（安全技术及工程专业论文）城市道路交通系统自组织现象研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 i i a b s t r a c t a s t h en a t f o n a ie c o n o m i c s r a p i dd e v e l o p i n ga n d c i t i e ss c a l e b e c o m i n g1 a r g e ra n dl a r g e r ，t h ep r o b l e m so fu r b a nt r a f f i ch a sb e c a m e m o r ea n dm o r es e r i o u s h o wt o i m p r o v et h et r a f f i cs t a r e i sai s s u e t h a tm u s tb ed e a lw i t h t h ed e s c r i p t i o no ft h er e g u l a t i o na n dt h e c h a r a c t e r si nt h eu r b a nt r a f f i cs y s t e mi st h ek e yt ot r a f f i cp l a na n d m a n a g e a sa nu s e f u lt o o lf o r s 0 1 v i n gc o m p l i c a r e ds y s t e m s e l f - o r g a n i z a t i o n p r o v i d e su t i l i t yt h e o r y a n dm e t h o df o ru st 0 r e s e a r c ht h ed e v e l o p m e n ti nt h eu r b a nt r a f f i cs y s t e m b a s e do nt h er e s e a r c h0 fp l e n t yo fd o c u m e n t sa n da c h ie v e m e n t sa b o u t u r b a nt r a f f i c s y s t e m a n dt h e t h e o r y o f s e l f o r g a n i z a t i o n t h e s e l f - o r g a n i z a t i o nisa p p l i e di nt h i sp a p e r o nt h ee x p l i c a t i o no ft h e c i t y ，t h i sa r t i c l ec a s t sas y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h eh i s t o r yo ft h e u r b a n d e v e l o p m e n t ，a n d d is c u s s e st h ei n t e r a c t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec i t ya n dt h eu r b a nt r a f f i e a n dc o n c l u d e st h el o w s o f t r a f f i cd e v e l o p m e a ta n dt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eu r b a n t r a f f i ci ni t sd i f f e r e n ts t a g e s a f t e rs t u d y i n gt h ei n t e n s i o no ft h e s e l f o r g a n i z a t i o na n dt h ep h e n o m e n o n0 ft h es e l f - o r g a n i z a t i o nf nt h e u r b a nt r a f f ic s y s t e m t h ed e f i n i t i o n a b o u t s e l f - o r g a n i z a t i o n o f h h a k e n ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e ro fd is s i p a t i v es t r u c t u r e i nt h eu r b a nt r a f f i cs y s t e m ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h ec o n c e p t i o n t h a tu r b a nt r a f f i es y s t e md e v e i o p m e n tis s e l f - o r g a n iz i n g t h e nt h e o r g a n i z em e c h a n i s mi nt h er o a ds