Динамика развития города ( Urban Dynamics )

Город является сложной системой, в которой переплетаются и взаимодейст­вуют различные процессы: социальные, производственные, территориаль­ные, экологические, экономические и т. п. Вопросы оптимизации управле­ния городским хозяйством давно привлекали к себе повышенное внимание специалистов по моделированию. Корректировочные действия в этой Облас­ти, предлагаемые из соображений здравого смысла, часто не учитывают их влияния на другие характеристики этой сложной системы. Поэтому часто они либо не дают эффекта, либо приводят к прямо противоположным ожи­данию результатам. Для исследования эффекта, который может вызвать то или иное решение по управлению городом, уже давно используются модели. Моделирование позволяет исследовать процесс урбанизации, проанализиро­вать его динамику, проверить гипотезы об эффективности той или иной по­литики планирования городского хозяйства.

В данной главе после описания проблем, возникающих при рассмотрении города как сложной системы, приводится упрощенная модель динамики го­рода, построенная в рамках агентной парадигмы.

Город как сложная система

Интуитивно очевидные, основанные на здравом смысле решения в области управления городским хозяйством часто попадают в одну из нескольких ло­вушек, типичных для сложных систем. Именно в городских системах прояв­ляется тот эффект, который Дж. Форрестер в работе [JF69] назвал "контрин­туитивным поведением социальных систем". Существует несколько причин этого.

Во-первых, попытка улучшить одну группу показателей может создать но­вый тип поведения системы, который также имеет свои неприятные послед­ствия, т. е. попытка решения одних проблем чаще всего вызывает другие, иногда худшие проблемы. Например, увеличение инвестиций в жилищное

строительство будет иметь непосредственным эффектом увеличение количе­ства и, следовательно, дешевизну жилья, но как более отдаленные следствия повышенную иммиграцию, большую скученность, безработицу, понижение качества жизни и социальный взрыв.

Во-вторых, решение, дающее краткосрочное улучшение показателей, очень часто закладывает основу для деградации, ухудшения показателей системы в будущем. Поэтому нужно различать краткосрочные и долгосрочные цели и возможный выигрыш. Например, индустриализация города может быстро повлечь повышение стандартов жизни, но в долгосрочном плане влечет к уве­личению выбросов и необратимому ухудшению экологии в городе. Улучше­ние медицинского обслуживания в долгосрочном плане ведет к' перенасе­ленности и повышению доли пенсионеров и иждивенцев среди населения. Дж. Форрестер определил для города краткосрочный период— это 5—10 лет, долгосрочный — 20 и более лет.

Третья причина трудности управления сложными системами состоит в том, что в таких системах локальные цели одной части системы часто конфлик­туют с объективными целями всей системы. Например, целью города может быть расширение территории, но это противоречит целям сельскохозяйст­венного развития региона, в котором город является только частью.

Первые модели урбанизации были разработаны в рамках парадигмы систем­ной динамики еще ее изобретателем Дж. Форрестером в [JF69]. Более тон­кие модели урбанизации использовали методы структуризации при разра­ботке модели, что позволило рассмотреть город как совокупность районов, а население как состоящее из нескольких социальных групп. Структурные модели системной динамики позволяют выразить неравномерное развитие отдельных районов, влияние различий в социальных группах на динамику развития города. Однако модель города, основанная на принципах систем­ной динамики, не может учесть пространственные характеристики города, децентрализацию, индивидуальное поведение и принятие решений жителем, транспортные магистрали, их протяженность и влияние на экологию. На­пример, такой эффект развития города, как "периферизация" — появление по периферии города кольца районов, население которых относится к соци­альным группам с низкими доходами, весьма сложно отразить в рамках системно-динамической модели. В последнее время стало очевидным, что именно агентный подход позволяет строить более адекватные модели, по­скольку именно в агентных моделях можно связать пространственную структуру города, объекты проживания и производства, также в рамках па­радигмы агентного моделирования можно специфицировать объекты, при­нимающие решения.

В следующем разделе представлена модель, которая описывает динамику развития небольшого города.

