劉新建

(河北省高速公路石安管理處，河北省 050000)

交通經(jīng)濟帶微觀仿真技術(shù)研究

劉新建

(河北省高速公路石安管理處，河北省 050000)

交通經(jīng)濟帶（Traffic Economic Belt，簡稱TEB)是描繪區(qū)域經(jīng)濟組織形式的經(jīng)濟學概念，它將區(qū)域經(jīng)濟框架構(gòu)成方式應用輻帶狀空間地域信息表述出來。本文應用統(tǒng)計力學中的元胞自動機原理（Cellular Automata，簡稱CA）作為微觀仿真工具，對交通經(jīng)濟帶進行了仿真和探討。

交通經(jīng)濟帶；微觀仿真技術(shù)；元胞自動機

0 引言

交通經(jīng)濟帶（Traffic Economic Belt，簡稱TEB)是以綜合運輸通道為發(fā)展主軸，以軸上及其吸引域內(nèi)的大中城市為依托，通過沿線經(jīng)濟部門的技術(shù)聯(lián)系和生產(chǎn)協(xié)作，由資源、人口、產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)、信息、客貨流等集聚而成的輻帶狀空間地域綜合體，具有明顯的時空演化特性。本文介紹了統(tǒng)計力學中的元胞自動機（Cellular Automata，簡稱CA）理論并初步闡述了交通經(jīng)濟帶的CA模擬，為微觀仿真技術(shù)的經(jīng)濟學應用提供了參考。

1. 交通經(jīng)濟帶基本理論

1．1 交通經(jīng)濟帶的概念

交通經(jīng)濟帶概念目前尚沒有統(tǒng)一的定義，其大致界定為：交通經(jīng)濟帶是以綜合運輸通道為發(fā)展主軸，以軸上或其緊密吸引域內(nèi)的大中城市或城鎮(zhèn)為依托，通過沿線經(jīng)濟部門的技術(shù)聯(lián)系和生產(chǎn)協(xié)作，由資源、人口、產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)、信息、客貨流等集聚而成的輻帶狀社會經(jīng)濟有機體和空間經(jīng)濟系統(tǒng)。交通干線、以二、三產(chǎn)業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)體系、城鎮(zhèn)群是交通經(jīng)濟帶的三個基本要素。其中，交通干線是交通經(jīng)濟帶形成發(fā)育的前提條件；大中城市及城鎮(zhèn)群是交通經(jīng)濟帶的依托，是其發(fā)展的客觀要求和增長核心；產(chǎn)業(yè)集聚、擴散及其結(jié)構(gòu)的演進、升級是交通經(jīng)濟帶得以維持的重要因素，是推進其發(fā)展演化的動力。

1．2 交通經(jīng)濟帶的基本性質(zhì)

交通經(jīng)濟帶是一個具有耗散結(jié)構(gòu)的空間經(jīng)濟系統(tǒng)。這是指交通經(jīng)濟帶是遠離平衡的開放系統(tǒng)，通過與外界不斷地交換物質(zhì)與能量，可能在一定條件下產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，形成新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，并逐步實現(xiàn)從無序向有序，從低層次有序向高層次有序的轉(zhuǎn)化。交通經(jīng)濟帶是由產(chǎn)業(yè)、人口、城鎮(zhèn)、信息、交通基礎設施等要素構(gòu)成的非平衡態(tài)、非線形相互作用的開放系統(tǒng)，它通過內(nèi)部要素的相互親和以及與外部系統(tǒng)物質(zhì)、能量、信息的頻繁交換維系著自身的存在。交通經(jīng)濟帶在橫向和縱向的聯(lián)系中，不斷體現(xiàn)出對區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)的影響和作用，即不斷體現(xiàn)內(nèi)部各要素的整合功能，并實現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)的自組織及有序化發(fā)展。

交通經(jīng)濟帶是一個具有明顯生命特征的社會經(jīng)濟有機體，它的形成是運輸通道與經(jīng)濟活動在空間上長期相互作用的結(jié)果。在其發(fā)展的過程中，城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、社會和文化等活動借助交通體系的技術(shù)創(chuàng)新能量，不斷表現(xiàn)出明顯的集聚和擴散趨向，從而導致經(jīng)濟帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)、總體功能、經(jīng)濟實力、腹地邊界等事項明顯的階段性變化特征；交通經(jīng)濟帶通過與外部系統(tǒng)的質(zhì)能交換實現(xiàn)類似有機體的新陳代謝過程，并在內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出相應的雛形、膨脹、成熟、衰退等生命周期過程與特征。

