（环境科学专业论文）复杂城市系统分形结构及其发展模式.pdf

a b s t r a c t j s i n c ee i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r e so fm o d e ms o c i e t y , u r b a n i z a t i o n p r o c e s si sa l w a y s o fm u c hc o n c e r ni nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e e x p l a n a t i o nf o rh o w u r b a np a t t e m sa r es h a p e dw i t ht h eg r o w t ho fe c o n o m yw i l lp r o v i d eab a s i cs u p p o r tt o t h em e t h o d si nu r b a np l a n n i n g d u et oi t sn u m e r o u sf a c t o r sa n db e i n gu n a b l et oc a r r y o u t e x p e r i m e n t s l i k er e s e a r c h e si nn a t u r a ls c i e n c e ，i ti sd i f f i c u l tt os i m u l a t e u r b a n i z a t i o n p r o c e s s as u b s t a n t i a ln u m b e ro fe f f o r t sh a v eb e e nd e v o t e dt o u n d e r s t a n d i n g a n dm o d e l i n gu r b a n i z a t i o na n du r b a nc o n c e n t r a t i o n t r a d i t i o n a l a p p r o a c h e st ou r b a ns t u d i e se m p l o ye u c l i d e a ng e o m e t r yt od e s c r i b et h em o r p h o l o g y o fu r b a ng r o w t h h o w e v e r , n e wf e a t u r e so fu r b a ng r o w t hi n d i c a t et h a tab e t t e r u n d e r s t a n d i n go fu r b a ns y s t e ma n dn e wf r a m e w o r kf o ru r b a nm o d e l i n gi sh i g h l y e x p e c t e d c o n s i d e r i n gt h en e w f e a t u r e so fc i t i e sa n du r b a n i z a t i o np r o c e s s ，b a s e do np r o g r e s s o fc o m p l e xs c i e n c e ，u r b a ns y s t e mi sd e f i n e da san o n - l i n e a rc o m p l e xs y s t e mf a ra w a y f r o me q u i l i b r i u mi nt h i s p a p e r t h e o r e t i c a lp a r a d i g m st r a n s f e r r e df o r mm o d e m p h y r s i c sh a v ee x p l o r e dan e wp e r s p e c t i v et os t u d yu r b a n i z a t i o np r o c e s s t os t u d yt h e d e v e l o p m e n to fu r b a ns t r u c t u r ea n du r b a np a a e l n , u r b a n i z a t i o ni sd e f i n e da st h e a g g r e g a t i n gp r o c e s so fg e n e r a l i z e du r b a nf l u xh e r e w i t ht h i sp o i n to fv i e w , an e w t h e o r e t i c a lm o d e lf o ru r b a n i z a t i o ni s p r e s e n t e d , w h i c hi s b a s e do ns t a t i s t i c a l m e c h a n i c s i ts h o w st h