Прогнозирование распределения и интенсивности градообразующей деятельности в городской среде.

Введение

Прогнозирование распределения и интенсивности видов деятельности, генерирующих поездки в городской зоне.

Прогнозирование землепользования предполагает прогнозирование распределения и интенсивности видов деятельности, генерирующих поездки, в городской зоне. На практике модели землепользования строятся на основе спроса, используя в качестве входных данных агрегированную информацию о росте, полученную в результате комплексного экономического прогнозирования. Оценки землепользования являются входными данными для процесса планирования транспорта. Последующее обсуждение прогнозирования землепользования начинается с обзора работы Исследования транспортной системы Чикаго (CATS). Исследователи CATS провели интересную работу, но не создали модель прогнозирования, пригодную для переноса, и исследователи в других регионах работали над разработкой собственных моделей. После рассмотрения работы CATS обсуждение перейдет к первой модели, получившей широкую известность и ставшей образцом для подражания: модели Лоури, разработанной Ирой С. Лоури во время работы в Питтсбургском региональном экономическом исследовании. В настоящее время доступны и широко используются модели Лоури второго и третьего поколений, а также интересные особенности, включенные в менее распространенные модели. Сегодня деятельность по транспортному планированию, осуществляемая организациями метрополитенского планирования, является центром разработки и поддержки региональных моделей землепользования. В США интерес к моделям и их использование быстро растут после длительного периода ограниченного применения. Интерес также значителен в Европе и других странах. Даже несмотря на то, что большинство агентств по планированию метрополий в США не используют формальные модели землепользования, необходимо понимать эту область: концепции и аналитические инструменты формируют подход к решению вопросов землепользования и транспорта; в научном сообществе наблюдается значительный интерес, поскольку произошли важные разработки; и с 1990-х годов было разработано новое поколение моделей землепользования, таких как LEAM и UrbanSim, которые отличаются от этих агрегированных моделей и включают инновации в области моделирования дискретного выбора, микросимуляции, динамики и географических информационных систем.

Анализ использования земель в исследовании транспорта Чикагской области

Вкратце, анализ CATS 1950-х годов основывался на распределении роста “интеллектом и вручную”. Результатом стали карты, разработанные с использованием процедурного подхода, основанного на правилах. Правила распределения землепользования базировались на передовых знаниях и концепциях, и сложно критиковать CATS с этой точки зрения. CATS использовал обширные исследования Колина Кларка о распределении плотности населения вокруг городских центров. Существовали теории формы города, особенно концепции секторов и концентрических кругов. Понятия городской экологии были важны в Чикагском и Мичиганском университетах. Социологи и демографы Чикагского университета начали серию исследований районов с экологическим уклоном. Дуглас Кэрролл, директор CATS, учился у Амоса Хоули, городского эколога из Мичигана. Колин Кларк изучал плотность населения многих городов и обнаружил закономерности, схожие с теми, что представлены на рисунке. Исторические данные показывают, как менялась кривая плотности с течением времени. Для прогнозирования будущего использовались изменения параметров во времени для определения формы плотности в будущем, например, через 20 лет. Город распространялся подобно леднику. Площадь под кривой определялась прогнозами численности населения. CATS провел обширные исследования землепользования и деятельности, опираясь на работы по планированию города, выполненные Комиссией по планированию Чикаго. Исследования Хока по прогнозированию деятельности определяли, какие виды землепользования и деятельности будут размещены под кривой плотности. Существующие данные о землепользовании были представлены в виде поперечного сечения. Землепользование распределялось в соответствии с существующей структурой. Район исследования был разделен на зоны транспортного анализа: небольшие зоны с высокой активностью и более крупные зоны в других местах. Изначальная схема CATS отражала ее связь с штатом Иллинойс. Зоны простирались далеко за пределы города. Зоны были определены с учетом данных переписи населения на уровне кварталов и мелких административных единиц. Также учитывались однородность землепользования и характеристики городской экологии. Первые прогнозы землепользования в CATS использовали методы “ручной” обработки, как было указано. Мы не критикуем “ручной” подход – состояние компьютеров и систем данных того времени вынуждало к этому. Это было распределение земель на основе правил. Рост был определяющим фактором, как и данные экономического исследования. Рост указывал на необходимость изменения плотности населения. Виды землепользования, обусловленные сочетанием видов деятельности, распределялись исходя из соображений: “Где доступна земля?” и “Каково текущее использование?”. Определенные виды деятельности распределялись легко: сталелитейные заводы, склады и т.д. Концептуально, правила распределения представляются важными. В городском землепользовании наблюдается значительная пространственная автокорреляция, обусловленная исторической зависимостью: определенные виды деятельности возникали в определенных местах и способствовали дальнейшему развитию аналогичных видов деятельности. Эта автокорреляция была частично утрачена при переходе от “ручной” обработки к аналитическим моделям. Процедура CATS не пользовалась поддержкой у формирующейся профессиональной группы по планированию городского транспорта, и в конце 1950-х годов возник интерес к разработке аналитических методов прогнозирования. Примерно в то же время аналогичные интересы возникли в связи с потребностями в реконструкции городов и планировании канализационных систем, а также интерес к аналитическому городскому анализу проявился в политологии, экономике и географии.

