基于复杂适应理论的韧性城市设计原则
阅读量： 发布时间：2018-12-10
仇保兴老师以“基于复杂适应理论的韧性城市设计原则”为主题进行了演讲。他认为首都城市可以分为两类，一类是以北京、东京等为代表的复合功能型首都，另一类是以华盛顿DC为代表的单一功能型首都。而基于复杂适应理论的韧性城市设计原则主要是围绕复合型首都设计展开的。
首先，仇老师指出了当前城市发展面临的不确定性。他认为，城市发展的首要问题是安全。正如习近平总书记在城市工作会议上指出，“无论规划、建设还是管理，都要把安全放在第一位”。城市如果不安全，一切都将归零。现代城市发展过程中面临着许多亟待解决的问题和具有不确定性的安全威胁，这都促使着城市转型发展，而作为复合型首都发展模式更要率先转型。
不确定性的安全威胁种类繁多，第一体现在极端气候变化的影响。近些年来我国多地出现的超历史极值的极端气候，超出了传统的承载力估算办法有效性范围。第二是城市的高机动性。城市现代化，某种意义上说就是交通工具高速化，而高机动化往往意味着高危险性。同时，无人驾驶等新型交通革命的到来，也带来了隐藏的脆弱性。第三是新技术的快速涌现。人工智能、物联网、人工合成生命等颠覆性的奇点技术身也是脆弱性的产生新源头，“万物互联”也意味着危险互联，新事物爆炸性地出现也隐藏着爆炸性的脆弱性。第四是快速发展及高度国际化带来的脆弱性。我国现代城市的发展面临着快速机动化、网络化，时空被高度压缩的问题。时空压缩伴随着风险压缩，经济社会全球化带来的高流动性都形成了新的安全隐患。第五方面是多主体的复杂性。如今我国许多城市面临着高强度的人口流动问题，作为复合功能的首都城市压力更大，城市的建设、运行和发展伴随着人口迁移和聚集、建筑物密度增多、产业结构调整、区域影响力增强等现象，都将导致灾害要素以及承载载体密度的增大，带来更多、更复杂的公共安全新问题。
其次，仇老师针对首都城市发展过程中放大冗余或制定预案的传统思路和工具，应对黑天鹅式风险失灵的情况，介绍了韧性城市这一应对不确定性的工具。韧性城市可定义为具有吸收未来的对其社会、经济、技术系统和基础设施的冲击和压力，仍能维持基本的功能、结构、系统和特征的城市。城市的韧性体现在结构韧性、过程韧性和系统韧性三个层面。
城市的结构韧性包括技术韧性、经济韧性、社会韧性和政府韧性。技术韧性，即城市生命线的韧性，指的是城市的通讯、能源、供排水、交通、防洪和防疫等生命线基础设施要有足够的韧性，以应对不测风险；经济韧性，即当外部经济形势急剧变化的时候，或某种原材料供应停摆的时候，城市还能够运转自如；社会韧性，当大的事件来临时，城市社会和民众保持冷静不恐慌、不放大危险；政府韧性，政府在任何情况下都能服务市民、率领民众抗击灾难，维持职能运行、指挥落定。不同的韧性针对不同领域的黑天鹅事件，以提高城市的韧性。
过程韧性是指城市系统面对黑天鹅式灾害时，在维持、恢复和转型每个阶段中体现的一种系统能力。具体而言，第一阶段表现为维持力，第二阶段表现为恢复力，第三阶段表现为转型力。
系统韧性旨在建立城市中的感知系统、运算系统、执行系统和反馈系统。感知系统对所有发生的事情都可以全面感知，及时充分的获得数据；运算系统，利用人工智能依据某一特定的模型进行快速运算，即用大数据和机器运算的办法瞬间用多种不同的方案解答原先难解的问题；执行系统将指令送达相应的城市执行机构，精准地对问题实施解决；反馈系统对执行结果的实时反馈，反馈后再进行感知，以形成闭环控制。通过四个系统的建立和运行保持城市系统韧性、有效应对外部扰动。
