多主體系統在城市地理研究中的應用

舒 桐

(西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127)

城市化的持續推進，人口的不斷涌入給城市帶來繁榮與發展的同時，也帶來了交通擁堵，城市規模及建設用地的無序擴張，生態環境惡化，資源及能源過度開發等系列發展問題。因此，人們把城市作為人類文明的代表，時代經濟、社會、科學、文化的淵藪和焦點［1］。同時城市也集中了整個社會及時代所具有的各種矛盾。所以，城市是一個復雜動態的大系統。城市地理正是研究在不同地理環境下，城市形成發展，組合分布和空間結構變化規律的學科，研究對象表現出復雜性與綜合性的特點。當今全球化與中國快速城市化發展速度背景下，城鎮化進程中表現出的問題日益復雜，如新增人口住房需求如何得到滿足，怎樣影響城市房價;現有基礎設施、資源與能源需求應如何與人口增長及城市發展相協調;居民消費行為怎樣影響城市商業空間結構等。這些問題都表現出高度的復雜性及綜合性，其中各種人文社會經濟因素的微小變化，都將對整個城市系統產生大的影響與作用。這些問題的研究尺度更集中在微觀或中觀尺度上。原來運用傳統的系統動力方法局限于宏觀機制的探索［2］，忽略了人或企業主體在城市運行過程中，微觀行為機制及不確定性和動態性帶來的影響。從而造成城市發展政策可信性與科學預測的準確性下降。多主體系統通過觀察及模擬大量微觀個體行為，通過整體涌現出的特征得出宏觀系統的規律。對城市進行動態模擬和預測，能夠有效的解決宏觀尺度運行機制與微觀尺度分析過程的銜接與整合，為城市復雜問題研究及政策制定提供了有力的模擬及預測工具，成為當前城市地理研究方法的前沿與熱點。

1 多主體系統結構及模擬思路

1.1 多主體系統結構

多主體系統(Multi－Agent System，MAS)是由多個主體(Agent)組成的松散網絡。主體可以是個人、企業、投資商、開發商、基礎設施等。在多主體系統中，每個主體有其自身的屬性和行為規則，主體間產生交互、協作或競爭。從地理學角度來說，主體是對客觀世界實體對象的抽象。原理表現為多主體被賦予特殊的行為目標并具備一定的行為能力，它處于一定的環境中，能自主感知環境的信息并做出反應，改變環境的狀態從而影響自身未來的行為決策［3］。主體具有獨立性、自治性交互性等特點。

1.2 多主體系統模擬思路

MAS模擬的主要流程為:首先分析實際系統，抽象出關鍵問題;其次建立多主體系統，明確問題選擇主體，并構建屬性及行為規則;然后模擬環境規則設定下進行主體行為模擬，對大量行為主體進行觀測得出一般規律;最后依據模擬結果解決問題。一些學者提出多主體模擬方法進行復雜系統研究的基本過程為:問題分析、主體建模和 MAS構建3個步驟。

1.3 多主體系統模擬平臺

模擬平臺是MAS模擬的計算機技術平臺及交互界面。當前 MAS廣泛應用于人文、社會、經濟、心里、金融、城市模擬等方面。許多機構開發了相關軟件來模擬各種社會系統、生態系統和自然系統。目前主要主流開發平臺有SWARM、Repast、Ascape、CORMAS和 Netlogo等，都是用面向對象語言寫的。這些軟件主要功能是提供模型的基本框架和模型庫，使用者可以在其基礎上進行開發。

2 多主體系統在城市地理研究中應用

模擬首先應用于人工智能、無線電通信、機器人研究等工程方面。隨后經濟、社會科學家將MAS方法用于社會多主體仿真。由于城市屬于復雜系統，各種主體相互作用成為城市不斷發展演化的能動因素。因此，后來國外學者將MAS引入城市地理研究中，城市研究模型模擬成為MAS方法應用的熱點領域之一。

