（城市规划与设计专业论文）论城市模型的起源与发展.pdf

提要 本论文依循城市模酗学科发胜史的恐跺，论述丫城市建模发艘历程的t 流模 型，为城1 1 f 建模分析方法建构起基本框架。 城市模型足对城l l i 系统运行机制的简化与抽象，处理城市与l 爱域上地使用活 动的辛i 互f i - j t j j 配罱，f 1 j 数学方程束描述城市系统，解释城l f i 系统= ； ：预测j 未来 变化。城j l i 模聚月j 米揭示城1 1 i 空问发胜的本质过程，是规划理论的可操作形式， 可川柬检测规划政策。城l l j 模裂起源于二二1 一l l ! = 纪五一卜年代 ，j 锄的交通规划，以及 六十年代的l 蔓域科学与城l l i 经济学。其产，i 的模型包括从交通模型剑上地使j l l 模 型。尤其足上地使用模型呈现l i 富多彩的类型，诸如：可达性模型、线性幽归模 型、微观模拟模裂、优化模型和微观经济理论的模型。在其发展历程之q t 涌现的 j ：流模型有空问棚，- 作j l 】模裂，劳瑞模碰，以及土地使j 1 j ! j 交通整合模型等。空 n i j 躬：f l - - ；t j 模型熵最人化方泛：奠定厂j 理论基砒。劳瑞模珏! 为综合性的城i j i 建 模创移j 7 范奉。通过将上地使j 】t - j 交通之i h j 的4 1 il 反馈的天系r 以整合，琏、t ，：j 上地使用与交通黎合模犁。城i l i 模型的新进腱足引入城j 1 ，分形模，鹌，从a f l i ) l j 以揭 示城市空f l j j 形态与空闸过程的本质特征。 a b s n 圣a c i 。 b a s e do nt h es t u d yo ft h eo r i g i na n dt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nm o d e l i n gm o v e m e n t , t h et h e s i sd i s s e r t a t e si t sm a i n s t r e a mm o d e l s ，a n dp r o v i d e st h eg e n e r a lf r a m e w o r kf o r u r b a nm o d e l i n ga n a l y s i s u r b a nm o d e l sa r et i l es i m p l i f i c a t i o na n dt h ea b s t r a c tf r o mu r b a ns y s t e m s ，d e a lw 赫 t h ei n t e r a c t i o na n dt h ea l l o c a t i o no fu r b a na n dr e g i o n a ll a n du s ea c t i v i t i e s ，d e s c r i b e u r b a ns y s t e m si nm a t h e m a t i c a le q u a t i o n s ，e x p l a i nu r b a ns y s t e m sa n df o r e c a s ti t s f u t u r ec h a n g e s u r b a nm o d e l sh a v eo r i g i n a t e df r o m19 5 0 s t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g a n dl9 6 0 s r e g i o n a ls c i e n c ea n du r b a ne c o n o m i c s ，i n c l u d i n gt r a f f i cm o d e l sa n dl a n d u s em o d e l s l a n du s em o d e l se m b o d yv a r i o u sk i n d so fm o d e l ss u c ha sa c c e s s i b i l i t y m o d e l ，l i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l s ，m i c r o 一s i m u l a t i o nm o d e l s ，o p t i m i z a t i o nm o d e l sa n d m i c r o - - e c o n o m i cm o d e l s i nt h e d e v e l o p m e n to fu r b a nm o d c l i n g ，t h e r ea r e m a i n s t r e a mm o d e l ss u c ha ss p a t i a li n t e r a c t i o nm o d e l s l o w r ym o d e l ，a l o n gw i t h i n t e g r a t e dl a n du s ea n dt r a n s p o r tm o d e l s i nt h en e wp r o g r e s so fu r b a nm o d e l i n g ，t h e t h e s i si n t r o d u c e su r b a nf r a c t a lm o d e l s ；t h e s em o d e l sr e l , ，e a lu r b a nf o r ma n ds p a l i a l p r o g r e s s 序言 科学家钱学森说过，学科史足一门学科得以确讧的标志之一。