自组织与自组织城市

自组织与自组织城市!

陈

【摘要】自组织理论和方法在当代城市地理学和规划理论的前沿领域有着非常重要而深刻的应用，这方面的研究工作已经有30多年的历史乃至更早。文章评介了自组织城市理论、模型和自组织城市规划思想与方法，解释了自组织概念的基本含义，分别介绍了自组织城市研究的7个重要领域：耗散城市、协同城市、混沌城市、分形城市、细胞城市、沙堆城市以及FACS 和IRN 城市，讨论了基于自组织研究的空间复杂性问题。

【关键词】自组织；自组织城市；城市

SELF ! ORGANIZATION SELF ORGANIZING CITIES !

CHEN Yanguang

ABSTRACT ：Self-organization

is

the central property of city as a com-plex system and it became a leading paradigm in the study of cities and urbanism. In the paper ，the theories and models of self-organizing cities involving seven fields are illustrated ：Dissipative Cities ，Synergetic Cities ，Chaotic Cities ，Fractal Cities ，Cellu-lar Cities ，Sandpile Cities ，FACS （free agents on a cellular space ）Cities and IRN （inter-representation network ）cities. The intersection of the above -mentioned seven fields is spatial complexity reflecting the lev-els of self -organization of cities. KEYWORDS ：

self-organization ；

self-organizing cities ；self-organized criticality ；spatial complexity

! 国家自然科学基金资助项目的部分

内容（项目编号：40071035）。

彦光

城市（megacities ）似乎是不可规

［1］

划的（unplannable ）。”正如气象

【中图分类号】TU984【文献标识码】A 1

引言

2000年，以色列特拉维夫大学地理与人文环境系学者波图戈里（J. Portugali ）发表名为《自组织与城市》的理论专著，协同学的创始人、对自组织城市素有研究的德国著名科学家翰肯（H. Haken ）在为该书作序时指出：“城市是自组织系统”，是一

［1］

种包含革命概念的新思想。实

学家搞了几十年的天气预报，忽然发现长期天气预报是不可能

［5］

一样，这是一个令人气馁的的

消息，但也振聋发聩：地理学家和城市规划师们原本早就应该改变思维方式。

近年来，国外学者已经基于自组织城市的理论研究成果提出了自组织规划（self-organizing planning ）的全新思想，旨在调和“规划”和“不可规划”的理

［1］

论纷争和现实矛盾。对于城市

际上，自组织城市研究可以追溯到艾伦（P. M. Allen ）早年的工作及其与耗散结构理论创始人普里戈金（I. Prigogine ）的合作

AND

［2，3］

。早在1970年中期，艾成果

规划事业而言，自组织规划是一种革命性的思想，毕竟“城市本身是有一定的学习功能的系统，具有一定的自适应性和自组织性。许多规划建设中考虑不到而实际生活中必须解决的问题，往往通过这种功能得以暂时解

［6］

决。”如果自组织城市规划方法

伦就曾基于耗散结构的模拟分析证明：城市是突现（emerge ）于局部行为的自组织结构的深刻范

［2~4］

例。从耗散城市（Dissipative

Cities ）到协同城市（Synergetic 、混沌城市（Chaotic Cities ）

、分形城市（Fractal Cities ）

、细胞城市（Celluar Cities ）

）、沙Cities ，或译“元胞城市”堆城市（Sandpile Cities ）以至

［1］

，自组织城FACS 和IRN 城市

发展起来，其理论意义和应用价值也许更为深远。然而，迄今为止，我国学者对国外自组织城市领域缺乏全面的认识。虽然也有少数文章介绍了国外学术界的有关信息，但论述准确的为数不多，提出创新理论者更其寥寥。事实上，我国学者在提出“淡化现行的城市发展方针”的时候，也就在自觉地运用自组织城市的

［7，8］

有关思想，而“主要经济联

市（Self-organizing Cities ）思想和理论自始至终沿着科学演进的前沿方向逐步成长，而有关成果在理论发展的同时也向传统的城市规划与管理的思想提出了严峻的挑战。

在西方社会，城市规划的制度化历史已逾百年，我国的理论工作者和规划师也早就开始研究和实践城市规划。“然而”翰肯不无遗憾地指出，“规划师的二难困境（the planner ’s dilemma ）正在变得日益明确：城市和超级

