（系统工程专业论文）自组织理论在城市规划中的初步应用研究.pdf

自组织理论在城市规划中的初步应用研究 研究生：丁丽导师：陈森发( 教授)东南大学 摘要 城市规划是城市系统中各要素在一定时期内的总体发展目标和计划，是对城市 建设的综合考虑，是指导城市建设管理工作的基本依据，也是一个内容复杂庞大且 需要不断修订完善的大型动态系统，包括总体规划、分区规划及多种详细规划。目 前城市规划面临主要的问题是：针对城市这一非常巨大和复杂的系统缺乏系统性、 定量的分析方法。自组织理论是- - f - j 新兴的研究复杂巨系统的理论方法，特别是在 研究巨大而又高度复杂的菲线性系统方面给了我们新的提示。本文采用自组织理论 方法，以系统化的定量、定性分析相结合的思想为指导，构建城市总体规划的评价 指标体系和评价模型，对自组织理论在城市规划中的应用作一些初步的研究。 为此，本文重点研究了如下三个部分内容： 1 、概念性的介绍了自组织理论，分析了自组织理论群的关系；并在这个基础 上，阐述了自组织理论对城市规划学科的启示，提出了城市系统是白组织系统；城 市系统的发展过程是一自组织过程；城市各子系统间存在非线性的相互作用等观 点。 2 、介绍城市规划的系统构成和城市总体规划的具体职能，以及城市规划评价 的类型；提出了基于自组织理论的城市总体规划的方案评价指标体系，并根据这个 指标体系建立了一个基于自组织理论的城市总体规划的方案评价模型。 3 、介绍近代南京市的城市总体规划情况，并采用基于自组织理论的城市总体 规划的方案评价指标模型对南京市的城市总体规划方案( 包括首都计划、南京市城 市总体规划( 1 9 9 1 2 0 1 0 ) 、南京市城市总体规划( 2 0 0 0 2 0 2 0 ) ) 予以分析，并进行 了相关评价，并得出城市各子系统的相互协同发展才能使城市系统的发展稳定有序 的结论。 关键词：自组织理论城市规划指标体系方案评价 t e n t a t i v es t u d yo nu r b a np l a n n i n gb a s e do n s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y g r a d u a t e ：d i n gl is u p e r v i s o r ：p r o f - c h e ns e n f a s o u t h e a s tu n i v e r s i t y u r b a np l a n n i n gi sap l a nf o ra l lt h ee l e m e n t so fac i t ys y s t e md u r i n gal o n gt i m e ，i t i saw h o l ec o n s i d e r a t i o nf o rt h ec i t yd e s i g na n dt h eb a s i so ft h em a n a g e m e n to ft h ec i t y c o n s t r u c t i o n u r b a np l a n n i n gi sah u g ea n dd y n a m i cs y s t e m ，c o n t a i n sr r h 3 s t e rp l a n 、d e t a i l p l a n 、c i t yd i s t r i c tp l a na n ds oo n t h ei m p o r t a n tp r o b l e mw h i c hu r b a np l a n n i n gf a c e si s ： s y s t e m a t i ca n dn u m e r i c a lm e t h o d si sl a c k ，e s p e c i a l l yw h e nt h ec i t ys y s t e mi sb e i n gm o r e a n dm o r ec o m p l e x s i n c et h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r yi san e wm e t h o dt os o l v et h e p r o b l e mo ft h ec o m p l e xa n dh u g es y s t e m ，c o m b i n i n gt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i s a n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o ni ts y s t e m a t i c a l l yc a np r o m o t et h ep r o c e s so f u r b a np l a n n i n g s o t h em a i nr e s e a r c h