應用多智能體模型驗證中心地理論的空間布局結(jié)構

劉 潤 姣，石 磊，蔣 滌 非

(1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.北卡羅來納大學教堂山分校中國城市研究中心，北卡羅來納州 教堂山市 27599；3.中南大學建筑與藝術學院，湖南 長沙 410075)

應用多智能體模型驗證中心地理論的空間布局結(jié)構

劉 潤 姣1,2，石 磊3，蔣 滌 非3

(1.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.北卡羅來納大學教堂山分校中國城市研究中心，北卡羅來納州 教堂山市 27599；3.中南大學建筑與藝術學院，湖南 長沙 410075)

中心地理論作為城市系統(tǒng)研究最重要的基礎理論之一，其有關城市空間等級體系的論述一直是眾多學者分析和關注的焦點,但是理想化的環(huán)境假設阻礙了人們從現(xiàn)實中尋找證據(jù)來證明理論內(nèi)容的有效性。該文提出利用多智能體建模技術開展仿真研究工作，然后通過模擬不同類型商業(yè)設施之間的信息交流、分析決策以及區(qū)位調(diào)整行為,對城市系統(tǒng)自發(fā)形成等級結(jié)構體系的過程進行驗證。相關研究結(jié)果顯示，在資源競爭壓力逐漸增加的情況下，實行效益最大化原則的商業(yè)設施會不斷地從城市中心向四周偏遠地區(qū)遷移，以便能夠爭取到更多的潛在消費顧客；并且設施等級越高，服務范圍越大，其需要擴散的空間距離也就越長；最終它們會在虛擬城市內(nèi)部形成動態(tài)平衡的等級分布結(jié)構，從而有效地驗證了中心地理論在分析層級體系形成機制方面的準確性。最后，在總結(jié)當前研究成果的基礎上，針對未來模型實驗的改進提出了切實可行的參考建議。

中心地理論；多智能體系統(tǒng)；NetLogo；商業(yè)布局；復雜城市系統(tǒng)

0 引言

中心地理論(Central Space Theory)一直被認為是城市規(guī)劃和經(jīng)濟地理研究中重要的基礎理論之一，其有關城市空間等級體系的闡述，為學者探討城市系統(tǒng)的內(nèi)在形成機制以及對應的布局結(jié)構特征提供了重要的指導意義[1-3]。可是，由于該理論在構建過程中使用了大量的理想條件假設，人們很難尋找到實際的城市建設案例來證明其理論內(nèi)容的有效性[2,4]。因此，研究人員開始嘗試結(jié)合其他的技術手段對中心地理論進行模擬驗證分析。

其中，仿真模型憑借其靈活的適用條件和強大的計算能力成為理論驗證過程中使用較為頻繁的技術方法之一[3,5-8]。在White[4]有關商業(yè)設施布局的研究中，為每個商業(yè)設施單體設置了詳細的收入和成本函數(shù)，然后假設所有顧客都能依據(jù)自身偏好任意選擇消費目的地；其研究結(jié)果顯示，行進距離的長短嚴重影響著人們的消費決策過程，因此，它在很大程度上決定了商業(yè)空間的布局結(jié)構。與此不同的是，楊遴杰[9]是從企業(yè)角度展開相關研究，他利用成本最小化原則設計了配送中心的選址模擬實驗，并成功地在其布局結(jié)果中得到了與中心地理論類似的多層次網(wǎng)絡空間結(jié)構。

近幾年復雜系統(tǒng)理論的快速發(fā)展將學者的目光吸引到了多智能體建模技術(Multi-agent Modeling)上面，如薛領[10]就是較早使用該方法研究城市空間布局的學者之一，他不僅參照現(xiàn)實情況設計了廠家和消費者之間的交流互動行為，還在模型中結(jié)合遺傳算法創(chuàng)造了一個虛擬的城市管理人員負責選址方案的優(yōu)化；但是，考慮到這種全局決策機制與城市系統(tǒng)“自下而上”的發(fā)展特征相違背，其研究結(jié)果的合理性受到了一定程度的質(zhì)疑[4,11]。朱瑋和王德等[6-8]也在研究中對商店和消費者的交互行為進行了模擬分析，他們規(guī)定消費者將根據(jù)步行距離長短和商品服務等級決定各自的消費目的地，而商業(yè)設施也會根據(jù)收益評估結(jié)果適時調(diào)整空間位置關系。雖然最終的模擬結(jié)果非常接近中心地理論所描述的六邊形網(wǎng)絡結(jié)構，可是由于模型假設商業(yè)中心將按照“從高到低”的等級順序進行轉(zhuǎn)化，與現(xiàn)實情況相沖突，所以其研究結(jié)論有待進一步的實驗確認。