2.1 國外研究進展

國外對MAS在城市地理研究中的應用主要集中在城市土地演化、規劃情景分析、城市商業形態、居住形態等領域。Fontaine基于MAS理論構建了針對未來多中心地區的住宅需求提出了一個模擬的框架［4］，該模型模擬了區域尺度的土地利用演化。Ligtenberg以荷蘭東部地區土地利用總體規劃為例［5］，詳細闡述了構建 MAS系統模擬基于多主體決策的空間/土地演化過程，并討論了 MAS在空間情景分析中的優勢與局限性。Shen研究了大型購物中心市場份額的空間動態演化過程，并在此基礎上開發出Shopsim－MAS模型模擬［6］。該模型以家庭主體間的對等影響和商店主體向家庭主體傳遞信息作為相互作用進行考慮，并建立了一個相互作用效用函數，使 MAS模擬更為精確可信。Loibl等對基于地方多因素吸引及約束影響下的郊區人口遷移及商業形成因素進行了研究，并設計出城市多中心發展的MAS模型。該研究首次開發出基于多空間因素影響的遷移決策模擬系統，并融合了GIS、元胞自動機和自治主體的基本功能。Benenson將MAS和CA方法進行結合，模擬城市居民住宅位置的動態變化［7］。將MAS和CA方法結合在一起模擬城市空間組織的動態變化的思路，對后續城市地理相關研究的模擬起到重要的借鑒作用。以上研究推動并拓展了MAS在城市地理研究中的應用。

2.2 國內研究進展

MAS在國內研究中的應用主要集中在城市交通系統及能耗、城市空間結構、城市居民消費行為、城市演變及形態、城市土地利用、城市生態用地研究等個方面。國內基于MAS的研究始于城市交通。王立娟［8］使用多主體系統模型對北京西直門橋交通系統進行了模擬，證實了MAS在分析交通擁堵問題中的科學性和應用價值。薛領等人基于MAS建模驗證了克里斯泰勒的中心地空間結構理論［9］，模擬證明了微觀自主體的相互作用的確可以突現出六邊形宏觀空間格局。楊青生運用Agent和元胞自動機結合方法對城市用地擴張進行了模擬［10］，取得了良好的模擬效果。朱瑋基于 Netlogo平臺設計開發出一個零售業空間結構模擬系統，通過模擬商業中心和消費者兩類主體行為得出商業中心結構分布［11］，對模擬結果進行驗證，結果表明模型具有良好的穩定性和準確性，為城市商業空間結構研究提供了新的思路與方法。龍瀛等人基于MAS系統對城市形態、交通能耗和環境的相互關系進行建模模擬［12］，研究針對城市內不同空間組織，進行了通勤交通能耗和環境影響的定量識別。該研究為城市空間規劃方案的能耗和環境影響評價提供了思路。陶海燕，黎夏等人基于Swarm開發平臺并結合 GIS平臺，對城市居住空間格局的形成和演變進行了模擬［13］。季民河以美國達拉斯北部地區為例，通過建立基于多主體的人類系統和自然系統的耦合模型，對不同土地管理策略的有效性和對自然系統的影響程度進行了測度［14］。該方法從城市土地利用的博弈視角出發，為城市土地利用及管理者決策提供了新思路和方法。肖洪等人結合MAS和CA及城市人口密度模型構建出城市人口分布模型，對長沙市進行了實證研究［15］，檢驗結果顯示模型與實際較為吻合具有良好的準確性。

