全永燊：城市交通系统进化规律分析与思维转变

中国正处于经济社会转型变革的关键时期，城市发展模式、社会经济增长模式、社会治理模式以及科技发展模式均在变革中^[1]。转型变革的共同点在于：坚持以人为本、以人民为中心，注重人与自然、人与社会和谐发展，突出创新驱动、高质量发展，强调市场在资源配置中的决定性作用。所有这些顺应社会进化规律的变革必将不断推动社会新的进阶。城市交通系统作为城市经济社会大系统中的子系统，其生存和发展与大系统进化进程息息相关，必然存在与大系统进化进程相协调的进化规律。

根据系统科学理论，系统始终朝着适应生存发展环境变化的方向进化。城市交通系统进化的主要表征是其与城市发展模式、城市功能结构及外部环境变化相适应与协调。受城市空间格局变化以及社会与自然因素交互作用影响，城市交通系统外部环境始终处在不断变化之中。正是在与外部环境的互动和系统内在的自组织机制共同作用下，城市交通系统在规模扩展的同时，实现了内部功能结构与组织协同机能的升级进化。

城市交通系统进化具体表现在：1)系统的生存发展对外部物质资源依赖性渐趋弱化，更多转向对信息与智力支持的依赖；2)相对于外延扩充的规模效应，系统内部协同的结构效应更加凸显；3)适应城市经济社会形态与格局演变，城市交通系统的边界约束弱化，不同时空范畴、不同服务模式的交通网络高度融合。城市交通系统进化不仅是系统规模与城市空间的匹配，还体现在系统功能单元(子系统及其构成要素)的层次结构、资源配置、要素组合、运行模式等与外部供需环境变化的适配。当然，城市交通系统进化最直接的体现就是客货运输服务的优化，表现为服务装备、服务业态、服务模式的更新演化。

与其他系统进化一样，城市交通系统的进化也是经由“否定之否定”螺旋式上升的过程，是外部环境和内部各要素共同作用的结果。

1）城市交通系统进化的外部动力。

城市交通系统是一个动态、开放的系统，无时无刻不在与外界发生物质、能量、信息交换。在不同层次的时空范畴，城市交通系统始终处于非同质化、不均衡状态。同时，熵增定律决定了系统运行过程中必然伴随着内在消耗与机能衰退(例如基础设施老化、组织管理制度陈腐、信息技术创新力衰退等)，而且这种消耗或衰退促使系统趋于混乱无序，即熵增的趋势。因此，城市交通系统必须与外部环境保持活跃的双向信息反馈，并依赖于外部环境变化的触发与赋能机制，不断吸收来自外部物资、能量与信息构成的“负熵流”，抵消系统自身的“熵增”，使系统得以维持“有序—无序—更高级的有序……”螺旋式演化进程。不言而喻，系统的进化就是以系统外引入的负熵对抗熵增，求得生存发展。

2）系统自组织机能是城市交通系统进化的内在动力。

系统自组织机能是指系统在内在协同机制的驱动下，各个子系统之间乃至子系统内部各组成部分(功能单元及组成要素等)为适应大系统整体目标要求，按照某种相互之间的默契规则，通过合作或竞争方式，不断调整自身组织结构和运行模式，提升环境适应能力，从而实现系统自动地从低级到高级、从无序到有序的动态演化过程。系统自组织的表征，一方面是系统内部各主体对外部环境的感知和自我调整，另一方面是系统内部各主体相互之间的非线性作用，从而产生倍增效应。纵观城市交通系统演化发展历史进程，不难发现无论在系统需求侧还是供给侧，自组织机能在实现系统供需模式匹配、功能级配结构调整以及组织模式优化等方面所发挥的巨大能动作用。毋庸置疑，正是基于优胜劣汰进化法则及系统内在的竞争-合作交互作用与协同机制，自组织成为系统适应外部环境而不断进化的内在动力。

自从30年前钱学森先生创立开放的复杂巨系统理论方法^[2]以来，这一理论方法被应用到医学、金融、社会管理、企业培训、旅游等诸多专业领域，并带来深远影响。城市交通系统具有开放性、多组分和多层次性，不同的组分和层次间存在着错综复杂的非线性相互作用关系，无论在时间、空间还是功能维度上，都始终处于非均衡且不断变化的状态，即远离平衡态。这些系统固有属性完全符合耗散结构典型特征，近年来有学者也将耗散结构理论、协同学理论等引入交通系统规划与治理领域^[3-5]。

