基于最大流原理的城市模式分析

论文摘要

城市是现代社会物质文明和精神文明最集中、最活跃的地方,对城市的研究有着重要而深远的意义。经济学家、社会学家等的传统研究主要建立在欧式几何及还原论科学的基础上,取得了一定的成果。但是由于城市的影响因素众多,是个典型的复杂系统,难以用还原论的自然科学一样进行建模和实验研究,因此对城市化和城市集聚化的研究还停留在初级阶段并且面临种种困难,这就呼吁新的研究思路和研究方法的出现。本文从复杂性科学的产生以及特点出发,提出城市是一个典型的复杂系统。总结了传统研究方法取得的成果以及存在的问题,并在此基础上发展一套新的理论——最大流原理:一个远离平衡的开放复杂系统总是寻找一种优化过程使得系统在给定的约束或代价下所获得的广义流最大。即城市系统在给定的约束条件下获得最大的广义城市流。论证得到最大流原理是复杂城市系统中的哈密顿原理、能够体现城市系统的“竞争”与“自然选择”、与经典热力学理论主要是热力学第二定律有着内在的统一性。本文提出城市结构和模式是城市研究的核心问题,广义城市流的集聚过程是城市发展演化的基本过程。在这个基础上,利用最大流原理优化思想从统计力学角度建立了复杂城市系统演化发展的新模型,建立了城市系统的统计系综和势函数,得到了城市系统演化的重整化方程。新模型从微观动力学角度反映了宏观城市系统的分形结构形成的动力学机理。本文将新模型应用于两个具有代表性的城市(地域)——天津滨海新区和广州市分析城市的结构和模式形成过程以及发展演化的原因,并在此基础上发现这两个城市(地域)发展中存在的问题,最后给出城市规划方面的建议和意见。结合人工神经网络,发展了与理论模型相对应的数值计算方法。利用统计力学建立自组织特征映射网络的理论基础,使得这一数值计算方法与理论模型具有内在一致性。通过分析网络训练的模式识别与城市演化模式形成过程的统一性、模式对应的分形结构、数值实现方法的算法准则,得到量化城市模式参量的方法。通过实例,利用城市统计数据,在Matlab环境下展开自组织特征映射网络数值计算分析,对城市模式进行量化分析。在此基础上,对城市模式的发展规划提供参考意见。最后,本文总结了研究工作的创新和不足,为进一步的城市研究工作提出一些参考思路。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 复杂性科学及其特点
• 1.1.1 复杂性科学简介
• 1.1.2 复杂性科学特点
• 1.2 复杂城市系统
• 1.2.1 城市的产生、发展及其本质特点
• 1.2.2 传统城市研究方法
• 1.3 本章小节
• 第二章 从经典理论到最大流原理
• 2.1 对哈密顿原理的拓展
• 2.1.1 哈密顿原理简介
• 2.1.2 复杂城市系统中的哈密顿原理—最大流原理
• 2.2 与达尔文进化论的内在统一性
• 2.2.1 进化论的形成过程
• 2.2.2 复杂系统中的“自然选择”
• 2.3 对经典热力学理论的继承与发展
• 2.3.1 经典热力学理论简介
• 2.3.2 与经典热力学理论的一致性
• 2.4 本章小节
• 第三章 复杂城市系统中的最大流原理
• 3.1 城市演化发展新模型—最大流原理
• 3.1.1 城市系统的非平衡统计力学模型
• 3.1.2 开放城市系统的非平衡相变及随机方程的导出
• 3.1.3 城市系统演化的重整化方程及其求解
• 3.2 新模型的数值实现方法—SOM（Self-Organizing Map）网络
• 3.2.1 自组织特征映射网络与最大流原理
• 3.2.2 模式识别与模式形成
• 3.2.3 模式对应的分形结构
• 3.2.4 数值实现方法中的算法准则
• 3.3 本章小节
• 第四章 城市模式演化分析
• 4.1 影响城市模式的因素
• 4.1.1 人口对城市模式的影响
• 4.1.2 城市经济空间结构的重组
• 4.2 天津滨海新区发展模式及其模拟
• 4.3 模式与尺度的分形分析
• 4.4 滨海新区协调发展的战略思考
• 4.5 本章小节
• 第五章 广州城市模式分析
• 5.1 纵向——25 年城市模式分析
• 5.2 横向——次级模块的影响分析
• 5.2.1 2000 年广州市分区工业发展情况分析
• 5.2.2 2001 年广州市乡镇企业发展的区域比较
• 5.2.3 2002 年广州市各区（县级市）非农化水平影响分析
• 5.3 广州市空间发展存在的问题
• 5.4 广州区空间组织优化思考
• 5.5 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.1.1 主要内容
• 6.1.2 课题的意义及创新
• 6.1.3 不足与建议
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