交通经济带微观仿真技术研究

刘新建

(河北省高速公路石安管理处，河北省 050000)

交通经济带微观仿真技术研究

刘新建

(河北省高速公路石安管理处，河北省 050000)

交通经济带（Traffic Economic Belt，简称TEB)是描绘区域经济组织形式的经济学概念，它将区域经济框架构成方式应用辐带状空间地域信息表述出来。本文应用统计力学中的元胞自动机原理（Cellular Automata，简称CA）作为微观仿真工具，对交通经济带进行了仿真和探讨。

交通经济带；微观仿真技术；元胞自动机

0 引言

交通经济带（Traffic Economic Belt，简称TEB)是以综合运输通道为发展主轴，以轴上及其吸引域内的大中城市为依托，通过沿线经济部门的技术联系和生产协作，由资源、人口、产业、城镇、信息、客货流等集聚而成的辐带状空间地域综合体，具有明显的时空演化特性。本文介绍了统计力学中的元胞自动机（Cellular Automata，简称CA）理论并初步阐述了交通经济带的CA模拟，为微观仿真技术的经济学应用提供了参考。

1. 交通经济带基本理论

1．1 交通经济带的概念

交通经济带概念目前尚没有统一的定义，其大致界定为：交通经济带是以综合运输通道为发展主轴，以轴上或其紧密吸引域内的大中城市或城镇为依托，通过沿线经济部门的技术联系和生产协作，由资源、人口、产业、城镇、信息、客货流等集聚而成的辐带状社会经济有机体和空间经济系统。交通干线、以二、三产业为主的产业体系、城镇群是交通经济带的三个基本要素。其中，交通干线是交通经济带形成发育的前提条件；大中城市及城镇群是交通经济带的依托，是其发展的客观要求和增长核心；产业集聚、扩散及其结构的演进、升级是交通经济带得以维持的重要因素，是推进其发展演化的动力。

1．2 交通经济带的基本性质

交通经济带是一个具有耗散结构的空间经济系统。这是指交通经济带是远离平衡的开放系统，通过与外界不断地交换物质与能量，可能在一定条件下产生自组织现象，形成新的稳定的有序结构，并逐步实现从无序向有序，从低层次有序向高层次有序的转化。交通经济带是由产业、人口、城镇、信息、交通基础设施等要素构成的非平衡态、非线形相互作用的开放系统，它通过内部要素的相互亲和以及与外部系统物质、能量、信息的频繁交换维系着自身的存在。交通经济带在横向和纵向的联系中，不断体现出对区域经济系统的影响和作用，即不断体现内部各要素的整合功能，并实现自身结构的自组织及有序化发展。

交通经济带是一个具有明显生命特征的社会经济有机体，它的形成是运输通道与经济活动在空间上长期相互作用的结果。在其发展的过程中，城镇、产业、社会和文化等活动借助交通体系的技术创新能量，不断表现出明显的集聚和扩散趋向，从而导致经济带内部结构、总体功能、经济实力、腹地边界等事项明显的阶段性变化特征；交通经济带通过与外部系统的质能交换实现类似有机体的新陈代谢过程，并在内部组织结构上表现出相应的雏形、膨胀、成熟、衰退等生命周期过程与特征。

交通经济带演化规律的可知性、宏观调控的可能性。交通经济带是大地域范围的空间系统，其形成和发展对区域、国家经济建设的意义重大。交通经济带固有的时空演化模式使其形成和演化具有明显的规律性，其规律性通过研究是可知的，摸清了发展规律，在市场支配资源配置的条件下，政府可以通过制定总体发展战略和规划，以基础设施建设、产业结构调整、科技传播转化、城镇发展规划为契机，宏观上把握住交通经济带的总体发展水平，综合运用数学、经济、法律和行政等手段对其进行重新设计和调整，并恰如其分地干预其发展、演变的方向。

1．3 交通经济带的时空演化特性

交通经济带随着工业化和运输化的逐步发展而产生相应演化，其发展始终伴随着人口、产业、城镇、信息等要素在空间上沿交通线的大规模集聚和扩散。交通线或新型运输技术的建设与引入，打破了区域经济系统原始的平衡态均质发展结构。交通沿线空间可达性的提高， 使生产要素集聚和扩散行为变得通达而迅捷，并导致区域人口、产业、城镇、信息的轴向汇集，交通经济带随之起步。极化作用使区位条件优越的中心地依托交通，通过后向联系效应不断吸纳邻近地区的人、财、物并迅速成长为交通沿线的经济中心。随着中心城市经济实力的不断增强，与之存在经济联系的地域迅速拓展，交通经济带的非平衡化发展特征日益明显，整个产业带进入膨胀增长阶段。当集聚达到一定程度时，扩散效应逐渐发挥主导作用，经济中心以梯度扩散、等级扩散、位移扩散等方式不断向邻近区域传递产业及技术要素，综合交通通道的功能完善促使经济带均衡发展过程得以相对便捷地实现。当城市间隙原本不发展地区接受产业、技术等生产要素扩散后经济水平相应提高后，整个交通经济带转入成熟期并逐渐完成由原始均衡向高级均衡的交替轮回。