系方向”论则是对自组织城市理

［9］论的直接贡献，有关问题今后

还要深入探讨。2

自组织与自组织理论

自组织是开放的复杂系统的基本属性。自组织的理论含义在于：如果向系统注入能量使得一定的参数达到某个临界值，系统往往会自动形成某种秩序和模

型。通俗地讲，当系统演化无需外界的特定干扰、仅依靠系统内部各要素的相互协调便能达到某种目标时，我们说系统是自组织

［10］

。早期的科学家们提出的

表1自组织城市理论和模型的理论基础与创建人

理论基础耗散结构论协同理论混沌数学分形几何细胞自动机模型自组织临界模型细胞空间模型

普里戈金翰肯洛伦兹、约克等

曼德布罗图凌、纽曼等班克及其合作者

纽曼

基础理论的发展者艾伦及其合作者卫里奇、翰肯、波图戈里

及其合作者邓德里诺等

班迪、隆雷、弗兰克豪斯库柯勒里及其合作者，等

班迪及其合作者波图戈里及其合作者

自组织城市类型

耗散城市协同城市混沌城市分形城市细胞城市沙堆城市FACS 和IRN 城市

“自组织”这一概念的原因主要在于发现了系统演化的一个特。性，即非因果律（non-causaiity ）也就是说，在一定条件下，作用于系统的外在力量并不能决定系统的内部行为，而是激励系统自发形成某种有序组织的内在、独立过程。后来的研究涉及到更为复杂的系统演化机制。今天，与自组织有关的概念包括非线性、复杂性（compiexi-（noniinearity ）

、对称破缺、非平衡ty ）

陈

彦光自组织与自组织城市

（noneguiiibrium ）、不稳定（insta-、分形结构与混沌等我们biiity ）

耳熟能详的众多术语。在物理、化学和生物等许多系统中都会发生自组织，特别是当系统被迫远离热力学平衡状态的时候。一个经典的实例是所谓的贝纳德（BEnarC ）元胞! ，这种六边形花样的出现似乎是某种外力作用的结果，但这种外力并不存在———空间秩序自发地产生，这种过程便是自组织。

自组织系统都是进化系统，进化过程曾经令热力学第二定律发生迷惑，这个难题直到耗散结构等自组织理论诞生以后才得以澄清。我们知道，根据热力学第二定律，一个孤立或封闭的系统，熵是单向增加的，即随着时间的推移，系统会变得越来越无序。但是，自组织系统是面向环境的开放系统，它们随时可能与环境交换物质、能量和信息，从而将热力学熵转移到环境。因此，自组织系统有序状态的形成和发展与热力学第二定律并不冲突。

自组织理论包括耗散结构论、协同学、超循环理论、突变论、混沌理论、分形理论、细胞自动机理论（在此基础上发展了广义的细胞自动机理论，即细胞空间理论）、沙堆理论（自组织临界理论）等。这些理论如今构成了阵容强大的自组织学科群，

3.1

当代城市科学的前沿领域正在与这些理论发生意义深远的学术交融。

城市是一种开放的系统，城市时刻都在与环境交换物质、能量和信息。城市生长的过程，本质是一种自下而上的演化过程。城市和城市体系，无论在计划经济时代抑或自由市场国家，都是一种自组织系统，只不过自组织演化能力有一定差别，这种差别通常影响着不同国家城市发展的水平高低及其功能的强弱。近20多年以来，中国城市有两次重大的变化契机：一是1980年代初期的“改革开放”，这项政策使得中国城市由地方性“半开放系统”逐渐变成了社会意义的“开放系统”；二是1990年代初期社会主义“市场经济体制”的确立，这项政策使得中国城市由“自组织能力较弱的系统”逐渐变成了“自组织能较强的系统”。这是中国城市变化的两大关键时期。从自组织的视角可以更为深刻地认识中国城市化过程和城市系统的现实状况，为此我们需要了解自组织城市理论与模型。3

自组织城市理论与模型下面分别论述7种自组织城市模型的主要思想（表1）。

耗散城市

耗散城市是普里戈金的耗散结构（Cissipative structure ）理论在城市和城市体系方面应用的成果，由艾伦及其合作者发展起来。我们知道，1980年代中国地理学界津津乐道的耗散结构理论有两个基本观点：其一，开放

