姚 亮,王如松,尹 科,韓寶龍
(城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)
系統(tǒng)建模是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究的重要手段,但同時(shí)也是目前研究的主要瓶頸之一[1]。城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性是阻礙系統(tǒng)建模工作的主要因素,也是困擾城市規(guī)劃與管理者的揮之不去的夢(mèng)魘[2]。傳統(tǒng)單一化、補(bǔ)救式、經(jīng)驗(yàn)式的城市規(guī)劃方法已經(jīng)宣告失效,制定的規(guī)劃措施往往達(dá)不到預(yù)期效果,甚至?xí)?lái)不可預(yù)知的災(zāi)難性副作用。城市生態(tài)系統(tǒng)研究呼喚新一代實(shí)用系統(tǒng)工具,以應(yīng)對(duì)日漸復(fù)雜的分析、規(guī)劃與管理工作。在這個(gè)背景下,德國(guó)系統(tǒng)思想大師Vester教授提出了靈敏度模型,并將其應(yīng)用到法蘭克福等城市規(guī)劃管理工作中[3]。本文的主要目的就是對(duì)這種靈敏度模型進(jìn)行評(píng)述,包括剖析其思想基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)框架及使用流程、模型背后的數(shù)學(xué)原理、獨(dú)樹(shù)一幟的控制論指標(biāo)體系以及模型的實(shí)際應(yīng)用情況。在對(duì)模型具體內(nèi)容進(jìn)行全面剖析的基礎(chǔ)上,總結(jié)靈敏度模型及思想的主要貢獻(xiàn),同時(shí)也辨析了模型的局限性,以期為未來(lái)城市生態(tài)系統(tǒng)模型提供方向性啟示。但在此之前,本文將首先總結(jié)城市生態(tài)系統(tǒng)的常見(jiàn)復(fù)雜性特征,以幫助深入理解靈敏度模型的貢獻(xiàn)和價(jià)值。
復(fù)雜性是困擾城市生態(tài)系統(tǒng)研究的主要難題之一,也是其系統(tǒng)建模工作面臨的主要挑戰(zhàn)。作為公認(rèn)的復(fù)雜系統(tǒng),城市生態(tài)系統(tǒng)具有非線(xiàn)性、結(jié)構(gòu)反饋性、不確定性、不可預(yù)測(cè)性、自組織性、涌現(xiàn)性以及等級(jí)層次性等幾乎所有的典型復(fù)雜性特征。復(fù)雜性已經(jīng)是城市生態(tài)研究不可繞過(guò)的障礙,研究者及城市管理者們只能寄希望于良好的系統(tǒng)模型來(lái)認(rèn)識(shí)、理解和處理復(fù)雜性。與此同時(shí),城市模型的研究也因?yàn)檫@種迫切需要而進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,靈敏度模型也是這一現(xiàn)實(shí)背景下的產(chǎn)物??梢哉f(shuō),城市生態(tài)研究極大地依賴(lài)系統(tǒng)模型的開(kāi)發(fā),而系統(tǒng)模型的成功與否關(guān)鍵在于其對(duì)復(fù)雜性的刻畫(huà)或處理能力。因此,首先必須對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性有充分的認(rèn)識(shí),才能認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)建模工作面臨的主要挑戰(zhàn),從而理解靈敏度模型的巨大價(jià)值。本小節(jié)將從城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程、行為和功能4個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)要總結(jié)其復(fù)雜性特征和給系統(tǒng)建模帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性來(lái)源于組分的多樣性和組分間交互作用的豐富性。城市作為最為典型的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),除了包含水、土、氣、生、礦等自然要素組成的生命支持系統(tǒng)外,還包括城市人類(lèi)居民復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)[4]。相比傳統(tǒng)的自然生態(tài)系統(tǒng),城市生態(tài)系統(tǒng)包含的組分呈現(xiàn)倍數(shù)增長(zhǎng),景觀(guān)結(jié)構(gòu)的破碎度與異質(zhì)性程度也較高。這些組分或子系統(tǒng)之間形成海量的相互作用關(guān)系,構(gòu)成了包含無(wú)數(shù)正負(fù)反饋環(huán)的復(fù)合生態(tài)關(guān)系網(wǎng)。而且組分與關(guān)系是在時(shí)空維度持續(xù)演變的。舊組分的消亡與新組分的出現(xiàn),新的反饋關(guān)系的建立等等,都使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)呈現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性。另外,不同城市之間的差異也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的來(lái)源之一。不同的氣候環(huán)境、民俗習(xí)慣、管理方式等因素都會(huì)導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異性。這種差異性影響著城市系統(tǒng)模型的普適性和可比性。
