摘要：

城市地区是人们集中在相对高密度建筑环境中进行广泛活动的地方。每个城市地区都应提供足够的基础设施和服务，以满足其人口的需求。由于各种资源、服务和设施位于不同的位置，城市地区呈现出一个复杂的人流、物流和信息流系统，以支持人类社会的经济、社会、文化和政治系统。这些活动、流程和系统由各种过程驱动，并表现出各种时空模式，这些模式是人类动力学的结果。然而，如何研究城市地区的各种动态过程和复杂系统一直是一个具有挑战性的研究课题。城市人类动态跨越多个维度，可以从不同的视角进行研究。本章讨论了城市动力学和人类动力学各自的方法和途径，并列举了一些例子。然后，它将城市人类动力学研究与城市信息学联系起来，以强调它们之间的关系，以及它们如何共同引导城市地区更好地满足人类需求并提高生活质量。

导言：

城市地区是人们集中在相对高密度建筑环境中进行各种活动的地方。“城区”和“城市”这两个词经常互换使用。例如，国家代数学会（National Algeographics Society）表示“城市区域是城市周围的区域”。每个城市地区都需要足够的基础设施和服务，包括电力、水、下水道、交通、学校、医院、商店和公园，以满足其人口的需求。由于不同的资源、服务和设施位于不同的位置，因此城市地区有一个复杂的人流、物流和信息流系统，以支持其经济、社会、文化、以及政治制度。这些活动、流程和系统由各种过程驱动，并表现出各种时空模式，这些模式是城市人类动力学的结果。值得注意的是，随着技术、环境问题和社会价值观的变化，城市人的动态也在不断地跨空间、跨时间演化。根据联合国教育、科学及文化组织（UNESCO，https://www.unesco.org/education/tlsf/mods/theme_c/popups/mod13t01s009。html）和我们的数据世界(https://ourworldindata.org/urbanization)，全球城市化趋势在过去几十年中急剧加速。1950年，约30%的世界人口生活在城市地区，2019年约为55%。这种城市化趋势预计将继续下去，据估计，到2050年，世界人口中有近70%可能生活在城市地区。在这种趋势下，许多现有城市必须扩大规模，以适应不断增长的人口。鉴于许多大城市目前的人口规模已经面临重大挑战，如何在不牺牲总体生活质量的情况下容纳不断增长的城市人口已成为一个重要而紧迫的研究课题。长期以来，城市地区一直被认为是动态的、复杂的。Batty提出，城市模型的重点不再是空间相互作用，而是发展动态和局部运动。然而，如何研究城市中的各种动态过程和复杂系统一直是一个具有挑战性的研究课题。城市人的动力学涉及多个方面，可以从不同的角度进行研究。总的来说，我们可以将城市动力学研究和人类动力学研究分为两大类。城市动力学研究倾向于关注城市区域的发展，包括其增长、变化和衰落。在这种情况下，重点主要放在城市地区本身，人类活动往往通过土地使用类型等人类活动的结果来隐含地考虑。例如，我们可以研究一个城市如何通过其土地利用随时间变化的模式，从其增长、变化和衰退的角度进行空间演变。城市动力学研究还可以研究城市区域系统之间的动力学，例如研究一组城市之间的各种类型的流动。在这种情况下，重点主要是城市之间的互动。另一方面，人类动力学研究的重点是人类本身，研究导致城市区域内或城市区域之间各种流动和模式的人类活动和相互作用的动力学。尽管城市动力学和人类动力学彼此密切相关，不应被视为城市地区两种独立的动力学类型，但本章将分别讨论这两种类型的城市人类动力学，因为它们往往使用不同的研究方法和研究方法。