綜合前人的研究，雖然全局優(yōu)化的建模分析方式可以利用數(shù)學規(guī)劃的方法提高模型的計算分析效率，但其理想化的研究假設會明顯地降低模型與現(xiàn)實之間的擬合程度；而基于復雜系統(tǒng)理論發(fā)明的多智能體建模技術則很好地避免了這些缺陷，它不僅在表達復雜系統(tǒng)特征和模擬個體交互行為方面具有較大優(yōu)勢，同時模型內(nèi)部“自下而上”的運行機制也為學者研究微觀個體活動和宏觀系統(tǒng)結(jié)構之間的相互作用關系提供了技術便利[12-15]。因此，本文將選擇使用多智能體建模軟件NetLogo，以商業(yè)設施布局作為主題,對中心地理論展開模擬驗證分析。

1 模型構建與計算

1.1 基本要素

一個完整的多智能體模型主要由觀察者、網(wǎng)格環(huán)境和智能體三大部分組成，有關它們的具體功能介紹可參考表1所示內(nèi)容[6-9,13,14,16]。

表1 多智能體模型環(huán)境構成

1.1.1 網(wǎng)格環(huán)境 由于本文研究的主題是通過個體和商業(yè)設施之間的交互作用行為驗證中心地理論在空間層級結(jié)構形成機制方面的準確性，所以除去有限的空間分析范圍以外(41×41個網(wǎng)格)，將按照理論相同的理想條件假設對模型的網(wǎng)格環(huán)境進行設置，其具體內(nèi)容包括[4,10,14,17]：1)沒有地理高差變化；2)沒有功能作用區(qū)分；3)沒有活動使用限制；4)環(huán)境資源均勻分布；5)單位交通成本統(tǒng)一。

1.1.2 智能體 為實現(xiàn)消費者和商業(yè)設施之間互動交流行為的模擬，將模型中的智能體對象劃分為兩種主要的類型：一種是負責提供特定商品銷售服務的商業(yè)中心，另一種是擁有固定消費能力和多種商品服務需求的消費者。

(1)商業(yè)中心。由于研究決定按照中心地理論三級市場原則(K=3)進行建模分析[1]，所以模型內(nèi)部分別設置有3種不同級別的商業(yè)服務設施。其中，標號為“a”的商業(yè)智能體代表的是最低等級的商業(yè)服務中心，它們雖然只負責提供1個品種的商品銷售服務但卻擁有最多的設施分布數(shù)量；標號為“b”的商業(yè)智能體代表的是中間等級的商業(yè)服務中心，它們會提供2個品種的商品銷售服務并擁有適中的設施分布數(shù)量；而標號為“c”的商業(yè)智能體代表的是分布數(shù)量最少的頂級商業(yè)服務中心，它們將負責提供全部3個品種的商品銷售服務。有關其他屬性特征的說明詳見表2所示內(nèi)容。

(2)消費者。考慮到中心地理論是基于勻質(zhì)環(huán)境條件而構建的，所以研究規(guī)定消費者智能體不僅需要在網(wǎng)格環(huán)境中均勻分布，同時它們還將按照相同的行為決策規(guī)則開展商品交易活動。此外，如表3所示，每個消費者智能體都擁有3種不同的商品服務需求：其中，x類商品的使用頻率最高，它在所有3個等級的商業(yè)中心里都有銷售；而y類商品的使用頻率適中，只在b、c兩個等級的商業(yè)中心里有銷售；至于使用頻率最低的z類商品，則被限制在c這個等級最高的商店里進行銷售。

