面向复杂性的环境规划技术方法创新

曾维华，王金南，邬乐雅，王文懿

(1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京100875;2.环境保护部环境规划院环境规划与政策模拟重点实验室，北京100012)

1 环境规划学的演化历程

传统的朴素环境规划思想自古就有，典型代表就是中国的“风水”与“天人相应，天人合一”学说.我国早在20世纪70～80年代，环境规划就被列入国民经济与社会发展规划;到了90年代环境规划学逐渐形成一门独立的学科，具有综合性、区域性、长期性、政策性等特点.据此，环境规划学的演化历程大致可分为以下三个阶段.

1.1 环境规划学的初级发展阶段

我国古代秉承“天人合一”的思想，认为自然与人有着紧密的联系，强调自然与人的和谐一致，这是维持生态平衡思想的萌芽，有利于保护和有续利用自然资源.然而随着科技的进步与工业的发展，这一朴素环境规划思想被“以人类为中心的理论”所取代，即把人的利益作为最高准则来判定一切事物;一系列的环境污染与生态破坏问题致使环境质量不断恶化，环境承载力与环境功能不断退化，环境公害事件频发，严重威胁着人类健康与生活环境，在此背景下，环境规划开始被广泛关注.

最初的环境规划对象是以人为中心的周边所有物质集合，即人(作为系统)的环境;且以环境污染控制规划为主，目的在于缓解由于社会经济快速发展带来的环境污染问题，规划方案以末端工程治理等补救措施为主，属于社会经济发展约束下补救型环境规划.

1.2 环境规划学的全过程综合发展阶段

尽管人类投入大量人力、物力与财力治理环境污染;但是，不仅没有根治现有环境污染，还出现了臭氧层破坏与全球气候变化等新的环境问题.人类开始反思当今社会经济的发展模式，将地球作为“取料场”和“垃圾场”的传统发展模式必将使地球走向灭亡.我们赖以生存的地球不仅仅为我们提供可利用的资源;同时，还需要维持生态系统的良性循环.为维持人类社会持续稳定发展，不仅应该考虑人对自然的开发利用，更应该重视人与自然和谐相处的能力，必须使人类社会活动适应环境的演化规律.

在上述指导思想驱动下，环境规划进入一个新的阶段.首先，环境规划对象从以“人”为中心的环境过渡到以地球上所有“生物”为中心的环境.环境规划的内涵从被动的末端治理，逐步过渡到主动的全过程防治;从片面的治理污染，逐步过渡到污染控制与生态建设并重.环境规划目标不再只是片面关注环境质量目标，而是综合可持续发展目标，包括社会、经济、资源、能源与生态等各子系统的综合持续协调发展，即社会、经济与环境和谐发展.环境规划方案也不仅仅包括末端污染治理，还包括前端的结构调整，中端的清洁生产.循环经济理念贯穿整个环境规划方案设计的始终.环境规划进入一个新的阶段:全过程综合发展阶段.生态城市规划、循环经济规划与环保模范城建设规划等综合类环境规划就是这一阶段的产物.

1.3 环境规划的复杂巨系统协调持续发展阶段

随着人类认识水平的不断提高，环境规划对象也越来越复杂.无论是流域，还是区域;无论是城市，还是乡村;都是复杂巨系统.因为，当今的环境规划对象不仅仅涉及所有“生物”之环境本身，更多地还要协调人类社会经济行为，协调人与其他生物的关系与行为.环境规划除了外延与空间尺度不断扩大，所关注的时间尺度也在不断增大.时间尺度不仅仅体现在规划期上，更多的是系统可持续发展所涉及的代际公平问题，人类各成员间的平等关系从“代内”扩展到了“代际”，认为在享有自然资源与拥有良好的环境上，子孙后代与当代人具有同等的权利.作为环境规划的一个重要分支，“可持续发展规划”与“代际公平”问题是必须面对的问题之一.

