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发布时间:2020-09-04 19:09:43

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作者:(英)迈克尔·巴蒂

出版社:中信出版集团股份有限公司

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新城市科学

新城市科学试读:

前言

我们生活在一个城市时代。到21世纪末,世界上绝大多数人口都将生活在各种各样的城市中,城市化和全球化成为常态,而我们曾经怀有的田园梦终将逝去。当全世界最终成为一个城市,“城市”这个词的意义可能与过去5 000年有很大不同。我们的注意力将集中在世界绝大多数人口实际运行其中的城市体系,而不是单个城市。要想理解正在发生什么,我们需要严肃地将城市视为人们聚集与互动之所。科技使当代的人类可以通过新的方式更加便利地联系在一起,我们也必须对网络、互动、联结、交易,以及使我们能够彼此交流的所有一切可能的方式开展研究,以增进我们对城市的认知。这本书将城市视为使我们能够相互联系的载体。在此基础上,我们就可以认为城市提供了协同工作、协同创新、分享劳动成果的环境,从而促进繁荣。直到最近,大多数分享活动都是发生在单个城市之中,但很快科技将使我们能够跨越很远的距离。在一定层面上,这是一种交易。虽然不管对古代社会还是现代社会,交易都具有基础性的重要地位,但是全球化正在消除我们对物质运动和物品交易的依赖,而更关注非物质和社会性的交易。信息正在成为替代性和补充性能源。因此,要理解当代城市,建立一门能够解释城市增长、蔓延、衰退等的科学,我们必须把理论建立在如何彼此关联的思想基础之上。这些思想并不是什么新鲜事物。50年以前,简·雅各布斯[1]在她的重要著作《美国大城市的死与生》中就提出,像过去那样简单地研究城市中各种事物的区位是远远不够的,我们需要以城市中的人们凝聚在一起所形成的关系网络为中心重新思[2]考区位问题。理查德·迈耶在《城市增长的联系理论》一书的前言中认为,城市环境持续受到信息的冲击,并提出了城市作为信息万花筒的理论。彼得·哈格特和理查德·乔利在《地理学[3]中的网络分析》一书中就将网络用于地理学研究,提出了既精彩又具挑战性的观点,更加强调城市人类社会系统和地貌物质系统两者之间的并行。同一时期,沃尔多·托布勒(Waldo Tobler)在几何与流(flows)方面写作了一系列具有重要影响的文章,使形态信息至今仍在地理学中保持着鲜活的动力,本书所介绍的新城市科学也与之有着重要联系。然而,除了偶尔出现一些具有远见的著作,我们仍然将城市视为空间和场所,虽然理解交通的连接意义,但我们从来没有试图将城市理解为一套网络,而区位会自然地从网络中产生。我们一直试图通过互动关系来解开各种行动和活动的区位之谜,而不是将区位视为互动活动的结果。在本书中,我将焦点从传统上的区位转向互动关系,这需要借助于很多网络和流的思想。有一种传统维度关注的是城市的物质和空间形态,我们并不轻视这一点。当然,仅仅从网络和互动的角度研究城市而不谈及其形态也是可能的。实际上,很多城市研究文献倾向于将城市现象和城市视为空间议题或非空间议题,作为过程而不是物质或空间形态。然而,作为最明显或许也是最不具侵入性地干预城市演进的方式——城市规划与设计建立在物质形态基础之上,而不是控制和管理的社会经济工具。在这里我将保持这一视角,虽然我也理解我们可以将本书所使用的材料完全呈现为另一种方式。尽管如此,我们的讨论焦点可能是一致的,因此,我的视角主要是基于界定城市的物质和空间环境。我所介绍的构成新科学基础的工具要应对的近期挑战是对城镇体系和城市内部各系统的物质和空间进行诊断。本书并不试图讨论未来的城市将会是什么样子,抑或如何创造更加美好的城市,而是从科学视角或者说提供科学工具来探索城市的未来。然而如同科学惯常的那样,这一科学世界必然是不完整的。正如卡尔·波普尔对科学的洞见——“一门辨别我们可以预先忽略什么的艺术”。我用这句话作为本书的开篇,也是这项工作的基本旋律之一。读者应当认识到,对于这门科学,本书只涉及了一小部分,不同的研究方向也难免存在不一致之处,在最后章节,我努力强调这一点。然而,这门科学并非早期研究的浴火重生,而是建立在社会物理学、城市经济学、交通理论、区域科学、城市地理学以及物质规划的系统方法等传统之上,现在逐渐走向了复杂科学。我对这些传统怀有深深的敬意,后面的文字随处可见呼应。特别是,这里呈现的很多想法都建立在我此前在这条道路上的思考,这些在我与[4]保罗·朗利所撰写的《分形城市:形态和功能的几何学》以及我所撰写的《城市与复杂性:元胞自动机、代理人模型和分形》[5]中都有所体现。对这些想法的总结可以参见http://www.complexcity.info。我很难对这些著作进行导读,但这些材料确实构成了本书所讨论的方法和途径的基础。当前,对城市的这一新理解正在不断进展。虽然我在这里只是简单提及,但它们已经暗含在这门科学的发展和应用当中。数字革命已经渗透了我们的文化,新的通信方式改变了我们的城市,大规模数据库为我们提供了前所未有的机遇对城市开展分析和建模,这在以往都是不可想象的。