a tac o m p l e xu r b a ns y s t e mf a ra w a yf r o me q u i l i b r i u mi sa l w a y s s e e k i n ga l lo p t i m i z e dp r o c e s st oo b t a i nm a x i m u mg e n e r a l i z e du r b a nf l u xu n d e rg i v e n p r i c e s a ne n s e m b l eo fm t e r a c t i n gm i c r ou r b a na g e n t si ss e tu pi nt h i sm o d e l ，a sw e l la st h e p o t e n t i a lf u n c t i o no fu r b a ns y s t e m t h eb a s i cf u n c t i o n so fu r b a ns y s t e ma r ef o u n d w h i c hc o n t r o li t sd y n a m i cb e h a v i o r s m o r e o v e r , r e n o r m a l i z e de q u a t i o nf o ru r b a n s y s t e mi sf o u n da n daf r a c t a ls t r u c t u r ea c c o r d i n g l ya p p e a r s t h u st h ed y n a m i c m e c h a n i s mo fh o wm i c r o1 1 0 1 1 一l i n e a ri n t e r a c t i o n ss h a p em a c r ou r b a ns t r u c t u r ei s p r e s e n t e dt h r o u g hs e l f - o r g a n i z e dp r o c e s s ，w i t ht w oe x a m p l e so fw u h a nc i t ya n d h a n g z h o uc i t y , f r a c t a lg r o w t ho fu r b a ns y s t e m sa n dt h e i rf r a c t a ld i m e n s i o n sa r e a n a l y z e d ac o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di s d e v e l o p e d b a s e do nt h e f r a m e w o r ko fn e ws t a t i s t i c a lm e c h a n i c si nt h ep r e s e n tm o d e l ，t h es e l f - o r g a n i z i n gm a p ( s o m ) i sf u r t h e re x p l o r e d f r a c t a lm e c h a n i s mh i d d e ni ns o m i sr e v e a l e da n dt h e w e i g h t so fn e t w o r kg a i nn e wm e a n i n g st h a tr e l a t e dt ou r b a np a t t e r n b yu n i f y i n gt h e p a t t e r nr e c o g n i t i o np r o c e s so fs o ma n dt h ep r o c e s so ff o r m a t i o no fu r b a np a t t e r n ，a n a p p r o a c ht oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z eu r b a np a t t e r ni sf o u n d u s i n gu r b a ns t a t i s t i cd a t ao f b o h a ir i m r e g i o n ，u r b a np a t t e r n sa r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e db yt h ea b o v em e t h o d m o r e o v e r , f r a c t a ls u u c t u r ei sa l s of o u n di nu r b a np a t t e r n a ni m p o r t a n tc o n c l u s i o ni s t h a tc e r t a i nu r b a np a t t e r ns h o u l db ee v a l u a t e di na l lu r b a ns