3 結語

當前MAS在城市地理研究中的應用已非常普遍，難點表現為:首先，由于開發交互平臺較多，各自平臺都建立了很多的類庫、幾百個方法，因此各平臺的復雜性是推廣應用的主要障礙。使用者必須讀懂大量的編碼，熟悉平臺的類庫。軟件平臺都是各自開發，缺乏共同的基礎，也是阻礙平臺推廣的重要原因。其次，如何在微觀尺度研究中解決主體數據收集與建模理論成為研究的難點。由于MAS主體模擬數量巨大，將個體樣本數據的收集與 MAS相結合，提取主體并設定行為規則，定義環境變量并與主體交互作用等問題將成為制約模型質量和穩定性的難點。城市地理研究還沒有相關理論研究。最后，當前MAS模型的建立主要基于開放的公共平臺。在城市地理研究中，與相關地學軟件的結合度依然較低，需要研究者掌握平臺語言進行開發。這為MAS在城市空間及相關研究應用帶來較高的門檻。當前已有地理學者基于MAS開放平臺開發出了一些地理研究的專業MAS平臺系統，然而這些平臺的普及率和在地學研究中的通用性都較低。

多主體系統具有“自下而上”的特點，為復雜性科學研究提供了強有力的工具。隨著我國城鎮化的高速推進，城市在國家參與全球化競爭過程中，推動國內經濟社會發展方面將發揮更重要得作用。當前城市地理研究尺度的上移與下推，多學科的交叉與綜合，為城市地理發展帶來挑戰和機遇。多主體系統的出現為復雜的城市空間現象研究帶來可能。通過以上研究表明，多主體系統在國內外城市地理研究中的應用已非常普遍，然而更多集中在中微觀尺度，宏觀尺度的應用很少。對于傳統城市地理研究領域應用較為缺乏。未來基于自主體系統從多尺度構建城市空間模型，將成為城市地理的難點與突破點。然而中國的城市化背景與城市發展環境，使構建我國特有的城市地理理論成為可能。

［1］徐學強，周一星，寧越敏.城市地理學［M］.北京，高等教育出版社.2009.

［2］陳蔚，高曉路，沈振江.多主體系統在城市發展模擬中的應用［J］.地理科學進展.2012，30(06):761 －767.

［3］王錚，吳靜.計算地理學［M］.北京，科學出版社.2011，196.

［4］Fontaine C M，Rounsevell M D A. An agent－ based approach to model future residential pressure on a regional landscape［J］. Landscape Ecology，2009，24(9):1237 －1254.

［5］Ligtenberg A.A design and application of a multi－agent system for simulation of multi － actor spatial planning［J］. Journal Environmental Management，2004，72(1－2):43－55.

［6］Shen Z J，Yao X B，Kawakami M，et al. Simulating spatial market share patterns for impacts analysis of large－scale shopping centers on downtown revitalization［J］.Environment and Planning B，2011，38(1):142－162.

［7］Benenson I. Multi－ agent simulations of residential dynamics in the city［J］. Computers，Environment and Urban Systems，1998，22(1):25－42.

［8］王立娟.基于多主體仿真的西直門立交橋擁塞分析［J］.計算機仿真.2007(10):225－228.

［9］薛領，羅柏宇等.基于 agent的商業中心地空間結構動態模擬［J］.地理研究.2010，29(9):1659 －1669.

［10］楊青生，黎夏.多智能體與元胞自動機結合及城市用地擴張模擬［J］.地理科學.2007，27(4):542－548.

［11］朱瑋，王德.基于多代理人的零售業空間結構模擬［J］.地理學報.2011，66(6):796 －804.

［12］龍瀛，毛其智等.城市形態、交通能耗和環境影響集成的多智能體模型［J］.地理學報.2011，66(8):1033－1044.

［13］陶海燕，黎夏，陳曉翔.基于多智能體的居住空間格局演變的真實場景模擬［J］.地理學報.2009，64(6):665－676.

［14］季民河，Micheal，Monticino等.基于多代理模型的城市土地利用博弈模擬［J］.地理研究.2009，28(1):85－28.

［15］肖洪，田懷玉，朱佩娟等.基于多智能體的城市人口分布動態模擬與預測［J］.地理科學進展.2010，29(3):347－354.