潘理虎，秦世鵬，閆慧敏，彭 銳

(1.太原科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100010;3.深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，深圳 518049)

“城市宜居度”是指一個城市或地區(qū)的居民所體驗到的生活質(zhì)量，涵蓋自然因素、建筑因素、環(huán)境因素等，包含安全性、舒適性、便捷性、可達(dá)性、包容性等多個方面[1-2]。其中，城市的安全方面尤其引起了中央和廣大普通民眾的關(guān)注和重視，在近幾年我國中央發(fā)布的城市工作具體部署戰(zhàn)略中，都明確論述了保障居民居住區(qū)安全和加快城市安全性建設(shè)是我國當(dāng)前城市建設(shè)和治理工作中的重要一步，必須抓緊落實[3-5]。

城市宜居度的研究本身屬于復(fù)雜性和交叉性學(xué)科，不可避免涉及到城市學(xué)和社會學(xué)的方方面面。目前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域?qū)τ诔鞘幸司佣鹊难芯恐饕▋煞矫?，一是注重于城市宜居度的解釋與定義，以及如何選取合理的宜居評價指標(biāo)[6-7]；二是采用特定方法分析和評價城市宜居度，例如主成分分析法、層次分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法等[8-9]。縱觀以往研究，多注重于概念分析和整體空間宜居度評價，認(rèn)為社會環(huán)境因素均質(zhì)不變，忽略了城市多種主體的決策行為對于城市宜居度的交互影響，難以反映城市的空間異質(zhì)性和城市宜居度變化的復(fù)雜性。然而，人為因素和主體決策行為的復(fù)雜性是影響宜居度變化不可忽視的重要影響因素，也是最難以分析的復(fù)雜因素。人工社會方法對于研究人類復(fù)雜的微觀行為具有獨特優(yōu)勢，它以計算機仿真為研究手段，以復(fù)雜性科學(xué)為指導(dǎo)思想，通過利用計算機技術(shù)模擬人工構(gòu)造的社會的演化、進(jìn)化、運動過程來探索生物和人類社會發(fā)展的規(guī)律[10-11]。該方法能夠用于刻畫復(fù)雜系統(tǒng)中各實體、各要素的特性以及它們之間的復(fù)雜交互與動態(tài)變化，從而建立一個與現(xiàn)實世界對應(yīng)的人工社會模型，是研究復(fù)雜社會問題的有效途徑。因此運用人工社會方法來分析城市空間環(huán)境的動態(tài)特征與居民活動間的交互影響對城市宜居度的探索有一定的指導(dǎo)意義。

本研究基于人工社會方法構(gòu)建城市安全宜居度人工社會模型對城市安全宜居度進(jìn)行分析與預(yù)測，聚焦多種因素影響下城市宜居度的動態(tài)變化過程，并盡力還原真實社會，對復(fù)雜人為因素和個體決策行為進(jìn)行深入分析與解構(gòu)。本研究采用Repast Simphony仿真平臺構(gòu)建USL-ASM，選取治安、消防、交通、應(yīng)急和居住五項安全指標(biāo)，定義居民、家庭、政府、安全設(shè)施管理機構(gòu)四類實體，以深圳市福田區(qū)為例模擬安全設(shè)施環(huán)境和居民決策行為對城市安全宜居度產(chǎn)生的影響，從而觀察城市安全宜居度的變化方式及其在宏觀上體現(xiàn)出來的規(guī)律和結(jié)果。通過USL-ASM可對不同影響因素下城市安全宜居度的變化情況和發(fā)展趨勢進(jìn)行科學(xué)評價，為城市規(guī)劃與建設(shè)提供科學(xué)建議和決策支持。

1 USL-ASM架構(gòu)

USL-ASM架構(gòu)包括預(yù)處理、模型初始化、人工社會、數(shù)據(jù)管理，如圖1所示。預(yù)處理包含了Agent構(gòu)建和數(shù)據(jù)處理，為模型初始化提供可操作的Agent和地圖數(shù)據(jù)信息；模型初始化包含了Agent初始配置和空間環(huán)境導(dǎo)入，Agent初始配置的內(nèi)容包括Agent的屬性、活動、種類、數(shù)量、相互關(guān)系，空間環(huán)境導(dǎo)入是將處理之后的地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，作為人工社會的空間環(huán)境；人工社會包括Agent、環(huán)境和模型控制單元，Agent和環(huán)境是人工社會的基本組成部分，模型控制單元控制系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)管理是保證模型在運行時，可將大量動態(tài)變化的地圖數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)計分析與可視化表示，以.txt和.xlt格式進(jìn)行存儲，作為模型接下來運行時的數(shù)據(jù)來使用，也是人工社會的信息反饋與調(diào)節(jié)的依據(jù)。

