《新城市科学》作者：迈克尔·巴蒂
版权信息
书名:新城市科学
作者:[英]迈克尔·巴蒂
译者:刘朝晖 吕荟
ISBN:9787521709858
中信出版集团制作发行
版权所有·侵权必究
科学可以被描述为有系统的极简化艺术——辨别我们可以预先忽略什么的艺术。
——卡尔·波普尔，《开放的宇宙》
总序
作为CIDEG文库的主编，我们首先要说明编纂这套丛书的来龙去脉。CIDEG是清华大学产业发展与环境治理研究中心（Center for Industrial Development and Environmental Governance）的英文简称，成立于2005年9月的CIDEG，得到了日本丰田汽车公司提供的资金支持。
在清华大学公共管理学院发起设立这样一个公共政策研究中心，是基于一种思考：由于全球化和技术进步，世界变得越来越复杂，很多问题，比如能源、环境、公共卫生等，不光局限在科学领域，还需要其他学科的研究者参与进来，比如经济学、政治学、法学以及工程研究等，进行跨学科的研究。我们需要不同学科学者相互对话的论坛。而且，参加者不应仅仅来自学术圈和学校，也应有政府和企业家。我们希望把CIDEG办成类似斯坦福大学非常著名的公共经济政策研究中心（Stanford Institute of Economic Policy Research，SIEPR）那样，对能源、环境问题进行经济和政策上的分析。我们认为，大学应该关注基础研究，大学的使命是创造知识，在深层知识的产生上发挥作用。而产业部门的任务是把技术成果商业化，大学和产业之间的连接非常重要。但与此同时，我们不应忘记政府的角色，特别是对于一个发展中的转轨国家，政府职能的定位和边界至关重要。CIDEG的目标是致力于“制度变革与协调发展”、“资源与能源约束下的可持续发展”和“产业组织、监管及政策”为重点的研究活动，为的是提高中国公共政策与治理研究及教育水平，促进学术界、产业界、非政府组织及政府部门之间的沟通、学习和协调。
2005年9月28日CIDEG召开了“中国的可持续发展：产业与环境”的首届国际学术研讨会，会议的主题正是中国当今的产业和环境状况。
中国的改革开放已经有几十年历程，它所取得的成就令世人瞩目，它为全世界的经济增长贡献了力量，特别是当其他一些欠发达国家经济发展停滞不前的时候。不过，中国今后是否可持续增长，却是世界上许多人所关注的问题，因为在中国取得巨大成绩的同时，还面临着诸多挑战：资源约束和环境制约，腐败对经济发展造成的危害，糟糕的金融服务体系，远远不足的自主创新能力，以及为构建一个和谐社会所必须面对的来自教育、环境、社会保障和医疗卫生等方面的冲突。这些挑战和冲突正是CIDEG将开展的重点研究课题。
中国发布的“经济和社会发展‘十一五’规划纲要”提出了对发展模式的调整，号召用科学发展观统领全局，坚持以人为本转变发展观念、创新增长模式、提高增长质量，把经济社会发展切实转入全面协调可持续发展的轨道。这也为CIDEG的研究工作的开展提供了一个更有利的前景。欢迎加入得到书社，微.信:whair004.罗辑思维，得到APP，樊登读书会，喜马拉雅系列海量书籍与您分享
而中国对环境治理方面的研究显然刚刚开始，中国近年能源消耗的速度远高于实际经济增长速度，这种增长是不可能长时间持续的。最近《京都议定书》开始生效，哪些公共政策措施可以控制二氧化碳和其他污染气体的排放？建立一个排放权的市场是否对控制尾气排放有效？如何资助新环境技术的进步？这些问题不仅需要技术知识，也需要经济学素养。而建立一个环境监管体系，就不仅涉及法律问题和技术问题，更需要对广泛社会问题的考量。环境污染背后的实质是社会成本和价值的重新分配问题，因而要从社会系统的角度考虑环境监管。并且从发展的角度来看，中国环境污染的源头在发生改变，监管体系也就应该随之改变。
还有公共卫生问题，比如SARS、疟疾、艾滋病等，这是全球化的另一面。人口流动性的增加加快了疾病传播，如何控制这些病的流行，不仅需要医生的合作，而且涉及许多移民的工作、生活和环境等问题。我们会面对许多类似的公共政策问题，解决方法要看历史因素和经济发展水平，因此，就要进行国际比较研究。
