（环境科学专业论文）城市系统发展模式的复杂性理论与应用.pdf

关键词：城市系统复杂系统分形城市模式a g e n t 广义信息熵 a b s t r a c t a st h er e p r e s e n t a t i v eo fh u m a nc i v i l i z a t i o n ，t h eo r i g i n sa n df o c u s e so ft o d a y s e c o n o m i c ，s o c i a l ，s c i e n t i f i c ，c u l t u r a l ，c o m b i n e d w i t h t o d a y sr a p i dp r o c e s so f u r l b a n 泣a t i o n t h er e s e a r c ho nc i t i e sa n du r b a n i z a t i o n h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t b u ta sac o m p l e xd y n a m i cs y s t e m ，t h eu r b a ns y s t e mh a st h ef e a t u r e so f m u l t i 1 e v e l ，c o m p l e x i t y ，o p e n n e s s ，e t c ，w h i c hm a k e s t h et r a d i t i o n a ls y s t e mb a s e do n e u c l i d e a ng e o m e t r yo fs p a c eo fc i t i e sn o tb ed e e pe n o u g h t h ed i f f i c u l t i e st r a d i t i o n a l r e s e a r c hm e t h o d sf a c ea n dt h ev a r i o u sn e wc h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nd e v e l o p m e n t s u g g e s tt h a tt h ed e v e l o p m e n to fn e wt h e o r i e s a n dm o d e l so fc i t i e si sn e c e s s a r y r e p r e s e n t e db yc e l l u l a ra u t o m a t a ( c a ) ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a n dc o m p l e x a d a p t i v es y s t e m s ( c a s ) ，t h et h e o r yo fc o m p l e xs y s t e m sh o l d st h ea d v a n t a g e sa s c o m p r e h e n s i v e ，i n t e r d i s c i p l i n a r ya n du n i v e r s a lm e t h o d o l o g y , w h i c hh a sr e s o l v e d m a n yp r o b l e m s t h a tt h et r a d i t i o n a lu r b a nr e s e a r c hc a nn o t t a c k l e t h e a b o v e m e n t i o n e dm e t h o d so fu r b a nr e s e a r c hc o n s t i t u t et h ef o r e f r o n to fu r b a ns y s t e m t h e s ec o m p l e xs y s t e mt h e o r i e sc a nn o ts t a r tf r o mt h ei n t e r a c t i o no fe l e m e n t sa n d r e v e a lt h ep r i n c i p l ea n dt h ek i n e t i ce q u a t i o no fu r b a ns y s t e m sf r o mt h eu n d e r l y i n g m e c h a n i s m 。