圖1 USL-ASM架構(gòu)Fig.1 USL-ASM architecture

1.1 預(yù)處理模塊

1.1.1 Agent構(gòu)建

Agent構(gòu)建為人類社會的現(xiàn)實實體逐步抽象為計算機可操作的仿真Agent的過程。

現(xiàn)實實體是真實人類社會存在的實體。本研究關(guān)注政府、家庭、居民和安全設(shè)施管理機構(gòu)四類現(xiàn)實實體。政府代表區(qū)域的最高行政單位，可以發(fā)布相關(guān)政策；家庭代表以結(jié)婚和血緣為紐帶的基本社會單位；居民代表家庭成員個體；安全設(shè)施管理機構(gòu)代表對環(huán)境中的各種安全設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)計和管理的單位。

概念A(yù)gent是對現(xiàn)實實體的抽象定義。政府Agent的屬性包括：名稱、坐標(biāo)、行政區(qū)域。活動主要為宜居度統(tǒng)計和政策發(fā)布。家庭Agent的屬性包括：家庭ID、所在柵格編號、所在網(wǎng)格編號、結(jié)構(gòu)、收入、支出、存款、家庭滿意度、家庭偏愛。活動包括出生、死亡、撫養(yǎng)孩子、搬遷、獲取成員信息等。居民Agent的屬性包括：居民ID、所在家庭編號、年齡、性別、學(xué)歷(初中及以下、高中、本科及以上)、收入、支出、居民偏愛?；顒影▽W(xué)習(xí)、生產(chǎn)、消費、滿意度評價等。安全設(shè)施管理機構(gòu)Agent的屬性包括：所在柵格編號、所在網(wǎng)格編號、管理的設(shè)施類型?；顒又饕歉鶕?jù)政府發(fā)布的政策對所轄區(qū)域的安全設(shè)施的改善、修建和拆除等。

仿真Agent為概念A(yù)gent在USL-ASM中的實現(xiàn)，其表示分別為：G(政府)、F(家庭)、I(居民)、M(安全設(shè)施管理機構(gòu))，其主要屬性和方法如表1、表2所示。

表1 仿真Agent 屬性說明

表2 仿真Agent 方法說明

1.1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分利用ArcGIS軟件將地理環(huán)境數(shù)據(jù)(.shp格式數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)化為數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)(ASCII格式數(shù)據(jù))，然后加載數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)并以二維數(shù)組的形式存儲于JVM中，模型運行過程中二維數(shù)組中的數(shù)據(jù)由于Agent的活動而變化，其變化之后的結(jié)果可由模型可視化展示并導(dǎo)出，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可利用ArcGIS軟件進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.2 模型初始化模塊

1.2.1 Agent初始化配置

Agent初始化時，首先獲取Agent的基本信息數(shù)據(jù)， 然后按照仿真Agent的屬性和方法對G、F、I、M四類Agent進(jìn)行初始化。

1.2.2 空間環(huán)境導(dǎo)入

由預(yù)處理模塊處理后的多維數(shù)組數(shù)據(jù)導(dǎo)入Repast Simphony中的GridValueLayer中，為Agent的存在提供空間環(huán)境基礎(chǔ)。USL-ASM在ValueLayerStyleOGL接口中調(diào)整視圖顯示風(fēng)格，從而實現(xiàn)GridValueLayer的顏色顯示。

看似簡單的紙袋市場，其實卻是最復(fù)雜多變的，因為紙袋產(chǎn)品花樣繁多，提帶、表面、底部，處理工藝都不盡相同，但無論如何，正博都會去努力尋找到相應(yīng)的解決方案。

1.3 人工社會模塊

人工社會模塊是人類社會在計算機仿真中的體現(xiàn)，用計算機仿真技術(shù)來模擬現(xiàn)實中人類的決策和行為以及人類和環(huán)境間的交互作用。

