導語
城市是人類文明的體現，全世界有一半以上的人口居住在城市之中，當下中國，各地新城建設如火如荼，雄安新區更是城市建設中的千年大計，在此背景下對於城市的研究，具有深遠而緊迫的現實意義。在一篇 Nature communications 論文中，研究者指出城市規劃與層級化組織結構的互動，會影響到城市中生活的人的方方面面。在出行的頻率與距離之間，存在較強層級化結構的城市，宜居性更好。
論文題目：
Hierarchical organization of urban mobility and its connection with city livability
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12809-y
1. 什麼是城市的層級化組織
對於城市，一般人普遍的印象是城市會有一個或多箇中心圈，這裡人流密集，而城市的其他地方，則相對人煙稀少。一個城市有一環二環三環路，一環內會比二環三環之間更加繁華，而人們出行的時候，也會優先去鬧市區，從而使人群的出行頻率及距離顯得層次分明，這是對城市層級化組織（hierarchical organization）的直觀理解。
不過但凡進行的是科學研究，都需要能夠有一個明確的、數量化的定義，來說清楚那些生活中常用而不能夠明確理解的概念。“當你能夠量化你所談論的事物，並且能用數字描述它時，你對它有了深入瞭解。但如果你不能用數字描述，那麼你的頭腦根本就沒有躍升到科學思考的狀態。”（英國物理學家 開爾文勳爵）
如何量化城市的層級結構？本文將通過解讀這篇論文，來講清楚科學家是如何用一個量值，來定義城市的層級化組織這個概念。通過這個例子，帶你體會如何數據化思維的路徑。
2. 城市的層級化組織的量化定義
研究者在定義城市的層級化組織時，用到來自 300萬谷歌用戶，2016年間通過手機記錄下的在自己居住或旅遊的，全球不同城市中通勤記錄數據。例如從A地去了B地，便是一條記錄。將通勤的起始位置彙集成熱圖，將城市劃分成一個個的小方格，用不同的顏色代表某個方格間的通勤線路的密度，可以看到不同的城市間，出發地的人流密度有明顯的差異。
圖1：三個千萬級人口大都市，巴黎，曼谷和洛杉磯的通勤熱圖，紅色區域示意著在此區域作為通勤起點的人口密度較大
為了將規模和發展程度不同的城市放在一起比較，需要對數據進行標準化（normalization）操作。研究者將一個城市的總通勤數作為分母，來看城市中不同地點的通勤起始點佔總通勤起始點的相對比例。
對應到下圖，就是圖中的不同深淺的藍色對應的比例是 10^（-1）到10^（-7）。方格顏色越深，說明該區域越經常被作為通勤的起點或目的地，這個地區越“熱”。
圖2：對比現實的，和模擬出的紐約市通勤熱點區之間的相對連接密度矩陣
為了說明數據背後的規律是真實存在的，且研究用到的尺子能衡量出數據中的規律的強弱，研究者將真實數據和隨機生成的數據去對比。如上圖所示，研究者對比了隨機模擬的紐約通勤網和真實的情況，很明顯，在真實情況下，城市會呈現層級化的組織結構。
既然城市的層級化組織確實存在，就需要一個區分城市層級化程度的指標。這個標準，要使得真實的城市和模擬的隨機城市，通過該標準打出的分值有明顯的區別，並且該標準要對不同大小城市都適用。
圖3：城市層級化組織程度 Φ 與通勤熱度的關係示意圖
由於城市通勤具有層級化的特徵，意味著城市的通勤熱點之間的人員流動所佔的比例，相對熱點與非熱點之間的比例要高一到兩個數量級。將這個觀察量化表述，對城市層級化程度的量化，可被定義為的距離對角線上的區域的相對密度之和，文中將其稱為 Φ 值。即上圖中被黃線圈起來的區域。
通勤熱度共有 L 個級別。研究者首先構建了矩陣 T，Tij 對應著從熱度為 i 的區域到熱度為 j 的區域的旅行。根據城市內旅行的總量，對 T 進行了歸一化處理。δij 是矩陣 T 的克羅內克 δ 函數。如果旅行發生在相同熱度的區域之間，那麼 δij 的值為 1，如果旅行是平滑地從高熱度到低熱度，或者從低熱度到高熱度，即熱度在不同級別上均勻分佈，那麼 δij 的值為 0。所以更高的 Φ 值，對應著更強的層次結構。