图1 城市过程韧性
之后，仇老师为大家详细介绍了韧性城市设计的方法及原则。建设韧性城市应当用复杂适应系统（CAS）去设计建设。CAS作为第三代系统论，是指系统每个主体都会对外界干扰做出自适应反应，而且各种异质的自适应主体相互之间所发生的复杂作用才能造就系统的演化路径和结构。韧性城市包含主体性、多样性、自治性、冗余、慢变量管理、标识六要素。
图2 理想城市“铁三角”目标模型
“主体性指”系统主体对外界干扰具有自适应能力。各类主体在环境变化时所表现出的应对、学习、转型、再成长等方面的能力，也就是系统的韧性之源。主体的适应能力及能动性对系统结构的影响是隐在的，但却是主导性的。现代城市系统的主体包含多个层次：市民；建筑；社区；城区；城市整体甚至区域。城市的韧性来源于各类、各层次主体的素质和能动愿望。主体性相关案例有微农场。微农场体现了都市农业的多重功能，例如荷兰温室农场餐厅、美国温室餐厅、泰式温室餐厅这样的微农场，实现了现摘现吃、自给自足、自然生态。
图3 微农场
“多样性”指任何一个生态系统具有越多的物种和生境，就越具有韧性，越能抗干扰。事实证明分布式、去中心化、小型化并联式等绿色生态城市常用的生命线新模式就比传统城市那种大规模、中心控制、串联运行旧模式更具有多样性和韧性。仇老师用微交通和微连廊作了简要的案例说明
图4 微交通模型
图5 微连廊模型实例图片
“自治性”是指城市内部不同大小的单元都能在应对灾害的过程中具有自救或互救的能力；能依靠自身的能力应对或减少风险。城市的各类单元的构造是大大小小镶嵌在一起的，由层层叠叠的有类似结构的子系统构成。日本居民家里都备有“救急包”，附近的街区公园有“应急站”，城市还设立若干大型“应急中心”，该城市就具有强大的“自治性”能力。这种就近、迅速响应的自治性机制一般能将众多的小灾险消除在萌芽状态。相关案例有荷兰的自动升降防洪堤坝。荷兰艾瑟尔湖畔的一个渔港修建了一道300多米长、受水动力驱动即可自动升降的防洪堤坝。这段堤坝垂直植入地下，当水位升高时，水动力会抬升超轻材料制成的坝体并高出地面，最高可达80厘米。随着水位回落，堤坝也将自动缩回地下。
图6 荷兰自动升降防洪堤坝
关于“冗余”。现代主流经济学追求系统的运行效率，也造成了“剑走偏锋”式的脆弱性。任何现存的复杂系统必然内含“无用之用”的部分，只有在系统遭遇重大灾害威胁时，“无用”部分如同系统的“预备队”发挥决胜作用。城市任何生命线的设计中都必须要有微观的冗余量。微观冗余量越多、分布越合理、主体自适应能力越强，城市整体的韧性就会越好。对于家庭和独栋建筑，微中水可以分别实现家庭用水多次利用与建筑雨水利用、中水回用的城市污水再生利用新模式。总结自新加坡的微净化案例，则应用在分散式污水厂，实现适度规模、合理分布、深度处理、就地回用。
图7 建筑雨水利用与中水回用
“慢变量”指的是许多城市的脆弱性是“温水煮青蛙”造成的，即在潜移默化、不知不觉的过程中对风险习以为常地淡化。所谓智慧系统能对人类日常觉察不到的渐变性风险，智慧系统可以通过积累性计算察觉和警示民众。我们要学会管理灰犀牛式的缓慢来临的风险因子和外在的影响因素带来的临界突变式灾难。此类慢变量风险突出表现在房地产市场和地下燃气管网老化等几个方面。仇老师向大家介绍了台风-暴雨-滑坡-城市内涝-交通堵塞灾害链风险评估模型进一步说明慢变量管理。