y s t e misd i s c u s s e da n dd e f i n e da sa m e c h a n i s mw h i c hs e l f o r g a n i z a t i o na n dt h eo r g a n i z a t i o n c o m p l e x e s t h isp a p e rd i s c u s s e st h ec o n d i t i o no ft h et r a f f i cf l o ws e l f - o r g a n i z e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 i i i ad i s s i p a t l v es t r u c l u r em o d e li se s t a b l i s h e da n dc o m p a r ew i t hi t s a t l a s t ，b a s e do nt h ed is c u s so ft h ec o u r s ew h i c hs e l f o r g a n i z a t i o na n d t h eo r g a n i z a t i o nc o m p i e x e si nu r b a nt r a f f i cs y s t e m ，a n dt h ea n a l y s is 0 ft h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nt r a f f i cp l a na n dm a n a g e m e n t t h eq u e s t i o n isp o i n t e do u t s oam e c h a n i s mb a s e do nt h es e l f - o r g a n i z a t i o na n dt h e o r g a n i z a t o nc o m p l e x e si n s a m ed i r e c t i o n i naw o r d ，t h es t u d i e so ft h i sp a p e rh a v eap r o f o u n df u n c ti o nt o t r a f f i c p l a na n dm a n a g e m e n t k e y 呵o r d s ：s e l f o r g a n i z a t io n ：u r b a nt r a f f i cs y s t e m ：d is s p a t iv e c o m p l e xs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 城市交通问题是世界各大城市普遍存在的共性问题。1 8 世纪以后，随 着城市化进程的推进，城市规模的日益扩大，城市中人和物的流动变得空前 频繁，城市交通问题开始爆发，从此，城市交通问题犹如梦魇般的困扰着城 市的发展挥之不去，并迅速地由发达国家扩散到发展中国家。到了2 0 世 纪8 0 年代，随着我国社会经济的高速发展，城市交通日益紧张，交通事故 频发，成了我国大中城市普遍存在的社会问题。城市交通是城市社会经济活 动的动脉，城市交通运输系统运作效率的高低，服务水平的好坏，都直接影 响着城市社会经济的进一步发展。目前，城市交通已成为我国城市发展的“瓶 颈”。城市社会经济的可持续发展首先要求妥善解决城市交通问题。 然而，城市道路交通系统是一个人参与的、时变的、复杂的、具有高度 不确定性的大系统，其不确定性主要来自于自然界方面的原因( 季节因素和 气候因素) 、人为因素( 交通事故、突发事件、驾驶员心理因素) 和道路设施 的变化( 道路改造、道路新建等) ，这些因素给城市道路交通系统的研究带来 了许多困难，以往的城市道路交通系统的研究大多是在忽略上述因素的前提 下进行的，综合上述各种因素实现对城市道路交通规律的描述是城市道路变 通系统研究的一个发展趋势。城市道路交通系统规律和特性的描述是城市道 路交通管理和控制的关键问题之一。 2 0 世纪6 0 年代末以耗散结构理论的诞生为先导，在7 0 年代相继诞生 了协同学、超循环理论、突变论、混沌学和分形学等一系列理论集合一系统 自组织理论，它以系统的发生、发展为重点，揭示了组成一个宏观系统的大 量子系统，如何有可能自己组织起来，实现从无序到有序( 或从较低级有序 到较高级有序) 演化的一般条件、机制和规律性，逐步深化了我们对自然、 社会乃至整个宇宙的认识。 自组织理论认为：开放系统在系统内外两方面因素的复杂非线性相互作 用下，内部要素的某些偏离系统稳定状态的涨落可能得以放大，从而在系统 中产生更大范围的更强烈的长程相关，使系统从无序到有序，从低级有序到 高级有序。简而言之，开放系统的发生、发展有其自组织性。对于“自组织” 协同学的创始人哈肯下过一个经典的定义，他说：“如果系统在获得空间的、 时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干预( 系统的结构和功能并非 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 外界强加给系统的，而是系统内外矛盾的结果) ，则系统是自组织的”。 