城市系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程除包含傳統(tǒng)的物理、化學(xué)等自然過(guò)程外,還包括生產(chǎn)、消費(fèi)等人文過(guò)程。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論將這些過(guò)程歸納為物質(zhì)流、能量流、信息流、資金流、人才流五大類(lèi),統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)合生態(tài)過(guò)程[4]。這五大類(lèi)過(guò)程之間是相互依賴(lài)與補(bǔ)充的關(guān)系。在實(shí)際研究中,具體生態(tài)過(guò)程至少包含上述五類(lèi)中的兩種,甚至全部。比如城市的地球物理化學(xué)循環(huán)過(guò)程,是以物質(zhì)流為表現(xiàn)形式、能量流為驅(qū)動(dòng)力量、信息流為調(diào)控開(kāi)關(guān)的。實(shí)際上,資金流和人才流也對(duì)其有很強(qiáng)的塑造作用。同理,常見(jiàn)的城市水文過(guò)程、自然子系統(tǒng)演替過(guò)程和人類(lèi)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過(guò)程等均是五類(lèi)基本過(guò)程的耦合形式。另外,城市生態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性還表現(xiàn)其具有很強(qiáng)的尺度性。比如城市水文過(guò)程與流域水循環(huán)的耦合問(wèn)題等。城市內(nèi)部形態(tài)與周?chē)h(huán)境之間存在明顯差異性,使得城市生態(tài)過(guò)程跨尺度研究顯得尤為困難。
從系統(tǒng)行為角度來(lái)看,城市生態(tài)系統(tǒng)的演化趨勢(shì)往往帶有復(fù)雜性色彩[5]。城市是一類(lèi)由人類(lèi)所主導(dǎo)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),人的行為對(duì)城市演變有決定影響。尤其是城市管理者,確信城市的發(fā)展方向受政策調(diào)控所左右?,F(xiàn)實(shí)中,盡管城市中的人占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,但是城市的演化趨勢(shì)往往并不盡如人意,城市行為本身具有復(fù)雜性。從根源來(lái)講,結(jié)構(gòu)和過(guò)程的復(fù)雜性導(dǎo)致了人們并不能完全掌握城市生態(tài)系統(tǒng)的行為。而且,城市居民的個(gè)體自主行為,使得城市演化更像是一種由微觀(guān)行為聚集而成的宏觀(guān)涌現(xiàn)現(xiàn)象。這種情況下,城市的發(fā)展方向往往與個(gè)人的愿望相背離,微觀(guān)行為和宏觀(guān)趨勢(shì)之間的關(guān)系是復(fù)雜的。比如,居民都追求個(gè)人的利益或福利,就有可能對(duì)公共環(huán)境進(jìn)行占用,而導(dǎo)致城市整體生態(tài)環(huán)境惡化,反過(guò)來(lái)又影響了追求個(gè)人利益的初衷。另一方面,人們對(duì)城市應(yīng)該具有的合理演化趨勢(shì)也沒(méi)有達(dá)成共識(shí),使得城市的管理目標(biāo)本身就比較復(fù)雜,由此帶來(lái)城市調(diào)控任務(wù)的復(fù)雜性。
城市生態(tài)系統(tǒng)功能的復(fù)雜性來(lái)源于其結(jié)構(gòu)、過(guò)程、行為的復(fù)雜性及其人類(lèi)價(jià)值觀(guān)的多樣性。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論將城市功能歸納為五大類(lèi):生產(chǎn)、消費(fèi)、還原、調(diào)控、緩沖[4]。對(duì)于組分或子系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其可能是單一功能體,也可能同時(shí)兼具多個(gè)功能。城市功能的發(fā)揮還呈現(xiàn)一定的尺度效應(yīng)和結(jié)構(gòu)相似特征。每種功能的出現(xiàn)都有最小尺度的要求,只有大于該尺度時(shí)才可能形成成熟的城市功能。城市的每一分區(qū)本身就具有相對(duì)完善的系統(tǒng)功能。城市功能發(fā)揮依賴(lài)的生態(tài)過(guò)程也是多樣的。每個(gè)生態(tài)過(guò)程可能發(fā)揮著多個(gè)功能,兩種看起來(lái)完全不同的生態(tài)過(guò)程也可能具有同樣的系統(tǒng)功能。由于所處環(huán)境,發(fā)展階段等不同,各城市的功能發(fā)育程度也差異較大。另外,功能概念本身涉及到人類(lèi)的價(jià)值觀(guān)取向,使得城市功能更為復(fù)雜。城市作為人類(lèi)的主要棲息地,首要功能是為居民提供生產(chǎn)生活的場(chǎng)所。但是,城市還被賦予另外的功能,比如政治中心、生產(chǎn)城市、消費(fèi)城市、資源城市等等,從而導(dǎo)致城市功能的具體情況也不盡相同。
在城市生態(tài)研究中,要么問(wèn)題本身涉及大量的相關(guān)特征量,不可能收集到理想的完備信息;要么存在一些無(wú)法精確觀(guān)測(cè)的特征量,不可能取得完美的精確數(shù)據(jù)資料;要么特征量之間的關(guān)系無(wú)法用明確的數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái),不可能建立精確的數(shù)學(xué)模型;多數(shù)情況是三者兼而有之。這些現(xiàn)實(shí)復(fù)雜性使得城市生態(tài)建模一味追求信息完備化、精確化、公理化描述的做法不再有效。以精確性為例,隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,人們對(duì)系統(tǒng)做出精確而有意義的描述的能力就會(huì)降低,復(fù)雜性達(dá)到一定的閾值,精確性和有意義性將互相矛盾:精確的描述不再是有意義的描述,有意義的描述不再是精確的描述。對(duì)于復(fù)雜性,真正科學(xué)的建模必須拋棄精確性崇拜,而接受近似解的必要性和合理性,承認(rèn)定性或模糊方法的有效性。同樣,過(guò)分強(qiáng)調(diào)信息完備性也是不可取的。要對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述勢(shì)必需要海量的信息,建模人員往往會(huì)被過(guò)多的細(xì)節(jié)信息所淹沒(méi),而無(wú)法抓住系統(tǒng)的關(guān)鍵因素[6]。因此,城市生態(tài)研究必須尋求新的系統(tǒng)研究方法以應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜性的挑戰(zhàn),而靈敏度模型就是很好的嘗試。