城市动力学

研究复杂和动态的一种方法——反就业一般系统理论（冯·贝塔兰菲1968年；斯特劳斯福格尔1991年；阿尔菲尔德1995年；谢1996年）。一般系统或被认为是一个系统，该系统包括多个相互依赖的系统。系统可以是多个部分的集合，展示了各部分相互作用的融合模式。一个子系统中的变化会影响其他子系统以及整个系统。Forrester（1969）被认为是系统动力学的创始人，他在1969年出版了一本名为《城市动力学》的书。他说，“在这本书中，城市问题的性质、原因和可能的纠正都是根据城市系统各组成部分之间的相互作用来研究的”（Forrester 1969，第九页）。Forrester利用计算机模拟来研究AnurbanareatoreVealits的生命周期动力学特征。这是一项利用计算机模拟方法研究城市动态的早期工作，旨在系统地研究城市区域的结构、增长、停滞和复兴。由于弗雷斯特研究城市动力学方法的影响，1974年和1975年分别出版了两卷城市动力学读物（Mass 1974；Schroeder et al.1975）。这两卷书包括一些文章，涵盖了城市动力学各个方面的概念问题、模型和应用，以及对弗雷斯特书中提出的方法批评的回应。例如，Forrester使用了一个五步过程来得出关于美国城市典型内部区域动态的结论，他的例子与波士顿有着松散的联系。第一步选择某些基本变量来代表城市地区的社会和经济组成，第二步使用特定方程式来描述城市地区的发展。第三步引入公共政策，以修改方程式中表示的发展，这将导致第四步根据方程式中引入的公共政策得出发展结果。第五步是比较不同的发展成果，并建议将产生理想发展成果的公共政策。Kadanoff（1971）指出了Forrester方法的几个缺点，其中包括：（1）Forrester的模型没有包括城市与郊区的相互作用，（2）在Forrester的模型中，移民是城市区域与外部世界之间唯一的相互作用，（3）Forrester的模型主要关注预测方法，没有充分关注规范方法背后的目标。卡丹诺夫（1971年，第262页）随后得出结论，“我将拒绝这些结论，但接受该模型作为进一步工作的适当基础。”针对这些批评，弗雷斯特（1974年，第七页）写道：“随着《城市动力学》读物的出版，似乎有必要强调，最初的城市动力学模型所代表的更多是一种观点和一种分析城市行为的方法，而不是一个单一的、完整的模型。城市动力学是不断演化一组可识别的外部社会系统的第一步。城市动力学方法有几个主要的特点。首先，它主要关注经济、政治、心理和社会学变量之间的相互关系，而不是详细分析城市环境的任何一个子系统。第二，它涉及城市区域的长期演变；它处理导致城市增长的正反馈过程，以及限制增长的非线性和负反馈过程。最后，它提供了一种正式的手段来测试我们对城市行为的集体假设的影响。”上述陈述清楚地展示了杰伊·弗雷斯特研究城市动态的方法；它与一般系统理论相关联，并使用计算机模拟来检查城市区域不同子系统之间的相互关系。更重要的是，Forrester提出的计算机模拟方法已被许多其他研究人员在城市动力学研究中采用，尽管在各种研究中使用了不同的模拟模型。