1.3.1 Agent決策與交互

Agent G可獲取各層城市安全宜居度信息進(jìn)行排序，并找到城市安全宜居度最低的網(wǎng)格，識別出覆蓋率最低的設(shè)施類型，將信息傳遞給負(fù)責(zé)該網(wǎng)格的Agent M.Agent M接受信息后對其對應(yīng)網(wǎng)格的安全設(shè)施進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)地理空間層次，USL-ASM定義了柵格、網(wǎng)格、街道安全宜居度，SLcell，SLgridi，SLstreeti，JP如公式(1)(2)(3).

(1)

(2)

(3)

其中，celli，gridi，streeti依次代表編號為i的柵格、網(wǎng)格、街道，Qi代表安全指標(biāo)覆蓋率，αi為Qi的權(quán)重，且1≤i≤5，αi累加和為1，Amountcelli，Amountgridi分別代表柵格、網(wǎng)格的數(shù)量。USL-ASM中，Qi動態(tài)變化，變化規(guī)則如公式(4).

(4)

其中，P_lastcell，Pcell分別為柵格內(nèi)上一周期和當(dāng)前周期的總?cè)丝?；Q_lasti為上一周期的指標(biāo)值。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，familyi，celli，gridi，streeti依次代表編號為的家庭、柵格、網(wǎng)格；Amountfamilyi，Amountcelli，Amountgridi分別代表家庭、柵格、網(wǎng)格的數(shù)量。

Agent F根據(jù)搬家欲望MD和收入決定是否搬遷，MD的計算如公式(11).

MD=1-Sfamily

(11)

若家庭的搬家欲望大于搬遷欲望的最小閾值且家庭年收入大于搬遷收入閾值，則遷出。遷入以家庭為單位，遷入總?cè)藬?shù)通過外來人口增長率和空房資源來確定。搬家欲望最小閾值和搬遷收入閾值可根據(jù)城市的不同進(jìn)行調(diào)整。

1.3.2 模型控制單元

模型控制單元為人工社會模塊的正常運行提供操作支持，包括Agent調(diào)度、時鐘控制、環(huán)境控制、狀態(tài)控制、I/O控制、參數(shù)控制、情景模擬。其主要功能如表3所示。

表3 模型控制單元各部分功能

1.4 數(shù)據(jù)管理模塊

USL-ASM在運行中將關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取并以多種形式(.xlt、ASCII、.mov)保存，包括人口數(shù)量、設(shè)施覆蓋率、各層次安全宜居度、滿意度等。

2 USL-ASM實現(xiàn)

USL-ASM運用Repast(Recursive Porous Agent Simulation Toolkit)仿真建模工具，在Eclipse集成開發(fā)平臺基于JAVA語言編寫完成[12]。并結(jié)合ArcGIS實現(xiàn)真實地理數(shù)據(jù)的柵格化，為USL-ASM提供地理環(huán)境和人口分布數(shù)據(jù)，運行界面如圖2所示。界面上方是Repast Simphony工具條，包含模型初始化按鈕、執(zhí)行按鈕等，提供模型基礎(chǔ)運行控制功能；左部是Scenario Tree(場景樹)，包含所有視圖、環(huán)境、數(shù)據(jù)集、圖表的目錄；Scenario Tree右側(cè)上方是Run Options(運行選項)，控制運行次數(shù)和運行時間；Run Options下方是Parameters(參數(shù))，即參數(shù)設(shè)置工具，調(diào)整USL-ASM中的初始化參數(shù)；中間為地理視圖，可觀測五個指標(biāo)和安全宜居度等視圖的動態(tài)變化；右側(cè)為統(tǒng)計圖表，將USL-ASM運行時的各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)以折線統(tǒng)計圖的形式展示。USL-ASM以年為運行周期對深圳福田區(qū)150萬人口進(jìn)行20年仿真，將深圳統(tǒng)計年鑒和實際調(diào)研數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 模型界面Fig.2 Modelinterface diagram