城市交通系统是一个开放系统，无论是接受交通服务的客体，还是服务提供主体，都可自主介入系统。城市交通系统的外部环境也是开放的，与城市功能大系统的人居子系统、经济社会子系统以及生态环境子系统等均有很强的关联交互。

城市交通系统的参与者既包含供给侧的规划、建设、运维管理人员，也包含需求侧的交通服务对象。他们既是系统内在的组成要素，又是介入和干预系统的外部要素，在不同的时空环境中变换着功能角色。系统介入者个体行为决策既受客观约束，也有主观随意性，对交通系统而言无疑是复杂的随机过程。在需求侧，即便日常基本出行需求(即所谓“刚需”)的时空分布与方式选择具有一定规律性，也仍然会受多重客观因素影响(交通运行状态、天气等)而产生随机波动，再加上与“刚需”并存的大量“弹性需求”交互叠加，城市交通各个子系统负载在时间和空间维度上都会处于不确定波动状态。

由不同运行服务子系统构成的供给侧，受信息不对称及反馈协同运行机制固有缺陷制约，不仅难以维持服务资源配给的时空均衡，更无法实现与需求的精准匹配。此外，社会经济形态变革与科技新潮的任何一点微小变化都会引发城市交通系统供给模式与状态的改变。例如，在传统以政府为主体的供给模式下，北京市曾殚精竭虑力图扭转自行车出行持续萎缩态势，历经数年仍不见成效，而在社会资本介入的共享单车引入后，犹如神助，多年难除的痼疾就此“药到病除”，自行车出行比例大幅提升(见图1)。

图1 北京市中心城区绿色交通方式出行比例变化

资料来源：文献[6-7]。

如上所述，无论需求侧还是供给侧，城市交通系统都处于无休止的动态演化进程中。显然，时空分布与方式匹配多维度的“供需平衡”仅有可能偶发于微观局部的某一瞬间。就系统宏观整体而言，无疑是远离平衡态的。

城市交通系统的复杂性一方面在于系统构成的非均衡性、结构的多层次性、子系统及其功能基本单元(或功能要素)之间的非线性交互作用；另一方面在于系统的动态演化过程。

城市交通系统从属于城市功能大系统，与外部环境存在双向反馈协同互动关系；其内部则是由众多相互依存的功能基元(组成要素)组成的多层级结构，各层级之间以及每一层级组成基元之间均存在复杂的交互制衡作用关系，系统结构如图2所示。

图2 城市交通“复杂巨系统”构成示意

城市交通系统的复杂性还体现为“涨落”和“突现”(或称“涌现”，即由一种不稳定无序态到另一种新的更高层次有序结构态)^[8]的典型特征。受外部和内部各因素共同作用，子系统经常出现一些随机起伏的扰动，这种发生在系统微观层面上的扰动，绝大多数情况下会逐渐衰减而平息，不至于对系统宏观态产生影响，在耗散理论中称其为“涨落”。而在系统相变临界点附近，涨落的积累达到某一阈值，便会触发系统整体宏观态的改变，即系统相变(耗散理论中的“涌现”)。例如城市人口的变迁、经济发展的波动、交通基础设施的扩充与改造、新技术及新业态的参与和撤离(网约车、共享单车等)等，这些都会带来某些子系统的涨落。城市交通系统状态的“有序—无序—更高级的有序……”演化正是通过随机涨落的不断积累叠加而实现的。

以城市交通结构演化为例，过去20年一直坚持推行公交优先战略，尽管各子系统(如公共交通、小汽车交通、步行及自行车交通系统等)的涨落从未停止过，交通结构的整体宏观状态却未如预期的改观。近年来大规模的城市轨道交通建成固然提升了轨道交通方式在公共交通系统中的占比，但仍未能真正确立公共交通在城市出行体系中的主体地位，小汽车出行需求势头未得到预期的抑制，反倒是步行与自行车出行比例持续萎缩(见表1)。问题的根源在于城市交通结构演化并非只在于公共交通子系统，而是受制于其他多个子系统(小汽车交通子系统、步行与自行车交通子系统、需求管理子系统等)之间的交互作用。显然，交通结构这一因变量由多个自变量构成的非线性作用关系决定，不会由某个单一自变量(例如公共交通服务水平)给出唯一解，而是存在多解的不确定性。