2 微观仿真工具——元胞自动机基本理论

20世纪50年代，John Von Neumann为了模拟生物界的自复制行为，提出了元胞自动机理论。Von Neumann提出的第一个自复制元胞自动机是由二维方形网格组成的，由数千个基本元胞构成自繁殖结构，每个元胞有多达29个可能状态。继John Von Neumann研究之后，另一些学者也遵循同样的路线进行了元胞自动机理论研究。1968年E.F.Codd以及以后的C.G.Langton和Jubal提出了能够自复制，且仅使用8种状态的元胞自动机规则。20世纪80年代，HPP-FHP格子气模型对于Navier-Stocks 方程的数值解开创了元胞自动机理论在科学研究领域的实际应用,并且由此引发了在更多领域的广泛研究。

从结构上看，由自动机首尾相接形成的网络称为自动机网络，当自动机网络具有空间上的对称性时，就是元胞自动机。用元胞自动机进行系统模拟的关键是确定“邻居”范围、元胞状态及演化规则。其中，“邻居”是指可对中心元胞下一时刻的取值产生影响的相邻元胞的集合，在一维元胞自动机中常用半径R确定邻居范围：即到中心元胞距离不超过R的元胞属于该中心元胞的邻居。二维元胞自动机中邻居范围的确定有多种，在具体应用时还可以根据模拟对象的特点具体确定其邻居范围。元胞状态是指刻画元胞特征的量值，其取值空间又称为元胞的状态空间。演化规则是一个从中心元胞的邻居状态到中心元胞下一时刻状态的映射关系，决定元胞之间相互作用的方式。

一般认为元胞自动机的特点包括离散性、齐性、并行性、时空局部性、高维性等，实际应用中总是在对现有的标准元胞自动机进行适当的扩展，以便设计出更加合适的模型。比如，在对经验型市场模型的研究中，每个元胞被设计为面向对象的方法学中的对象（Object），每个对象都从基本的元胞对象中继承而来从而具有相同的操作方法和特性。这样可以在保证标准元胞自动机的基本定义及其操作定义（比如将一个操作普遍地应用于每个元胞）的同时，利用对象的多态性和封装性，在其中封装比较复杂的分类和处理。另外，标准元胞自动机的演化规则都是确定性的，但是为了模拟具有随机特性的个体行为，在具体的模拟中引入了随机的演化规则，并得出了更加符合实际情况的结果。

3 交通经济带微观仿真

3．1 微观仿真前提

理性抽象是经济学研究区别于其他社会科学的最明显特征，当使用来自于理工类的工具进行经济学研究时，它就成为其中最为关键的一个出发点。一般来说，通过抽象建立每个交通经济带的效益模式，然后借助人工智能或者数学手段寻找在无数种独立或者合作形式当中效益最大的一种。很多经济学研究都是基于这种抽象进行的，有些看上去不是那么直接的情况, 也可以归结到这个假设中。比如一部车选择一条高速公路到达指定的目的地，即使从经济学上看不太合算，但是从满足个人的意愿来看（比如尽快到达）仍然是符合效益最大的理性抽象原则的。但是仍然有一些情况是出乎理性抽象之外的，比如对于不是很重要的出行目的，在选择出行线路上随意性是很大的。当然，在以优化为目的的数学或者人工智能手段中，这种随意性是很头疼的，但是在CA模拟中，随机因素的考虑已经是一种常用的手段了，在必要时引入随机因素是有效的而且是不可避免的。

3．2 微宏观相结合的交通经济带CA模拟方法

交通经济带研究的根本目的就是在指定的框架下寻找最佳的效益或者契约。

而所谓的最佳又与所研究的对象有关，按照框架中每个个体所做出的最佳选择往往不是全局的最佳，甚至也不是其个体的最佳。如同“囚徒悖论”里面所表现的那样，个体的最佳选择既不是全局的最佳选择，也不是双方在合作条件下的个人最佳选择。因此，当面对多个个体时，所谓最佳仍然是一个大问题，往往需要在理论的指导下借助模拟来进行解决。

当面向微观个体的时候，其行为规则和状态往往是简单的；即使个体种类不同，每个种类的个体仍然是简单的，这就为CA模拟提供了最基本的基础。当面向全局的宏观总体时，由于微观个体的数目往往比较大，一般认为是所谓的中等数目，即数目不太大也不太小。由于难以直接对如此多的个体进行跟踪分析，以往总是在统计意义上对全局问题进行研究。在元胞自动机对交通经济带的模拟中，中等数目的元胞模拟数量恰恰是合适的一个研究规模。借助于CA模拟可以做到以相对简单的个体规则来设计交通经济带及其演化规则，同时在统计的意义上研究宏观总体的变化规律。如同在以往研究中所揭示的，简单的微观的个体行为规则往往会造成复杂的交通经济带总体行为。这种研究结果同时揭示了这样一些规律：复杂的交通经济带现象背后的本质往往是由一些简单的个体判别规则带来的；而一些难以经济学上理解的结果可能仅仅是因为一定比例的交通经济单位是随机的而不是按照理性的方法来选择其交通经济效益的缘故。

4 结论

元胞自动机作为一种离散的局部动力学模型，很容易描述复杂系统各要素之间的相互作用，不需要建立、求解复杂的微分方程，只需确定简单的模拟演化规则即可，非常适合于模拟复杂的交通经济带系统的时空演化过程。本文针对交通经济带的特性，提出了CA模拟的前提和方法，为进一步研究元胞自动机的经济学应用提供了有价值的参考。

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TU43

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1007-6344（2015）10-0207-02