用于城市动力学研究的细胞自动机（CA）

由乌拉姆（1950）和冯·诺依曼（1966）在20世纪40年代开发，经常用于建模和模拟城市动力学。根据这些想法，Tobler（1979）在地理建模中提出了CellulargerographytheStatuseCellular空间。一个细胞空间可以被视为一个二维网格，网格中的每个细胞都有一个由其相邻细胞的状态决定的状态。给定细胞的第八个可以通过两种方式来定义，一种是四个细胞共享一个公共侧（称为冯·诺依曼邻域），另一种是八个细胞共享一个公共侧或给定细胞的一个公共角（称为Moorenighborhood）。根据相邻单元状态的特定配置，一个单元的状态在时间t到时间t+1之间如何变化为不同的状态。例如，转换规则可以将给定小区从时间t的非住宅状态转换为居住时间t + 1，如果其四个相邻小区中的三个在时间t具有住宅状态，那么，状态、邻居和转换规则因此作为元胞自动机模型的基础。元胞自动机有两个特性对地理问题很有吸引力（White和Engelen 1993）。首先，细胞自动机将研究区域划分为一个本质上是空间的网格。其次，细胞自动机可以从非常简单的规则中生成非常复杂的形式，这些规则对研究复杂的空间现象非常有用。换句话说，在CA模型中，由于相邻细胞之间的相互作用而产生的简单局部变化可能会导致复杂的突发全局模式（Wolfram 1983，1984）。因此，CA模型能够以简单直接的方式反映微观和宏观的相互作用，其贡献在于模型系统提供了城市系统如何工作的信息，而不是提供城市动力学的模拟工具（Couclelis 1985）。这提供了一种将不同规模的过程联系起来的方法，以应对许多领域的重大研究挑战，这些领域试图将形式与过程联系起来，并解决从局部到全局的结构问题（Batty and Xie 1994；Emmeche 1994）。事实上，雅各布斯（1961）认为，在城市地区观察到的疾病由于反映其多样性的更深层次的顺序，可被视为有组织的复杂性。细胞自动机模型使我们能够从局部过程研究城市动力学，以便了解全球复杂模式，并深入了解城市动力学各个方面的演变。ChapinandWeiss（1968年）首次应用了CellularaAutomatatoanurban土地开发模型的概念，Tobler（1970年）利用细胞空间的概念来模拟底特律地区的城市增长，尽管两项研究都没有使用细胞自动机这一术语。Tobler（1970年，第234页）建议，“必须尽最大努力避免编写复杂的模型……因为一个过程看起来很复杂，也没有理由认为它是复杂规则的结果。”White和Engelen（1993）认为，大多数地理理论，如中心地理论和阿隆索-穆思土地利用理论中体现的城市经济模型，都是静态的，是一种稳定的平衡状态，这与我们的常识和经验相违背，即所有城市区域都在不断增长、变化、衰落，以及重组。因此，White和Engelen（1993）开发了一个CA模型，该模型根据相对简单的空间行为规则生成土地利用的分形模式，以解决城市结构的复杂性问题。本研究的目的是深入了解土地利用结构演变背后的潜在原因，并证明土地利用模式存在复杂的分形秩序。他们的发现表明，复杂性是城市的一个必要特征。当城市的结构过于简单时，它们可能不会成功发展，并可能停止有效运作。这项研究是一个很好的例子，可以使用CA模型来评估城市结构的复杂性，并为规划政策制定一般指导方针。Couclelis（1985）指出，标准的细胞空间模型对于解决现实世界的地理问题有许多局限性。这些局限性包括有限平面、社区平稳性、空间同质性、转换规则的时空差异，以及与细胞空间模型的基本假设直接相关的外部变量。Batty和Xie（1994，第46页）还提出，将CA模型应用于城市系统的一个主要问题是“城市系统不太可能完全在局部规模上进行模拟，但这种方法的价值在于将我们的注意力集中在这个规模上，以及过程和规模的层次结构对理解城市如何运作至关重要的程度。”谢（1996）讨论了多年来CA模型的改进，并提出了一个广义的细胞城市动力学模型，称为动态城市演化建模（DUEM），以证明CA方法在城市动力学应用中的理论完整性和技术优势。DuemistoadOptahierarchicalSystemofCaspaces的一个主要贡献是，它考虑了相邻的区域、场和区域，可用于模拟细胞空间、模型空间和地理之间的相互作用，克服了传统细胞空间模型的相似性。DUEM还与地理信息系统（GIS）连接，以受益于GIS数据、分析和可视化功能。Anthony Yeh、Xia Li及其合作者广泛使用细胞自动机模型来研究城市动力学。Li和Yeh（2000）在栅格GIS中开发了一个约束CA模型，包括局部、区域和全局约束调节细胞空间，并将灰色细胞定义为在CA模型的任何迭代中代表城市土地开发的百分比。Yeh和Li（2001）进一步使用约束CA模型和栅格GIS来模拟七种不同类型的城市形态和发展，从紧凑的单中心到非常分散的发展模式。他们的模型考虑了各种城市形式、环境适宜性和土地消耗等标准，以规划可持续发展的城市。他们还将CA模型与计算智能方法相结合，如神经网络（Li和Yeh 2001）、蚁群优化（Liu等人2008）和人工免疫系统（Liu等人2010），以研究复杂的城市系统。圣埃塔。（2010）提供了一个有用的FurbanCellularaAutomata模型，用于模拟现实世界中城市过程的能力和模拟。他们认为，模型的广泛使用是由于其简单性。与此同时，CA模型的简单性也是限制其表示现实世界现象能力的主要弱点。另一个主要缺点是缺乏一种标准的方法来定义城市CA模型中的过渡规则，这代表了过程的复杂性。