“标识”在复杂系统中的意义在于提供了主体在灾变环境中搜索和接受信息的具体实现办法。人们通过标识来区分各种不同主体的特征，以便高效地相互选择，从而减少因系统整体性和个体性矛盾引发的雷同性和信息混乱。标识在系统里运用成熟，主体的能动性增强，系统主体在灾害发生时能准确辨别什么是脆弱的、风险的，或安全、避灾的，城市抗灾能力就会增强。标识的核心意义在于需求与供给双方的高效自组织配对，其平时标识作为可能是隐形的，但在混乱时可起到关键性作用。例如通过人脸识别技术，可甄别哪些人有犯罪记录、哪些人是恐怖嫌疑分子，并自动反馈至公共安全信息平台。在虚拟空间中，可以通过微识别，甄选出所有安全和危险的要素并打上标识。在实体空间中，例如消防、医疗等紧急救援人员均采用统一标识系统，这样在紧急情况发生时，受灾人员可快速自主寻求到帮助。
最后，仇老师将发言总结为以下三点：第一，传统的城市防灾思维企图建造一个巨大的“拦水坝”，希望将各种不确定性拒之城外，不仅浪费极大，有时还会制造出新的脆弱性。第二，传统工业文明思路下的城市基础设施的集中化、大型化、中心控制模式具有一定的片面性，必须辅之以各种高韧性的“微循环”新模式。第三，基于在城市设计中应用第三代系统理论，跳出第一、二代系统论的局限，坚持主体性、多样性、自治性、冗余、慢变量管理、标识等CAS设计原则，才能开拓韧性城市基础设施设计的新途径。
（本文系嘉宾10月20日在中国人民大学首都发展与战略研究院“第一届首都发展高端论坛——首都治理国际论坛”上的专题报告，由卢璟慧、刘昊田根据演讲内容整理，已经嘉宾本人审核）
基于复杂适应理论的韧性城市设计原则
2019
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仇保兴老师以“基于复杂适应理论的韧性城市设计原则”为主题进行了演讲。他认为首都城市可以分为两类，一类是以北京、东京等为代表的复合功能型首都，另一类是以华盛顿DC为代表的单一功能型首都。而基于复杂适应理论的韧性城市设计原则主要是围绕复合型首都设计展开的。
首先，仇老师指出了当前城市发展面临的不确定性。他认为，城市发展的首要问题是安全。正如习近平总书记在城市工作会议上指出，“无论规划、建设还是管理，都要把安全放在第一位”。城市如果不安全，一切都将归零。现代城市发展过程中面临着许多亟待解决的问题和具有不确定性的安全威胁，这都促使着城市转型发展，而作为复合型首都发展模式更要率先转型。
不确定性的安全威胁种类繁多，第一体现在极端气候变化的影响。近些年来我国多地出现的超历史极值的极端气候，超出了传统的承载力估算办法有效性范围。第二是城市的高机动性。城市现代化，某种意义上说就是交通工具高速化，而高机动化往往意味着高危险性。同时，无人驾驶等新型交通革命的到来，也带来了隐藏的脆弱性。第三是新技术的快速涌现。人工智能、物联网、人工合成生命等颠覆性的奇点技术身也是脆弱性的产生新源头，“万物互联”也意味着危险互联，新事物爆炸性地出现也隐藏着爆炸性的脆弱性。第四是快速发展及高度国际化带来的脆弱性。我国现代城市的发展面临着快速机动化、网络化，时空被高度压缩的问题。时空压缩伴随着风险压缩，经济社会全球化带来的高流动性都形成了新的安全隐患。第五方面是多主体的复杂性。如今我国许多城市面临着高强度的人口流动问题，作为复合功能的首都城市压力更大，城市的建设、运行和发展伴随着人口迁移和聚集、建筑物密度增多、产业结构调整、区域影响力增强等现象，都将导致灾害要素以及承载载体密度的增大，带来更多、更复杂的公共安全新问题。