城市正在变得越来越智慧。尤为重要的是这门科学通过新的可视化途径为我们设计未来的城市提供了新的思考方法。在这里我并不试图过多谈论规划支持系统,或是通过新的在线技术开展公众参与设计之类的内容,但是我理解这一运动的深刻意义是应当把这些思想包含到更加广泛的政策环境中。实际上,这也是伦敦大学学院高等空间分析中心的研究团队的聚焦所在,很多研究项目为我提供了城市中的网络和流的大数据图解。我在此对他们的特殊贡献深表感谢。其他还有很多人对我帮助甚多。Paul Longley与我是近30年的同事,从20世纪80年代开始我们就在一起研究分形理论,他的冷笑话一直提醒我:科学充满偶然性和短暂性,但我们永当追求完美。Peter Hall自从我在雷丁大学获得第一份终身教职开始就成为我的良师益友,他在支持其他人按照他的多元化方法的同时也一直支持我以自己的方式研究城市,这两者其实是共鸣的。在伦敦大学学院有一支非常出色的城市形态研究团队,他们的工作与这些思想形成了互补。Stephen Marshall在城市和演化方面的观点,Bill Hillier关于物质形态和空间句法如何塑造城市功能的观点,Phil Steadman在结构形态领域的工作等都在这本书的工作中得到了体现。对他们的见解与影响我深表谢意。我还要感谢我的启蒙老师George Chadwick和Brian McLoughlin,他们在20世纪60年代后期引导我进入规划中的系统分析领域,这一研究方向在今天看来是如此重要。令人悲伤的是他们早已辞世,但我希望他们能够看到他们对此书所做出的贡献。我担心他们可能无法理解,因为理解城市的基础已经发生了巨大变化并且仍在快速变化之中。但是,我们今天所使用的方法和模型都仍是在他们早期基础之上的发展和补充。我还要感谢麻省理工学院出版社的编辑团队,特别是Susan Buckley、Virginia Crossman和Kristie Reilly,正是他们卓有成效的工作使此书得以出版。感谢我的妻子Sue为本书部分图表和全书校对所提供的帮助,本书是我们共同的心血,没有她这本书不可能出版。感谢我的儿子Daniel,他对城市中的各种事物抱有冷静的怀疑态度,持续激发我深入地思考其中的合理性并导入更广泛的思想。谨将此书献给他们。迈克尔·巴蒂威尔士圣多纳茨考布里奇,格拉摩根谷2012年10月[1] Jane Jacobs,The Death and Life of Great American Cities,1961.[2] Richard Meier,A Communications Theory of Urban Growth,1962.[3] Peter Haggett and Richard Chorley,Network Analysis in Geography,1969.[4] Paul Longley,Fractal Cities:A Geometry of Form and Function,Academic Press,1994;可通过http://www.fractalcities.org下载。[5] Michael Batty,Cities and Complexity:Understanding Cities Through Cellular Automata,Agent-Based Models,and Fractals,MIT Press,2005。致谢感谢James Cheshire和Oliver O'Brien提供了图2.7a,感谢Bahaa Al Haddad提供了图1.3c,感谢Erez Hatna提供了图5.15a,感谢Robin Morphet提供了图3.7a和b,感谢Jon Reades提供了图2.7c,感谢Joan Serras提供了图1.3d、图1.4、图3.8和图3.10a、b、c、d。本书的部分内容曾经发表过。第1章的部分资料选自Cities(29,S9-S16,2012)刊载过的文章。在第二篇的第4、5、8章中,部分内容曾经刊载于Complexity(16,51-63,2010),Hierarchy in the Natural and Social Sciences(D.Pumain主编,Springer,143-168,2006),以及Embracing Complexityin Design(K.Alexiou、J.Johnson和T.Zamenopoulos主编,Routledge,1-18,2007)。第9章的部分内容曾经作为伦敦大学学院高等空间分析中心的第164号工作论文在线发表。在第三篇的第10、11和14章中,部分内容曾经刊载于Architectural Design(41,436-439和498-501)、Environment and Planning B(1,125-146,1974;2,151-176,1975;11,279-295,1984),第13章部分内容曾经刊载于Regional and Industrial Development Theories,Models and Empirical Evidence(A.Andersson、W.Isard和T.Puu主编,North Holland,309-329,1984)。