e si nt h i st h e s i sa r el i s t e da sb e l o w ： 1 b r i e f l yi n t r o d u c et h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r ya n da n a l y z et h er e l a t i o n sb e t w e e n t h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y ；a n dt h e n ，o nt h eb a s eo fi t ，s e tf j r t ht h ee n l i g h t e n m e n t st o t h eu r b a np l a n n i n g ，p u tf o r w a r dt h a tt h ec i t ys y s t e mi sas e l f - o r g a n i z e ds y s t e m ，t h e p r o c e s so f t h ec i t yd e v e l o p m e n ti ss e l f - o r g a n i z e d 2 t h ec o n s t i t u t i o no ft h eu r b a np l a r m i n g 、t h er e a lf u n c t i o no ft h em a s t e r p l a n n i n ga n dt h et y p eo f t h ee v a l u a t i o no f u r b a np l a n n i n ga r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e n ，b a s e d o nt h es e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y , p u tf o r w a r dt h ei n d e xs y s t e mt oe v a l u a t et h ep r o j e c to f t h em a s t e rp l a na n dam o d e lf o ri t 3 m a s t e rp l a n so fm o d e mn a n j i n g ，w h i c hi n c l u d ec a p i t a lp l a n 、m a s t e rp l a no f n a n j i n g ( 1 9 9 1 2 0 1 0 ) a n dm a s t e rp l a no fn a n j i n g ( 2 0 0 0 2 0 2 0 ) a r ei n t r o d u c e da n d a n a l y z e db yu s i n gt h ei n d e xs y s t e ma n d t h em o d e l a tl a s t ，e v a l u a t i o n sa r es e tf o r t h k e yw o r d s ：s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y u r b a np l a n n i n g i n d e xs y s t e m p r o j e c te v a l u a t i o n 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名：j 西日期：? 巫：i ：哆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 西导师签名：善篁数目期：御万；巧 东南人学砸。学位论文绪论 0 1 选题的背景和研究意义 绪论 随着社会经济的不断发展，城市化脚步的不断加快，城市的规模和数量、城市 的物质空间和社会经济结构都发生了巨大的变化，城市系统的复杂化程度和内部冲 突日益增强，传统的城市规划方法和管理手段都开始难以适应时代的发展和市场机 制的需要，遇到了巨大的挑战，其原因可以主要的归纳为以下三点： ( 1 ) 从城市规划学科发展的历史上看 城市规划学科可以说从城市产生起就开始萌芽，早在2 3 0 0 年前，我国春秋时 期的周礼考工记就曾写道：“匠人营国，方九里，旁三门，国中九经九纬”，其 中“方九里”指的是城市规模，“旁三门，国中九经九纬”则讲的是城市布局及城 内的交通联系。现代城市规划发源于第一次产业革命后的英国，以e 霍德华 ( e h o w a r d ) 在1 8 9 8 年出版的明日：一条通向真正改革的和平道路为标志。 由于历史的原因，当时从事实际城市规划和建设工作的主要是一批建筑学家，他们 出自专业的本能，将城市当作扩大的建筑，“建筑师设计单幢建筑，规划师设计建 筑群” 1 1 ，而对城市发展的经济依据、社会发展目标、城市的开发、管理和控制缺 乏把握，导致了“现代城市规划学科虽然受孕于社会学、经济学，但却成长在建筑 学的摇篮之中，发育得难免有些畸形”e l l 。