y s t e m o nt h i sb a s i s ，a r e a s o n a b l ef u t u r ep l a nf o rt h ec o r ea r e ao fb o h a ir i m r e g i o ni sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i sr e s e a r c ha r ea n a l y z e dw i ms u g g e s t i o n sf o r f u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：u r b a n s t r u c t u r e ，c o m p l e xs y s t e m , f r a c t a l ，u r b a np a t t e r n ，s o m 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茔或其他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。 学位论文作者签名：1 日舍崞 签字日期：加口7年6 月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲f 司金崎 签字e 1 期：加0 7 年6 月f 2 日 导南躲魂) 卟 签字日期：。7 年乡月厂c 叉e l 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 城市是社会化大生产高度发展的产物，是区域经济发展的集聚中心，是人流、 物流、资金流、信息流、技术流等最为集中的枢纽地区，通过精细的专业分工和 发达的横向协作，把各个地区连接成富有生命力的有机整体【1 】。 城市化是一种复杂的动态现象，城市的起源和发展受自然、经济、社会和人 口等各方面的影响。不同的历史时期，不同的地区，不同的社会发展水平和发展 速度，不同的人口分布和迁移特点，都对城市的发展、性质、规模、空间组织等 产生影响。城市化是一种区域现象，城市作为人类的活动中心，同时同周围广大 区域保持着密切的联系，影响着其他区域的城市化【m 。 随着经济社会的不断发展，城市化进程也发生了很多变化：从最早的单一城 市的兴起，到现在的城市群的出现；由缓慢的城市化进程，到快速的群体城市化 的发展；从精细的行业分i n 产业集群【3 j 。 在我国城市化进程中，群体城市化和产业集群现象更加突出。新的城市( 镇) 不断涌现，城市( 镇) 空间不断扩展，城市有少到多、有分散孤立到形成网络，以 至形成组群，城乡一体化的趋势极为明显【2 ，5 】。产业空间发展由单一产业集群逐 步发展为多个产业群构成的庞大的产业集聚区。这种群体城市化现象和产业集聚 现象在长江三角洲地区、珠江三角洲地区、辽宁中南部地区、京津唐地区和四川i 盆地等地区更为突出【2 鼬】。这种群体城市化和产业集聚现象实际上是区域城市 ( 镇) 间的产业间频繁的人流、物流、资金流、信息流、技术流交互作用的结果， 具有独特的形成机制和发展特征，由此形成独具特色的城市群经济空间。 城市的起源、城市化过程及其机理、城市的发展模式、城市群的形成及演化， 都是社会经济发展的重要问题，同时，也是极其复杂的问题。 1 2 传统的城市及城市化的研究 城市化的加速，城市成为人类经济活动的重心，并主导人类的生活，这些深 刻的变化使得城市、城市群吸引了大量的专家、学者的注意力，城市经济、城市 地理、城市规划、城市形态、城市生态、城市社会等领域都取得了很多突出成果， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 对城市的结构和功能、城市形成过程、区域经济、产业集群有了深入的认识。不 同学科领域的研究方法不同，但是都是建立在欧氏空间几何的基础之上，主要内 容也有着一致性：城市的地理空间结构、城市的经济空间结构、区域城市群的崛 起。 1 2 1 城市地理空间结构研究 城市是发生于地表的普遍宏观现象，有一定的空间组织，有很强的区域性和 综合性。 工业革命带来城市的飞速发展，2 0 世纪初已形成许多世界瞩目的特大城市， 而此时城市的研究并没有独立的理论和方法。最早地，地理学家从人地关系的角 度研究聚落，地理环境决定论占据主要影响，尤其强调地理位置决定城市的命运。 研究生时的内部时，则往往描述建筑的形式、当地的自然条件、建筑与街道的组 合形式、屋顶的式样、材料的种类等等【5 - 7 】。 、 2 0 世纪2 0 年代，美国芝加哥大学从社会学的角度来研究城市。社会学家帕 克、沃思和伯吉斯对城市中的住宅区、工业区及中心商业区的形成和变迁作了大 量的调查研究工作，对人口的地域分布过程和机构设置、调整过程亦作了大量分 析，创立了城市结构的同心环模式。在研究中，他们使用了生态学的方法，被称 为“人类生态学的芝加哥学派”。在此基础上，发展了后来被广泛引用的城市土 地利用结构的三模式：同心圆理论( c o n c e n t r i cz o n et h e o r y , b u r g e s sw ，1 9 2 5 ) 、扇 形理论( s e c t o rt h e o r y , h o y th ，1 9 3 6 ) 、多核心理论( m u l t i p l e n u c l e it h e o r yh a r r i sh & u l l m a ne l ，1 9 4 5 ) 。