Пример агентной модели

Развития города

(Urban Dynamics Agent Based)

Эта модель является упрощенной версией модели, которая была разработана двумя компаниями, XJTechnologies и ATN, в рамках проекта, выполненного для городского управления одного из городов Франции. Модель построена на основе агентов, т. е. независимо определенных объектов нескольких фиксированных типов, каждый со своми параметрами, поведением, харак­теристиками.

Общее описание модели

Город традиционно рассматривается как система из трех взаимодействую­щих структур: промышленности, жилья и населения [JF69]. Данная модель дополнительно к этим структурам рассматривает и пространственную струк­туру города, т. е. районы и распределение по районам населения, производ­ства и жилья, а также транспортные связи районов.

Модель позволяет предсказать транспортную нагрузку в городе, ухудшение экологической обстановки от загазованности и расселение семей в районах города. Она отражает рынок труда и рынок жилья, а также доступность мес­та для развертывания производства. В модели можно наблюдать, например, следующие эффекты: при возрастании населения доступность работы и дос­тупность жилья уменьшатся, уменьшение рабочих мест и жилья приведет к увеличению квартплаты, это, в свою очередь, приведет к большей скученно­сти, безработице и низкой заработной плате.

В модели рассматривается несколько разных типов (классов) сущностей:

□ пространственные структуры города (районы);

□ квартиросъемщики — люди с их поведением, объединенные в семьи;

□ семьи, объединяющие людей;

□ квартиры, в которых могут проживать семьи;

□ производственные площадки, на которые могут размещаться производства;

□ производства, на которых люди могут работать и получать доход;

□ транспортные коммуникации (дороги для автомобилей и линии общест­венного транспорта).

Город разделен на несколько независимых районов (зон). Районы отлича­ются друг от друга числом квартир и площадок для размещения производст­ва. Кроме "пассивных" объектов — производственных площадок и квартир, в городе существуют активные мобильные объекты: предприятия (например,

бытового обслуживания) и квартиросъемщики. Предприятия в районе рас­положены на производственных площадках и могут менять место располо­жения, квартиросъемщики (семьи) живут в квартирах на территории района и могут менять место жительства. Некоторые площадки, как и квартиры, могут быть не заняты. Стоимость аренды площадей для предприятий и стоимость аренды квартиры в различных районах различаются, они зависят и от привлекательности района, и от соотношения спроса/предложения.

Семья может включать несколько членов, которые могут работать на пред­приятиях. Работа может быть либо в этом же районе, либо в другом. От этого зависят транспортные расходы человека и время, которое он тратит на дорогу. Если в семье достаточно машин, он ездит на работу на машине, при этом он тратит на дорогу меньше времени, но больше денег, увеличивая при этом нагрузку на основные магистрали между районами и их загазованность. При отсутствии машины человек ездит на работу в дру­гой район на общественном транспорте, испытывая определенный дис­комфорт. Этот дискомфорт влияет на его состояние удовлетворенно­сти/неудовлетворенности.

Семья может увеличиваться, уменьшаться, соединяться или разделяться в зависимости от поведения своих членов. Если человек работает на предпри­ятии, он имеет определенный доход. Поведение члена семьи характеризует­ся состоянием удовлетворенности или неудовлетворенности своим положе­нием, которое зависит от среднего дохода на члена семьи и стоимости жизни. Если человек не удовлетворен своим положением, он может уво­литься с работы и искать работу на другом предприятии как в своем районе, так и в других районах города. Состояние неудовлетворенности человека имеет несколько градаций в зависимости от времени поиска работы, имею­щихся у него уменьшающихся со временем средств, необходимости исполь­зовать общественный транспорт и т. п. Вся семья может мигрировать из од­ного района города в другой, учитывая стоимость жилья, время, которое будет тратиться на дорогу, уровень комфортности района и удовлетворенно­сти членов семьи.

Если человек удовлетворен своим положением, он может сменить район на более престижный, купить машину, если число машин в семье меньше чис­ла ее членов, он также может искать более выгодную работу.