其他城市动力学方法

Batty（2008）指出，传统城市模型将城市视为聚合的均衡系统，主要使用空间互动。这种方法在20世纪末发生了变化，考虑到城市动力学是解决复杂系统的过程，其结构是自下而上的。在他的著作《城市与复杂性：用细胞自动机、基于代理的模型和分形来理解城市》中，Batty（2007）提出了基于代理的模型，作为研究复杂城市动态的另一种有用方法，因为城市规划从自上而下的集中视角转变为自下而上的分散视角。基于代理的模型（ABM）由自治代理组成，自治代理可以是单独的实体，也可以是集体的实体，具有定义的行为，以模拟自治代理的行为和交互对新兴系统模式的影响。元胞自动机模型和基于代理的模型之间的一个关键区别是，ABM中的代理可以自由移动，并与彼此和环境进行交互。基于agent的模型的目标主要是了解遵循简单行为规则的agent的集体行为。Huang等人（2014）回顾了三个研究领域的51个基于主体的住宅选择模型，分别是（1）基于经典理论的城市土地利用模型，（2）城市化进程的不同阶段，以及（3）基于主体和微观模拟的综合模型，回顾基于智能体的城市住宅选择模型（ABM）的发展。本综述特别关注了代理人异质性表征、土地市场表征程度以及广泛模型输出测量方法的进展。他们得出的结论是，“城市土地利用模型可以受益于基于agent的建模，方法是将异构智能agent和支持土地交换的机构的显式建模”（Huang等人，2014年，第681页）。Xie等人（2007年）应用基于agent的建模研究了1990-2000年期间中国苏州-吴县地区的desakota的发展。desakota是一个毗邻大都市区的城乡混合空间。他们开发了一个ABM，将本地家庭改革与全球城市改革联系起来，以检查受更高层次宏观经济调节的本地土地开发过程。另一方面，Benenson等人（2008年）开发了一个基于代理的模型，通过检查不同河流群的搜索时间、步行距离和停车成本的分布，来研究非均质道路空间中停车模式的复杂自组织动力学。医院。（2013）介绍了一种基于主体的模型，该模型采用了新的方法来模拟主体运动和主体之间的竞争，以模拟伊朗卡兹温的城市土地利用发展。在利用现有数据对模型进行校准后，将其用于预测四种发展政策情景下的土地利用发展。此外，还需要对城市区域的稳定性进行研究。例如，Batty（2003）提出了一种城市动力学方法，该方法推广了Zipf的秩-规模模型，以研究城市之间随时间变化的秩-规模关系。我们收集了1790年至2000年间100个最大城镇和城市的数据，用城市半衰期的测量方法，检验了等级规模分布中各个城市分布的波动性。他发现，在200年的时间里，等级-规模关系几乎完全改变，存在相当大的波动性。这项研究阐明了一个城市如何在城市体系中上升、下降或保持其地位的动态。此外，Batty（2013a）的书《新城市科学》（The New Science of Cities）提出，我们必须将城市不仅视为空间中的场所，还视为网络和流动的系统，进一步指出，需要研究单个城市和城市之间的联系和互动，以更好地理解城市动力学的各个方面。