a n di tc a nn o tf o r mar e a ls p a c ed y n a m i cm o d e l w i t h o u tt h es u p p o r to f t h ep r i n c i p l eo fd y n a m i c s ，d e s c r i p t i o n so ft h ec i t ya r eo f t e nt o os u b j e c t i v ea n d c a nn o t g e ta c c u r a t es i m u l a t i o no nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n de v o l u t i o no ft h ec i t y w i t h u r g e n tn e e do fan e wt h e o r yf o rt h ec o m p l e x i t yo fc i t ys y s t e mi nt h ec i t ys t u d y ，t h e m a x i m u mf l u xp r i n c i p l ec a m ei n t ob e i n g c o n s i d e r i n gt h en e wf 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 sp a p e r a f t e rt h ea r g u m e n tt h a tt h ef a i l u r eo ft h er e s e a r c ho n a t o m i s mi nc o m p l e xu r b a ns y s t e m s ，w ep r o p o s eg e n e r a l i z e dp h y s i c a ls y s t e mw h i c h b a s e do nn e wp r i m i t i v ea n dp o i n to u tt h a tt h ec l a s s i c a lp h y s i c a ls y s t e mi so n l ya s p e c i a lc a s eo fg e n e r a l i z e dp h y s i c a ls y s t e m w ee x p o u n dt h eb a s i cp r i n c i p l e s o f g e n e r a l i z e dp h y s i c a ls y s t e m ，a n dc r e a t et h ef u n d a m e n t a le q u a t i o n o fg e n e r a l i z e d p h y s i c a ls y s t e m ，a n dg e n e r a l i z e di n f o r m a t i o ne n t r o p yp r i n c i p l ei st h e nd e s c r i b e da s t h el a wo fn a t u r et oi n v e s t i g a t et h ep h y s i c sb a s e do ni n f o r m a t i o nt h e o r ya tl a s t a c 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 sd e v e l o p e d b a s e do nt h ef r a m e w o r k o f n e ws t a t i s t i c a lm e c h a n i s mi 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 s f 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 mi sr e v e a l e da n dt h ew e i g h t so f n e t w o r kg a i nn e wm e a n i n g sw h i c hr e l a t e dt ou r b a np a t t e r n b yu n i l y i n gt h ep a t t e r n r 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 r e mi sf o u n d i nt h et i m es c a l e ，u s i n gs t a t i s t i cu r b a nd a t ao f g u a n g z h o u ，w eo b t a i nt h ef o r m a t i o n a n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so fg u a n g z h o u i nt h es p a t i a ls c a l e ，w ea n a l y z et h ed y n a m i c p r o c e s so