受芝加哥学派的影响，城市地理研究转向实地考察，观察 城市实际景观，研究城市内部的土地利用，热衷于划分城市内部的功能区和城市 的吸引范围。同时，地理学对城市体系的研究有了很大的发展。克里斯泰勒于 1 9 3 3 年提出中心地学说，首先揭示了城市规模等级、空问分布、职能层次规律， 对城市构成的中心地等级体系做了深入地研究。克里斯泰勒的中心地理论描述了 一个经过自组织形成的相对稳定的多城镇一区域的分布状态，作为城镇空间体系 自组织发展演化的经典理论，被后人公认为城镇群体研究的基础理论。廖士提出 生产区位经济景观，为中心地学说树立了理论基础。斯梅尔斯、斯金纳等人先后 验证了中心地学说【删。 二战后城市的重建大大促进了城市研究的发展。城市的研究进入了“数量时 代”，数理统计方法等被引入城市的研究中。贝里和加利森用数理统计方法对中 心地学说进行了许多是整形研究，发表了大量的文章和专著，并把城市人口分布 与服务中心的等级相联系，是城市系统研究的一个重要转折点。“数量革命”是 城市地理研究从形态学的城市景观转移到空间分析上1 6 1 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 城市地理空问结构研究进入快速发展阶段，发展了城市空间分布体系。海格 特根据物理学中热传递的三种方式，提出了空间相互作用的形式；厄尔曼分析了 相互作用产生的条件；格林、赖利、康弗斯以引力模型为基础研究了相互作用模 式，确定城市吸引区边界；哈格斯特朗开创了空间扩散理论；在空间扩散理论基 础上，纳克斯提出均衡增长理论，赫希曼提出了与之相应的不均衡增长理论，普 劳克斯等人提出了增长极理论，这些理论构成了核心一边缘模式的理论基础【】。 城市问题的激化引起了学者们的反思，综合性的城市研究呼之欲出，城市的 地理空问研究不得不考虑社会科学、政治科学研究的影响，城市地理学进入一个 新的多元发展的阶段1 6 j 。 1 2 2 城市经济空间结构研究 城市经济空间是城市为各经济要素的流动、配置、整合所提供的载体和场所， 也是从事各项经济活动的必要条件。城市经济空间是指城市经济要素在城市这个 空间范围内的分布和连接状态，是城市经济结构的空间投影，其形式和演化，不 仅受制于自然地理条件、历史基础和文化传统，更取决于城市生产力的发展水平， 城市的经济实力和人们管理城市的能力【7 1 。与城市地理空间结构不同，城市空间 结构研究并不是以自然地理空间分布为研究对象，而是以经济要素的区位分布为 主，分析城市经济活动的结构。 城市经济空间理论是从产业空间布局的区位理论演化而来的，同时，城市经 济空间理论的发展起源与城市地理空间的研究也有不少的交叉。 1 8 8 5 年，龙哈德在国民经济学说的数学论证中论证了最优区位和最小 费用区位理论，为工业区位理论奠定了基础【7 】。此后，在这个基础上演化出了工 业区位理论四大学派：以韦伯为代表的最低成本学派，以胡佛和赖利为代表的运 输费用学派，以廖斯为代表的市场区位学派，以普雷特为代表的社会行为学派【_ 7 1 。 上节城市地理空间提及的中心地理论，同样是城市经济空间布局和城市规划的基 础理论之一，发展出经济领域的城市中心地理论和城市区位理论。 现代城市经济空问理论主要是空间集聚理论和空间扩散理论【卜9 1 。从宏观讲， 城市空间集聚只是各种经济要素在城市这个特定空问相对集中的一种基本形式， 关键是这种形式可以带来巨大的商业机会和必要的经济利益，并对新的经济要素 是否靠近和集中于城市空间起着决定性的作用。城市空问集聚形式在不同产业和 不同区域所产生的效果是不同的，这是目前的一个研究热点。城市经济的空间扩 散理论与自然地理空问扩散研究理论基础一致，但重点不同，主要研究经济要素 的集聚方式和扩散方式。 城市经济空间结构的研究，扩展到城市经济规模及其等级分布、城市经济功 天津大学硕士学位论文第一章绪论 能、城市公共建设经济、城市生态经济、城市管理经济等方面，覆盖了城市经济 的各个相关领域，在城市研究中占据重要地位。 1 2 3 区域经济发展及产业集群研究 城市区域集合体是许多国家在城市化中后期普遍出现的一种区域空间结构 演化现象，当前，世界上已经形成六大城市群，我国也形成了长江三角洲、珠江 三角洲、环渤海经济圈这三大城市群。城市群体化发展是新竞争格局下区域参与 全球及全国市场分工的必然结果 1 0 - 1 2 1 。可以说，城市群是更大尺度上的城市化行 为。 中心地理论、廖士景观理论等传统城市空间结构理论无法对此现象作出合理 解释，引发了西方城市空问结构理论的一场大变革，产生了戈特曼的大都市带理 论、麦吉的城乡一体化区域理论、佩尔斯的城市主导区域理论三种具有里程碑意 义的城市区域集合体理论【l o 】。英国学者弗里德曼在“经济增长引起空间演化”的 理论中，建立了城市群空间演化模型1 1 0 1 。供应链管理是当前经济管理的一个热门 话题，合理的供应体系对应着产业集群【1 2 1 。因此，经济学家、城市学家利用数学 工具发展了供应链管理以及产业集群的一些新观点，但目前并没有取得突出的成 就。 