系统工程在城市规划定量分析中的应用

武汉大学城市设计学院

系统工程在城市规划定量分析中的应用基于引力模型对京津冀地区分析为例

陈舒怡2008301540029 08级城规一班

2011/12/15

系统工程在城市规划定量分析中的应用

——基于引力模型对京津冀地区分析为例

陈舒怡2008301540029 08级城规一班

【摘要】：本文简要阐述系统工程学在城市规划中定量分析使用的意义及作用，并通过引力模型对京津冀地区主要城市的分析,来举例说明引力模型对该地区定量分析以界定京津地区的引力影响范围，为规划决策提供有力参考建议。

【关键词】：城市系统工程学，引力模型，京津冀城市群

随着全球城市化进程的加速,城市已日益成为人们共同关注的焦点。一个健康发展的城市,其各个组成要素应紧密联合,表现出较强的综合性、系统性等特点。城市规划不仅要研究空间、资源配置等物质实体，还要研究其间的相互作用、影响因素，同时还要做出一系列的决策。并且，根据国民经济发展计划,在全面研究区域经济发展的基础上,尊重城市的历史和自然条件,对组成城市系统的各个要素进行合理配置,使之互相配合,协调发展,为城市居民创造出良好的城市环境,提供优美的城市空间。可以说,城市是一个由多部门组成,受多因素影响,具有多种功能的综合的复杂系统。而在这个庞大系统内的因素繁多，要协调好它们之间的关系，单纯依靠定性描述的手段显然不够。社会学、文化学、经济学、管理学等多学科的交叉融合使城市研究的领域逐渐拓宽,研究的手段逐渐从定性研究发展到定性研究和定量研究相结合。科学发展的历史也已经指明，科学技术定量化是科学发展的必然历史趋势，必须采用定性与定量分析相结合的方法。因此，在规划过程中采用数学模型，进行定量化决策是提高城市规划准确性的重要手段。以前，进行的大多数城市规划分析大多停留在对现状描述上，运用统计分析等统计学方法进行的定性与定量分析相结合的手段和技术还非常薄弱。随着计算机技术的广泛应用及运筹学等相关学科的发展，研究的手段也逐渐从定性迈向定性和定量的结合，即先定性分析城市规划的影响因素及城市运动变化规律，然后运用系统工程的定量化、模型化手段建立综合数据库和应用模型，从而推动了定量分析与模拟在城市规划中的应用与发展。也只有在定量模拟的基础上，才能准确地预测城市的发展变化与持续服务能力。这种变化说明了城市规划学科正从注重表向的研究深入到本质的探索，努力揭示事物内在的机制和运动规律。系统工程学理论的基本点就是要求人们对研究对象作完整的、系统的、全面的考察、分析，而系统工程学的方法论就是要求人们既定性又定量地研究分析对象。城市规划方案、城市建设管理措施的优化显然是我们竭力追求的目标，系统工程通过对城市有关大量资料、数据的整理加工，进行统计分析可以提示城市系统各要素的内在联系和发展规律，预测城市的发展，为规划提供科学的依据。

城市系统工程定量分析方法有引力模型法、专家调查法、头脑风暴法、SWOT分析法、城市空间分布测度法、系统评价法、规划支持系统等。下面我将以其中的引力模型为例，分析京津冀城市圈的核心城市引力辐射范围，并由此得出区域规划发展决策依据。

一、理论综述

引力模型源于物理学中的万有引力定律，物理学的公式应用到经济学的研究中，使得经济学的研究更加严谨，数据分析逻辑性强。特别是将引力公式应用到区域经济和城市经济的研究当中，拓展了该领域的研究视野和方法。国内外很多专家学者都曾将引力模型应用到区域经济以及城市空间经济的研究当中，并得出了非常有意义的研究成果。引力模型是根据牛顿万有引力定律推导出来的。该模型认为，两个城市间的相互作用与这两个城市的人口规模（表示城市的质量）成正比，与它们之间的距离成反比。其一般形式如下：

式中，为Iij为i和j两个城市间的相互作用量；Wi,Wj为经验确定的权数；Pi和Pj 为i和j两个城市的人口模；Dij为i和j两个城市间的距离；b为测量距离摩擦作用的指数，本文中的摩擦指数b取值为1。引力模式中的距离，一般用km表示。但随着各种现代化运输工具的发展，传统的距离概念正受到挑战。在交通便捷的地方，空间上的距离被“缩短”了因此也可以用时间、运输成本等特殊距离单位来衡量两地间的距离。这里的计算选取了城市与城市之间的直线距离。引力模式中的摩擦指数问题更为复杂。在一些应用中，摩擦指数取值1，这等于没有加权。如果选用别的适当的数值将能更好地改善这个模式的性能。这里取摩擦指数为1是为了简化模型的计算，为后续的计算结果做基础。