今天，随着社会更进一步的发展，城 市系统问题更趋于复杂，城市规划这门古老的学科虽有所进步，却并没有完全的成 熟起来，其研究水平至今还基本停留在定性阶段，对于复杂的城市系统问题难以驾 驭。 ( 2 ) 从城市规划的研究对象上看 城市是城市规划的研究对象。传统的城市规划方法由于缺乏对城市社会、经济 的研究，难以发现城市建设和发展的客观规律。一般来说，对城市及其问题的观察 和理解越深刻，对城市问题的解决才会越彻底。但是，城市作为一个复杂的巨系统， 人们难以从一开始就完全的撩开它的面纱，对它有一个比较全面的了解需要一定的 时间，如果此时对城市问题只是部分的切入，就会有“横看成岭侧成峰”之感，对 城市问题反而更加不好把握；同时，城市又是一个开放的系统，在其发展过程中， 查塑杰兰! 基主兰垡堡兰 笙堡 充满了未来不确定性，这成为城市规划中无法消除的矛盾。那么，如何充分地利用 现有的信息和科学技术，系统的掌握城市发展规律，正确有效的把握城市建设和发 展过程中的未来不确定性因素，成了现代城市规划师们目前亟待解决的问题。 ( 3 ) 从城市规划理论的发展上看 传统的城市规划理论被称之为“规划中的理论”( t h e o r y i n p l a n n i n g ) ，它试图采 用自然科学中的推理规则来解释城市规划的过程以及预测城市的发展，其经典规划 顺序为“调查分析一规划方案”。它认为只要获得足够多的信息，经过严密的推 理分析，就可以制定出“科学”的城市规划。正如上面曾论述到的，在实际的城市 规划过程中，关于城市信息的获得是十分有限的，所以信息的分析推理很多时候是 不严密的，往往将城市发展过程中出现的这些不确定性划入了非科学的范畴，从而 走向了迷途。 现代的城市规划理论被称为规划的理论( t h e o r yo fp l a n n i n g ) ，它与传统的城市 规划理论相异却互补。它将城市规划的实际过程作为研究的对象，抛弃了传统理论 那种将规划当作编制某一地区未来的终极理想蓝图的旧概念，把城市规划当作对某 一地区的发展施加的一系列连续管理和控制，并借助于寻求模拟发展过程的手段， 使这种管理和控制得以实施。其规划顺序着眼于控制规划( c y b e m a t e dp l a n n i n g ) ， 可以简洁的表示为目标连续的信息各种有关未来的比较方案的预测和模 拟评价选择连续的监督。它代表着一种使城市规划系统化的尝试和趋 势。但是我们还看到，由于实际城市规划过程中的复杂性和多变性，以及在现实环 境中存在的大量难以服从数学处理的因素，这种“用理智和逻辑来减少矛盾，加强 人类对其社会、经济、物质环境控制”【2 】的理论方法，还面临着困惑，需要更迸一 步的完善。 目前，以系统理论为基础的系统分析技术，尤其是近年来对系统综合理论发展 建树最大的自组织理论在研究巨大而又高度复杂的非线性系统，特别是在有生命的 系统方面给了我们新的提示。如果以系统科学的观点来看待城市、区域及其规划和 管理工作，将会使目前的城市规划学科得到很大的收益。所以本文采用白组织理论， 将城市规划过程中的方案评价作为主要的研究对象，对自组织的理论和方法在城市 规划中的应用作一些初步的研究。 东南大学硕l 学位论文绪论 0 2 基本概念及理论的阐述 0 2 1 城市规划及其相关理论 0 2 1 1 城市规划 城市规划从字面上理解就是对城市的规划，它具体的要求城市规划( 方案) 在 一定时期内“服务于城市的整体利益和公共利益，为了实现一套社会、经济、环境 的综合长远目标，提供未来城市空间发展的战略，并借助合法的权威通过对城市土 地适应及其变化的控制，来调整和解决城市发展复杂背景中特定问题的社会活动过 程”。在具体的实施过程中，城市规划要求规划师研究城市发展的规律，协调城市 各组成要素并加以综合平衡，为城市各局部地段的建设、单项设计提供控制指标和 依据。 由于城市规划是对城市未来较长时期内的城市发展进行规划和预测，决定了它 具有长期性和超前性；在宏观框架上，特别是区域、总体规划的规划结构具有刚性， 必须以具体的法定图则的形式落实；局部性的内容可以进行适时调整，以体现城市 规划的动态性；同时，城市规划又是一项政策性很强的工作，即城市规划必须在上 级主管部门的领导下，根据国民经济和社会发展战略的要求对城市经济和社会发展 做出宏观部署，并对各项具体项目做出具体的详细规划。总之，城市规划是一项综 合性很强的工作，其核心是土地利用和空间形态的建构。 0 2 1 2 城市规划的规划过程 城市规划的规划 过程是一循环过程，见 图0 1 。它的一系列子 过程呈直线关系发展， 兰翥 然后通过一个回路不 的实 旆状 断的重复：即在政府做太 出编制城市规划的决 定后，接受任务的规划 编制规划的决定 可能的规划方案 图0 1 城市规划的规划过程 师就开始收集相关城市的资料，并根据这些资料列出一系列目标以确定一些较具体 的任务；然后再借助于一些系统模型来确定他即将采取的若干可能的城市规划方 丕亘叁兰堡! ! 