中国是独特的。但是，由于中国也曾经是一个中央计划经济国家，有些研究需要与过去同是计划经济的中欧和独联体国家相比较。与此同时，日本、韩国、中国和中国台湾地区有一些共同的特征，在开始阶段农村人口都占很大比重，传统社会规则是农业社群中的人际关系生发出来的。这些社会关系不可能一夜之间改变，这种发展形式和西方经济的发展很不一样，也与俄罗斯等国不太一样。所以，在面对这些既有共同点又有独特性的问题时，比较研究会很有意思。虽然受制于不同的制度框架，但问题是共同的，比如社会保障、养老金问题、环境问题等。关于社会保障制度的设计，我们可以从新加坡、瑞典和其他国家学到许多经验。在经济高速增长带来的与环境的社会冲突方面，我们可以从日本20世纪60年代后期的环境立法、产业发展协调中学到许多教训和经验。所以，对产业发展和环境治理的研究应该是全球化的。
比较经济制度分析是一种概念工具，有助于理解不同经济制度如何演化。不同制度可能会融合，可能会继续保持差异。产业发展和环境治理政策不一定是普遍适用的，在某些国家可能容易实施，其他国家也许不行，但不同国家之间的交流非常重要。充分利用国际上已有的研究成果，收集和整理这些成果以做进一步的交流，是十分可取的途径。
正是在这一意义上，比较、借鉴和学习也成为CIDEG学术活动中的一项重要内容。根据CIDEG理事长陈清泰的倡议，我们决定翻译并出版这套“CIDEG文库”，介绍不同国家是怎样从农业国家发展为现代国家的；在经济高速发展阶段，是如何处理与环境的矛盾的。这套丛书的内容选择非常宽泛，从学术的到非学术的都在其内，目的就是给中国的读者——学生、学者、官员和企业家以及所有对此有兴趣的人提供更多的信息与知识。CIDEG理事和学术委员为文库提供了第一批书目，并成立了编委会，今后我们还会陆续选择适当的图书编入文库。为此，我们感谢提供出版书目的CIDEG理事和学术委员，以及入选书籍的作者、译者和编辑们。
青木昌彦
吴敬琏
2006年4月10日
《新城市科学》译序
作为现代西方文明的来源之一，古希腊人是数学、逻辑和哲学的重要奠基者，并且他们还试图用数学来解释整个世界。在全球化和城市化的今天，城市成为人类文明最主要的聚集地，数学模型又可以如何帮助我们理解当代城市呢？迈克尔·巴蒂教授这本《新城市科学》就在延续这个讨论，他想告诉读者的是，如何在数学基础上跨学科建立一门新的“城市科学”，来阐释如今的城市文明。更进一步地，如何用这门学科中的工具，更好地规划和设计让生活更加美好的城市？
我与迈克尔·巴蒂相识多年，本书可以说是他多年以来研究的延续和集大成之作。他对城市从系统复杂性的视角进行了深刻的剖析，认为城市是各种网络和流构成的系统，并将城市诠释为行动、相互作用和转变的集合。这与我对超越空间概念的城市的抽象理解不谋而合。不仅如此，巴蒂教授还在书中对城市的规划设计和决策过程进行了探讨，提出了数学模型和模拟工具在其中的用武之地。这也是本书的最大亮点之一：将数学理论模型与城市实践结合起来。
城市研究的相关学科涉及甚广，各自亦有不同的角度和出发点。在本书中，巴蒂以地理学讨论为出发点，在复杂系统理论和网络理论的基础上，提出建模、可视化表达和模拟是城市科学的基本概念，并且可以对城市的设计提供技术支撑。这些理论和工具已经在城市相关学科中有所探讨，在本书中进行了充分的综述和总结，指出它们将在这些领域中有更为广泛的应用空间。比如，近年来在城市研究和城市规划领域兴起的智慧城市讨论，其来源之一就是本书中涉及的建模和数据分析概念。
虽然对于城市科学是否真正能称之为一门新的科学，在学界尚有争议，但迈克尔·巴蒂无疑是在这一讨论中最具分量的发言人之一。本书中不仅有详细的理论阐述，更通过从简到难的众多案例分析来帮助理解，极大提升了这本略显艰涩的著作的可读性。此外，本书的两位译者也是我的学生和同事，他们在城市规划和城市研究领域具有丰富经历，相信也对本书所需的专业而准确的翻译有所裨益。