fd e v e l o p m e n ta n de v o l u t i o no fs h a n g h a i ，b e i j i n g ，g u a n g z h o u ，t i a n j i n ， c h o n g q i n ga n da c c o r d i n g l yc o m p a r et h e s ec i t i e s d e v e l o p m e n tp a t t e r n s p r o b l e m si n c h i n a su r b a nd e v e l o p m e n ta r er e v e a l e da n da s s o c i a t e di n s t r u c t i o n sf o ru r b a n d e v e l o p m e n ta n dp l a n n i n ga r ep r o v i d e d f i n a l l y , w es u m m a r i z e dt h ei n n o v a t i o na n d s h o r t c o m i n g si no u rw o r k , a n dp r o p o s e dp o s s i b l ef u r t h e rr e s e a r c hp o i n t s k e yw o r d s ：u r b a ns y s t e m s ，c o m p l e xs y s t e m s ，f r a c t a l ，u r b a np a t t e r n ，a g e n t ， g e n e r a l i z e di n f o r m a t i o ne n t r o p y 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，也不包含为获得丞盗盘堂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：旧簟：角 签字日期：耖7 年乡月z 厂日 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鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗叁鲎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) 学位论文作者签名； l 匆捧；身 导师签名： 签字日期：少力1 年占月日 放沸 守 j 辩醐一尹年夕月7 日 第。章绪论 第一章绪论 1 1 传统的城市及城市化研究 城市作为人类文明的代表，经济、社会、科学、文化的渊源和焦点，集中了 时代社会生活的各种矛盾。作为一个复杂的动态大系统，包括生产、消费、流通 等空间现象及造成这种空问现象的社会、文化和思想意识形态等非空间现象，加 之当今迅速的城市化进程使得城市、城市化的研究日益重要【1 】。但由于城市系统 具有多层次、复杂性、开放性等特点，城市系统的研究一直不够深入。2 0 世纪 初，才产生用于研究城市现象与演化过程的一些简单城市模型，而需要大量数据 计算的模型研究及应用直到1 9 4 5 年第一台计算机产生后才得以迅速发展。 a g w i l s o n 认为，真正实质性的模型应用于城市系统则在2 0 世纪6 0 年代以后【2 】o 根据研究方法和研究特点，可将城市系统的研究分为三个阶段【3 】o 1 1 1 描述城镇体系以及城市内部空间结构的静态模型 地理学家从人地关系的角度研究城市，深受地理环境决定论的影响，伯德曾 以三角形表示三类城市( 中心地职能、专业化职能、交通运输职能) 形成与发展 的相互关系i l j 。1 9 3 0 和1 9 4 4 年德国城市地理学家w c h r i s t a l l e r 和经济学家 a l o s c h 分别提出了著名的中心地理论( c e n t r a lp l a c et h e o r y ) ，描述了中心地的 空间分布模式，奠定了城市系统研究的基础【4 ，5 l 。1 9 3 1 年，赖利( w j r e i l l y ) 根 据牛顿力学中万有引力定律，提出了零售引力模型，而后p d c o n v e n v e r s e 发展 了w j r e i l l y 的理论1 4 j ，于1 9 4 9 年提出“断裂点( b r e a k i n gp o i n t ) ”的概念，进 一步奠定了空间相互作用的基石。2 0 世纪5 0 年代，计算机的出现极大推动了城 市模型的发展，最具代表的是空间相互作用模型( s p a t i a li n t e r a c t i o nm o d e l l i n g ， 简称s i m ) ，这类模型包括空间扩散模型、距离衰减规律、引力模型和潜力模型 竺1 6 】 寸o 1 9 5 3 年瑞典学者t h a g e r s t r a n d 首次提出空间扩散问题，开创了空间扩散模 型的研究。