兰竺堡兰堕笙 案；随后，根据目标和财力等因素评价这些备选的方案并做出选择；最后采取行动， 实施所选择的城市规划方案。同时，规划师会在以后的每隔一段时间内定期检查一 下城市规划的实施状态，检查其偏离原先的城市规划目标假设有多远，并做出适当 的修正。 0 2 2 自组织的四种形式 自组织是在一定的条件下，由于系统内各子系统的相互作用，使系统形成具有 一定功能、结构的过程。自组织过程是一动态过程，它表现在自组织前后系统状态 的变化，表现为系统从一个均匀、简单、平衡的状态转变为一个有序、复杂、非平 衡的稳定状态。按照自组织过程实现的不同系统功能或方式可将自组织划分为四种 基本形式： 0 2 2 1 自创生 自创生是指在没有样本或母体的条件下，一种全新的系统结构、模式、形态从 无到有的自我产生出来，它是从系统在自组织过程中形成的新旧状态对比的角度对 其的一种描述。一般来说，新系统产生的基本方式是差异的整合，即许多被当作未 来系统的元素和子系统的事物或实体经过整合而形成统一整体。如果这种整合是在 没有特定外力干预下自发完成的，这就是系统的自创生。除人类有意识创建的系统 外，自然界及现实生活中的系统都是自创生的。当然，复杂巨系统的自创生也不是 一个单纯的自整合过程，它还包括了自组织的其他形式。 0 2 2 2 自生长 自生长是指系统要素的不断增加，系统规模的不断扩大，系统功能的不断自我 完善，它是从系统整体层次角度对系统自组织过程中所形成状态随时间演化情况的 描述。现代科学规范研究自组织的创始人阿希贝认为自组织有两种含义：一是系统 的从无到有；二是系统的从差到好。自刨生解决的是系统从无到有的问题，自生长 解决的就是系统从差到好的问题。由于系统不可能一经产生就很完善，需要在以后 的时间内不断的自我在发育，自我再完善、自我成熟起来。同时自生长也可以存在 于子系统层次上，由每个子系统的自生长实现整个系统的自生长。 0 2 2 3 自适应 自适应是从刻画系统与环境的关系角度对系统自组织过程的一种描述。适应包 4 查塑叁兰塑! ：鲎垡堡苎竺堕 括两个方面的内容：从外部看，它是指系统与环境之间的物质、能量、信息交换， 是以一种稳定有序的方式进行的：从内部看，它是指系统的要素之间以一种稳定有 序的方式彼此合作与竞争、互动与互应。只有系统要素之间稳定有序的互动互应， 系统与环境之间才能进行有序的交换。如果系统对环境的适应是靠自己的力量建立 和维持的，这就是自适应。系统的自适应演化不是一蹴而就的，而是一系列的过程， 即适应不适应适应。需要说明的是，对一个系统来说，当它处于非临 界点时，对于环境压力的小变化就无需改变其结果或行为模式，但是当环境压力增 大使系统处于临界点时，系统的结构和模式就不再适应环境，需要建立新的结构或 模式，这可以说是系统的自创生。但是由于这个过程并没有产生新的要素，只是改 变了原有系统的结构，在强调系统与环境关系时，称为系统的自适应更为准确。 0 2 2 4 自复制 自复制是指系统在没有特定外力作用下产生与自身结构相同的子代，它是从自 组织过程中，子系统之间如何相互作用以保证系统形成某种新的有序稳定态的角度 对自组织过程的一种描述。对于一个复杂系统在形成稳定状态后，从系统层次上看， 其状态不发生改变，但从子系统的层次上看，每个子系统都在变化，有生有灭。所 以说，从某种意义上讲自复制是针对系统中的子系统而言的，子系统具有自复制功 能，才能使系统在自组织过程中形成有序状态并保存下来。 0 3 国内外研究概况 自组织理论和方法在城市规划理论的前沿领域有着非常重要而深刻的应用。国 外在这方面的研究工作已有三十多年的历史，早在上世纪七十年代中期，艾伦 ( p m a l l e n ) 与耗散结构的创始人普里戈金合作，用基于耗散结构的模拟分析 证明了：城市是突现于局部行为的自组织结构的深刻范例。近年来，国外学者在研 究自组织理论和方法的基础上，创立并发展了自组织城市( s e l f o r g a n i z i n g c i t i e s ) 思想，从耗散城市( d i s s i p a t i r et i t i e s ) 到协同城市( s y n e r g e t i cc i t i e s ) 、 从分形城市( f r a c t a lc i t i e s ) 到混沌城市( c h a o t i cc i t i e s ) ，等等，自组织城 市理论自始至终都沿着系统科学演进的方向发展。现在，国外学者又在自组织城市 理论研究的基础上提出了自组织规划( s e l f - - o r g a n i z i n gp l a n n i n g ) 的全新思想， 旨在调和“规划”和“不可规划”的理论纷争和现实矛盾，向传统的城市规划与管 查堕叁堂堡圭兰丝丝苎堑笙 理的思想提出了严峻的挑战，但对城市规划工作本身而言，自组织规划理论目前还 只是一种革命性的思想，如果自组织的城市规划方法能发展起来，其理论意义和应 用价值也许会更为深远。 