多主体系统在城市地理研究中的应用

舒 桐

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

城市化的持续推进，人口的不断涌入给城市带来繁荣与发展的同时，也带来了交通拥堵，城市规模及建设用地的无序扩张，生态环境恶化，资源及能源过度开发等系列发展问题。因此，人们把城市作为人类文明的代表，时代经济、社会、科学、文化的渊薮和焦点［1］。同时城市也集中了整个社会及时代所具有的各种矛盾。所以，城市是一个复杂动态的大系统。城市地理正是研究在不同地理环境下，城市形成发展，组合分布和空间结构变化规律的学科，研究对象表现出复杂性与综合性的特点。当今全球化与中国快速城市化发展速度背景下，城镇化进程中表现出的问题日益复杂，如新增人口住房需求如何得到满足，怎样影响城市房价;现有基础设施、资源与能源需求应如何与人口增长及城市发展相协调;居民消费行为怎样影响城市商业空间结构等。这些问题都表现出高度的复杂性及综合性，其中各种人文社会经济因素的微小变化，都将对整个城市系统产生大的影响与作用。这些问题的研究尺度更集中在微观或中观尺度上。原来运用传统的系统动力方法局限于宏观机制的探索［2］，忽略了人或企业主体在城市运行过程中，微观行为机制及不确定性和动态性带来的影响。从而造成城市发展政策可信性与科学预测的准确性下降。多主体系统通过观察及模拟大量微观个体行为，通过整体涌现出的特征得出宏观系统的规律。对城市进行动态模拟和预测，能够有效的解决宏观尺度运行机制与微观尺度分析过程的衔接与整合，为城市复杂问题研究及政策制定提供了有力的模拟及预测工具，成为当前城市地理研究方法的前沿与热点。

1 多主体系统结构及模拟思路

1.1 多主体系统结构

多主体系统(Multi－Agent System，MAS)是由多个主体(Agent)组成的松散网络。主体可以是个人、企业、投资商、开发商、基础设施等。在多主体系统中，每个主体有其自身的属性和行为规则，主体间产生交互、协作或竞争。从地理学角度来说，主体是对客观世界实体对象的抽象。原理表现为多主体被赋予特殊的行为目标并具备一定的行为能力，它处于一定的环境中，能自主感知环境的信息并做出反应，改变环境的状态从而影响自身未来的行为决策［3］。主体具有独立性、自治性交互性等特点。

1.2 多主体系统模拟思路

MAS模拟的主要流程为:首先分析实际系统，抽象出关键问题;其次建立多主体系统，明确问题选择主体，并构建属性及行为规则;然后模拟环境规则设定下进行主体行为模拟，对大量行为主体进行观测得出一般规律;最后依据模拟结果解决问题。一些学者提出多主体模拟方法进行复杂系统研究的基本过程为:问题分析、主体建模和 MAS构建3个步骤。

1.3 多主体系统模拟平台

模拟平台是MAS模拟的计算机技术平台及交互界面。当前 MAS广泛应用于人文、社会、经济、心里、金融、城市模拟等方面。许多机构开发了相关软件来模拟各种社会系统、生态系统和自然系统。目前主要主流开发平台有SWARM、Repast、Ascape、CORMAS和 Netlogo等，都是用面向对象语言写的。这些软件主要功能是提供模型的基本框架和模型库，使用者可以在其基础上进行开发。

2 多主体系统在城市地理研究中应用

模拟首先应用于人工智能、无线电通信、机器人研究等工程方面。随后经济、社会科学家将MAS方法用于社会多主体仿真。由于城市属于复杂系统，各种主体相互作用成为城市不断发展演化的能动因素。因此，后来国外学者将MAS引入城市地理研究中，城市研究模型模拟成为MAS方法应用的热点领域之一。

2.1 国外研究进展

国外对MAS在城市地理研究中的应用主要集中在城市土地演化、规划情景分析、城市商业形态、居住形态等领域。Fontaine基于MAS理论构建了针对未来多中心地区的住宅需求提出了一个模拟的框架［4］，该模型模拟了区域尺度的土地利用演化。Ligtenberg以荷兰东部地区土地利用总体规划为例［5］，详细阐述了构建 MAS系统模拟基于多主体决策的空间/土地演化过程，并讨论了 MAS在空间情景分析中的优势与局限性。Shen研究了大型购物中心市场份额的空间动态演化过程，并在此基础上开发出Shopsim－MAS模型模拟［6］。该模型以家庭主体间的对等影响和商店主体向家庭主体传递信息作为相互作用进行考虑，并建立了一个相互作用效用函数，使 MAS模拟更为精确可信。Loibl等对基于地方多因素吸引及约束影响下的郊区人口迁移及商业形成因素进行了研究，并设计出城市多中心发展的MAS模型。该研究首次开发出基于多空间因素影响的迁移决策模拟系统，并融合了GIS、元胞自动机和自治主体的基本功能。Benenson将MAS和CA方法进行结合，模拟城市居民住宅位置的动态变化［7］。将MAS和CA方法结合在一起模拟城市空间组织的动态变化的思路，对后续城市地理相关研究的模拟起到重要的借鉴作用。以上研究推动并拓展了MAS在城市地理研究中的应用。