靈敏度模型是由德國(guó)系統(tǒng)思想大師Vester教授于1980年正式提出的,目的在于解決城市或區(qū)域規(guī)劃中面臨的系統(tǒng)復(fù)雜性問(wèn)題[3]。本節(jié)將對(duì)靈敏度模型的主要內(nèi)容進(jìn)行闡述,并分為5個(gè)部分:首先對(duì)靈敏度模型的思想基礎(chǔ)進(jìn)行辨析,包括Vester系統(tǒng)思想的形成和其著名的生物控制論思想等;其次將對(duì)模型的結(jié)構(gòu)框架和使用流程、模型背后的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹;隨后對(duì)模型提出的生物控制論特征體系進(jìn)行深入分析;最后回顧該模型的應(yīng)用情況,尤其是在德語(yǔ)國(guó)家及中國(guó)城市生態(tài)研究中。
從歷史角度,Vester的思想可以歸為系統(tǒng)研究方法的流派之一。系統(tǒng)思想自古有之,但從系統(tǒng)角度來(lái)思考人類(lèi)的發(fā)展問(wèn)題是近半個(gè)世紀(jì)的事情。其中影響最大和最具標(biāo)志性是1972年羅馬俱樂(lè)部發(fā)表了第一份研究報(bào)告《增長(zhǎng)的極限》,書(shū)中采用系統(tǒng)模型去探討資源約束下人類(lèi)的發(fā)展命運(yùn),引起了強(qiáng)大的反響[7]。隨后在全世界范圍掀起了環(huán)境保護(hù)與系統(tǒng)研究的浪潮,各種系統(tǒng)思想理論層出不窮[8]。靈敏度模型的開(kāi)發(fā)者Vester就是這時(shí)期的重要人物之一。
在德語(yǔ)國(guó)家Vester已經(jīng)是系統(tǒng)思考的化身。起初Vester作為生物化學(xué)家參加一個(gè)癌癥研究項(xiàng)目,負(fù)責(zé)其中細(xì)胞功能研究。他發(fā)現(xiàn)每個(gè)細(xì)胞中都包含很多組件,這些組件之間存在著大量的反饋控制關(guān)系,關(guān)系網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)維持著細(xì)胞的功能發(fā)揮,否則就會(huì)發(fā)生癌變。受此啟發(fā),Vester認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)思想的巨大價(jià)值,并將目光放在更宏觀(guān)的問(wèn)題上,包括環(huán)境保護(hù)、能源和交通規(guī)劃、人群健康以及可持續(xù)發(fā)展等涉及復(fù)雜性的焦點(diǎn)問(wèn)題。在后續(xù)的研究中,Vester提出了一整套系統(tǒng)思考方法和模型,并創(chuàng)造性地將生物控制論準(zhǔn)則引入日常管理實(shí)踐中。
Vester將其對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的思考方式命名為網(wǎng)狀思維(Networked Thinking)[6]。從字面上看,其強(qiáng)調(diào)事物之間的相互聯(lián)系,在事物存在的關(guān)系網(wǎng)中去思考問(wèn)題。實(shí)際上,網(wǎng)狀思維有更多的含義。比如強(qiáng)調(diào)從全局角度去看待事物,注重分析各部分間的耦合方式,側(cè)重理解關(guān)系反饋環(huán)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的決定作用等等。甚至可以說(shuō),這就是系統(tǒng)思維(System Thinking)的另一個(gè)稱(chēng)呼。特別需要指出的是,大部分整體論者都認(rèn)為大量細(xì)節(jié)信息的獲取和累積有利于更好的認(rèn)識(shí)系統(tǒng)。但Vester卻相反,認(rèn)為人們?nèi)菀妆贿^(guò)多的細(xì)節(jié)信息所淹沒(méi),而且系統(tǒng)是由少數(shù)關(guān)鍵因素主導(dǎo)的。通過(guò)一定的篩選程序,可以辨識(shí)出這些主導(dǎo)因素,探知系統(tǒng)的整體輪廓,而且主導(dǎo)因素之間的相互影響模式就是系統(tǒng)復(fù)雜性的主要來(lái)源。這也是靈敏度模型的核心指導(dǎo)思想。
在Vester的網(wǎng)狀思維理論體系,最獨(dú)樹(shù)一幟的地方是他將生物控制論(Bio-cybernetic)觀(guān)點(diǎn)引入系統(tǒng)研究中[9]。受到生物圈中眾多生物及生態(tài)系統(tǒng)演化歷史的啟發(fā),他認(rèn)為這些系統(tǒng)背后有普適的控制論準(zhǔn)則在起作用。在前人研究的基礎(chǔ)上,將其凝練為八大準(zhǔn)則,并稱(chēng)其為生物控制論準(zhǔn)則,包括:①負(fù)反饋超過(guò)正反饋;②系統(tǒng)功能不依賴(lài)于其數(shù)量增長(zhǎng);③著眼于功能而不是產(chǎn)品,產(chǎn)品具有多樣性和可替換性;④系統(tǒng)具有柔性,它能充分利用現(xiàn)存的各種力量為系統(tǒng)服務(wù);⑤產(chǎn)品可以有多種用途,并表現(xiàn)為一定的組織,具有一定的功能;⑥廢物利用可形成物質(zhì)再循環(huán)過(guò)程;⑦系統(tǒng)具有共生性,通過(guò)多樣性、耦合和交換可以互相利用;⑧和諧的生物工程設(shè)計(jì)。Vester堅(jiān)持認(rèn)為,生存是系統(tǒng)的終極目標(biāo)。而這八條準(zhǔn)則是通向這個(gè)目標(biāo)的可靠方向或?qū)崿F(xiàn)路徑。在其開(kāi)發(fā)的靈敏度模型中,生物控制論觀(guān)點(diǎn)也是其核心指導(dǎo)思想之一。