尽管获得了广泛的关注和投入，区域经济发展与产业集群的研究目前仍缺乏 一个有效的框架，对于城市化的这一新特点，目前的认识仍然不够深入。 1 3 传统研究的问题及一些有益的探索 传统的地理的、社会的、经济的城市研究在面临城市化的组元数量大、影响 因素众多、环境变化复杂等特点时，遇到了巨大的困难【1 3 - 1 4 1 。一方面，微观层面 的经济实体或地理单元的相互作用不能够有效反映出来；另一方面，宏观层面的 研究成果往往基于极强的假设，不具有普适效应，与微观层面脱节，缺乏必要的 联系。同时，城市化的研究仍缺乏一个完整的理论框架，这一问题在区域城市群 发展中尤为突出，不同尺度的城市化进程无法取得理论上的统一。 对于传统的研究方式存在的种种缺陷，不少专家、学者尝试了新的研究方法。 其中，利用非线性科学研究的进展，把城市作为复杂系统进行研究，是当前一个 比较好的突破口【13 1 。城市是一个具有典型的分形结构的复杂系统 1 4 - 1 6 】，其位序一 规模分布服从z i p f 定律，并对此进行了一定的机理分析【1 别；城市的形成过程， 是一个非平衡相变过程【”】：同时，城市的演化发展具有自组织特性 1 5 - 1 6 1 。这些非 传统的研究方式，从理论上和实践中，都取得了很大的进展。下面，我们分析具 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 有代表性的三类研究方式及其存在的问题。 1 3 1 基于系统动力学的城市模型研究 从二十世纪6 0 年代末开始，城市研究者逐渐认识到静态城市模型的局限， 开始研究动态模型的构建。1 9 6 9 年，麻省理工的弗雷斯特( j a ywf o r r e s t e d 将系 统动力学应用于城市结构的动态变化研究中，建立了城市系统动力学模型( u r b a n d y n a m i c s ) 。该模型中包含了反应城市中多种社会、经济要素的反馈等关联关系 的一系列微分方程，可以对城市各要素指标的变化进行动态模拟，但是这一模型 无法反映城市空间结构的演化 6 , 1 4 , 1 5 】。 1 9 7 1 年，a l a n 和w i l s o n 通过改造l o w r y 类模型，引入最大熵原理，建立了 第一个城市动态模型。这是由一组非线性微分方程构成的模型，可以展示出城市 的突变等复杂运动特征。但他仅仅是在模型中增加了对居住、服务业因子影响的 时问因子，并不是一体化的城市动力学模型【1 4 】。 8 0 年代初，d e n d r i n o s 和m u u a l y 将生态学中反映捕食与被捕食动态关系的 v o l t e t r a - l o t l o 方程引入城市动态分析，但这个模型不是真正的空间动力学模型， 无法描述城市或城市空间结构的演化【1 4 】。 1 9 9 4 年，w e g e n e r 将交通、人口、雇员等城市子系统模型用某种复杂方式联 系起来，建立了d o r t m u n d 模型，虽然它将城市视为一个动态非平衡系统，但是 在模型中的时间因子还是时间阶段的概念，还不是真正的动态模型【l 卅7 】。 首先，受到培根还原论的思想影响，在数学处理上的假定和简化太多，不能 真实反应城市发展的时空特点，难以分析解释复杂的城市现象。其次，模型变量 多是一些社会、经济指标，入人口、收入等，强调系统变量问的相互作用和反馈， 然后通过人口等指标与空问增长的相互关系来简介推演空间结构的可能变化，因 此，一方面这些模型不能反映城市内部由于空问格局造成的空间反馈，另一方面， 依赖相关来推演空问结构变化的能力相当有限。可以说，这些所谓的动态城市模 型，大多只是反映了城市中社会、经济指标的动态变化，而不是真正的城市空间 结构变化和空间上的增长。此外，多采用基于统计学、牛顿力学、微分及偏微分 方程的数理模型，这些模型可以对地理现象中的某些现象在特定时间、特定区域 条件下，进行精细的刻画，但往往缺乏时空上外推的能力，而且显然对复杂的城 市复合系统，如区域持续发展、城市增长等，显得力不从心。因此，系统动力学 也不是研究城市系统的有效手段。 1 3 2 基于自组织理论体系的城市空间发展研究 二十世纪六七十年代，耗散结构理论、协同学、突变论等相关自组织理论的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 建立和发展加上计算机的产生，使得自组织理论在城市发展的研究中得以运用， 尤其是在城市模型的研究和应用中得到迅速的发展【体1 9 1 。 二十世纪6 0 年代，布鲁塞尔学派的艾伦( a l l e np ) 等根绝“耗散结构”理论， 采用量化分析，提出城市空间结构的自组织模型【冽；登德里诺斯和马拉力 ( d e n d r i n o sa n dm o u a l l y ) 依据“协同学”建立了结构动态变化的随机模型；齐门 ( z e e m a n ) 运用自然力间断现象的突变理论，描述了城市空间发展中的不连续现象 并提出了数学模型；1 9 7 7 年，艾伦( a l l e np ) 再次以自组织理论方法对城市和社区 进化进行了定性分析与计算机模拟，进一步发展了基于自组织理论的城市动态模 型口1 1 。 