表1 主要城市历年交通结构变化

资料来源：第五次北京城市交通综合调查总报告(2016)，2020北京市交通发展年度报告(2020)，上海市第四次综合交通调查总报告(2010)，上海市第五次综合交通调查成果报告(2015)，2020年上海市综合交通运行年报(2020)，广州新一轮交通综合调查总报告(2018)，2016 年深圳市居民出行调查及分析(2016)。

即便就城市公共交通子系统自身而言，公共汽车系统与城市轨道交通系统之间也有相互作用、相互制约关系。近年来国内各大城市公共汽车客运量普遍下滑(见图3)，既有公共汽车服务水平不高、吸引力不够等客观原因，也与城市轨道交通规模扩展未能与沿线公共汽车实现良好衔接匹配有关。因此，城市轨道交通规模的扩张，并不必然带来公共交通出行分担率的提升，某些情况下甚至有可能背离整个城市交通系统运行效率大幅提升的初衷。

图3 主要城市公共交通客运量变化

资料来源：根据城市交通年度报告数据整理绘制。

如前所述，城市交通系统存在“涨落”与“涌现”的特征，正是由于系统内非线性交互作用机制的存在，通过相干放大(倍增)效应，才会由“涨落”不断积累达到相变阈值临界点，实现“涌现”。然而这种动态演化过程的原动力除了来自系统外部的物资、能量与信息交换之外，就是基于系统内在组成要素间非线性作用和正负反馈机制的自组织性能。

众所周知，城市交通系统中各个组成要素并不是简单的线性累加，而是呈非线性函数关系。任何一个要素的变化都是受其他多因素的非线性作用所致。如前所述，交通结构优化并非单纯靠提升公共交通出行分担率，而公共交通出行分担率的提升也并非只靠扩大轨道交通网络规模就能如愿。系统作为整体，具有部分或部分之和所没有的性质，即整体不等于(或大于，或小于)部分之和。这是因为系统中任何子系统或组成要素的改变所引发的系统状态变化既反映在规模上，也同时体现于系统结构上，亦即“规模效应”与“结构效应”共同作用的客观规律。只有充分认识并尊重城市交通系统的非线性相互作用规律，方能运用好系统自组织性能，不断调节系统功能状态以适应环境变化，演化出有序结构。

以城市道路网子系统建设为例，城市道路网承载能力与运行服务水平不只取决于路网规模，还受到拓扑结构、功能级配结构、运行管理以及与其他子系统的协同关系等多重因素影响。道路网规模扩充与道路网承载能力提升并非简单的线性关系。例如，对既有100 km的道路网而言，随意增加30 km的道路规模并不能直接带来路网承载能力30%的提升。新增道路会扰动原有路网结构，从而带来伴随路网功能结构改善或损害的正负效应。所以，在扩充路网规模的同时，绝不可忽视结构效应。要重视完善路网级配结构、优化节点衔接、改善路权分配等等，这背后都体现的是城市交通系统的非线性特征。

如果把视野扩大到城市轨道交通领域，也会有同样的发现。轨道交通客运量并非随着线路运营里程增加呈现简单的加和性。网络客运总量并非由“里程规模”单一因素决定。除里程规模之外，轨道交通网络布局、建设时序、沿线土地开发状况、轨道交通站点周边交通接驳条件、网络运营组织水平、票制与票价以及线路间换乘便利程度等等无一不影响出行者对轨道交通方式的选择偏好。而且，轨道交通客运量与诸多相关因素之间也同样是一种复杂的非线性关系。国内不同城市轨道交通系统的规模效益客观差异便是这种“非加和性”最有说服力的例证(见图4)。对比2018年轨道交通网络运营里程都在300 km左右的重庆、深圳、武汉、成都、南京5个城市，客运强度最高的深圳达1.6万人次·km^-1·d^-1，其次为成都1.4万人次·km^-1·d^-1、武汉0.9万人次·km^-1·d^-1，最低的重庆、南京仅为0.8万人次·km^-1·d^-1，客运强度仅为深圳的一半。就一般规律而言，随着轨道交通网络规模扩展，客流边际效应递减，而功能结构效应会愈加突出。中国大陆城市在长期一以贯之的“重规模效应，轻功能结构效应”发展背景下，城市轨道交通网络功能结构残缺失衡的状况依然如故。即便是北京、上海、广州和深圳这些一线城市，过去很长一段时期轨道交通的建设重点还只局限于中心城区范围内的地铁网络，区域轨道交通网络的建设明显滞后于城市群的发展需求^[9]。显然这种残缺失衡的结构体系必然无法从“结构效应”获得应有的投入产出效益，不仅无法提供高品质的出行服务，更难以满足新型城镇化发展需要。