二、区域概况

京津冀地区作为环渤海经济发展的核心，对整个北方经济拥有整体的带动效应。京津冀地区2008年全年生产总值２.98万亿元，占全国比重为9.1％；人口9691万人，占全国的7.3%。京津冀区域作为北方经济增长的核心，其经济作用对全国经济发展产生了积极的带动作用。随着区域一体化进程的不断推进，京津冀区域经济也面临着许多问题急待研究解决。京津冀区域内部存在严重的二元经济结构，京津两地与河北在产业结构、交通一体化以及区域一体化等方面存在问题。随着一体化进程的深入推进，需要对区域内部各城市之间的作用力，特别是京津核心城市对周边城市的辐射作用进行进一步的研究。

一般来说，协调发展是区域经济发展的最高目标，而减小区域梯度差，使区域内各经济实体协调发展，也是京津冀城市群未来发展的目标。在我国的三大城市群中，京津冀城市群一直没有形成特色鲜明的二级经济中心城市，使得京津冀区域发展不平衡性明显，形成了明显的区域梯度差。本文基于城市引力模型，计算河北省各市与京津地区的城市引力值的大小，按城市引力值的大小，对河北省各个城市进行排序，形成不同的城市层级。引力最大形成第一层级，引力次大形成第二层级，引力较小的形成第三层级。然后针对不同引力、不同层级的城市给出产业政策或经济政策方面的建议，最终促进京津冀区域的协调发展。

三、引力分析

对京津冀的城市指标进行因子分析，计算各城市的因子得分，以此作为城市质量，再对通过引力模型公式计算城市引力。

选取北京和天津两大核心城市，再选取其他典型相邻城市作为辐射边缘，通过引力模型计算各级城市之间的吸引力，就可以确定该经济区辐射范围所含县和市了。分析计算具体步骤如下：将数据的各因子根据相关性进行归类，将指标分为三个大项，再根据该城市的该项因子得分加权计算各城市的综合因子得分。由于因子得分存在负数，为了方便下一步的计算，各城市因子得分统一加1来取正值。

城市天津唐山秦皇岛承德廊坊张家口保定沧州衡水石家庄邢台北京59.50 21.06 7.51 10.12 38.19 11.09 15.52 10.37 4.96 13.44 4.72 天津--- 22.50 6.37 5.78 21.12 4.66 9.92 13.73 4.18 9.39 3.57

城市辐射范围界定。通过对空间交互理论重力模型分析，叮以看出北京和天津在京津冀地区的城市核心地位和强大的辐射作用力。其中，北京与天津两地之间的联系作用极其紧密，引力系数值高达59. 50。如此高的引力系数的产生不仅仅是由于两地的地理位置上的连接，两地之间的经济联系密切，交通发达，高速铁路，高速公路以及京津之间的各种城际交通发达，而且两地之间的资本、人才、技术等经济要素之间来往也非常密切。

引力系数>13 引力系数介于7-13 引力系数<7 北京天律廊坊唐山保定石家庄张家口沧州承德秦皇岛衡水邢台

天津北京唐山廊坊沧州保定石家庄秦皇岛承德张家口衡水刑台

另外，北京周边地区的辐射范围，除上面提到的天津外，对廊坊、唐山、保定、石家庄的吸引作用也很大。如北京的辐射范围分三个梯度:第一梯度为天津、廊坊、唐

山、保定、石家庄，其引力系数大于13;第二梯度为张家口、沧州、承德、秦皇岛，其引力系数介于7到招之间;第三梯度为衡水、邢台.其引力系数介干低于7。

同时可以看到，大津对于周边地区的辐射范围也分三个梯度:第一梯度为北京、唐山、廊坊、沧州，其引力系数大于13;第二梯度为保定、石家庄，其引力系数介于到7到13；第三梯度为秦皇岛、承德、张家门、衡水、邢台，其引力系数低于7。

天津其辐射范围跟北京相类似，但也有不同之处，比如天津对于沧州的吸引要高于北京，在整体吸引力上纵向比较排序相类似，但横向上比较，天津对于唐山的吸引高于廊坊，而北京对廊坊的吸引高于唐山；北京对保定的吸引高于沧州，而天津对沧州的吸引高十保定。京津冀经济区以北京和天律为中心的城市密集分布带，整体上形成下大梯度、三大体系：一是以两个一级城市北京和天津为核心的城市圈，二是以唐山、保定、石家庄为核心的外围城市圈，三是其他的周边城市区域。该地区的城市带主要是沿铁路和高速公路分布，京广线北京到邢台段，京石高速，以及京津塘高速，京九铁路的天津到沧州段。另外，衡水和邢台由于与京津核心城市的交通联系不够发达，影响了两地的引力系数，并且由于交通问题导致的经济整休规模的整体下降一也影响了其自身的引力体系数。可见，京津对于处于第三梯度的城市吸引力不够。