一个研究领域 的起源、流变与进展为我们提供了宝贵的财富。其中蕴藏詹巨人的资源，无论足 思想与方法、经验与教训，呼唤我们去探索、去发掘。城市建模已有近半个世纪 的发展历程，这项运动为我们考察科学的j ；! i l 划史提供了一丽镜子，树立了一个范 本，从中可以探索形式理论、技术与规划实践的结合，可以研究并开发新的理论 与模型来应对突现的城市j 题的挑战。城f l i 建模运动主要足由欧美发达l 窝家为主 导，发艘r l ，嘀家刁i 断鐾艇进，我l 嗣以：此领域涉足不久，拥对薄弱。然l 碡代r l l l 日的 城1 1 i 发展迫切需要城i i 模硝。他“i 之，f i ，可以攻k 。外的缱幞经验确实f | 榭我 们借鉴。本着历史的i j 逻辑的统一，木文开腱了这方面的研究。梳理各国城l i 建 模经验，认清其得失，把握其优劣，将这一规划方法的价值进一步提升，以期为 我国当前的规划实践和政策分析服务，为开发适合当代我国国情的城市模型而努 力。 第一章何谓城市模型? 城市模型在1 0 5 0 年代巾期起源于美国。 而这场城。1 1 i 建模运动( u r b a nm o d e l i n gm o v e m e n t ) 的缘起则要追溯至j j - - 战之后 美国城i l f 的整个 i ：会背景。当时，全美对城市规划需求旺盛。社会经济的发艘迫 切需要交通j j i ! 划和土地使j 】规划。规划的实践工作由此腱开，劬i c t i 种种新的规划 项目( n e wp l a n n i n gp r o g r a m s ) ，采取各种新的城市政策。例如，二战刚结束， 在1 9 4 6 年甚至或还早些时候，有好儿个州，如：纽约、伊利诺伊、加利福尼哑 和宾夕法尼叠眨，已经通过了有关公共住房、贫民窟清除和城1 1 i 礴开发之类的授权 法规( c l a i r e ，1 9 7 3 ，( h a n d b o o ko nu r b a np l a n n i n g ) ) ，p 3 0 6 ) 。在1 9 4 7 年密苏蛙州 与萨斯城l i 规划委员会采纳， ：j _ j 舨丫一份l i i 式的总体规划，嘶该规划的最终实施 则是透过各种灵活的规划项日和良好的法规措施。( r o s s e l e r , 1 9 8 2 ， s u c c e s s f u l a m e r i c a nu r b a np l a n n i n g ) ) ，p 2 8 ) 。 随莉规划项只的发布，便是大笔公共资金的投入，为了合理地使川大量投资， 有效地编制预算，并凡满足私人要求，各级政府均要对这些城市政策进行理性分 析，比如成本效益分析等。 这样，城市建模应运而生，正是为了适应规划实践尤其是政策分析的需求。 第一节城市建模( u r b a nm o d e l i n g ) 的勃兴 一个非常强烈的动力源是来自美围大都市交通研究( m e t r o p o l i t a nt r a n s p o r t s t u d i e s ) 。这类研究工作早在四十年代初就已展开，进入五十年代更兴盛起来( 美 国交通规划史) ，尤其在1 9 5 5 年，由乌尔希斯( a v o o r h e e s ) 所开发的引力模型， 实现了一项技术突破，随后为交通部门采用，诸如此类的思想与技术在公路研究 委员会的推，“下阳全美传播，这个领域l j l 此逐渐演化为城市建模的一火源流。 i 司时，胡佛( t t o o v e r ) 所侣导的区位论系列( 1 9 4 8 ) ，艾萨德( i s a r d ) 所运j j 的投 入产出分析( 1 9 5 l ，1 9 5 6 ) ，乃至更早，如黑格( 1 t a i g ) 的城i l j 分析( 1 9 2 7 ) ，则形 成另一个学术研究方向，即于1 9 5 4 年成立的区城科学挑会( t h er e g i o n a ls c i e n c e a s s o c i a t i o n ) ，并于1 9 5 9 年f 版了区城科学杂志( j o u r n a lo fr e g i o n a ls c i e n c e ) 。 伴随区域科学、区域经济学的生长与影响，城市经济学开始诞生，参见巴顿( 艮j b u t t o n ) 的城。i 订经济学；稍后，在六十年代初，也开始进入城l l i 建模，其标志是 阿朗索( a l o n s o ) 于1 9 6 4 年的专著区位与土地使刚，并于1 9 6 7 年开办了城1 1 f 经 济学杂志( j o u r n a lo f u r b a ne c o n o m i c s ) 。