图4 各城市轨道交通客运强度变化

资料来源：文献[10]。

基于城市交通系统进化规律及系统耗散结构特征研究，有必要以系统进化观重新审视以往对城市交通系统的认知和规划思维方法。限于篇幅，在此择其一二试作简略探讨。

长期以来，城市交通规划都以“供需平衡”为发展目标导向，把交通系统的供需平衡态当作交通规划追求的目标和方向。与之相应，交通规划的具体指标设定往往拘泥于需求-供给的“时空均衡”理念。之所以如此，除传统思维定式使然，也与对城市交通系统属性认知偏颇不无关系。

根据前文所述，城市交通系统作为开放复杂巨系统，供给和需求在时空与模式形态上处于多维度的交互作用动态演化之中，不存在系统整体宏观层次上的平衡态。按照系统进化理论，非平衡态恰恰是系统进化的前提。因此，需要转变系统规划观念，目标导向从追求供需平衡转变为适应城市功能大系统的持续进化，关注城市交通系统“有序—无序—更高级的有序……”的动态演化规律，建立有关系统动态演化的“序参量”“相变临界点”“控制参量阈值”等关联分析模型。

基于城市交通系统进化的理论分析，城市交通规划的目标导向需要重构，从关注局部子系统的变量转换为关注系统整体的状态。从系统进化战略着眼，需要关注的不只是某一子系统微观层面的局部涨落，而是要以极为敏锐的洞察力，关注各个子系统状态参量之间的关联性，区分控制参量中的“快变量”(衰减快的局部性波动变量)和在系统临界区可引发相变的“慢变量”(即“序参量”)，找出系统宏观状态的临界阈值。城市交通系统关注的具体指标由过去的道路交通车速、道路网负荷度等快变量，转变为关注城市全方式出行效率与出行的社会成本、物流成本、交通可达性、系统可靠性与应变韧性等慢变量，真正关注系统的相变和临界点(见表2)。

表2 城市交通系统目标导向的变化

认知与处理城市交通系统问题的思维方法需要做出调整。既要关注城市交通系统的阶段性规划目标水平，也要关注规划实施过程中系统演化趋势及相关关联因素之间的交互作用关系。

首先，要重新调整城市交通规划技术方法。以往的交通规划分析、预测主要考虑现状、目标年的两三个时间断面，基于此给出交通发展目标、对策及布局方案。这其中未能充分顾及漫长实施过程中影响交通需求相关因素的多变性和不确定性，导致规划预测的可靠性大打折扣，甚至会带来错误的结果。因此，规划技术方法要由简单关注时间断面的思维方法，转向真正关注过程的分析方法，注重城市交通系统进化过程中的“涨落—涌现”规律，建立基于交通与城市互动发展态势全面感知的“证—析”规划模式，有效应对系统相变不确定性。

其次，规划编制内容不应只局限于规划目标年内的终期目标与设施布局，要补充规划实施过程中的管控与应变对策。要以“持续规划”和“动态调整”的新理念，取代“一张终极蓝图定乾坤”的传统旧观念，对传统的“调查-分析-预测-规划”的方法和工作模式要有针对性的合理扬弃^[1]，高度关注达到规划目标的实施过程和应变能力。