概括來(lái)講,靈敏度模型可以分為3個(gè)層次(圖1):第1層次是數(shù)據(jù)的收集與篩選過(guò)程。數(shù)據(jù)與變量是任何模型最基本的組成要素。靈敏度模型并不過(guò)分追求信息的豐富性和精確性,相反認(rèn)為系統(tǒng)的主要特征常常是由少數(shù)重要變量決定的。因此,這一層次的關(guān)鍵就在于從收集到的系統(tǒng)信息中將這些重要變量篩選出來(lái)。篩選過(guò)程是借助篩選準(zhǔn)則矩陣來(lái)完成的。篩選出來(lái)的變量集被應(yīng)用到后續(xù)的系統(tǒng)建模中;第2層次是系統(tǒng)控制論的解釋。在變量集的基礎(chǔ)上,通過(guò)辨析變量之間的相互影響關(guān)系,建立影響因子矩陣。在此基礎(chǔ)上計(jì)算每個(gè)變量的主動(dòng)性、被動(dòng)性、關(guān)鍵性和緩沖性指標(biāo),解釋每個(gè)變量在系統(tǒng)中扮演的角色以及變量對(duì)系統(tǒng)的重要性程度。這些解釋性信息將被整合進(jìn)后續(xù)的生物控制論評(píng)價(jià)中;第3層次就是面向系統(tǒng)整體的生物控制論評(píng)價(jià)。核心在于采用八條生物控制論準(zhǔn)則來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng),評(píng)估系統(tǒng)的整體狀況。具體來(lái)說(shuō),通過(guò)系統(tǒng)的局部和整體模擬,評(píng)估系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定性、進(jìn)化的可能性和其它系統(tǒng)生存能力的測(cè)度標(biāo)準(zhǔn)。最后將這些評(píng)價(jià)結(jié)果整合進(jìn)生物控制論評(píng)價(jià)中。
圖1 模型結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 The framework of the sensitivity model
圖2 模型使用流程圖Fig.2 The standard flowchart of the sensitivity model
對(duì)使用者而言,具體的模型使用流程可以劃分為9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步驟(圖2)。第①步對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行描述,確定系統(tǒng)邊界、結(jié)構(gòu)及備選變量等。在上一步定性辨識(shí)的基礎(chǔ)上,第②步篩選出建模所需的系統(tǒng)變量集,篩選過(guò)程借助③準(zhǔn)則矩陣完成。第④步是對(duì)變量之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行分析,組織成影響矩陣的形式。第⑤步是對(duì)影響矩陣進(jìn)行信息挖掘,辨析各個(gè)變量在系統(tǒng)中的控制論角色,包括主動(dòng)、被動(dòng)、關(guān)鍵和緩沖等。第⑥步是對(duì)變量之間相互作用和系統(tǒng)反饋環(huán)進(jìn)行分析,得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息。第⑦步是定義變量相互作用函數(shù)(方程或基于模糊邏輯的表函數(shù)等形式),并進(jìn)行局部情景模擬。第⑧步對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行If-then模擬和政策檢驗(yàn),探索系統(tǒng)的總體行為趨勢(shì)。第⑨步是將前面得到的所有系統(tǒng)信息進(jìn)行綜合,結(jié)合生物控制論準(zhǔn)則進(jìn)行系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)。
這里需要強(qiáng)調(diào),模型的任一步驟都是開(kāi)放設(shè)計(jì)的,建模者可以根據(jù)初步結(jié)果和自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。這種修正甚至不需要遵守嚴(yán)格的先后順序,具有很強(qiáng)的靈活性。使用者和模型之間不斷地進(jìn)行信息交互作用,模型對(duì)復(fù)雜性處理效果持續(xù)提高,使用者對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)(或問(wèn)題)的理解也逐漸深入??傊?,受篇幅限制,本部分只能對(duì)模型框架和使用流程進(jìn)行極其簡(jiǎn)要地介紹,詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn)《用于城市與區(qū)域規(guī)劃的靈敏度模型》和其他相關(guān)資料[3]。
為了應(yīng)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,靈敏度整合了多種數(shù)學(xué)方法。這些數(shù)學(xué)方法大部分只具有單一的計(jì)算分析功能,但是通過(guò)精心設(shè)計(jì)的模型框架和流程進(jìn)行系統(tǒng)整合,最終形成具有優(yōu)越分析功能的靈敏度模型。受篇幅限制,本文不對(duì)這些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行詳細(xì)羅列,只簡(jiǎn)述其中幾個(gè)有代表性的數(shù)學(xué)原理。