8 0 年代初，w e i d l i c h 和h a a g 引入主方程方法来模拟城市动态行为，构造了 区域迁移的动力学结构。主方程模型源于协同学理论，它提供了联系微观水平的 个体转移概率和描述系统宏观行为的状态变量的框架；1 9 8 1 年，a l l i s o n 将突变 理论应用于结构的研究，而这一模型的研究仅仅允许极少的变量来描述系统的状 太【1 8 1 9 】 ，l j 、 o 9 0 年代，新经济地理学的主要代表人物克鲁格曼( k r u g r a a np ) 将对自组织系 统的研究所取得的成果运用于经济学研究之中，建立起多中心城市的空间自组织 模型。他以厂商之问的向心力和离心力及其相互作用的分析为基础，清楚地阐明 了由“一只看不见的手”形成大范围内的有规则经济空间格局的内在机理，即“由 不稳定产生秩序”的基本原理【2 2 2 3 1 。 基于自组织理论体系的城市空问发展研究，从自组织理论体系的单一原理出 发研究城市空间自组织演化的过程和现象及其内在机制，将非线性理论和时间尺 度引入城市空间研究，在各自的理论领域取得了成功，为城市空间发展自组织的 综合性研究打下了良好的基础。但由于自组织理论的松散性结合，从其中单一理 论出发的研究并不能概括空间演化的综合过程，急需通过新思路寻求一个较为综 合的研究途径。而“元胞自动机”概念的提出在一定程度上解决了上述矛盾 2 2 , 2 4 。 1 3 3 基于元胞自动机等复杂性科学的城市建模 复杂性科学的研究为城市的建模带来新的生机，其中最具代表性的是元胞自 动机。元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ，c a ) 是2 0 世纪4 0 年代由u l a m 首先提出， 并很快被v o nn e u m a n n 用来研究自组织系统的演变过程，并经历了多次发展。 元胞自动机是在时间、空间、状态都离散，空间的相互作用及时问的因果关系皆 呈现局部的网格动力学模型，主要的特点是复杂的系统可以有一些很简单的局部 规则来产生。一个c a 系统通常包括了4 个要素：单元、状态、临近范围和转换 规则 2 5 】。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 元胞自动机模型在城市增长、扩散和土地利用演化的模拟方面的研究比较深 入。在c a 模拟过程中，城市形态的演变过程可以很方便地动态显示出来。尽管 城市的发展受一系列复杂的因素所影响，但c a 模型可以有效地模拟各种可能条 件下城市发展的趋势，从而探讨城市发展的自组织机制【2 5 - 2 6 。 基于元胞自动机的城市发展模型的提出，相对于微分方程建模更为简单、自 然。同时，它是基于空间相互作用的，而不是基于社会、经济指标间的影响关系， 更能反映空问格局变化以及由此带来的进一步反馈作用。再者，由于模型中的元 胞空间划分可以非常细小，它能够在精细的尺度上表现城市空问结构的变化。另 外，该模型城市通常可以在更长的时间尺度上反应城市的产生、发展直到消亡的 生命历程。 作为复杂性科学的重要研究工具，c a 模型可以较好地模拟城市作为一个开 放的耗散体系所表现出的突变、分形、混沌等复杂特征。但是对该类模型的研究 也存在不少不足，影响了模型的性能和使用。一是由于目前尚不能与g i s 紧密集 成，c a 模型固有的实时动态的生动特征往往无法得到实现，实时计算的可视化 急需得到解决。二是模型构造过于简单，缺乏必要的扩展。c a 模型规则不随元 胞空间和时间发生变化，不符合实际城市发展规律。三是模型的开放性差，作为 微观模型缺乏与其他宏观地理模型的集成。 除了c a 模型以外，还有不少其他的复杂系统建模方法，如蚁群算法、复杂 适应性系统、综合集成法等也在城市研究中得到应用，然而，它们主要是基于计 算机模拟，缺乏理论基础，离形成普适的复杂性范式还有一定距离。 1 4 本课题研究内容 在系统认识城市发展历程的基础上，本文认为： 城市是一个开放的复杂巨系统，人口、物资、能量、资金、信息在空问的流 动，地域和城市的不均衡发展，通过分化和调整、组织新秩序等，构成了城市系 统的开放性、远离平衡性、系统内部的非线性相互作用及其内部涨落等自组织条 件和特质，因而城市系统在很大程度上是自组织发展的。城市空间系统既是系统 发展的载体，又是系统发展的结果，同样也是个耗散结构，因而同样就有自组织 特性。城市空间发展的过程和现象虽然复杂，由于自组织性的存在，它仍有其隐 藏的秩序和成长的规律，这种秩序和规律作用于城市空间扩展的规模大小、区位 选择、发展时序以及发展方式之中，并作为一种隐藏的机制作用于城市空间发展 的过程中。 由于城市空间系统的整体性和层次性特点，城市系统自组织发展演化的同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 时，还要受到城市系统中其他系统的作用，如社会系统、经济系统和人的行为作 用等等，这些来自于城市空问系统外部的作用和影响对城市空间的发展也起了相 当显著的作用。 无论是从经济学的角度来构建城市空间结构的中心地理论还是从社会生态 学角度出发的经典模式，都有一个共同的本源，即竞争是城市空间结构形成的主 要机制，只是由于研究的出发点不同，竞争的内容和方式有所不同。 城市空问发展是一种自组织和他组织复合发展的过程。