联合国人居三大会近期刚在基多闭幕，城市的科学化发展和可持续发展已经成为全球层面可持续发展的共识。正如我在同济大学刚刚结束的城市规划学科发展论坛上所说的，世界进入城市时代促使我们重新思考城市发展和城市规划。迈克尔·巴蒂的这本书正是他从业多年来思考的结晶，我相信，要应对城市发展面临的挑战，不仅仅需要对新的城市科学的探索，还需要更多青年后辈贡献更多的研究和实践力量，推动和传播城市研究和城市规划。不仅在中国，而且在全世界，城市研究和城市规划的春天才刚刚开始。
吴志强
2016年11月5日
前言
我们生活在一个城市时代。到21世纪末，世界上绝大多数人口都将生活在各种各样的城市中，城市化和全球化成为常态，而我们曾经怀有的田园梦终将逝去。当全世界最终成为一个城市，“城市”这个词的意义可能与过去5 000年有很大不同。我们的注意力将集中在世界绝大多数人口实际运行其中的城市体系，而不是单个城市。要想理解正在发生什么，我们需要严肃地将城市视为人们聚集与互动之所。科技使当代的人类可以通过新的方式更加便利地联系在一起，我们也必须对网络、互动、联结、交易，以及使我们能够彼此交流的所有一切可能的方式开展研究，以增进我们对城市的认知。
这本书将城市视为使我们能够相互联系的载体。在此基础上，我们就可以认为城市提供了协同工作、协同创新、分享劳动成果的环境，从而促进繁荣。直到最近，大多数分享活动都是发生在单个城市之中，但很快科技将使我们能够跨越很远的距离。在一定层面上，这是一种交易。虽然不管对古代社会还是现代社会，交易都具有基础性的重要地位，但是全球化正在消除我们对物质运动和物品交易的依赖，而更关注非物质和社会性的交易。信息正在成为替代性和补充性能源。因此，要理解当代城市，建立一门能够解释城市增长、蔓延、衰退等的科学，我们必须把理论建立在如何彼此关联的思想基础之上。
这些思想并不是什么新鲜事物。50年以前，简·雅各布斯在她的重要著作《美国大城市的死与生》中就提出，像过去那样简单地研究城市中各种事物的区位是远远不够的，我们需要以城市中的人们凝聚在一起所形成的关系网络为中心重新思考区位问题。理查德·迈耶在《城市增长的联系理论》一书的前言中认为，城市环境持续受到信息的冲击，并提出了城市作为信息万花筒的理论。彼得·哈格特和理查德·乔利在《地理学中的网络分析》一书中就将网络用于地理学研究，提出了既精彩又具挑战性的观点，更加强调城市人类社会系统和地貌物质系统两者之间的并行。同一时期，沃尔多·托布勒（Waldo Tobler）在几何与流（flows）方面写作了一系列具有重要影响的文章，使形态信息至今仍在地理学中保持着鲜活的动力，本书所介绍的新城市科学也与之有着重要联系。欢迎加入得到书社，微.信:whair004.罗辑思维，得到APP，樊登读书会，喜马拉雅系列海量书籍与您分享
然而，除了偶尔出现一些具有远见的著作，我们仍然将城市视为空间和场所，虽然理解交通的连接意义，但我们从来没有试图将城市理解为一套网络，而区位会自然地从网络中产生。我们一直试图通过互动关系来解开各种行动和活动的区位之谜，而不是将区位视为互动活动的结果。在本书中，我将焦点从传统上的区位转向互动关系，这需要借助于很多网络和流的思想。
有一种传统维度关注的是城市的物质和空间形态，我们并不轻视这一点。当然，仅仅从网络和互动的角度研究城市而不谈及其形态也是可能的。实际上，很多城市研究文献倾向于将城市现象和城市视为空间议题或非空间议题，作为过程而不是物质或空间形态。然而，作为最明显或许也是最不具侵入性地干预城市演进的方式——城市规划与设计建立在物质形态基础之上，而不是控制和管理的社会经济工具。在这里我将保持这一视角，虽然我也理解我们可以将本书所使用的材料完全呈现为另一种方式。尽管如此，我们的讨论焦点可能是一致的，因此，我的视角主要是基于界定城市的物质和空间环境。我所介绍的构成新科学基础的工具要应对的近期挑战是对城镇体系和城市内部各系统的物质和空间进行诊断。