本书的一些图表原本是彩色,但印刷为灰度模式。在可能的情况下,我们通过图表的题注说明了所使用的颜色范围并转换为灰色调。希望看到彩色图表的读者可以通过网址http://www.complexcity.info/newscience获取原始文件。绪论城市不仅是空间场中的场所,也是时间场中的戏剧。——帕特里克格迪斯(Patrick Geddes),《公民:作为应用社会学》(1905,第6页)如果不是更早的话,在过去一百年中,已经有很多尝试致力于建立城市科学。每种都强调了城市的不同方面,但没有人成功地提出如同物理学等其他学科一样被普遍接受的理解。没有,也不会有一种范式能够主导我们对城市的理解,我们将要详细阐述的也不例外。新科学的原理是什么?我们相信用于理解城市的公理必须简单明了和抽象。我们需要挖掘表面现象之下的深层因素,揭示城市运行的基础。大多严肃讨论城市科学的人都不会反对这一点。我们确实需要超出人造环境来思考城市,不是建造我们长期认同的“美丽城市”,虽然这是十分动人的话题,是像有机体一样而不是像机器一样去建造一个系统。在过去20年中,我们理解城市运行的方式已经发生了巨大变化,提出新科学恰当其时。正如我们上面所引用的帕特里克格迪斯(1905)的名言,仅仅将城市视作“空间场中的场所”完全忽略了城市随时间而变化这一基本事实。这些变化包括空间中的运动,也就是说时间是由场所之间的流所刻绘的。实际上,曼纽尔卡斯特尔(Manuel Castells,1989)已经将当代城市定义为“流的空间”,这很好地充实了格迪斯的观察和我们将场所和空间联系在一起的想法,场所与空间与构成它们的活动彼此关联。简而言之,我们对新科学的讨论建立在对场所的概念理解之上,我们必须理解流,而要理解流又必须理解网络。网络意味着人与场所之间的联系,因而我们的新科学的核心原理是如何定义系统构成的对象。所有科学都依赖于此类关系基础。道理虽然显而易见,但这一抽象过程对于城市研究来说却很难,因为这要求我们放弃原有的信念,即我们可以通过感官观察到城市的运行并巩固既有的认知。对于城市来说,所见未必即所得。是场所与空间之间的关系或者说网络,而不是其内在属性构成了我们理解城市的条件。这是我们建构城市新科学的第一原理,也是本书所介绍的全部理论、方法、模型、工具的基础。我们的第二原理是关于流和网络的属性。我们看到,不同属性的网络以及与之相依的空间和场所,在数值、尺度和形状等方面都具有一种内在的秩序,这使得我们有可能对其进行分类和排序以更好地诠释其意义。大体上,构成城市的各种要素所形成的网络枢纽或节点布局呈现高度的不对称特征,这是经济过程的外在反映,其竞争性本质驱动了城市功能并决定了它的形态和结构。这些格局往往体现出小者众多、大者甚少的状况,所谓标度律(scaling laws)往往表现为幂律(power laws)。幂律反映了缩放过程在某种意义上是自相似的,系统功能的这一特征意味着系统的子系统、组件、要素等是分级排序的。这些过程导致了城市增长,奠定了城市的演化结构,将我们的理论和模型带到复杂性理论的范畴,带到诸如分形等高度有序的形式(Batty and Longley,1994),也使我们能够基于细胞、代理人、行为人等构成城市的最基本单位来建构模型(Batty,2005)。我们将焦点放在流和网络,这并不代表城市如何增长与演化并产生不同形态与功能的全部。网络有两种类型:第一类是所有同组要素之间的相互作用或相互关系网络,例如,所有的位置之间的网络代表了从居住地到就业地、从一个地方迁徙到另一个地方等出行活动所产生的相互作用;第二类是不同组别对象,如人与场所之间所具有的关系网络。如果我们有这样的双边关系,我们就能够建构其他组的关系或相互作用,例如,通过共同场所属性建立人之间的关系网络,或通过共同的人属性建立场所之间的关系网络。简而言之,虽然有一定假设,但我们有办法从更多要素关系中对多组交互作用进行预测。这也带出了我们的第三原理,对城市的理解必须扩展到流和网络,而不能仅仅建立在观察基础之上。这门科学的基础远远超出以上三个原则所传递的基本概念。但是在本书的第一篇,我们首先将详细阐述这些概念以提供基础和先决条件。我们将流及其网络定义为彼此的协同效应,并引入使我们能够理解它们并将其应用于第二篇和第三篇中所涉及的各种城市结构分析的工具。还有许多其他理论,与我们的方法是相辅相成的或一致的。复杂性理论及其核心应用模型是这门科学的基础,读者将在本书的很多地方发现这一点(Batty,2005)。城市经济学理论对于理解竞争如何赋予空间秩序十分重要,藤田昌久、克鲁格曼和维纳布尔斯(Fujita、Krugman and Venables,1999)在贸易理论方面的工作值得一提。在城市内部经济学方面,单中心城市模型是关键(O'Sullivan,2011),而交通运输理论和模型也需要考虑(Ortuzar and Willumsen,2011)。总的来说,我们认为读者能够掌握本书的基本原理而无须理解完整的结构,一般来说也不需要具有城市经济学、区域科学、城市地理学和交通科学等方面的知识基础。