这两门学科作为阿条分支，汇成另一大 主流。 上述两大源流推动着城市建模的发展( b r a c k e n ，1 ，1 9 8 1 ；h a r r i s ，b ，1 9 8 5 a ，b ) 。 2 此外还有几个发展动力，这蕾要包括战后兴起的运筹学及其分支数学规划论，现 代统计学，以及系统理论、系统t 程和计算机技术，尤其是运筹学和系统工程在 军事、丁业部门、管理领域已经得到成功的应用，这更加鼓舞了美国规划界的信 t 二, ( h a r r i s ，19 8 5 a , b ) 这样，从1 9 5 0 年代t l 期开始美国规划界已正式使j l j 模型方法( j a i p ，1 9 5 6 ) 。 其标j 基就是，1 9 5 6 年美国规划师协会杂志( j o u r n a lo fa m e r i c a ni n s t i t u t eo f p l a n n e r s ) 以专刊题名：规划中的模型，发表了一组文章。随后，1 9 5 9 年5 月美 网规划师协会杂志i l j 版了一期题名为上地使用与交通模型进展报告的专刊，这标 志着城市模型应，f 】于规划实践的开端( e e h e n i q u e ，1 9 7 5 年) 1 9 6 5 年5 月，该杂 志再次 1 1 1 钣题名为城订r 发展模型的专刊，从丽进一步推广这项建模运动，该杂志 易名为荚围规划协会杂志( j o u r n a lo ft h ea m e r i c a n p e a n n i n g a s s o c i a t i o n ， j a p a ) 以肝，神! 1 9 9 4 年每i i 欠j l 版仃关的专题论从：人规模城市模，鹤。这期专 刊全面综述了城市建模运动i j q1 年的发展历程，代表学术复兴的义一旦! 程碑。这 一系列有关城市模型的专下u ，将城市建模运动推向高潮，传向眦界。 伴随城l ，建模兴起的同时，规划界对理性规划的兴趣日益商涨。在1 9 5 0 年 代与1 9 6 0 年代美因社会科学界如：管理学、经济学等重视理性与实证主义， 关注系统性的决策，这导致了理性决策模式，受此影响，规划界将= l 引入以支撑 物质形态规划( f a l u d i ，1 9 7 1 ) 。同时考虑到规划的不确定性、规划方案的多样性， 于是规划备选方案的编制与评价从线性过程走向循环过程，这一过程是通过各种 模型来加以操作的，期望模型能对更理性的规划有所贡献。于是，城1 l f 模型与理 性规划联系稚i 一起，不过，这两者是平行发展的，后者的部分内容还融入城f 建 模之中。当然，栩对全部规划过程而言，任何模型只是其t 1 的一部分。理性规划 代表那i p t , f 匕火多数西方图家的主流范型，其荣辱兴衰直接引发了城市建模运动的 跌宕起伏( b a t t y , 1 9 9 4 ；w e g e n e r , 1 9 9 4 ) 。实际上，城市模型作为一类规划方法，担当 着理论与实践、知、- - f = t j 行动的一座桥梁( b a t t y , 1 9 7 9 ) ，它非常灵活极其生命力，至 今仍活跃于规划界的舞台。 综上所述，城市建模领域不但与实践紧密联系，而且具有高度的交叉学科特 性。 对城市模裂在规划f l 的, 心2 i i j 作详细分析之前先论述模型! j 城市模型的概 念、特性等内容。 第二节模型 模型作为一种数学方法很早已应j _ | j 于自然科学的研究之中。二战i i 后，对模 型的专门研究与推广应川逐渐明显。较早的文献有：控制论创始人维纳( r w i e n e r ) 3 和a 罗森勃吕特于1 9 4 5 年合作的论文：模型在科学中的作用l 。1 9 5 1 年，著名 经济学家阿罗( a r r o w , 1 9 5 1 ) 发表文章：社会科学中的数学模型2 。同年，区域 科学创始人艾萨德撰文，区j 或t x z 际投入一产 n 分析：一个空f l l j 经济模型3 。 1 9 4 0 年代未和1 9 5 0 年代初，在数学家h e n k i n ，a r o b i n s o 骢和a t a r s k i 等人的 努力之下，有关模裂的理论研究才发展成为数理逻掣l ( m a t h e m a t i c a ll o g i c ) 的- - f - j 独立分支模型论( m o d e lt h e o r y ) ( c c ，c h a n g ，h t k e i s l e r , 1 9 7 7 ，p 3 ) 。与此同 时，模犁方法不断渗透到数学的其它分支当中，例如运筹学，5 0 年代切，“运筹 学的重要特征则是以綦础科学巾的常见方式开发和使用分析模型( j f m c c l o s k e y & e n t r e f e t h e n ，1 9 5 4 ，x i v ) ”，构建模裂并不容易。通过数学模型的构建，运筹学 的研究项日形成了如下的步骤：表述 可题；构建教学模酗表达所研究的系统； 求解模型；检验模型及其解答；对解答建立控制；使解答可运作：实施 ( c wc h u r c h m a n ，b l ja c k o f f , a n de c a m o f f , 1 9 5 7 ，p i5 5 ，p 1 2 ) 。