由此可见，环境规划的规划对象，无论从规划内涵，还是时空尺度，都是复杂巨系统.复杂巨系统元素种类数目庞大，内部及外部各素间关系极其复杂，具有非线性、不确定性、多层次性、自组织性等特征;现有的环境规划理论与技术方法很难解决，急需新的面向复杂巨系统的理论方法支撑.

2 环境规划技术方法体系

环境规划技术方法是指在环境规划编制与实施管理过程中用到的技术手段、程序、规则及技巧的总称，是一种环境规划实践方法.人们在环境规划编制与实施管理过程中利用技术、知识和经验，选择适宜的技术方法或创造出全新的技术方法，完成环境规划的编制并实施管理工作.环境规划技术方法很庞杂，总体上可概括为:环境系统工程方法与环境信息学(现代信息技术应用)等.

从环境规划技术路线看环境规划技术方法体系，见图1.

图1 环境规划技术路线及对应的技术方法体系Fig.1 Technological roadmap of environment planning and technological method system

环境规划领域涉及到的技术方法包括:规划信息获取与数据采集技术方法、环境评价与问题甄别技术方法、环境功能区划技术方法、环境规划方案设计方法、环境系统模拟仿真技术方法、环境系统优化决策技术方法、环境系统可视化技术方法、环境规划跟踪评估技术方法等.

3 面向复杂适应系统的环境规划技术方法创新

3.1 面向复杂性的环境规划技术方法框架

面向复杂性的环境规划学理论需要超越传统的还原论和整体论，创立适合的复杂性环境规划技术方法.复杂性科学包含还原论与整体论，但既不等同于还原论，也不等同于整体论，要想实现超越还原论和整体论的目的，就需要把整体论和还原论两种方法论有机结合，取长补短，融会贯通，形成一种新的适合复杂性科学的方法论.首先，在整体论指导下，对系统进行整体认识;然后，自上向下分解，利用还原论方法，研究系统的组成与结构及其各部分的运动规律;最后，自下向上集成，研究系统整体的运动规律.用协同学创始人哈肯在《协同学—自然成功的奥秘》一书中写道:“在纯粹分析思维与整体思维之间架起一座桥梁”，这就是一种融贯思维，复杂性科学的新方法论——融贯论，即把整体论和还原论有机结合，在整体观基础上分析综合并解决复杂性问题.

由此可见，面向复杂性的环境规划学技术方法就是将还原论与整体论相结合的融贯方法，包括微观细化分析与宏观综合集成的结合，定性分析判断与定量模拟优化的结合具体表现为隐喻、基于CAS的环境系统模拟仿真、虚拟现实与综合集成等技术方法.

3.2 环境规划中的隐喻技术方法

隐喻语言作为启示性的科学理论构成要素及组织结构关系的描述方式，也是复杂科学的语言交流工具，其对于科学研究发展的重要性不言而喻.

根据对隐喻在科学创新中的功能和作用的研究，得出隐喻不仅有启发和解释功能(构建科学新概念、解释科学新理论)，同时可以创造出模型、范式或蓝图来综合、定量地描绘环境问题，并适用于多学科交叉领域的研究;因此，将隐喻的概念引入环境规划学创新思维中，以隐喻的手法提出新的思路、新的方法和新的研究手段，可以更好地协调人类社会经济行为，协调人与其他生物的关系与行为，以及人类社会与环境的关系;使人类社会、经济与环境系统更有效地协调持续发展.

环境规划学的研究对象是一复杂巨系统，所以在面向复杂性的环境规划技术方法中，隐喻是必不可少的一部分.隐喻通常由本体和喻体两部分组成，分别对应源事物和目标事物，通过语言工具把源事物和目标事物联系起来，建立概念模型，从而形成一种明暗对照的关系.在环境规划学中一些重要的概念往往都是隐喻性的，如环境承载力，生态承载力，生态足迹，碳足迹，城市生命体征，河流健康，生命周期评价等.通过引入这些概念，可以从整体上把握复杂环境系统，构造系统和认识复杂性，建立复杂环境系统的科学模型，是环境规划学创新的起点.隐喻的结果就是创新，让我们看到了新的联系，加快了创新的过程.

