四 城市系统分析的八个基本概念

自20世纪60年代复杂科学发展以来，国外将其应用逐步由物理学、生物学和生态学等自然科学领域向社会经济领域拓展，城市研究是具有代表性的领域之一。国外学者对复杂性理论在城市领域的应用由最初从城市系统的整体出发，即将城市作为一个由部分加总而得的整体来研究，到深入探索系统涌现背后的机制，至今已发展出基于行动主体的模型（Agent-Based Modeling）、元胞自动机（Cellular Automata）和分形理论（Fractals）来模拟自下而上的城市系统演化。而复杂网络理论的快速发展，将针对城市增长和形态的整体研究与针对分形和个体行动的机制研究连接在一起，推动了“自下而上”的城市模拟空间过程应用。

国内学者关于复杂性科学的研究以钱学森先生为代表。他将航天系统工程概念推广应用到国民经济建设、城市研究和建筑科学领域，明确提出“每一个城市都是复杂的集合体，所以研究城市要用系统科学的观点和方法”。他强调要把现代城市看作开放的复杂巨系统。他在晚年发表了《关于建立城市学的设想》，指出未来城市发展中可能遇到的一系列问题需要借助系统科学理论来解决，他是国内最早将城市视为一个复杂系统的学者，为我们埋下了一颗宝贵的种子。周干峙先生应用“开放的复杂巨系统”理论研究交通、通信技术发展带动下形成的高度聚集的城市及其区域系统。2001年吴良镛先生的《人居环境科学导论》以开放的复杂巨系统作为方法论，提出了各学科间“融贯的综合研究方法”，并提出“以问题为导向”的工作方法，以及用“庖丁解牛”和“牵牛鼻子”的思路处理人居环境所面对的诸多方面和复杂内容。前人的研究为构建城市复杂适应系统理论奠定了有益的基础。

本书遵循约翰·霍兰对复杂适应系统的理论框架，采用复杂系统中的核心概念——“主体”（Adaptive Agent）和围绕“主体”这个核心的八个基本概念，即聚集（Aggregation）、非线性（Nonlinearity）、流（Flow）、多样性（Diversity）、标识（Tagging）、内部模型（Internal Models）和积木块（Building Blocks）来解析城市作为一个复杂系统的特性和机制，理解城市及城市群的复杂性。这里将把复杂系统研究中的概念置于城市研究的语境中予以界定，分别为城市主体（City Agent）、主体聚集（Agent Aggregation）、非线性发展（Nonlinear Development）、要素流（Element Flow）、目标多样性（Target Diversity）、特点标识（Character Tagging）、内部模型（Internal Models）和系统积木块（System Building Blocks），从而建立起城市系统研究的学术表达语境，便于相关研究成果间的交流和借鉴。

（一）城市主体

复杂系统中的基本单元称为“主体”。主体具有主动性，是有活力的（Active），具有自己的目标、内部结构和生命力。主体的适应性（Adaptive）体现在其能够感知外界信息刺激，通过学习来调整自己的行为，主体是在复杂性系统下研究系统演进规律的必然起点。

城市主体是研究城市复杂性的出发点。城市主体是城市活动的参与者，是自适应系统的实体存在，因此也可称作适应性主体。城市主体能够影响其他因素，也可以被其他因素影响，主体的存在环境是其他主体所提供的，主体同时也参与了为其他主体提供环境的过程。因此，城市的主体可以是人，也可以是建筑物、交通路网和地下管廊等各种能承载人类活动的物体，是可具象的事物，其中人是最重要的主体。在城市及城市群的复杂系统中，个体的人、由人组成的组织机构和不同的功能分区均可作为主体进行研究。

人类是城市的创造者，人的主动性和适应性决定了城市主体的主动性和适应性。城市主体的发展活力、目标和结构取决于城市中人的规划和布局，同时人类也会根据外界的影响来调整城市的发展方向和结构。复杂适应系统理论认为，主体之间以及主体与环境之间的相互影响和相互作用是系统演变和进化的主要动力，而以往的建模方法主要注重主体本身的内部属性，未能充分把握主体之间以及主体与环境之间的相互作用。因此，在城市研究中也必须足够重视城市主体之间的相互影响和相互作用。

（二）城市主体聚集

主体具有聚集的特征，聚集是主体间的关系特性。作为基本单元的主体聚集后，它们之间的相互作用会形成大规模的复杂系统，这个聚集体同样可以作为基本单元形成更大规模的复杂系统。在复杂的系统中，较小的、较低层次的主体通过某种特定的方式结合起来，形成较大的、较高层次的主体，这往往是系统宏观性质发生变化的转折点。因此，聚集不是简单的合并，也不是原有主体的消失，而是新的、更高层次主体（下文中将用“系统积木块”概念来解释）的出现，其中包含着主体间的互动关系。聚集的层次越来越高，原有的主体并未消失，而是在大系统中得到了更好的发展，新的主体具有了原来主体无法具备的优势。

