基于复杂性科学的虚拟城市建模研究

论文摘要

城市是一个复杂系统。虽然目前科学界对复杂系统没有严格的定义,但复杂系统所具有的特征是明确的,包括分形结构、自组织临界性、复杂网络等基本特征。本文将运用复杂性科学理论和复杂系统建模工具,研究城市系统的复杂性特征,包括城市的分形结构,城市的自组织及自组织临界性,以及城市系统中的复杂网络等。论文的主要研究内容包括以下几个部分:1.城市分形结构研究分形结构具有层次性和自相似性,具有空间利用率高,可扩展性强等优点,广泛存在于自然界中。人类的活动空间自觉或不自觉地形成了空间的分形结构,从建筑到居住环境,从社区到整个城市,从城市到城市体系,人类的活动空间具有层次性和自相似性。不仅城市的空间结构具有分形特征,城市中几乎一切具有整体分布性质的事物都具有分形特征,如交通、通信、能源传输等硬件设施,以及公安、银行、医院、学校等服务设施,都相应地具有分形特征。研究城市分形特征中的层次性和自相似模式,有助于在城市规划过程中优化空间结构,在城市管理过程中优化资源配置。本文在分析城市分形特征的基础上,利用这些分形特征建立了分形城市模型。模型运用分形机制规划城市空间,其中包含一个迭代过程和一个分形过程,迭代过程是一个空间布局的规划过程,同一个层次上的规划过程具有相似性;而分形过程是递归的迭代过程,该过程实现了空间结构的层次性。在两个过程的相互作用下,城市的区域不断被划分和分形,最终可以形成在各种大小尺度上具有自相似结构—即所谓无标度性—的分形城市。论文进一步比较了虚拟分形城市与中心地景观的异同,并验证了虚拟分形城市的空间分布满足Zipf律。分形城市模型为城市建模提供了一个新的方法,对于城市现象研究和城市规划具有一定的理论和实践意义。2.城市自组织和自组织临界性研究复杂系统的另一个特征的是系统的自组织性。城市作为一个复杂系统,也是一个自组织系统。在一个城市系统中存在大量的自组织机制,而使这些机制发挥作用的影响因素极其复杂,本文仅就基于博弈的空间实体的选址作为城市形成和演化的自组织机制,结合Hoteling模型和DLA模型,通过该机制建立了基于自组织的城市形成和演化模型。与分形规划过程相反,自组织过程是一个自下而上的过程。分形规划过程和自组织过程虽然是两个完全相反的过程,但得到的结果是一致的,即在模拟城市现象方面两个过程是异曲同工、殊途同归的。具体过程是将个体（居民点和商业点）的选址博弈行为作为城市空间布局演化的基本机制,个体根据局部环境的供需均衡情况决定其行为（转变、迁移、维持等）。虚拟城市系统的空间格局是群体博弈的结果,当系统演化到相对稳定的程度,系统状态是一个博弈均衡状态。运用多Agent技术建立计算机模型,对计算机模型的模拟演化结果进行统计分析,通过与真实城市系统的空间分布特征的对比分析,对模型进行定性与定量相结合的研究。该模型对于研究宏观城市系统的长期演化趋势具有理论价值。通过对模型的理论分析,得到有关商业、交通、信息技术等环境因素影响城市发展的一些结论,如“当系统演化到接近均衡状态时,会出现居民点和商业点的聚集现象。商业点的聚集程度会大大高于居民点的聚集程度”;“在城市发展进入均衡状态时,商业繁荣程度越高,城市的稳定性越弱,反之则越强”;“空间个体密集区域的稳定性较高”等等。通过模拟实验分析,验证了理论分析的正确性,同时也验证了所生成的虚拟城市模型处于自组织临界状态。3.城市道路网络的自然形成与演化研究复杂网络是复杂性科学研究的重要领域,复杂网络具有小世界,集群（集聚程度）,幂律的度分布等重要特征。动物身体内的血管、神经系统,植物的枝杆、叶脉,大地的江河水系等都是复杂网络,城市的交通系统也是一个复杂网络。本文在借鉴J. Sun模型的基于L-系统的道路网络分形模型的基础上,提出了一个基于自组织的道路网络模型,它根据局部的交通需求分布式地自动生成交通系统。生成规则十分简单,就是根据交通需求率的大小生成不同等级的道路,交通需求率越高,生成的道路等级越高。局部地域的交通需求率与人口分布密度成正比,人口分布越密集则交通需求率越高。另一方面,已有的交通系统会影响人口的分布,为了获得交通的便利,人们有向交通干线迁移的趋势。由于存在这一互为因果的互动因素,系统始终处于动态演化过程中。通过模型可以研究在自然状态下城市道路网络的形成与演化规律,对于研究自然形成的交通系统的模式特征具有理论意义,对城市道路网络的规划具有指导意义。本文通过与复杂网络5个基本特征的比较,从理论上论证了所形成的虚拟道路网络是一个复杂网络。模型给道路网络规划的启示是:①现有的道路网络具有内在的合理性,应尽可能在现有道路网络的基础上,运用复杂网络模型模拟和分析道路网络的负载能力、流量和时间波动,对道路网络中的个别路段进行拓宽和改造;②寻求人口分布与道路网络分布之间的均衡关系;③道路网络中的等级体系体现了资源利用和效率的平衡关系;④物流运输规划可以借鉴植物叶脉或动物血管等仿生学模型。4.城市生态系统研究本文将城市隐喻为生命体,城市之间的竞争与合作机制构成了由城市群组成的生态系统;引入“生态位”的概念分析城市的发展和演化策略,包括城市发展规模的选择和特色的定位。城市生态位是城市系统长期演化的结果,各个生态位形成了一个相互依赖的服务链条,在这个链条上传递着物质、能量和信息。城市规划者需要描绘出区域城市系统中的生态位图景,并确定自己所占据的生态位制定出适宜的生存策略。每个城市都应该拥有自己的生态位,即自己生存发展的空间。如果偏离了生态位,就会导致城市之间的恶性竞争和畸形发展。运用复杂性科学研究城市空间结构和城市管理问题是一个兴起了多年的热点问题,目前仍然具有重要的研究意义,因为我国的城市一直处在一个动态的发展过程中,各大中小城市对自身的定位还远远没有完成,城市的空间布局也在平衡资源的矛盾中不断发展变化,因此城市演化规律的研究对于城市规划和城市管理具有重要的现实意义。