本书并不试图讨论未来的城市将会是什么样子，抑或如何创造更加美好的城市，而是从科学视角或者说提供科学工具来探索城市的未来。然而如同科学惯常的那样，这一科学世界必然是不完整的。正如卡尔·波普尔对科学的洞见——“一门辨别我们可以预先忽略什么的艺术”。我用这句话作为本书的开篇，也是这项工作的基本旋律之一。读者应当认识到，对于这门科学，本书只涉及了一小部分，不同的研究方向也难免存在不一致之处，在最后章节，我努力强调这一点。然而，这门科学并非早期研究的浴火重生，而是建立在社会物理学、城市经济学、交通理论、区域科学、城市地理学以及物质规划的系统方法等传统之上，现在逐渐走向了复杂科学。我对这些传统怀有深深的敬意，后面的文字随处可见呼应。特别是，这里呈现的很多想法都建立在我此前在这条道路上的思考，这些在我与保罗·朗利所撰写的《分形城市：形态和功能的几何学》以及我所撰写的《城市与复杂性：元胞自动机、代理人模型和分形》中都有所体现。对这些想法的总结可以参见http://www.complexcity.info。我很难对这些著作进行导读，但这些材料确实构成了本书所讨论的方法和途径的基础。
当前，对城市的这一新理解正在不断进展。虽然我在这里只是简单提及，但它们已经暗含在这门科学的发展和应用当中。数字革命已经渗透了我们的文化，新的通信方式改变了我们的城市，大规模数据库为我们提供了前所未有的机遇对城市开展分析和建模，这在以往都是不可想象的。城市正在变得越来越智慧。尤为重要的是这门科学通过新的可视化途径为我们设计未来的城市提供了新的思考方法。在这里我并不试图过多谈论规划支持系统，或是通过新的在线技术开展公众参与设计之类的内容，但是我理解这一运动的深刻意义是应当把这些思想包含到更加广泛的政策环境中。实际上，这也是伦敦大学学院高等空间分析中心的研究团队的聚焦所在，很多研究项目为我提供了城市中的网络和流的大数据图解。我在此对他们的特殊贡献深表感谢。
其他还有很多人对我帮助甚多。Paul Longley与我是近30年的同事，从20世纪80年代开始我们就在一起研究分形理论，他的冷笑话一直提醒我：科学充满偶然性和短暂性，但我们永当追求完美。Peter Hall自从我在雷丁大学获得第一份终身教职开始就成为我的良师益友，他在支持其他人按照他的多元化方法的同时也一直支持我以自己的方式研究城市，这两者其实是共鸣的。在伦敦大学学院有一支非常出色的城市形态研究团队，他们的工作与这些思想形成了互补。Stephen Marshall在城市和演化方面的观点，Bill Hillier关于物质形态和空间句法如何塑造城市功能的观点，Phil Steadman在结构形态领域的工作等都在这本书的工作中得到了体现。对他们的见解与影响我深表谢意。我还要感谢我的启蒙老师George Chadwick和Brian McLoughlin，他们在20世纪60年代后期引导我进入规划中的系统分析领域，这一研究方向在今天看来是如此重要。令人悲伤的是他们早已辞世，但我希望他们能够看到他们对此书所做出的贡献。我担心他们可能无法理解，因为理解城市的基础已经发生了巨大变化并且仍在快速变化之中。但是，我们今天所使用的方法和模型都仍是在他们早期基础之上的发展和补充。
我还要感谢麻省理工学院出版社的编辑团队，特别是Susan Buckley、Virginia Crossman和Kristie Reilly，正是他们卓有成效的工作使此书得以出版。
感谢我的妻子Sue为本书部分图表和全书校对所提供的帮助，本书是我们共同的心血，没有她这本书不可能出版。感谢我的儿子Daniel，他对城市中的各种事物抱有冷静的怀疑态度，持续激发我深入地思考其中的合理性并导入更广泛的思想。谨将此书献给他们。
迈克尔·巴蒂
威尔士圣多纳茨
考布里奇，格拉摩根谷
2012年10月
Jane Jacobs，The Death and Life of Great American Cities，1961.
Richard Meier，A Communications Theory of Urban Growth，1962.
Peter Haggett and Richard Chorley，Network Analysis in Geography，1969.