首先介紹影響矩陣及分析方法。在進(jìn)行定量化的系統(tǒng)模擬(圖2中的⑥⑦⑧)之前,靈敏度模型就對(duì)變量之間的定性相互作用進(jìn)行分析,并初步辨識(shí)變量在系統(tǒng)中的作用,為使用者提供變量和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定性信息。這種分析是借助變量之間的影響矩陣來(lái)完成的。圖3展示了包含7個(gè)獨(dú)立變量的影響矩陣。從行向看,表示某變量對(duì)其它變量的影響作用強(qiáng)度,可以理解為變量的主動(dòng)性。相反地,列項(xiàng)表示某變量受其余變量的影響作用強(qiáng)度,表征變量的被動(dòng)性。因此,行向之和AS(Active Sum)指標(biāo)就可以用來(lái)衡量變量在系統(tǒng)中的主動(dòng)性程度,比如第6個(gè)變量的AS值最大,表示其主動(dòng)性最高,屬于系統(tǒng)的能動(dòng)因子。類(lèi)似地,列向之和PS(Passive Sum)刻畫(huà)了變量的被動(dòng)性程度。若一個(gè)變量主動(dòng)性和被動(dòng)性程度都較高,則其在系統(tǒng)中必然發(fā)揮著關(guān)鍵樞紐作用,是系統(tǒng)的關(guān)鍵變量。這里采用AS與PS的乘積P來(lái)衡量,如圖3中的第4和第6個(gè)變量就是系統(tǒng)的關(guān)鍵變量。主動(dòng)性AS與被動(dòng)性PS之商Q,衡量變量在系統(tǒng)中的相對(duì)活躍性。Q值越小,表示該變量越不活躍,屬于系統(tǒng)的緩沖變量,如圖3中的第7個(gè)變量??傊`敏度模型采用這種簡(jiǎn)單易用的矩陣分析方法,就為使用者提供了許多有價(jià)值的系統(tǒng)信息。
圖3 變量間影響矩陣及指標(biāo)計(jì)算示例圖Fig.3 The impact matrix of the system variable set
模型的系統(tǒng)模擬與情景分析階段是基于模糊集、模糊邏輯原理,這點(diǎn)不同于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等常見(jiàn)系統(tǒng)模擬方法。以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為例,一般是采用精確的方程和函數(shù)等來(lái)定義變量之間的關(guān)系,即便不清楚變量間準(zhǔn)確關(guān)系也是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的表函數(shù)形式來(lái)代替。而靈敏度模型并不追求這種精確性,從而避免了對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)分需求?;谀:龜?shù)學(xué)原理,靈敏度模型將變量的取值分解成離散的整數(shù)形式,用戶(hù)根據(jù)模型前半部分提供的信息及自己的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)來(lái)定義變量間的關(guān)系。這種變量間關(guān)系以帶有模糊色彩的表函數(shù)形式來(lái)表現(xiàn)。詳細(xì)的數(shù)學(xué)定義方法這里不再詳述。通過(guò)對(duì)變量取值和關(guān)系表函數(shù)的集結(jié),形成了系統(tǒng)的模擬模型。用戶(hù)可以采用該模型進(jìn)行局部情景分析和系統(tǒng)模擬,比如進(jìn)行If-then分析和政策實(shí)驗(yàn),探知系統(tǒng)在各種條件下的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。
靈敏度模型提出了比較完整的控制論特征(Cybernetic Characteristics)體系,包含在模型的各個(gè)部分??刂普摲椒ㄊ茄芯肯到y(tǒng)在可變環(huán)境條件下定向演化途徑的通用方法,是人們認(rèn)識(shí)和調(diào)控系統(tǒng)的重要手段。Vester將其引入到城市生態(tài)系統(tǒng)研究中,基于大量的觀(guān)察和思考總結(jié)出較為完備的常見(jiàn)系統(tǒng)控制論特征表。在細(xì)心梳理了這些控制論特征之間的衍生關(guān)系后,他將其劃分為4個(gè)等級(jí),等級(jí)越高代表信息綜合程度越高,最終形成了較為清晰的系統(tǒng)控制論特征(或指標(biāo))的等級(jí)體系(表1)。第1層次(Level A)包含16項(xiàng)指標(biāo),屬于系統(tǒng)最基本、最直接的控制論特征。這些特征都可以直接從原始數(shù)據(jù)集、變量之間的直接影響關(guān)系、變量的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)以及其他原始信息中得到。相比來(lái)說(shuō),第2層次(Level B)包含的16項(xiàng)指標(biāo)較為綜合,是對(duì)Level A控制論信息和少量其他信息的整合。同時(shí)這也標(biāo)志著對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。類(lèi)似地,第3層次(Level C)的指標(biāo)體系又是在前面兩個(gè)層次的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息整合得到的。最終,這些控制論信息將被進(jìn)一步整合,形成7條更高級(jí)的控制論特征,組成第4層次(Level D)。應(yīng)該注意到,這種層級(jí)劃分與人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程非常契合:首先從最原始、零散的系統(tǒng)信息中獲得第1層次控制論信息,依循層次之間的內(nèi)在衍生關(guān)系,模型使用者將獲得更為綜合的控制論信息,逐步加深對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與理解,最終形成系統(tǒng)的全面認(rèn)知。