其中空间发展白组织 作为一种城市发展内在的规律性机制，隐性而长效地作用于城市空间的发展和演 化；而城市空间发展他组织作为空间发展阶段性规划控制，显性地作用于城市空 间发展，同时也在一定程度上反映了人们对空间发展规律的认知程度。 在人们对城市空间发展的控制与把握中，运用社会经济、强势的规划控制等 他组织手段，对城市发展进行宏观干预。这种干预和控制可能对城市空间演化的 整体进程产生三种影响：一是当城市空间发展他组织力和自组织力同步时，加速 空问的健康发展；二是当城市空间发展他组织力和自组织力相背离时，则阻碍空 间健康发展；三是当城市空间发展他组织力和自组织力处于可耦合状态时，通过 不断调试和修正，促使城市空问稳步健康发展。由此可见，通过对城市空间发展 自组织研究，不仅能够提高我们对城市空间发展规律性的认识，更有利于我们有 效的组织城市空间，通过科学的规划来调整、引导城市的发展过程与发展方向。 通过本课题的研究，将进一步充实我国空问发展研究领域的现有成果，引发我们 对城市规划和规划管理体制的深入思考，为城市规划的实践和规划体制的改革提 供理论依托。因而本课题的研究具有重要的实践指导意义。 本研究的主要内容可概括为： ( 1 ) 总结城市研究的过程，发展复杂性科学，论证城市是一个远离平衡的、 开放的复杂系统，建立复杂系统演化的城市发展观。 ( 2 ) 尝试从统计力学和变分原理的角度建立复杂城市系统形成、演化的动力 学过程的新模型，以自组织结构的形成过程为核心，揭示城市分形结构起源。 ( 3 ) 扩展城市分形维数的研究，将城市分形维数和城市发展过程联系起来， 并利用新模型分析分形维数与城市流流态之问的联系。 ( 4 ) 尝试发展新模型的数值实现方法。 ( 5 ) 利用新模型及其数值实现方法研究城市模式，针对城市群体系的现状和 问题，提出一些理论上的建议，为城市总体规划操作体系的完善和革新提供基于 复杂性科学的理念和方法。 8 天津大学硕士学位论文 第二章复杂城市系统理论研究 第二章复杂城市系统理论研究 2 0 世纪8 0 年代以来，区域科学的研究正由静态的、均衡的范式逐渐向一种 动态演化的范式转变。开始应用复杂性科学( s c i e n c e so fc o m p l e x i t y ) 的理论和方 法来研究和分析区域问题及其时空演化的内在规律，内容涉及城市和区域系统内 不同层次上的结构和功能以及在相应空间上的动态格局。开放系统、自组织、混 沌和演化理论等一些新的模拟模型，诸如空间系统的非线性微分方程、细胞自动 机、分形、人工神经网络、多主体模型等逐渐被城市和区域研究者认识和应用， 并且日益成为当代跨学科研究的热点和前沿。本章在综述现有复杂性科学以及它 们在城市中的应用等研究的基础上，提出新的研究复杂城市系统的理论模型。 2 1 城市研究范式的转换 2 1 1 复杂性科学简介 2 0 世纪6 0 年代末耗散结构理论的建立，以演化系统为研究对象的非平衡、 非线性热力学登上了科学舞台。7 0 年代相继诞生的协同学、超循环理论、突变 论、混沌理论和分形理论等若干关于系统演化的理论，使我们在系统认识的基础 上，从认识系统自组织的前提条件入手，深入认识系统演化的动力机制，偶然因 素在系统演化中的作用。同时从科学上对系统演化的循环发展形式给予统一的描 述，揭示出系统演化多样性以及系统组织的相似性、系统演化从混沌到有序再从 有序到混沌的发展全过程。以系统自组织理论为核心的2 0 世纪自然科学成果， 逐渐形成了统一的系统学、探索了复杂性的科学新方向，锻造着新的自然图景， 并延伸到自然科学、社会科学的众多领域，成为当代知识和实践领域关注的热点。 自组织理论不仅超越了只限于研究简单物体运动的牛顿力学，而且第一次将生命 性、演化、历史和选择等概念引入了科学，为热力学与动力学、自然科学与社会 科学，乃至科学与人文的综合搭建了新的桥梁f 2 7 。3 8 1 。 2 111 耗散结构理论( d i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r y ) 耗散结构理论指出，一个远离平衡的开放系统( 不论其是力学的、物理的、 化学的、生物的系统，还是社会的、经济的系统) ，通过不断地与外界交换物质 和能量，在外界条件变化达到一定阈值时，就可能从原先的无序状态，转变为一 天津大学硕士学位论文第二章复杂城市系统理论研究 种在时空上或功能上有序的状态。 耗散结构理论第一次科学地揭示了自然界从简单到复杂、从无序到有序、从 非生命到生命的演化的必然性，解决了使经典科学陷入困境的进化与退化、确定 性与不确定性的宇宙学佯谬，阐明了系统自组织的内外部条件。由于耗散结构理 论的建立，“非平衡不可逆性是组织之源、有序之源”被揭示出来了，过去被看 作对整体行为偏差的涨落干扰在不稳定性中则可以成为建设性因素，即普利高津 学派的又一个重要结论“通过涨落达到有序” 3 3 - 3 4 。 2 1 1 2 协同学( s y n e r g e t i c s ) 协同学认为，系统的性质的改变是由于系统中要素子系统之间的相互作用所 致。任何系统的子系统都有两种运动趋向，一种是自发地倾向无规无序的运动， 这是系统瓦解走向无序的重要原因；另一种是子系统之间的关联引起的协调、合 作运动，这是系统自发走向有序的重要原因。