此外,除了第2章和第3章关于流和网络的部分构成了后续章节的基础,以及第6章和第7章需要按顺序阅读以外,读者对大多数章节均可以按需阅读而无须考虑先后。需要按顺序阅读的章节可能还包括第三篇的各章,但所涉及的相关讨论均在各章被重提。第二篇和第三篇是对基本工具的应用,分别从不同角度探讨城市如何运行以及如何设计城市。正如流和网络是硬币的正反面,理解城市的科学构成了第二篇,设计城市的科学构成了第三篇。一些读者可能意想不到,城市中有趣的事物往往对规划来说并不有趣,具有讽刺意味的是反过来也同样适用。在第二篇中,我们将考察城市的规模、内在的层级秩序、定义它们的交通线路、影响网络的地理位置,以及这些网络的形态与结构。我用六个章节介绍了各种模拟方法,从简单的随机模型到自下而上的细胞进化模型和代理人模型,最后再到更加集合的交通与土地使用模型。我们始终强调先前所定义的三条原理:网络、标度和对交互作用或是流的预测。本书的这一部分并不涉及城市如何演进、结构化、功能化的综合性理论,却与这些更大知识体有着明确的联系。在阅读这些章节时或多或少可以彼此独立,这本身也表明这门科学仍不成熟。在未来某一时候,这门科学终将形成完善的知识体系,届时相关论点将会更加详尽并建立起更加全面的联系。第三篇我们将焦点从城市本身转向设计,或者说用于塑造未来城市的设计和决策模型,这么说虽然略有唐突,但总体来说与我们到今天为止所采用的方法是一致的。我们用于建造设计和决策网络的工具在很大程度上与先前章节是相同的。但此时网络是行为人或代理人之间的通信媒介,行为人或代理人是利益相关者的代表,试图设计政策以创造更具效率、更加合理的城市。当然,我们仍然聚焦于物质方面,虽然从某种意义上来看面有些窄。在一定程度上,模型相比于第二篇现实性稍弱,但它们仍然体现了城市规划与设计是一项集体行动的思想——只有汇聚观点才能达成未来共识。在这个意义上,这些模型既是动态的又是均衡的。我们在这些模型中也充分利用了双边关系的概念,提出如何扩展我们的解释和模型,以探索城市系统的深层结构并尽可能将其应用于设计。虽然我们的设计模型还有假设的成分,但在最后两章我们仍然尝试完成不可能的任务,将这些思想推进到使我们的模型能够反映行为者提出未来城市决策的方法,并聚焦于行为的位置。这也为未来发展提供了方向。在呈现全文之前,我们需要解释一下这本书的可能阅读方法。虽然可以从本书的不同位置开始阅读并从中获取所需,但全书仍然在思想、工具、方法等方面有着松散的先后联系,因此最好的阅读方式是按顺序先后。用这种方式,我们在此处所强调的信息能够被更好地理解。我们对数学的使用是正式的,所需的水平范围从初级到中级不等,对简单的微积分和矩阵代数有基本的了解就足够了。在表达法方面,我们不能在所有章节使用一套完全一致的符号,在不同的方程中有时候会出现相同符号的重复使用,在这种情况发生时,我们将做出提示。实际上我们定义了一些标准变量,如人口为P、就业为E、土地为A或者L、出行或流为T和S。可能性表示为p和q,频率一般用f和F表示,矩阵以适当的条件给出,但为粗体。阵列一般是用向量或矩阵加变量括号的形式给出,如{…}或[…]。个体、位置、问题、政策等定义在适当范围内,这些范围用i,j,k,£等下标变量表示,偶尔也会用k、m、n和z等表示。参数和其他常数用希腊字母表示。我们的表达法尽可能与相关文献保持一致,尤其是在空间交互模型和人口分析方面。由于相关运用总体来说并不正式,读者将会发现这些思想发展的逻辑是直截了当的。最后说明一点:很多图表原本是彩色的但被用于黑白模式印刷。希望看到彩色图表的读者可以通过以下网址获取原始彩色版本文件(http://www.complexcity.info/newscience)。第一篇基础与前提简·雅各布斯(1961,第238页)说过:“当且仅当每个人都在创造城市时,城市才有能力为每个人提供一些东西。”她的这一观点我们感同身受,因为我们每一个人对城市都有各自不同的理解,这意味着城市是个多元的万花筒,具有多样性的思想、观点、理论、模型乃至我们所能想到的一切抽象事物。这也是为什么我们很难相信存在一种理解城市的方式,会优于所有其他方式。这也使得我们无法在牛顿开创的传统科学基础上建立城市科学。当我们退一步来思考城市如何运行、如何通过城市规划让城市变得更加宜居时,不可避免地需要一层一层剥开城市的复杂性,直至发现构成我们所理解的城市的基本思想和技术。在这个过程中,我们揭示了构成新科学的基石。这门科学具有自下而上的稳健结构,并与我们所认为城市的运行、变化和进化的方式相一致。为了构建这门科学,我们采纳了复杂性理论(complexity theory)的当代研究方法。复杂性理论将系统理解为自下而上的、由基本成分组成的层级结构,基本成分构成了网络,个体和组团在网络中通过社会和经济活动相互作用,系统的功能则是这些相互作用的表现(Batty,2009a)。像城市这样的系统会不断进化,为了实现规模经济,现代社会对集聚的推动力通常会促使城市生长。但城市同时也是自上而下的产物,这些自上而下的进程存在于每一个层级,从而让系统的相互作用更加复杂。复杂性理论是解读的关键,因为城市不仅在变大,更在变得愈加复杂,而到21世纪末绝大多数人口都将居住在城市中。