第3章城市与区域规划模型系统基础 本章导读 3.1计算机基础 3.1.1硬件 自从20世纪80年代初期IBM推出微机以来，其发展速度遵从摩尔定律，性能日新月异。计算机的性能主要体现在CPU性能。Intel作为微机CPU的最大供应商，其CPU的发展历程基本代表了微机的发展史。Intel已经从最初的8088／8086发展到最近的Pentium Core i7系列及Xeon，2006年以来，处理器领域已全面进入了多核时代，双核和多核处理器能够同时处理多线程任务，大幅提高了计算机的工作效率，性能有了极大的提升。 从表3.1和表3.2中可以看出，Intel CPU从20世纪80年代的主频4.77 MHz，8位的8088，已经发展到了当前的主频3.46GHz、64位多核的Core i7，主频已经提高了近数千倍，可以提供更强的并行处理能力、更高的计算速度和更低的时钟频率，为摩尔定律带来新的生命力，又大大减少了散热和功耗。 表3.1早期部分典型Intel CPU性能比较 位元型号地址总 线/b内部数据 总线/b外部数据 总线/b物理空间工作频率 4位元和8位 元处理器800888816KB500~800kHz 16位元处理器8088201681MB4.77~8MHz 32位元处理器 80386SX24321616MB20~40MHz 80386DX3232324GB25~40MHz 80486SX3232164GB20~50MHz Pentium Pro6464324TB150~200MHz PⅡ/ PⅢ6464324TB>233MHz 资料来源： 笔者整理自wikipedia。 表3.2近期部分典型Intel CPU性能比较 位元型号核心高 速 缓 存工作频率 32/64位元兼容处理器 Pentium Core 2 Duo双核，Kentsfield / Yorkfield 2~6MB L2800~1333MHz Pentium Core 2Quad四核，Kentsfield,Yorkfield4~12MB L22.93~3.20GHz 续表 位元型号核心高 速 缓 存工作频率 64位元处理器 Intel Pentium双核，Clarkdale3MB L3733MHz~1.67GHz Core i3Clarkdale64KB L1 512KB L2 4MB L3530MHz~3.33GHz Core i5Lynnfield/Clarkdale/Sandy Bridge64KB以上L1 512KB以上L2 4MB L32.40~3.33GHz Core i7四核~六核，Bloomfield/Lynnfield/Gulftown/Sandy Bridge等Gulftown为256KB L2 12MB L32.660~3.46GHz Xeon双核~四核，Gainestown256 KB L2 4~8MB L3 资料来源： 笔者整理自wikipedia。 除了Intel公司外，其他兼容CPU厂商，如AMD，Cyrix，IDT等，也推出了Intel Pentium级兼容CPU，并且性能价格比更高。这些供应商一度成为Intel的有力竞争者。尤其是AMD公司，在双核时代后更加凸显了其作为Intel最强竞争者的地位,X86架构下的64位系统就是由AMD首先实现，其Opteron服务器芯片是Intel服务器芯片的有力竞争者。除CPU外，计算机的内存和外存都有了翻天覆地的变化，容量增加了成千上万倍。20世纪80年代微机刚刚推出时，内存容量一般为64kB，存取速度为150~250ns。而当前普通ＰＣ机和笔记本电脑的内存容量就可以高达8GB，存取速度可以达到1.67ns。不仅内存容量的发展势头十分迅猛，硬盘容量也从80年代的10MB，发展到2000年左右的几十GB，再到目前的1~4TB乃至更多，增加了1万倍以上，传输速率可以高达100MB/s以上，固态硬盘(SSD)甚至可以达到500MB/s。同时固态硬盘有取代机械硬盘的趋势，在高端PC上成为常规配置。 当前计算机正向着运算速度快、精度高、存储和记忆能力强、具有逻辑判断能力和高自动化程度发展。计算机硬件的发展趋势，有三点值得注意。