摘要：

城市地區是人們集中在相對高密度建筑環境中進行廣泛活動的地方。每個城市地區都應提供足夠的基礎設施和服務，以滿足其人口的需求。由于各種資源、服務和設施位于不同的位置，城市地區呈現出一個復雜的人流、物流和信息流系統，以支持人類社會的經濟、社會、文化和政治系統。這些活動、流程和系統由各種過程驅動，并表現出各種時空模式，這些模式是人類動力學的結果。然而，如何研究城市地區的各種動態過程和復雜系統一直是一個具有挑戰性的研究課題。城市人類動態跨越多個維度，可以從不同的視角進行研究。本章討論了城市動力學和人類動力學各自的方法和途徑，并列舉了一些例子。然后，它將城市人類動力學研究與城市信息學聯系起來，以強調它們之間的關系，以及它們如何共同引導城市地區更好地滿足人類需求并提高生活質量。

導言：

城市地區是人們集中在相對高密度建筑環境中進行各種活動的地方。“城區”和“城市”這兩個詞經常互換使用。例如，國家代數學會（National Algeographics Society）表示“城市區域是城市周圍的區域”。每個城市地區都需要足夠的基礎設施和服務，包括電力、水、下水道、交通、學校、醫院、商店和公園，以滿足其人口的需求。由于不同的資源、服務和設施位于不同的位置，因此城市地區有一個復雜的人流、物流和信息流系統，以支持其經濟、社會、文化、以及政治制度。這些活動、流程和系統由各種過程驅動，并表現出各種時空模式，這些模式是城市人類動力學的結果。值得注意的是，隨著技術、環境問題和社會價值觀的變化，城市人的動態也在不斷地跨空間、跨時間演化。根據聯合國教育、科學及文化組織（UNESCO，https://www.unesco.org/education/tlsf/mods/theme_c/popups/mod13t01s009。html）和我們的數據世界(https://ourworldindata.org/urbanization)，全球城市化趨勢在過去幾十年中急劇加速。1950年，約30%的世界人口生活在城市地區，2019年約為55%。這種城市化趨勢預計將繼續下去，據估計，到2050年，世界人口中有近70%可能生活在城市地區。在這種趨勢下，許多現有城市必須擴大規模，以適應不斷增長的人口。鑒于許多大城市目前的人口規模已經面臨重大挑戰，如何在不犧牲總體生活質量的情況下容納不斷增長的城市人口已成為一個重要而緊迫的研究課題。長期以來，城市地區一直被認為是動態的、復雜的。Batty提出，城市模型的重點不再是空間相互作用，而是發展動態和局部運動。然而，如何研究城市中的各種動態過程和復雜系統一直是一個具有挑戰性的研究課題。城市人的動力學涉及多個方面，可以從不同的角度進行研究。總的來說，我們可以將城市動力學研究和人類動力學研究分為兩大類。城市動力學研究傾向于關注城市區域的發展，包括其增長、變化和衰落。在這種情況下，重點主要放在城市地區本身，人類活動往往通過土地使用類型等人類活動的結果來隱含地考慮。例如，我們可以研究一個城市如何通過其土地利用隨時間變化的模式，從其增長、變化和衰退的角度進行空間演變。城市動力學研究還可以研究城市區域系統之間的動力學，例如研究一組城市之間的各種類型的流動。在這種情況下，重點主要是城市之間的互動。另一方面，人類動力學研究的重點是人類本身，研究導致城市區域內或城市區域之間各種流動和模式的人類活動和相互作用的動力學。盡管城市動力學和人類動力學彼此密切相關，不應被視為城市地區兩種獨立的動力學類型，但本章將分別討論這兩種類型的城市人類動力學，因為它們往往使用不同的研究方法和研究方法。