就城市而言，城市的形成是人、企业、机构、设施、服务和管理等主体在空间上的聚集。人与人的聚集形成家庭、组织机构和团体等主体，这些主体的聚集形成社区，社区的聚集形成乡镇乃至城市，城市的聚集形成了城市群。这些大大小小的主体聚集决定着城市的发展规模和复杂程度。比如，城市的空间聚集降低了交流和创新成本，进一步促进了城市经济的发展。企业、机构和团体等主体聚集形成城市大主体后，原来各个彼此独立的主体可以实现知识共享，即产生所谓的知识外溢效应，城市的聚集有助于新兴产业的出现，特别是现代服务业的衍化和创新，不依赖消耗自然资源的产业创新和发展成为可能。

（三）非线性发展

在城市研究的方法论方面，线性思维和机械论长期占据主导地位。如拉普拉斯妖（Démon de Laplace）所代表的决定论认为，大自然原则上被看作一个巨大的确定的保守系统，一旦确切知道了它的起始状态，就可以预测其未来或追溯过去的每一时刻的因果事件。

我们最早学习的一种函数便是线性函数，表达的就是变量间的线性关系，即Y一定是X的加权总和，X与Y之间一定存在比例关系。而复杂适应系统理论认为主体间的相互作用大多是非线性关系，整体不等于各部分的简单累加。主体之间不是简单的、被动的、单向的因果关系，而是主动的相互适应关系，以往的经验和其他主体会影响主体将来的行为，也正是主体的这种主动性和适应性造就了系统的复杂性。

城市作为一个复杂适应系统，由人类活动在物理空间中的互动而形成，人类思维和行为的非线性特点本身就决定了城市是一个充满非线性的时空。影响城市发展的因素千千万万，但这些因素之间并非相互独立，而是交互联动，无法用一个特定的模型和公式来演绎。因而，城市的兴衰并不是凭借自然资源和人口数量就能计算出来的，而是随着时空转变呈现“波浪式”的发展进程，此起彼伏。

（四）要素流

要素流是关于系统中各种各样具体的“流”的抽象概念。复杂适应系统强调“流”的作用，将“流”作为一种特性分析，认为“流”在主体间的传递渠道和传递速度直接影响系统的进化，也就是说主体间互动要通过“流”来实现和传递。“流”对于一个复杂系统的重要性，正如中医所讲的“气血”对于人体的重要性，人体能量、营养循环是否流畅直接决定了人的生命力，一旦不幸阻塞则可能引发身体各器官病变甚至猝死。由于主体间的互动是非线性的，所以要素流引发的是连锁反应，要素流在各主体之间流动产生涌现效应，始终在主体形成的系统中循环流动，呈现一个持续动态的过程。

在城市系统中，城市主体之间通过物质流、能量流、信息流和资金流等产生联系，城市发展的活力与这些“要素流”的质量与强弱直接相关，“流”的顺畅能促进主体的互动，反之则割断主体间的联系。比如，中国在计划经济时期，为了实现工业化，强行压低农产品价格，通过剪刀差的方式由国家强制将农业剩余转移给工业。同时，在城市实行了严格的户籍制度和配给制度，在农村实行人民公社制度，由此形成了城乡之间相互隔离和相互封闭的城乡二元经济社会结构。这种对要素流动的人为割断虽然使得国家工业体制迅速建立，但造成了城乡经济社会上的二元分化，成为一项极大的制度成本。中国实行改革开放政策，初始目标是引进国际资源，但是这一政策客观上也打破了国内的地方隔离，有力地推进了国内要素的流动。

（五）目标多样性

“多样性”这个词最早用于生物学物种研究领域，并认为多样性是环境变化的产物。任何具有活动能力的主体，无论是微生物、细胞、动植物还是人类都在一定的环境中保持稳定的状态，环境的变化会使不能适应的主体淘汰消失，并会产生填补这一空缺的新的主体。新的主体与消失的主体具有不同特征，从而在适应中产生了多样性。

复杂适应系统理论认为分化的过程是由主体适应环境变化引起的。复杂系统的主体在相互作用和不断适应环境的过程中，主体之间的差别会发展与扩大，导致主体向不同的方向发展变化，最终形成分化，产生系统的多样性。同样，城市的适应性也是一个分化的过程，形成了城市结构的复合性和形态表现的多样性。简·雅各布斯在《美国大城市的生与死》中提出“多样性是大城市的天性”，认为城市的活力在于错综复杂并且相互支持的城市功能，形成丰富多彩的城市空间。对于城市来说，主体是在其他主体为其创造的环境中存在的。因此，其他主体的变化会引起该主体自身的变化，这种过程无时无刻不在发生，每一次适应过程的完成又为下一次适应开辟了可能性，从而保持城市系统的持续更新。

（六）特点标识

信息在人类社会发展中始终起着重要的作用。对于现代社会，信息更是发挥着决定性的作用。以往的城市系统研究中，理论界大多关注的是实体资源，比如从最早的自然资源和交通设施等，到后来的资金、技术和人力资源等，但始终缺乏对信息流作用机制的研究与分析。能够实现信息接收和搜索的“标识”对复杂城市系统以及由城市组成的城市群系统都是十分重要的。