其一是大规模的集成电路生产工艺(制程)不断提高，已经从90年代的350nm(Intel奔腾系列CPU)提高到14nm(比如Intel Core系列CPU)。其二是通过研发新型的计算机系统，通过新的思路、新的构架、新的集成方式等来提高计算机的计算和处理能力，人工智能技术的发展和应用，使得计算机系统达到智能化，更为接近于人脑。其三是外设系统更加人性化、智能化、高性能，大量引入触摸屏、VR技术等全新的人机交互模式。这些新的计算机技术的采用，将会极大地提高计算机的性能和易用性。 3.1.2操作系统 微机的操作系统已经从最初推出时的单一操作系统DOS发展到现在的多种操作系统并存的局面，Windows、Mac OS、Linux、UNIX这四种计算机操作系统是当前比较成熟与流行的系统，给用户极大的选择余地。操作系统的性能迄今已有了质的飞跃： 最初的DOS为16位，无网络功能，纯文本界面，单用户，单任务操作系统，功能十分有限； 当前的各种操作系统都提供友好的图形用户界面、多种交互模式，提供无线网络功能，64位的操作系统成为主流，普遍应用多用户、多任务、多线程、远程操作等功能。当前应用较为普遍的操作系统有： Windows 7，Windows 10，Mac OS X，Linux，UNIX(Solaris,AIX,HPUNIX)，基本特征见表3.3。计算机操作系统正向着易用化、多样化、网络化和专业化的方向发展。 表3.3微机操作系统基本特征 操作系统供应商位数用户界面支持多用户、多任务网络功能多硬件平台 DOS Windows XP Windows 7 Windows 10Microsoft 16字符否无否 32图形是有是 32/64图形是强是 32/64图形(支持触屏)是强是 Mac OS XApple64图形是强是 Linux自由软件32/64图形是强多种 UNIX(Solaris, AIX,HPUnix)Oracle,IBM, HP64图形是强多种 资料来源： 笔者整理自wikipedia。 3.1.3编程语言和软件技术 计算机编程语言的历史要比微机早得多，当时运行在主机环境下。最早的编程语言是机器语言和汇编语言，开发效率极低。1957年，第一个成功的高级编程语言——FORTRAN语言的推出，标志着高级语言时代的到来； 20世纪60年代确立了基础范式； 80年代重视模块和性能提升,面向对象编程语言得到广泛应用； 90年代后进入互联网时代，面向对象的网络语言Java迅速普及； 近年来面向函数的编程(functional programming)得到了重视，新面向对象和面向函数的编程语言不断涌现，比如Swift，Scala； 同时原有的面向对象语言也添加面向函数的编程功能，比如Java，C#，ObjectiveC等，详见表3.4。 表3.4计算机编程语言的发展历程 阶段时段代表语言或技术特点 第一代1954—1958 FORTRAN Ⅰ纯数学表达式 ALGOL 58纯数学表达式 第二代奠定基础1959—1961 FORTRAN Ⅱ子程序，多步编译 ALGOL 60模块结构，具有数据类型 COBOL具有数据描述功能和文件句柄 Lisp表处理，具有指针 续表 阶段时段代表语言或技术特点 第三代 确立基础范式1962—1970 ALGOL 68比ALGOL 60更精确 Pascal类似ALGOL 60 Simula具有类和数据抽象功能 面向对象的语言 1972Smalltalk面向对象，交互式 1983C++兼容C，面向对象 1986ObjectiveC扩充C的面向对象编程语言 1991Python面向对象、直译式计算机语言 1995Java纯面向对象语言、平台独立性、多线程、网络功能 2000C#与COM直接集成 软件组件化技术20世纪 90年代 CORBA跨多平台、多语言、安全性 DCOM开发工具强大，现有组件多 JavaBeans平台独立性 专业性程序语言 1974SQL数据库语言 1993R统计分析、数据挖掘、绘图 面向函数和面向对象兼顾的语言2014Swift兼顾面向对象和面向函数编程 编程语言持续在学术及企业两个层面中发展进化，目前的一些趋势包含： 在语言中增加安全性与可靠性验证机制、提供模块化的替代机制、组件导向软件开发、元编程、反射或是访问抽象语法树、重视分布式及移动式的应用、与数据库的集成、图形用户界面等方面。 