d l h u f f 于1 9 6 4 年借助概率论方法，对于赖利( w j r e i i l y ) 的零售 引力规律进行了进一步扩展，提出了基于概率的商业零售引力模型。1 9 6 4 年， 地理学家l r a s l o w r y 提出的基于重力模型的引力模型l o w 拶模型则是 空间相互作用模型中的典型代表。1 9 6 6 年，r a g r a i n 在l o w r y 模型的基础上， 第一章绪论 增加了经济方法，重写了l o w r y 模型，后被称为g r a i n - - l o w r y 模型，而这个模 型也被认为是一个通用的城市模型。l o w r y 模型的核心是一对相互依存的空间相 互作用模型：居住区位和服务区位，前者相对于工作地分派人口，后者相对于人 口分派服务工作。l o w r y 模型是城市模拟方面的一个重要里程碑，因为它指出了 子系统模型连接起来的重要性 7 1 。后来，m b a t t y 等人对l o w r y 模型进行了若干 扩展。在2 0 世纪5 0 年代前后，美国天文学家j q s t e w a n 、地理学家c d h a r r i s 及b j b e r r y 提出和发展了潜力模型，对人口密度、市场潜能等问题进行了广泛 的应用研究。 在对城市内部空间结构研究方面，1 9 2 3 年，美国学者e w b u r g e s s 从人文生 态学角度对城市进行研究，创立了著名的城市同心环模式( c o n c e n t r i cr i n g m o d e l ) 。e w b u r g e s s 从入文生态学角度提出该模式，忽略了人类除了生物属性 之外尚有文化属性。后来的城市研究学者赫德( h u r d ) 、黑格( h a i g ) 和李嘉图 ( r i c a r d o ) 赋予同心环模式土地经济学的解释，提出了地租理论。1 9 3 9 年，霍 伊特( h o m e rh o y t ) 考虑到均质性平面的假设太不现实，提出了扇形模型。相对 于e w b u r g e s s 、h o m e rh o y t 等提出的均为单中心的城市内部模式，1 9 3 3 年， r d m c k e n z i e 提出了多核心城市土地利用模式；c d h a r r i s 和e l u l l m a n 于1 9 4 5 年对其进行了进一步发展，提出了较为精细的多核心模式。另外，美国芝加哥大 学的城市地理学家科尔比教授提出了著名的向心力一离心力学说，对城市利用变 化与地域分工进行了概念描述【4 ，6 ，引。 而在城市土地利用中，最重要、最受人关注、研究成果最多的莫过于中心商 务区( c b d ) 1 9 1 。c b d 最早是由伯吉斯在“同心环模式”中提出的。早期的研 究者普劳德富特( p r o u d f o o t ) 、奥尔森( o l s s o n ) 在c b d 的界定方面作出了突 出的贡献。其后，美国学者墨菲( m u s h y ) 和万斯( v a n c e ) 引进地价峰值区( p l v i ) 的概念，认为p l v i 是c b d 最明显的特点。戴蒙德( d a i m o n d ) 、戴维斯( d a v i e s ) 对墨菲和万斯的理论进行了改进，提出“硬核”的概念。赫伯特( h e r b e r t ) 赫卡 特( c a r t e r ) 进一步提出中心商务建筑面积指数比率的概念。1 9 5 5 年，墨菲、万 斯赫爱泼斯坦( e p s t e i n ) c b d 内部商务活动的布局进行研究发现，不同区位的 便捷性不同导致产业利润相异，从而造成地价的差异，这正是造成c b d 中商务 活动空间分布的主要原因。随后，斯科特( s c o t t ) 在墨菲理论基础上作出了进一 步的分析，并运用“投标一地租( b i d - - r e n t ) ”曲线的概念来说明c b d 内部结 构中零售业的空间分布。但是考虑到实际情况，相对便捷性( 距p l v i 的距离) 只是影响c b d 内部结构的一个重要方面，其它一些因素，如地形的复杂性、铁 路、绿地等均是影响因子，另外，便捷性也并不仅仅是距离问题，地价与c b d 的发展之间也并非简单的线性关系。 第。章绪论 伴随着城市化的程度大大加速，世界范围内大都市带的形成趋势明显，与此 同时郊区城市化、逆城市化和再城市化也日益突出。城市地理学家戈特曼他认为， 大都市带是市街区大片地连在一起，消灭城市与乡村明显的景观差别的地区。戈 特曼于1 9 8 9 年发表的大都市带一书对大都市带作了详尽的介绍。目前针对 大城市带、郊区城市化、逆城市化和冉城市化尚未出现完善的城市模型。 以上介绍的城市模型基本上都是静态模型，是基于或简单类比经典的机械牛 顿力学的“物理”模型，尽管从一定程度上描述和反映了空间实体的分布、实体 间的相互作用等特征和机制，但不能很好地反映城市组织结构的形成过程和动态 的发展变化。 