其次，仇老师针对首都城市发展过程中放大冗余或制定预案的传统思路和工具，应对黑天鹅式风险失灵的情况，介绍了韧性城市这一应对不确定性的工具。韧性城市可定义为具有吸收未来的对其社会、经济、技术系统和基础设施的冲击和压力，仍能维持基本的功能、结构、系统和特征的城市。城市的韧性体现在结构韧性、过程韧性和系统韧性三个层面。
城市的结构韧性包括技术韧性、经济韧性、社会韧性和政府韧性。技术韧性，即城市生命线的韧性，指的是城市的通讯、能源、供排水、交通、防洪和防疫等生命线基础设施要有足够的韧性，以应对不测风险；经济韧性，即当外部经济形势急剧变化的时候，或某种原材料供应停摆的时候，城市还能够运转自如；社会韧性，当大的事件来临时，城市社会和民众保持冷静不恐慌、不放大危险；政府韧性，政府在任何情况下都能服务市民、率领民众抗击灾难，维持职能运行、指挥落定。不同的韧性针对不同领域的黑天鹅事件，以提高城市的韧性。
过程韧性是指城市系统面对黑天鹅式灾害时，在维持、恢复和转型每个阶段中体现的一种系统能力。具体而言，第一阶段表现为维持力，第二阶段表现为恢复力，第三阶段表现为转型力。
系统韧性旨在建立城市中的感知系统、运算系统、执行系统和反馈系统。感知系统对所有发生的事情都可以全面感知，及时充分的获得数据；运算系统，利用人工智能依据某一特定的模型进行快速运算，即用大数据和机器运算的办法瞬间用多种不同的方案解答原先难解的问题；执行系统将指令送达相应的城市执行机构，精准地对问题实施解决；反馈系统对执行结果的实时反馈，反馈后再进行感知，以形成闭环控制。通过四个系统的建立和运行保持城市系统韧性、有效应对外部扰动。
图1 城市过程韧性
之后，仇老师为大家详细介绍了韧性城市设计的方法及原则。建设韧性城市应当用复杂适应系统（CAS）去设计建设。CAS作为第三代系统论，是指系统每个主体都会对外界干扰做出自适应反应，而且各种异质的自适应主体相互之间所发生的复杂作用才能造就系统的演化路径和结构。韧性城市包含主体性、多样性、自治性、冗余、慢变量管理、标识六要素。
图2 理想城市“铁三角”目标模型
“主体性指”系统主体对外界干扰具有自适应能力。各类主体在环境变化时所表现出的应对、学习、转型、再成长等方面的能力，也就是系统的韧性之源。主体的适应能力及能动性对系统结构的影响是隐在的，但却是主导性的。现代城市系统的主体包含多个层次：市民；建筑；社区；城区；城市整体甚至区域。城市的韧性来源于各类、各层次主体的素质和能动愿望。主体性相关案例有微农场。微农场体现了都市农业的多重功能，例如荷兰温室农场餐厅、美国温室餐厅、泰式温室餐厅这样的微农场，实现了现摘现吃、自给自足、自然生态。
图3 微农场
“多样性”指任何一个生态系统具有越多的物种和生境，就越具有韧性，越能抗干扰。事实证明分布式、去中心化、小型化并联式等绿色生态城市常用的生命线新模式就比传统城市那种大规模、中心控制、串联运行旧模式更具有多样性和韧性。仇老师用微交通和微连廊作了简要的案例说明
图4 微交通模型
图5 微连廊模型实例图片