模型方法也逐 步j “泛心川于i ：l ：会科学，并n 进入规划领域。 1 1 ir m 英尔斯和g e 金博尔合著的第一本运筹学专著运筹学方法于1 9 5 1 年 l ：版时，虽未提及模型概念，但指 j j 公路交通问题、房屋和城f j 规划问题足极 其适合运筹学研究的领域( m o r s e ，p m & g e k i m b a l l ，1 9 5 1 年，】9 7 8 年中译本， p 2 3 ) 。此后，另两位作者花费了相当多时间和精力尝试城市规划r l 的运筹学应用 研究( c wc h u r c h m a n , b l a c k o f f , a n de c a r n o f f , 1 9 5 7 ，v i i i ) 。 如前所述，最晚在1 9 5 5 年、1 9 5 6 年，模型一词征式由城市规划界所采纳。 这其中，运筹学及其数学建模方法起了栩当重要的作用，并且为系统工程的形成 及其在规划i l l 的应用提供了源泉。 2 1 模型的概念 有关模型的释义现列举如下： ( 1 ) 控制论创始人维纳给 j ；的定义：模型足对于所研究的现实l f i = 界的某一部分 进行抽象而形成的结构1 1 l f 以又比较简单的表达( 维纳，1 9 4 5 ) 。这个抽象过程即是建 模。模礅可分为形式模型和实体模型( 包含地图) 。 ( 2 ) 数理逻辑学的分支模型论之中，塔斯基( a t a r s k i ) 给i j 严格的定义 ( s u p p e s ，1 9 6 1 ，p 6 3 ) ：在其r l l 理论t 下的所有有效句予都被满足的- ：q l t 可能的认 1 a 罗森勃 特，r 维纳( 1 9 4 5 ) ，横骂i ，j - 。+ ，- 、 学中的作川，转l 自庞冗正，李建华编，系统 论、控制沦、信息沦经典文献选编，北京：求实 l ：版社，p p 2 9 0 2 9 7 ，1 9 8 9 ，泽自美国科 学哲学( p h i l o s o p h yo f s c i e n c e ) ，1 9 4 5 ，v 0 1 1 2 。 2a r r o w , k j ，m a t h e m a t i c a lm o d e l s i nl h es o c i a ls c i e n o e s ，hd 1 甜i 蚪a n dl d l a s w c l l ，1 9 5i ，( e d s ) t h e p 0 ；i i c ys c i e n c e ，s t a n f o r d ：s t a n f o n lu n i v e r s i t yp r e s s ，l s a r d , w ，1 9 51 , l n l e r r e g i o n a la n dr e g i o n a li n p u t - - - o u t p u ta n a l y s i s ：am o d e lo f as p a 一e c 伽伽阱r e v i e wo f e c x m o m i c sa n ds t a l t s t i e s ，3 3 ：31 8 3 2 8 4 识，称为理论t 的一个模型( ap o s s i b l er e a l i z a t i o ni nw h i c ha l lv a l i ds e n t e n c e so f a t h e o r yta l es a t i s f i e di sc a l l e dam o d e lo f t ) 。相比之下，应用科学家所作的定义远 非严格，这是l l | 干严格的定义对其研究来说可能实川价值不大，于是在应用研究 中通常采取的是该术语的不严格定义，本文亦如此。 ( 3 ) 运筹学的定义：模型是对于所研究的系统的表达，用来预测系统中的可能 变化对系统实际状况所产生的效果。科学模型是关于所研究的主题( 如对象、事 件、过程和系统) 的表达，被用来预测和控制。模型分为三类：图像模型( i c o n i c m o d e l ) ，类比模型( a n a l o g u em o d e l ) 和l 符号模型( s y m b o l i cm o d e l ，所采j l 】的符号通 常是数学符号或逻辑符号x c h u r e h m a n ，a c k o f f , & a m o f f , 1 9 5 7 ，p p 1 5 5 1 5 7 ) 。科学 模型是关于现实的表达，用来解释过去和现在，预测和掌握未来 ( a c k o f f , 19 6 2 ，p p 10 8 - i0 9 ) ( 4 ) 美囤交通规划师鸟尔希斯( 八v o o r h e e s ，1 9 5 9 ) 认为：模型可以视为各种已观 察到的关系的数学陈述。 ( 5 ) 因而，斯基林( s k i l l i n g 。1 9 6 4 ) 干脆说：一个模型可以指的是一种理论， 一条定律，或一种假说( 假设) ，或一种关系，或一个方程式，或一条规则。