四 城市系統分析的八個基本概念

自20世紀60年代復雜科學發展以來，國外將其應用逐步由物理學、生物學和生態學等自然科學領域向社會經濟領域拓展，城市研究是具有代表性的領域之一。國外學者對復雜性理論在城市領域的應用由最初從城市系統的整體出發，即將城市作為一個由部分加總而得的整體來研究，到深入探索系統涌現背后的機制，至今已發展出基于行動主體的模型（Agent-Based Modeling）、元胞自動機（Cellular Automata）和分形理論（Fractals）來模擬自下而上的城市系統演化。而復雜網絡理論的快速發展，將針對城市增長和形態的整體研究與針對分形和個體行動的機制研究連接在一起，推動了“自下而上”的城市模擬空間過程應用。

國內學者關于復雜性科學的研究以錢學森先生為代表。他將航天系統工程概念推廣應用到國民經濟建設、城市研究和建筑科學領域，明確提出“每一個城市都是復雜的集合體，所以研究城市要用系統科學的觀點和方法”。他強調要把現代城市看作開放的復雜巨系統。他在晚年發表了《關于建立城市學的設想》，指出未來城市發展中可能遇到的一系列問題需要借助系統科學理論來解決，他是國內最早將城市視為一個復雜系統的學者，為我們埋下了一顆寶貴的種子。周干峙先生應用“開放的復雜巨系統”理論研究交通、通信技術發展帶動下形成的高度聚集的城市及其區域系統。2001年吳良鏞先生的《人居環境科學導論》以開放的復雜巨系統作為方法論，提出了各學科間“融貫的綜合研究方法”，并提出“以問題為導向”的工作方法，以及用“庖丁解牛”和“牽牛鼻子”的思路處理人居環境所面對的諸多方面和復雜內容。前人的研究為構建城市復雜適應系統理論奠定了有益的基礎。

本書遵循約翰·霍蘭對復雜適應系統的理論框架，采用復雜系統中的核心概念——“主體”（Adaptive Agent）和圍繞“主體”這個核心的八個基本概念，即聚集（Aggregation）、非線性（Nonlinearity）、流（Flow）、多樣性（Diversity）、標識（Tagging）、內部模型（Internal Models）和積木塊（Building Blocks）來解析城市作為一個復雜系統的特性和機制，理解城市及城市群的復雜性。這里將把復雜系統研究中的概念置于城市研究的語境中予以界定，分別為城市主體（City Agent）、主體聚集（Agent Aggregation）、非線性發展（Nonlinear Development）、要素流（Element Flow）、目標多樣性（Target Diversity）、特點標識（Character Tagging）、內部模型（Internal Models）和系統積木塊（System Building Blocks），從而建立起城市系統研究的學術表達語境，便于相關研究成果間的交流和借鑒。

（一）城市主體

復雜系統中的基本單元稱為“主體”。主體具有主動性，是有活力的（Active），具有自己的目標、內部結構和生命力。主體的適應性（Adaptive）體現在其能夠感知外界信息刺激，通過學習來調整自己的行為，主體是在復雜性系統下研究系統演進規律的必然起點。

城市主體是研究城市復雜性的出發點。城市主體是城市活動的參與者，是自適應系統的實體存在，因此也可稱作適應性主體。城市主體能夠影響其他因素，也可以被其他因素影響，主體的存在環境是其他主體所提供的，主體同時也參與了為其他主體提供環境的過程。因此，城市的主體可以是人，也可以是建筑物、交通路網和地下管廊等各種能承載人類活動的物體，是可具象的事物，其中人是最重要的主體。在城市及城市群的復雜系統中，個體的人、由人組成的組織機構和不同的功能分區均可作為主體進行研究。

人類是城市的創造者，人的主動性和適應性決定了城市主體的主動性和適應性。城市主體的發展活力、目標和結構取決于城市中人的規劃和布局，同時人類也會根據外界的影響來調整城市的發展方向和結構。復雜適應系統理論認為，主體之間以及主體與環境之間的相互影響和相互作用是系統演變和進化的主要動力，而以往的建模方法主要注重主體本身的內部屬性，未能充分把握主體之間以及主體與環境之間的相互作用。因此，在城市研究中也必須足夠重視城市主體之間的相互影響和相互作用。

（二）城市主體聚集

主體具有聚集的特征，聚集是主體間的關系特性。作為基本單元的主體聚集后，它們之間的相互作用會形成大規模的復雜系統，這個聚集體同樣可以作為基本單元形成更大規模的復雜系統。在復雜的系統中，較小的、較低層次的主體通過某種特定的方式結合起來，形成較大的、較高層次的主體，這往往是系統宏觀性質發生變化的轉折點。因此，聚集不是簡單的合并，也不是原有主體的消失，而是新的、更高層次主體（下文中將用“系統積木塊”概念來解釋）的出現，其中包含著主體間的互動關系。聚集的層次越來越高，原有的主體并未消失，而是在大系統中得到了更好的發展，新的主體具有了原來主體無法具備的優勢。