In brief, the CATS analysis of the 1950s was “by mind and hand” distribute growth. The product was maps developed with a rule based process. The rules by which land use was allocated were based on state of the art knowledge and concepts, and it hard to fault CATS on those grounds. The CATS took advantage of Colin Clark’s extensive work on the distribution of population densities around city centers. Theories of city form were available, sector and concentric circle concepts, in particular. Urban ecology notions were important at the University of Chicago and University of Michigan. Sociologists and demographers at the University of Chicago had begun its series of neighborhood surveys with an ecological flavor. Douglas Carroll, the CATS director, had studied with Amos Hawley, an urban ecologist at Michigan. Colin Clark studied the population densities of many cities, and he found traces similar to those in the figure. Historic data show how the density line has changed over the years. To project the future, one uses changes in the parameters as a function of time to project the shape of density in the future, say in 20 years. The city spreads glacier like. The area under the curve is given by population forecasts. The CATS did extensive land use and activity surveys, taking advantage of the City work done by the Chicago Planning Commission. Hock’s work forecasting activities said what the land uses—activities were that would be accommodated under the density curve. Existing land use data were arrayed in cross section. Land uses were allocated in a manner consistent with the existing pattern. The study area was divided into transportation analysis zones: small zones where there was a lot of activity, larger zones elsewhere. The original CATS scheme reflected its Illinois State connections. Zones extended well away from the city. The zones were defined to take advantage of Census data at the block and minor civil division levels. They also strived for homogeneous land use and urban ecology attributes. The first land use forecasts at CATS arrayed developments using “by hand” techniques, as stated. We do not fault the “by hand” technique – the then state of computers and data systems forced it. It was a rule based land use allocation. Growth was the forcing function, as were inputs from the economic study. Growth said that the population density envelope would have to shift. The land uses implied by the mix of activities were allocated from “Where is the land available?” and “What’s the use now?” Considerations. Certain types of activities allocate easily: steel mills, warehouses, etc. Conceptually, the allocation rules seem important. There is lot of spatial autocorrelation in urban land uses; it's driven by historical path dependence: this sort of thing got started here and seeds more of the same. This autocorrelation was lost somewhat in the step from “by hand” to analytic models. The CATS procedure was not viewed with favor by the emerging Urban Transportation Planning professional peer group, and in the late 1950s there was interest in the development of analytic forecasting procedures. At about the same time, similar interests emerged to meet urban redevelopment and sewer planning needs, and interest in analytic urban analysis emerged in political science, economics, and geography.