这 样，模型一词，似乎无所不包，往往有点模糊。这时，明确模型的作川就显得重 要。 ( 6 ) 在查阅的文献巾，对模型完整的全而揭示大概是a p o s t e i ( 1 9 6 1 ) 的文章，随 后曾由k l i r 和v a l a c h ( 1 9 6 5 ) 以控制论的术语来表达。 a p o s t e i 提f i 在科学研究巾采用模型存在许多的理由：欲解释一组事实而 理论贫乏；现仃的理论难以用数学求解：两个理论之问似乎没什么联系的时 候；一个理论很明确，但不完备；建成的理论涉及新的信息；一个理论需 要确h e ( c o n f i r m a t i o n ) ；当一个理论涉及不可到达的研究对象时，需要模型： 希望理论可视化，以便把握；希冀理论与_ 组观察资料车“吻合。 所有这些情况中，模贾j 是柯j l 】的，但尤其值得注意的是4 i 可到达的情况。规 划，按定义是而向未来，就现在i f i i 言是不可到达的( i n a c c e s s i b l e ) 。即当下，我们 不可能有未来的经历，但是，我们需要而且能够对未来予以规划，这样必须就未 来建立理论或假设。而凡，我们能够检验这些关于未来的假设。正如我们可以检 验一个关于过去事物的假设，对于所关心的系统的某些未来状态，我们的假设是 采取模型的形式，进而检验该模型以便评价该假设。这样，不足处理不可到达的 未来的系统，而是代之以一个容易达到的( 因为以模型形式) 当前系统，并且基 于模型的评价建立我们的判断。 规划所处理的系统建模，还有一个进一步的理由，在某种意义上，这些系统 是不可到达的，即由于它们太大( 在不同形式上巨大) 或者太复杂而不可能直接 处理，或者对现实事物的试验结果难以预料。 5 ( 7 ) b a r r a ( 1 9 8 9 ) 认为，模型是理论的公式化表达，是理论的可检验形式的重新 表达。必须注意的是从单一的理论可以构建好几个模型；同一模型也可能用来 检验不同的理论，这有助于在竞争的理论之问进行优选；一定的理论只能看作对 一定的踞实才有效。 ( 8 ) 所谓模型是对于系统本质，主要特征的描述、模仂和抽象，用于某种特定 用途( 目的) ，以方便的形式向决策人提供必要的知谚 ( 陈秉钊，1 9 9 1 ) 。 由此可见，模型一词似乎过于宽泛，看来要给模型一个充分完善、无所不包 的定义是极其困难的。实际上，在引入模型的一般性定义的i 司时，往往针对模型 在具体学科当中所起的实际作用，给出较为合适的定义。因而把握模型的作用就 显得重要。总之，模型是基于理论的实验设计( h a r r i s ，1 9 8 5 a ) ，是检验理论的一 种科学手段；模型，不论采川数学方式或实体方式，本质上是理论联系应用的方 法( b m c k e n ，1 9 8 1 ) ；是用论! j 现实之i 玎的i | l 介( b a r r a ，1 9 8 9 ) 。 j l t ：夕l - ，有关模型的分类、构建( 建模) 等内容未详述，而足融入下面的城市模 型。 第三节城市模型的概念、特征等基本内容 模型应用于城市规划学科之中，其研究对象是城市系统，于是称为城市模型， 它有多种名称，如：城市发展模型( u r b a nd e v e l o p m e n tm o d e l ) ，或城市系统模型 ( u r b a ns y s t e m sm o d e l ) ，或城市空间结构模型( u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r em o d e l ) ，或城 市土地使用模型等。 3 1 城市模型的定义与要素 与模型的定义类似，城市模型的定义可列举如下： ( 1 ) 城市功能或形态的模型足关于城市( 大都市) 如何运行或增长的科学假说 ( t t a r r i s ，1 9 6 0 ) 。 ( 2 ) 城市模型足城r l i 理论的一利- 可操作的形式或一种实验室形式( h a r r i s ， 1 9 8 5 a ) 。 ( 3 ) 城市模型是对城市系统某些方而的简化与抽象，处理城市与区城土地使用 活动的栩互作用与配置，用数学方程米描述城市系统，解释城市系统并预测其未 来变化( f o o t ，1 9 8 1 ) 。 以上是城市模型的一般性定义，通常在具体应用当中，引入子系统、予模型 的概念，然后构建综合模型。 城市系统足一定地域范围内各种活动和要素所组成的高度复杂的社会系统。 从土地使用规划方嘶丽言，这些城市活动主要指的足活动主体( 如个人、家庭、 机构和企事业单位) 的空问行为模式，具体分为居住、工业、零售、商务、办公 6 等主要活动：城市上地使用不仅包涵一定地域空问范围内的物质资源，更反映人 类在该空间上所从事的活动，还透射出其内在的社会经济关系。为易于分析、便 于操作，城市系统可分解为若干个予系统。予系统的划分要适宜。例如，宜将人 类活动与物质资源区分开来，而不能将活动与承载活动的土地、容纳活动的建筑 以及支配活动的动机等棚混淆。上地、建筑物和甚础没施是物质资源，具有持久 性，而人类活动如居住、就业则足栩对易变，交通i l j 行更是瞬息万变。