Paul Longley，Fractal Cities:A Geometry of Form and Function，Academic Press，1994；可通过http://www.fractalcities.org下载。
Michael Batty，Cities and Complexity:Understanding Cities Through Cellular Automata，Agent-Based Models，and Fractals，MIT Press，2005。
致谢
感谢James Cheshire和Oliver O'Brien提供了图2.7a，感谢Bahaa Al Haddad提供了图1.3c，感谢Erez Hatna提供了图5.15a，感谢Robin Morphet提供了图3.7a和b，感谢Jon Reades提供了图2.7c，感谢Joan Serras提供了图1.3d、图1.4、图3.8和图3.10a、b、c、d。本书的部分内容曾经发表过。第1章的部分资料选自Cities（29，S9-S16，2012）刊载过的文章。在第二篇的第4、5、8章中，部分内容曾经刊载于Complexity（16，51-63，2010），Hierarchy in the Natural and Social Sciences（D.Pumain主编，Springer，143-168，2006），以及Embracing Complexityin Design（K.Alexiou、J.Johnson和T.Zamenopoulos主编，Routledge，1-18，2007）。第9章的部分内容曾经作为伦敦大学学院高等空间分析中心的第164号工作论文在线发表。在第三篇的第10、11和14章中，部分内容曾经刊载于Architectural Design（41，436-439和498-501）、Environment and Planning B（1，125-146，1974;2，151-176，1975;11，279-295，1984），第13章部分内容曾经刊载于Regional and Industrial Development Theories，Models and Empirical Evidence（A.Andersson、W.Isard和T.Puu主编，North Holland，309-329，1984）。
本书的一些图表原本是彩色，但印刷为灰度模式。在可能的情况下，我们通过图表的题注说明了所使用的颜色范围并转换为灰色调。希望看到彩色图表的读者可以通过网址http://www.complexcity.info/newscience获取原始文件。
绪论
城市不仅是空间场中的场所，也是时间场中的戏剧。
——帕特里克格迪斯（Patrick Geddes），
《公民：作为应用社会学》（1905，第6页）
如果不是更早的话，在过去一百年中，已经有很多尝试致力于建立城市科学。每种都强调了城市的不同方面，但没有人成功地提出如同物理学等其他学科一样被普遍接受的理解。没有，也不会有一种范式能够主导我们对城市的理解，我们将要详细阐述的也不例外。新科学的原理是什么？我们相信用于理解城市的公理必须简单明了和抽象。我们需要挖掘表面现象之下的深层因素，揭示城市运行的基础。大多严肃讨论城市科学的人都不会反对这一点。我们确实需要超出人造环境来思考城市，不是建造我们长期认同的“美丽城市”，虽然这是十分动人的话题，是像有机体一样而不是像机器一样去建造一个系统。在过去20年中，我们理解城市运行的方式已经发生了巨大变化，提出新科学恰当其时。正如我们上面所引用的帕特里克格迪斯（1905）的名言，仅仅将城市视作“空间场中的场所”完全忽略了城市随时间而变化这一基本事实。这些变化包括空间中的运动，也就是说时间是由场所之间的流所刻绘的。实际上，曼纽尔卡斯特尔（Manuel Castells，1989）已经将当代城市定义为“流的空间”，这很好地充实了格迪斯的观察和我们将场所和空间联系在一起的想法，场所与空间与构成它们的活动彼此关联。
简而言之，我们对新科学的讨论建立在对场所的概念理解之上，我们必须理解流，而要理解流又必须理解网络。网络意味着人与场所之间的联系，因而我们的新科学的核心原理是如何定义系统构成的对象。所有科学都依赖于此类关系基础。道理虽然显而易见，但这一抽象过程对于城市研究来说却很难，因为这要求我们放弃原有的信念，即我们可以通过感官观察到城市的运行并巩固既有的认知。对于城市来说，所见未必即所得。是场所与空间之间的关系或者说网络，而不是其内在属性构成了我们理解城市的条件。这是我们建构城市新科学的第一原理，也是本书所介绍的全部理论、方法、模型、工具的基础。欢迎加入得到书社，微.信:whair004.罗辑思维，得到APP，樊登读书会，喜马拉雅系列海量书籍与您分享
