城市系统的复杂性和突现及其在城市规划中的意义

城市系统的复杂性和突现及其在城市规划中的意义

Michael Batty

【摘要】城市被认为是复杂系统的精华实例。似乎有一双无形的手控制着城市的形态，它把规划和建造城市的个体和群体的各种行为紧密地联系在一起。自20世纪中期“系统论”问世以来，城市被认为是能代表系统之间的基本要素相互作用的绝佳例子，完美地体现了“总体大于个体之和”这一法则。此后，随着复杂系统理论发展并吸收系统科学和系统动力系统的内涵，城市再一次被用来展示一系列的基本主题，例如:基于局部行为的总体组织，由简单空间决策而引发的突变形态，不确定性和局部个体的随机决策引发的总体有序，由协同进化、竞争和无限的变化而来的演化和进步。

我们将会以城市为例来概述这些思想，举例说明3个关键的概念和它们之间的关系——连续变化系统、定性转变和由于系统整体属性出现变化而发生的突变。我们的这些分析意味着构筑城市是由下而上而建的新理论，而不是传统理论里自上而下的以建设更好的城市为名进行的各种干预。现今，像种族隔离、城市扩展、交通挤塞、城市衰落和再发展等社会问题，都体现了我们在这里谈到的复杂系统的特点。

【关键词】城市形态　系统科学　复杂性

1.早期开端

城市从来就是复杂的和表里不一的。当试着去理解它的形式和功能时，我们通常的反应是回到我们被灌输的它的早期形态，即整体是通过许多个体的简单累加而形成的。但是我们知道，甚至在我们开始之前就知道，对于城市这个策略是行不通的。个人的行为是很难和我们所观察到的日常次序协调起来的，尤其是在人们的工作地点，兴建房屋的地址，以及娱乐中心、体育场馆和大型购物中心所见到的盲目蜂拥的现象。总之，“总体大于个体之和”(Simon，1962)，简单地把个体加起来不可能组合成整个社会，我们都意识到还有些额外的东西使城市运行得像个有次序的整体。同样，通过简单地分解整个系统和检验局部，我们还是找不到它的本质。当我们试图了解这种复杂性，传统科学中的简化策略失灵了。

半世纪前，在“系统论”的旗帜下，科学开始涉及复杂系统(van Bertalanffy，1972)，从那时起，很多科学领域发生了转变。高度集中、由上而下的纯粹解释不再能满足我们的需要。随着分权政府和行动的逐渐演化，至少在西方学术界，传统形式的科学已变得不太可信。这一现象随着信息技术的普及而大大地加速了。以至于用于解释的主流模式也转变为对由下而上的现象进行解释。一百多年前，城市规划作为一种政府的职能而产生，目标是将城市建设成为更具吸引力、更高效率和更公平的居住地，但是从历史上看，它从来没有达到这一目标(Batty，2008)，就像所有运用于复杂系统的管理，它并不能预见从下往上的变化。

城市规划的失败往往缘于缺乏对城市运行情况的正确把握和深层次的理解，正如在政治和意识形态层面上试图通过政治或意识形态的方式来控制和管制社会。城市不仅仅是它的各个环节的总和。试图通过焊接各个环节而使其工作的思想违背了其本质。事实上，现今的复杂性理论在原有的基础上已经前进了一步。举例来说，Anderson(1972，393页)写道，“……整个……(是)……不仅仅是更多，而且非常不同于部分的和”。但是，是Jane Jacobs(1961)首先提出城市应该被看成一个有组织的复杂系统。在一系列有先见之明的书籍和文章中，她主张多样性和多样化是城市的特点，但是这一特性被当代城市规划理论忽视了。Warren Weaver(1948)在Rockefeller基金会的一次演讲上提出系统根据其应用可以分为3类:简单系统问题，无组织复杂系统问题和有组织复杂系统问题。Jane Jacobs受这一启发从而创造出了一门新的城市科学，即Warren Weaver的第三类系统，从而成为新的学术研究前沿。其主要论点认为:大多数科学问题一旦离开了受控制的实验室环境，就变得复杂但又具有组织性。因此，这需要新的方法来处理这一自下而上的演化过程。由自下而上这一思想生成的理论和应用的过程代表了对真相的探索。