交通經(jīng)濟帶演化規(guī)律的可知性、宏觀調(diào)控的可能性。交通經(jīng)濟帶是大地域范圍的空間系統(tǒng)，其形成和發(fā)展對區(qū)域、國家經(jīng)濟建設的意義重大。交通經(jīng)濟帶固有的時空演化模式使其形成和演化具有明顯的規(guī)律性，其規(guī)律性通過研究是可知的，摸清了發(fā)展規(guī)律，在市場支配資源配置的條件下，政府可以通過制定總體發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，以基礎設施建設、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、科技傳播轉(zhuǎn)化、城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃為契機，宏觀上把握住交通經(jīng)濟帶的總體發(fā)展水平，綜合運用數(shù)學、經(jīng)濟、法律和行政等手段對其進行重新設計和調(diào)整，并恰如其分地干預其發(fā)展、演變的方向。

1．3 交通經(jīng)濟帶的時空演化特性

交通經(jīng)濟帶隨著工業(yè)化和運輸化的逐步發(fā)展而產(chǎn)生相應演化，其發(fā)展始終伴隨著人口、產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)、信息等要素在空間上沿交通線的大規(guī)模集聚和擴散。交通線或新型運輸技術(shù)的建設與引入，打破了區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)原始的平衡態(tài)均質(zhì)發(fā)展結(jié)構(gòu)。交通沿線空間可達性的提高， 使生產(chǎn)要素集聚和擴散行為變得通達而迅捷，并導致區(qū)域人口、產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)、信息的軸向匯集，交通經(jīng)濟帶隨之起步。極化作用使區(qū)位條件優(yōu)越的中心地依托交通，通過后向聯(lián)系效應不斷吸納鄰近地區(qū)的人、財、物并迅速成長為交通沿線的經(jīng)濟中心。隨著中心城市經(jīng)濟實力的不斷增強，與之存在經(jīng)濟聯(lián)系的地域迅速拓展，交通經(jīng)濟帶的非平衡化發(fā)展特征日益明顯，整個產(chǎn)業(yè)帶進入膨脹增長階段。當集聚達到一定程度時，擴散效應逐漸發(fā)揮主導作用，經(jīng)濟中心以梯度擴散、等級擴散、位移擴散等方式不斷向鄰近區(qū)域傳遞產(chǎn)業(yè)及技術(shù)要素，綜合交通通道的功能完善促使經(jīng)濟帶均衡發(fā)展過程得以相對便捷地實現(xiàn)。當城市間隙原本不發(fā)展地區(qū)接受產(chǎn)業(yè)、技術(shù)等生產(chǎn)要素擴散后經(jīng)濟水平相應提高后，整個交通經(jīng)濟帶轉(zhuǎn)入成熟期并逐漸完成由原始均衡向高級均衡的交替輪回。

2 微觀仿真工具——元胞自動機基本理論

20世紀50年代，John Von Neumann為了模擬生物界的自復制行為，提出了元胞自動機理論。Von Neumann提出的第一個自復制元胞自動機是由二維方形網(wǎng)格組成的，由數(shù)千個基本元胞構(gòu)成自繁殖結(jié)構(gòu)，每個元胞有多達29個可能狀態(tài)。繼John Von Neumann研究之后，另一些學者也遵循同樣的路線進行了元胞自動機理論研究。1968年E.F.Codd以及以后的C.G.Langton和Jubal提出了能夠自復制，且僅使用8種狀態(tài)的元胞自動機規(guī)則。20世紀80年代，HPP-FHP格子氣模型對于Navier-Stocks 方程的數(shù)值解開創(chuàng)了元胞自動機理論在科學研究領(lǐng)域的實際應用,并且由此引發(fā)了在更多領(lǐng)域的廣泛研究。

從結(jié)構(gòu)上看，由自動機首尾相接形成的網(wǎng)絡稱為自動機網(wǎng)絡，當自動機網(wǎng)絡具有空間上的對稱性時，就是元胞自動機。用元胞自動機進行系統(tǒng)模擬的關(guān)鍵是確定“鄰居”范圍、元胞狀態(tài)及演化規(guī)則。其中，“鄰居”是指可對中心元胞下一時刻的取值產(chǎn)生影響的相鄰元胞的集合，在一維元胞自動機中常用半徑R確定鄰居范圍：即到中心元胞距離不超過R的元胞屬于該中心元胞的鄰居。二維元胞自動機中鄰居范圍的確定有多種，在具體應用時還可以根據(jù)模擬對象的特點具體確定其鄰居范圍。元胞狀態(tài)是指刻畫元胞特征的量值，其取值空間又稱為元胞的狀態(tài)空間。演化規(guī)則是一個從中心元胞的鄰居狀態(tài)到中心元胞下一時刻狀態(tài)的映射關(guān)系，決定元胞之間相互作用的方式。