我们的第二原理是关于流和网络的属性。我们看到，不同属性的网络以及与之相依的空间和场所，在数值、尺度和形状等方面都具有一种内在的秩序，这使得我们有可能对其进行分类和排序以更好地诠释其意义。大体上，构成城市的各种要素所形成的网络枢纽或节点布局呈现高度的不对称特征，这是经济过程的外在反映，其竞争性本质驱动了城市功能并决定了它的形态和结构。这些格局往往体现出小者众多、大者甚少的状况，所谓标度律（scaling laws）往往表现为幂律（power laws）。幂律反映了缩放过程在某种意义上是自相似的，系统功能的这一特征意味着系统的子系统、组件、要素等是分级排序的。这些过程导致了城市增长，奠定了城市的演化结构，将我们的理论和模型带到复杂性理论的范畴，带到诸如分形等高度有序的形式（Batty and Longley，1994），也使我们能够基于细胞、代理人、行为人等构成城市的最基本单位来建构模型（Batty，2005）。
我们将焦点放在流和网络，这并不代表城市如何增长与演化并产生不同形态与功能的全部。网络有两种类型：第一类是所有同组要素之间的相互作用或相互关系网络，例如，所有的位置之间的网络代表了从居住地到就业地、从一个地方迁徙到另一个地方等出行活动所产生的相互作用；第二类是不同组别对象，如人与场所之间所具有的关系网络。如果我们有这样的双边关系，我们就能够建构其他组的关系或相互作用，例如，通过共同场所属性建立人之间的关系网络，或通过共同的人属性建立场所之间的关系网络。简而言之，虽然有一定假设，但我们有办法从更多要素关系中对多组交互作用进行预测。这也带出了我们的第三原理，对城市的理解必须扩展到流和网络，而不能仅仅建立在观察基础之上。
这门科学的基础远远超出以上三个原则所传递的基本概念。但是在本书的第一篇，我们首先将详细阐述这些概念以提供基础和先决条件。我们将流及其网络定义为彼此的协同效应，并引入使我们能够理解它们并将其应用于第二篇和第三篇中所涉及的各种城市结构分析的工具。还有许多其他理论，与我们的方法是相辅相成的或一致的。复杂性理论及其核心应用模型是这门科学的基础，读者将在本书的很多地方发现这一点（Batty，2005）。城市经济学理论对于理解竞争如何赋予空间秩序十分重要，藤田昌久、克鲁格曼和维纳布尔斯（Fujita、Krugman and Venables，1999）在贸易理论方面的工作值得一提。在城市内部经济学方面，单中心城市模型是关键（O'Sullivan，2011），而交通运输理论和模型也需要考虑（Ortuzar and Willumsen，2011）。总的来说，我们认为读者能够掌握本书的基本原理而无须理解完整的结构，一般来说也不需要具有城市经济学、区域科学、城市地理学和交通科学等方面的知识基础。此外，除了第2章和第3章关于流和网络的部分构成了后续章节的基础，以及第6章和第7章需要按顺序阅读以外，读者对大多数章节均可以按需阅读而无须考虑先后。需要按顺序阅读的章节可能还包括第三篇的各章，但所涉及的相关讨论均在各章被重提。
第二篇和第三篇是对基本工具的应用，分别从不同角度探讨城市如何运行以及如何设计城市。正如流和网络是硬币的正反面，理解城市的科学构成了第二篇，设计城市的科学构成了第三篇。一些读者可能意想不到，城市中有趣的事物往往对规划来说并不有趣，具有讽刺意味的是反过来也同样适用。在第二篇中，我们将考察城市的规模、内在的层级秩序、定义它们的交通线路、影响网络的地理位置，以及这些网络的形态与结构。我用六个章节介绍了各种模拟方法，从简单的随机模型到自下而上的细胞进化模型和代理人模型，最后再到更加集合的交通与土地使用模型。我们始终强调先前所定义的三条原理：网络、标度和对交互作用或是流的预测。本书的这一部分并不涉及城市如何演进、结构化、功能化的综合性理论，却与这些更大知识体有着明确的联系。在阅读这些章节时或多或少可以彼此独立，这本身也表明这门科学仍不成熟。在未来某一时候，这门科学终将形成完善的知识体系，届时相关论点将会更加详尽并建立起更加全面的联系。
第三篇我们将焦点从城市本身转向设计，或者说用于塑造未来城市的设计和决策模型，这么说虽然略有唐突，但总体来说与我们到今天为止所采用的方法是一致的。我们用于建造设计和决策网络的工具在很大程度上与先前章节是相同的。但此时网络是行为人或代理人之间的通信媒介，行为人或代理人是利益相关者的代表，试图设计政策以创造更具效率、更加合理的城市。当然，我们仍然聚焦于物质方面，虽然从某种意义上来看面有些窄。在一定程度上，模型相比于第二篇现实性稍弱，但它们仍然体现了城市规划与设计是一项集体行动的思想——只有汇聚观点才能达成未来共识。在这个意义上，这些模型既是动态的又是均衡的。我们在这些模型中也充分利用了双边关系的概念，提出如何扩展我们的解释和模型，以探索城市系统的深层结构并尽可能将其应用于设计。虽然我们的设计模型还有假设的成分，但在最后两章我们仍然尝试完成不可能的任务，将这些思想推进到使我们的模型能够反映行为者提出未来城市决策的方法，并聚焦于行为的位置。这也为未来发展提供了方向。