表2 商業(yè)智能體屬性特征

表3 消費者智能體屬性特征

1.2 流程組織

由于研究決定采用一種循序漸進的方式來控制不同時期的人口數(shù)量及其對應的市域邊界范圍,因此，模型中的商業(yè)智能體將會根據(jù)當前的人口規(guī)模總數(shù)逐步被添加到虛擬城市環(huán)境中,其具體細節(jié)如圖1所示。

1.2.1 城市發(fā)展 當模型程序正式啟動以后，發(fā)展控制模塊會首先核查當前的城市建設范圍是否達到了最大的空間環(huán)境限制(41×41個網(wǎng)格)：如果答案是否定的，那么程序就會將當前的城市區(qū)域邊界向外擴展2個單位長度，否則它們會直接跳過后續(xù)的發(fā)展實驗步驟，轉(zhuǎn)而開始商品交易的模擬。由于研究假設人口資源在模型環(huán)境中是均勻分布的，所以在城市面積增加的同時，人口和消費者智能體的數(shù)量也會隨之成比例地上升。在完成用地擴張任務之后，發(fā)展控制模塊還會利用最新的人口規(guī)模推算當前的商品消費能力，據(jù)此對市場供需狀況進行判斷：如果它的測量數(shù)值超過了某一類商業(yè)設施的最小利潤總和，那么程序就會根據(jù)差額部分計算該類商業(yè)中心在本輪實驗里的新增設施數(shù)量，并將其生成的代表性智能體隨機擴散到虛擬城市環(huán)境中。而為了進一步呼應中心地理論有關設施分布比例(1∶3∶9)的描述，研究還規(guī)定了模型程序每增加1個等級為“a”的商業(yè)中心，至少需要60個消費者來維持它的最低銷售利潤；每增加1個等級為“b”的商業(yè)中心，至少需要180個消費者來維持它的最低銷售利潤；而每增加1個等級為“c”的商業(yè)中心，至少需要540個消費者來維持它的最低銷售利潤。s

圖1 模型分析流程示意

1.2.2 商品交易 考慮到中心地理論是基于“成本最小化”原則對不同等級的服務資源進行分配，所以當模型程序進入商品交易階段以后，消費者智能體將按照空間距離的長短制定相關的商品消費決策。此外，為了確保商業(yè)設施不會與銷售范圍之外的消費智能體發(fā)生商品交易活動，研究規(guī)定模型中的商業(yè)設施會首先根據(jù)自身的銷售范圍限制(如表4內(nèi)容所示)尋找符合標準要求的消費顧客，然后主動地向它們發(fā)送購物邀請，而接收到信息的消費者智能體則會通過測量空間距離的方式對所有發(fā)出邀請的商業(yè)設施展開對比分析，并從中選取距離數(shù)值最低的一個商店作為最終的消費目的地。表5所示內(nèi)容為兩種典型消費決策案例的分析示意。其中，對于實驗場景(1)，消費者智能體剛好位于3個商業(yè)中心的銷售范圍交界處，因此它需要到不同的商業(yè)中心購買3種不同的商品；而在實驗場景(2)中，消費者智能體不僅完全位于商業(yè)中心“c”的銷售范圍內(nèi)，同時它們兩者之間的空間分隔距離也比其他競爭對手要短，所以它會選擇到商業(yè)中心“c”處購買全部商品。