在这篇文章里，我们将会阐明复杂系统如何适用于城市系统。城市形态和功能的变化揭示了这一扑朔迷离的模式和过程通常被过于简单化了。许多用于解释城市形态的理论错误地假设了工业时代的城市可以用相对简单的增长和变化过程来解释。工业时代的城市不仅仅是围绕传统集市中心的有次序的环状模式，它现在被称之为核心或者是中心商务区(CBD)。物资的交换形成了城市，传统的城市中心也就是进行贸易的集市。大多数的城市理论认为城市是介于离市中心尽可能地近，物品在市中心的交换价值和生产这一物品所需空间这3种条件之间的一种折中。在假定无特殊性的情况下，这种模型是有效的。但是它不适用于多核心的情况，因此，多中心和单中心之间的竞争成为一个很大的问题。同时，这种模型过于简单地看待旅行和交通，尤其是在现今这个充满其他可选择的通信方式的社会。因此，出现使用这样的理论模拟城市及决策不能够很好地反映实际情况的现象也就不奇怪了。此外，这类模型是完全静态的，它假设城市是稳定不变的。尽管城市乍看起来像没有变，但这是不符合实际的。事实上，看上去稳定不变的是城市中的实物，例如，城市的结构、房屋和街道，在经济和社会的理论中城市是处在不断发展之中的。仅就曼哈顿闹市区或伦敦金融城而言，在过去的50年里，城市面貌本身似乎没有什么变化，但是从其功能和行为上而言，一切都在变化。事实上，比想象中更多的城市环境在变化，城市发展中的破坏和重建过程包含了在连续的模式下进行的重建和翻新城市面貌的过程，虽然这一过程通常发生在原址(Batty，2007)。

我们从以下三个角度来探讨城市的变化:相对于不连续和分歧的连续、在形式和职能上的各种模式之间的演变、新的质和结构上的变化而引起的突现。在一定意义上讲，这一动态过程意味着城市是运转在不同的时间和空间尺度上的。采用的看问题角度和表达方式决定了我们看待这些变化的重点。我们将举例从其本身和空间上说明这三个角度。城市的一个主要特点是它的空间次序从来不像它所表现的那样，可由不同过程而生成同样的模式。这就意味着，我们需要非常谨慎地通过城市空间模式来解释其复杂性，通过解释每个例子来揭示其产生过程。

城市进化中的连续性是我们的第一个例子。在这个例子中，我们将详述缓慢和渐进的变化是如何产生突变的，但又巧妙地显露了可能发生的分歧。演变是看待这一问题的另外一种方式，第二个例子将说明系统是如何适应不同的临界值的。自我组织理论中的临界状态很好地解释了这一变化，尤其是在何种情况下会发生戏剧性的转变推动系统迈向一个新的状态。这些观点同样也可以归纳为突现这一概念。John Holland(1998)恰当地总结道，“……很多是由少许构成的……”(第1页)，完全一致的结构是不同于并且多于其各个部分的总和。本文将以当代城市的城市扩展、边缘城市、双核或多核的中心商业区(CBDs)、不同类型居住区、少数民族聚居区和由于技术进步所引发的新的交通方式、全球和世界城市格局等为例来说明我们的观点。

2.连续性:相对缓慢的变化

城市增长的过程在本质上不同于城市衰退，这是因为增长的表现形式在于某些地点的土地用途由非城市到城市的转变，但是衰退则不一定意味着这一过程的逆转。在很长的时期内，城市的规模在不停地增大和缩小。但在这里我们关注的是以增长为主导模式的当今社会。到这个世纪末，我们相信几乎所有地方都将会城市化。因此，我们会面临一个相当不同的发展趋势:是什么构成了一个城市与城市的增长。我们的讨论仅限于在过去200年以及未来100年里城市的增长。在微观空间尺度上，增长涉及个体在土地利用、功能和密度，以及变化的快慢，可渐进也可突变。但是一旦我们从宏观上看，这种不确定性就被平均化了。就整个城镇和市区而言，尽管事实上绝对增长的活动量可能会是指数式的增长，但是空间模式上的变化往往是缓慢而逐渐变化的。