在复杂的城市道路交通系统面前，以往的思想和方法难以解决实际问 题，迫切需要借鉴复杂系统的理论和方法来进行探索，自组织理论为处理类 似城市道路交通系统的问题提供了方法。虽然自组织理论源于物理热力学、 分子生物学、数学等自然科学的基础前沿，但却具有更为广泛的科学意义， 为我们研究城市道路交通系统的发展提供了有力的基础理论和方法论思想。 首先，城市道路交通系统，确切的讲是一个开放的耗散系统。城市道路 交通系统的开放性、非线性、不平衡性以及内部涨落等特征恰恰是现代系统 科学自组织理论所强调和研究的，因此，城市道路交通系统研究有可能在自 组织理论框架指导下进行。 城市道路交通系统往往既不是完全确定的，也非完全随机的，还存在着 一些既非确定性又非纯随机性的关系，如竞争性、协同性、渐变性、突变性、 多尺度性、自相似性、混沌性和有序性等等，而这也是自组织理论研究和关 注的焦点。因而应用自组织理论和方法来揭示城市道路交通系统的发展和演 化及其内在规律则有可能阐述得清楚。自组织理论为认识城市道路交通系统 提供了新的思维方式和处理问题的方法，将有可能取代传统的数理统计方法 而成为城市道路交通系统的主要研究手段。 1 2 研究现状 在自组织理论建设方面，从8 0 年代初，曾国屏教授、沈小峰教授、吴 彤教授等人曾先后就耗散结构论、协同学、超循环论、相变与临界现象、混 沌理论的哲学问题进行过研究；9 0 年代初期，以著名科学家钱学森、于景 元和戴汝为首的国内学者提出了开放的复杂巨系统概念。这是对系统科学和 控制论概念的新扩展。他们提出了处理开放的复杂巨系统的方法是从定性到 定量的综合法，并且阐述了基于近代科学论的定量方法的局限性。9 0 年代， 自组织理论作为开放复杂巨系统的重要理论之一得到了进一步的认识，并从 原来的系列分项研究向综合性研究发展，并在经济、社会等领域加以了运用， 这一阶段具有代表性的研究成果有自组织的哲学：一种新的自然观和科学 观( 曾国屏、吴彤、沈小峰1 9 9 2 ) ；”1 自组织的自然观( 曾国屏1 9 9 5 ) “：生长的旋律：自组织演化的科学( 吴彤1 9 9 6 ) 等等；进入新世纪，自 组织理论的研究由综合性理论研究转向应用型研究，如何应用自组织理论来 看待复杂事物、参与复杂系统的运作成为现实之需。清华大学吴彤教授的自 组织方法论研究( 吴彤2 0 0 1 ) “1 概括和总结了各个自组织科学理论，创造 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性地提出和阐释了自组织方法论的整体框架，并探讨了自组织方法论的应用 与意义。 1 3 研究的意义和主要内容 1 3 1 研究的意义 城市道路交通系统是个开放的复杂巨系统，人口、物资、能量、资金、 信息在系统中的流动，地域和城市的不均衡发展，通过管理和控制、组织新 秩序等，构成了城市道路交通系统的开放性、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，因而城市道路交通系统在很 大程度上是自组织发展的。城市道路交通系统的发展过程和现象虽然非常复 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 规律作为一种隐藏的机制作用于城市道路交通系统发展的过程中。 城市道路交通系统的发展有其自组织与他组织复合发展的特性，系统自 组织的自然生长与发展、有意识的人为规划设计，两者交替作用而构成城市 道路交通系统与发展阶段。一般来说，作为人类控制和改造能力的表现，对 于城市道路交通系统发展的他组织性比较容易理解，而对于系统自组织发展 的理解往往作为内在自发力机制这样的一种模糊认识而存在，尚缺少对其进 行深入的理论研究和剖析，为此本项研究试图在该领域作一些理论、方法上 的思考和探索。通过对城市交道路通系统发展自组织研究，不仅能够提高我 们对城市道路交通系统发展规律性的认识，更有利于我们有效的组织城市交 通，调整、引导城市道路交通系统发展过程与发展方向。通过本课题的研究， 将进一步充实我国交通研究领域的现有成果，引发我们对城市道路交通系统 的规划管理方法的深入思考，为规划和管理的实践提供理论依托。因而本课 题的研究具有重要的理论意义。 1 3 2 研究的主要内容和框架 本文在全面的分析了城市道路交通系统的系统特征的基础上，针对道路 交通系统中的自组织现象进行了描述。在对自组织现象的初步分析中，从道 路系统和交通流两个方面对城市道路交通系统自组织现象进行了初步探讨。 本论文的主要内容可概括为： ( 1 ) 通过对城市产生和发展的阐述，分析城市交通的发展历程及其与 城市发展的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 在对城市道路交通系统中自组织现象进行描述的基础上，引入自 组织理论，认识和讨论城市道路交通系统发展的内在机制，将其界定为自组 织和他组织的复合作用的过程，并建立自组织的城市道路交通系统发展观。 ( 3 ) 对道路系统发展的组织机制进行探讨，白组织和他组织交替、复 合作用于道路系统，从而形成了道路系统发展的组织机制。 ( 4 ) 建立道路系统白组织的演化图景。 ( 5 ) 交通流作为城市道路交通系统的子系统，也存在自组织的现象， 对交通流中自组织现象进行描述分析，建立相应的数学模型。 ( 6 ) 通过对我国城市交通规划管理现状的分析，提出一种自组织和他 组织同向复合的规划管理机制，为我国城市道路交通系统规划管理体系的完 善和更新提供基于自组织理论的理念和方法。 本文的组织结构和理论框架如下图所示。 城市与城市交通 上 白组织理论 城市道路交通系统自组织现象 道路系统发展的组织机制 道路系统发展自组织演化图景 交通流自组织机理 与i t s 进行比较分析i交通流耗散结构模型 提出自组织和他组织同向复合的规划管理机制 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章城市与城市交通 2 1 城市的含义 在悠悠历史长河中，城市无疑是人类社会文明中一颗极为璀璨的明珠。 尽管城市发展到今天出现了林林总总的城市问题，但是，不可否认的是：城 市依然是我们这个星球的精华所在。城市作为社会经济发展的历史产物，是 社会经济发展过程的体现，在给人类带来经济繁荣的同时，还创造了灿烂的 文化，所以许多学科领域的学者分别从经济学、社会学、地理学、历史学等 不同角度，对城市做出了不同的诠释。于是关于城市概述性的定义就有了很 多，事实上，就城市这样复杂的概念很难下定义。 l 芒福德曾说：“城市实质上就是人类的化身一一城市从无到有，从简 单到复杂，从低级到高级的发展历史，反映着人类社会、人类自身的同样发 展过程。 凯文林奇从6 个方面对城市下定义：1 、城市是历史发展的必由之路2 、 城市是各种社会人群的共生体3 、城市是物质资料生产和分配的地方4 、城 市是一种社会的场5 、城市是各种社会力量决策的产物6 、城市是社会矛盾 冲突的地方。“3 列宁说：“城市是经济、政治和人民的精神生活的中心，是前进的主要 动力。”1 钱学森从系统的观点，将城市概括为：“以人为主体，以空间和自然环 境的合理利用为前提，以集聚经济效益和社会效益为目的，集约人口、经济、 科技、文化的空间地域系统，是一个与周边地区进行人、物、信息交流的动 态开放系统。”1 显然，城市作为一个巨大的系统，其要素、结构、层次、功能的复杂性 和多样性，决定了城市定义和内涵的多元性。综上所述，我们认为城市本身 是一个高度集聚人口、经济、政治、文化的自然一社会一经济的巨型动态开 放系统。 2 2 城市的产生和发展 关于城市的起源，国内外学者有不同的解释，从而形成了不同的起源学 说。 防御说认为，古代城市的兴起是出于防御上的需要； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 集市说认为，由于商品经济的发展，形成了集市贸易，促使居民和商品 交换活动的集中，从而出现了城市； 地利说认为，有些城市的兴起是由于地处商路交叉点、河川渡口、港湾、 交通运输方便、自然资源丰富等优越条件的原因； 宗教说认为，早期的城市起源是以宗教中心的面貌出现的； 社会分工说认为，城市是生产力发展、社会分工细化和生产关系变革的 结果： 凯文林奇在他的( g o o dc i t yf o r m ) 中这样描述城市的产生和发展过 程：“迈向文明最典型和自立的途径似乎是由农民的聚落社会开始的，这个 农民聚落有剩余生产，有地域性的首领与仪式，并对于生、死、疾病以及人 类社会的生存和延续等有共性的忧患如果其中某一个圣庙以自己独特的吸 引力而受到尊重，便开始吸引更大区域里的朝圣者和捐赠物，于是这个地方 便成为一个永久性的仪典中心，有专业的祭司来主持仪式和管理事务。为了 增加吸引力，祭司们把朝圣仪式和物质环境结合起来建造这个中心。于是这 些场所和仪式为朝圣者提供了一个能从忧虑中解脱出来的精神环境并成为 他们自己迷惑精神和体验刺激的场所。物质、仪式、神话以及权力在这个地 方不断地累积，新技术的发展也用来为这些新的精英阶级服务，用以管理事 务，或用以把他们的意愿强加给广大的民众。农村地区的奉献与忠诚变成了 纳贡与服从。随着文明的发展，其作用也比原来增加了很多，成为仓储、碉 堡、作坊、市场以及宫殿。”一， 般认为城市产生于从原始社会向奴隶社会过度时期。在原始社会中由 于人类第一次劳动大分工，因农业的出现而形成固定居民点，由于人类第二 次劳动大分工，商业、手工业从农业中分化出来，居民点分化成为以农业为 主的乡村和以非农业的商业、手工业为主的城市。这一时期的城市形态主要 表现在政治统治、军事防御和商品交换，即由“市”融入“城”或“市”形 成“城”而演变为“城市”。 随着人类历史文明发展、生产力发展、社会结构目趋复杂化，城市由产 生到发展，城市的数量在增加，城市的规模在扩大，同时城市结构变得复杂 ( 图2 一1 ) 。造成这些变化的主要原因是基于社会经济的发展，特别是工业 革命解放了生产力，大规模的机器生产方式引起了人口的聚集，彻底打破了 原有城市的结构关系，近1 0 0 多年来，城市化的发展迅速席卷全球。但是城 市的本质和内涵，却不仅限于经济的体现而己，城市的发展实际上体现了人 类文明的发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 中f ；| = 纪城市 一住所一一i _ = 作场 业区 图2 一l 城市结构的演变 从城市的产生、发展带现代城市，经历了一个漫长的历史过程。据统计， 从最早的城市出现算起，迄今已有大约5 5 0 0 年的历史了。在这个漫长的历 史发展过程中，城市的发展与演变始终与当时的社会生产力的发展水平紧密 相联系。由于社会生产力的落后及其发展速度的缓慢，使得城市发展在其初 级阶段始终处于一个缓慢积累的发展状态，直至社会生产力发生了突变性的 变革，城市的发展才出现了相应的飞跃性发展。