相比较而言，国内的学者对自组织理论和方法在城市规划领域的应用研究还不 是很成熟，虽有些介绍了国外学术界有关自组织城市及自组织城市规划理论的文 章，但提出创新理论的却为数不多。到目前为止，国内只有部分学者提出的“淡化 现行的城市发展”及“主要经济联系方向论”是对自组织理论在城市规划领域应用 的直接贡献。 0 4 论文结构和主要的研究内容 目前城市规划面临主要的问题是缺乏系统性的分析方法，在城市规划过程中主 要凭借规划师的经验，采用定性的分析方法解决问题；而城市系统又是一个非常巨 大和复杂的非线性系统，因此系统化的定量和定性分析方法相结合的应用将对城市 规划的发展有着良好的推动作用。自组织理论是一门新兴的研究复杂巨系统的理论 方法，本文将采用自组织理论中比较成熟的理论方法，构建城市总体规划方案的评 价指标体系和评价模型，具体的内容包括： 1 、自组织理论的概述及启示。这一章主要是对自组织理论做一个概念性的介 绍，并分析了自组织理论群的关系，指出耗散结构是解决自组织出现的条件环境问 题的：协同学基本上是解决动力学问题的；突变论研究了自组织的途径问题；超循 环论解决了结合形式问题；分形和混淹理论研究了自组织的结构复杂性和演化图景 问题；同时在这个基础上，阐述了自组织理论对城市规划学科的启示，提出了城市 系统是自组织系统、城市系统的发展过程是一自组织过程、城市各子系统间存在非 线性的相互作用等观点。 2 、基于自组织理论的城市总体规划的方案评价研究。在这一章首先介绍了城 市规划的系统构成和城市规划评价的类型，并穿插介绍了本文的具体研究对象 城市总体规划的具体职能；随后，提出了基于自组织理论的城市总体规划的方案评 价指标体系，主要从对城市总体规划方案本身的评价和对城市相关子系统及其相互 协同关系的评价这两个方面来评估城市总体规划方案，并根据这个指标体系建立了 一个基于自组织理论的城市总体规划方案的评价模型。 垄塑叁兰塑! ：竺垡堕兰 堑堡 3 、自组织理论在南京市城市总体规划评价中的应用。在这一章，将采用上一 章中提出的基于自组织理论的城市总体规划的方案评价指标体系和评价模型对南 京市的城市总体规划方案( 包括首都计划、南京市城市总体规划( 1 9 9 1 2 0 1 0 ) 、南 京市城市总体规划( 2 0 0 0 。2 0 2 0 ) ) 予以评价，并进行相关分析。 4 、结论与展望。这是论文的最后一章，这一章的内容是一个对全文的一个概 念性的总结，以及对自组织理论在城市规划中的应用展望。 东南入学硕士学位论立 第一章白组织理论概述发启“i 第一章自组织理论概述及启示 1 1 自组织理论概述 1 1 1 自组织理论( s e l f o r g a n i z a t i o nt h e o r y ) 的发展历程 自组织理论是研究自组织现象、规律的学说集合，它的发展经历了三个阶段：第一 发展阶段是在十九世纪中叶，自组织理论刚刚开始萌芽。达尔文提出的进化论可以称为 生物学的自组织理论；马克思提出的五种社会形态演进理论则是关于社会历史的自组织 理论，而他的生产力决定生产关系，经济基础决定上层建筑的原理是对社会历史系统自 组织机制的理论阐述；相变理论是物理学的自组织理论。虽然这三种理论都未曾明确提 出和使用“自组织概念”，但是他们对自组织的理解可以说与现代意义的自组织理解几 乎没有什么差异，可以称之为最早期的自组织理论。第二发展阶段是在二十世纪中叶， 1 9 4 8 年维纳创立了控制论，他提出的根据目标或对象的运动进行反馈以调节控制系统 的反馈过程已包含了一定意义上的自组织思想；而同时代的阿希贝在1 9 4 8 年出版的一 部著作：自组织原理，标志着现代意义的自组织理论就此诞生。第三发展阶段是从二 十世纪六十年代末开始，当时出现了一批以揭示一般自组织规律为目标的科学学派，代 表人物有普里戈金、哈肯、艾根等，他们提出的耗散结构论、协同学和超循环理论，以 现代科学的前沿成果为依据，建构了描述自组织现象的概念框架，明晰了自组织的概念 定义以及所具有的内涵，取得了人类认识世界的科学思维的重大突破。但是自组织理论 的研究工作并未就此停止，八十年代以来，以圣塔菲学派为代表的一大批科学家仍在不 断的研究、发展和完善自组织理论，为自组织理论在其它学科领域及实践活动中的成熟 应用提供了有力的理论支持。 1 1 2 自组织理论概述 如果一个系统无需外界特定的指令就能自行组织、自行创生、自行演化，能够自主 的从无序走向有序，形成稳定的结构，我们就将它称为自组织系统。自组织理论就是研 究自组织系统的起源、发展动力、条件、途径和图景的理论，它包括耗散结构论、协同 学等，下面就简要介绍一些这些理论。 查塑叁兰堡主兰垡笙苎 兰二雯! 垒堡型笙燮垄些旦垄 耗散结构理论是由比利时著名的科学家伊普里戈金( i p r i g o g i n e ) 创立的。这一 理论解决了一百多年来由热力学第二定律引发的有关“热寂说”的争论，第一次提出了 个远离平 一 r 廿j 也 囊耋霁薹 磊t 不可逆f 孤立丁平衡，线性：平衡结构 不可逆系 。开放 。