Модель Лоури

Вслед за работой CATS несколько агентств и исследователей начали изучать методы аналитического прогнозирования, и в период с 1956 по начало 1960-х годов появилось множество методов моделирования. Ирвин (1965) представляет обзор состояния разрабатываемых моделей. Одна из этих моделей, модель Лоури, получила широкое распространение. Поддерживаемый сначала местными организациями, а затем грантом Фонда Форда корпорации RAND, Айра С. Лоури провел трехлетнее исследование в агломерации Питтсбурга. (Работа в RAND будет обсуждаться позже.) Обстановка была богата данными, и существовали хорошие профессиональные связи в рамках растущего интереса к вопросам местоположения и региональной экономики в экономическом факультете Университета Питтсбурга под руководством Эдгара М. Гувера. Структура модели Лоури представлена на блок-схеме. Блок-схема отражает логику модели Лоури. Модель основана на спросе. Сначала модель реагирует на увеличение базовой занятости, а затем – на последующее влияние на сферу услуг. Как Лоури представлял свою модель и как показывает блок-схема, модель решается итерационно. Однако структура модели позволяет обойтись без итераций. Хотя язык, используемый для обоснования спецификации модели, является экономическим, а Лоури – экономист, сама модель не является экономической. В ней не учитываются цены, рынки и тому подобные факторы. Анализ публикаций Лоури позволит понять причины широкого принятия его подхода. Эта публикация стала первым полным изложением модели, проблем анализа и обработки данных, а также вычислений. Лоури пишет превосходно. Он откровенен и четко излагает свои рассуждения. Можно представить, как аналитик, прочитав работы Лоури, подумает: «Да, я тоже так смогу».

Распространение инноваций, связанных с моделью, представляет интерес. Лоури не занимался консалтингом, и его личные контакты с профессионалами в области транспорта были весьма ограничены. Его интересовала и продолжает интересовать экономика жилья. Лоури практически не занимался «продажей» своей модели. Мы видим, что люди обращают внимание на качественное изложение и на идею, чей час настал. Модель широко использует гравитационные функции или функции затухания взаимодействия с расстоянием. Использование идей «гравитационной модели» было распространено во время разработки модели Лоури; сама идея гравитационной модели существовала уже не менее 100 лет. В период работы Лоури эта идея активно совершенствовалась, и значительный вклад в нее внесли такие специалисты, как Алан Вурхис, Морт Шнайдер, Джон Гамбург, Роджер Крейгон и Уолтер Хансен. (См. Карротерс, 1956). Модель Лоури стала отправной точкой для работы во многих местах. Голднер (1971) прослеживает ее влияние и внесенные изменения. Стивен Путнам из Университета Пенсильвании использовал ее для разработки PLUM (проективной модели землепользования) и I(инкрементной) PLUM. По нашим оценкам, производные от модели Лоури используются в большинстве исследований МТО, но большинство современных специалистов не осознают наследия Лоури – производные находятся на одном или двух шагах от базовой логики.

Модель Каина

Около 1960 года Фонд Форда выделил грант корпорации РЭНД для поддержки исследований проблем городского транспорта. (Работа Лоури была частично профинансирована этим грантом.) Исследования проводились в логистическом отделении РЭНД, где также располагались экономисты корпорации. Возглавлял это отделение Чарльз Цвик, имевший опыт работы в области транспорта. Исследования РЭНД охватывали широкий спектр вопросов: от новых технологий и стоимости прокладки туннелей до моделей городского планирования и анализа с учетом последствий для политики. Часть исследователей РЭНД были штатными сотрудниками, однако большинство привлекались на короткий срок. Результаты исследований публиковались в различных форматах: сначала в сериях RAND P и RM, а затем в профессиональных изданиях или в виде книг. Зачастую одна и та же работа была доступна в разных вариантах и в разных источниках. Несмотря на разнообразие тем и подходов, все исследования РЭНД были объединены общей целью – поиском ориентиров для экономической политики. Эту тенденцию можно увидеть в работе Каина (1962), которая обсуждается де Неуфвиллем и Стаффордом, а иллюстрация адаптирована из их книги. Модель Каина рассматривала прямые и косвенные эффекты. Например, предположим, что доходы населения растут. Это оказывает прямое влияние на время в пути и косвенное – через землепользование, владение автомобилями и выбор вида транспорта. Исследования, поддержанные РЭНД, также привели к публикации работы Meyer, Kain и Wohl (1964). Эти результаты исследований РЭНД оказали значительное влияние на последующий анализ (хотя больше на формирование политики, чем на практическое применение). Джон Мейер стал президентом Национального бюро экономических исследований и работал над переориентацией его деятельности. Городской анализ в стиле Каина лег в основу многолетней работы, результатом которой стали публикации в виде книг (например, G. Ingram et al., The NBER Urban Simulation Model, Columbia Univ. Press, 1972). После службы в ВВС Каин перешел в Гарвард, сначала для реорганизации Департамента городского планирования. Позже он перешел в Школу Кеннеди, где вместе с Хосе А. Гомесом Ибанесом, Джоном Мейером и К. Инграмом руководил значительной частью исследований в области анализа экономической политики. Мартин Воль покинул РЭНД и в конечном итоге перешел в Университет Карнеги-Меллона, где продолжил свою исследовательскую деятельность (например, Wohl, 1984).

