仿真系统原理：模型评估能源消费及交通变化影响

在上一章中我们曾经提到，城市系统仿真模型经历了一个发展变化的历程。过去人们通过时间截面模型对反映城市空间结构的空间交互和区位活动进行集中表达，而现在则是采用更加详细而分散的动态模型表现个体行为，反映了更加丰富的个体空间行为和土地发展的决策过程。这一点也体现了从土地利用与交通互动模型到基于代理人的细胞自动机模型的转变，而后者与上一章中提到的模型具有相似之处。此外，城市仿真系统也经历了从各地区、各人口普查段之间活动与交流的抽象描述转变为以建筑物、地块和街道为中心的更加细致的点状定位的过程，从而也体现了从地理表述到几何表述的转变。城市仿真模型首次迈出尝试性的一步是在半个世纪以前，当时人们认为仿真模型能够对城市这样的复杂系统做出精确预测，能够准确反映出城市扩张和新型交通基础设施产生的影响及其发展形势和机能。然而，由于早期模型“过于简单”或“不够简化”不足以应对城市系统的繁复和庞杂，这种仿真系统带来的体验也随之大打折扣。此后经过了很长一段时间的反思和延伸，人们对模型架构进行重建，使得模型更加实用，更适合制定政策。然而，尽管人们取得了一些进步，许多问题仍然存在（Timmermans，2006）。

在此之后，两大核心主题主导了仿真模型的发展。城市模型从本质上倾向于“全面地”分析城市系统，有许多人致力于开发新模型来处理更为详细的表达方式和功能，这些很大程度上是通过分解活动、增加新的组成部分实现的。市场因素的引入也是其中的一部分，它平衡了仿真城市活动中的供求关系，在更加精细尺度下进行分解，进而达到企业和家庭层面。如今，这类模型通常会与相对独立的交通模型相关联或直接将这些模型纳入自身结构之中。它们依旧在很大程度上保持了时间截面和追求均衡的性质，但是更加倾向于在两个或两个以上时间点之间对城市变化进行模拟，从空间交互到微观仿真，在多种模型之间进行组合使用。这些模型仍然依赖于传统的大规模属性，组建过程复杂，运行耗时长，需要多组分析师共同完成而不是单个分析师的操作。然而，实现一个复杂多样的应用程序需要该程序的模型系统具备与之相符的复杂性和多样性，而决策者往往要求这些系统能够提供更多细节，这也是这类模型能够持续发展的原因。蒂默曼（Timmermans，2006），亨特、米勒和克里格（Hunt、Miller and Kriger，2005），以及雅克诺、莱文森和埃尔葛内迪（Iacono、Levinson and El-Geneidy，2008）等人对于最新技术水平做出了很中肯的评价。而当今仿真技术发展的代表莫过于埃切尼克（Echenique，2004）开发的系列模型。值得一提的是，这些模型很大程度上区别于我们在上一章中介绍的模型。后者是基于连续的物质发展进程，采用了自动机、自上而下的决策机制、城市非平衡状态等理念，而前者则更加具有实验性和操作性。

还有一种发展方向与简单模型复杂化的传统产生了鲜明对比。这种想法系统性较弱，它追求的是一种比以往的系统更加简洁的模型。该思路有两种实现方式，其一是对子模型进行分离和详细开发，其二是提取整体模型中的各个组成部分形成单独的模型，使之成为技术工具栏中的不同元素。然而，复杂模型在发展过程中不断结合信息技术新成果，采用更加丰富和优质的信息来源。在这种广泛趋势的作用下，简单模型的发展受到了制约。尽管如此，仍有许多规划类辅助系统都采用了简单模型的系统形式（详见Brail，2008）。或许，要想真正说明简单与复杂、小范围与大规模之间的区别就要采用班克斯（Bankes，1993）对“整合式”和“探索式”模型（或建模方式）的区分方式。整合式模型更注重模型本身的建设，并且会在最后提供一个准确且相对集中的预测。相比之下，探索式模型虽然无法实现集中预测，但是它能够定义系统中的突出特征，为具体问题上的争议解决提供参考信息。大规模的传统城市建模必定要依赖于前者，而反复使用简单模型，不断对其结构进行修改则符合后者更具探索意义的眼光。(www.xing528.com)

我们研究的目的并不是要对土地利用与交通互动模型（又名城市模型）加以评论，而是为了让读者对这种传统发展方式有一个大致的了解。我们在本章中将要展示的这个模型完全属于新型的探索式模型，但是它的发展起源于早期的大规模模型建立的探索过程。该模型利用住宅区以及连接住宅区的四种交通方式模拟了从工作单位到家之间产生的活动，其中交通方式包括公路、地铁、轻轨和公交车网络。从这个角度看，这种方法也可以用来分析相关联的网络，尽管要以网络之间的流动为媒介。作为一种“单一起点-终点半约束性”模型，它坚持传统的集中式空间交互模式，并且认为通过四种相互竞争的交通网络到达居住区的人流量决定了每个终点区域的人口数量。从这一层面来看，它既是互动模型又是区位模型。该模型首次开发时是作为伦敦地区气候变化综合评估的一个阶段性模型，综合评估以一系列相互关联的模型为基础，以国家到地方的输入产出模型为起始点（Hall et al.，2009）。首先把整体评估预测按照城市范围划分为小型区域，放入住宅区位模型——本章介绍的主题模型当中。然后把这些居住人口进一步划分为更精细的空间范围，用一种像GIS（地理信息系统）一样能够反映土地发展的物理局限性的模型进行分析。这也让我们回想起那些以上一章介绍的元胞自动机传统模式为主导、更切合实际的城市发展模型（Batty，2009b）。这种系统模型可以把人口预测与水利模型中提取出的洪灾风险相比较，进行相互校对，然后进一步与泰晤士河及其入海口的水面抬升预测值联系起来，最终与英国气候影响计划对未来50年和100年的预测进行比较（Dawson et al.，2009）。

为了阐明仿真系统的运作，我们将利用模型对能源消费和交通突发变化带来的影响进行即时评估，也就是说模型要在受众面前进行演示，这也直接关系到不同模式网络之间如何进行转换等问题。这种即时性是与一系列利益相关者沟通建模结果的必要条件，他们往往不是专家，因此对某一种具体模型的设计并不了解。出于这种原因，我们的模型设计以视觉化为主导，确保模型所表达的信息和预测结果能够在最大限度上有效地传递给不同受众群体。首先，在确立模型结构框架之前，我们制定了模型必须满足的一系列严格的标准规范。其次，对模型的潜在动态进行测试，即其横断面平衡结构，然后采用第2章中介绍的工具将其推导结果以熵和效用最大化的形式表达出来。这种方式为模型建立反复校对、检验和评估的机制，便于我们分析模型如何处理城市系统中的能源利用情况。在此基础上，我们就可以利用模型分析能源消费的突发变化所带来的影响，它们有可能在交互模型中体现为网络间模式转换实现的快速变化，也可能在区位模型中表现为人口再分配中的缓慢变化。最后，我们利用能源熵平均值的变化结合模型结构，对这些能源消费变化进行评估，为日后在快速评估预测领域推广这一模型提供了条件。