復雜城市系統(tǒng)分形結構及其發(fā)展模式.pdf

1、作為現代社會最為突出的特征之一，城市化進程受到廣泛關注。由于影響因素眾多，同時又難以像自然科學一樣進行實驗，對城市這一復雜問題的研究相當困難。城市化和城市集聚過程的研究已吸引了眾多科學家的努力，對城市模式是如何隨經濟發(fā)展而形成和演化的研究成果，為城市發(fā)展規(guī)劃提供了基本的依據和支持。傳統(tǒng)的城市研究建立在歐氏空間幾何的基礎上，然而，傳統(tǒng)研究方式面臨的困難以及城市發(fā)展的種種新的特征暗示著城市研究需要發(fā)展新的理論和模型。 在綜合城市的傳

2、統(tǒng)研究以及一些新的研究進展的基礎上，結合城市發(fā)展出現的新的特征，利用復雜性科學的研究進展，本文論述了城市是一個開放的遠離平衡的非線性復雜系統(tǒng)，同時提出城市研究的范式轉換。本文提出，城市結構和模式的形成是研究城市系統(tǒng)的核心問題，廣義城市流的集聚是城市化的基本特征。在這個基礎上，利用最大流原理優(yōu)化思想從統(tǒng)計力學角度建立了復雜城市系統(tǒng)演化的最大流模型：一個遠離平衡的復雜城市系統(tǒng)總是尋找一種優(yōu)化過程使得系統(tǒng)在給定的約束或代價下所獲得的廣義流最大

3、。新的城市演化模型建立了城市系統(tǒng)的統(tǒng)計系綜和勢函數，得到了城市演化基本方程，通過分析城市的非平衡相變過程得到了城市系統(tǒng)的分形層次結構及其重整化方程。新模型從微觀動力學角度探討了宏觀城市系統(tǒng)的分形層次結構形成過程的動力學機理，分析了城市邊界流型與分形指數之間的聯(lián)系，并以武漢、杭州這兩個城市為例實證分析了城市分形生長及其維數變化。 結合人工神經網絡，發(fā)展了與理論模型相對應的數值計算方法。利用統(tǒng)計力學建立自組織特征映射網絡的理論基礎，

4、使得這一數值計算方法與理論模型具有內在一致性，并進一步拓展其聚類分析功能和隱含的分形機制。通過分析網絡訓練的模式識別過程與城市演化模式形成過程的統(tǒng)一性，得到量化城市模式參量的方法。選取環(huán)渤海區(qū)城市群為研究對象，利用城市統(tǒng)計數據，在Matlab下展開自組織特征映射網絡數值計算分析，對城市模式進行分類，并通過對城市模式的量化分析，得到了城市模式分形體系。通過對模擬結果的分析，結合理論模型和實際情況，發(fā)現從區(qū)域城市群整體發(fā)展的角度看，單一城市