条件下的非平衡和非线性是有序之源；其二，自组织系统通过涨

［11］

。根据这种思想，落达到有序

自组织过程实则“从混沌到有序”的演化过程。普里戈金的自组织理论特别强调耗散过程，一个可取的出发点可能在于波茨曼（Boitzmann ）的有序原理与贝纳

［1］

。熟悉区位德实验的相互结合

论的学者自然会由贝纳德元胞联想到克里斯塔勒和廖什中心地六边形景观。令人惊叹的是，艾伦及其合作者在一系列的研究中借助耗散结构理论模拟生成了静态的克里斯塔勒和廖什中心地空间图式，并发展了若干模型系列处理中心地等级景观，包括城市内

［1，11］

部标度和城市体系。

3.2协同城市

协同城市概念来自协同学在

［12］城市地理学领域的应用。协

同学主要探讨部分、个体、子系统、组群共同工作的规律和机

［13］理。可见，翰肯的自组织理

论着重于一个系统内部各个组成部分的相互关系、相互作用、整合效果（synergy ）及其宏观结构和整体行为。简而言之，协同学的核心方法指南是“寻找宏观尺

［14］度的性质变化”。如果一个非

线性运动方程有许多变量，这些变量可以划分为快变

量和慢变量，而最终只有少数的慢变量才能发展为序参量（orCer parame-ter ）主

宰系统的宏观演化动力

［15］

。可见，决定系统发生临学

界相变的控制参量（controi pa-rameter ）只能是慢变量而非快变量。序参量导致微观个体形成宏

间动力学就是理所当然的事情。3.6

沙堆城市

自组织临界性（seif-orga-nized criticaiity ）是当代复杂科学的重要概念，而沙堆（sandpiie ）则是自组织临界性的典型实例。美国前副总统戈尔（S.

A.

Gore ）在其《濒临失衡的地球》一书中对沙堆理论有较为详细的介绍

［25］

与耗散结构论和协同学之类的“大牌（grand ）”理论相比，沙堆理论的应用范围相对狭窄，但其思想却非常独到。近年来，沙堆城市与分形城市、细胞城市渐趋融合，城市地理学的理论创新必将得益于这种融合。3.7

FACS 和IRN 城市

FACS （free agents on a ceiiuiar space ）意为“细胞空间上的自由智能体”，是一种自组织城市模型的名称；而IRN （inter-repre-sentation network ）则是指“相互表示网络”，描写的是FACS 的动力学

［1］

模型和动力学，波图戈里及其合作者根据自组织思想模拟了城市

［1］

人口迁移动力学。研究发现，

城市动力学必需一种新的城市文化群体的突现，这种新文化群体则是后现代城市和超现代城市的典型现象。4

自组织城市与空间复杂性复杂性是一个系统的自组织水平的度量，“探索复杂性”是新世纪科学的明确主题。自组织城市研究的核心课题之一就是空。间复杂性（spatiai compiexity ）在物理系统中，复杂性总是与破、系坏的对称（broken symmetry ）统在不同状态之间进行相变（phase transitions ）的能力以及空间上的长程相干性（coherence ）等概念有关。对于一个系统而言，不需要太多的自由度，复杂性就会发生。当系统被迫远离热平衡状态并通过自组织进入有序状态的时候，复杂性结构常常出现，前述贝纳德元胞就是一个典型的实例，地理学家和规划师自然由此想到克里斯塔勒—廖什的中心地景观。复杂性科学的兴起主要得益于计算机技术的支持，当一个系统不可能分析地描述的时候，计算机模拟和数值计算就会发挥巨大作用。

空间复杂性研究与前述自组织城市理论和模型是不可分割的，可以认为，空间复杂性是各种自组织城市模型的共同核心。“在怀特（White ）等研究发现，自组织过程中复杂结构的出现取决于有序与无序之间的一种平衡。事实上，进化的结构可以刻画成有序与无序的精巧结

［24］合。”具体到城市问题，也是

，这种理论首先由丹麦

学者班克（P. Bak ）及其合作者

［22］

发展起来。设想一堆沙子! ，

在沙堆上不断添加沙粒。随着沙堆的增长，出现越来越大的沙崩。当沙堆高到一定程（avaianche ）

度，各种规模的沙崩都会出现，于是系统进入一种统计意义的稳

陈

彦光自组织与自组织城市

定状态：关联长度为无穷大。类比于平衡热力学系统可知，这种状态实则一种自组织的临界状态，因为系统进入这种临界状态无需外部力场的调节，似乎是一种不可避免的趋势。沙堆具有两种互不协调的特征：系统在许多区位是不稳定的，但临界状态却