3.1.4数据库 当前数据库技术的研究热点涵盖了数据仓库、Web数据库、多维数据库与联机分析处理(OLAP)、数据挖掘、工作流管理与多媒体数据库、复杂数据类型、空间存取方法、查询与浏览技术、异构数据库、分布式数据库、对象关系数据库系统、并行数据库等领域。这些数据库技术概括起来，可以分为以下两个方面： 与Internet有关的数据库技术。①数据仓库。数据仓库(data warehousing)是存储供查询和决策分析用的集成化信息仓库。数据仓库的信息来自不同地点的数据库或其他信息源。数据仓库的信息源具有分布和异构的特点，其中的主要信息可以视为定义在信息源上的实体化视图集合。数据仓库系统具有两个主要功能： 从各信息源提取需要的数据，加工处理后，存储到数据仓库； 直接在数据仓库上处理用户的查询和决策分析请求，尽量避免访问信息源。 基于上面的分析，作者概括如下： 数据仓库是以计算机网络为基础的，建立在大量的分布的、同质或异质的数据库基础上的超大数据库系统，它可以生成新的数据库。②Web数据库。随着World Wide Web的迅速扩展，WWW上可用数据源的数量也在迅速增长。人们正试图把WWW上的数据源集成为一个完整的Web数据库，使这些数据资源得到充分利用。目前，Web数据库的研究领域主要是模型和语言问题、Web数据集成问题、查询结果相关度确定问题。 支持新应用的数据库技术。①复杂数据类型。为了支持新一代数据库应用，数据库系统需要支持复杂数据类型(如图像、视频对象、声频对象、时间序列等)，以及相应的数据操纵语言。目前出现了三种支持复杂数据类型的新技术： 直接支持数组类型技术、增强的抽象数据类型技术，以及新的面向对象演绎数据库语言(它是Datalog语言的扩展)。②多维数据库和联机分析处理(OLAP)。多维数据库是支持联机分析处理的数据库。OLAP的概念是由Codd提出的。OLAP要求按多维方式表示企业的数据，使用数学公式或复杂统计分析操作完成数据的联机分析。关系数据库难以有效地支持OLAP。为了满足这一需求，人们提出了多维数据库的概念。在多维数据库中，属性分为两类： 一类是维参数属性； 另一类是度量属性。度量属性函数也依赖于参数属性。③数据挖掘。随着计算机技术和Internet技术的发展，数据资源日益丰富。但是，数据资源中蕴涵的知识至今仍未能得到充分的挖掘和利用。为克服这一问题，近年来兴起了数据挖掘(data mining)技术。数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中提取隐含其中的有潜在利用价值的未知信息的过程。④空间数据库存取方法。空间数据库应用范围日益广泛，现在已经扩展到了机器人、计算机视觉、图像识别、环境保护、地理信息处理等领域。空间数据库和属性数据库有所不同，它数据量大，涵盖信息广，包含附加信息多，因此需要新的数据管理技术。空间数据库的存取方法是关系到空间数据库系统效率的重要问题。此外，还有信息检索与浏览技术和多媒体数据库技术，不再赘述。 近年来的最新趋势是后关系型数据库崭露头角，采用以稀疏数组为基础、集成的面向对象功能为特征的多维模型作为数据库引擎，能够提供高性能和伸缩性，支持应用和数据的复杂性，成为取代传统关系数据库的主要途径之一。 3.1.5Internet技术 进入20世纪90年代以来，随着计算机网络的飞速发展，Internet的用户呈指数式增长，将计算机应用推向了一个新的高度，Internet已经深刻地影响到了人们的生活和工作方式。近年来移动互联网更是风起云涌，智能手机已经普及到城乡的每一个角落。Internet和移动互联网提供的各种服务，诸如网页浏览、电子邮件、文件传输、云服务、云计算、大数据、信息搜索、视频会议、数据仓库、信息挖掘、电子商务等，使得信息共享、信息发掘和知识发现(利用已有信息提取新的信息)成为可能，互联网已经成为人们生活中不可或缺的技术手段。Internet为教育、科研的发展也创造了良好的条件，进入了信息大爆炸时代。 