基于Agent的城市系統動力學建模的初步探索

■鄭歡歡

基于Agent的城市系統動力學建模的初步探索

■鄭歡歡

目前，城市化進程越來越快，為促進城市快速、穩定和可持續發展，城市模擬仿真模型備受關注。本文在Anylogic軟件平臺的基礎上，采用基于Agent和系統動力學的混合建模方法設計了一個城市演化的仿真模型，并以北京市石景山區為底圖，對該區域中居民、企業等智能主體非線性互動而導致的宏觀空間結構的演化過程進行了初步模擬，以期為城市規劃者、決策者提供一套動態的、可視化的城市演化模型的理論支持。

Anylogic；Agent；系統動力學；城市；建模

引言

城市是一個動態變化的復雜系統，隨著城市發展越來越快，其凸顯的弊病也越來越明顯。如人口擁擠、就業緊張、交通堵塞等問題。這些問題日益被人們重視，并加以研究。城市模擬可以重構現實生活情景，為分析、研究城市化問題提供了一個直觀、動態、可視化的方法，并對城市發展進行預測，為城市規劃者、決策者提供理論依據。

20世紀90年代以來，城市和區域研究逐漸由靜態的、均衡的范式向動態演化的范式轉變，開始應用復雜性科學的理論和方法來探究區域問題及其時空演化的內在規律，基于自主體的建模( ABM )日益受到重視[1]，這種自下而上的模型策略是復雜適應系統理論與分布式人工智能技術的結合，目前已經成為繼面向對象方法之后出現的又一種進行復雜空間系統分析與模擬的重要手段[2]。

系統動力學方法(System Dynamics，SD) 是由美國麻省理工學院教授Forrester在20世紀60年代創立的，該方法注重系統內部結構和反饋機制，更為重視模型結構是否合理，變量間的反饋關系是否正確。一旦結構流程圖確定就可以進行模擬分析，而對參數取值精確度并無嚴格要求，這些特點使得在歷史數據缺乏的情況下仍可以應用系統動力學方法，其擅長處理長周期、具有非線性和時變現象的系統問題[3]。

目前，國內對于模擬城市人口、交通、環境等問題的文章很多，但是綜合模擬這些因素的模型還不多見。在前人研究的基礎之上，本文采用Anylogic軟件，嘗試結合Agent和系統動力學的方法，設計城市人口、商業單位、交通復合演化模型，并以北京市石景山區為底圖進行模型仿真的初 步探索。

模型設計與實現

Anylogic軟件簡介

AnyLogic是俄羅斯的XJTechnologies公司研發的復雜系統仿真軟件，支持常用模擬方法的工具：系統動力學、離散事件以及基于主體的建模。其建模語言獨特的靈活性能讓用戶詳細捕捉到紛繁復雜的商業、經濟和社會系統。AnyLogic的圖形界面、工具和對象庫能讓用戶快速實現不同領域的建模，快速地創建可視化的、靈活的、可擴展的、可復用的活動對象，這些活動對象可以為標準對象或自定義對象，也可以是Java對象。通過使用多重建模方法，能夠更精確地建模和捕捉更多的事件，在建模環境中可以直接使用分析和優化工具。應用Anylogic建模時所涉及的部分功能模塊介紹如下[4]：

1）模型元素。Anylogic模型是等級化地組織起來的，工程由包組成，包中含有活動對象、消息、其他類和外部文件。包可以用于更好地對工程的結構進行組織。

2）活動對象。活動對象是Anylogic模型的主要構建模塊。活動對象可以用于建模現實世界中類型廣泛的各種對象，如人員、具體的物體、控制器等。

3）活動對象的數據。可以通過定義參數和變量來定義活動對象的數據，也可以通過編寫Java代碼來定義類成員變量。

4）活動對象的行為。活動對象可以具有內部的行為。在Anylogic中可以定義離散時間行為、連續時間行為，以及混合行為。

數據來源與處理

本文數據來源于北京市規劃委與民政局聯合發布的《北京市行政區域界線基礎地理底圖》。應用MapGIS軟件處理底圖，矢量化出石景山區地圖并保存為圖片格式，作為Anylogic軟件中的底圖數據。在Anylogic中裝入石景山區底圖，應用軟件的折線工具對圖進行畫線分區，并畫出交通路線及節點。