一般認為元胞自動機的特點包括離散性、齊性、并行性、時空局部性、高維性等，實際應用中總是在對現(xiàn)有的標準元胞自動機進行適當?shù)臄U展，以便設計出更加合適的模型。比如，在對經(jīng)驗型市場模型的研究中，每個元胞被設計為面向?qū)ο蟮姆椒▽W中的對象（Object），每個對象都從基本的元胞對象中繼承而來從而具有相同的操作方法和特性。這樣可以在保證標準元胞自動機的基本定義及其操作定義（比如將一個操作普遍地應用于每個元胞）的同時，利用對象的多態(tài)性和封裝性，在其中封裝比較復雜的分類和處理。另外，標準元胞自動機的演化規(guī)則都是確定性的，但是為了模擬具有隨機特性的個體行為，在具體的模擬中引入了隨機的演化規(guī)則，并得出了更加符合實際情況的結(jié)果。

3 交通經(jīng)濟帶微觀仿真

3．1 微觀仿真前提

理性抽象是經(jīng)濟學研究區(qū)別于其他社會科學的最明顯特征，當使用來自于理工類的工具進行經(jīng)濟學研究時，它就成為其中最為關(guān)鍵的一個出發(fā)點。一般來說，通過抽象建立每個交通經(jīng)濟帶的效益模式，然后借助人工智能或者數(shù)學手段尋找在無數(shù)種獨立或者合作形式當中效益最大的一種。很多經(jīng)濟學研究都是基于這種抽象進行的，有些看上去不是那么直接的情況, 也可以歸結(jié)到這個假設中。比如一部車選擇一條高速公路到達指定的目的地，即使從經(jīng)濟學上看不太合算，但是從滿足個人的意愿來看（比如盡快到達）仍然是符合效益最大的理性抽象原則的。但是仍然有一些情況是出乎理性抽象之外的，比如對于不是很重要的出行目的，在選擇出行線路上隨意性是很大的。當然，在以優(yōu)化為目的的數(shù)學或者人工智能手段中，這種隨意性是很頭疼的，但是在CA模擬中，隨機因素的考慮已經(jīng)是一種常用的手段了，在必要時引入隨機因素是有效的而且是不可避免的。

3．2 微宏觀相結(jié)合的交通經(jīng)濟帶CA模擬方法

交通經(jīng)濟帶研究的根本目的就是在指定的框架下尋找最佳的效益或者契約。

而所謂的最佳又與所研究的對象有關(guān)，按照框架中每個個體所做出的最佳選擇往往不是全局的最佳，甚至也不是其個體的最佳。如同“囚徒悖論”里面所表現(xiàn)的那樣，個體的最佳選擇既不是全局的最佳選擇，也不是雙方在合作條件下的個人最佳選擇。因此，當面對多個個體時，所謂最佳仍然是一個大問題，往往需要在理論的指導下借助模擬來進行解決。

當面向微觀個體的時候，其行為規(guī)則和狀態(tài)往往是簡單的；即使個體種類不同，每個種類的個體仍然是簡單的，這就為CA模擬提供了最基本的基礎。當面向全局的宏觀總體時，由于微觀個體的數(shù)目往往比較大，一般認為是所謂的中等數(shù)目，即數(shù)目不太大也不太小。由于難以直接對如此多的個體進行跟蹤分析，以往總是在統(tǒng)計意義上對全局問題進行研究。在元胞自動機對交通經(jīng)濟帶的模擬中，中等數(shù)目的元胞模擬數(shù)量恰恰是合適的一個研究規(guī)模。借助于CA模擬可以做到以相對簡單的個體規(guī)則來設計交通經(jīng)濟帶及其演化規(guī)則，同時在統(tǒng)計的意義上研究宏觀總體的變化規(guī)律。如同在以往研究中所揭示的，簡單的微觀的個體行為規(guī)則往往會造成復雜的交通經(jīng)濟帶總體行為。這種研究結(jié)果同時揭示了這樣一些規(guī)律：復雜的交通經(jīng)濟帶現(xiàn)象背后的本質(zhì)往往是由一些簡單的個體判別規(guī)則帶來的；而一些難以經(jīng)濟學上理解的結(jié)果可能僅僅是因為一定比例的交通經(jīng)濟單位是隨機的而不是按照理性的方法來選擇其交通經(jīng)濟效益的緣故。

4 結(jié)論

元胞自動機作為一種離散的局部動力學模型，很容易描述復雜系統(tǒng)各要素之間的相互作用，不需要建立、求解復雜的微分方程，只需確定簡單的模擬演化規(guī)則即可，非常適合于模擬復雜的交通經(jīng)濟帶系統(tǒng)的時空演化過程。本文針對交通經(jīng)濟帶的特性，提出了CA模擬的前提和方法，為進一步研究元胞自動機的經(jīng)濟學應用提供了有價值的參考。

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TU43

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1007-6344（2015）10-0207-02