第二次社会大分工，即手工 业、商业从农业中分离出来，为城市的形成提供了条件，而1 8 世纪后期的 工业革命造就了社会生产力的飞跃，也造就了城市的快速发展，人类社会步 入城市化发展时期。 2 3 城市交通的发展 城市是人民生活和工作的空间形式之一。城市生活一般由居住、工作、 游憩三部分组成，由此而相应产生了城市居住区域、工作区域和游憩区域， 它们之间不同形式的排列组合构成了城市布局空间结构。为了有机的实现三 者之间所必要的联系( 人的流动和物的移动) ，“城市交通”作为城市的重要 功能之而随之产生。广义的城市交通是指城市( 区) 范围内的交通，或称 为城市各种用地之间人和物的流动，主要是城市道路上的交通，有的城市还 有轨道交通和水运交通等。通常含义的城市交通是指城市道路上的交通，主 要分为货运交通和客运交通，本文研究的主要是通常含义的城市交通。 从动态角度看，交通是人与物在空间运动上的聚散过程，它既支撑着空 间的排列组合和城市各要素间的联系，同时随着交通自身的变革与发展也直 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 接影响着城市的发展。 2 3 1 前汽车时代的城市交通 最初的城市交通的表现形式是通过步行和畜力而往返于住地与共同约 定地点( 市) 之间的活动，主要的交通工具是以牲畜车为主，如马车、骆驼 车以及乘骑马、骆驼代步，一般称为“马车时代”，其主要交通特征是平均 出行距离短、速度缓慢、主要是城市“道路”上的交通。 随着城市的出现，城市的建设和发展便开始了自己有规律的运动，其中 城市交通是决定这个运动规律的重要因素。如当时，城市的选址，以地理位 置适中、交通方便、利于指挥耕战或农战为主。 从挖掘出来的建造于公元前2 5 0 0 年的卡洪城，我们可以看到当时社会 城市的概貌。卡洪城代表了古代埃及城市的典型平面，从挖掘的卡洪城的遗 址和古籍记载来看，这个城市面积很小，城市的交通安排，主要呈现出为奴 隶主服务的思想。条贯穿奴隶主住宅区的东西大路，连接着贵族出入的小 路。当时处于“车轮文化”的初期，出行以畜力为主，城市交通是很原始、 很简单的。 公元前五世纪n - - 世纪前后，随着奴隶社会的发展，在欧洲、亚洲出现 了一些奴隶制大国，古罗马的出现是奴隶社会的顶峰。古罗马帝国的频繁掠 夺所获得的大量的奴隶和财富，不仅建设了百万人口的古罗马城的繁荣和豪 华，市政建设也得到了大发展，车、马数量剧增，道路网密集，城市交通出 现搠挤堵塞的新情况。同时，由于征战，军事公路也发展起来。当时古罗马 采用了世界上最早的单向交通方式，颁靠了世界上最早的交通法规。此时， 城市的道路系统比较完善。 十六至十七世纪欧洲先后建立了一批居住专制的国家，这些国家的首 都如巴黎、伦敦、柏林等均发展为全国的政治、经济、文化中心的大城市， 其中以巴黎影响为最大，巴黎已经成为当时欧洲的生活中心，如路易十四在 巴黎近郊建造了凡尔赛宫，而这个地区在总体改建中在总平面布局上采用了 轴线对称放射的形式，对此后欧洲城市的建设特别是道路交通建设起了很重 要的影响。这个时期陆上交通工具仍然以马车为主，是“马车时代”的兴盛 时期。 2 3 2 城市化时期的城市交通 使城市交通发生深刻变化始于1 9 2 0 世纪转化之际，城市化对城市交 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 通的性质与特征、地位与作用、内容与形式均产生了具有爆发性及延续性的 巨大影响，而诱发城市化迅猛发展的根源来自工业革命。 城市化是近代工业化革命的直接产物，是人类社会从农业文明向工业文 明过渡的历史过程。从其物质形态来看，城市化过程就是人、物、资金、技 术与信息等由空间上向某些点聚集的过程，其直接结果是导致了城市表现出 人口、经济、政治、文化的高度聚集。这种生产要素和生活要素的高度聚集 势必从根本上改变了人们以往的传统的生产和生活方式。因此，从本质上看， 城市化实际上是创造城市式的生产和生活方式的过程，即：“以非农业生产 劳动为主体形式的价值创造与生活享受过程。”1 在外在形式上则表现为城 市数量的增多和城市规模的扩大( 包括空间规模、人口规模、经济规模的扩 大) 及其交往方式和交通方式的变革与发展。 2 4 城市与城市交通发展的关系 2 4 1 早期城市的形成与城市交通的关系 爱尔兰的理查德坎蒂隆对集镇及城市的形成有极为简略的概括，他认 为：“有些村庄，由于某些富人或权贵的关系，建立了市集，这些市集每礼 拜开一、二次，然后运到大市镇上去卖，在大市镇，他们用这些产品交换铁、 盐、糖和其他商品，再在集日卖给村民，许多小工匠，如锁匠、家具木工等， 也住下来为本村没有这类工匠的村民干活，最后，这些村庄便成了集镇。” 尽管他对集镇的形成的概括显得过分简略，主要侧重于集镇形成的经济 本质，甚至仅是经济本质中的商业本质，但非常形象的阐述了集镇形成过程 中交通运输背景。” 城市交通是与城市同步形成的，城市的形成必包含城市交通因素，先由 过境交通，再沿交通线形成城市的事例很多，仿佛在某种程度上可说，先有 交通再有城市。但严格讲，城市没有形成前的交通只能是过境交通，而不是 城市交通。从城市交通发展史看，城市对外交通( 或称为由外部对城市的交 通) 是城市交通的最初形态，城市内部交通则是在城市形成过程中或形成后， 随着城市规模的扩大和城市功能的完善而出现的。 