非平衡t 非线性：耗散结构 统，通过 图1 1 系统结构的划分 以分解为内部的z j ( 系统内不可逆过程所产生的熵) 和外部的d e s ( 与外部环境交换 的熵) ：d s = d e s + d ，s 。内部的d 。s 只能为正或者为零( 此时系统为孤立系统) ，而决不 可能为负，相反，外部的熵流d e s 则可能为正也可能为负。所以，只有开放的系统，才 存在外部的熵流d 。s ，总熵才可能减少，系统才可能趋于有序。 少也可不增不减，即d s = 0 ，此时d s = 一d e s 0 ，系统内部的熵产生和输出给环境的熵 状态的有序只能在非平衡态才能维持。 ( 3 ) 通过涨落到达有序。涨落是系统状态量对其平均值的偏离，它是破坏系统原有 熵：热力学中定义为对系统能量转化自由程度或趋向热。f 衡的程度的度量；信息论中定义为对一个系统丢失丫信 息的度量。 9 堡塑叁兰! 鉴! 兰些堡塞 笙二童! 望堡些堡! 壁些里! ! 的作用，是系统发生演变乃至产生新结构的触发器。当系统处在其某一临界值时，某些 涨落会被放大成为一个巨涨落产生一个宏观的运动，但此时系统由于还保持了与外界的 交换，就以一种新的高级有序状态稳定下来，这就是以耗散结构为特征的“来自涨落的 有序”。 ( 4 ) 越过不稳定到新的稳定。非平衡是不稳定的，涨落也是不稳定的，外界输入激 励着不稳定，当外界输入到达一定闽值时，意味着系统不稳定性己达到临界状态，再过 一点，系统就会跃迁到新的有序状态。 ( 5 ) 非线性导致自组织。有非线性时，系统内部发生具有自催化反应的超循环，由 于增加了单独要素没有的相互作用，使系统在整体上产生了非加和的突现性，即整体大 于部分之和。在这个意义上，可以说自组织都是非线性所导致的。 1 1 2 2 协同学( s y n e r g e t i c s ) 协同学的创始人是德国的理论物理学家h 哈肯( h a r m a n n h a k e n ) ，他从对激光 的研究中受到启发，以现代科学理论中的最新成果_ f 言息论、控制论为基础，同时吸 取了耗散结构理论的论点，采用统计力学的考察方法研究开放系统的行为，找到了复杂 系统从无序向有序转变的机理。 协同学有两个很有名的论断：一是“协同导致有序”，即任何一个包括有大量子系 统的复杂系统，在与外界环境有物质、能量和信息交换的开放条件下，通过各予系统之 间的非线性相互作用，就能产生子系统相互合作的协同现象，使系统能自动的在宏观上 产生空间、时间或功能的有序结构，出现稳定的状态。这也就是说系统演化的动力是系 统内部各子系统之间的竞争和协同，而不是外部的指令! 系统内部各子系统通过竞争而 协同，从而使竞争中的一种或几种趋势优化，并因此支配整个系统从无序走向有序，从 而自组织起来。二是“支配原理”，又称伺服原理、役使原理，它是协同学的核心理论。 它认为当任意系统的状态可由多个变量描述时，不同变量对系统的影响是有差异、不平 衡的，根据它们在i 缶界点处的行为可以分为两类：一类是在临界点附近阻尼大，衰减快 的变量，称为快变量，它们犹如历史上的昙花一现，不会左右系统演化的进程；另一类 是发生临界慢化，几乎不衰减的变量，称为慢变量，这种慢变量在临界点上诞生并很快 成长起来，迅速成为主导力量，打破原有平衡，推动系统走向新的有序。哈肯将这种慢 变量又称为序参量。支配原理可简述为：快变量服从慢变量，序参量支配子系统的行为。 根据支配原理，我们可在系统处于失稳点，即临界点时，消去快变量，从而将复杂系统 问题简化。 l o 至里查兰塑! ! 兰堡堕苎 丝二翌鱼塾堡些堡塑堕丝宣! 1 1 1 2 3 突变论( c a t a s t r o p h et h e o r y ) 突变论是由法国数学家r 托姆( r t h o m ) 于1 9 7 2 年创立的一种拓扑数学理论， 它为现实世界的形态发生的突变现象提供了可供利用的数学框架和工具，被认为是耗散 结构理论和协问学的数学工具和基础。在突变 论中，托姆将突变分为两种：具有普遍意义的 y 突变，即系统遭到了破坏，并不可逆的让位给 另一系统；突变论意义的突变，又称为托姆突 变，它指系统整体的“形态发生”，即新结构的 诞生，其特征是过程连续但结果不连续，如图 1 2 。曲线s 表示系统，o ，6 为两临界点，当 图1 2 托姆突变 ” b ，系统有了相应的b 。点，说明系统未被破坏，只是内部状态发生突变，从6 “突 跃”到b 、，并从b 、开始向上方生长，意味着系统将在更高层次形态上发展。一般来说， 在原先均匀介质中出现一种新的状态相时，系统就会出现初始对称性破缺，失去结 构稳定性，产生突变，托姆将这种突变推广为广义突变。 1 1 2 4 超循环理论( h y p e r c y c l et h e o r y ) 超循环理论是直接建立在生命系统生成演化基础上的自组织理论，由英国生物化学 家m 艾根( m e i g e n ) 创立。超循环理论以耗散结构理论为研究起点，应用系统观点 和数学方法直接解决并回答了生命如何从无生命中起源的问题，为研究生命巨系统以及 人类社会系统复杂现象提供了新的科学方法。 