城市人类动力学与城市信息学

通过对城市人类动力学研究的简要回顾，将城市人类动力学与本书的主题联系起来是很重要的：城市信息学。城市信息学是一个相对较新的领域，它采用现代传感、移动、信息和通信技术支持的数据驱动方法，以深入了解人们在城市地区如何运作，以及城市地区各种系统和服务如何运作（Kontokosta 2018）。Foth等人（2011年，第4页）将城市信息学定义为“对整个城市体验的研究、设计和实践”不同的城市环境是由实时、泛在技术的新机遇，以及介导人际网络和城市基础设施的物理层和数字层的增强所创造的。”这个定义将城市环境中的地点、技术和人联系在一起。随着城市地区的地理规模和人口密度不断增长，以容纳不断增长的城市人口，迫切需要提高我们对城市地区如何运作、城市问题的原因以及我们如何以明智和可持续的方式解决这些城市问题的理解。这些挑战一点也不新鲜，已经研究了几十年。不幸的是，我们似乎未能控制这些城市问题，许多城市地区正在经历比以往任何时候都更严重的交通拥堵、空气污染、热岛效应、住房问题、就业不匹配等。如果我们接受人类动力是城市地区经济、社会、文化、政治和其他系统的根本驱动力，我们就必须更好地理解人类需求，以及它们如何与其他人互动，以及环境、社会和技术对环境的影响。当城市地区的基础设施和服务不能充分满足人类需求时，我们就会遇到问题。由于人类的需求出现在不同的地点和不同的时间，因此在空间和时间上匹配供需是一个挑战。从城市规划的角度来看，我们的目标是设计最能满足人类需求并提高生活质量的城市区域。这是一个重大挑战，当今大多数城市地区面临的一系列问题就证明了这一点。在他的文章《大数据、智能城市和城市规划》中，Batty（2013b，第274页）指出“大数据的增长正在将重点从长期战略规划转移到对城市如何运作和管理的短期思考；尽管在更长的时间内，这种大数据可能会成为每个时间范围的信息来源。”巴蒂（2013b，第276页）进一步指出了这一点“然而，如今被称为智能城市的城市与大数据之间存在着某种关联，城市中的智能主要是指传感器可以通过精确的地理定位实时生成新数据流的方式；当然，它指出，城市只有在人都智能的情况下才会变得智能，而这一点在很大程度上取决于量子理论。”“是的。”技术显然在城市信息化和智慧城市中发挥着重要作用。然而，我们必须记住，城市信息学和智能城市的发展是为了更好地满足人类需求，提高生活质量。无论一个城市或一个城市中的某个特定系统是否应该通过它如何满足不同人口群体的需求来评估，以提高生活质量（Shaw和Sui，2019年）。几年来，中国许多城市在亚马逊的快速增长中分享了自行车的经验，这为在中国城市复兴自行车这一大众出行选择创造了巨大的动力。然而，整个企业很快就崩溃了。正如黄（2018）所指出的， “自行车共享应用似乎即将成为解决方案，在过去三年里，私营部门将数百万辆自行车涌入中国街头。但今天，随着这些公司倒闭，闲置的自行车堆积在自行车墓地，愤怒的用户排队要求退还押金，这一想法从一开始就注定要失败。”“自行车共享应用程序非常智能，用户可以在城市的任何地方通过智能手机解锁和锁定自行车并支付租金。然而，目前尚不清楚共享自行车在多大程度上符合人类需求，因为人们在城市地区面临各种各样的限制，无法开展动态活动模式。这个例子提醒我们，当我们追求城市信息学时，牢记人类动力学是至关重要的。总之，将城市信息学与城市人类动力学研究相结合，有助于更好地了解人类在日益混杂的物理-虚拟空间中的活动和相互作用；然而，我们必须记住，在城市地区建立各种系统和服务是为了更好地服务和满足人类需求，从而提高生活质量。

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城市信息学其二-城市人类动力学

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