就城市而言，城市的形成是人、企業、機構、設施、服務和管理等主體在空間上的聚集。人與人的聚集形成家庭、組織機構和團體等主體，這些主體的聚集形成社區，社區的聚集形成鄉鎮乃至城市，城市的聚集形成了城市群。這些大大小小的主體聚集決定著城市的發展規模和復雜程度。比如，城市的空間聚集降低了交流和創新成本，進一步促進了城市經濟的發展。企業、機構和團體等主體聚集形成城市大主體后，原來各個彼此獨立的主體可以實現知識共享，即產生所謂的知識外溢效應，城市的聚集有助于新興產業的出現，特別是現代服務業的衍化和創新，不依賴消耗自然資源的產業創新和發展成為可能。

（三）非線性發展

在城市研究的方法論方面，線性思維和機械論長期占據主導地位。如拉普拉斯妖（Démon de Laplace）所代表的決定論認為，大自然原則上被看作一個巨大的確定的保守系統，一旦確切知道了它的起始狀態，就可以預測其未來或追溯過去的每一時刻的因果事件。

我們最早學習的一種函數便是線性函數，表達的就是變量間的線性關系，即Y一定是X的加權總和，X與Y之間一定存在比例關系。而復雜適應系統理論認為主體間的相互作用大多是非線性關系，整體不等于各部分的簡單累加。主體之間不是簡單的、被動的、單向的因果關系，而是主動的相互適應關系，以往的經驗和其他主體會影響主體將來的行為，也正是主體的這種主動性和適應性造就了系統的復雜性。

城市作為一個復雜適應系統，由人類活動在物理空間中的互動而形成，人類思維和行為的非線性特點本身就決定了城市是一個充滿非線性的時空。影響城市發展的因素千千萬萬，但這些因素之間并非相互獨立，而是交互聯動，無法用一個特定的模型和公式來演繹。因而，城市的興衰并不是憑借自然資源和人口數量就能計算出來的，而是隨著時空轉變呈現“波浪式”的發展進程，此起彼伏。

（四）要素流

要素流是關于系統中各種各樣具體的“流”的抽象概念。復雜適應系統強調“流”的作用，將“流”作為一種特性分析，認為“流”在主體間的傳遞渠道和傳遞速度直接影響系統的進化，也就是說主體間互動要通過“流”來實現和傳遞。“流”對于一個復雜系統的重要性，正如中醫所講的“氣血”對于人體的重要性，人體能量、營養循環是否流暢直接決定了人的生命力，一旦不幸阻塞則可能引發身體各器官病變甚至猝死。由于主體間的互動是非線性的，所以要素流引發的是連鎖反應，要素流在各主體之間流動產生涌現效應，始終在主體形成的系統中循環流動，呈現一個持續動態的過程。

在城市系統中，城市主體之間通過物質流、能量流、信息流和資金流等產生聯系，城市發展的活力與這些“要素流”的質量與強弱直接相關，“流”的順暢能促進主體的互動，反之則割斷主體間的聯系。比如，中國在計劃經濟時期，為了實現工業化，強行壓低農產品價格，通過剪刀差的方式由國家強制將農業剩余轉移給工業。同時，在城市實行了嚴格的戶籍制度和配給制度，在農村實行人民公社制度，由此形成了城鄉之間相互隔離和相互封閉的城鄉二元經濟社會結構。這種對要素流動的人為割斷雖然使得國家工業體制迅速建立，但造成了城鄉經濟社會上的二元分化，成為一項極大的制度成本。中國實行改革開放政策，初始目標是引進國際資源，但是這一政策客觀上也打破了國內的地方隔離，有力地推進了國內要素的流動。

（五）目標多樣性

“多樣性”這個詞最早用于生物學物種研究領域，并認為多樣性是環境變化的產物。任何具有活動能力的主體，無論是微生物、細胞、動植物還是人類都在一定的環境中保持穩定的狀態，環境的變化會使不能適應的主體淘汰消失，并會產生填補這一空缺的新的主體。新的主體與消失的主體具有不同特征，從而在適應中產生了多樣性。

復雜適應系統理論認為分化的過程是由主體適應環境變化引起的。復雜系統的主體在相互作用和不斷適應環境的過程中，主體之間的差別會發展與擴大，導致主體向不同的方向發展變化，最終形成分化，產生系統的多樣性。同樣，城市的適應性也是一個分化的過程，形成了城市結構的復合性和形態表現的多樣性。簡·雅各布斯在《美國大城市的生與死》中提出“多樣性是大城市的天性”，認為城市的活力在于錯綜復雜并且相互支持的城市功能，形成豐富多彩的城市空間。對于城市來說，主體是在其他主體為其創造的環境中存在的。因此，其他主體的變化會引起該主體自身的變化，這種過程無時無刻不在發生，每一次適應過程的完成又為下一次適應開辟了可能性，從而保持城市系統的持續更新。

（六）特點標識

信息在人類社會發展中始終起著重要的作用。對于現代社會，信息更是發揮著決定性的作用。以往的城市系統研究中，理論界大多關注的是實體資源，比如從最早的自然資源和交通設施等，到后來的資金、技術和人力資源等，但始終缺乏對信息流作用機制的研究與分析。能夠實現信息接收和搜索的“標識”對復雜城市系統以及由城市組成的城市群系統都是十分重要的。