1 1 2 以系统动力学和l o w r y 模型为代表的宏观动态城市模型 从2 0 世纪6 0 年代末开始，人们意识到动态行为在城市系统中的作用相当重 要，动态城市模型的构建不可避免地成为城市学家的研究日标。 ( 1 ) 经济学角度的城市系统动力学研究 城市内部分化为商业、仓储、工业、交通、住宅等功能区域和城乡边缘区域 的情况下，研究这些i 又：域的特点，它们的兴衰更新，以及它们之间的相互关系， 即城市职能的研究。将城市经济活动类型划分为基本活动( b ) 和非基本活动( n ) ， 并以比率b n 的大小反映城市这架复杂机器的运转状况。这种理论被称为理解 一切城市成长发展机制的钥匙，并被看做城市经济基础理论1 1 。围绕城市基本和 非基本活动的划分也提出了普查法、残差法、区位商法、正常城市法等诸多方法， 面尤其是厄尔曼和达两提出的最小需要量法最具代表。随后，穆尔( c l m o o r e ) 、 吉布森( l j g i b s o n ) 和沃登( m a w o r d e n ) 分别针对最小需要量法的缺陷进行了 修正【l l 】。英国城市地理学家卡特( h c a r t e r ) 把城市职能分类方法按发展的时间 顺序分为一般描述方法( m a u r o n s s e a u ) 、统计描述方法( c d h a r r i s ) 、统计分 析方法( n j n e l s o n ) 、城市经济基础研究方法( j w m a x w e l l ) 、多变量分析法五 苤1 1 2 1 ：ko 通过城市内部结构与职能研究，传统城市研究者得出这样的结论：城市发展 的内部动力主要来自输出活动即基本部分的发展。由于城市基本活动的建立和发 展，从输出产品和劳务中获得的收入增加。收入的一部分导致基本部分的职工对 本地消费和服务需求的扩大，也就导致了本地区非基本部分就业岗位的增加和收 入的增加。基本活动收入的另一部分则用于本身的扩大再生产，继续为城市从外 部获得更多的收入基本和非基本活动每一次的增加都要引起当地人口的进 一步增加，这样反过来又增加本地区的需求和本地区的人口。城市发展的过程也 就是基本和非基本两部分活动在一个地方循环往复、不断集聚的过程。城市基本 第一章绪论 部分每一次的投资、收入和职工的增加，最后在城市所产生的连锁反应的结果总 是数倍于原来投资、收入和职工的增加。城市基本活动所引起的这样一种放大的 机制被称作“乘数效应”1 1 。 ( 2 ) 基于微分方程的城市动态模型或准城市动态模型 1 9 6 9 年，美国麻省理工学院的j w f o r r e s t e r 将系统动态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 nd y n a m i c s ) 。该模型由反 映城市中多种社会、经济要素以及反馈等关联关系的一系列微分方程组成，可以 对城市各要素指标的变化进行动态模拟。但是该模型保留了太多的系统动力学特 征，缺乏位置、距离等空间概念，没有反映出城市空间结构的演化过程。1 9 7 1 年，a g w i l s o n 通过改造l o w r y 模型，引入最大熵原理，建立了第一个城市动态 学模型【8 1 。 2 0 世纪8 0 年代初，d e n d r i n o s 和m u i l a l y 将生态学中反映捕食者和被捕食者 动态关系的l o t k a - - v o i t e r r a 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，也不能反映城市系统的空间特性，因此无法描述城市或城市空间结 构的演化过程【5 1 。1 9 8 1 年，a m s i n 将突变理论应用于空间结构的研究中，以便解 释城市化过程中的许多现象，但这一模型仅仅允许极少量的全局变量来描述系统 的状态，因此该模型也只能从宏观的角度对城市空间相互作用进行理想化的研 究，很难将空间相互作用的微观行为融入到模型中【l 引。与此同时，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 观行为的状态变量框架。p e t e r a l l e n 在耗散和自组织理论的支持下，发展了基于 自组织理论的城市动态模型，同主方程模型相似，它是基于一组非线性微观方程 【1 4 】。1 9 9 7 年，张新生在w i l s o n 等研究的基础上，提出了城市空间增长动力学机 制，并建立了基于个体行为的城市空间动力学模型。 以上动态模型或者准动态模型都是基于微分方程的动态，可以反映城市发展 的动态特征。但这些模型普遍存在以下不足：城市的微观结构和个体行为是造成 城市动态性、自组织性、突变性等复杂特征的原因，而上述模型都从宏观出发， 通过对居住区、工作区、商业区等的机械划分作为研究对象，未反映城市的微观 特性。以上模型研究方法多采用系统动态学，系统动态学选取的变量多是人口、 收入等社会和经济指标，强调系统变量间的相互作用和反馈，并通过这些变量与 空间增长的相互关系推演空间结构的可能变化，这就造成，这些模型不能反映由 于空间格局造成的空间反馈；另一方面，依赖相关性推演空间结构变化的能力有 限。