表4 不同等級商業(yè)中心銷售服務

表5 典型消費決策案例

1.2.3 布局優(yōu)化 由于區(qū)域內(nèi)部的財富分布狀況會伴隨著交易活動的展開而發(fā)生較大幅度的變化，因此在完成相關的商品銷售任務以后，受到利潤最大化原則驅(qū)使的商業(yè)中心智能體會根據(jù)當前的環(huán)境信息重新開展評估分析工作，然后據(jù)此調(diào)整自己的空間環(huán)境位置，以便能夠在下一輪的模擬實驗中爭取到更多的銷售利潤[10,18]。結(jié)合前人研究經(jīng)驗，能夠?qū)ι虡I(yè)設施選址帶來重要影響作用的客觀環(huán)境因子主要包括鄰域設施分布密度和個人財富總量這兩種類型：其中，設施分布密度與競爭壓力大小之間存在明顯的正相關關系，即密度測量數(shù)值越高，商業(yè)競爭壓力就會越大，所以智能體獲取銷售利潤的概率也會相對應降低；而與此相反的是，個人財富總量的高低在很大程度上反映了商品購買能力的強弱，其測量數(shù)值越高越有利于銷售利潤的提升，因此它會對商業(yè)選址過程帶來較強的正面促進作用。基于此認識，本文以標準化公式為參照對這兩種要素的作用方向和影響大小進行綜合表達，再通過加權求和的方法計算目標地塊對應的商業(yè)開發(fā)潛力，公式如下[8,10,18-22]:

(1)商業(yè)分布密度(Pi)計算公式：

(1)

式中：i代表目標網(wǎng)格的ID編號；Ni代表位于搜尋范圍內(nèi)的商業(yè)智能體總數(shù)；R代表空間搜尋半徑。

(2)密度影響作用(Fp-i)計算公式：

(2)

式中：Pi代表網(wǎng)格i周邊的商業(yè)設施分布密度；Pmax代表整個城市范圍內(nèi)的商業(yè)密度最大值；Pmin代表整個城市范圍內(nèi)的商業(yè)密度最小值。

(3)財富影響作用(Fw-i)計算公式：

(3)

式中：Wi代表消費者智能體i的個人財富總量；Wmax代表整個城市范圍內(nèi)的財富總量最大值；Wmin代表整個城市范圍內(nèi)的財富總量最小值。

(4)綜合吸引力(Fi)計算公式 ：

Fi=α×Fp-i+β×Fw-i(α+β=1)

(4)

式中：Fp-i代表商業(yè)密度的影響作用大小；Fw-i代表財富總量的影響作用大小；α代表商業(yè)密度的分析權重系數(shù)；β代表財富總量的分析權重系數(shù)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 實驗觀察

為盡量消除軟件隨機參數(shù)給研究結(jié)論帶來的不確定性，整個模型實驗將會被重復運行多次，然后通過總結(jié)其空間分布規(guī)律來獲取對應的模擬分析結(jié)果。圖2為不同程序運行階段的觀察界面截圖。從中可以看出，虛擬城市邊界會伴隨著實驗進程的展開而不斷地向四周蔓延，受到均勻分配條件限制的消費智能體也會隨之成比例的增加。等到人口總數(shù)上升到一定標準以后，更多的商業(yè)中心智能體加入到實驗中,參與商品交易和區(qū)位調(diào)整活動。這種循序漸進的發(fā)展擴散活動會一直持續(xù)到所有空白網(wǎng)格都被轉(zhuǎn)化為虛擬城市，之后程序就會停止引入新的智能體，并就已有的商業(yè)設施開展完全的市場競爭實驗。雖然每個商業(yè)智能體在生成初期都會被隨機分布到虛擬城市的中央，但是在商業(yè)分布密度以及個人財富總量這兩個因子的綜合作用下，它們會在實驗過程中表現(xiàn)出與城市增長相同的外延擴張趨勢，這樣就可以在緩解中心競爭壓力的同時幫助自己在邊界地區(qū)爭取到更多的商業(yè)銷售利潤。

另外，當模型程序完成大概1 000次循環(huán)模擬實驗時，虛擬城市系統(tǒng)開始進入緩慢發(fā)展階段：不僅商業(yè)設施的調(diào)整活動頻率有明顯降低，甚至出現(xiàn)長時間停滯，連同等級商業(yè)設施之間的利潤差額也會逐漸減少到0。在這種情況下，可以認為模型實驗已達到既定的研究目標——產(chǎn)生穩(wěn)定的商業(yè)空間分布結(jié)構，軟件程序?qū)蝗藶榻K止。

圖2 實驗流程截圖

2.2 結(jié)果分析

為進一步驗證模擬商業(yè)布局是否具備中心地理論所描述的等級結(jié)構特征，還將結(jié)合應用圖形觀察和數(shù)值計算兩種方法對實驗結(jié)果進行綜合對比分析。