随着城市社会从能源流动到信息流动的转变,城市居民间的交互正在具有越来越多的层面,这让我们不得不将城市看作一个不断变化和进化的临时性现象,正如我们一直试图理解的城市系统。当然,这并不是什么新观点。波普尔(1959)早就表达过类似的概念,他认为由于未来在本质上是不可预测的,所以我们并不能确定自己未来的行为,因此现在的所有理论都只能在某种条件下成立,并且都会在某些情况下失灵。为了构建这门关于城市的新科学,我们首先需要建立一些基础和引入一些前提。第1章中,我们将介绍城市如何被模块化构建,通过层级结构表达子系统的相互作用,发生改变并进化。在这样的概念下,认为区位、场所和空间将在这些系统中占据支配地位的想法多少有些过时。区位的确重要,但是仅在场所中有交互发生时才是重要的。在这一章中,我们揭开城市的面纱,将区位理解为不同相互作用的模式,这些交互行为则是通过物质流、人流和信息流将城市居民集聚起来的黏合剂。因此,人们集聚工作和娱乐的网络(包括经济和社会网络)将是这门新科学的决定性基础。在第1章中,我们确立了上述观点。从我们介绍的观点中可以得出这样的概念,组成城市的模块会贯穿于不同层级的临时空间层面,反映这个概念的最好例子是经济活动的集聚方式:在更大空间尺度层面上,市场中心变得更大,而分布变得不那么密集,相互之间的间隔也更大。这些集聚与分形图案的形态在本质上具有相似性(Batty and Longley,1994)。此类尺度变化是复杂性的一个基本特性,可以用来解释上述例子中交易和交互等简单过程如何成为各层级的本质活动,以及如何随着空间层面变化发生相应变化。我们将介绍作为幂次法则的尺度变化概念,当我们描绘贯穿于空间和时间、区位和网络中的相互作用关系时,这个概念具有核心作用。第1章展示的很多这类尺度变化的关系,表现为人们竞争城市中土地和区位的特征性秩序。例如,当城市变得更大时,它们往往也趋向于变得更富有、更绿色以及更高密度,尺度上的变化也带来了城市新陈代谢上的质变。这就是城市的异速生长,本书中多处会涉及这个概念。理解城市的关键是拆解城市的物理形态,揭示使其在各个层面运行的网络。从这个意义上来说,城市是一个因特定目的而相互作用的个体的集合。因此,我们这门新科学的中心思想之一就是:区位是定义交互进程开始和结束的节点。从这个观点出发,不同于传统理论将城市看作空间、场所和区位的集合,我们将城市视为活动、相互作用和交易行为的集合,这些行为是城市的基本构成,也与社会和经济财富创造过程中的规模经济有直接的联系。由此,我们将城市看作物质或非物质的流和关系网络(networks of relations)。我们在第1章中提出这个观点,并在第2章和第3章中分别介绍作为“流系统”的城市和作为“网络系统”的城市。在一定程度上,这是理解城市的两个略有不同但又相互补充的视角,或者可以说是同一枚硬币的两面。第2章中我们介绍了流的思想。不同区位之间的流并不是严格嵌入城市空间的物理结构,而是以某种自由度在空间中穿行。这些流的模型通常并不严格与流所发生的物理网络相关。即使是那些严格相关的模型(比如交通规划),它们所关注的物理问题相关网络(比如其中的运输能力问题),也可以从模拟流的模型中完全剥离出来。我们从一些典型案例开始讨论流,如上班路程等。然而,即使对于自由浮动的流,要将流系统在欧几里得几何空间中表达出来也是困难的,更不用说后面在处理网络系统时会出现更棘手的问题。实际上,将城市作为流系统已有数年历史。我们介绍的一些例子说明了如何将流转换为几何关系,将它们视为网络连接,并转变为矢量空间或矢量场。第2章的主要目的实际上是引介一系列流模型,然后在此基础上简要介绍空间相互作用理论(spatial interaction theory)。我们展示了不同类型的流模型是如何构建的,并重点关注如何用流来表达区位功能中的可达性和势能。本章的一个要点是,构建了将流对称处理的基本模型。当然,真实系统与这个模型相去甚远,这说明我们研究城市中的流,必须思考真实情况与假想的各向同性平面有多大差别。在过去50年中甚至更久,各向同性平面经常被作为城市经济理论的初始假设,而在如今的模型构建中仍然具有重要作用。在第3章中,我们翻转到硬币的另一面——网络系统,并介绍了本书中涉及的网络科学的原理。其中的关键概念是,网络是流运行的组织结构的表达。与流相比,网络与城市的二维(或许是三维)空间结合得更加紧密。这些组织结构则进一步反映了城市社会和经济得以运行的作用进程。我们用图表来阐释网络,尽管图表通常用于模拟网络中一组物体中的相互作用,例如在社会网络中一个群体中的成员与其他人的相互作用,本书中我们引入了二部图(bipartite graph)这一重要方法。二部图用于描绘一组物体与另一组物体之间的关系,比如个体与他们的行为,或是行为与它们发生的地点之间的关系等。这是一个非常强大的工具,我们可以通过二部图描述的关系,来构建描述一组物体间的关系的一分图(unipartite graph)。例如,可以通过个体间行为的媒介或是他们居住的地点等,来构建个体之间的网络。这种图示方法将贯穿全书并反复出现。实际上,在探索一组物体与其特性之间关系的一切多变量分析中都会用到这种方法,在本书中我们将其应用于对网络的研究。我们将采用上述概念和方法来定义网络的作用过程。