在过去100多年里拉斯维加斯的增长体现了这种缓慢的变化(见图1)。在不同时期，城市蔓延的模式看上去似乎是相同的。但是就城市而言，拉斯维加斯由1950年前的沙漠中的绿洲中转站完全转变为如今以娱乐和赌博为名的美国大都会。图1显示了指数式的人口增长、就业和旅游业，但是增长模式大体相同，为连续性的边缘扩展。事实上，城市增长方向的不同是取决于地理和偶然的历史因素，并不意味着在不同时期里增长方式有所不同。

这种变化证实了对于具有相对简单结构的城市，其增长形态和格局在很长一段时间里可以用一般涵盖性的观点来解释。不论大小，自下而上的发展过程同样发生作用，类似作用也发生于大型和小型结构。理想化模式是指由单一的根源而生成，其局部以统一的模式发展而形成城市，这种模式往往产生分形模式。所谓的分形模式是指形式上的自相似模式，相对于现实的城市里的实物观察尺度。假设单元只能在其紧邻的周围有且仅有一个单元被发展的情况下得以发展，图2展示了这一确定性规则是如何运作而发展成新的结构。这是一个典型模块化原理的例子——当开始发展时保留一定的密度和空间，但当持续发展时它又在不同尺度上表现出既有规则又自我相似的个体单元增长。其典型案例为文艺复兴时期的城镇，往往是以这种基于古典建筑风格的理想城市为模式。如果加入一些噪音或误差，这一结构的对称性将会立即被破坏。如果假设单元发展的可能性直接和其紧邻的单元是否得以发展有关，这将产生无定形的结构，类似于我们所看到的拉斯维加斯发展而产生的辐射状中心结构。图3是发展无处不在的圆形结构。虽然城市空间被完全充满，但每个单元的发展次序是取决于各个时期的随机概率。

图1　拉斯维加斯在1907年至1995年间的增长(摘自Acevedo et al.，1997)

图2　由下而上的确定性增长:基于该单元的紧邻8个单元里有且仅有一个单元被发展

倘若城市增长可以被认为是分形增长里所描述的最简单模块和规模的形式，我们很自然地倾向于不考虑本身增长、而仅靠概括性地解释，来研究这些模式是否代表了一个规模简化了但又具有相对平衡模式的系统。然而，这却是我们应该极力避免的。如果从本质上检验增长过程及其活动形式、分解规模和改变时间间隔后，这种稳定状态会迅速改变。图1中的时代是科学技术突飞猛进发展的时期。尽管拉斯维加斯直到20世纪50年代才开始发展其赌博业，但那时它已经发展迅速，并且有大量资金流入当地经济。但对于本地居民，就算拥有西方国家最高的人均收入也没有改变其随后爆炸性的增长。马车是早期拉斯维加斯的唯一交通方式，但是城市的发展是需要汽车、飞机和空调的，更不用说现今告诉我们如何赌以及赢和输的信息技术。

图3　由下而上的随机性增长:基于在随机情况下该单元的任一紧邻单元里有单元被发展

是不是有一种微妙的分歧发生在这100年里的增长过程中?如果有，可从空间模式中看到，似乎又看不到它的存在，但是这一分歧肯定是存在的，那些1945年、1970年和现在都在拉斯维加斯的人很容易证明它的存在。城市从来不是我们所见的样子。

