清華新聞網(wǎng)12月10日電 近日，電子系城市科學(xué)與計(jì)算研究中心研究成果首次建立了從微觀(guān)人類(lèi)移動(dòng)行為到宏觀(guān)城市演化規(guī)律的關(guān)聯(lián)，揭示了復(fù)雜城市宏觀(guān)演化規(guī)律從微觀(guān)移動(dòng)行為的涌現(xiàn)機(jī)制，并構(gòu)建了基于人類(lèi)移動(dòng)行為的城市演化模擬仿真平臺(tái)。該成果拓寬了傳統(tǒng)建模城市演化規(guī)律的統(tǒng)計(jì)物理模型，首次建立了溝通個(gè)體移動(dòng)行為與城市演化規(guī)律的理論橋梁，使得在城市規(guī)劃與治理中考慮與微觀(guān)城市居民行為的相互作用成為可能。
城市是人類(lèi)和資源在時(shí)空上的聚集，其為大規(guī)模社會(huì)協(xié)作和基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)用提供了便利條件，能顯著地提升社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，因此城市化在近代以來(lái)成為了席卷全球的大潮流。早在1898年英國(guó)城市規(guī)劃學(xué)者埃比尼澤·霍華德（Ebenezer Howard, 1850-1928）提出了花園城市（Garden City）模型，其將理想城市構(gòu)想為對(duì)稱(chēng)的同心圓結(jié)構(gòu)，以期最大化土地和基礎(chǔ)設(shè)施的使用效率，并有效抑制貧民窟、城市蔓延等問(wèn)題。然而，隨著近幾十年來(lái)大規(guī)模城市數(shù)據(jù)的廣泛采集，大量實(shí)證研究顯示城市演化過(guò)程中存在顯著的分形（Fractal）現(xiàn)象，表明城市演化是一個(gè)由自底向上驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)，與自頂而下規(guī)劃的完美幾何布局存在顯著差異。邁克爾·巴蒂（Michael Batty）等研究者提出城市演化規(guī)律應(yīng)由普遍存在于城市數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律加以刻畫(huà)，其中已廣泛驗(yàn)證的有：城市面積分布的齊夫定律（Zipf's Law），城市面積與城市人口間的超線(xiàn)性關(guān)系，以及城市人口的負(fù)指數(shù)空間分布。
(A)霍華德提出的花園城市模型。(B)1991年倫敦市人口分布熱力圖。
近年來(lái)，研究者嘗試從復(fù)雜系統(tǒng)角度建立統(tǒng)計(jì)物理模型來(lái)刻畫(huà)城市演化中存在的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。邁克爾·巴蒂等人引入了擴(kuò)散限制凝聚（Diffusion-limited Aggregation）模型將城市的演化建模為物理粒子的隨機(jī)聚集，成功模擬了城市演化中的分形現(xiàn)象。赫南·馬可斯（Hernán A. Makse）等人建立了相關(guān)滲透模型，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了城市演化中城市面積分布的齊夫定律。然而，這些物理模型對(duì)城市演化中多維度規(guī)律的預(yù)測(cè)能力仍十分有限，其背后的社會(huì)、個(gè)體行為機(jī)制尚不清楚，難以轉(zhuǎn)化為可解釋、可執(zhí)行的公共政策。如何建立微觀(guān)的個(gè)體行為與宏觀(guān)的城市演化規(guī)律間的關(guān)聯(lián)，是物理學(xué)、信息學(xué)、行為學(xué)等學(xué)科學(xué)者共同關(guān)注的“城市科學(xué)”交叉領(lǐng)域十幾年來(lái)一直未能突破的重要科學(xué)問(wèn)題。
（左）綜合建模移動(dòng)記憶機(jī)制和社會(huì)交互機(jī)制的協(xié)同移動(dòng)模型。（右）基于協(xié)同移動(dòng)模型的多智能體城市演化框架。