城市q ，的 人类活动和物质资源鄙必然占据一定的空问，这就形成了它们各自的区位分布， 并表现了各自的使用强度，还透射小内在的社会经济关系，所有这些在城市土地 使用和空间上得到了整合。基于各项要素从慢到快的变化速度， w e g e n e r ( 1 9 8 6 ，1 9 9 4 ) 将城市系统划分为八大子系统：变化很慢的有：土地使用 子系统与网络( 交通、通讯、公用设施网) 子系统，这些网络是城市中最持久的 物质要素：用地分前i 也是稳定的，一般足逐渐变化的，比单体建筑物持久得多。 变化慢的有：工作场所子系统j 孑住房子系统，这些建筑物使j j 寿命长的可达一 百年，工作场所即是非居住建筑物，诸如工厂、仓库、办公室、购物巾心、影剧 院或高校等，它们的存在比t l q t j l ；问的余业、机构要长久得多：同样住房比生活 其中的住户要更稳定。变化快的有：就业子系统与居住人口子系统，随经济的 兴衰，企业创办或关闭，扩大或重新选址，这带来就业或导致失业，按不同的就 业部门可区分出不同的经济活动；住户的增减或有无形成人口分布。这两个子系 统可表达城市中的人类活动。瞬时变化的有：货运子系统和出行子系统，不同 空问区位的人类活动需要相互作用如，j 二班、购物，这引发了交通需求。从广义而 言，交通需求也可视为人类活动的一部分。这些空问相互作用是城市发展中最易 变的因素，如交通挤塞是按分钟或小时来变化的，因此被独立 j 来。外加城市环 境作为第九个子系统，其义繁杂，如交通噪声，空气、水、甚至土壤的污染，气 候的变迁等。所有这些予系统之间存在着交叉的稍 互作用，它们既受市场力量的 驱动，又受政策的管制。 不l 司的子系统可建立一系列对应的了模型，而关于城。i l f 系统的综合模型则存 在一些广泛认同的要素或原则，如下所述： ( 1 ) 城市功能与形态的模型应该表达三类主要变量及其棚互作用：各类j | 】地 活动的区位，联系这些活动的交通通讯线路行为模式与社会关系 ( h a r r i s ，19 6 0 ) 。 ( 2 ) 麦兜劳林( 1 9 6 9 ) 将- 城市系统分为活动、空间、交通三类了系统，城市总体 系统的模型则必须反映系统的两大要素一活动空问和交通线路一动态演化及其 相互作用。 ( 3 ) 城市模哩通常处理物质形态规划或战略规划q 城市地区的空问 日题，而且 考察城市系统上地使用活动的空问分布及相互作用的1 i 同方面。这些土地使用活 7 动，如：居住、就业或游憩等；这些相互作用如：上班出行模式或购物出行模式 ( r o o t ，1 9 8 1 ) 。 ( 4 ) 如上所述，w e g e n e r ( 1 9 8 6 。1 9 9 4 ) 将城市系统分作九个子系统：土地使用、( 交 通、通讯、公用设施的，网络、住房、工作场所、居住人口、就业、交通 晰和 货运，外加城市环境。其中，综合性的城市模型要求必须整合城市空h j 发展的本 质过程，即必须包括城市土地使用和交通，这儿土地使用表示一系列的土地使用 如居住、工业和商业等。 综上所述，城市模型用以评价有关具体土地使用活动的变化效果，特别处理 居住发展、工业发展、零售业发展、服务业提供和交通网络。它们试图以空间变 量和非空间量来估计空问变化的后果，因而主要是与城市系统的空问方面有关， 特别地，它们能检测新开发或再开发的影响，比较不同的开发方案，同时显示觑 划政策对城r l f 地l 蔓的4 i 同效应，它们一般n ：一个相当聚合的层面一i 二，i 司时在空间 上并以土地使川变量进行操作，这样每一个予模型仪处理整个城市系统的一部 分，这些模型涉及土要的用地活动，还可以考虑有关噪声、污染的环境影响，或 交通可达性的变化诸如此类的事，从而进一步把多个子模型组合起来，因而，城 市模型提供给规划师存关未来政策行动可能结果的信息。这些结果，连同来自其 它技术和其它分析形式的输出结果，被看作不同规划政策优势、劣势以及可能结 果的一个总体合成效应。 由此可见，城市模型是城市分析的一种实用方法，它用来解释复杂城市系统 内部的运行机制，了解使城市系统得以产生发展的因素和力量，并阐述这些力量 是如何作用和相互作j j 的，进而预测变化的方向，并确定政策工具如何用来影响 这一变化。城市模型担当着理论与实践、知识与行动的一座桥梁，在规划过程中 担当着具体而明确的角色。 此外，需要指明，城市活动的空问行为模式其有重要的方法论意义。城f 仃数 学模型的变量和方程式应该能表达明确的行为意义和或社会关系。否则，也许 仍是纯粹的、自在自为的数学方程或含糊的数学模型。然而，为了充分表达这些 内容，其建模历程却是艰辛的，例如，从早期的引力模型以及熵最大化模型、经 中期的离敞选择模型直到当前的微观模拟模型( 如城市元胞自动机、主体模型) 等，历时近半个世纪建模领域一商在为此奋斗( 1 t a m s ，1 9 8 5 b ；陈秉钊1 9 9 1 ) 。 3 2 城市模型的分类 分类是学术研究不可或缺的先导。通常依据不同的目的和准则，模型有不同 的划分方法。运筹学曾将模型分为三类：图像模型，类比模型和符号模型( 所采 用的符号通常是数学符i 号或逻辑符号) 。规划领域的大量建模工作主要是采用数 学模型，它对模型的一般性分类，最早人概是由劳瑞( i s l o w r y ) 于1 9 6 5 年总结 8 出来的( l o w r y 。