圖1 試驗模擬仿真

模型的建立

根據模型層次，創建模型的活動類：Main類，Enterprise類，Person類，Zone類，Road類，Node類（道路節點），PublicTransportLine類。其中Enterprise類和Person類定義為Agent智能體。

1）Enterprise類。在這個企業活動類里，定義了企業的屬性、方法。如企業規模的擴大與縮小，企業的區位選擇及其搬遷意愿，企業員工的增減，員工工資等。

2）Person類。在這個居民活動類里，定義了居民的生活狀態，包括區位選擇及工作選擇，有無私家車，上班路徑的選擇及其所需交通費用，工資及其對生活的滿意度等。

3）Zone類。區位活動類定義了區位名稱，區位界線及其節點、道路，居民、企業及本區租金，本區人們生活滿意度水平及企業發展狀況等。

4）Road類。道路活動類定義了道路的起始節點與終止節點及其路線，道路的車容量，是否限速及加速條件，道路狀況并定義了更新路況函數等。

5）Node類。結點活動類定義了節點名稱、形狀及其連接的道路等。

6）PublicTransportLine類。公共交通路線活動類定義了起始區位于目標區位，路線及載客量，運行時間及費用等。

7）Main類。主程序活動類是程序執行的入口，也是編譯程序時所顯示的界面，在這個活動類中綜合了上面所有類的屬性及方法，并使之相互嵌套實現預期運行效果。

實驗模擬仿真

在模型建立的基礎上，進行模擬仿真試驗（圖1）。我們可以看到整個畫面是動態變化的：企業狀態分為擴大、穩定、縮小三種動態的發展變化；各個區域的居民數量不同且也在不斷變動，這是由于居民的工資水平、各區域租金（消費水平）不同，居民要選擇適合自己的區域居住所引起的變動，同時也反映出居民對生活的滿意度水平；交通狀況由紅色線（主干道）和藍色線（公共交通路線）所反映，當線條變粗時，表明交通擁擠。實驗結果表明，應用Anylogic軟件較能初步模擬城市的主要狀況。

結論

綜上所述，研究城市動態發展規律和特征具有較高的科研和實際價值，但是由于城市的高度復雜性和發展變化性，長期以來對城市內部結構和空間擴展過程的動態模擬研究發展緩慢[5]。Anylogic的使用跨越了全部領域，從“微觀”考慮精確的尺寸、距離、速度和時間事件的操作層次的模型，到“宏觀”考慮全局反饋的動態系統，累計值、更長期趨勢和戰略決策的戰略層。應用Anylogic基于Agent的系統動力學建模方式能夠比較全面、系統地模擬城市的發展動態，對于城市的規劃者、決策者制定方案具有一定的指導意義。在今后的研究中應注重于參數、變量的合理設置，在采集數據的基礎上進行數據分析，使參 數、變量設置更加接近真實值，這樣對城市系統模擬才能更合理，對以后城市發展的預測才能更符合規律。■

[1]薛領,楊開忠,沈體雁.基于主體的建模:地理計算的新發展[J].地球科學進展,2004,19(2)

[2]楊開忠,薛領.復雜區域科學:21世紀的區域科學[J].地球科學進展,2002,17(1)

[3]張蕾,席北斗,王京剛,霍守亮,蘇婧.系統動力學方法在城市生活垃圾產生系統的應用[J].環境科學研究,2007,20(5)

[4]陳建宏,楊立兵.基于Anylogic地下空間火災人員疏散仿真模擬[J].火災科學,2007,11(4)

[5]修文群,池天河.城市地理信息系統[M].北京:北京希望電子出版社,1999

作者：鄭歡歡，滿城中學教師，研究方向為信息技術教育。

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.14.050

（作者單位：河北省保定市滿城中學）