发布日期：2019-11-14
应用复杂科学来增进城市的安全
应用复杂科学来增进城市的安全
发布日期：2020-03-25 11:32
随着众多国际重大自然及人为灾害事件的出现，如美国911事件、西班牙火车爆炸事件、SARS疫情、马来西亚航班失踪、法国巴黎的恐怖袭击案、以及最近在中国武汉爆发的新型冠状病毒（COVID-19）疫情等等，全球的政治及经济秩序都受到了深刻的影响，城市安全开始成为国家稳定的一个重要的新兴议题。然而城市安全的定义是什么？如何采取及时和恰当的决策，利用有限资源来防止可能发生的灾难？这些问题数百年来一直困扰着政府与学术界。即使是发达国家，对于维护城市安全也往往感到力不从心，这可以通过美国国防大学及兰德公司于1996年所举办的复杂、全球政治及国家安全研讨会窥见一斑。我们认为，在探讨城市安全的意义及对策之前，应对我们所生活的世界如何运作有一个充分的了解。城市安全的内涵极为广泛，包括政治、环境、生态、土地、交通及社会等等，而这些方面环环相扣，形成有机的整体。要有效地遏止此类事件的蔓延，近些年兴起的具有科学前沿性的复杂理论可以作为分析的一个理论基础。本文中，我们通过将复杂理论应用于国内COVID-19防疫策略拟订的实例，来探讨维护城市安全的必要措施。
COVID-19疫情于去年底在武汉爆发，引起民众恐慌。后来政府及时采取封城的断然措施，使得疫情得以控制。但是北京和上海等大型都会区都成为疫情重灾区，也具有必然性。如果COVID-19是通过人际间的近距离互动而感染，则互动频繁度愈高，感染的机率愈高。而在城市尤其是大型都会区中，因为人口稠密且相互之间交流频繁，感染的几率会比较大。如何将防疫资源加以有效配置以收到事半功倍的效果，是防疫策略拟定的一项重大挑战。
如果我们能掌握疫情扩散的整体特征及分布形态，便可针对可能的感染地区进行事先防治。由于人的行为及人际间的互动难以预测，在个人或中小规模人群的尺度上，也许疫情扩散并不具有明显的规律；但当我们将尺度放大到城市，整体的规律便可以突现出来——即在无强行隔离干预的情况下，COVID-19的感染案件数应与城市人口规模成正比，这可以被大数据所验证。在此事实基础上，根据Barabasi及Bonabeau在Scientific American期刊（2003年5月, 50-59页）所发表对无标度网络（scale-free networks）的研究以及笔者近期对城乡尺度分布的研究，我们可以进一步拟订防疫资源配置的原则。
根据Barabasi及Bonabeau对复杂系统的研究，很多类型的网络（包括World Wide Web）都具有一种共性：网络的节点不是随机连结，而是无标度（尺度）的连结。美国的高速公路网便是随机连结的网络，而航空网则是无尺度连结的网络。随机连接网络的一个重要特征便是节点之间连接的个数呈现钟形的泊松分布。人的身高分布便是典型的泊松分布的实例：一般人的身高多在一定范围，过高或过矮都是特例。无标度网络的特征在于，少数节点拥有大量的连结，形成所谓的中枢（hubs）；而大多数节点仅拥有少数的连结。国际互联网（World Wide Web）就是一个典型的无标度分布的实例：少数网页拥有大多数的连结。不同于随机网络，无标度网络节点的连结分布服从幂次法则（power law）。所谓幂次法则指的是，若将表示某连结数的变量与具有此连结数量的节点数所对应的变量分别取对数，并作为坐标系的横轴与纵轴，其分布将呈现线性关系。随机网络很容易被破坏，只要我们毁损一定比例的节点，系统便会很快瘫痪；无标度网络则不然，如果我们任意毁损其中一定比例的节点，系统仍旧可以运作。也就是说，无标度网络系统受外力冲击的回复力（resilience）及韧性（robustness）很强。但是它的致命点（Achilles’ heel）在于，网络中少数拥有绝大部分连结的中枢一旦被毁损，整个系统便会瘫痪。
图1 美国城市不同交通方式所形成的随机网络（左）及无标度网络（右）
来源：http://eaton.math.rpi.edu/csums/papers/FoodWebs/barabasisciam.pdf
自然界及人文环境中许多复杂系统具有共性，包括股市的崩盘、地震的频率甚至城市的空间分布等。复杂科学主要探讨这些复杂系统的特性。从较大的空间尺度而言，COVID-19病毒必然通过病毒携带者经由交通网络蔓延至各县市。很多著名的城市规划学者通过理论及实证研究都证明了城市系统分布呈现无标度网络的特性，也就是说其人口规模与同等规模城市的个数服从幂次法则，具体则表现为大城市个数少而小城镇个数众多。虽然笔者的研究不是以网络为出发点，但人口规模的大小与人际网络中的连结数之间通常有显著的相关性。因此，如果我们要封锁COVID-19病毒在城乡网络传播的途径，便要找出该网络的关键点。根据Barabasi及Bonabeau对无标度网络特性分析，我们应将防疫资源投入到中枢地区，将这些中枢地区作为疫情传播的关键加以控制，则能使疫情得以改善。换言之，除了对疫情集中爆发的武汉及周边地区加以控制之外，我们首先应关注和控制北京、上海、广州、深圳等大型都会区的疫情，然后按城市规模的大小逐一将其他城市和乡村的疫情控制住，以彻底断绝COVID-19病毒传播的途径。城市内的防疫策略也可采用类似方法，即逐一将人际网络连结的中枢场所界定出来，例如活动频繁的公共场所等，并封锁其病毒传播的途径，以达到全市防疫的效果。至于防疫技术上的问题，则有赖于医护人员的专业知识。最好由政府发起成立包括医疗护理等相关科学的跨领域专业团队，协力打赢防疫之战。
注重从整体和动态的视角来看待问题的复杂理论研究开始于1980年代，如今已经从纯理论的建构进入实证应用阶段，且应用的范围不断扩展。城市安全的维护，由于牵涉的范围十分广泛，唯有以复杂理论进行探讨，并搭配如贝叶斯网络（Bayes Net）等先进的决策分析技术，才不至于产生传统科学的过于强调专业性和以偏概全的缺点。此外，辅以良好的信息系统以及政府组织，应可对城市安全领域的诸多重大突发事件加以有效应对。
作者简介：赖世刚、韩昊英
赖世刚目前为同济大学建筑与城市规划学院高峰计划国际PI教授、台北大学特聘教授以及Journal of UrbanManagement主编。他曾在成功大学、美国俄亥俄州立大学和美国伊利诺伊大学香槟分校获得城市规划学士、硕士和博士学位，对于城市、复杂及规划都有深入的理论研究。
韩昊英目前为浙江大学城乡规划学和公共管理学的教授、博士生导师，学术背景为建筑学、城乡规划学和公共管理学，曾在清华大学、日本东京大学、韩国首尔国立大学和加拿大多伦多大学攻读学位及访学研究。韩昊英从小生活在城市，热爱城市的历史和文化，喜欢丰富多彩的城市生活。
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