京津冀区域产业结构分析。如表所示，从区域产业结构来看，河北第一产业占优，而二认三产业不具有比较优势;北京第一产业比重仅仅占1.1%，第二产业占27. 5%，第三产业占71. 3%。可见北京产业结构升一级已经进入高级阶段，第三产业特别是信息产业和金融业成为其经济支柱；天津第一产业结构也只占2%，第二产业占57.6%，第三产业占40. 3%，可见天津第一产业比重很低，第二产业比重正在逐渐减少，第三产业比重正在增加，正处在进行产业结构升级的中期。但还没有升级到北京的产业结构水平。河北省的采掘业、重加工业和农副产品生产占优势；天津属于加工型地区，以非农产品为原料的加生工业占优;北京属于知识密集型地区，在高新技术产业和教育、文化产业等方面具有优势。在主导产业上北京、天津的产业结构趋同比较明显，整个地区尚未形成明显的区域分工，河北与京津的产业集聚差距较大，制造业和第三产业大量集聚在北京和天津。

指标河北北京天津

地区正产总值13863.5 9006.2 5018.3

第一产业1971.2 101.3 102.9

第二产业7252.5 2479.3 2891, 3

工业6566.8 2053.4 2669

第三产业4639.8 6425.6 2024.1

交通运输仓储邮政1138 499.4 295.1

批发零售业753.8 848.3 505.8

第一产业比重14.2 1.1 2

第二产业比重52.3 27.5 57.6

第三产业比重33.5 71.3 40.3

人口（万6943 1633 1115

根据引力分析确定的各自引力范围，具体到河北各主要城市与京津的联动。在京津两城市的各自辐射范围内，北京重点发展与廊坊和唐山以及保定的联动，合理进行产业结构升级和产业转移。天津力一面则重点发展与唐山和廊坊以及沧州的联动，带动周边城市的发展，实现各自城市辐射范围内的合理分工。

四、政策建议

通过上述引力模型对京津冀地区各卞要城市的空间相互作用力的分析，需要采取相应措施来促进京津冀地区的-体化进程。京津两核心城市进行职能分工，在产业结构上实现合理化，发展各自的优势产业。完善京津冀地区区域交通基础设施建设，促进河北与京津两地的联动。进一步减少体制和制度上的阻碍，推进户籍制度和区域金融制度改革。优化产业结构，河北承接京津转移的劳动力密集型产业，京津发展知识和技术密集型产业，实现产业优化升级。

1.京津产业分工合作。天津作为北京的出海门户应重点发展外向型经济，发展外贸产业。同时，天津在能源等重工业力一面的优势有待进一步发挥，实现与北京的互补。而北京则应优先发展金融等产业与天津和周边城市形成联动。

2.构建区域交通基础设施。与京津相比，周边城市与京津的交通线不够，京石高速以及多条国道和铁路联系京津和周边城市。需要大力发展京津与廊坊、唐山以及保定之间的城际交通，特别是随着城市一体化的推进，河北应利用自身的区域优势和资源禀赋来承接京津转移的产业，发展劳动密集型产业。

3.统筹京津冀地区城乡发展。统筹京津冀地区城乡经济，区域一体化发展，实现区域内的合理分工。实现区域内生产要素最大限度的自由流动，实现农村土地经营权的流转，建立健全就业服务体系和城乡统一的劳动力市场，完善农村剩余劳动力转移的信息服务，创造良好的发展环境，转移农村剩余劳动力。

综上所述，京津冀一体化的推进，需要在强化京津实力的基础上，实现京津与河北各城市的区域联动。通过对京津冀空间作用力的分析，确定各城市之间的引力范围以及引力强度，为相关政策的制定提供了有益的数据基础。打破体制障碍，调整产业结构，优化产业分工，为京津冀区域一体化提供便利，京津冀区域经济必将在将来全国经济的发展中起到更大的带动作用。

五、总结

城市规划是促进城市可持续发展的有效技术手段，而科学技术定量化是科学发展的必然历史趋势。系统工程学理论和方法的引入,有利于我们从深层结构对城市进行分析有利于我们运用整体的观点分析组成城市系统的各个子系统之间的关系并达到系统的整体性最优有利于我们科学地预测城市的发展,为城市规划提供科学的依据有利于城市建设方针、城市规划方案和城市建设管理措施的优化,提高城市规划的质量，使局部和整体之间的关系协调配合,以实现系统的综合最优化。在强调可持续发展的现代城市发展过程中,我们有必要运用系统工程学的理论和方法解决许多城市问题。

【参考文献】：

[1] 陈秉钊，城市规划系统学，同济大学出版社，1988.9

[2] 刘龄德，夏国平编著，系统工程基础，中央广播电视大学出版牡,1982.5

[3] 陈思录主偏，系统工程，重庆大学出版社，1990.5

[4] 许学强，周一星，宁越敏，城市地理学，高等教育出版社，1998.

[5] 龙青云，城市间相互作用的万有引力模型分析，湖南经济管理学报，2005,10

[6] 李震，顾朝林，姚士媒，当代中国城镇体系地域空间结构类型定量研究，地理科学，2006.10

[7] 孙施文.现代城市规划理论，中国建筑工业出版社，2007

[8] 李璐，季建华.都市圈空间界定力一法研究.统计与决策(理论版), 2007, 2

[9] 李晓江，城镇密集地区与城镇群规划—实践与认知，城巾规划学刊，2008.11

[10] 奕贵勤，区域经济学，清华大学出版社，2008

[11] 朱道才，吴信国，郑杰，经济研究中引力模型的应用综述，云南财经2008.5