表1 靈敏度模型中的控制論特征層級(jí)體系Table 1 The four-level hierarchy of cybernetic characteristics in the sensitivity model
靈敏度模型的任一部分都有這些控制論特征(或指標(biāo))的蹤影,甚至可以認(rèn)為是隱含在模型背后的邏輯主線(xiàn)。從最初的系統(tǒng)描述開(kāi)始,第一層次的控制論特征就幫助使用者搜集系統(tǒng)信息,制定備選變量集和辨識(shí)變量間關(guān)系。變量篩選過(guò)程中使用的篩選矩陣,其實(shí)就是由最基本的變量控制論特征組成的。模型的變量間影響矩陣(圖3),就是控制論指標(biāo)A1、A2、A3(表1)的矩陣形式;隨后計(jì)算得到的變量主動(dòng)性AS和被動(dòng)性PS指標(biāo),對(duì)應(yīng)著控制論指標(biāo)B1、B2、C2、C3;更進(jìn)一步,衡量關(guān)鍵因子的P 和惰性因子的Q兩個(gè)指標(biāo),對(duì)應(yīng)控制論特征C1、C4;這種依次遞推關(guān)系恰好體現(xiàn)了表1中控制論指標(biāo)體系的內(nèi)在衍生關(guān)系。模型的系統(tǒng)模擬和政策檢驗(yàn)部分也是通過(guò)觀(guān)察系統(tǒng)控制論指標(biāo)的變化來(lái)確定政策效果的,包括系統(tǒng)依賴(lài)性、穩(wěn)定性、自我調(diào)節(jié)作用以及系統(tǒng)負(fù)擔(dān)等相對(duì)高層級(jí)指標(biāo)。模型最后的生物控制論評(píng)價(jià)更是依據(jù)這些系統(tǒng)控制論指標(biāo)進(jìn)行的??傊?,系統(tǒng)控制論和生物控制論思想是靈敏度模型的靈魂,而控制論特征(或指標(biāo))體系是這些思想在靈敏度模型中的具體表現(xiàn)。
從模型開(kāi)發(fā)生命周期來(lái)看,靈敏度模型是在與實(shí)際應(yīng)用需求間持續(xù)互動(dòng)中逐步完善起來(lái)的。在最初,靈敏度模型就被定位為一種能夠有效幫助使用者,而且這些使用者并不需要具備太多系統(tǒng)理論方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí),靈敏度模型會(huì)正確地引導(dǎo)他們完成對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性的理解任務(wù)[10]。另外,該模型不是面對(duì)某一類(lèi)具體問(wèn)題或系統(tǒng),而是致力于提供一套普適性的復(fù)雜系統(tǒng)分析方法。也就是說(shuō),通俗性和普適性是保障模型本身實(shí)用價(jià)值的基本要求。從后來(lái)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,靈敏度模型達(dá)到了這些預(yù)期,已經(jīng)在德語(yǔ)國(guó)家取得了廣泛應(yīng)用。經(jīng)濟(jì)管理、環(huán)境保護(hù)、能源和交通規(guī)劃、人群健康、可持續(xù)發(fā)展、核能開(kāi)發(fā)以及反恐事務(wù)等眾多領(lǐng)域[6,11]。可以說(shuō),凡是涉及系統(tǒng)復(fù)雜性的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,靈敏度模型都有應(yīng)用潛力。其中影響最大的是在法蘭克福城市綜合規(guī)劃中的應(yīng)用,靈敏度模型為規(guī)劃團(tuán)隊(duì)提供了極為豐富的系統(tǒng)信息。
20世紀(jì)80年開(kāi)始,中國(guó)城市生態(tài)系統(tǒng)研究開(kāi)始興起,并開(kāi)展了一系列的國(guó)際合作項(xiàng)目[12]。其中中德合作的天津生態(tài)城調(diào)控對(duì)策研究中,中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心王如松等研究人員開(kāi)始嘗試將靈敏度模型引入中國(guó)城市生態(tài)的研究工作中[5]。在嘗試將靈敏度模型應(yīng)用到天津城市生態(tài)研究過(guò)程中,王如松先生創(chuàng)造性地融入復(fù)合生態(tài)學(xué)思想,提出更加實(shí)際可用的泛目標(biāo)生態(tài)規(guī)劃方法。這一方法有效汲取了靈敏度模型的思想精華,隨后在大豐、揚(yáng)州等中國(guó)生態(tài)城市建設(shè)規(guī)劃中發(fā)揮了重要的作用。另外,其他研究人員也嘗試用靈敏度模型分析系統(tǒng)問(wèn)題,并對(duì)模型做了必要改進(jìn)[13]。
靈敏度模型為城市生態(tài)系統(tǒng)研究提供了一整套處理復(fù)雜性問(wèn)題的方法框架。靈敏度模型在最初就是為法蘭克福城市系統(tǒng)規(guī)劃而開(kāi)發(fā)的,因此該模型與城市系統(tǒng)有著與生俱來(lái)的契合性。城市生態(tài)系統(tǒng)研究中的許多具體問(wèn)題都可以直接采用靈敏度模型進(jìn)行分析。隨著計(jì)算機(jī)輔助平臺(tái)的出現(xiàn),這種應(yīng)用也更加方便和廉價(jià)。除了直接應(yīng)用外,模型中對(duì)復(fù)雜性問(wèn)題的分析思路也極具借鑒價(jià)值。在學(xué)術(shù)界都致力于追求信息完備化和模擬精確化時(shí),靈敏度模型則開(kāi)辟了看似完全相反的思路。通過(guò)對(duì)重要變量的篩選和變量關(guān)系的模糊定量等方法,極大地削減了細(xì)節(jié)信息的需求量和對(duì)精確方法的依賴(lài)性。這為目前深受復(fù)雜性困擾的城市生態(tài)科學(xué)提供了一條可行之路。毫無(wú)疑問(wèn),進(jìn)一步推廣該模型在城市生態(tài)研究中的應(yīng)用,有效汲取其精華思想,將對(duì)城市生態(tài)學(xué)科有重要促進(jìn)作用。