在分析处理交通系统构成要素之间以及系统与外部环境之间交互作用关联性问题时，传统思维往往更偏爱因果关系的探求。然而，因果关系并非相关关系的全部，而只是相关关系中具有确定性的一类(即系统中某一因素的出现或变化一定会引发另一因素的出现或变化)。相关关系是指两个或两个以上因素之间存在的一种不确定的数量依存关系，有可能包含暂时尚未认识的因果关系以及共变关系在内。李国杰院士在《大数据研究的科学价值》中指出：对于开放复杂的巨系统，传统的因果分析难以奏效，原因在于系统中各个组成部分之间相互有影响，可能互为因果，因果关系隐藏在整个系统之中^[11]。交通系统正是这样一个具有开放性、复杂性、非线性与自组织等特性的巨系统,系统状态无论是与系统内在结构因素的关系，还是与其外部环境各类因素之间的关系，都是极为复杂的相关关系。诚然，不排除某些情况下依然可以采用基于因果关系建立的交通分析模型进行科学分析和预测，探求推进或掣肘系统进化的动因，但也不得不重新审视过去长期偏执于因果的习惯性思维。因此，面对城市交通系统当下状态及未来演化趋势的分析不能过分追求单向、孤立、片面的因果关系，而应该转向复杂、多向、动态的相关关系。

以城市交通分析模型为例，要高度关注出行个体与多元因素之间的关联性规律，并适应未来不同应用场景，例如，既有面向实时运营监控，可实现短时预测的模型，也有面向规划编制与实施过程的多场景模型。模型系列不再是局限于特定时段人群虚拟集合体在三维物理空间活动特征(目的、位移、方式选择等)的非实时集计模型，而是更多关注在信息网络空间与物理空间融合的时空环境中，出行个体间交互影响以及出行个体与环境(主观与客观)之间交互作用的关联性规律。

他组织与自组织两种机能是维持系统进化不可或缺的内外两大动力，二者相互渗透，协调共济。

迄今无论在供给侧还是需求侧，人们都更习惯依赖(甚至过于偏重)他组织机能：一方面不断增加交通设施供给，另一方面试图穷尽各种交通需求管理和运行秩序管理手段，不遗余力地寻求理想中的“供需持久平衡”(尽管这种持久平衡从未实现过)。然而，客观现实是供给模式往往过分依赖外部资源要素驱动(土地、能源、资金等自然与社会资源)，造成了环境恶化、资源短缺等问题。不仅如此，由于缺乏对系统自组织机能和自适应、自调节规律的认识，加之系统参与者之间信息不对称条件与自身利益博弈，既无法避免他组织行为干预的盲目性对系统进化进程的“内卷”(involution)影响，也不可避免地对系统自组织机能造成伤害。

毋庸置疑，城市交通系统的生存发展必须正确面对他组织与自组织二者的对立统一关系。一方面，提升他组织手段科学水平，规范他组织行为机制，健全他组织机能；另一方面则要不断强化系统自组织机能，大大降低系统对外部干预和资源补给的过度依赖。城市交通系统自组织能力提升主要从制度创新、技术创新、组织模式创新等方面来实现。例如，交通规划模型创新就可以针对系统自组织机制作用，在既有的“多智能体”(Multi-Agent)理论模型研究成果^[12]基础上，开发系统协同效应仿真模型，以期真实反映系统自组织与他组织交互协同作用下的运行与动态演化规律，充分满足未来城市交通规划变革的需要。

城市交通系统承载力通常是指系统空间输送(人与物)能力^[13]。承载力的界定也只有在评价交通系统与城市发展协调关系的匹配度时才有实际意义。因此，更确切地说，这种“承载力”是交通系统在与城市系统协同运行时显现的适配水平。如前所述，交通系统与外界保持不间断的物资、能量、信息交换，系统供给侧与加载的需求侧均非静态，而是始终处于演化进程中。交通系统承载力既与系统自身的“承载”相关，又在很大程度上取决于外在需求以何种方式“加载”于系统本身。

首先，作为“承载”方，交通系统承载力并非系统内各子系统或功能基元设计承载(负荷)能力的简单加和。一方面，缘于交通系统运行中自身的熵变和子系统相互之间非线性关联，必然会有子系统之间能力的随机代偿-转移。另一方面，系统的整体承载能力并非仅仅决定于可量化度量的系统设施规模，而是在很大程度上取决于系统功能结构、运行模式以及运行环境等难以量化测度的诸多因素。