1 9 6 5 ) 。他提出，依据用户的兴趣和建模者的抱负，规划中的模型 可以归入三类：描述模型( d e s c r i p t i v em o d e l s ) ，预测模型( p r e d i c t i v em o d e l s ) 乖l l 规划 模型( p l a n n i n gm o d e l s ) ，这种土流分类方法沿用至今( m c l o u g h l i n , 1 9 6 9 ；c h a d w i c k , 1 9 7 1 ；c h a p i n , 6 1 9 7 9 ；b r a c k e n ，1 9 8 1 ；b a t t y , 1 9 9 4 ) ；其中，规划模型亦可称为规则模 型( p r e s c r i p t i v em o d e l s ) 或最优化模型( o p t i m a lm o d e l s ) 。 描述模裂是对城市系统过去、现在的状态j 结构加以陈述，只是解释力度往 往不够。 预测模型是对城市地区的未来做出预测，这必须对城市形态与过程之间，及 其“原因”与“结果”之间的关系加以了解，予以解释。对“原因”和“结果 这类概念科学哲学家持有偏见，其实只要这些概念处于一个栩互依赖的系统的分 析框架之下，它们就是非常有益而且一点也不危险。规划师更加希望按预测的结 果米控制) f ：操作城市土地使用系统，这时，附有条什的预测模型史有意义。模 型的预测曲! 调了“如果那么”式的预测能力，这有助于将行动方针作为一个 条件来追踪j 后果，因而，这一术语称为附有条件的预测。这样，预测模型在一 定的约束条件下可以转向规划模型。 描述模型可以忽略时间，面看作静态或均衡态，还不必说明该均衡态是如何 达到的：预测模型必须考虑时间因素，但时间跨度与处理方式因目的不同而异， 并且体现了从描述走向解释的重要转换。 规划模型有必要结合附有条f l - f 1 j 预测模型，并进一步按规划师的目标来评价 所预测的结果。其主要步骤如下：( 1 ) 设定也许是山规划师挑出的各选方案或行 动方针：( 2 ) 预测挑d j 的每个备选方案的效采：( 3 ) 按照目标趋近程度为这些效 果打分，即方案评定；( 4 ) 挑f l 得分最高( 最佳) 的备选方案( l o w r y , 1 9 6 5 ，j a i p ) 。 简言之，规划模型：反映不同规划方案所导致的不同的系统未来状态，并根据既 定标准对各利j 3 i ! 划方案加以评定，以确定最佳方案( m c l o u g h l i n ，1 9 6 9 ) 。 r 1 1 此可见，规划l l 的模型不仪用来检验理论，而n 川米检验行动方案，以提 供政策分析。它成为理论与实践、知识与行动的媒介。 模型分类的常见原则： 按空间聚合尺度( t h el e v e lo f a g g r e g a t i o n ) ，模型分为：宏观与微观( m a c r oa n d m i c r o ) ； 按时问状态，分为静态与动态； 按数学方程的性质，分为线性与非线性； 按数学关系的确定程度，分为确定型与随机型； 按应用的n 的，分为理论模型与实用模型或可操作模型( t h e o r e t i c a la n d o p e r a t i o n a l ) ； 按模型的用途，分为描述、预测与规则( d e s c r i p t i v e ，p r e d i c t i v ea n d 9 p r e s c n p t w eo ro p t i m a l ) ； 按所涉及的系统的范围，分为局部与综合( p a r t i a _ ia n dg e n e r a l o r c o m p r e h e n s i v e ) 。 需作说明，上述的基本原则之一是关注所研究现象的聚伴( a g g r e g a t i o n ) 程 度：是聚焦于较人的系统行为，还是聚焦于系统要素的行为，前者，第一种方法， 宏观分析，如引力模型，它假设较大群体的行为可以刻划该群体内的个体行为： 后者，第二种方法，微观分析，其代表如经济学家的传统关注，即以竞争个体的 理性选择为基础理论的市场模型，这儿较大群体的行为被看作个体行为的聚合。 这两种方法各有长短。此外，空间维度还可处理为连续与离散，如在离散空问之 下，城市地区被划分为一组离散的子区或小区。 基本原则之二是对时问的处理，而规划是关注时问的，因此，除了描述模型， 规划i i 的模犁必然关注时问，以表达时问j = ! f 程r | l 的结果。对t v , l f 的处理方法，按 时间连续程度的不同，依次划分为比较静态( c o m p a r a t i v es t a t i c s ) 、递归过程 ( r e c u r s i v ep r o g r e s s i o n ) 和动态分析( a n a l y t i c a ld y n a m i c s ) 。比较静态方法假i 殳系统由 均衡机制支配，在系统被扰动后，会迅速转向。方程叶l 不明确i “现时间因素，当 外生变量发生变化时，可以计算系统在达到新的均衡状态下的内生变量的数值。 