3.1.6地理信息系统 从软件平台的角度看，地理信息系统是一种对空间数据和属性数据进行管理的特殊性信息系统软件，它能够提供对空间数据和属性数据的输入/输出、管理、检索、分析处理等基本功能，是一种专业化的平台软件。一个特定的地理信息系统是用特定GIS软件为平台组织起来的数据系统。近年来，GIS的应用领域不断扩大，不仅广泛应用于国土资源、环境、城市与区域规划、交通运输、工程建设、测绘制图、国防治安等领域，而且也借助移动智能终端设备普及趋势，广泛应用于日常生活中的卫星定位、即时地图、手机导航、位置社交等方面。 GIS数据库技术和Internet技术，表现在以下几个方面： ①应用数据库管理空间数据。传统的GIS的属性数据采用关系型数据库系统管理，而空间数据则采用文件管理，效率低。一种发展趋势是采用扩展关系数据库或者直接采用面向对象数据系统管理空间数据。②软件组件技术和OpenGIS。主要的GIS软件供应商都推出了各自的基于软件组件技术的GIS组件，开发者可以根据各自的需要拼装出满足各自需求的GIS软件，比如ESRI的ArcGIS和MapInfo公司的MapInfo等。③WebGIS和Internet。Internet／Intranet的发展对GIS的影响深刻，目前一种适用于Internet环境的GISWebGIS、地图应用已蔓延于网站，如谷歌地图、Google Earth等。WebGlS就是浏览器技术和GIS软件的结合，用户通过浏览器或移动智能终端设备运行服务器上的GIS软件。WebGIS采用的技术主要有两种： 一是在服务器端应用CGI技术将运行结果变为图像文件，然后传递到浏览器中； 另一种方法是利用Java等技术扩展客户端浏览器的功能，将矢量数据传递到客户端处理。后者的效果优于前者。部分WebGIS服务提供商，如谷歌地图和OpenLayers等还公布了API，提供街道地图、天线/卫星图像、地理编码、搜索和路由的功能，供用户创建自定义的应用。 3.2城市与区域规划理论基础 3.2.1规划的含义 当前，人们已经就规划的主体达成共识，即规划的主体是过程而不是结果。但是，对于规划的定义，不同的规划理论流派仍然存在着较大分歧。不同的学者给出了规划的不同定义。“规划就是预期地达到某种目标，它是通过将人的行为有序化而实现的”(Hall，1974)； “规划是一系列我们可以实施的行为的安排，它能够引导我们达到既定的目标”(Churchmann，1968)； “一系列的策略选择，它需要对未来的预见能力，同时也需要对无法预料的事件的适应能力”(Friend and Jessop,1969)； “规划是这样的一个过程，它在预期目标的指导下，为将来的行为提供一系列解决办法”(Dror，1973)。将这些规划理论家的思想归纳起来，可以认为，规划是“一种特殊的决策和实施的过程”(Webber，1973)； 它是“采用科学方法……以制订策略”(Faludi，1973)，并且“包括采用科学知识来解决问题，达到某一社会系统的目标”。何利等人给规划下了一个更为确切的定义，即“规划是由特定组织实施的，由规划者完成的，以一定目标为指导的一种特殊类型的社会活动”(Healey,et al.,1981)。 3.2.2规划理论 规划需要科学哲学理论的指导，同时也需要其他学科的理论、观念、方法和定律。在规划理论发展过程中，吸收了其他科学的概念和原理，其理论核心包括了地理学、经济学、政治学、心理学和社会学的内容。因此，尽管我们可以称为规划理论(theory of planning)，但更确切地说，应该叫作规划中的理论(theories in planning)。规划理论从其创立之始，为了使得自身更加科学，就不断地从其他学科引进方法、概念以至整个理论结构，其中借鉴最多的学科是物理学和生物学，因为这些学科相对精确、客观和中立。规划理论主要通过两种方式借鉴自然科学理论，其一是出于解释目的借鉴其他学科的思想； 另一种方式是直接引用其他学科的各种公式、模型、理论和方法来解决具体问题。直到20世纪70年代，城市与区域规划理论领域一直被两种主流(paradigms)理论所统治。