城市動力學

研究復雜和動態的一種方法——反就業一般系統理論（馮·貝塔蘭菲1968年；斯特勞斯福格爾1991年；阿爾菲爾德1995年；謝1996年）。一般系統或被認為是一個系統，該系統包括多個相互依賴的系統。系統可以是多個部分的集合，展示了各部分相互作用的融合模式。一個子系統中的變化會影響其他子系統以及整個系統。Forrester（1969）被認為是系統動力學的創始人，他在1969年出版了一本名為《城市動力學》的書。他說，“在這本書中，城市問題的性質、原因和可能的糾正都是根據城市系統各組成部分之間的相互作用來研究的”（Forrester 1969，第九頁）。Forrester利用計算機模擬來研究AnurbanareatoreVealits的生命周期動力學特征。這是一項利用計算機模擬方法研究城市動態的早期工作，旨在系統地研究城市區域的結構、增長、停滯和復興。由于弗雷斯特研究城市動力學方法的影響，1974年和1975年分別出版了兩卷城市動力學讀物（Mass 1974；Schroeder et al.1975）。這兩卷書包括一些文章，涵蓋了城市動力學各個方面的概念問題、模型和應用，以及對弗雷斯特書中提出的方法批評的回應。例如，Forrester使用了一個五步過程來得出關于美國城市典型內部區域動態的結論，他的例子與波士頓有著松散的聯系。第一步選擇某些基本變量來代表城市地區的社會和經濟組成，第二步使用特定方程式來描述城市地區的發展。第三步引入公共政策，以修改方程式中表示的發展，這將導致第四步根據方程式中引入的公共政策得出發展結果。第五步是比較不同的發展成果，并建議將產生理想發展成果的公共政策。Kadanoff（1971）指出了Forrester方法的幾個缺點，其中包括：（1）Forrester的模型沒有包括城市與郊區的相互作用，（2）在Forrester的模型中，移民是城市區域與外部世界之間唯一的相互作用，（3）Forrester的模型主要關注預測方法，沒有充分關注規范方法背后的目標。卡丹諾夫（1971年，第262頁）隨后得出結論，“我將拒絕這些結論，但接受該模型作為進一步工作的適當基礎。”針對這些批評，弗雷斯特（1974年，第七頁）寫道：“隨著《城市動力學》讀物的出版，似乎有必要強調，最初的城市動力學模型所代表的更多是一種觀點和一種分析城市行為的方法，而不是一個單一的、完整的模型。城市動力學是不斷演化一組可識別的外部社會系統的第一步。城市動力學方法有幾個主要的特點。首先，它主要關注經濟、政治、心理和社會學變量之間的相互關系，而不是詳細分析城市環境的任何一個子系統。第二，它涉及城市區域的長期演變；它處理導致城市增長的正反饋過程，以及限制增長的非線性和負反饋過程。最后，它提供了一種正式的手段來測試我們對城市行為的集體假設的影響。”上述陳述清楚地展示了杰伊·弗雷斯特研究城市動態的方法；它與一般系統理論相關聯，并使用計算機模擬來檢查城市區域不同子系統之間的相互關系。更重要的是，Forrester提出的計算機模擬方法已被許多其他研究人員在城市動力學研究中采用，盡管在各種研究中使用了不同的模擬模型。