俗话说“物以类聚、人以群分”，这里说的“类”与“群”就可以理解为一种“标识”。在主体聚集形成系统的过程中，标识是一个重要的引导性机制，主体通过标识在系统中选择互动的对象标识的这种机制揭示了城市系统要素流动及要素重组的奥秘。通过标识来区分各个主体的特点，便可以有效地促进相互选择，促进符合系统发展趋势的聚集，聚集产生非线性的放大效应，结果便使得原来主体的功能增强了。于是，主体原有的标识会在选择性互动过程中孕育出新的标识，为系统提供新的耦合和聚集的可能性。

标识的意义在于提出了主体在环境中搜索和接收信息的具体实现方法，它是解决系统整体性和主体个性矛盾的有效概念，因为整体性容易产生子系统雷同和同质化，个体特性也可能会损坏整体效率的提高。特点标识是城市主体特异性的体现。在城市系统中，不同的子系统如何实现自身的优势发展是一个现实的问题，也关系到城市中每一个市民的切身利益。现实中不同地区追求比较优势和特色发展正是基于标识的互动实践，城市群内部的多样性决定了城市个体的目标取向要不同，既要实现单个城市的发展目标，又要达成城市群乃至更大系统的共同发展愿景，在此过程中差异化导向的标识显然是极其重要的。

（七）系统积木块

系统积木块的概念为分析复杂系统的层次问题提供了便利。这里的系统积木块在应用到分析时，其本质作用与“主体”是相同的。两者的区别是，主体是不可拆分的基本元素，而系统积木块是可拆封的子系统。

在应用于分析较高层次系统的问题时，会用到系统积木块的概念。它把下一层次的内容和规律即内部模型“封装”起来，暂时忽略或搁置其内部细节，作为一个整体参与较高层次系统的相互作用，便于研究者把注意力集中在研究这个积木块和另外的积木块之间的互动规律上，即研究更高层次系统的内部模型（见图3-1）。

根据考虑问题的不同层次，积木块既可以封装，也可以拆封。比如，内部模型与积木块的分析方法应用于研究全球经济地理时，各个大洲可以是积木块；研究国家经济地理时，城市群、农村地区可以作为积木块；研究城市群时，城市、城镇、乡村可以作为积木块。这种分析方法不仅简洁，而且还可以避免复杂分析中常常出现的层次混乱问题。

运用系统积木块的概念对子系统进行封装，可以从城市宏观层面来研究城市的运行规律、各子系统之间的互动和影响关系，从而科学分析城市运行系统的形成和演变以及各子系统之间的作用机理。同样，我们也可以运用系统积木块的概念对城市各个子系统进行拆封，把每一个子系统视为一个完整系统进行深入分析，从而研究具体子系统内部的规律。

（八）内部模型

复杂系统理论中的“内部模型”就是主体或系统积木块之间具有的互动规则。约翰·霍兰提到，对一个系统中的给定主体，一旦指定了可能发生的刺激范围，以及估计到可能做出的反应集合，就可以确定主体具有的规则。通过内部模型，主体可以基于一定的经验预知事物的动态。由于内部模型的存在，主体可以对事物进行前瞻性的判断，并根据预判对互动行为做出适应性变化。

在城市系统中，内部模型的应用无处不在。内部模型有隐式与显式之分。隐式的内部模型是在对一些期望的未来状态的隐式预测下，为当前行为所提供的指导性工具，往往是一些约定俗成的常识理念、道德准则和人际关系规则等。隐式的内部模型较为灵活，随着时代的变化而呈现多样性，没有强制的约束力。显式的内部模式往往是制度化、公开化和普遍性的法律规范和行为制度等，规则明确，较为固定，具有一定的时滞性。

隐式内部模型的作用要靠显式内部模型来保障，而显式内部模型的作用要通过隐式内部模型来实现。比如，道德是最典型的隐式内部模型，法律则是典型的显式内部模型，德治与法治的争议已经延续了约两千年，而如果从隐式和显式内部模型的角度来理解则不难发现，德与法必须相互依存，从来就不存在没有道德支持的法治。

城市系统的八个重要概念为城市系统学打下了理论基础，这些概念之间有着严谨的逻辑关系（见图3-2）。主体是城市系统研究的出发点；主体自身运动的表现形式是“主体聚集”；主体间相互作用的载体是“要素流”; “特点标识”是影响要素流的重要机制，决定了要素流的方向和活跃度；系统通过主体聚集和要素流持续的共同作用逐步达成“目标多样性”；不论是主体聚集的过程、要素流的运动过程，还是系统朝着目标多样性的运动过程都普遍存在“非线性发展”；将同一层级的不同子系统分别加以封装，就构成了系统的“积木块”；而“内部模型”是主体和子系统间互动的行为规范。