论文目录

摘要

Abstract

第一章概述

1.1 引言

1.2 复杂性科学概述

1.2.1 复杂性科学的起源和发展

1.2.2 复杂性科学与东方哲学

1.3 城市的复杂性

1.3.1 分形结构

1.3.2 Zipf 分布、能量法则和1/f 涨落

1.3.3 自组织性与临界性

1.4 选题的依据

1.4.1 选题的依据

1.4.2 选题的由来

1.5 研究方法

1.6 研究内容

1.6.1 研究的问题

1.6.2 研究对象

1.6.3 技术路线

1.7 论文的创新点

1.8 论文基本结构

第二章城市复杂性研究的基本概念和方法

2.1 城市复杂性研究中使用的基本概念

2.2 与本文关系密切的复杂性科学的研究领域

2.2.1 分形几何

2.2.2 自组织与自组织临界性

2.2.3 复杂网络

2.3 与本文关系密切的其他研究领域的背景资料

2.3.1 中心地景观

2.3.2 幂律分布

2.3.3 Hoteling 模型

2.4 虚拟城市建模方法及工具

2.4.1 方法

2.4.2 工具

第三章城市复杂性研究的历史、现状及发展趋势

3.1 空间复杂性研究的传统方法

3.2 城市复杂性研究现状

3.2.1 城市分形特征研究

3.2.2 城市自组织特征研究

3.2.3 其他城市复杂性研究

3.2.4 城市复杂性的应用研究

3.3 城市空间模型研究现状

3.4 道路网络模型的研究现状

3.5 小结

第四章基于分形的虚拟城市规划研究

4.1 城市分形规划概述

4.1.1 城市的空间分形结构

4.1.2 城市中功能子系统的分形结构

4.1.3 城市的分形规划算法概述

4.2 城市分形规划的定义

4.3 城市的分形规划模型及生成算法

4.3.1 模型及模型参数

4.3.2 算法伪代码

4.3.3 算法的讨论与改进

4.4 城市分形规划模型的理论意义

4.4.1 城市的分形结构与中心地景观

4.4.2 幂律分布与城市的分形结构

4.5 模拟结果及统计分析

4.5.1 模拟结果

4.5.2 统计分析

4.6 小结

第五章基于选址博弈的虚拟城市演化模型

5.1 城市的自组织机制

5.2 Hoteling 模型的局限性

5.3 城市的自组织模型

5.3.1 模型中的基本概念和定义

5.3.2 空间实体的行为策略

5.3.3 模型的形式化描述

5.3.4 模型的理论分析

5.4 算法实现及模拟实验结果的分析

5.4.1 模拟程序的基本功能

5.4.2 模拟结果演示

5.4.3 统计分析

5.5 小结

第六章道路网络系统的形成和演化模型

6.1 道路网络系统的复杂性与道路的形成和演化

6.2 道路网络系统模型的研究

6.3 道路网络系统生成模型与生成算法

6.3.1 道路网络生成模型

6.3.2 模型的计算机算法

6.3.3 模型的理论分析

6.4 实验结果

6.5 小结

第七章复杂性科学视角下的城市现象

7.1 基于复杂性科学城市问题研究的基本构架

7.2 复杂性科学研究对城市管理的指导意义

7.2.1 对城市规划的指导意义

7.2.2 对城市生态环境建设的指导意义

7.2.3 对城市管理的指导意义

7.3 应用案例研究

7.3.1 数据采集工作

7.3.2 道路规划

7.3.3 空间规划

7.4 城市是一种生命现象吗?

7.4.1 生命与非生命的界限

7.4.2 城市在进化中处于低等生物的阶段—有关未来城市的畅想

7.5 研究工作总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表及录用的学术论文

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