城市与城市交通发展的关系问题本身是一个既古老而又全新的历史性 与延续性相结合的永恒问题，城市形成及发展与城市交通的形成与发展有着 非常密切的关系，后者自始至终贯彻于前者的全部发展过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 4 2 现代城市及城市化的发展与城市交通的关系 工业革命既打破了人类社会历史上所有生产活动都必须依靠人的真接 劳动的生产方式，极大的刺激了劳动生产力的提高，从而推动了人类社会的 广泛变革和进化，又在很大程度上加速了城乡的分离和城市化过程，极大的 强化了城市的经济功能。 自工业革命后的城市规划，无不把城市交通放在了极为重要的地位同 时城市交通的侧重点也从城市的外部交通逐渐转移到城市内部交通，城市交 通含义中，关于城市内部交通的成分比例也越来越大。 纵观发达国家的城市化历程，在整个城市化过程中，城市交通始终与城 市化呈现出一种相互推进的双向作用关系，即：城市化的发展对城市交通系 统提出了更高的要求，引发了城市交通的避一步变革与发展；同时城市交通 系统的不断发展与变革是城市化的基本动力之一，对城市化进程起着至关重 要的影响作用。 城市化过程首先是人口在地理空间某点上的大规模集聚。因此，在城市 化过程中，大量的乡村人口向城市集中，城市人口比重提高很快，这种过程 一直到城市人口比重达到7 0 左右才开始减缓。以工业化最早的英国为例， 城市化歼始前的1 7 0 0 年，英国全部城市人口为8 8 万，1 8 0 0 年达到2 1 0 万， 到1 8 5 0 年已达到8 0 0 万。其中伦敦的人口增长历程为：1 7 0 0 年5 5 0 万， 1 8 0 0 年8 6 5 万，1 8 5 0 年2 2 9 3 万，1 9 0 0 年4 5 3 6 万，1 9 4 0 年1 1 5 0 万。如 此大范围的大规模人口流动若没有相应发达的城市外部交通系统，是极难 实现的。 毋庸置疑，在城市化过程中，城市产生大量的人与物的输入与输出需求， 这么大规模的人与物的空间移动，靠过去传统的马车运输显然是不堪重负。 正因为如此，工业国家为了改善城市的运输条件，纷纷致力于交通运输技术 和交通基础设施的建设。 在城市化过程中，大工业的生产方式引起了城市功能结构的变化，在很 大程度上击溃了封建时代的那种以家庭经济为中心的城市结构，导致城市内 部人员与货物流动出现了新特点。随着城市的膨胀和扩张，在扩大城市活动 范围的同时，带来了无数的人和物的流动，由于城市人口的剧增，人们相互 之间的交流活动增多，同时随着城市经济的迅速发展，城市内部的各种货物 流动也大量增多。因此，城市交通工具与交通基础设施也得到了极大的发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 2 4 3 城市与城市交通发展交互递推关系的确认 城市与城市交通发展之间交互递推关系可表述为：人与物最初向城市集 中的空间运动作为城市外部交通的一种形态促成了城市的形成；而城市形成 后，随着社会经济吸纳力的增加，扩大了人与物向城市空间运动的规模，从 而促进了城市对外交通的发展。而城市本身规模的扩大又促使最初的城市内 部交通得以形成，便捷的市内外交通联系，为城市进一步发展及城市化的加 速提供了有利条件。当城市和城市交通向更高阶段发展时，城市经济功能趋 向丰富，经济结构趋向完整，城市经济区中城乡与城市间的经济往来更加密 切，又会对城市对外和对内交通的进一步完善提出更高要求。而城市对外和 对内交通的日益完善，又反过来会刺激新兴城市的产生、老城市的发展及城 市化进程的加快。由此，城市与城市交通之间表现出一种明显的交互递推关 系。如图2 2 。 城市形成 萎毒对外交通i 厂磊；苌磊发展li 唰丌 履牒 城市对外交通系 统的发展与完善 荔耋嚣交通ih 城市化 城市对内交通系 统的发展与完善 图2 - 2 城市与城市交通发展的交互递推关系 2 5 城市交通与城市发展互促共进规律 城市交通的兴起和发展与城市的兴起与发展，特别是与城市化进程之间 自始至终存在着十分密切的关系城市与城市交通发展的交互递推关系。 以这种关系作为中轴线，我们不难发现，任何城市的兴起与发展会对城市交 通的发展提出更高的要求，从而推进城市交通的进一步发展和完善。比如在 城市交通发展的初期，原始的人背畜驮的运输方式基本上决定了当时城镇的 吸引区范围只能限于人力和畜力能够承运的范围，故而，限制了人与物向城 市运动的流量，从而也会限制城市规模、功能与结构的完善。而现代运输工 具的使用及现代运输方式的展开，使这种限制被大大突破，城市的规模、功 能与结构等也就获得了前所未有的物质前提和必要保障，而且现代交通方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 的展开还在不断的促使新兴现代城市的产生。我们将城市交通与城市发展互 促共进的规律进行形象描述。如图2 - 3 。 社会经济活动及一般经济规律运动 f 城市的产 生与兴起 a 城市交通的 产生与兴起 d 城市交通的影响作用 b 城市交通的 性质与特征 c 城市交通的发展 规律 e 城市交通部门与国民经济及其他部门的关系 城市交通的外部环境 图2 - 3 城市交通与城市发展互促共进规律 城市交通与城市发展互促共进规律可表述为： 一方面，社会经济活动及一般规律的运动决定了城市的兴起与发展( f ) ， 而它又决定了城市交通的外部环境，这种外部环境对城市交通的产生和兴起 ( a ) 起了决定作用。