因此，这些所谓的动态城市模型，大多数反映的只是城市中社会、经济指标 的动态变化，而不能真正反映城市时空结构的变化。 第一章绪论 1 1 3 以非线性理论、自组织理论等为基础的城市动态演化模型 作为城市系统研究的有力探索工具，目前复杂系统的技术方法主要包括系统 动态学、混沌、突变、分形、神经网络、a g e n t 、进化计算、免疫系统等1 1 5 】，这 些传统的非线性自组织理论与“人工生命”构成了复杂性理论的两大基础。1 9 6 2 年，l b l e o p o l d 根据地形学变量与热力学变量之间的相似性，建立了“地形熵” 的概念。1 9 6 6 年a e s c h e i d e g g e r 提出了“最小地理熵”的概念l l6 | 。1 9 8 1 年， a g w i l s o n 将熵的概念应用于城市系统的研究中，提出了“熵最人模型”【7 j 。 1 9 8 3 1 9 9 7 年p e t e ra l l e n 系统的从耗散系统论的角度对城市和区域做了深入的探 讨。协同学在解释地球增温、天气形成、生态变化、等地理有序形成方面得到了 进一步的应用。分形几何被誉为“第四代地理学语言”而日益受到地理学家的关 注。魏一鸣利用计算出来的时间序列分维数，来分心洪水灾害的时空复杂性，并 将其作为大尺度空间上洪水预测的一个重要指标1 17 1 ，分维数已经成为分析和描述 复杂现象的一个重要指标，但这些分维数到底能够提供多少有用的信息，尚待深 入研究i l 剐。非线性理论和自组织理论等复杂性理论在城市动态模型的研究及应用 中的作用日益重要。 1 。2 复杂性理论在城市系统研究中的应用 1 2 1 复杂性理论 复杂系统科学是以复杂系统为研究对象、以复杂系统思想为中心的一种新兴 学科群，它是2 0 世纪初叶以来发展最快的一大类横断性、综合性的科学。经过 数十年的发展，各种复杂性理论相继涌现，研究复杂系统的技术方法先后面世， 复杂系统科学日臻完善。 复杂系统科学以其综合性、跨学科性和方法论的普适性影响并促进着当代科 学的发展，以其独特的思维方式和科学的自然观、时空观理解世界，探索以往科 学未涉及的领域，揭示出比以往传统科学更为广阔更为真实的现象世界。因此， 复杂系统科学解决了许多的科学难题，如系统科学展示的时空结构观念的变化， 使人们得以在新的科学视野下发现新的科学规律，重建宇宙秩序的新图景。牛顿 经典力学、热力学第二定律与达尔文进化论对宇宙系统演化方向的相互矛盾的结 论，用系统科学理论得到了解释。还原论和整体论旷日持久的争论用系统科学。可 重构性分析( r e c o n s t r u c t i b i l i t ya n a l y s i s ) ”回答。 2 0 世纪6 0 7 0 年代是复杂系统科学蓬勃发展的年代相继涌现出耗散结构理 论、协同学理论、超循环理论、自创生理论等自组织理论，国外不少机构在进行 第一章绪论 着内容类似但名称不同的关于复杂性的研究工作。美国的研究概括起来分为五个 学派【1 9 】：系统动力学、混沌理论、自适应系统理论、结构为基础研究、i n d i f f e r e n c e 学科交叉，其中最为前沿的阵地是美国新墨西哥州的圣菲研究所( s f i ) 2 0 1 。 概括起来，复杂性科学主要有以下几种学派：l b e r t a l a n f f y 创立的一般系统 论学派，s f o 所研究的复杂适应系统学派，系统进化控制论学派，开放巨系统学 派，j n w a r f i e l d 、g v i c k e r s 、c s p i e r c e 、j p i a g e t 等组成的结构学派，f o r r e s t e r 等人提出的系统动力学派，复杂系统管理学派【2 。 复杂性学科是- - f - j 崭新的学科。它是如此之新、如此之广，至今还没有一个 统一的定义和明确的范畴，因此许多科学家倾向于称之为复杂性问题、复杂性理 论或称为复杂系统理论。近年来其基于适应性行为的复杂性研究取得了重大的成 果，尤其是其建立的“人工生命”学科已经构成了复杂性研究的主体，并且在社 会经济活动的研究应用中取得成功，从“人工生命”的角度研究复杂系统问题， 研究其在城市系统中的应用问题，不仅仅具有重要的应用价值，而且对复杂系统 理论本身也具有非常重要的意义。 1 2 2 复杂- | 生理论在城市系统研究中的应用 传统的研究方法面对城市系统组元数量众多、组元之间耦合作用强烈、外界 环境影响巨大的特点时，往往无能为力。一、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；二、宏观层而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；三、都是由上而下的城市 研究方法，未能从组元的相互作用出发，由下而上从机理上阐述城市系统的原理 和结构演化的动力学方程。