元胞自动机与多智能体在城市规划中的应用

主持人：接下来发言者是中山大学的黎夏教授，他在地理信息分析、遥感信息分析等方面做出了很好的成就，他演讲的内容是怎样用计算机更快的进行模拟。
　　黎夏：谢谢主持人。感谢大会邀请我做报告，我报告的主题是《元胞自动机与多智能体：辅助规划的工具》。分为几个方面的内容，GIS在城市规划中的应用、元胞自动机(CA)、CA在城市扩张模拟及规划的应用、多智能体与CA相结合及应用。要解决问题方案之一，就是我们这几年的研究，元胞自动机与多智能体。信息技术需要在发展中进行创新性的研究，这也是我们这几年在学校中做的研究方向，因为学校是以理论研究为主的，通过理论研究来提高信息技术的创新能力，希望提供一些服务。
　　GIS在城市规划中的应用，主要体现在一个是改善地图的制作，提高现实性，提高对城市查询和检索的效率，帮助你快速的获取地理信息，更大范围的探讨多种规划方案的可能性，便于公众和政府来交流规划中遇到的问题，改善服务的质量。GIS在城市规划中起重要的作用，可以进行空间查询等等。由于信息化的程度提高，目前我们积累了大量的空间信息，随着GIS技术的越来越成熟，提供了大量的空间信息，这些空间信息怎样使用更有效，为城市规划服务，我们就要进行数据的挖掘，不仅仅是简单的将数据显示出来，我们还希望从数据中挖掘出金子，提取出知识来。
　我们城市是复杂的系统，存在着非限定性、不确定性，这些复杂的关系是我们城市系统所特有的，如果我们还是按照传统的思维来解决问题，就需要从新的角度去创新。过去是从上至下的研究方法，现在我们能不能从上至上的研究方法，引进复杂的信息技术。第一个方面方案，就是元胞自动机，元胞自动机是在四十年代在数字计算机的基础上提出来的，是研究复杂系统更有效的工具，到了八九十年代引起了重视。元胞自动机是二进制，最早四十年代是研究计算机实现的过程，后来八十年代，波夫是一个天才的物理学加将元胞自动机来研究复杂系统，我们城市规划系统也就是一个复杂系统，我们也逐渐采用元胞自动机研究城市规划系统。GIS积累大量的数据，如何从数据挖掘的角度来获取知识，然后进行转化，我们可以通过模拟来预测或者是来规划城市的发展，这是我们研究的方向之一。
　　元胞自动机可以很有效的模拟复杂性，包括一些周期性的现象，紊乱现象，还有结构性的特征。可以模拟自然现象，揭示一些自然规律。这种模拟方法可以很有效的表示出城市的扩张现象，城市系统有一个分形现象。其实元胞自动机不仅仅是在我们城市规划系统中进行模拟，在很多领域都可以有使用，大家可以在网上查询，比如说地学、生态研究等方面都有应用。如果用传统的方法，我们来进行模拟是很困难的，因为有不确定性。这是模拟干旱时沙丘的移动情况(图)。元胞自动机还可以模拟城市交通时的情况，还可以模拟野火蔓延的情况，还可以模拟比如说传染病传播的情况。有人发现通过这种模拟方法，可以表示出很复杂的生命演变的过程。
　　我们这几年将元胞自动机使用在城市扩张模拟及规划中。如果大家在珠江三角洲都知道，城市扩张的速度是非常快的，十几年前有很多农田和水稻田，但是现在基本上都不存在了，土地利用的方式有了很大的变化，这个变化过程是非常复杂的，我们怎样掌握和反映演变过程，我们就用元胞自动机，这是很有效的一个工具，通过模拟演示过程，来揭露其中存在的问题。这是深圳的情况(图)，是动态的演变过程，要模拟这个过程是非常困难的，而且我们还要预测和评价它，就可以通过元胞自动机进行这方面的研究。这是我们模拟东莞城市的扩张过程(图)，有一系列的地理变量和人为因素，如果我们按照传统的方法无法预测，我们希望通过元胞自动机进行很有效的城市扩张过程的预测。
　　我们利用See5.0系统，对所获得的GIS和遥感数据进行数据挖掘，以发现知识，自动获得城市演变的转换规则。我们通过转换规则，挖掘出知识，我们看看转换规则和格局的关系，进一步看过程的关系。我们用DMA控制人与动物的生命过程，这些参数与控制城市演变的一个过程，不同的城市不同的乡不同的镇有不同的参数，我们用元胞自动机预测它评价它，最后看那些参数可以调控，希望找出更有效的利用土地资源的方式。我们通过不同参数的或缺，发现珠江三角洲内部的差异，演变的过程是不同的，不同城市的演变规律是不同的。我们更进一步通过评价来分析它，进一步进行调控，使得城市可以向着可持续发展的方向演变，我们提供一些规划的依据，使得更有效的利用土地资源，让我们将约束性的条件加进去，不仅仅是按照过去的确实演变，而且加入合理的约束条件，控制土地利用的方向，我们希望建立这样的模型，为城市规划或者土地规划做有效的工具，加入约束性的条件，这是我们开始考虑的初衷。我们一个模型，就是模拟农田保护区自动生成的过程，不同的城市不同的地方不同的干部可能规划的方案都不一样，存在着不协调不一致的情况，而且缺乏客观的依据，我们通过元胞自动机自动生成农田保护区，强调农业的重要性可能生成一种方案，如果强调其他方面又会生成一种方案，这是我们的规划模型。另外我们还可以进一步将城市发展的密度加进去，我们模拟不同城市密度的发展，高密度的发展，不同密度的人口情况。
　　这几年我们开展了另外一个方面，元胞自动机与多智能体相结合，公众行为与政府决策怎样结合，我们将智能引进了模型中。城市演变的过程不仅仅是自然的过程，也受到各种角色在城市系统中起重要的作用，这些角色如何更有效的在模型中体现出来，那就是采用计算机发展前沿的多智能体系统，我们希望将多智能体系统与元胞自动机以及地理系统结合起来，对城市系统的演变提供规划辅助。智能体能够根据其内部状态和感知到环境的信息、决定和控制自身的行为，这就是自主性。它有反应性、交互性、主动性等等，我们通过数据的挖掘，规定多智能体行为，更好的描述模拟，也为规划提供依据，更有利于城市系统向可持续方向进行演变和发展，形成规范。
　　多智能体与CA相结合的地学模型有环境因素往往是由元胞自动机所表达，还有个体与智能体，个体根据自己的编号及与其他个体的交流协商对周围环境的变化作出相应的反应。我们做研究是跟国际上同步的，站在同一个起跑线上。多智能体可以使用在城市土地利用变化等几个方面。这是我们建立的一个模型，来预测海珠区居民地的演变过程，涉及到几个不同类型的多智能体，政府、开发商、居民，居民有不同选择居住地的爱好，这些爱好取决于他们的收入情况、交流的水平、家庭有没有小孩等等，跟经济状况有关系，这些参数在统计年鉴上或者GIS共同挖掘出这些知识来。开发商有不同的投资行为，政府根据资源情况调控土地的价格，有不同的行为。多智能体包括政府、居民等他们有不同的决策行为，通过资源和环境的相互作用，导致政府比较复杂的演变过程。如果用传统的方程式，我们是无法进行这方面的研究。我们要根据不同的类型，有不同的参数。
　　今天我的汇报内容就是这么多，谢谢各位专家领导。中国