最重要的是,靈敏度模型提供了一套新穎的系統(tǒng)調(diào)控思路[10]。生物控制論始終作為貫穿整個(gè)模型的隱含線(xiàn)索。從數(shù)據(jù)收集、變量篩選到系統(tǒng)的控制論解釋?zhuān)俚较到y(tǒng)整體評(píng)估,生物控制論都是作為最高的指標(biāo)準(zhǔn)則來(lái)檢驗(yàn)每一步的有效性。這樣做的目的在于理解現(xiàn)狀系統(tǒng)與理想系統(tǒng)之間的差距,探尋向理想狀態(tài)演進(jìn)的有效途徑。這種理想系統(tǒng)是完全符合八條生物控制論準(zhǔn)則的,作為完美的參照系統(tǒng)而隱含在模型之中。且不論這種一味強(qiáng)調(diào)向自然學(xué)習(xí)(Learning from Nature)觀(guān)點(diǎn)的合理性,這種明確地目標(biāo)導(dǎo)向性的調(diào)控思路是很有價(jià)值的,特別是對(duì)現(xiàn)階段城市生態(tài)系統(tǒng)模型的研究。目前,大多數(shù)城市生態(tài)研究者并不清楚城市生態(tài)系統(tǒng)合理的演進(jìn)方向,更不用說(shuō)凝練對(duì)應(yīng)的控制論法則,因此類(lèi)似的理想性質(zhì)的參照系統(tǒng)也是不清楚的。在邏輯上,方向和目標(biāo)不明確又何談合理的管理調(diào)控。這大概也是制約城市生態(tài)研究的主要限制因素之一。辨識(shí)清楚城市生態(tài)系統(tǒng)合理的演進(jìn)方向,并凝練出指導(dǎo)管理調(diào)控工作的生態(tài)控制論準(zhǔn)則,是城市生態(tài)學(xué)科的當(dāng)務(wù)之急。幸運(yùn)的是,城市生態(tài)系統(tǒng)建模研究可以從靈敏度模型獲得很多寶貴的靈感。
另外,靈敏度模型還提供了一系列簡(jiǎn)單易用的系統(tǒng)分析小工具。模型本身是由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化子方法按照一定流程搭建起來(lái)的,每一步都用具體的分析工具實(shí)現(xiàn)特定功能。比如,變量篩選階段是借助篩選標(biāo)準(zhǔn)矩陣來(lái)完成的,因子辨識(shí)分析階段是通過(guò)對(duì)因子交互影響矩陣實(shí)現(xiàn)的,還有模型中定性信息轉(zhuǎn)化為模糊定量函數(shù)的方法等。這些子方法或工具都可以單獨(dú)使用,并且具有簡(jiǎn)潔、易用、高效的優(yōu)點(diǎn)。也就是說(shuō),這一系列的分析方法和工具本身就豐富了現(xiàn)有的系統(tǒng)分析方法。
客觀(guān)來(lái)講,目前靈敏度模型本身還基本停留在側(cè)重范式闡述的概念模型階段。盡管模型本身包含了一些實(shí)用性的分析工具,但是每一步流程都缺少清晰化、準(zhǔn)確化的闡述。比如,模型的系統(tǒng)描述和變量篩選只是給出了一些普適性的指導(dǎo)條例,其余細(xì)節(jié)都需要模型使用者去自由發(fā)揮,使得模型充滿(mǎn)了模糊性和主觀(guān)性。不同的使用者可能對(duì)系統(tǒng)的描述不盡相同,篩選出的系統(tǒng)變量集甚至相差很遠(yuǎn),直接影響著后續(xù)系統(tǒng)解釋與評(píng)價(jià)的結(jié)果。也就是說(shuō),模型的效果大大依賴(lài)于使用者本身的經(jīng)驗(yàn)和思考能力,模型本身只是用來(lái)輔助思考的工具。但反過(guò)來(lái),這種信息系模糊化、人機(jī)交互式的學(xué)習(xí)思路也正是Vester思想的閃光點(diǎn)之一,就像一個(gè)硬幣的兩面。針對(duì)這種依賴(lài)性,可以組織專(zhuān)家對(duì)常見(jiàn)的復(fù)雜性問(wèn)題制定更具體化的模型內(nèi)容,削減模型的主觀(guān)性和隨意性,提升模型使用效果。
生物控制論思想帶有一定程度的自然主義傾向。Vester本人堅(jiān)持認(rèn)為系統(tǒng)的終極目標(biāo)是維持生存,調(diào)控的目的是激活系統(tǒng)的生命力。這點(diǎn)對(duì)于生物圈及其生物子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是無(wú)可厚非的,生物界確實(shí)秉持適者生存的法則。但是,客觀(guān)存在的系統(tǒng)千差萬(wàn)別,形態(tài)各異,實(shí)際目標(biāo)也是不盡相同的。如此單一化的將生存作為第一目標(biāo)有時(shí)候顯得過(guò)于偏執(zhí)。他提出的生物控制論8條準(zhǔn)則也是為該目標(biāo)服務(wù)的。這些準(zhǔn)則是在基于對(duì)生物圈系統(tǒng)大量觀(guān)察的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的,但是生態(tài)學(xué)中經(jīng)驗(yàn)歸納法的結(jié)論并不適合作為普適教條來(lái)使用。要說(shuō)其適用于所有系統(tǒng)的管理調(diào)控未免牽強(qiáng),即便是生物圈內(nèi)的子系統(tǒng)。總之,生物控制論思想帶有濃厚的仿生學(xué)色彩,應(yīng)該有其特定的適用范圍。對(duì)于與生物系統(tǒng)相差的目標(biāo)系統(tǒng),應(yīng)該發(fā)展適宜于自身的控制論準(zhǔn)則。比如城市生態(tài)系統(tǒng),應(yīng)該發(fā)展自身適用的生態(tài)控制論方法,以此來(lái)突破生物控制論的局限性。當(dāng)然,新的控制論方法的提出,都必須在大量的經(jīng)驗(yàn)觀(guān)察的基礎(chǔ)上進(jìn)行凝練,并進(jìn)行一定的實(shí)證驗(yàn)證研究。