超循环是超循环理论的一个十分重要的概念，它具有以下的特点：超循环能使所 有成员协调生长；超循环和任何不属于该循环的单个复制单元竞争；超循环的内部 联系和协同性质可以向最佳功能进化，“表现型”优势( 直接有利于突变) 被直接稳定 化，而“基因型”优势( 间接有利于发生突变的复制单元) 为了竞争定位需要空间隔离； 一个超循环的选择是一种“一旦永恒”的决策，它使得超循环虽开始于随机事件， 而且在演化过程中还包含了大量的随机事件，但只要条件具备，系统就会向合适的高度 有序的宏观组织进化；由于超循环内在的非线性，选择优势总是种群数的函数，也就 是说，一个超循环一旦确定就不易为任何新来者所取代，新种一般以一个或少数几个复 制品出现，往往“寡不敌众”。 1 1 2 5 分形理论( f r a e t a lt h e o r y ) 分形理论的创始人是美籍法国数学家b b 曼德布罗特( b b m a n d e l b o r t ) 。分 1 1 銮堕盔兰竺! ：堂垡丝墨 兰二兰! 丝塑里堡塑堕丝堕堕 形是指某种具有不规则、破碎形状的，同时其部分又与整体具有某种方式下的相似性的， 其维数不必为整数的几何体或演化着的形态。可将分形的特征归纳如下，并以此作为判 别某一系统是否具有分形结构的依据：具有复杂无规的外表；无特征尺度，即分形 的内部结构不存在特征尺度，其形体的尺度随测量尺度的变化而变化；自相似性，即 分形不变性，也就是说以任意数量级的尺度对其进行度量，其形态都相似，用数学语言 可表达为：内齐次性；具有无限精细的结构，即具有无穷嵌套的几何结构；实际维 数大于拓扑维数，或者说其实际存在形式的维数大于其经典维数，一般为分维数；可 用简单方式生成，也就是说可在不同尺度上不断重复变换规则而生成。如果我们从控制 论的角度来研究分形的生成方式和过程，可将其表示为：分形= 初始条件+ 输入+ 反馈。 目前的研究将分形初步的分为四大类： ( 1 ) 自然分形，即自然界的分形现象，也可分为四类，如图1 3 ； ff 一锄蝴线 i 几何分形 面积分形：如激尔宾斯“地毯” l 自 f 体积分形：如谢尔宾斯“海绵” 签 信息分形：e ；系统局部与整体所包含的信息存在自相似性；所以一个相对独立的 形 i 子系统在适当的条件下可以发育或复制出原来大系统的整体，如克隆技术； i l 功能分形：即系统局部与整体的功能存在自相似性； 能量分形：即系统局部与整体在能量结构上存在自相似性： 图1 3 自然分形的分类 ( 2 ) 时间分形：即时间发展过程中的自相似性和重演性，正因为时间分形，历史才 会有螺旋式发展的特点。 ( 3 ) 思维分形：即每个个体的思维和思维方式都是社会、民族、文化的思维和思维 方式的某种缩影和再现。 ( 4 ) 社会分形：社会的发展具有时间分形，社会结构具有信息分形、功能分彤，社 会思潮形成具有时间分形、思维分形等等。 1 1 2 6 混沌理论( c h a o t i ct h e o r y ) 混沌学研究的进展，是非线性科学最重要的成就之一，人们把它与相对论、量子力 学并称为二十世纪科学将永远铭记的三件事。混沌运动有这样一些重要的特征：存在 对初始条件的敏感依赖性，也就是说极其微小的差异在混沌的系统中可能会被放大，如 蝴蝶效应；对于某些参量值，在几乎所有的初始条件下，都将产生非周期的动力学过 程，并同时具有跨越尺度的对称性；混沌是确定性系统的一种“不确定”的动力学行 查堕查兰竺! ：兰垡堡苎笙二童! 型堡里堡壁垒生重 为方式，是无序中的有序和有序中的无序，这体现了混沌学所强调的系统内随机性，也 就是局部不稳定性；整体稳定，局部不稳定。混沌系统对外吸引，对内排斥，进得来， 出不去，出不去，不安定；短期内可预测的确定性系统，长期运行下去反而变得不可 预测，具有非整数维，只有用相空间的分形点集才可以进行描述。 1 1 3 自组织理论群的关系分析 从自组织过程的 角度来看整个自组织 理论群，可以得出这样 一个结论 3 】= 耗散结构 是解决自组织出现的 条件环境问题的；协同 学基本上是解决自组 织的动力学问题的：突 变论则是从数学抽象 的角度研究了自组织 的途径问题；超循环论 解决了自组织的结合 图1 4 自组织理论群的关系 形式问题；分形和混沌理论从时序和空间序的角度研究了自组织的结构复杂性和演化图 景问题。在这样的定位下，它们不存在逻辑上的冲突，而是构成了一个序列，一个研究 白组织各个方面和全过程的理论集合，在自组织理论群中都有着各自的地位。我们可以 用一幅图来说明它们之间的各自作用及相关关系。见图1 4 。 东南人学硕i j 学位论文始一审自组织理论概述及启示 l 。2 自组织理论对城市规划的启示 厂篆 自然环境：环境原貌，污染状况，治理情况 f 统 l 自然条件：地形地貌，地貌，水文，气象 ir 生产部门：农业，重工业，轻工业 舞j 流通部门：交通运输业，商业，金融业 城 毳1 服务部门：房地产业，餐饮业，咨询业 市 l 第三产业：教育，文化，体育，卫生 系 、r 人口构成；性别，年龄，民族，就业 统 萋 蓑萎詈霎；冀萎，薹亍箸竺：| ：街道 l 社会软环境：传统，风尚 if 能源：供电，供热，加油，燃料 ii 交通：公路，铁路，地铁 l 醚通信：邮电，广电，计算机网络 m 统 f 基础设施：给排水，邮电，环卫，信息网络 l 公用设施；居民住宅，文教场所，城市雕甥 1 2 1 城市系统是自组织系统 根据耗散结构理论，一个系统要想成为“自组织系统”，其首要条件是系统必须是 一个与外部环境相互交换物质、能量与信息的开放系统，并且系统开放的条件应为： 在本小节中城市和城市系统是两个可以相互替代的概念，其表述的不同是出于习惯上的需要。 