3.3 基于复杂适应系统理论的环境系统模拟仿真方法

复杂适应系统(Complex Adaptive System，CAS)是20世纪后期涌现的一种新概念范式，自从霍兰于1994年提出，引起了学术界的广泛关注，基于CAS的模拟仿真研究成为当代复杂性科学的研究热点.

适应性造就复杂性是复杂性适应系统的基本思想.适应性集中表现为系统要素经过交互作用后的行为方式，如果把系统中要素称为具有适应性的主体(Adaptive Agent)，那么复杂适应系统就是在主体间的适应性基础上派生出来的，即通过系统主体之间相互“学习”与“总结经验”，从而结合自身情况改变组织结构与相应的行为方式，进而产生新的层次结构与多样性，形成系统的演变与进化.

通过CAS理论，可以把复杂人类社会、经济与环境系统的组成要素理解为具有主动适应能力的主体，引入状态变化的“涌现”(Emergence)概念，使从简单中能够产生复杂的观念得到支持.由此，赋予组成环境系统的主体(Agent)以简单的规则和关系，通过仿真来重现环境系统的复杂现象.自下而上建模主要在于构造具有相对简单行为的Agent，并且建立相应规则，于是环境系统的复杂行为就来自于建立在规则之下Agent之间的交互.

基于CAS的环境系统仿真其优点首先在于通过对复杂环境系统中各主体之间及其与环境之间的交互的模拟仿真，对系统组成与其间运动规律的认识更科学合理，可以解决传统系统方法无法解决的复杂系统运动规律问题;其次是可以将环境系统的微观行为和宏观“涌现”现象有机地结合到一起，在仿真模拟环境系统中的动态行为同时，模拟解释环境系统的宏观“涌现”行为;最后是在仿真过程中环境系统主体和模拟仿真人员可以方便地进行交互，可以方便地调整模拟仿真方案，确定最佳或满意的环境规划方案.

3.4 虚拟现实技术方法

虚拟现实技术以仿真技术为基础，综合了计算机图形图像处理、可视化技术、传感技术、位置跟踪技术、人-机交互及控制与通信等现代技术手段，是一种新颖的三维空间环境再现技术.

虚拟现实技术方法利用计算机营造一个可以自然交互的三维虚拟世界，能展现特定的环境系统，又能重构纯粹的虚拟环境系统，具有三方面的涵义:

(1)虚拟现实技术通过计算机生成与现实非常相像的虚拟环境系统，使人们能真实感受到环境系统的存在;

(2)实验者可以通过计算机对虚拟环境系统中的各要素进行操作，改变输入与输出，并从虚拟环境系统中得到实时反馈，了解环境系统各要素的变化情况;

(3)虚拟环境系统中的各要素遵循在现实环境系统本身的客观规律，环境系统人员将环境系统中研究的各要素行为与状态数字化;在此基础上，采集多源信息，存储到多元信息数据库中，经过加工处理，将环境系统的运动规律展示给决策者.

作为复杂巨系统的环境规划对象，无法用传统的方法对它进行实验，借助虚拟现实技术方法弥补了无法直接实验的缺憾，使得对于环境系统的实验检验变为可能.随着IT技术的飞速发展和广泛应用，虚拟现实技术已经开始应用于环境系统分析评价、环境系统模拟预测、环境规划与决策等环境规划实践工作.具体应用包括:环境系统空间浏览、环境系统数据统计及查询、环境系统动态模拟和环境系统三维分析及可视化等.基于虚拟现实技术的环境空间浏览功能既可以从不同视角及方向来观察环境系统，又可观察环境系统中三维主体的特征，并可以对特征参数进行实时修正.环境系统数据统计分析不但可查询和统计二维数据，还能查询和统计三维数据及相关属性.环境系统动态模拟功能通过使用旋转变换、层次变换、可视化技术等可达到三维物体的动态实时立体模拟.虚拟现实技术为真正的三维空间分析和显示提供了技术支持，能快速接受和处理三维的空间数据，并进行三维空间分析和显示.