最后必須指出,靈敏度模型提出30a來(lái)并沒(méi)有在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用,雖然模型本身?yè)碛泻軓?qiáng)的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用潛力。這與Vester的寫(xiě)作習(xí)慣有很大關(guān)系,他的大部分著作都是德文語(yǔ)言,當(dāng)然包括靈敏度模型在內(nèi)。這對(duì)模型的傳播設(shè)置了一道語(yǔ)言障礙。而且他本人似乎也不熱衷與英語(yǔ)學(xué)術(shù)圈進(jìn)行交流,并不關(guān)注同時(shí)代其他學(xué)者系統(tǒng)方法的研究進(jìn)展。在20世紀(jì)80年代開(kāi)始,涌現(xiàn)了一批杰出的系統(tǒng)論研究者,新穎的理論層出不窮。Vester并沒(méi)有借鑒這些進(jìn)展,也使得靈敏度模型帶有一定程度的理論缺陷。比如,模型中并沒(méi)有關(guān)注人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)的獨(dú)特性(價(jià)值觀(guān)、倫理等因素),而片面強(qiáng)調(diào)生物控制論的主導(dǎo)作用。模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也是不完善的,尤其在系統(tǒng)控制論解釋和綜合評(píng)價(jià)部分,并沒(méi)有給出清晰的算法。這些都阻礙著模型的實(shí)際傳播和應(yīng)用。不過(guò),伴隨著英語(yǔ)翻譯版本的出現(xiàn)和模型的進(jìn)一步完善,靈敏度模型很有希望成為處理復(fù)雜性問(wèn)題的首選工具之一。
系統(tǒng)性與復(fù)雜性是城市生態(tài)系統(tǒng)研究繞不開(kāi)的障礙。城市生態(tài)系統(tǒng)模型的核心任務(wù)就是刻畫(huà)這些復(fù)雜性,從整體上揭示城市系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。毫無(wú)疑問(wèn),這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。而靈敏度模型就是一次成功的嘗試。對(duì)于城市生態(tài)建模來(lái)說(shuō),靈敏度模型相當(dāng)于提供了一個(gè)基礎(chǔ)藍(lán)本。針對(duì)具體建模目標(biāo),研究者可以在靈敏度模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,就可以衍生很多具體模型。另外,還可以組織有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家采用靈敏度模型對(duì)城市生態(tài)常見(jiàn)問(wèn)題都進(jìn)行建模分析,并且將這些分析過(guò)程記錄下來(lái),形成完善的模型庫(kù)和案例庫(kù)。若有可能將這些案例庫(kù)整合進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助平臺(tái),以后的使用者就可以參考這些案例進(jìn)行系統(tǒng)分析工作,將大大提高研究效率和結(jié)果的可信性。
與此同時(shí),必須認(rèn)識(shí)到靈敏度模型及其改進(jìn)模型只是一類(lèi)模型,面向解決城市生態(tài)研究的某一類(lèi)問(wèn)題,并不是萬(wàn)能的。但以靈敏度為代表的這類(lèi)模型代表了一種建模趨勢(shì),其主要特點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)充分利用有限的系統(tǒng)信息,發(fā)掘系統(tǒng)的關(guān)鍵因子,從而幫助使用者辨識(shí)目標(biāo)系統(tǒng),完成對(duì)系統(tǒng)的整體理解。由于模型并不注重采用精確的定量數(shù)據(jù),得到的只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和趨勢(shì)等定性或半定量信息,并不很好支持對(duì)定量化要求較高的管理決策。相比較而言,這時(shí)候強(qiáng)調(diào)信息完備性和定量精確化的系統(tǒng)模擬仿真模型就凸顯出優(yōu)勢(shì)了。必須承認(rèn),雖然可能導(dǎo)致建模成本高和細(xì)節(jié)信息繁多的缺點(diǎn),但在強(qiáng)調(diào)精確管理的情況下,其比靈敏度模型更有優(yōu)勢(shì)。歸納起來(lái),這其實(shí)代表了城市生態(tài)系統(tǒng)模型的兩種發(fā)展方向:一類(lèi)是強(qiáng)調(diào)通過(guò)削減信息需求量、注重發(fā)掘定性和模糊數(shù)據(jù),來(lái)達(dá)到辨識(shí)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)、重要因子、發(fā)展趨勢(shì)等輪廓信息,目的在于幫助決策者理解問(wèn)題的復(fù)雜性,可以稱(chēng)為輔助學(xué)習(xí)模型;另一類(lèi)是采用精確的系統(tǒng)模擬仿真方法,整合大量的定量信息,來(lái)模擬系統(tǒng)復(fù)雜性,屬于系統(tǒng)仿真模型。這兩類(lèi)模型各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性,需要根據(jù)建模目標(biāo)進(jìn)行選擇或整合。理想情況是,可以先借助靈敏度模型幫助建模者更好地理解系統(tǒng),如有必要再建立更精確的模擬模型,將大大提高建模工作的質(zhì)量。不管怎樣,模型都要最終對(duì)人們認(rèn)識(shí)城市系統(tǒng)有幫助,最終服務(wù)于城市管理實(shí)踐。
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