About 1960, the Ford Foundation made a grant to the RAND Corporation to support work on urban transportation problems. (Lowry's work was supported in part by that grant) The work was housed in the logistics division of RAND, where the economists at RAND were housed. The head of that division was then Charles Zwick, who had worked on transportation topics previously. The RAND work ranged from new technology and the cost of tunneling to urban planning models and analyses with policy implications. Some of the researchers at RAND were regular employees. Most, however, were imported for short periods of time. The work was published in several formats: first in the RAND P series and RM series and then in professional publications or in book form. Often, a single piece of work is available in differing forms at different places in the literature. In spite of the diversity of topics and styles of work, one theme runs through the RAND work – the search for economic policy guides. We see that theme in Kain (1962), which is discussed by de Neufville and Stafford, and the figure is adapted from their book. Kain's model dealt with direct and indirect effects. Suppose income increases. The increase has a direct effect on travel time and indirect effects through the use of land, auto ownership, and chopice of mode. Work supported at RAND also resulted in Meyer, Kain and Wohl (1964). These parts of the work at RAND had considerable influence on subsequent analysis (but not so much on practice as on policy). John Meyer became President of the National Bureau of Economic Research and worked to refocus its lines of work. Urban analysis Kain style formed the core of a several year effort and yielded book length publications (see, e. g., G. Ingram, et al., The NBER Urban Simulation Model, Columbia Univ. Press, 1972). After serving in the Air Force, Kain moved to Harvard, first to redirect the Urban Planning Department. After a time, he relocated at the Kennedy School, and he, along with José A. Gómez Ibáñez, John Meyer, and C. Ingram, lead much work in an economic policy analysis style. Martin Wohl moved on from RAND, eventually, to Carnegie Mellon University, where he continued his style of work (e. g. Wohl 1984).

Ориентированные на политику игры

Идея о том, что воздействие политики на развитие городов можно смоделировать, стала темой конференции в Корнелле в начале 1960-х годов; были созданы рабочие группы, и возникло несколько направлений исследований. Несколько специалистов разработали довольно простые (по сегодняшним меркам) симуляционные игры. Развитие землепользования определялось силами, подобными гравитационным, и основная проблема заключалась в конфликтах между застройщиками и градостроителями, возникавших при вмешательстве последних в процессы роста. CLUG и METROPOLIS – два достаточно известных продукта этого направления (они были SimCity своего времени); вероятно, существовало еще двадцать или тридцать подобных игр, моделирующих противостояние градостроителей и застройщиков в политическом контексте. Серьезных попыток проанализировать использование этих игр для разработки политики и принятия решений, по-видимому, предпринято не было, за исключением работы в компании Environmetrics. Питер Хаус, один из ветеранов конференции в Корнелле, основал Environmetrics в начале 1960-х годов. Изначально работа в компании также строилась на относительно простых игровых идеях. В течение примерно десяти лет функциональность игровых моделей постепенно расширялась, и, в отличие от других подходов, транспорт играл важную роль в их разработке. Наработки Environmetrics были переданы в Агентство по охране окружающей среды и некоторое время использовались в Центре экологических исследований EPA в Вашингтоне. Модель, известная как River Basin, была обобщена до GEM (общей модели экологической оценки), которая, в свою очередь, породила SEAS (стратегическую модель экологической оценки) и SOS (SEAS второго поколения). Модели претерпели значительную эволюцию в процессе обобщения, что слишком подробно здесь описывать. Наиболее примечательным является изменение в способах применения моделей. Акцент сместился с простого "игры в модели" на "оценку влияния федеральной политики". Модель (включая уравнения и данные) рассматривалась как обобщенный город или группа городов. Она позволяла ответить на вопрос: какое влияние предложенная политика окажет на города? Примером обобщенного анализа является работа LaBelle и Moses (1983), в которой они применили процесс UTP к типичным городам для оценки воздействия различных политических мер. Причина использования такого подхода очевидна: Хаус перешел из EPA в Министерство энергетики, и исследование было подготовлено по заказу его ведомства.