其次，作为交通系统需求“加载”方的城市功能大系统(城市人居、产业经济、社会组织架构与治理、公共服务等)，也非孤立封闭的静态系统，而是始终处于进化演变进程中。因此，不仅产生的交通服务需求在构成形态上(时空分布、方式选择)是随机波动的，而且也会因社会生活行为方式选择的多样性(电商+网购、线上社交等)，改变出行与物流需求总量。即便出行与物流需求总量和构成这些的原生需求不变，直接加载到交通各子系统的派生需求量(道路上的车流量负荷、轨道交通与公共汽车网络上的客流量负荷、各类场站人与物的吞吐量等)也是随机波动的。

此外，“以交通承载力约束城市发展”更是值得商榷。这种思维的偏颇在于忽略了交通系统自身以及它与外部环境之间基于正负反馈机制的协同互动双向调节关系。这种不断互动协同进程非但不会出现城市运转因交通系统“承载力”丧失而崩溃，而恰恰是“有序—无序—更高级的有序”的正常进化过程。以系统进化的观点而论，所谓绝对意义上的交通设施极限承载力是不存在的。

1）城市交通智能化是系统他组织与自组织的双重需要。

为了最大限度减少城市交通他组织机能运用盲区和对系统盲目干预造成的“内卷(退化)”，就必须借助信息化技术突破系统参与者信息不对称的障碍。再进一步，信息化发展必然会引领和催生他组织机制的智能化。

城市交通智能化不仅是全面提升他组织效率，完善他组织机制的需要，也是自组织机能进化的重要手段。未来的技术进步，为把握城市交通各子系统与外部环境之间的复杂联系作用规律提供了可能。城市交通系统与外部环境系统之间以及系统内各个子系统间的信息^[14]、能量交换，借助5G、物联网等现代信息通信和人工智能(AI)技术，有可能不断增强系统的自我感知、自我诊断、自我修复调节能力，实现系统自组织的智能进化。

2）城市交通智能化是系统进化必然的战略途径。

智能化作为城市交通系统发展目标之一，建设智能交通服务系统与智能运营维护管理系统则是与之对应的任务。这一共识并无过错，但基于系统进化客观规律，确有必要重新认识智能交通在未来交通系统进化和可持续发展进程中的战略地位。

城市交通系统的进化是不断抛弃无用熵(破损的基础设施与设备、陈旧的组织架构、废弃排放物等)，同时不断从外界引入系统需要的物资、能量和信息等负熵流的过程。这就必然带来外部环境的熵增，导致环境不可逆转的恶化。基于高质量发展及可持续发展原则，城市交通系统必然要转变发展方式，向更高智能层级进化以适应不断变化的外部环境。这就意味着只能选择更为聪明的发展方式，以智能化作为实现自身进化的战略途径，与时俱进地不断提升系统对外部环境感知—认知—自我调整的能力，降低对外部资源和人为干预的依存度。不言而喻，智能化绝非只是一项具体建设任务，而是城市交通发展方式转型的新模式。

基于城市交通系统进化的战略需要，智能化的内涵不只限于传统意义上的智能交通体系建设，而是要以系统全生命周期内，包含系统规划—建设—运营—维保—服务全要素的智能协同为着眼点，构建一个分布式协同决策运行的多智能体系统(Multi-Agent System, MAS)，组成系统的每一个子系统(道路网、公共汽车与轨道交通网、物流配送系统等)都是具有自主决策行动能力的智能体。各智能体之间依靠协同反馈机制，交换信息、协调行动。集成化的多智能体系统不仅具有比传统综合交通体系更强大的自组织能力，还具有自学习、自诊断和推理决策能力。同时，模块化组合结构与去中心化的分布式信息处理可以大大提升需求响应以及复杂事件应对处理效率。

本文从城市交通系统进化的角度，分析探讨了城市交通系统的进化趋势及机理、城市交通系统的固有属性，重新审视了城市交通系统中诸如供需平衡、交通承载力等似是而非的认知，并从系统进化的角度提出了城市交通的战略导向、目标导向、规划思维方法，并对城市交通系统承载力、智能化等重大问题进行了剖析。所提出的观点属于探讨性内容，未来仍需结合新时期的交通实践工作检验予以修正完善。

《城市交通》2021年第4期刊载文章