用于城市動力學研究的細胞自動機（CA）

由烏拉姆（1950）和馮·諾依曼（1966）在20世紀40年代開發，經常用于建模和模擬城市動力學。根據這些想法，Tobler（1979）在地理建模中提出了CellulargerographytheStatuseCellular空間。一個細胞空間可以被視為一個二維網格，網格中的每個細胞都有一個由其相鄰細胞的狀態決定的狀態。給定細胞的第八個可以通過兩種方式來定義，一種是四個細胞共享一個公共側（稱為馮·諾依曼鄰域），另一種是八個細胞共享一個公共側或給定細胞的一個公共角（稱為Moorenighborhood）。根據相鄰單元狀態的特定配置，一個單元的狀態在時間t到時間t+1之間如何變化為不同的狀態。例如，轉換規則可以將給定小區從時間t的非住宅狀態轉換為居住時間t + 1，如果其四個相鄰小區中的三個在時間t具有住宅狀態，那么，狀態、鄰居和轉換規則因此作為元胞自動機模型的基礎。元胞自動機有兩個特性對地理問題很有吸引力（White和Engelen 1993）。首先，細胞自動機將研究區域劃分為一個本質上是空間的網格。其次，細胞自動機可以從非常簡單的規則中生成非常復雜的形式，這些規則對研究復雜的空間現象非常有用。換句話說，在CA模型中，由于相鄰細胞之間的相互作用而產生的簡單局部變化可能會導致復雜的突發全局模式（Wolfram 1983，1984）。因此，CA模型能夠以簡單直接的方式反映微觀和宏觀的相互作用，其貢獻在于模型系統提供了城市系統如何工作的信息，而不是提供城市動力學的模擬工具（Couclelis 1985）。這提供了一種將不同規模的過程聯系起來的方法，以應對許多領域的重大研究挑戰，這些領域試圖將形式與過程聯系起來，并解決從局部到全局的結構問題（Batty and Xie 1994；Emmeche 1994）。事實上，雅各布斯（1961）認為，在城市地區觀察到的疾病由于反映其多樣性的更深層次的順序，可被視為有組織的復雜性。細胞自動機模型使我們能夠從局部過程研究城市動力學，以便了解全球復雜模式，并深入了解城市動力學各個方面的演變。ChapinandWeiss（1968年）首次應用了CellularaAutomatatoanurban土地開發模型的概念，Tobler（1970年）利用細胞空間的概念來模擬底特律地區的城市增長，盡管兩項研究都沒有使用細胞自動機這一術語。Tobler（1970年，第234頁）建議，“必須盡最大努力避免編寫復雜的模型……因為一個過程看起來很復雜，也沒有理由認為它是復雜規則的結果。”White和Engelen（1993）認為，大多數地理理論，如中心地理論和阿隆索-穆思土地利用理論中體現的城市經濟模型，都是靜態的，是一種穩定的平衡狀態，這與我們的常識和經驗相違背，即所有城市區域都在不斷增長、變化、衰落，以及重組。因此，White和Engelen（1993）開發了一個CA模型，該模型根據相對簡單的空間行為規則生成土地利用的分形模式，以解決城市結構的復雜性問題。本研究的目的是深入了解土地利用結構演變背后的潛在原因，并證明土地利用模式存在復雜的分形秩序。他們的發現表明，復雜性是城市的一個必要特征。當城市的結構過于簡單時，它們可能不會成功發展，并可能停止有效運作。這項研究是一個很好的例子，可以使用CA模型來評估城市結構的復雜性，并為規劃政策制定一般指導方針。Couclelis（1985）指出，標準的細胞空間模型對于解決現實世界的地理問題有許多局限性。這些局限性包括有限平面、社區平穩性、空間同質性、轉換規則的時空差異，以及與細胞空間模型的基本假設直接相關的外部變量。Batty和Xie（1994，第46頁）還提出，將CA模型應用于城市系統的一個主要問題是“城市系統不太可能完全在局部規模上進行模擬，但這種方法的價值在于將我們的注意力集中在這個規模上，以及過程和規模的層次結構對理解城市如何運作至關重要的程度。”謝（1996）討論了多年來CA模型的改進，并提出了一個廣義的細胞城市動力學模型，稱為動態城市演化建模（DUEM），以證明CA方法在城市動力學應用中的理論完整性和技術優勢。DuemistoadOptahierarchicalSystemofCaspaces的一個主要貢獻是，它考慮了相鄰的區域、場和區域，可用于模擬細胞空間、模型空間和地理之間的相互作用，克服了傳統細胞空間模型的相似性。DUEM還與地理信息系統（GIS）連接，以受益于GIS數據、分析和可視化功能。Anthony Yeh、Xia Li及其合作者廣泛使用細胞自動機模型來研究城市動力學。Li和Yeh（2000）在柵格GIS中開發了一個約束CA模型，包括局部、區域和全局約束調節細胞空間，并將灰色細胞定義為在CA模型的任何迭代中代表城市土地開發的百分比。Yeh和Li（2001）進一步使用約束CA模型和柵格GIS來模擬七種不同類型的城市形態和發展，從緊湊的單中心到非常分散的發展模式。他們的模型考慮了各種城市形式、環境適宜性和土地消耗等標準，以規劃可持續發展的城市。他們還將CA模型與計算智能方法相結合，如神經網絡（Li和Yeh 2001）、蟻群優化（Liu等人2008）和人工免疫系統（Liu等人2010），以研究復雜的城市系統。圣埃塔。（2010）提供了一個有用的FurbanCellularaAutomata模型，用于模擬現實世界中城市過程的能力和模擬。他們認為，模型的廣泛使用是由于其簡單性。與此同時，CA模型的簡單性也是限制其表示現實世界現象能力的主要弱點。另一個主要缺點是缺乏一種標準的方法來定義城市CA模型中的過渡規則，這代表了過程的復雜性。