均衡假设对有关城市现象的模型而言是难以确保的。动态分析则不需要均衡假 设，它不是关注未来某一设定时刻的系统状态，而是关注变化过程。通常，模型 表达为一组微分方程。设定初始条件和参数，除了时问之外，所有过程都是内生 确定的，而且任何变量是随时问连续变化的。在时问的任一点上，可判断该系统 的状态。若系统是处于均衡之中，则变量值会收敛于i l 】类似的比较静态方法得出 的那些数值；若无均衡特征，则该系统可能会周期波动，或崩溃，或退化。动态 分析实质上要求完全的逻辑闭包，即所有变量除时间外是内生的。然而城市现象 实际上受到各种周期性外生变化的作用。即有些因素是外生决定的，看来系统封 闭的假设是困难的。而且对城市系统的动态行为而言，日前尚无充分的理论，就 连试图开发一个简单动态城市模型也会遭遇人量复杂的6 u 题，因此真l e 动态模型 实际上仅作为学术研究而开发，还停留在理论层面上，尚未进入操作应j 1 层而， 福雷斯特( f o r r e s t e r ，1 9 6 9 ) 的城市动态模型是理论的非空问模型，因而不予以 考虑。折巾的方法是递归过程，又称为准动态分析( q u a s i - d y n a m i c s ) ，它为大多 数建模者接受并广为使用。该方法对于系统在时问上的变化采j l j 时滞变量，以一 步扣一步( 互锁) 的方式朱预测，其中，每一步表示某一时问点或某一时问横截 面，步长可以按一年或五年划分，其变化过程表达为一组差分方程，同时，周期 性的外生变量可以嵌入这个递归序列，从初始值开始，每一阶段的输出结果作为 下一阶段的输入。 原则之三，线性是指自变量与因变量之间的一次方关系，否则是非线性关系。 l o 例如，线性回归模型经常应用于空问统计分析和空间计量经济建模。 原则之五，实用城市模型或可操作的城市模型是指已经构建完工、经校准并 且在大都市地区的政策分析中得到实施的城市模型。理论城市模型可能只作了方 程组的表达，还停留在概念层面，尚未检验，更未实施。不过，这两者是并行不 悖的。城市建模史表明，理论层面源源不断地为实用层面提供思想和方法论，前 者是基础，影响着后者的学术水平。而从理论进入实用，模型的可操作更需要发 明与创新。 原则之六，描述与预测模型是依据实际的行为，因而是实证的( p o s i t i v e ) ；而 规则或优化模型是模拟规范或优化的行为，是规范的( n o r m a t i v e ) ：这两类模型之 间的区别体现了事实与价值之间的差别，这是模型发展中的重要议题。该原贝f j a p 上述的主流分类法。其中，规则模型的典型代表是最优化模型，它是以数学形式 将一组特定的目标和约柬条件表达成最大化或最小化的目标函数和一组约柬，进 而求解，如运筹学中的线性规划、非线性规划等。 在预测模型之下，有一类重要的分支模拟模型( s i m u l a t i o nm o d e l ) 。当然， 从广义来说，任何形式的模型都是模拟，但模拟这一术语，通常采用如下定义： 建立模型来复现实际系统中所发生的本质过程，并通过对该模型的实验来研究存 在的或设计的系统，又称仿真。其重要工具是计算机。例如，在上海修建地铁之 前，陈秉钊教授曾采用计算机仿真方法，模拟地铁建成运行之后上海居民平均出 行时间的变化情况。根据上海无地铁的现状，所作的交通起讫点( ) 调查 表明，居民平均出行时问为3 1 6 分钟。通过建立上海城市用地布局和交通计算 机仿真模型，所得模拟结果是，对于无地铁集中紧凑布局的方案，居民平均出行 时间为3 1 8 分钟，接近实际调查数据，同时，在有地铁集中紧凑布局的方案中， 居民平均出行时间为3 1 1 分钟，相比无地铁的方案，平均出行时间节省0 7 分钟。 不同的模拟方案还表明，若提高地铁运行速度，平均出行时问还可进一步节省。 在模型的概念节中，曾提到规划中的那些不可到达情况：不可能试验环境中我 们所关心的系统，因为它太大或许太昂贵而不能试验它，或者因为该系统事实上 还不存在，此外，还会有其它效果相似的困难，如该系统也许太复杂而不能以数 学形式概括，若要为此做太多的“压缩丹工作则不可行，或者，我们能用数学表 达，但模型也许难以处理，靠常规分析技术( 解析求解、数值计算) 不可解。这 些问题却容易用模拟方法解决。常见的模拟方法如蒙特卡洛方法( m o n t ec a r l o ) 、 马尔可夫链模型( v a r k o vc h a i n ) 和博弈论( g a m i n gt h e o r y ) - 等。它与解析求解、数 值计算的区别在于它首先是一种实验技术，在模拟当中，随着时间进程能观察到 系统的行为。时间进程可以控制，或“拉长一，或“压缩一，从而产生一系列的模 拟数据，用来分析系统。因此，模拟并非要达到现实本身，而是复制该系统或该 活动的本质。这对城市规划，尤其是研究复杂的城市系统具有重要意义。 原则之七，局部模型只考虑城市总体系统的一部分或某一子系统，诸如居住 区位及其零售购物分布和交通模型，因而这样的模型也称为子模型；综合模型则 处理大量子系统至少包含两个以上的子模型，诸如l o w r y 模型。此外，综合模 型还有如下特点，在将各个子系统或子模型联接起来的建模之中，模型的总体结 构表现出不同的联接特征，由此可分