一种理论将规划视为城镇的三维设计，即所谓的城市设计流派(urban design tradition)； 另一种即过程规划理论(procedural planning theory)，将规划看作一种普通的社会管理过程。到了20世纪80年代，城市与区域规划理论多元化，除了过程规划理论外，还逐步形成其他六种主要的规划理论，即： 渐进论和其他决策规划方法、政策与实施理论、社会规划和呼吁规划、政治经济学方法、新人文主义和实用主义理论。这些规划理论和过程规划理论都有着某种程度上的联系，这些理论要么是对过程规划理论的继承，要么是在否定的基础上又有所发展。这些理论之间的关系如图3.1所示(实线表示继承，虚线表示否定)。 图3.1规划理论间的关系（Patsy Healey,1980） 凯姆西斯(M.Camhis)根据主要的规划理论，按照与科学哲学的渊源关系，将规划理论划归三大理论体系，即理性唯心论、非理性唯心论和唯物论。其中属于理性唯心论范畴的规划理论包括理性综合规划(rational comprehensive planning)、渐进论(disjointed incrementalism)和综合审视(mixedscanning)三种规划理论，分别与证实论(verificationism)、证伪论(falsificationism)和科学研究的方法论(methodology of scientific research programmes)三种哲学方法论相对应； 属于非理性唯心论的规划理论是交互规划(transactive planning)，有时也称为新人文主义规划理论，它和无政府主义理论(anarchistic theory of knowledge)相对应； 马克思主义城市规划理论是唯物论规划理论。上述规划理论及其与科学理论的关系如图3.2所示。 理性综合规划的理论基础是证实论哲学，它假设规划者对规划对象信息的掌握尽可能丰富，因此它受到的最大批评正是这一假设。Etzioni指出，决策者不可能获取足够的信息，用以判断各种规划方案的效果，并且决策者也不知道到底掌握多少信息才是足够的。理性综合规划的理论框架如图3.3所示。 图3.2规划理论关系图(Camhis,1979) 图3.3理性综合规划和证实论（Camhis,1979） 渐进论规划理论的哲学基础是证伪论。渐进论是由Lindblom提出的，它和波普尔的分步社会工程(piecemeal social engineer)有着密切的联系。渐进论在形成过程中借鉴了波普尔的《历史论的贫乏》(The Poverty of Historicism，Poper,1969)和《开放社会及其敌人》(The Open Society and its Enemies，Poper，1965)。证伪论，作为一种科学和非科学的界定准则和重要的科学方法，是由波普尔在其著作《科学发现的逻辑》(The Logic of Scientific Discovery，1968)和《推测和辩驳》(Conjectures and Refutations，1972)中阐述的。 有趣的是，渐进规划理论虽然没有在规划理论中被称为主流，可是波普尔的证伪论却被作为一种科学方法而广泛接受。A.G.Wilson,J.K.Friend和Faludi等学者都高度评价了证伪论作为一种科学方法的重要性。G.Chadwick在他的《规划的系统观》(A systems View of Planning)中，借鉴了波普尔的证伪论的大量思想，承认波普尔的观点： “科学成果，不仅可以在大量观测的基础上进行归纳和推论，也可以进行推测和否定； 我们首先提出假设，然后检验这些假设并设法否定它。”Chadwick认为，科学探索的过程可以总结为： 提出假说→观察→检验假说→修正假说→观察→……Chadwick将证伪论和系统理论相结合，提出了一种系统规划模型(图3.4)。 图3.4基于科学方法的理性规划模型(Chadwick,1971) 综合审视规划理论是理性综合规划理论和渐进规划理论的综合，是由Etzioni提出的。Etzioni认为该规划理论克服了理性综合规划理论和渐进论的一些缺点，它既不像理性综合规划理论那样精细、空想和不切实际，也不像渐进论那样保守、短视和以自我为中心。