2.2.1 圖形觀察 通過觀察商業(yè)設施在平面圖形中的相對位置關系對模擬商業(yè)布局和中心地理論之間的相似性進行評判。由于建模軟件NetLogo的圖形繪制功能尚不完善，所以需要把仿真結(jié)果導入到其他專業(yè)的繪圖軟件中(AutoCAD和Photoshop)處理，然后利用幾何連線的方式突出表達不同等級商業(yè)設施在虛擬城市里的空間分布結(jié)構,其具體分析結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，雖然大部分的連線幾何圖案并不符合正六邊形的相關標準要求，但是它們基本上遵守1個高等級商業(yè)中心被其他6個低等級商業(yè)中心包圍的空間布局規(guī)則，這不僅呼應了中心地理論所描述的等級結(jié)構特征，同時還在一定程度上說明了模型參考中心地理論設計的個體行為規(guī)則和程序運行機制,可以較為準確地反映空間層級體系的內(nèi)在形成原因，從而在側(cè)面驗證了理論內(nèi)容的有效性。

圖3 模擬布局圖形分析

2.2.2 數(shù)值計算 除去規(guī)整的六邊形分布結(jié)構以外，固定的分隔距離比值也是中心地理論用于標識空間層級體系的重要參考依據(jù)之一[1]。因此，將基于圖3繪制的平面幾何連線開展對應的數(shù)據(jù)測量和比例計算工作，其具體分析結(jié)果詳見表6所示。從表6可以看出，仿真模型中的商業(yè)設施布局擁有更為緊湊的空間分布結(jié)構，而且c級商業(yè)中心的分隔距離比值明顯低于中心地理論規(guī)定的標準。但這并不意味著模型實驗的失敗或者程序設計存在較大缺陷；相反的是，該分析誤差的產(chǎn)生主要是通過電腦硬件設備而引發(fā)的，具有不可回避性：因為現(xiàn)有的計算機技術不允許模型創(chuàng)造出與中心地理論一致的無限城市空間，所以當商業(yè)智能體移動到模型邊界附近時，其銷售范圍會在邊界裁剪作用下得到大幅度的縮減，并進一步導致商業(yè)利潤的下降。在這種情況下，為獲取更多的經(jīng)濟收益，商業(yè)智能體會主動向中心區(qū)域靠攏，壓縮它與其他智能體之間的空間分隔距離，最終造成了比例測量數(shù)值的下降。

表6 模擬布局數(shù)值分析

2.3 綜合討論

2.3.1 理論驗證 綜合“圖形觀察”和“數(shù)值計算”的分析結(jié)果，雖然商業(yè)設施的模擬布局形態(tài)與中心地理論描述的規(guī)則六邊形網(wǎng)絡還存在一定的差距，但它們伴隨著設施密度的增加而逐漸向外擴散分布的選址行為特征與真實世界之間保持了較高的一致性。加之圖3的連線分析結(jié)果顯示，不同類型的商業(yè)設施在模型中形成了等級分明的空間布局結(jié)構，而這種“一個高級別商業(yè)中心被六個相同低級別商業(yè)中心包圍”的設施分布模式與理論描述的空間層級體系相吻合。因此，可以就此推斷模型中的商業(yè)設施布局能夠針對中心地理論的等級結(jié)構特征進行較好地表達。另外，考慮到在構建模型實驗的過程中，是完全參照中心地理論的相關內(nèi)容要求對模型分析環(huán)境和交互行為規(guī)則進行設計的，所以實驗觀察所得的設施遷移趨勢和總體分布結(jié)構都可以看作是理論內(nèi)在運行機制的直接作用結(jié)果。因此，模擬商業(yè)布局中所展示出的較高的現(xiàn)實擬合程度以及層次分明的功能分布結(jié)構不僅充分證明了在環(huán)境背景條件得到滿足的情況下，理論描述的空間等級體系可以實現(xiàn)，同時還從側(cè)面說明了中心地理論在總結(jié)真實世界空間分布規(guī)律方面的科學性和準確性。