这些过程都可以理解为从节点通过连接产生的扩散,网络构成了沟通中介,这些正是城市中所发生的。典型常规扩散过程包括创新、疾病传染、城市扩张等(Batty,2005)。现在有大量研究工作开始关注对这类网络的破坏,以及对特定节点介入干扰所引发的层叠效应。本书不会对此展开讨论,因为这是一个新兴领域,但假以时日这些必将成为我们所构建的新科学的一部分。不过,我们定义了这类网络中的沟通过程,以及过程中沟通信息的变化。特别是在第3章,介绍了节点的初始差异扩散到某种平稳、均衡或一致状态的一般过程,并在本书第三篇中对此做进一步的具体讨论,研究城市规划和设计中不同利益方冲突问题的协调模型。在第3章中我们仅视其为一个一般性过程,并结合二部图方法,描绘一些将在后面章节继续讨论的网络过程。我们采用的另一个思路是空间网络。城市中具有基础性的交通网络,它们嵌入在二维的欧几里得平面中,但又不总是处于平面中,因为在路径交汇时有时会需要扩展到三维空间。我们阐释了道路和铁路网络的几个关键概念,并展示这些网络形态与空间规模变化的关系。这些就是本书的基础。我们介绍的这些工具,由其他关于城市组织的理论和模型所支撑,在这里直接采用了。对于城市中的复杂性理论来说,时间维度确实重要,但在本书中没有过多讨论动态性问题,因为在别处我已进行过相关讨论(Batty,2005),并有充分的内容可供读者进一步探索。空间经济学和区域科学也提供了很多重要的理论和工具,尤其是在城市经济学领域,以及新出现的建模方法,特别如元胞自动模型和代理人模型等,但在本书中没有深入探讨。还有其他理论和方法,比如土地利用交通理论和模型(Heppenstall、Crooks、See and Batty,2012)。我们将在第二篇讨论模拟时对这些略有涉及,但就本书中的大多数内容来说,这三章中所引介的理论、方法和工具完全足够。第1章建立城市科学如何建造城市如果还不是科学的话,也将很快成为一门真正的科学,它将需要人类知识每个领域中的重要和深刻的研究,特别是社会科学领域。——伊尔德方索·塞尔达(Ildefonso Cerda),《城市化原理的五个基础》(1859,第66页)城市科学已经让我们等待太久了。早在150多年以前,伊尔德方索·塞尔达就预测了城市的世界将建立在几何学之上,并成为社会行为的基础。而在那差不多50年之后,帕特里克·格迪斯则认为各种流而非机制,将主导这门科学。在《进化中的城市》一书中,格迪斯写道:“因此,实际上出现了城市科学的方法,即我们的城市应该进行独立研究,并科学地进行比较,正如我们长久以来对待城市中的建筑那样——分类型分风格研究。”(1915/1949,第269页)从某种意义来说,这些预言为这门新科学的发展引来了一道虚幻的曙光。因为直至今日,在21世纪的开端我们才拥有可以开创这门科学的要素。现在是时候来正式思考关于城市组织和结构的概念和想法了,这些是正在快速成长的复杂性理论科学的一部分(Batty,2005,2009a)。总之,一个新的范式正在形成。在本章中,我将大致介绍这门科学的概况,并在随后章节逐步展开。为了奠定基础,我首先引入一个关键概念,即需要将城市视为相互作用、沟通、关系、流和网络的集合,而不是区位的集合,区位实际上是相互作用的综合体。这是这门新科学的基础概念。接下来,我们会探讨城市的规模和规模变化,介绍关于集聚、全球化和疏散化等一般性概念;然后介绍我们将城市视为一个以几何和地理性为基础的物理系统的概念,并以此为工具来描述、探讨和分析我们的关注点。随后,我们将介绍这一观点如何从系统的角度形成,这也涉及复杂性理论。除了我们所关心的相互关系,还有三个主题概念将在本书中不断被提及,它们是:时间动力学,即事物的变化方式;流,即区位之间的相互作用的强烈程度;规模和尺度,亦即事物的大小变化。我们首先从动力、产生、模式、过程、流和相互作用的角度来详细描述复杂性,然后介绍数个规模变化定律,这些定律可用于解释城市在规模变化时发生怎样的质变。本章中,我希望读者关注这些已有的关于城市和复杂性的相关文献,而不是我们在本书中如何运用这些理论。在这之后,第2章和第3章分别构建关于流和网络的概念,并在第二篇中应用这些概念。1.1 新范式半个世纪或更早之前,城市就开始被认为是“系统”,被定义为相互作用主体的确定集合,系统一般处于均衡状态,具有清晰可控的功能,通常可以通过类似规划或管理这样的过程进行调控。这个定义概念将城市视为自上而下的组织形式,并与假定为良性温和的周边环境相隔离,城市通过各种消极反馈调整到平衡状态,并在此基础上运行各种功能。然而,这样的城市模型自从提出就被发现有诸多不足之处。城市既处于一个温和的良性环境中,也无法简单地与周边世界割裂开来。此外,城市也不能自动恢复平衡状态,而是在不断变化中,甚至总是处于远离平衡的状态。城市并不能被视为集中管理的结果,而主要是依靠数量巨大的个体和群体决策“自下而上”地进化,只有偶发的“自上而下”的决策行为。总而言之,城市更像是一个生物性系统而非机械性系统。复杂性科学的兴起为系统理论带来了从“自上而下”向“自下而上”的转变,复杂性理论认为系统是开放的,其基础更多是演化过程的产品而非宏观设计(Portugali,2000)。