在呈现全文之前，我们需要解释一下这本书的可能阅读方法。虽然可以从本书的不同位置开始阅读并从中获取所需，但全书仍然在思想、工具、方法等方面有着松散的先后联系，因此最好的阅读方式是按顺序先后。用这种方式，我们在此处所强调的信息能够被更好地理解。我们对数学的使用是正式的，所需的水平范围从初级到中级不等，对简单的微积分和矩阵代数有基本的了解就足够了。在表达法方面，我们不能在所有章节使用一套完全一致的符号，在不同的方程中有时候会出现相同符号的重复使用，在这种情况发生时，我们将做出提示。实际上我们定义了一些标准变量，如人口为P、就业为E、土地为A或者L、出行或流为T和S。可能性表示为p和q，频率一般用f和F表示，矩阵以适当的条件给出，但为粗体。阵列一般是用向量或矩阵加变量括号的形式给出，如{…}或[…]。个体、位置、问题、政策等定义在适当范围内，这些范围用i，j，k，￡等下标变量表示，偶尔也会用k、m、n和z等表示。参数和其他常数用希腊字母表示。我们的表达法尽可能与相关文献保持一致，尤其是在空间交互模型和人口分析方面。由于相关运用总体来说并不正式，读者将会发现这些思想发展的逻辑是直截了当的。最后说明一点：很多图表原本是彩色的但被用于黑白模式印刷。希望看到彩色图表的读者可以通过以下网址获取原始彩色版本文件（http://www.complexcity.info/newscience）。
第一篇
基础与前提
简·雅各布斯（1961，第238页）说过：“当且仅当每个人都在创造城市时，城市才有能力为每个人提供一些东西。”她的这一观点我们感同身受，因为我们每一个人对城市都有各自不同的理解，这意味着城市是个多元的万花筒，具有多样性的思想、观点、理论、模型乃至我们所能想到的一切抽象事物。这也是为什么我们很难相信存在一种理解城市的方式，会优于所有其他方式。这也使得我们无法在牛顿开创的传统科学基础上建立城市科学。当我们退一步来思考城市如何运行、如何通过城市规划让城市变得更加宜居时，不可避免地需要一层一层剥开城市的复杂性，直至发现构成我们所理解的城市的基本思想和技术。在这个过程中，我们揭示了构成新科学的基石。这门科学具有自下而上的稳健结构，并与我们所认为城市的运行、变化和进化的方式相一致。
为了构建这门科学，我们采纳了复杂性理论（complexity theory）的当代研究方法。复杂性理论将系统理解为自下而上的、由基本成分组成的层级结构，基本成分构成了网络，个体和组团在网络中通过社会和经济活动相互作用，系统的功能则是这些相互作用的表现（Batty，2009a）。像城市这样的系统会不断进化，为了实现规模经济，现代社会对集聚的推动力通常会促使城市生长。但城市同时也是自上而下的产物，这些自上而下的进程存在于每一个层级，从而让系统的相互作用更加复杂。复杂性理论是解读的关键，因为城市不仅在变大，更在变得愈加复杂，而到21世纪末绝大多数人口都将居住在城市中。随着城市社会从能源流动到信息流动的转变，城市居民间的交互正在具有越来越多的层面，这让我们不得不将城市看作一个不断变化和进化的临时性现象，正如我们一直试图理解的城市系统。当然，这并不是什么新观点。波普尔（1959）早就表达过类似的概念，他认为由于未来在本质上是不可预测的，所以我们并不能确定自己未来的行为，因此现在的所有理论都只能在某种条件下成立，并且都会在某些情况下失灵。
为了构建这门关于城市的新科学，我们首先需要建立一些基础和引入一些前提。第1章中，我们将介绍城市如何被模块化构建，通过层级结构表达子系统的相互作用，发生改变并进化。在这样的概念下，认为区位、场所和空间将在这些系统中占据支配地位的想法多少有些过时。区位的确重要，但是仅在场所中有交互发生时才是重要的。在这一章中，我们揭开城市的面纱，将区位理解为不同相互作用的模式，这些交互行为则是通过物质流、人流和信息流将城市居民集聚起来的黏合剂。因此，人们集聚工作和娱乐的网络（包括经济和社会网络）将是这门新科学的决定性基础。在第1章中，我们确立了上述观点。从我们介绍的观点中可以得出这样的概念，组成城市的模块会贯穿于不同层级的临时空间层面，反映这个概念的最好例子是经济活动的集聚方式：在更大空间尺度层面上，市场中心变得更大，而分布变得不那么密集，相互之间的间隔也更大。这些集聚与分形图案的形态在本质上具有相似性（Batty and Longley，1994）。此类尺度变化是复杂性的一个基本特性，可以用来解释上述例子中交易和交互等简单过程如何成为各层级的本质活动，以及如何随着空间层面变化发生相应变化。我们将介绍作为幂次法则的尺度变化概念，当我们描绘贯穿于空间和时间、区位和网络中的相互作用关系时，这个概念具有核心作用。第1章展示的很多这类尺度变化的关系，表现为人们竞争城市中土地和区位的特征性秩序。例如，当城市变得更大时，它们往往也趋向于变得更富有、更绿色以及更高密度，尺度上的变化也带来了城市新陈代谢上的质变。这就是城市的异速生长，本书中多处会涉及这个概念。
