构建关于城市的新科学：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。(www.xing528.com)

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。