逐渐地,将城市作为“机器”的观点被“有机体”所取代,而之前的那些观点则已深嵌在过往的城市发展建设中(Barry,1964)。这门发展中的科学并没有放弃采用更正式的途径来理解城市,因为新科学仍然建立在已有的庞大基础之上,只是改变了所强调的关键点,实质上是要构建一个更加全面的结构性框架,让我们更好地理解那些反映了城市多元性和多样性的观点。城市研究方法中有一个论题一直占据着主导地位。自有历史记载以来,在研究、规划和想象中,城市都被视为一个场所,可以用区位模型和图纸来表达其形式和结构。这种陈述显然突出了城市的物质性,将空间理解为公平和效率的体现,促使我们去设计更好的城市。我们通过干预城市物质或地理格局的方式来控制城市活动,我们对城市的理解也一直被限制在这个框架中。因为如此,城市规划的理论基础就是如何对动态活动和土地使用进行理想化配置,或是约束哪些活动可以在哪些区位进行。这并没有抓住城市的全部本质,也无法抓住城市的演变。区位可以概括城市活动的状况,但不能反映人群之间的关系和相互作用,而这些关系和相互作用才是城市生活的基本原理。如今,这是一个被通信主导的世界,到21世纪末时绝大多数人将会居住在城市中,在这个关键时期,我们需要将关注点从区位转向相互作用,从简单地将城市理解为理想化的形态,转向将城市视为通信、相互作用、交易和交换等各种模式的集合。或者简而言之,将城市理解为网络。区位理论覆盖了经济学乃至美学,也构成了时至今日在城市研究和设计中仍占主导地位的工作方法。本书描述的这门科学不再仅基于区位理论,而是初步认为:如果我们仍然用区位格局的方法来看待城市,当我们讨论城市公平和效率问题并试图设计出解决方案时,可能首先就全然忘记了城市为什么会存在。我们需要这样一门科学,其基础概念应该是讨论人们为什么集聚在一起交易和交换他们的商品和想法、进行社交联系并繁育后代——或者说相互关联。我们认为在理解并规划城市时,相互作用关系以及因此形成的网络比区位更加重要。但是,强调网络并不意味着本书将全盘否定区位的意义。区位建立在相互作用的基础之上,区位是关于在网络中发生了什么以及各种活动之间如何相互作用的综合结果。为了建立一门将区位视为相互作用模式的城市科学,我们将介绍一系列基本但有效的工具,以呈现、分析、模拟、预测和设计城市结构。这些工具将围绕人们如何相互作用来构建,并主要通过物理现实以及建立在网络、流和其他很多类型关系类比基础上的隐喻,来展现这些相互作用。还有另外一个原因,使我们必须从基于区位的方法转向基于网络的方法。在中世纪城市中,相互作用大多是本地化和某种意义上的瞬时化的,并且高度集聚。当时的物理相互作用非常有限,直至工业革命的发生和内燃机的发明,城市才得以扩张,并由此带来了城市居民之间更多的相互作用。显然,技术对于我们能够在何种程度上进行联系有着极大的影响。正如尼葛洛庞帝(Negroponte,1995)描绘的那些他所坚信的转变,随着我们从物理相互作用走向数字作用,从能源走向信息,从“原子”走向“字节”,以及从工业化走向后工业化时代,相互作用的技术限制已经越来越小了。近年来,随着网络和无线发展带来的计算机和通信的融合,交易交换的成本已大大降低,使得过去过于昂贵、不太可能甚至不敢想象的各种相互作用都成为可能。这个需要关注相互作用成本的世界正在被新信息技术极大地改变着,从城市区位角度而言,21世纪末的城市物质形态将很可能与我们如今看到的大相径庭。实际上,城市的变化可能会非常之大,以至于我们连城市在中期将会发展成什么样也无法预测。因为我们直到现在才刚刚开始掌握新的工具,从相互作用和网络而非区位的角度来理解和分析城市。本书的中心目标就是展现这些工具并阐述如何更有效地利用它们。为了论证到底什么是新范式——我们将城市理解为相互作用的集合而不是区位的集合,我们不得不为推陈出新付出代价。实际上我们将证明:区位与交互作用和网络密不可分,城市增长和形态的格局特征与各类交互作用、能源流和信息流有着密切的联系。过去用于描述密度和可达性的那些概念,如城市形态、城市蔓延、私人和公共交通、社区完整性等,也都在本书提出的研究方法框架之内。本书不打算重复介绍对城市形态的传统表述,也不会深入讨论城市空间运行的社会链接方式,而是提供工具以探索这些理解方式。如果这种方式是有效的,那么读者应该从本书出发进行扩展学习探索,通过对设计更好的理解,将自己的经验和知识融入当代城市的很多方面。本书并不寻求替代已经发生的,而是认为如果我们想要为城市和城市规划构建一门有效科学的话,首先需要厘清一些更深刻和更基础的模式。1.2 集聚、全球化和疏散化城市出现的主要目的是将人们聚到一起来交易他们的劳动成果。从历史上看,人们选择聚集地点时,总是选择一些能够持续发展的区位,既能够方便地开采自然资源,又能够在更大的地域范围内获取产品和交易盈余。我们的世界充满了这样的城市:位于具有良好区域可达性的交通节点、河流交汇处、具有自然屏障的港口、邻近化石能源产区等。由此,建立起了中心城市及其腹地这一概念。随着城市的诞生,产生的空间系统都可以通过地方产品的经济优势并通过交易扩展到更大区域来解释。因此,城市的本质是规模经济,传统观点认为经济规模的增长比城市规模的增长比例更高(Glaeser,2008)。我们将在本章对这些概念进行扩展性探索,并在本书其他章节正式介绍规模变化概念时继续进行探讨。