3.演变:持续和自我组织的临界状态

我们的六幅拉斯维加斯增长图显示了完整的城市增长过程并不只是周边小范围气泡式发展其后被主体发展所吸收的增长模式。这仅仅是因为在发展的过程中房屋通常被建造在城市边缘。以历史较长的西方居民居住地为例，这可以解释为当城市蔓延时老的村庄和独立的城镇被纳入其范围。图4是1991年伦敦的人口密度，在历史上，有很多城镇和村庄存在于大伦敦之前。图中这种动态性显示了大城市的转变。假设城市主体可以被定义为相连接的居民居住地，其居民可以直接或间接地相互连接。连接在这个意义上是指从系统一边简单环绕到另一边的能力。在图4中的大伦敦形成之前，在没有进入空地和乡村的情况下，这种环绕连接是不可能达到的。此外，我们对大都会的定义是以尽可能简单的形式互相连接的一种城区形式。

就图4而言，我们可以设想伦敦的连接方式是一个很稀疏的网络，因为从另一个极端而言，整个空间都是可以被填满的。事实上，随着空间密度而演化的连接性只要充满一定空间就可使其作为整体而运转了，而且正是这种形态和连接性层次标志着城市达到了一种至关重要的自我组织的状态。如果当更多的空间被填满时，虽然这增加了连接性，但是具有一定程度的冗余结构反而降低了其效率。但如果低于这个状态，系统不是连接的，从而不能作为城市主体而运转。

图4　伦敦:蔓延中相连接的城镇和村庄

这个比较明显的例子说明了城市演变到一个自我组织的程度，并保留这一状况，直到先进的科学技术推动这一系统到另一个模式。例如，伦敦的形态很大程度上取决于各种不同的交通运输方式——以汽车为主和固定的铁路线路为辅。但在以步行和马车为主的19世纪以前，现今的系统是不可能存在的，而当时伦敦的结构也是非常不同的。以电力为动力而产生物理运动的新科技会给城市形态带来根本性的变化，以至于在突破临界状态后，我们的活动空间会重新调整到一个我们无法想象的方式。科学技术的变革事实上标志着不同的模式。虽然不同阶段和时期是基于弹性系统的演变，但根本性的变化最终将会推动系统突破临界状态至一新模式，然后自我组织至下一个临界水平。有些评论家形容这一过程类似于社会过渡阶段，类似于我们在物理学中明确定义的物理现象。举例来说，Iberall和Soodak(1988)描述欧洲过渡过程，“……就像水分子由液体的水转至零结冰状态:好几个世纪以来，人口是流动和不稳定的——突然出现了具有稳定结构的城镇网络，而这将或多或少地保持其完整性直至下一个大转变，也就是19世纪期间兴起的工业大都市。”

以系统如何自我组织至一临界状态但又没有突破这一状态为例，可以较为容易地说明这种颇为神秘的城市动态。图5展示了在网格面上5个位置随机设定的小村庄。当我们逐渐增加其人口密度，小村庄也就逐渐发展为大一些的城镇。与此同时，我们计算每个被村庄所占的格子之间的平均距离。在这一过程中，有很长的一段时间里是没有办法在被占格子之间来回走动的，这是因为它们之间没有互相连接。可是，当密度达到59%左右格子被随机占领的时候，格子和格子之间突然可以相互连接起来。从这一点开始，平均距离突然由‘无限’降至某一现实水平。如果我们继续增加密度，平均距离减少的程度不大，进一步下降的趋势缩小。回到城市这个例子，开始相互连接的临界状态的出现意味着城市在空间上的突现，例如伦敦。而这只有在交通技术达到可以实现这样的连接程度的情况下才有可能。从某种意义上说，现今的全球性的大型城市只可能在当今科学技术的支持下得以实现，这不只包括交通技术，同样还包括其他有助于大规模城市生活的技术。在没有比战车跑得更快交通工具的古代，罗马是当时世界上最大的城市，但其人口并没有增长到超过100万。

图5生动展示了在一个101×101栅格里增长密度和连接性对于分布在里面的居民区的影响。我们看到当40%～65%的格子被占满时居民区开始互相合并。如果我们绘制一现实的所有被占点的平均距离的转变图画，以建立临界状态，那么将有一个戏剧性的变化在59%左右，这就是物理学中的多孔介质的渗透阈值。在这一临界状态下，平均距离由无限降至定值。但密度达到65%时，这个被占点之间的平均距离保持稳定，即使密度上升至高于这个水平。