“自治性”是指城市内部不同大小的单元都能在应对灾害的过程中具有自救或互救的能力；能依靠自身的能力应对或减少风险。城市的各类单元的构造是大大小小镶嵌在一起的，由层层叠叠的有类似结构的子系统构成。日本居民家里都备有“救急包”，附近的街区公园有“应急站”，城市还设立若干大型“应急中心”，该城市就具有强大的“自治性”能力。这种就近、迅速响应的自治性机制一般能将众多的小灾险消除在萌芽状态。相关案例有荷兰的自动升降防洪堤坝。荷兰艾瑟尔湖畔的一个渔港修建了一道300多米长、受水动力驱动即可自动升降的防洪堤坝。这段堤坝垂直植入地下，当水位升高时，水动力会抬升超轻材料制成的坝体并高出地面，最高可达80厘米。随着水位回落，堤坝也将自动缩回地下。
图6 荷兰自动升降防洪堤坝
关于“冗余”。现代主流经济学追求系统的运行效率，也造成了“剑走偏锋”式的脆弱性。任何现存的复杂系统必然内含“无用之用”的部分，只有在系统遭遇重大灾害威胁时，“无用”部分如同系统的“预备队”发挥决胜作用。城市任何生命线的设计中都必须要有微观的冗余量。微观冗余量越多、分布越合理、主体自适应能力越强，城市整体的韧性就会越好。对于家庭和独栋建筑，微中水可以分别实现家庭用水多次利用与建筑雨水利用、中水回用的城市污水再生利用新模式。总结自新加坡的微净化案例，则应用在分散式污水厂，实现适度规模、合理分布、深度处理、就地回用。
图7 建筑雨水利用与中水回用
“慢变量”指的是许多城市的脆弱性是“温水煮青蛙”造成的，即在潜移默化、不知不觉的过程中对风险习以为常地淡化。所谓智慧系统能对人类日常觉察不到的渐变性风险，智慧系统可以通过积累性计算察觉和警示民众。我们要学会管理灰犀牛式的缓慢来临的风险因子和外在的影响因素带来的临界突变式灾难。此类慢变量风险突出表现在房地产市场和地下燃气管网老化等几个方面。仇老师向大家介绍了台风-暴雨-滑坡-城市内涝-交通堵塞灾害链风险评估模型进一步说明慢变量管理。
“标识”在复杂系统中的意义在于提供了主体在灾变环境中搜索和接受信息的具体实现办法。人们通过标识来区分各种不同主体的特征，以便高效地相互选择，从而减少因系统整体性和个体性矛盾引发的雷同性和信息混乱。标识在系统里运用成熟，主体的能动性增强，系统主体在灾害发生时能准确辨别什么是脆弱的、风险的，或安全、避灾的，城市抗灾能力就会增强。标识的核心意义在于需求与供给双方的高效自组织配对，其平时标识作为可能是隐形的，但在混乱时可起到关键性作用。例如通过人脸识别技术，可甄别哪些人有犯罪记录、哪些人是恐怖嫌疑分子，并自动反馈至公共安全信息平台。在虚拟空间中，可以通过微识别，甄选出所有安全和危险的要素并打上标识。在实体空间中，例如消防、医疗等紧急救援人员均采用统一标识系统，这样在紧急情况发生时，受灾人员可快速自主寻求到帮助。
最后，仇老师将发言总结为以下三点：第一，传统的城市防灾思维企图建造一个巨大的“拦水坝”，希望将各种不确定性拒之城外，不仅浪费极大，有时还会制造出新的脆弱性。第二，传统工业文明思路下的城市基础设施的集中化、大型化、中心控制模式具有一定的片面性，必须辅之以各种高韧性的“微循环”新模式。第三，基于在城市设计中应用第三代系统理论，跳出第一、二代系统论的局限，坚持主体性、多样性、自治性、冗余、慢变量管理、标识等CAS设计原则，才能开拓韧性城市基础设施设计的新途径。
（本文系嘉宾10月20日在中国人民大学首都发展与战略研究院“第一届首都发展高端论坛——首都治理国际论坛”上的专题报告，由卢璟慧、刘昊田根据演讲内容整理，已经嘉宾本人审核）