The notion that the impact of policy on urban development might be simulated was the theme for a conference at Cornell in the early 1960s; collegiums were formed, several streams of work emerged. Several persons developed rather simple (from today's view) simulation games. Land use development was the outcome of gravitational type forces and the issue faced was that of conflicts between developers and planners when planners intervened in growth. CLUG and METROPOLIS are two rather well known products from this stream of work (they were the SimCity of their day); there must be twenty or thirty other similar planner vs. developer in the political context games. There seems to have been little serious attempt to analyze use of these games for policy formulation and decision making, except for work at the firm Environmetrics. Peter House, one of the Cornell Conference veterans, established environmetrics early in the 1960s. It, too, started with relatively simple gaming ideas. Over about a ten year period, the comprehensiveness of gaming devices was gradually improved and, unlike the other gaming approaches, transportation played a role in their formulation. Environmetrics’ work moved into the Environmental Protection Agency and was continued for a time at the EPA Washington Environmental Studies Center. A model known as River Basin was generalized to GEM (general environmental assessment model) and then birthed SEAS (strategic environmental assessment model) and SOS (Son of SEAS). There was quite a bit of development as the models were generalized, too much to be discussed here. The most interesting thing to be noted is change in the way the use of the models evolved. Use shifted from a “playing games” stance to an “evaluate the impact of federal policy” stance. The model (both equations and data) is viewed as a generalized city or cities. It responds to the question: What would be the impact of proposed policies on cities? An example of generalized question answering is LaBelle and Moses (1983) La Belle and Moses implement the UTP process on typical cities to assess the impact of several policies. There is no mystery why this approach was used. House had moved from the EPA to the DOE, and the study was prepared for his office.

Университет Северной Каролины

Группа в Чапел-Хилл, в основном под руководством Стюарта Чапена, начала свою работу с простых аналитических инструментов, несколько напоминающих те, что используются в играх. Результаты представлены в работах Чапин (1965), Чапин и Х. С. Хайтауэр (1966) и Чапин и Вайс (1968). Впоследствии эта группа сосредоточилась на (1) способах, которыми люди идут на компромиссы при выборе жилья, (2) роли застройщиков и их решений в процессе городского развития, и (3) информации о предпочтениях, полученной в ходе опросов. Лансинг и Мюллер (1964 и 1967) из Исследовательского центра социологических опросов работали в сотрудничестве с группой из Чапел-Хилл над разработкой части этой информации. Первоначально исследования были посвящены простым вероятностным моделям роста. Вскоре от них перешли к игровым интервью для изучения предпочтений в отношении жилья. Респондентам предлагалось определенное количество "денег" и набор характеристик жилья – тротуары, гараж, количество комнат, размер участка и т.д. Как они распоряжаются своими средствами? Это ранняя версия игры The Sims. Работа также включала изучение поведения застройщиков, как уже упоминалось. (См.: Кайзер 1972).

Обзоры и опросы

В дополнение к обзорам на заседаниях CUE и сессиях на профессиональных конференциях было предпринято несколько организованных попыток оценить прогресс в моделировании землепользования. Первой из них стал майский выпуск 1965 года журнала Американского института градостроителей, отредактированный Б. Харрисом. Следующим крупным мероприятием стала конференция Совета по исследованию дорожного строительства в июне 1967 года (HRB 1968), которая оказалась весьма продуктивной. В этом издании содержится обзорная статья Лоури, а также комментарии Чапина, Алонсо и других авторов. Особый интерес представляет Приложение А, в котором перечислены различные способы адаптации аналитических инструментов для практического применения. Робинсон (1972) дает представление о моделировании, ориентированном на проекты реконструкции городской застройки. Также были опубликованы критические обзоры (например, Брюер 1973, Ли 1974). Пак (1978) рассматривает практический опыт применения моделей в органах власти; в работе анализируются четыре модели и ряд примеров их использования. (См. также Zettel и Carll 1962, а также Pack и Pack 1977). Вышеизложенное обсуждение ограничивалось моделями, оказавшими наибольшее влияние на практику (Лоури) и теорию (П. Дж. и др.). Существует еще около дюжины моделей, упомянутых в обзорах. Некоторые из них посвящены размещению объектов розничной торговли и промышленных предприятий. Есть также модели, ориентированные на проекты реконструкции городской застройки, где вопросы транспорта не играли существенной роли.