四、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o 复杂系统理论以其综合性、跨学科性和方法论的普适性等优点解决了上述诸 多问题。目前应用于城市系统的复杂性理论主要有元胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t a ，简称c a ) 、遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 和复杂适应系 统( c o m p l e xa d a p t i v es y s t e m ，简称c a s ) 等，利用这些方法研究城市已经构成 城市系统研究的前沿。 ( 1 ) 元胞自动机( c a ) 在城市系统研究中的应用 网络动力学的基本结构可以采用数学中的图来描述，而构成网络的节点的状 态转移也遵循相同的局部规律，网络动力学模型都具有结构与规则固定的特征。 比较典型的网络动力学模型有元胞自动机、人工神经网络、l 一系统、随机布尔 网络、无尺度网络等模型，其中元胞自动机是网络动力学模型中研究最多，应用 第一章绪论 最广的模型之一。 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。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间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。近年来，元胞自 动机在城市系统的研究中越来越多，成为城市系统研究前沿领域的重要分支。 其应用的主要方向之一是城市系统的空问复杂性模拟1 2 2 】。2 0 世纪7 0 年代， t o b l e r 首次采用c a 模拟美国五大湖区底特律城市的发展状况【2 3 1 。其后，美国地 理学家h c o u c l e l i s 开创性的将c a 应用于城市扩展动态模拟 2 4 , 2 5 】。m b a t t y 2 6 , 2 7 ， e l o n g l e y ，x i e ，c l a r k e ，w h i t e ，w uf 等受其启发，也相继开展了相关工作， x i e 借助g i s 技术和c a 模型对布法罗城市土地利用变化进行了有效的分析【2 8 l ； w h i t e 等应用c a 模型对美国辛辛那提的城市增长的系列研究 2 9 , 3 0 1 ；w uf 集成 c a 模型和多因子评价模型( m c e 对我国广州城市扩展进行了模拟研究 3 1 , 3 2 】。 近年来国内也开始了类似的研究尝试，周成虎等于1 9 9 9 年出版了地理元胞自 动机一书1 6 】；刘妙龙等提出了一个基于元胞自动机与多主体系统理论与方法、 包容了多尺度层次的综合可计算城市模拟原型模型框架【3 3 】；张先锋等通过不同的 转换规则来模拟城市扩展的规律，最后构建顾及土地町持续利用的城市动态演化 模型，并对包头市的未来城市扩展进行了预测i 3 4 j ；何春刚提出了基于约束性c a 的大都市区域扩展模型，较好地模拟了北京1 9 7 5 1 9 9 7 年的城市发展过程【3 5 】； 罗名海应用c a 模型对武汉市城市地区空间增长方式进行了预测，在对比分析顺 序增长模式何优势增长模式缺陷地基础上，提出了加速城市化背景下生态增长模 式地发展方向1 3 6 】；罗平等提出了城市土地利用演化生命机制概念，构建了相应地 城市土地利用演化c a 模型，并以深圳特区为试验研究区域进行了实证研究【37 1 。 利用c a 进行城市研究的另一个方面是城市问题研究，i c h i r oe m b u t s u ， m i c h a e lf g o o d c h i i d 等于1 9 9 4 年利用元胞自动机模型成功地模拟了城市热岛效 _ 应1 3 8 j ；b c h o p a r d 等利用元胞自动机模型成功地进行了交通流模拟1 3 9 ：我国上海 大学冯苏伟提出了基于改进地b i h a m - - m i d d l e t o n - - l e v i n e 模型来直观模拟和深 入分析了交通灯信号对交通流地影响【4 0 1 ，德国g e r h a r d - - m e r c a t o r 大学物理系地 l n e u b e r t 等利用c a 模型对交通流地时空变化进行了深入研究，并成功的模拟 了城市交通信息地动态模型与监测；2 0 0 0 2 0 0 3 年靳文舟、张杰等考虑了车辆行 驶状态，定义了更为精细地交通流模拟模型【4 1 1 ；原立峰等对c a 模型应用于土壤 侵蚀过程的模拟、预测地可行性和可操作性进行了探讨【4 2 1 。 c a 在城镇体系形成及发展模型研究中也有所应用，l s a n d e r s 等借助c a 逻 第一章绪论 辑处理多智能体( m u l t i a g e n ts y s t e m ) ，模拟了聚落系统的长期演化过程1 4 引。