理解城市的关键是拆解城市的物理形态，揭示使其在各个层面运行的网络。从这个意义上来说，城市是一个因特定目的而相互作用的个体的集合。因此，我们这门新科学的中心思想之一就是：区位是定义交互进程开始和结束的节点。从这个观点出发，不同于传统理论将城市看作空间、场所和区位的集合，我们将城市视为活动、相互作用和交易行为的集合，这些行为是城市的基本构成，也与社会和经济财富创造过程中的规模经济有直接的联系。由此，我们将城市看作物质或非物质的流和关系网络（networks of relations）。我们在第1章中提出这个观点，并在第2章和第3章中分别介绍作为“流系统”的城市和作为“网络系统”的城市。在一定程度上，这是理解城市的两个略有不同但又相互补充的视角，或者可以说是同一枚硬币的两面。
第2章中我们介绍了流的思想。不同区位之间的流并不是严格嵌入城市空间的物理结构，而是以某种自由度在空间中穿行。这些流的模型通常并不严格与流所发生的物理网络相关。即使是那些严格相关的模型（比如交通规划），它们所关注的物理问题相关网络（比如其中的运输能力问题），也可以从模拟流的模型中完全剥离出来。我们从一些典型案例开始讨论流，如上班路程等。然而，即使对于自由浮动的流，要将流系统在欧几里得几何空间中表达出来也是困难的，更不用说后面在处理网络系统时会出现更棘手的问题。实际上，将城市作为流系统已有数年历史。我们介绍的一些例子说明了如何将流转换为几何关系，将它们视为网络连接，并转变为矢量空间或矢量场。第2章的主要目的实际上是引介一系列流模型，然后在此基础上简要介绍空间相互作用理论（spatial interaction theory）。我们展示了不同类型的流模型是如何构建的，并重点关注如何用流来表达区位功能中的可达性和势能。本章的一个要点是，构建了将流对称处理的基本模型。当然，真实系统与这个模型相去甚远，这说明我们研究城市中的流，必须思考真实情况与假想的各向同性平面有多大差别。在过去50年中甚至更久，各向同性平面经常被作为城市经济理论的初始假设，而在如今的模型构建中仍然具有重要作用。
在第3章中，我们翻转到硬币的另一面——网络系统，并介绍了本书中涉及的网络科学的原理。其中的关键概念是，网络是流运行的组织结构的表达。与流相比，网络与城市的二维（或许是三维）空间结合得更加紧密。这些组织结构则进一步反映了城市社会和经济得以运行的作用进程。我们用图表来阐释网络，尽管图表通常用于模拟网络中一组物体中的相互作用，例如在社会网络中一个群体中的成员与其他人的相互作用，本书中我们引入了二部图（bipartite graph）这一重要方法。二部图用于描绘一组物体与另一组物体之间的关系，比如个体与他们的行为，或是行为与它们发生的地点之间的关系等。这是一个非常强大的工具，我们可以通过二部图描述的关系，来构建描述一组物体间的关系的一分图（unipartite graph）。例如，可以通过个体间行为的媒介或是他们居住的地点等，来构建个体之间的网络。这种图示方法将贯穿全书并反复出现。实际上，在探索一组物体与其特性之间关系的一切多变量分析中都会用到这种方法，在本书中我们将其应用于对网络的研究。
我们将采用上述概念和方法来定义网络的作用过程。这些过程都可以理解为从节点通过连接产生的扩散，网络构成了沟通中介，这些正是城市中所发生的。典型常规扩散过程包括创新、疾病传染、城市扩张等（Batty，2005）。现在有大量研究工作开始关注对这类网络的破坏，以及对特定节点介入干扰所引发的层叠效应。本书不会对此展开讨论，因为这是一个新兴领域，但假以时日这些必将成为我们所构建的新科学的一部分。不过，我们定义了这类网络中的沟通过程，以及过程中沟通信息的变化。特别是在第3章，介绍了节点的初始差异扩散到某种平稳、均衡或一致状态的一般过程，并在本书第三篇中对此做进一步的具体讨论，研究城市规划和设计中不同利益方冲突问题的协调模型。在第3章中我们仅视其为一个一般性过程，并结合二部图方法，描绘一些将在后面章节继续讨论的网络过程。我们采用的另一个思路是空间网络。城市中具有基础性的交通网络，它们嵌入在二维的欧几里得平面中，但又不总是处于平面中，因为在路径交汇时有时会需要扩展到三维空间。我们阐释了道路和铁路网络的几个关键概念，并展示这些网络形态与空间规模变化的关系。