2.3.2 實驗評估 根據(jù)前文的分析內(nèi)容，本文構建的理論驗證模型能夠較好地完成既定研究目標——重現(xiàn)中心地理論的等級結(jié)構體系，從而在證明理論內(nèi)容有效性的同時，展示了多智能體建模技術在表達復雜關系網(wǎng)絡和分析空間作用機制等方面具有較高的研究應用潛力。雖然過去有學者曾經(jīng)嘗試結(jié)合傳統(tǒng)的數(shù)學分析方法開展類似的模擬實驗分析，但由于該方法對數(shù)據(jù)資料的條件要求較高，而且構建復雜方程所需的均衡條件假設也會對空間動態(tài)交互作用關系的表達帶來較大的障礙，所以研究很難通過它們來設計與現(xiàn)實發(fā)展規(guī)律相符的模擬實驗情境。與此形成對比的是，多智能體模型“從微觀到宏觀”的建模分析原理不僅降低了數(shù)據(jù)收集要求，其參考現(xiàn)實而設計的個體行為規(guī)則，比如追逐最大化利潤和遠離同類競爭者等，還能在一定程度上提高模型實驗過程與真實世界之間的擬合程度。因此，相較于傳統(tǒng)分析方法，多智能體模型更適合用于開展與城市系統(tǒng)相關的理論驗證工作。未來伴隨著模型程序細節(jié)的豐富以及行為決策機制的完善，該研究實驗還可以進一步提升其在指導城市功能空間布局方面的參考借鑒作用。

2.3.3 規(guī)劃借鑒 雖然本文是基于理想環(huán)境條件假設進行模擬實驗分析，其對應的研究成果并不能直接用于指導現(xiàn)實的規(guī)劃設計工作,但在詳細觀察商業(yè)設施在實驗過程中所展示出的“從城市中心向四周擴散”的布局變化趨勢以及“低等級商業(yè)中心依據(jù)其銷售范圍的長短圍繞在高等級中心附近成比例分布”的動態(tài)均衡結(jié)構以后，認為它們具有較強的設計參考價值，所以未來的商業(yè)設施規(guī)劃應遵照相關的內(nèi)容要點，在合理安排空間布局結(jié)構的同時，注重完善不同級別設施之間差異化服務體系的構建。其中，商業(yè)設施伴隨著城市用地的擴張而不斷地向四周偏遠地區(qū)蔓延的原因，主要是為了回避中心城區(qū)的同類競爭壓力以及爭取更多的潛在消費資源,而考慮到這種外延分散的布局行為不僅可以為郊區(qū)居民就近提供生活所必需的商品銷售服務，同時還能夠在較大程度上緩解商業(yè)過度集中所帶來的一系列城市發(fā)展弊端，比如出行距離過長或者交通干道擁擠等等,有必要在社區(qū)開發(fā)過程中考慮加入商業(yè)服務中心，為其預留必要的發(fā)展建設用地，這樣就可以在主動增加城郊新建社區(qū)商業(yè)吸引力的同時，促使相關的選址建設活動按照既定規(guī)劃方案合理分布，從而在根本上避免過去因為商住建設不同步而引發(fā)的商業(yè)無序擴張活動以及綠化生態(tài)用地被侵占現(xiàn)象的產(chǎn)生。至于促使商業(yè)設施在模型中形成等級分明的空間布局結(jié)構的原因，主要是考慮其選址建設行為會受到來自不同設施服務范圍和差異化商品銷售種類兩個要素的綜合作用影響。而結(jié)合當前精明增長原則提倡的“增加社區(qū)吸引力”和“圍繞社區(qū)緊湊開發(fā)”的城市發(fā)展策略，中心地理論這種相對均勻的空間分布模式更有利于管理人員實現(xiàn)在社區(qū)內(nèi)部構建功能組團中心的建設目標。所以，未來在制定用地規(guī)劃方案時，應遵循相關的理論內(nèi)容描述，著重加強不同等級商業(yè)設施在商品服務種類上的區(qū)分程度，并依據(jù)商品對應的消耗使用頻率確定其空間銷售范圍和設施分布數(shù)量，比如以日常生活用品為主導的便利商店應該擁有最多的設施數(shù)量和最小的銷售范圍，而負責售賣奢侈品的高等級商業(yè)中心只需要在城市中心有少量分布等。這樣就可以幫助居民將出現(xiàn)頻率最高的日常商品購買活動限制在局部的組團中心內(nèi)完成，從而在有效減少城市交通流量的同時，進一步增加居住社區(qū)周邊的向心凝聚力，借此帶動其他城市功能用地圍繞著社區(qū)組團中心進行集中開發(fā)建設的行為。