系统是自发地发生从无序到有序还 是从有序到无序，就取决于其中哪一种运动趋势占据主导地位。系统的自组织实 质上是开放系统在一定条件下的自发地协同而形成有序的过程，即开放系统系统 内部大量子系统之间相互竞争、合作而产生协同效应，以及由此产生的序参量支 配，导致宏观的空间或时间有序结构形成的过程。协同学在把握激光一类非平衡 相变内在机制的基础上，同时吸取了耗散结构理论和突变理论的合理内核，在开 拓平衡相变理论的前提下，创造了一套处理各种非平衡相变的统一方案，统一解 决了系统从无序转变为有序的过程。协同学采用相变理论中的序参量概念来描述 一个系统的宏观有序的程度，序参量支配和主宰系统从无序到有序的转变。协同 学突破了以往线性科学着眼于他组织的局限，探讨了系统如何通过内部各子系统 之间的竞争及由竞争导致的协同，最终形成有序结构的系统自组织动力机制问 题，从而大大加深了我们对于系统演化的内部机制的认识【3 1 删。 2 1 1 3 超循环理论( h y p e r c y c l et h e o r y ) 超循环理论提出，在关于生命起源的化学进化和生物学进化之间，还有一个 生物大分子自组织进化阶段，随机无序的大分子通过采取循环形式的白组织，发 展起来有序的组织，并向更高的组织和复杂性进化，从而最终导致了生命的起源。 按照超循环理论，要素相互作用、因果转化构成循环，这成为超循环理论的一个 基本出发点，也是我们理解超循环基本思想的一个关键【3 卜3 4 1 。 超循环理论结合化学、生物学等领域的成果，考察了自然界的种种循环现象， 从而提出了循环等级学说，揭示了系统的演化发展采取了循环发展形式，从低级 循环到高级循环，不同的循环层次与一定的发展水平相联系。超循环理论揭示了 天津大学硕士学位论文 第二章复杂城市系统理论研究 生物大分子形成的自组织形式，架设了从无生命向生命过渡的桥梁，其贡献在于 把控制论中的巨系统理论具体化到生命现象，建立了复现生命现象的具体结构模 型，为人类探索生命起源提供了一条新思路，为达尔文的进化论，即生命在生存 环境中的演化提供了理论基础，揭示了系统自组织演化的普遍形式。 2 114 突变论( c a t a s t r o p h et h e o r y ) 突变论是一个专门研究自然界连续的量变怎样引起突变并用数学模型描述 突变现象的学科，被称为说明参数的连续改变怎样引起了不连续现象的一种理 论，同时，也是一门研究系统整体行为不确定性的理论。虽然突变论本身不是系 统自组织理论，它研究的实际正是静态分支点问题，即平衡点之间的相互转换问 题，但是，它与系统演化的相交即有序与无序的转化密切联系在一起，揭示出原 因连续的作用有可能导致结果的突然变化，从而加深了我们对于系统的有序与无 序转化的方式和途径的多样性的理解。突变论不仅超越了以往“自然界无飞跃” 的渐进进化思想，使突变现象成为科学研究的对象，而且给出了研究突变的数学 工具，大大改变并深化了人们对系统自组织内涵的理解【3 l - 3 4 1 。 2 115 分形理论( f r a c t a lt h e o r y ) 分形理论是自欧几里得以来几何学最大的次变革，分形理论的创始人曼德 尔布洛特( m a n d e l b r o tb ) 探讨了被以往几何学排斥在外的大量不规则几何对象， 以跨越一切尺度的“穿透力”，不仅揭示出深藏在惊人复杂形状中从大尺度到小 尺度的几何规律，而且建立了图形生长的模型，探索分支产生的整个结构。分形 学的研究揭示出系统部分和整体的相似性，井试图找到介于有一无序、宏观一微 观、整体一部分之问的新秩序，从而深化了我们对于系统的这些关系的理解，以 及对于物质世界的多样性的统一的认识。分形以崭新的分数维空间，向我们展示 出奇妙的具有无穷嵌套的几何图形，它不仅突破了以往几何学只是研究同一尺度 中空间关系及规则图形的局限，突破了以往全部线性科学的正整数维空问概念， 而且突破了以往数学限于逻辑推理和抽象形式的传统，并和混沌学一起揭示了系 统自组织演化的复杂性【3 l - 3 4 1 。 2 1 1 6 混沌学( c h a o t i ct h e o r y ) 混沌学通过非线性确定性方程所蕴涵的蝴蝶效应，揭示了分形结构的动力学 根源。费根伯姆( f e i g e n b a u m ) 严格的数学方法证明了了各种不同系统从有序走 向混沌的共同规律，从而揭示了一大类非线性系统的普遍的演化规律。混沌是一 个相当难以明确定义的数学概念，但可以把它看作是确定的随机性一“确定的 天津大学硕士学位论文 第二章复杂城市系统理论研究 是因为它是由内在的原因而不是外来的干扰所产生；而“随机性”指的是不规则 的，不能预侧的行为。混沌理论提供了把复杂的行为理解为有目的和有结构的某 种内在行为，而不将其理解为外来的和偶然的行为的思考方法。混沌理论的第二 个重要思想是它对于初值条件具有高度敏感性，差之毫厘则失之千里，因而复杂 系统的演化具有不可预测性【3 l 。3 4 1 。 混沌学把表现的无序与内在的决定论机制巧妙地融为一体，所以钱学森指 出，“决定性和非决定性的矛盾直到本世纪6 0 年代兴起的混沌理论才得到解决”， 从整体上看，系统具有稳定性，系统整体演化具有规律性，而从微观上看，系统 又是不稳定的。系统没有具体的轨迹可寻。这使我们对于无序和