图5　增长密度和连接性至自我组织的临界状态

4.突现:突然性的质变

城市中的突然变化很大程度上依赖于我们观察的范围以及其发生的时间间隔。例如，交通堵塞仅仅是由密度增加而引起的，同时其波动现象是由不同加速度和刹车在几分钟内连续作用而产生的。但是，股票市场的崩溃通常是发生好几天和几周，甚至几个月。房地产价格的繁荣和萧条以及在流动性上所产生的影响一般需要好几个月的时间。与之相反，社区改造以及和其相关的移民通常需要好多年的时间。过去好几个世纪以来因科学技术革新而带来的巨大变化被描述为一个以半个世纪为周期的Kondratieff循环波的例子。如果就某一特定的尺度和时间段来看，这些变化显示了在其计量上的突然改变，但是如果以时间和空间来平均，这一突变则变得很平滑。也就是说，从微观上看来是突变的情况，从宏观上来看是渐进的。

尽管有可能有一种理想的规模和时间段可以和以我们的研究和应用的目的而定义的变化运转保持一致，突变是一种相对的现象，界定于改变发生的前后。此外，这通常是由其观察者决定这种改变是否有意义。突变不一定意味着质变，因为质变是需要长时间的变化。突变必须具有和过去不相连续性并且它的发生是没有日期可循的。例如，比较任何从19世纪发展而来的21世纪的西方城市，其工业时期形态和我们现在后工业时期的是很不一样的。也许，后工业时期的城市可以被认为是仅仅基于汽车和其他相关技术工业化的成果，但是我们还没能瞥见现代信息技术在未来100年所能带来的变化。事实上，质变可以明确地被认为是某种发明或新事物的出现。对于旧事物的新的分类只在新的情况下才有意义。所有在上一段中简单提到的伟大的科学技术发明——10000年前的第一次农业革命，从12世纪起出现的现代世界，工业化，也许后福特主义和计算机革命——都是清楚地导致城市形式上质变的推动者。

这里我们将回到突现这一概念上。不同居民社区是如何由其居民的个人喜好不同而引发社区优化和隔离，从而改变社区构成是一个最好的例子。假设支持也门足球队(Y)和支持挪威足球队(N)的人口是相等的，我们分别以Y和N来代表两队的球迷。开始时，Y队和N队的支持者一个个互相交替地平均分布于一个如图6(a)所示的51×51的正方形栅格上。当某个球迷周围8个邻接网格(东、西、南、北以及东北、东南、西北、西南方向)中两队的支持者人数相同的时候，该球迷对其地理位置是满意的。但是，当发现在他的8个邻接网格中，支持另一球队的人数比其本身球队的人数要多的时候，尤其是在其周围有4个以上的另一球队的支持者的时候，该球迷将会改变为支持立场，转为支持另一球队。换句话说，球迷会通过改变立场来保持它周围两队的支持者人数相同。另一个更为现实的模式是在这种情况下，球迷会搬到另一地点，而不是改变立场。但是，这种情况在这个我们所假设栅格被完全占满的情况下是不可能的，但在后面我们会接着探讨这一更为现实的模型。

图6(a)显示了一平衡状态:也就是说没有人愿意改变其立场去支持另一球队。但假设有6个球迷在所有2601名支持者(栅格上有51×51个球迷)中改变其支持立场，这6个球迷，如图6(a)所示，4个黑色挪威队球迷变为白色也门队球迷，另外2个白色也门队球迷改为黑色挪威队球迷。这种改变打破了原有的平衡。不是快速地局部恢复，这一变化实际上引发了一无法解释的地理位置局面的快速变化——Y队的球迷完全彻底地和N队的球迷隔离开来，就像图6(b)所示。因此从一个大家都满意且互相混合的局面，演变为一种极不寻常的互相隔离的结果。我们很难想象这一轻微的喜好和变化会导致这一明显的隔离模式。这一最终的模式意味着Y队的球迷除非是万不得已，不是在没有地方住的情况下，是不会住在N队球迷的附近的，反之亦然。如果一个Y或者一个N无法容忍一个以上的人住在附近，那么这种隔离现象就可以理解了，但是事实并非如此:Y队的球迷实际上是乐于和N队的球迷和睦相处的，只要这种和谐是平等的。