当城市交通兴起后，便直接构成社会经济活动的一种 形式，且受社会一般经济规律的制约；城市交通的性质及特征( b ) 是随着 城市交通的发展而逐渐强化与完善的，在这个逐渐强化与完善的过程中，形 成了城市交通本身的发展规律( c ) 。这两部分构成了城市交通的内部因素。 另一方面，在社会一般经济规律及交通运输业特殊经济规律的调节下， 城市交通部门通过自己的活动( d ) 而作用于城市国民经济其他部门，从而 对城市经济的发展及城市的进一步兴起与发展起积极重要的推动作用( e ) ， 并最终对城市交通的外部环境的进一步变化发生间接影响。城市交通的外部 环境的进一步变化又会对城市交通的进一步发展起推动作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 城市交通的整个运动过程( 含内部运动和外部运动) 是与城市社会经济 活动同步进行的。 小结： 研究城市交通，必须解读城市。城市交通是城市运动过程的一个组成部 分，是受城市运动规律所制约的，因此，研究城市交通就必须首先研究城市 的运动规律。 本章基于对城市发展过程中，城市交通对其的作用影响，以及城市交通 的发展历史的因素的考虑，论述了城市从无到有，从简单到复杂，从低级到 高级的发展历史，按前汽车时代、城市化时期两个阶段剖析了城市交通的发 展，分析了城市与城市交通发展交互递推关系以及城市交通与城市发展互促 共进规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章城市道路交通系统与自组织现象 3 1 自组织概述 2 0 世纪6 0 年代未耗散结构理论的建立，以系统演化为研究对象的非平 衡、非线性热力学登上丁科学舞台。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科学，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、历史和选择等概念目1 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。 3 1 1 自组织理论内涵 自组织理论是研究自组织现象、规律的学说的一种集合，它还没有成为 一个一体的统的理论，而是一个理论群。它包括普利高津等创立的“耗散 结构”理论，哈肯等创立的“协同学”理论，托姆创立的“突变论”数学理 论，艾根创立的“超循环”理论，以及曼德布罗特创立的“分形”理论以及 以洛伦兹为代表的创立的“混沌”理论。其前期理论还可以包括朗道的相变 理论和计算机理论研究中的自动机理论。“它是系统科学近年来形成和新发 展起来的，并且还在不断发展和完善的、充满活力的理论体系。 自组织理论体系中，耗散结构理论深刻地揭示了自组织现象形成的环境 与产生条件；协同学较多地涉及了自组织形成的内在机制；超循环理论阐述 了系统自组织演化的具体形式以及结合发展的过程；而突变论则着重剖析了 自组织演化的途径；混沌动力学和分形理论则对系统走向自组织过程中的时 间复杂性和空间结构与特性进行了解释和描述。以上这些理论在极短一个时 期内相继问世、迅速发展，形成了当今自然科学探索自组织的复杂性演化的 前沿。 自组织系统理论所刻画的系统演化可以概括为：在开放的、远离平衡的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 和有外部物质、能量、信息的非特定输入、输出的条件下，系统以其内部子 系统之间的非线性相互作用为动力，即以其子系统之间的竞争和协同为动 力，同时受到内、外涨落的随机启动，产生出集体运动的协同效应，其协同 关联所产生的“序参量”( 即集体运动的基本模式) 又进一步支配了系统内各 个子系统的竞争与协同，从而使系统走入循环、交叉作用并关联于放大的循 环链圈之中，通过这种有效利用物质、能量和信息的循环过程，系统便经历 多种突变、渐变从无序跃变为有序或使有序程度进一步得以提高；于是，系 统便从混沌( 平衡态) 走向有序，又进一步演化为包含有序结构的非平衡混 沌：于是，呈现在人们面前的，便是一幅系统从简单到复杂、从无序到有序、 从低级到高级的自组织演化图景。 3 1 - 2 自组织的概念 自组织理论的核心概念是“自组织”。“自组织”是现代非线性科学和非 平衡态热力学的最令人惊异的发现之一。基于对物种起源、生物进化和社会 发展等过程的深入观察和研究，一些新兴的横向学科从不同的角度对“自组 织”的概念给予了界定： 从系统论的观点来说，“自组织”是指个系统在内在机制的驱动下， 自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精 细度的过程： 从热力学的观点来说，“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、 能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程： 从统计力学的观点来说，“自组织”是指一个系统自发地从最可几状态 向几率较低的方向迁移的过程； 从进化论的观点来说，“自组织”是指一个系统在“遗传”、“变异”，和 “优胜劣汰”，机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从 而不断提高自身对于环境的适应能力的过程。 