3 結(jié)語

本文以中心地理論為參考，應用多智能體建模技術構建了消費者和商業(yè)設施之間的動態(tài)交互模型，然后針對城市系統(tǒng)的等級結(jié)構特征展開了對應的模擬實驗分析。研究結(jié)果顯示，雖然受到技術條件限制的影響，模型很難在平面形態(tài)上獲得規(guī)整的六邊形，但它在程序運行過程中所展示出的行為活動模式和空間分布結(jié)構與中心地理論的描述保持了較高的一致性，從而為驗證理論內(nèi)容的有效性提供了直接的證據(jù)支持。此外，通過對比傳統(tǒng)分析方法和多智能體建模技術在數(shù)據(jù)準備和實驗機制等方面的差異，對選擇多智能體建模技術開展城市系統(tǒng)研究的必要性進行了充分說明，并在此基礎上闡述了模型實驗結(jié)果和相關理論內(nèi)容在規(guī)劃實踐中的具體指導意義。

為進一步改善模型分析效率和提高實驗結(jié)果的準確性，未來除了可以引入更多的功能程序細節(jié)來豐富模型分析環(huán)境以外，比如增加商品服務種類或者細化設施等級標準等，還可以結(jié)合大數(shù)據(jù)的研究成果對智能體的交互行為規(guī)則進行優(yōu)化，確保在增加個體決策活動的科學性和智能性的同時，提高模型程序設計與現(xiàn)實之間的擬合程度。

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Using Multi-agent Simulation Method to Verify the Space Structure of Central Place Theory

LIU Run-jiao1,2,SHI Lei3,JIANG Di-fei3

(1.CivilEngineeringSchoolofCentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.ProgramonChineseCities,UniversityofNorthCarolinaatChapelHill,ChapelHill,NC,USA,27599;3.ArchitectureandArtSchoolofCentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

The Central Place Theory (CPT) is one of the most important as well as fundamental theories in the discipline of urban planning and geography.And due to the unrealistic assumptions applied to its environment settings,people can hardly find any evidence from real world to prove the effectiveness for the CPT.Therefore,in order to provide a reliable theoretical basis for urban studies in the future,this paper proposed to use the Multi-agent Simulation System (MAS) to conduct the verification research on CPT.And the main operation mechanism for this model is to set up different types of agents to represent the commercial facilities with different grades,and let them interact with each other through activities like exchanging,evaluating and adjusting in this virtual city environment,so that we could observe the spontaneous developing process of hierarchical space structure following the sequence of "bottom-up",and validate the CPT theory based on its simulation results.As we can see from the general space layouts obtained in different operating phases,while the competition pressure in central area is growing up,those commercial agents,who obeyed the principle of utility-maximization to arrange their activities,would constantly move from the city center to the periphery areas near the edge,for the purpose of winning over as many potential customers as they could.Considering that there is a positive correlation between the facility grades and its sales areas,the commercial agents owning higher grades have to move longer space distance to avoid from the competitors of same type.And when the migration process has come to an end,all different types of commercial agents would eventually together produce a dynamic general layout with distinct hierarchical space structure,which can be taken as a solid evidence for the accuracy of formation mechanism as illustrated by CPT.Also,some useful suggestions about the improvement of modeling methods are put forward in the end of this paper,after it finished the summarization work on the achievements gained from this simulation research.

Central Place Theory;multi-agent system;NetLogo;commercial layout;urban complex system

2016-05-23；

2016-08-25

中國國家留學基金資助項目(留金發(fā)[2015]3022)

劉潤姣(1987-)，女，博士研究生，主要從事城市規(guī)劃和智能體建模研究。E-mail：471285954@qq.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.06.004

TP18

A

1672-0504(2016)06-0018-07