1 4 东南人学硕士学位论史 笫一童白组织理论概述及启示 k 。k 2 0 m s ) k 1 0 m 2 l7 m 2 | k 规 绿地面积4 2 0 m 2 人1 0 l n 2 人 4 0 3 0 - 4 0 2 5 3 0 9 5 8 5 - 9 5 8 0 _ 8 5 9 5 8 5 9 5 8 0 8 5 6 0 4 5 - 6 0 4 0 - 4 5 5 0 0 个4 0 0 个5 0 0 个 1 5 m 2 从 7 m 2 人 一1 5 m z 人一l o m 2 人 距公交车 距公交车站 距公交车站距公交车站 价交通便捷性” 站 0 6 ，a ， 0 6 ，分别表示经 济系统、基础和社会系统与其他子系统之间的作用也是正向协同的。 其次，由于城市各子系统之间存在非线性的相互作用，可以用非线性项来表示它们 之间的这种作用关系。以经济系统和自然系统为例，令q 。表示经济系统，q ：表示自然 系统，则经济系统的演化方程为： = a q l + b q 胁 ( 2 砌) 其中a 是一个常量，是外部对经济系统的作用的控制参量；b 也是一个常量，表示 经济系统和自然系统之间的耦合系数。： 然后，参考式2 1 0 写出城市子系统之间的协同方程式组“： f 哆磊= a n n + ( _ i ) “6 ，+ + ( - 1 ) k “6 e + n + k l e + f + n p = a e e + ( _ 1 ) 。0 的n + e 十卜1 y 。“6 f + e + 哎+ 占+ f ( 2 一i i ) l d 多磊= a f f + ( _ 1 ) ( 叶_ o6 n 斗f + ( _ 1 ) k _ o 却e + f 十屯占+ + ， 其中，表示生态( 自然) 系统的状态，e 表示经济系统的状态，表示基础、 社会系统的状态；由于涉及到三个子系统，所以方程组中毛，k ：，岛 ( k t = 一1 或1 ，1 s j 0 6 ，8 f 0 6 ， 0 6 ，可以将2 - 1 l 式简化为： d n d f = f n + e n + n m n + f e n d e d r = n e + f e + a 。e + ， e ( 2 - 1 2 ) l d f d t = n f + e $ f + ，+ e ，f 式2 一1 2 是一个复杂的多变量非线性微分方程组，其求解的过程十分繁琐。考虑到 评价模型是建立在对城市总体规划方案中城市各子系统相互协同关系评价的基础上的， 1 这个方程式纽的目的是反映城市总体规划中城市各子系统之间的相互协| 一 作用关系，所以，令a 为城市总体规划 方案中不同城市子系统的评价值，以表示城市总体规划对城市各子系统的控制作用。 考虑到城市子系统之间的相关作用关系十分强，同时也为了计算简便，所以设定城市各子系统之间的相互耦台系 数为1 3 6 东雨人学坝j 一学位论义第二章基十白封j 织理论的城市总体规划的方案评价研究 而。，“。，a ，表示的恰是对城市总体规划方案中不同城市子系统的评价值，此时如果 用钆，口。，a ，代替方程组等号右边的，e ，f 不会影响评价模型的最终结果，所以，式 2 1 2 可再迸一步简化为： f d n d t = d f n + + a n + a s a s n d e d r = 口昱+ a f e + 4 君e + 4 以f e ( 2 1 3 ) 【d f d t = a u f + a e f + 口f f + a n a e f 这时就把复杂的一个非线性的微分方程组化简为一个简单的线性的微分方程组，可 以方便的解得： n ：c e ( a t + + 叶+ a c a e ) 。 e ；c e ( a n + + + 叶) ( 2 1 4 ) f ：c e ( a e 嗨嗨。1 。 观察这个方程组的解，可以发现三个变量的解的形式十分相像，根据解的这一特性， 可以将方程组解的形式简化为： fn = g ( + + 咏+ 。s e = p ( + 口f + + a , v a f )( 2 1 5 ) if = e ( a n + + 十+ 。u a s ) l 最后，为了下步计算的方便，我们对方程组解的值进行标准化处理+ ，得到： f n = p ( 叩+ 唯+ 即+ o r a e ) e 36 * 1 0 0 i e ；p ( 卟+ 卟+ a g + a u a r ) e 36 1 0 0( 2 1 6 ) l ，= p 【”+ + e 3 1 0 0 l 这样，对城市总体规划方案中各城市子系统的评价结果就不仅仅是一个被量化的 值，而且可以反映城市各子系