从管理学的观点来说，“自组织”是组织出现以后对其演化过程、结果 或机理的描述；它是一种有序结构：它是由于组元自发组织形成的；这个过 程需要组织与环境进行不问断的能量、物质或信息的交换，但环境不对组元 的组织进行特定干预。 近代最重要的德国哲学家康德首先在哲学上提出了“自组织”的概念， 康德认为，自组织的自然事物具有这样的特征：它的各部分既是由其他部分 的作用而存在，又是为了其他部分、为了整体而存在的；各部分相互作用， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 彼此产生，并出于他们间的因果连接而产生整体，只有在这些条件下而且按 照这些舰定，一个产物才能是一个有组织的并且是自组织的物，作为这样的 物，爿成为一个自然目的。“从以上观点看，康德非常准确的界定了“自组 织”的性质，对自组织的理解与现代意义的自组织理解几乎无二。康德在自 组织中特别指出一个系统内部的各个部分的相互依存性，他们通过相互作用 而存在、成长，又通过相互作用而连接成为整体。虽然康德没有使用“有序” “无序”这样的词汇，但是自发的由无序转化为有序的思想已经体现出来。 “协同学”的创始人哈肯( 1 9 7 6 年) 曾经提出“自组织”的概念，同时 比较清晰的比较了“自组织”和“组织”概念在日常生活中的差别。他用一 个通俗的例子解释了自组织和组织的区别。他说，比如一群工人，如果每一 个工人都是在工头发出的外部命令下按完全确定的方式行动，我们称之为组 织，或更严格一点，称它为有组织的行为；如果没有外部命令，而是靠菜种 相互默契，工人们协同工作，各尽职则来生产产品，我们就把这种过程称为 自组织。1 “耗散结构论”的创始人普里戈金和他的同事在建立“耗散结构”理论 和概念时也使用了“自组织”的概念，”并且用这个概念描述了那些自发出 现或形成有序结构的过程，它准确的抓住了贝纳德对流自发出现有序结构的 本质。 协同学的创始人哈肯给自组织下了一个经典的定义，他说：“如果系统 在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干预，我们便 说系统是自组织的。这里的特定一词是指，那种结构和功能并非外界强 加给系统的，而且外界是以非特定的方式作用于系统的。”“” 可以说明的是的“特定”一词是指，系统的结构和功能并非外界强加给系 统的，而是系统在内外矛盾的作用下，自行组织、自行创生、自行演化，自 主地从无序走向有序，形成有序结构的。 3 1 3 自组织的特征 自组织现象是包括生命系统在内的许多天然系统中，最引入入胜而又发 人深思的一种行为。与“他组织”相比较，自组织系统的行为模式具有以下 突出的特征： 信息共享系统中每一个单元都掌握全套的“游戏规则”和行为准则， 这一部分信息相当于生物d n a 中的遗传信息，为所有的细胞所共享； 单元自律自组织系统中的组成单元具有独立决策的能力，在“游戏规 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 则”的约束下，每一个单元有权决定它自己的对策与下一步的行动； 短程通讯每个单元在决定自己的对策和行为时，除了根据它自身的状 态以外，往往还要了解与它l 临近的单元的状态，单元之间通讯的距离比起系 统的宏观特征尺度来，要小得多，丽所得到的信息往往也是不完整的、非良 态的； 微观决策每个单元所做出的决策只关乎它自己的行为，与系统中其它 单元的行为无关：所有单元各自的行为的总和，决定整个系统的宏观行为； 自组织系统一般并不需要关乎整个系统的宏观决策： 并行操作系统中各个单元的决策与行动是并行的，并不需要按什么标 准来排队，以决定其决策与行动顺序； 整体协调在诸单元并行决策与行动的情况下，系统结构和游戏规则保 证了整个系统的协调一致性和稳定性； 迭代趋优自组织系统的宏观调整和演化并非一蹴而就，而是在反复迭 代中不断趋于优化；事实上，这类系统一般无法达到平衡态，而往往处在远 离平衡态的区域进行永无休止的调整和演化；一旦静止下来，就表示这类系 统的“死亡”。 3 1 4 自组织与他组织 许多天然的或人造的复杂系统都是由大量的子系统构成的，例如：生命 系统、生物群落、生态系统、人类社会、消费市场以及制造系统等等。在如 何组织、运行和优化这类由大量单元所构成的系统上，自然造化与人工经营 之间存在明显的分野：以生命现象为代表的自然系统总体上采取上述的“自 组织”的路线；而后者则主要从外部来对系统加以设计、组织和控制，其模 式可称为是“他组织”的模式，几乎所有的人工系统都是采用“他组织”的 模式。事物大体分为组织与非组织两类，具有有序结构的群体是组织，否则 为非组织。组织又分为自组织与他组织两个子类，自组织与他组织相比较而 存在( 如表3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表3 一l 组织、非组织、自组织和他组织概念关系 一级概念组织( 有序化、结构化)非或无组织( 无序化、混乱化) 涵义事物朝有序、结构化方向演化的过程事物朝无序、结构瓦解方向演化的过程 - 二级概念自组织他组织白无序 他无序 组织力来自事物组织力来自事物 非组织作用来自非组织作片j 来自 涵义事物内部的无序事物外部的无序 内部的组织过程外部的组织过程 过程过程 典型例证生命的生k晶体、机器生命的死亡地震下的房屋捌塌 作为一种存在物或名词，自组织指那些在没有特定外部作用下自行建立 起有序结构的对象群体；他组织则是指那些