В модель включен анализ транспортных потоков и его влияние на систему. Транспорт делится на общественный (рассматриваются только линии метро) и личный (легковые автомобили). Население пользуется транспортом (либо общественным, либо личной машиной, если она есть), чтобы добраться до работы. Пиковая нагрузка на дороги при поездке на работу рассчитывается на основе данных о месте проживания и месте работы каждого работающего члена семьи, она рассматривается в качестве характеристики загруженности основных магистралей между районами и загазованностью вокруг них.

Модель с названием urban Dynamics Agent Based находится в папке Model Examples\Part V. На рис. 18.1 показана анимационная картинка этой модели.

Модель

Модель содержит шесть активных объектов: Enterprise (предприятие), Household (семья), Model (корневой объект), Road (автомобильная дорога), Transport (линия общественного транспорта-метро) и zone (район города) (рир. 18.2).

Рассмотрим некоторые из этих объектов.

Линия метро (Transport) имеет в качестве параметров районы города, кото­рые она соединяет, время ожидания и стоимость проезда. Переменными объекта этого класса являются изображение этой линии на поле анимации, ее текущая загруженность, а также ее предельная загруженность. Предпола­гается, что со временем предельная загруженность линии будет увеличиваться в результате модернизации, если город будет выделять на это деньги. Линия может быть выделена, в этом случае она будет отображаться на анимации. При отображении линии ее толщиной показывается ее загруженность отно­сительно ее максимальной пропускной способности, а цветом — градации

абсолютной загруженности, показываемые зеленым, желтым или красным. К этой линии добавляется пассажир (в переменную load), если для того чтобы добраться до работы, этот человек должен использовать линию (не имеет машины, живет в одной зоне, а работает в другой, и зоны соединены данной линией).

Дорога (Road) имеет в качестве параметра ее длину, а в качестве перемен­ных — время в пути, ограничение скорости, ломаную линию, которая ее изображает на анимации и т. п.

Предприятие (Enterprise) расположено в некотором районе (zone), должно платить арендную плату (rent), имеет некоторый доход (income), имеет некоторое число рабочих мест (places), штат (вектор, содержащий рабо­тающий персонал, занимающий рабочие места) и признак того, что оно вы­делено. Динамика предприятия представлена стейтчартом, отражающем ос-редненное изменение состояния предприятия во времени. Предприятие после начала функционирования находится в состоянии работы, с некото­рой вероятностью может расширяться, нанимая новых рабочих, или сокра­щаться, увольняя рабочих. Кроме того, предприятие может в состоянии раз­вития искать лучший район для перемещения туда, а в состоянии упадка искать район с меньшей арендной платой.

Район города (zone) имеет следующие параметры: уровень престижности (комфорта), число площадок для размещения предприятий, число квартир и уровень арендной платы (за жилье и производственные площади). Район включает некоторое число жителей (представленных вектором), живущих в квартирах этого района, некоторое число предприятий, размешенных на производственных площадках, а также некоторое число дорог.

Семья (Household) включает несколько членов. Класс Member является включенным в класс активного объекта Household. Каждый член семьи име­ет определенный возраст (от возраста зависит его зарплата), у него может

быть или нет работа на некотором предприятии, может владеть машиной. Семья живет в некоторой зоне, может владеть несколькими машинами, за­крепленными за членами семьи. У семьи есть доход, складывающийся из доходов ее членов, а также расходы, которые состоят из арендной платы за жилье, ежемесячных трат на питание членов семьи и их транспортных рас­ходов. Динамика семьи состоит в том, что семья может быть либо в состоя­нии удовлетворенности жизнью, либо в состоянии неудовлетворенности. Эти состояния зависят от того, насколько доходы семьи превышают ее рас­ходы. В состоянии удовлетворенности жизни семья может либо потратить деньги на новую машину, либо переехать в более престижный район. Если член семьи потерял работу, он имеет нулевой доход в течение всего периода поиска работы. Если доход на одного члена семьи мал, семья переходит в состоянии неудовлетворенности. Таких состояний неудовлетворенности несколько. При отрицательном балансе доходов над расходами семья пере­ходит в критическое состояние Extreme. Только отчаявшись, в этом состоя­нии семья решается переехать в менее престижный район с меньшей стоимостью аренды за жилье.