这就是马歇尔(Marshall,1890)在一百多年前对集聚(agglomeration)的定义,集聚意味着网络效应。传统上,当人们聚到罗马集市或中世纪市场等地进行交易时,实际上他们在空间上的接近会提升达成交易的潜在可能性。将人口数量设2为P时,邻近的人们之间的最大相互作用数量会增长至P,这一正反馈效应是经济增长的基础。但是也不难知道,实际可以面对面沟通的人数T远小于最大值,因此即使人们在空间上聚2集,仍然有T≪P。所以要实现集聚经济效应,还需要新的沟通交流方式。本质上来说,城市规模越大,就越可能形成良好的机制,让更多人之间进行有效的沟通。此外,随着城市增长达到的集聚经济意味着城市的规模收益递增效应,并进一步带来交易成本的下降。这样的经济方式会产生一些重要的空间和物理影响,在稍后章节中我们将更详细和深入地介绍这些影响。一个重要的推论是有反作用力对集聚趋势进行平衡。资源总是有限的,因此城市与其他任何类型的团体一样,都在与其他团体进行竞争。城市不可能无限制地扩张,因为技术条件限制了交易成本的降低程度。而城市也不都是一般大小的,因为这意味着无法获得规模收益递增。实际上我们可以观察到,城市规模等级分布存在着从少数大城市到众多中小城市的有规律变化。这说明城市在竞争过程中形成了一定的规模层级体系。很多区位研究都是在探讨空间经济根据规模进行组织的理论,表现为城市的空间群落及其腹地。在美国等一些地方也能看到一些不太一样甚至有些反直觉的现象,即城市按照纯粹的等级规模定律(rank-size rule)分布。也就是说,如果我们将所有城市从最大到最小按照规模进行层级排序,某个城市所在层级的规模大小,就是用层级数与最大城市规模相除的数值。这是一个决定了不同规模的城市有着怎样的不同相互作用模式和不同网络结构的关键因素,我们将在本章和随后几章更加详细地讨论这个问题。本书的第二个主题是全球化,其核心概念是交易成本以及跨越长距离沟通的能力。在全球范围内的相互作用使得城市越来越专业化,生产和消费活动通过扩展到传统腹地之外增加其附加值。从某种意义上来说,历史上的那些大城市也是这么运行的,也许从罗马或者南京就开始这样了,它们作为帝国的首都所影响的疆域空间大大超越了城市的空间领域。19世纪的大多数工业城市和20世纪的很多城市都不是真正的全球性城市,而是随着新一代信息技术的发展,改变了我们传统认识上的空间和距离,全球化才在当代得以实现。实际上,全球化是与交易费用的下降以及新信息通信技术的发明携手出现的。尽管让人印象深刻的“距离的消亡”提法只抓住了全球化转变中的一个要素(Cairncross,1997),在过去四分之一世纪里互联网的发展将网络、通信和相互作用等概念推到了我们对当代和未来城市思考的前沿。因此,任何想要对城市中的活动进行管理或控制的行为都应当建立在对相互作用和网络的改进、管理或控制基础之上,任何类型的干预行为如果不考虑已经扩展到全球层面的网络的话,也必然失败。疏散化(decentralization)是我们的第三个主题词,这其实跟集聚和全球化是同时发生的。随着各种沟通媒介的费用的降低,城市活动能更加容易地传播和影响到更广阔的区域。首个证据在一个世纪或更久之前就已经出现,当时的传统工业城市中,工业在城市中心周边布局,并逐步向周边搬迁。其主要原因是更低的交通运输成本和汽车使用,以及对空间的需求增长。这样的疏散化一直在发生,到20世纪末期几乎所有的商业区都成了“边缘城市”,预示着多中心模式的出现,一种具有众多组团及核心的城市发展模式。实际上,城市发展的主要模式早已不再是一个高度集中化的系统。集中在一个特定地区的集聚经济已经需要面对更加广泛的区域经济,通过更大区域的交通将这些经济活动集聚起来能够有效地提升效率,甚至比传统上面对面沟通的高密度核心区更加有效率。有人认为疏散化和集中化这一对反作用力是决定城市发展的关键因素。物理上的疏散化因交通成本的降低才成为可能,但同时也是城市增长带来更多空间需求的结果。为了在配置城市功能时能保持合理的密度,提供更多的空间是不可或缺的。但我们也不能忽视,人们从本质上就对享用更多空间并满足不同的空间偏好有内在需求。对于居民来说尤其如此。所以我们可以将城市理解为一种必要张力,一侧是与其他人尽可能接近的需求,这也是城市的本质,另一侧则是对尽可能大的空间的可及性的需求。而一个简单的约束扩散模型就可以很好地描述这个概念,我们将在第8章介绍这个模型。随着交易成本特别是交通成本的变化,这种张力以不同方式发挥着作用。当不同城市间的交换行为可以获得经济和社会优势时,城市模式就开始变得具有全球性,而疏散化也融入全球化进程当中。在本章后面部分我尝试通过复杂性理论来构建的一些概念就是基于上面对疏散化的理解。当然,在此之前我们还需要搞清楚如何从物质性角度来清晰地阐述这些概念。实际上本书的预设前提是,我们对城市的理解仍然停留在几何形态的物质性层面上,而通过配置城市功能的区位来实现目标的传统规划方式已经过时。强调相互作用的新范式依然需要我们从物质形态角度来理解和设计城市,但通常体现为网络,而网络依存于强大和重要的社会经济联系。

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