俗話說“物以類聚、人以群分”，這里說的“類”與“群”就可以理解為一種“標識”。在主體聚集形成系統的過程中，標識是一個重要的引導性機制，主體通過標識在系統中選擇互動的對象標識的這種機制揭示了城市系統要素流動及要素重組的奧秘。通過標識來區分各個主體的特點，便可以有效地促進相互選擇，促進符合系統發展趨勢的聚集，聚集產生非線性的放大效應，結果便使得原來主體的功能增強了。于是，主體原有的標識會在選擇性互動過程中孕育出新的標識，為系統提供新的耦合和聚集的可能性。

標識的意義在于提出了主體在環境中搜索和接收信息的具體實現方法，它是解決系統整體性和主體個性矛盾的有效概念，因為整體性容易產生子系統雷同和同質化，個體特性也可能會損壞整體效率的提高。特點標識是城市主體特異性的體現。在城市系統中，不同的子系統如何實現自身的優勢發展是一個現實的問題，也關系到城市中每一個市民的切身利益。現實中不同地區追求比較優勢和特色發展正是基于標識的互動實踐，城市群內部的多樣性決定了城市個體的目標取向要不同，既要實現單個城市的發展目標，又要達成城市群乃至更大系統的共同發展愿景，在此過程中差異化導向的標識顯然是極其重要的。

（七）系統積木塊

系統積木塊的概念為分析復雜系統的層次問題提供了便利。這里的系統積木塊在應用到分析時，其本質作用與“主體”是相同的。兩者的區別是，主體是不可拆分的基本元素，而系統積木塊是可拆封的子系統。

在應用于分析較高層次系統的問題時，會用到系統積木塊的概念。它把下一層次的內容和規律即內部模型“封裝”起來，暫時忽略或擱置其內部細節，作為一個整體參與較高層次系統的相互作用，便于研究者把注意力集中在研究這個積木塊和另外的積木塊之間的互動規律上，即研究更高層次系統的內部模型（見圖3-1）。

根據考慮問題的不同層次，積木塊既可以封裝，也可以拆封。比如，內部模型與積木塊的分析方法應用于研究全球經濟地理時，各個大洲可以是積木塊；研究國家經濟地理時，城市群、農村地區可以作為積木塊；研究城市群時，城市、城鎮、鄉村可以作為積木塊。這種分析方法不僅簡潔，而且還可以避免復雜分析中常常出現的層次混亂問題。

運用系統積木塊的概念對子系統進行封裝，可以從城市宏觀層面來研究城市的運行規律、各子系統之間的互動和影響關系，從而科學分析城市運行系統的形成和演變以及各子系統之間的作用機理。同樣，我們也可以運用系統積木塊的概念對城市各個子系統進行拆封，把每一個子系統視為一個完整系統進行深入分析，從而研究具體子系統內部的規律。

（八）內部模型

復雜系統理論中的“內部模型”就是主體或系統積木塊之間具有的互動規則。約翰·霍蘭提到，對一個系統中的給定主體，一旦指定了可能發生的刺激范圍，以及估計到可能做出的反應集合，就可以確定主體具有的規則。通過內部模型，主體可以基于一定的經驗預知事物的動態。由于內部模型的存在，主體可以對事物進行前瞻性的判斷，并根據預判對互動行為做出適應性變化。

在城市系統中，內部模型的應用無處不在。內部模型有隱式與顯式之分。隱式的內部模型是在對一些期望的未來狀態的隱式預測下，為當前行為所提供的指導性工具，往往是一些約定俗成的常識理念、道德準則和人際關系規則等。隱式的內部模型較為靈活，隨著時代的變化而呈現多樣性，沒有強制的約束力。顯式的內部模式往往是制度化、公開化和普遍性的法律規范和行為制度等，規則明確，較為固定，具有一定的時滯性。

隱式內部模型的作用要靠顯式內部模型來保障，而顯式內部模型的作用要通過隱式內部模型來實現。比如，道德是最典型的隱式內部模型，法律則是典型的顯式內部模型，德治與法治的爭議已經延續了約兩千年，而如果從隱式和顯式內部模型的角度來理解則不難發現，德與法必須相互依存，從來就不存在沒有道德支持的法治。

城市系統的八個重要概念為城市系統學打下了理論基礎，這些概念之間有著嚴謹的邏輯關系（見圖3-2）。主體是城市系統研究的出發點；主體自身運動的表現形式是“主體聚集”；主體間相互作用的載體是“要素流”; “特點標識”是影響要素流的重要機制，決定了要素流的方向和活躍度；系統通過主體聚集和要素流持續的共同作用逐步達成“目標多樣性”；不論是主體聚集的過程、要素流的運動過程，還是系統朝著目標多樣性的運動過程都普遍存在“非線性發展”；將同一層級的不同子系統分別加以封裝，就構成了系統的“積木塊”；而“內部模型”是主體和子系統間互動的行為規范。