月7 日 山东师范大学博士学位论文 第一章概述 1 1 引言 一个城市就像一个生命体，作为生命的形式它更像是植物或低等动物。它通 过模式复制不断曼延( 繁殖和生长) ，吞噬着周围环境中的各种自然资源，并产 生一定的废弃物( 新陈代谢) 。它一旦诞生，便丌始了适应环境的演化过程( 适 者生存) ，它同样也有生长、成熟，衰落直至消亡的生命周期。 如果在一个处于迅速发展的城市的上空，固定放置一架相机，每天拍一张照 片，经过十年时间，一共是3 6 5 0 张照片，按2 4 帧秒的频率回放大约需要两分 半钟，会看到一个城市变迁的更为直观的过程。这种观察的感觉大致会如此：这 是一个自然的、合乎情理的，仿佛本该如此的生长过程，就像植物的生长或云的 形成一样。尽管中间会出现一些不连贯的小插曲，如有些建筑会重建、重修或暂 时的停顿等，尽管局部的发展是随机的( 如东边盖一栋楼，西边建一个小区等) ， 但从总体趋势上看却具有某种内在规律性。这一在时间轴上的压缩，可以更容易 地发现支配城市变迁背后的各种规律。 城市的自然发展有其自身的规律，具有自组织演进的内在动力。自组织演进 是一个自下而上的过程，是通过局部之间的相互作用实现整体上的某种秩序和模 式。而城市的规划与管理是外部强加于城市发展之上的作用，是一个自上而下的 过程。现代都市的形成和发展，会受上述两种作用的影n 向。自组织作用是内因， 规划管理作用是外因。内因源于自然法则，而外因则是人们强加于城市之上的主 观能动性。自然辩证法法告诉我们，只有充分认识和运用自然规律，才能发挥好 主观能动性。 城市的基本职能是为了解决个体活动和人际交往之间的空间关系。人们生存 和活动以及人际交往都需要相应的空间，但空间同时也在不同程度上阻碍着人际 交往。城市的演进是上述两者之间的权衡，是分散与聚集的平衡，是交通成本与 空间成本之间的运筹。 交通工具的发展使都市有向大型化发展的趋势，通信技术发展，又有使人们 回归田园式的小型化城镇生活模式的趋势。任何科学技术的发展，生态环境的演 化，或多或少都会直接或间接地对城市的存在状态产生影响。在城市的管理模式 方面，过度的集中管理和过于分散的管理是两个极端。政府希望前者，百姓希望 后者；前者以整体效率优先，后者以局部和谐优先。自上而下的强制规划建设， 或无政府的自然发展，都有可能导致城市的畸形发展。 城市的形成离不开设计，但任何一座城市都不是完全通过设计产生的。它不 山东师范大学博士学位论文 是由一个人，也不会是由一个庞大的组织( 如大公司，国家) 设计而成，甚至不 是一代人努力的结果。它是一个经历人类世世代代建设和演化的结果。它是文明 发展的历史产物。它由各种交织在一起的错综复杂的元素构成，其中包括一个关 键元素，即人类的活动。城市是一个“活”的肌体，肌体中的每个有机部分都需 要“营养”，因此它需要进行新陈代谢，“吞噬”和“消化”环境中有用的资源， 产生能量和自我更新。在与其他城市之间的竞争中，它一方面可以不断调整内部 结构以适应环境，获得竞争优势；另一方面，它通过优良模式的复制，扩大自己 的势力范围。 城市的整体行为，不会服从于任何一个个人的意志，也不会是某个群体组织 的决策结果。它有自己的个性和特点，存在某种超越任何个人或集体的特质。它 的宏观行为具有与生命个体( 尤其是低等生命形式) 类似的行为特征，表现为具 有一定的自组织能力，适应环境能力。任何个人和集体只是它“肌体”的组成部 分，是它的“细胞 或“组织”。这些“细胞或“组织”的行为，对它的健康 可能会起到积极的作用，也可能会起到消极的作用，但一般不会是决定作用。否 则，就会丧失城市整体的自组织性。 城市就像一棵树，从第一个定居的居民开始，到小村庄、集市、小镇，再由 小城市逐步发展成为现代化大都市。这完全是一个自下而上的过程。而一个纯粹 的人造系统一般是自上而下建设的。如一座大楼，一艘舰艇或一个计算机系统等 等，无论多么复杂的人造系统，在它们诞生之前就已经被严格地限定在图纸上了。 而图纸或模型的设计是自上而下地将整个系统逐步分解为功能子系统，并进一步 细分，将庞大的系统再分解为更简单的小系统，在建造了简单小系统后再组装成 大系统。这类系统的内部结构般是通过规则的几何形体( 立方体，圆柱体，球 体等) 及其变形构成的。这种构建模式与大自然造物的模式截然相反。大自然的 模式是一个自底向上的过程。基本粒子的相互作用形成了原子，原子的相互作用 形成分子，分子的相互作用形成无机物质和有机物质，物质的相互作用形成生命， 同类物种( 如人类) 之间的相互作用形成了社会。不同物种的相互作用形成生态 环境。“自上而下”和“自下而上”构建模式的不同，决定了对象的整体性是否 可以进行分解( 即通过基于系统组成部分的理解，是否可以完全解释系统的整体 性质) 。前者是可以进行分解和还原的，因此它可以进行局部的替换和移植。可 以实现“分而治之 的策略；而后者是不能被分解的，将其割裂后一定会失去某 些关键的整体特质，因此是分解后不可再还原的。 城市系统是人工自然物：它的局部由人工设计和建造而成，但其形成机理与、 自然物相似，是一个白下而上的过程，是通过其局部的适应、调整和优化，内部 模式的复制和演化逐步形成的。城市包含静态结构和动态结构，静态结构又包括 建筑布局，交通系统，自然地貌等；动态结构是指静态结构之上的人流、物流、 信息流，能量流等。它在环境中周期性地吞吐着物质和能量，不停地处理着各种 2 山东师范大掌博士学位论文 信息，并在外部信息和内部运行机制的驱动下进行着自我更新。为了便于更好地 发现城市的整体特质，本文运用隐喻的研究方法，研究城市生态系统和城市的生 态位，城市通过商业贸易与其他城市个体进行合作和竞争，不断进行自我更新， 以适应生存和发展的需要。 城市具备生命的基本特征：模式复制、自适应、自组织、演化、新陈代谢等。 那么，城市是否本身就是一种生命形式? 这是一个涉及哲学和人工智能的颇具争 议的议题，在本文的第4 章有关自组织系统的讨论中初步涉及。但城市具有复杂 系统的全部特征，如分形、全息、能量法则、z i p f 分布，1 f 涨落，临界性( 秩 序与混沌) 等。因此城市是一个复杂系统，需要运用复杂系统的一般规律研究城 市问题。 城市是“城”和“市 两种功能的结合体。城市是一个处于临界状态的系统。 城市最初的功能是市场功能( “市”的功能) 。在社会分工以后，人们需要交换商 品，于是出现了供给和需求。个体的商品交换逐渐发展为大型的集贸市场，由于 供给和需求是一对极不稳定的矛盾，所以市场行为是一个高度动态的行为。市场 规模、市场秩序本身逐渐成为了一种有价值的财富。为了进一步维护市场的价值， 于是出现了“城”的功能。“城”是边界和保