電子系城市科學(xué)與計(jì)算研究中心從2014年開(kāi)始研究城市演化客觀(guān)規(guī)律和城市環(huán)境中的人類(lèi)移動(dòng)行為模式。研究中心李勇副教授帶領(lǐng)課題組博士生徐豐力等人，在模擬大規(guī)模城市居民移動(dòng)行為的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)社會(huì)交互和移動(dòng)記憶是預(yù)測(cè)城市演化規(guī)律的兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。社會(huì)交互機(jī)制使得已發(fā)展城市區(qū)域能吸引更多人口流入，通過(guò)人-地的偏好訪(fǎng)問(wèn)形成空間距離上強(qiáng)相關(guān)的城市演化，從而成功預(yù)測(cè)城市區(qū)域的分形現(xiàn)象。移動(dòng)記憶機(jī)制則預(yù)測(cè)城市居民會(huì)較大概率重復(fù)訪(fǎng)問(wèn)曾經(jīng)到訪(fǎng)過(guò)的地點(diǎn)，這使得城市系統(tǒng)會(huì)始終圍繞在一個(gè)穩(wěn)定、密集的中心區(qū)域周?chē)?，不?huì)分裂為若干孤立系統(tǒng)?；谶@一洞察，課題組創(chuàng)新地提出了能同時(shí)建模社會(huì)交互機(jī)制和移動(dòng)記憶機(jī)制的協(xié)同移動(dòng)模型（Collective Mobility Model），并基于該移動(dòng)模型建立了多智能體城市演化模型。理論分析表明該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市演化中的分形現(xiàn)象和三大發(fā)展規(guī)律。課題組還克服了大規(guī)模多智能體系統(tǒng)仿真效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)了高效采樣算法，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模城市系統(tǒng)的演化預(yù)測(cè)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提模型在預(yù)測(cè)城市區(qū)域分形現(xiàn)象和宏觀(guān)統(tǒng)計(jì)規(guī)律上顯著優(yōu)于已有模型，為關(guān)聯(lián)宏觀(guān)層面的城市演化和微觀(guān)層面的個(gè)體移動(dòng)行為提供了一個(gè)理論橋梁。
（A-C）美國(guó)、英國(guó)和柏林區(qū)域的城市演化規(guī)律：A 城市面積分布，B 城市人口密度與城市面積關(guān)系，C 城市人口密度分布。（D-E）不同人類(lèi)移動(dòng)模型預(yù)測(cè)的城市演化規(guī)律：D 城市面積分布，E 城市人口密度與城市面積關(guān)系，F(xiàn) 城市人口密度分布。
該成果以“人類(lèi)移動(dòng)行為涌現(xiàn)城市發(fā)展規(guī)律”（Emergence of Urban Growth Patterns from Human Mobility Behavior）為題在《自然·計(jì)算科學(xué)》（Nature Computational Science）上在線(xiàn)發(fā)表。該成果首次建立了從微觀(guān)人類(lèi)移動(dòng)行為到宏觀(guān)城市演化規(guī)律的關(guān)聯(lián)，從復(fù)雜系統(tǒng)的角度揭示了城市宏觀(guān)演化規(guī)律從微觀(guān)移動(dòng)行為的涌現(xiàn)機(jī)制，據(jù)此建立的城市演化模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市演化的未來(lái)走向及其在多維度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。所建模型在宏觀(guān)層面的預(yù)測(cè)能力和在微觀(guān)層面的可解釋性，使得在城市政策制定中既能充分評(píng)估城市未來(lái)的演化態(tài)勢(shì)，又能綜合考慮與微觀(guān)個(gè)體行為的相互作用，有效支撐科學(xué)、靈活、精準(zhǔn)的城市治理。
清華大學(xué)電子系城市科學(xué)與計(jì)算研究中心博士畢業(yè)生徐豐力為論文第一作者，清華電子系李勇副教授、金德鵬教授、陸建華教授，邁阿密大學(xué)宋朝鳴副教授為共同作者。該研究成果得到了科技創(chuàng)新2030—“新一代人工智能”重大項(xiàng)目和自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s43588-021-00160-6
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：呂婷