3. 城市層級化程度
會影響出行的選擇
如果一個城市沒有中心，或者如果市中心的旁邊，就是荒郊野嶺，居住在這樣的城市，多半你會覺得交通不方便，不管前者還是後者，都需要跑很多的冤枉路。城市的規劃，帶來的最直接影響是人們交通方式的選擇。
圖4：通勤方式中自駕、公共交通、步行分別所佔比例在不同的層級化組織間的變化
在自駕車，公共交通和步行三種交通方式中，如果城市的層級化程度相對較低，那麼自駕就會成為主流的交通方式，而隨著代表了城市層級化程度的 Φ 值的升高，選擇公共交通和步行的人數會顯著增多。
公共交通的設計，也需要考慮到城市中的層級化組織。例如選擇多開一些連通不同熱點的班次，通過減少停靠站點，就可以讓公共交通更加快速，讓居民更多地選擇乘坐公共交通或走路，而不是自駕。
4. 城市層級化程度越高，
對環境越友好
城市的空氣汙染，很大一部分來自通勤所帶來的尾氣，因此通勤方式的差異，間接影響了城市空氣汙染的程度。
在去除了城市 GDP 不同的帶來的影響後，可以發現，城市的層級化程度越高，人均造成的空氣汙染越小。
圖5：人均空氣汙染和城市層級化程度的關係
上圖描述了不同城市的氮氧化合物、一氧化碳及 PM10 顆粒數，與 Φ 的關係。可以看到隨著城市層級化程度的升高，人均汙染量有著顯著的下降。
除了空氣汙染，城市的組織層級化程度還會影響溫室氣體二氧化碳的排放量。
圖6：二氧化碳排放量和城市層級化程度的關係
如圖所示，城市層級化程度 Φ 越高，城市產生的每一美元 GDP 所對應的二氧化碳排放量越低。注意這裡縱軸的座標是從 0 到 30 變化的，最高值和最低值差距數倍這說明 Φ 值對二氧化碳排放量的影響程度比空氣汙染要顯著。
2030年氣候危機？Nature刊文警告全球變暖是真的！
全球氣溫升高1.5°C還是2°C，這個世界大不同
4. 城市層級化程度給
城市生活帶來的其他影響
中風患者如果能得到及時的救治，其生存的概率會顯著提高。下圖比較了每 10 萬居民中因為中風的死亡人數，以及其居住地距離醫院的平均距離，和每 10 萬人中由於交通事故造成的死亡人數。
圖7：城市層級化程度與中風死亡率、平均距離醫院、以及交通事故死亡率的關係
可以從圖看出看出，城市層級化程度 Φ 值越高的城市，在這三個指標上表現越好，即城市居民就醫越方便，城市中出現交通事故的概率越低。並且層級化程度越高的城市，送醫也更方便。
如果將通勤分為短途（日常上下班）和長途兩類，還可以看出城市的層級化程度對兩類通勤的距離影響是不同的。
圖8：短途（左）和長途（右）的通勤距離與城市層級化程度的關係
如圖所示，城市層級化程度高的情況下，短途交通的距離平均更短，長途交通的平均距離則更長。對城市的居民而言，也是能提升其幸福感的，前者讓你在上下班的路上少浪費些時間，後者讓你有機會探索更遙遠的未知。比如居住在紐約（NY），上下班通勤的平均距離比亞特蘭大（ATL）更短，而市區周邊內的遠途旅行，可去的地方又比亞特蘭大多。
5. 總結
越是大城市，生活節奏越快，城市是臺不斷加速的跑步機，這是沒有人能改變的冪律法則。而每個人都希望生活在一個空氣汙染較小的城市，希望我們居住地附近就有醫院，而城市的建設者也希望提升城市的公共交通利用率。所以，城市更加密集，特別是更加層級化，是未來的趨勢。
無論新城建設，或是老城改造，都可以考慮不同規劃帶來的層級化組織程度的不同，結合主體建模等手段，讓熱點區域和熱點區域相鄰，而不是採取默認的星型拓撲（hub-to-spoke）結構，來提高城市的層級化程度，讓城市更加宜居。
作者：郭瑞東
來源：集智俱樂部
注：本公眾號轉載文章僅用於分享，不用於任何商業用途。如涉及版權問題，敬請後臺聯絡授權或議定合作，我們會按照版權法規定第一時間為您妥善處理。
————————————
微信編輯：陳嫡