其他城市動力學方法

Batty（2008）指出，傳統城市模型將城市視為聚合的均衡系統，主要使用空間互動。這種方法在20世紀末發生了變化，考慮到城市動力學是解決復雜系統的過程，其結構是自下而上的。在他的著作《城市與復雜性：用細胞自動機、基于代理的模型和分形來理解城市》中，Batty（2007）提出了基于代理的模型，作為研究復雜城市動態的另一種有用方法，因為城市規劃從自上而下的集中視角轉變為自下而上的分散視角。基于代理的模型（ABM）由自治代理組成，自治代理可以是單獨的實體，也可以是集體的實體，具有定義的行為，以模擬自治代理的行為和交互對新興系統模式的影響。元胞自動機模型和基于代理的模型之間的一個關鍵區別是，ABM中的代理可以自由移動，并與彼此和環境進行交互。基于agent的模型的目標主要是了解遵循簡單行為規則的agent的集體行為。Huang等人（2014）回顧了三個研究領域的51個基于主體的住宅選擇模型，分別是（1）基于經典理論的城市土地利用模型，（2）城市化進程的不同階段，以及（3）基于主體和微觀模擬的綜合模型，回顧基于智能體的城市住宅選擇模型（ABM）的發展。本綜述特別關注了代理人異質性表征、土地市場表征程度以及廣泛模型輸出測量方法的進展。他們得出的結論是，“城市土地利用模型可以受益于基于agent的建模，方法是將異構智能agent和支持土地交換的機構的顯式建模”（Huang等人，2014年，第681頁）。Xie等人（2007年）應用基于agent的建模研究了1990-2000年期間中國蘇州-吳縣地區的desakota的發展。desakota是一個毗鄰大都市區的城鄉混合空間。他們開發了一個ABM，將本地家庭改革與全球城市改革聯系起來，以檢查受更高層次宏觀經濟調節的本地土地開發過程。另一方面，Benenson等人（2008年）開發了一個基于代理的模型，通過檢查不同河流群的搜索時間、步行距離和停車成本的分布，來研究非均質道路空間中停車模式的復雜自組織動力學。醫院。（2013）介紹了一種基于主體的模型，該模型采用了新的方法來模擬主體運動和主體之間的競爭，以模擬伊朗卡茲溫的城市土地利用發展。在利用現有數據對模型進行校準后，將其用于預測四種發展政策情景下的土地利用發展。此外，還需要對城市區域的穩定性進行研究。例如，Batty（2003）提出了一種城市動力學方法，該方法推廣了Zipf的秩-規模模型，以研究城市之間隨時間變化的秩-規模關系。我們收集了1790年至2000年間100個最大城鎮和城市的數據，用城市半衰期的測量方法，檢驗了等級規模分布中各個城市分布的波動性。他發現，在200年的時間里，等級-規模關系幾乎完全改變，存在相當大的波動性。這項研究闡明了一個城市如何在城市體系中上升、下降或保持其地位的動態。此外，Batty（2013a）的書《新城市科學》（The New Science of Cities）提出，我們必須將城市不僅視為空間中的場所，還視為網絡和流動的系統，進一步指出，需要研究單個城市和城市之間的聯系和互動，以更好地理解城市動力學的各個方面。