该项 工作的特点之一是在模型构建上采用了三角点阵( 六边形棋盘格) 而非方阵，从 而在空间形态上与中心地理论接口；特点之二是模拟结果出现了城市体系的位序 规模分布，从而反映了地理系统时空演化的临界性质( s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y ) 在混沌的边缘( t h ee d g eo f c h a o s ) 出现幂律分布，分形结构从中涌现出来【4 4 1 。 基于c a 的城镇形成与发展模型的提出，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 能反映空间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间结构的变化。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。 ( 2 ) 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称为g a ) 在城市系统研究中的应用 遗传算法( g a ) 是2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初由美国m i c h i g a n 大学的j o h n h o l l a n d 教授和他的学生在研究自适应系统时提出并逐渐发展出来的一种全局优 化搜索算法1 4 引。 g a 来源于物种的进化。物种的特征取决于物种所包含的染色体，而染色体 是由最基本的遗传物质“基因”按照一定的排列方式组合而成，连续的若干个基 因则构成了基因片段，它包含了物种的若干特征。种群中个体所包含的染色体在 进化的过程中，进行“交叉”、“变异”以及以适应性为目标的“选择”，使得种 群中优良个体所携带的“优异”的基因片段在数量上得到了加强，从而组合出更 为优秀的个体，种群也呈现出由低级向高级不断变化的特征。 对个体来说，在进化中所遵循的规则相当简单：物种在自然选择( 通过交叉、 变异或其他方式) 的作用下不断进化，适应性越强的个体越容易生存和繁衍，并 且将其携带的“遗传物质”复制给后一代，而正是这种简单的个体规则，在群体 上却是能够用现出优良个体的不断进化。 g a 是对生物遗传和自然选择进行计算机模拟的产物，其可简单描述为：每 个个体可以看做搜索空间中的一个点，代表了一个候选解，不断地用一个新的染 第章绪论 色体群替换原来种群中适应度较低的染色体，也就是不断尝试新的候选解，而构 成包含更好候选解的新的种群。可通过遗传算法和生物学术语的对照吏好的理解 这种算法( 表1 1 ) 用遗传算法模拟遗传进化之所以可能是因为它们之间有共同的规律：复杂适 应性原理。复杂适应系统科学的目的就是寻求这个普遍的规律。目前，遗传算法 已和遗传规划、进化策略、进化规划共同构成了“进化计算”的主干。 表1 1 遗传算法术语与生物学术语对照 生物学 第一代n 】题可能解 特定解 字符位 字符串结构 字符串含义 字符串行段的互换 字符位的改变 逼近最优解 种群基因库 染色体 基因 基因型 表现型 杂交中基因交换 变异或突变 进化 g a 的出现为城市研究提供了新的思路，在城市空间配置模型研究中，遗传 算法已经在城市土地功能配置规划、城市用地规划及与g i s 相结合研究城市用地 方面取得了进展，在遗传算法的基础上进一步发展，1 9 9 6 年，m a t th o l l a n d 阐述 了复杂适应性模型，揭示了城市发展中出现的空心化现象。 国内在新世纪以来得到了迅速的发展，市政管道研究方面，牛志广等对g a 进行了改进并其成功地应用于供水系统优化模型的求解，发现其在大型非线性复 杂模型尤其在整型变量和众多约束的处理上程序简单、计算迅速、结果精确1 4 6 j ； 段焕丰等引入改进混合遗传算法优化方法，对给水调度系统的能源费用模型进行 优化调度，得到能量费用最小的运行状态并给出了泵站运行时水泵机组的优化组 合【4 7 】；张培培、周伟国根据天然气管网结构特点，以管道的稳态分析、各节点的 流量、压力及管道的压力限制等为约束条件，采用遗传算法建立了城市天然气管 网优化模型【4 8 】。 城市交通线路研究方面，扑雷等设计了基于变长度染色体编码的遗传算法， 求解同定始发站与终到站间的公交车路线优化选择问题，并采用了适合该编码方 式的遗传算子【4 9 】；陈群等研究了相对固定周期条件下交叉口信号配时间随路上交 通流量变化而实时调整的优化算法，并通过上海为例说明了函数构造和求解过程 第一章绪论 i s o 。 城市物流运输研究方面，朱强、卜雷等利用g a 有效地解决城市货物换装站 非约束选址问题【5 l 】：童明荣构建了一个城市正向物流基础设施混合整数规划模 型，应用遗传算法求得物流设施最优区位1 5 2 1 。 城市空间生长研究方面，城市空间增长影响因素的多样性和动态性使城市的 空间生长在不确定中不断寻找平衡点，g a 可从不同方面反映这种城市空间增长 的动态性理念。武汉大学于卓通过通过对空间增长适宜度的