30多年前，Thomas Schelling(1969，1977)首先提出了这个模型。事实上，这个模型变得更像现实情况一些。如果我们给系统加入一些额外的空的空间，在这种情况下，我们假设1/3的网格是没有被球迷占据的，另外，Y队的球迷和N队的球迷各占1/3，并且它们被随机地混合，如图6(c)所示。现在如果假设周围有更多另一队的支持者，那么该球迷会设法搬到另一个更为合适的位子。这一规则从而产生了一改组过程，其戏剧性的变化产生了如图6(d)所示的隔离现象。这种效应就是通常发生在大型城市中的居民居住地，当人们希望和自己相似的人为邻里，这一突变现象的特殊性在于很轻微的偏好可以导致戏剧化的隔离现象。当然，这种隔离现象同样会发生在偏好十分强烈的情况下。但就现实而言，即使在不太强烈的偏好影响下，极端的隔离现象同样也会发生，和居民的住宅喜好相比较，城市通常在种族和社会问题上显得更为隔离。

图6　突变隔离:(a)脆弱的平衡(b)隔离生成(c)随机混合(d)隔离生成

在现实中是很难找到这样的例子的，其通常是由生成的隔离现象来体现，但其时间顺序又变得无法重建。如果通过对过去10年的人口普查和其他社会分布图进行比较，在西方城市里有很多这样的例子。

5.更大的复杂性

这里，我们仅仅从不同的方面和角度介绍了城市复杂性的表面。城市发展和变化过程中充满了新颖性、创新性以及突现性。对称性是不存在的，城市发展过程在可逆性和不可逆性上表现得扑朔迷离。这一切清楚地表达了我们不应该浅薄地从表面上来观察。对于社会科学而言，复杂性理论告诉我们要了解有规律的模式就必须以怀疑的眼光来看待其下所隐藏的易变和最极端的不稳定过程。一代或几代人以前，我们对于城市的认识停留在对其稳定结构的解释，认为它的土地用途和交通系统是高度有序的。人们主要在市中心工作，有钱的人在城市周边地区可以负担得起更好的交通和更多的生活空间。但是我们现在知道事实上并非像我们所认为的那么明确。即便我们认为城市的建筑形式和风格是稳定的，但实际上其内涵和用途却是迅速变化的。以图2中的伦敦为例，乍看上去，它是单一中心，并且许多小城镇在其成长过程中被吸收。但实际上，很多人并不在伦敦中心工作。跨中心的交叉活动大大超过任何由边缘向中心的活动，不少伦敦人从不去伦敦中心，即使是购物和娱乐也是一样。城市实际上比这复杂得多，复杂性理论使我们的注意力重新回到了需要更为深刻了解的层面(Batty，2005年)。

在这一节里，我们讲到了复杂系统必须从由下而上的方法来理解，用常用的还原论方法来理解这一问题是行不通的。了解过程而不是产物、功能而不是形态、时间而不是空间，对于达到一个更为清楚的认识是非常重要的。这里我们没有提到的一个概念是城市就像其他的社会系统可能会变得越来越复杂，尤其是随着时间的演变。有些人也许会认为复杂系统理论会产生和发明在过去系统里所没有的新的形态、新的类别。这一重要观点进一步补充了复杂系统倾向于把相对论引入到社会科学里。尽管如此，这里所提到的城市成长过程中产生的不寻常的空间模式，存在于现实中比我们想象的要久。事实上，通过复杂性理论，我们可以更好地了解如何通过干预这一过程来创造更美好的城市。

【参考文献】

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