城市人類動力學與城市信息學

通過對城市人類動力學研究的簡要回顧，將城市人類動力學與本書的主題聯系起來是很重要的：城市信息學。城市信息學是一個相對較新的領域，它采用現代傳感、移動、信息和通信技術支持的數據驅動方法，以深入了解人們在城市地區如何運作，以及城市地區各種系統和服務如何運作（Kontokosta 2018）。Foth等人（2011年，第4頁）將城市信息學定義為“對整個城市體驗的研究、設計和實踐”不同的城市環境是由實時、泛在技術的新機遇，以及介導人際網絡和城市基礎設施的物理層和數字層的增強所創造的。”這個定義將城市環境中的地點、技術和人聯系在一起。隨著城市地區的地理規模和人口密度不斷增長，以容納不斷增長的城市人口，迫切需要提高我們對城市地區如何運作、城市問題的原因以及我們如何以明智和可持續的方式解決這些城市問題的理解。這些挑戰一點也不新鮮，已經研究了幾十年。不幸的是，我們似乎未能控制這些城市問題，許多城市地區正在經歷比以往任何時候都更嚴重的交通擁堵、空氣污染、熱島效應、住房問題、就業不匹配等。如果我們接受人類動力是城市地區經濟、社會、文化、政治和其他系統的根本驅動力，我們就必須更好地理解人類需求，以及它們如何與其他人互動，以及環境、社會和技術對環境的影響。當城市地區的基礎設施和服務不能充分滿足人類需求時，我們就會遇到問題。由于人類的需求出現在不同的地點和不同的時間，因此在空間和時間上匹配供需是一個挑戰。從城市規劃的角度來看，我們的目標是設計最能滿足人類需求并提高生活質量的城市區域。這是一個重大挑戰，當今大多數城市地區面臨的一系列問題就證明了這一點。在他的文章《大數據、智能城市和城市規劃》中，Batty（2013b，第274頁）指出“大數據的增長正在將重點從長期戰略規劃轉移到對城市如何運作和管理的短期思考；盡管在更長的時間內，這種大數據可能會成為每個時間范圍的信息來源。”巴蒂（2013b，第276頁）進一步指出了這一點“然而，如今被稱為智能城市的城市與大數據之間存在著某種關聯，城市中的智能主要是指傳感器可以通過精確的地理定位實時生成新數據流的方式；當然，它指出，城市只有在人都智能的情況下才會變得智能，而這一點在很大程度上取決于量子理論。”“是的。”技術顯然在城市信息化和智慧城市中發揮著重要作用。然而，我們必須記住，城市信息學和智能城市的發展是為了更好地滿足人類需求，提高生活質量。無論一個城市或一個城市中的某個特定系統是否應該通過它如何滿足不同人口群體的需求來評估，以提高生活質量（Shaw和Sui，2019年）。幾年來，中國許多城市在亞馬遜的快速增長中分享了自行車的經驗，這為在中國城市復興自行車這一大眾出行選擇創造了巨大的動力。然而，整個企業很快就崩潰了。正如黃（2018）所指出的， “自行車共享應用似乎即將成為解決方案，在過去三年里，私營部門將數百萬輛自行車涌入中國街頭。但今天，隨著這些公司倒閉，閑置的自行車堆積在自行車墓地，憤怒的用戶排隊要求退還押金，這一想法從一開始就注定要失敗。”“自行車共享應用程序非常智能，用戶可以在城市的任何地方通過智能手機解鎖和鎖定自行車并支付租金。然而，目前尚不清楚共享自行車在多大程度上符合人類需求，因為人們在城市地區面臨各種各樣的限制，無法開展動態活動模式。這個例子提醒我們，當我們追求城市信息學時，牢記人類動力學是至關重要的。總之，將城市信息學與城市人類動力學研究相結合，有助于更好地了解人類在日益混雜的物理-虛擬空間中的活動和相互作用；然而，我們必須記住，在城市地區建立各種系統和服務是為了更好地服務和滿足人類需求，從而提高生活質量。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的城市信息学其二-城市人类动力学的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。