" ：一方是绝对鲁棒的（robust ）

。FACS 城市模型的理

论基础是广义的CA 模型—细胞空间（ceiiuiar space ，CS ）模型以及人工生命（artificiai iife ，A-Life ）等复杂性科学。设想一个两层次的城市游戏（city game ）模型，基础结构（infrastructure ）层次是定义于2维细胞空间上的常规CA 城市，而上层结构（su-perstructure ）则是单个的自由智，这种智能体能体（free agent ）

能够自由地运动于整个“城市”的细胞之间。每个智能体就是一个自组织系统或者潜在的居民：自由智能体有自己过去的经历（有“记忆”），也可以规划自己的未来（有“智力”），还可以有意识的行动（有“目的”）。它们可以看到局部环境之外，但其观察具有主观性并且受制于认知地图（cognitive maps ），由认知地图决定它们在城市中的行动和行为。FACS 城市的动力学可以简单地描述如下：在两种不同层次上有两个自组织子系统，它们共同形成具有内、外两种表示的单一网络，它们的行为则反映一种因果循环即反馈链条。在局部尺度上单个自由智能体表征城市的组成部分，但非普通的组成部分，而是一种自组织系统。单个自由智能体的活动决定城市，而城市可视为智能体行动和行为的外部表示；另一方面，在整体尺度上，作为自组织系统的整个城市又反过来决定个体的内部表示即认知地图，并通过内部表示决定个体的行动和行为。借助上述

面，像沙堆的局部面貌这种特征因为沙崩而随时变化；另一方面，诸如沙崩的规模分布这类统计性质却基本保持不变

［26］

。

由沙崩规模分布的稳定性容易联想到城市规模分布的稳定性。曼登（C. H. Madden ）曾利用1790~1950年10年一次的城市资料进行分析，发现在这160多年的漫长岁月里，城市位序在微观层次上发生过多次交换，但宏观层次上的位序—规模分布则稳定地向前发展，没有发

［27，28］

生明显的类型转变。“对于

人文地理学家和城市化的研究者而言，上述所谓‘沙崩规模分布几乎保持不变’的统计观察结果立即使我们想到熟悉的‘位序—规模法则’之类的实例，根据这种法则城市规模分布在人口持续增长的条件下几乎保持不

［11］变。”像位序—规模分布之类

这种情况：“直观地，我们在城市中看到的复杂性似乎在表达一种有序与无序之间的矛盾运动；经验上则已证明城市具有分形结

［29］

构。”从定量的角度，复杂性

可以定义为自组织系统表明自身的方式数目的对数，或者系统可能状态数目的对数。这种定义显然就是著名的Shannon 信息熵。城市地理系统的Shannon 熵部分是可以计算的，但多数情况下特

的城市地理学规律，过去一直缺乏有效的理论解释，如今自组织临界性可以提供洞察这种规律的全新视角。

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陈

彦光自组织与自组织城市

【作者简介】

陈彦光（1965-），男，地理学副教授，北京大学在读博士。【收稿日期】2003-04-03

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自组织与自组织城市

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

陈彦光北京大学

城市规划

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26. 陈迪 基于PERE区域协同发展的城市成长——简论南京城市成长中的几个主要问题[期刊论文]-现代城市研究 2006(11)27. 余碧波 复杂系统动态仿真技术在城市规划研究中的应用[学位论文]硕士 2005

28. 邹仁爱. 陈俊鸿 城市胁迫发展理论--城市可持续发展的生态学视角[期刊论文]-城市问题 2005(6)29. 杨文 转型期中国城市空间结构重构研究[学位论文]硕士 2005

30. 琼·希利尔. 曹康 绘制青龙:面向中国战略空间规划的后结构主义理论与方法论[期刊论文]-国际城市规划 2010(5)

31. 刘海洋 集群建筑外环境系统研究——以高校新区校园环境为例[学位论文]硕士 200632. 房艳刚. 刘鸽. 刘继生 城市空间结构的复杂性研究进展[期刊论文]-地理科学 2005(6)

33. 赵蕾 构建高速发展的城乡整体生长空间——探索绍兴中心城市城乡空间整体规划[学位论文]硕士 200534. 黄明华 西北地区中小城市“生长型规划布局”方法研究[学位论文]博士 2004

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