2.2 国内研究进展

MAS在国内研究中的应用主要集中在城市交通系统及能耗、城市空间结构、城市居民消费行为、城市演变及形态、城市土地利用、城市生态用地研究等个方面。国内基于MAS的研究始于城市交通。王立娟［8］使用多主体系统模型对北京西直门桥交通系统进行了模拟，证实了MAS在分析交通拥堵问题中的科学性和应用价值。薛领等人基于MAS建模验证了克里斯泰勒的中心地空间结构理论［9］，模拟证明了微观自主体的相互作用的确可以突现出六边形宏观空间格局。杨青生运用Agent和元胞自动机结合方法对城市用地扩张进行了模拟［10］，取得了良好的模拟效果。朱玮基于 Netlogo平台设计开发出一个零售业空间结构模拟系统，通过模拟商业中心和消费者两类主体行为得出商业中心结构分布［11］，对模拟结果进行验证，结果表明模型具有良好的稳定性和准确性，为城市商业空间结构研究提供了新的思路与方法。龙瀛等人基于MAS系统对城市形态、交通能耗和环境的相互关系进行建模模拟［12］，研究针对城市内不同空间组织，进行了通勤交通能耗和环境影响的定量识别。该研究为城市空间规划方案的能耗和环境影响评价提供了思路。陶海燕，黎夏等人基于Swarm开发平台并结合 GIS平台，对城市居住空间格局的形成和演变进行了模拟［13］。季民河以美国达拉斯北部地区为例，通过建立基于多主体的人类系统和自然系统的耦合模型，对不同土地管理策略的有效性和对自然系统的影响程度进行了测度［14］。该方法从城市土地利用的博弈视角出发，为城市土地利用及管理者决策提供了新思路和方法。肖洪等人结合MAS和CA及城市人口密度模型构建出城市人口分布模型，对长沙市进行了实证研究［15］，检验结果显示模型与实际较为吻合具有良好的准确性。

3 结语

当前MAS在城市地理研究中的应用已非常普遍，难点表现为:首先，由于开发交互平台较多，各自平台都建立了很多的类库、几百个方法，因此各平台的复杂性是推广应用的主要障碍。使用者必须读懂大量的编码，熟悉平台的类库。软件平台都是各自开发，缺乏共同的基础，也是阻碍平台推广的重要原因。其次，如何在微观尺度研究中解决主体数据收集与建模理论成为研究的难点。由于MAS主体模拟数量巨大，将个体样本数据的收集与 MAS相结合，提取主体并设定行为规则，定义环境变量并与主体交互作用等问题将成为制约模型质量和稳定性的难点。城市地理研究还没有相关理论研究。最后，当前MAS模型的建立主要基于开放的公共平台。在城市地理研究中，与相关地学软件的结合度依然较低，需要研究者掌握平台语言进行开发。这为MAS在城市空间及相关研究应用带来较高的门槛。当前已有地理学者基于MAS开放平台开发出了一些地理研究的专业MAS平台系统，然而这些平台的普及率和在地学研究中的通用性都较低。

多主体系统具有“自下而上”的特点，为复杂性科学研究提供了强有力的工具。随着我国城镇化的高速推进，城市在国家参与全球化竞争过程中，推动国内经济社会发展方面将发挥更重要得作用。当前城市地理研究尺度的上移与下推，多学科的交叉与综合，为城市地理发展带来挑战和机遇。多主体系统的出现为复杂的城市空间现象研究带来可能。通过以上研究表明，多主体系统在国内外城市地理研究中的应用已非常普遍，然而更多集中在中微观尺度，宏观尺度的应用很少。对于传统城市地理研究领域应用较为缺乏。未来基于自主体系统从多尺度构建城市空间模型，将成为城市地理的难点与突破点。然而中国的城市化背景与城市发展环境，使构建我国特有的城市地理理论成为可能。

［1］徐学强，周一星，宁越敏.城市地理学［M］.北京，高等教育出版社.2009.

［2］陈蔚，高晓路，沈振江.多主体系统在城市发展模拟中的应用［J］.地理科学进展.2012，30(06):761 －767.

［3］王铮，吴静.计算地理学［M］.北京，科学出版社.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.基于多主体仿真的西直门立交桥拥塞分析［J］.计算机仿真.2007(10):225－228.

［9］薛领，罗柏宇等.基于 agent的商业中心地空间结构动态模拟［J］.地理研究.2010，29(9):1659 －1669.

［10］杨青生，黎夏.多智能体与元胞自动机结合及城市用地扩张模拟［J］.地理科学.2007，27(4):542－548.

［11］朱玮，王德.基于多代理人的零售业空间结构模拟［J］.地理学报.2011，66(6):796 －804.

［12］龙瀛，毛其智等.城市形态、交通能耗和环境影响集成的多智能体模型［J］.地理学报.2011，66(8):1033－1044.

［13］陶海燕，黎夏，陈晓翔.基于多智能体的居住空间格局演变的真实场景模拟［J］.地理学报.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拟［J］.地理研究.2009，28(1):85－28.

［15］肖洪，田怀玉，朱佩娟等.基于多智能体的城市人口分布动态模拟与预测［J］.地理科学进展.2010，29(3):347－354.