因此，综合审视规划理论更加实际和灵活。综合审视规划理论的哲学基础是科学研究的方法论(methodology of scientific research programmes)，二者有着相似的理论结构。综合审视规划理论的逻辑结构如图3.5所示。 图3.5综合审视规划（Camhis,1979） 交互规划理论或新人文主义规划理论是由弗雷德曼等人(Freidmann,et al.,1973)提出的一种激进规划理论，认为规划应该以基于个人关系的社会组织结构为基础。该理论的基本框架是具有单元结构的小规模社会团体，具有自我组织、自我负责的能力，其中的个人乐意学习如何一起相处，谋求共同利益但尊重个人。新人文主义规划理论和知识的无政府主义哲学思想一致。 这些规划理论，不仅对于城市与区域规划具有一定的指导作用，而且对于规划中模型的选择也具有参考价值。 3.3数学基础 城市与区域规划模型是应用规划理论建立的数学模型,因此，城市与区域规划模型建模的一个重要基础就是数学方法。城市与区域规划模型中采用的数学方法除了基础数学方法(包括代数、矩阵等)、微分方程和差分方程方法外，还经常用到概率论、数理统计学方法、模糊数学等。同时，一些特定的数学建模方法，诸如灰色系统理论、运筹学等建模方法也在城市与区域规划建模中被广泛应用。 3.3.1概率论和统计学 概率论和统计学方法的研究对象是随机事物及其变换规律。社会系统中的一些现象和过程，比如个人的空间选择行为，用一般的数学方法难以表达，这就需要采用数理统计方法。又如，对人口普查等数据的处理，又是典型的统计学的应用领域。因此，统计学及其理论基础概率论是城市与区域规划建模中经常采用的数学方法。20世纪60年代，统计方法在城市与区域研究中广泛应用，其后，虽然新的方法和模型不断出现，但数理统计方法一直在城市与区域规划领域占有一定的地位。特别是多元统计分析，作为统计学的一个重要分析，其实用性更强。多元统计分析方法，是城市与区域规划中进行分析和决策的重要工具，提供的各种统计方法各有其应用场合。回归分析是研究事物之间变换规律的有效手段； 判别分析和聚类分析是区划中经常采用的方法； 主成分分析和因子分析是因素综合或揭示多个因素之间的联系的有效方法； 相关分析则是分析各个因素之间的相关性的得力工具。 3.3.2模糊数学和灰色系统理论 模糊数学 模糊数学是美国自动控制学家L.柴德1965年创立的，他提出了用模糊集合(fuzzy sets)来描述模糊事物的数学模型。现在，模糊数据已经在社会学、经济学等多个研究领域内得到应用。模糊数学的基础是模型子集及其运算、模糊关系和模糊变换。模糊数学的一些模型，比如模糊聚类、模糊综合评价等，在城市与区域规划中得到了广泛的应用。和灰色系统理论是定性与定量分析相结合的数学方法，对于城市与区域规划这样的存在大量定性因素的应用领域，其重要性更为显著。灰色系统理论是我国学者邓聚龙提出的一种系统建模方法，是控制论和运筹学方法相结合的产物。灰色系统理论认为，包含未知或不确定信息的系统为灰色系统，其研究内容包括灰色系统建模、灰色关联度分析、灰色预测、灰色决策，等等。其中灰色系统模型(gray dynamic model)是将时间序列直接转换为微分方程，是灰色预测的基础； 灰色关联度分析是分析系统内部各因素关联性的一种度量，是灰色系统预测、决策、分析、建模的先决条件。因此，可以说灰色关联度分析是灰色系统理论的基础，而灰色模型是其核心。按照灰色系统理论，城市和区域系统多数情况下可以看作灰色系统，因此灰色系统方法，比如灰色预测、灰色关联度分析、灰色决策、灰色聚类分析等都可以应用到城市和区域规划领域。 3.3.3运筹学 凡是需要做出肯定决策的任何问题都是运筹问题，虽然该类问题无时不在，但是运筹学(operations research)作为一个学科出现还是“二战”以后的事情，其发展得益于计算机科学的迅速发展。运筹学是一门多学科交叉的定量化决策科学，它充分利用了数学、计算机科学和其他科学的新成果。运筹学是以建立数学模型为方法，以最优化技术为基础，为管理和决策服务的一门应用学科，因此运筹学的许多模型被广泛应用到城市与区域规划中，比如线性规划、动态规划、网络分析等。