3 仿真結(jié)果與分析

為分析福田區(qū)當(dāng)前發(fā)展情況，設(shè)定生育政策為二胎政策，較差安全設(shè)施覆蓋率每年的提高額在0.1～0.2的范圍內(nèi)波動。此情景仿真結(jié)果如圖3所示。模擬期間人口隨著時間推移而變化，如圖3(c)所示，常住人口穩(wěn)定，總?cè)丝跀?shù)主要受外來流動人口影響而波動。安全宜居度和滿意度呈整體穩(wěn)定趨勢，如圖3(a)(b)所示。20年期間安全宜居度受到人口變化和各類安全設(shè)施覆蓋率的影響，人口小范圍變化使安全設(shè)施資源難以均衡，導(dǎo)致安全宜居度降低。

圖3 當(dāng)前發(fā)展情景模擬Fig.3 Scenariosimulation of current development

為探究外來人口數(shù)的變化范圍對于安全宜居度和滿意度的影響程度，此情景設(shè)定外來人口增長率在 5%～15%范圍內(nèi)波動，其余參數(shù)均按照福田區(qū)當(dāng)前發(fā)展情景設(shè)置，仿真結(jié)果如圖4所示。模擬期間人口隨時間推移，外來人口數(shù)明顯增長，較之于上一情景，總?cè)丝跀?shù)增長400 000多人，如圖4(c)所示。安全宜居度和滿意度在20年內(nèi)整體呈下降趨勢，如圖4(a)(b)所示。這說明外來人口的大幅增長，導(dǎo)致安全設(shè)施資源難以均衡分配，使得人均安全資源占有量減少，安全設(shè)施服務(wù)能力下降。因此，外來人口的增長是影響城市宜居度的重要因素。

圖4 外來人口增長情景模擬Fig.4 Scenario simulation of immigrant population growth

為探究新生兒增加對于福田區(qū)安全宜居度和滿意度的影響，此情景設(shè)定生育政策全面放開，其余參數(shù)均按照福田區(qū)當(dāng)前發(fā)展情景設(shè)置，仿真結(jié)果如圖5.在模擬期間，前3年常住人口增長50 000多人，之后趨于平緩，如圖5(c).這說明生育政策的全面放開，短時間內(nèi)提高了生育率，新生兒數(shù)量急劇增加，之后逐漸平緩。安全宜居在前3年下降明顯，后17年下降較為平緩，與人口變化趨勢一致，如圖5(a).對比外來人口增多情景，此情景中前3年人口數(shù)量增加更快，造成安全宜居度下降更快。因此，短時間內(nèi)人口急劇增加對福田區(qū)造成的壓力更大，安全設(shè)施水平的當(dāng)前水平難以匹配急劇增加的人口，從而加快了安全宜居下降。

圖5 生育政策全面放開情景模擬Fig.5 Scenariosimulation of birth policy liberalization

為探究安全設(shè)施覆蓋率的提高對福田區(qū)的影響，此情景設(shè)定較差安全設(shè)施覆蓋率每年的提高額在0.2～0.4范圍內(nèi)波動，其余參數(shù)均按照福田區(qū)當(dāng)前發(fā)展情景設(shè)置，仿真結(jié)果如圖6所示。模擬期間安全宜居度呈穩(wěn)定上升趨勢，滿意度相應(yīng)提升，如圖6(a)(b)所示。人口數(shù)量變化與當(dāng)前發(fā)展情景基本相似，如圖6(c)所示。較差安全設(shè)施覆蓋率的提高，使安全設(shè)施覆蓋率分布趨于均衡，縮小了各地區(qū)安全設(shè)施服務(wù)能力的相對差距，居民滿意度呈明顯上升趨勢。

圖6 安全設(shè)施覆蓋率提高情景模擬Fig.6 Scenariosimulation of improving safety facility coverage

4 結(jié)論

本文將人工社會理論運用于復(fù)雜城市系統(tǒng)，選取政府、家庭、居民和安全設(shè)施管理機構(gòu)四類實體作為仿真對象，構(gòu)建了城市安全宜居度人工社會模型。模型包括預(yù)處理、模型初始化、人工社會、數(shù)據(jù)管理四部分，對人工社會模型構(gòu)建所需的模塊進(jìn)行了詳細(xì)說明，利于人工社會模型開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。本研究對政府及時了解城市動態(tài)和實施合理政策具有重要的決策支持作用，對宜居城市建設(shè)有一定的參考意義。