在具体环境规划过程中，虚拟现实技术可以以宏观的视角，全面考察所规划的环境系统，对之进行分析，甄别存在的瓶颈环境问题;进一步，对环境规划目标、规划任务与规划方案等进行实景模拟，从多个方案中选择综合效益最好的规划方案;最后，还可模拟该方案实际执行过程，确定规划实施过程中可能出现的问题，辅助决策者进行规划决策.

3.5 综合集成技术方法

对于开放的复杂巨系统，钱学森于20世纪80年代提出了“从定性到定量的综合集成方法”，后来逐步发展成为“综合集成研讨厅”体系方法论.这是一套从整体角度来分析和解决问题的方法，通过人-机结合以人为主的研究方式，综合集成不同主体、不同层次、不同领域的知识信息体系，从而实现对系统整体的量化研究.具体表现为将专家评估、研究数据、信息共享和计算机技术有机结合起来，充分发挥系统的职能优势与整体优势，综合集成一个高度智能化的人-机结合系统.

环境规划对象同样是一开放的复杂巨系统，其成分异常复杂多样，其间关联关系复杂多变;而且又是开放的;所以，编制环境规划离不开综合集成技术方法.环境规划的综合集成技术方法包括五方面内容.

首先，交叉学科的综合化，环境规划是需要各相关学科的综合交叉，需要多学科的协同合作.其次，是专家经验的综合化，环境规划涉及很多领域，这些领域的专家都对自己相关领域问题有着独到的见解和经验，这对于环境规划目标与规划方案的制定十分重要的.因此需要通过集成的方法，把分散且直觉式的定性判断转化为系统全面并能科学指导实际应用的理性知识.第三，是定性与定量方法综合化，在环境规划编制中，定性评估与定量研究都有很重要的应用，二者缺一不可，应该将其有机地结合起来，构成定性与定量综合集成方法，以整体优势和效益来选择最佳或满意的可行性环境规划方案.第四，现代信息技术手段的集成化，目前的环境规划过程中常用到的信息技术手段主要包括地理信息系统技术、遥感技术、环境决策支持系统技术和专家系统技术，它们既有共同的功能，也各具特点.最后，是人与机器体系的综合集成.由于环境规划工作的复杂性，再先进的计算机信息手段，也不能够独立去自动思维、处理和解决一些非平衡性的、突发的、偶然的、非线性的、非结合化的问题;其决策过程必须要有人的参与，人与计算机技术的结合十分重要.人-机结合应该表现为人与整个集成系统的全面高效配合，其中人负责复杂的高层次的协调与决策，计算机负责重复繁重的信息存贮与计算.

钱学森提出的“综合集成研讨厅”体系的思想是一种针对开放的复杂巨系统的开放系统.为了实现所有要素的合理配合与高效运行，需要建立一个统一的集成体系，为实现以上初步集成工作的二次集成，设立“环境规划综合集成研讨厅”这一集成环境.首先通过环境规划综合集成研讨厅把环境规划目标、规划方案，以及涉及的环境信息、技术方法与环境规划者及管理决策者联系起来，辅助确定合理的环境规划目标与最佳或满意的可行的环境规划方案.其次，环境规划综合集成研讨厅可以实现多种研究认识的交流与探讨、多种规划技术的配合与发展、多种集成方法的学习与互补.最后通过环境规划者与管理决策者的多次研讨，多种方法技术的反复模拟试验，实现环境规划过程中的观察评价与分析，模拟预测与调控，优化与决策，从而实现环境复杂巨系统的可持续发展.

4 结论

环境规划的复杂巨系统协调发展是环境规划学未来的发展方向.面向复杂适应系统的环境规划技术方法创新有利于理清复杂巨系统内部及外部各要素间的复杂关系，主要方法包括隐喻、基于CAS的环境系统模拟仿真、虚拟现实技术和综合集成技术，这四种方法既相互联系又有所区别，将还原论与整体论相结合，在整体分析综合的基础上共同解决环境规划的复杂性问题.一套完整的面向复杂性的环境规划技术方法体系将为未来环境规划学的发展提供强有力的科技支撑，也是未来环境规划学发展的必需工具.

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