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城市公共服务设施空间布局优化模型研究1井琳,张阳,杨卓,杨烁,于涛方摘要:城市和区城公共服务设施具有提供免费服务、追求效率与公平的最大化等基本特征。自二战以来,城市公共服务设施的供给方式从政府单中心供给演变为公私合作伙伴共同供给,其分配方式也从原本的关注效率演变为关注公平。与此同时,公共服务设施分配模型也古典主义福利经济模型发展为区位-配置模型(Location-Al location Model)。随着数据时代的到来,人数据的完备和GIS工具的进步为区位-配置模型的发展提供了可能。在缓冲区模型、配给模型和土地适宜性模型的基础上,区位-配置模型发展出了P中值模型和覆盖模型等两类。其中,P一中值模型衍生出了网络型区位-配置模型、连续型区位-配置模型等两类。通过算法中变量的控制,中值模型还能分为单因子模型和多因子模型。本文解释了不同阶段区位配置模型的基本理论,并通过美国公共图书馆的分布研究、香港公共空间的分配研究和沈阳市公园选址的研究等三个案例演示了区位-配置模型不同的发展阶段的实际应用。健:赞替骆察彩网十八大以后,中国城市规划面临深刻变革。在市场经济在资源配置中根本性作用发挥的趋势下,城市规划未来的重点会跟进一步趋向于解决因市场失灵而导致的外部性问题以及公共品提供等。其中,传统上,城市规划领域对于城市公共服务设施(Urban Public Facilities)的规划布局主要是基于“千人指标”等方法,在当前市场经济和不确定性、场地独特性的背景下,这一方法越来越受到质疑,在实际的设施布局优化过程中,需要更进一步的科学化和精细化(于涛方,2016)。为此,本文以城市(或城市与区域)公共服务设施的优化布局中的模型(尤其是区位-配置模型)等进行国内外的综述,以期对中国的城市规划公共品提供议题进行相应的启发和推进。1本文受“清华大学自主科研计划课题‘基于要素流动视角的特大城市地区多中心结构现状与趋势模拟:以京津冀地区为例’”(课题编号:2014Z09104)资助。理甄Z.ZC.ET
1.城市公共服务设施理论概述公共服务设施类似于福利经济学中的公共产品,免费提供服务、实现效率与公平的最大化是其区别于私人服务设施或私人产品的根本特征。一般来说,城市公共服务设施分为“友好”型设施和“不受欢迎”型设施两类。“友好”型设施如商场、邮局、学校、医院等:“不受欢迎”型设施如垃圾堆放点、煤气站点、传染病医院、火葬厂等(方远平,闫小培,2008)。本文主要讨论的是“友好”型公共服务设施的布局问题。随着社会经济的发展,城市中的企业和家庭居民对于公共服务设施的需求越来越大,公共服务设施供给的主体、方式等方面的发展经历了如下几个阶段:1.1第二次世界大战后一20世纪70年代:政府供给,注重效率第二次世界大战后,受社会经济环境影响,西方国家普遍立福利国家制度,实现全民福利化,认为政府作为社会公共服务唯一提供者,能够保障居民享受较好的物质生活设施,因此公共服务由政府单中心供给从一开始就得到广泛支持。1954年,萨缪尔森(Samuelson)基于市场失灵理论进一步论证了公共服务由政府供给的必要性。他认为由于公共服务具有区别于私人物品的非排他程和非竞争性,市场机制在公共服务供给领域几乎全部失灵,而政府供给则可以达到社会资源配置的“帕累托最优”。但事实上,由于政府的自利性,其高度垄断的供给行为会破坏稀缺资源趋于最优配置的过程,增加交易成本,产生政府失灵现象。与供给理论相对应的,这一时期,对公共服务设施区位与效率的研究也正在展开。1963年,库帕(Cooper)将韦伯工业区位论扩展应用到多个设施的区位求解模型中,把这类模型叫做区位-配置模型(Location-Allocation Model),为设施布局提供解决方案,以使服务或商品能够以最效的方式、更容易的被人们所接近。I968年,麦克尔·忒兹(Michael Teitz)发表了《走向城市公共设施区位理论》一文,提出了公共设施区位理论,考虑在效率与公平的前提下如何最优布局城市公共设施的问题。他指出,公共设施区位决策从根本上区别于个人设施区位决策,并将新古典福利经济学中的公共设施区位分布的平衡模型假设,纳入一个标准化和数量化的简单理论框架中,看到了将政治变量纳入区位理论中的潜在价值,开创了地理学中区位研究的一个新领域(高军波,2009)。理闐素衬网Z..ET
1.220世纪70-90年代:联合供给,关注公平20世纪70年代,在战后最严重的经济危机的压力下,西方国家新自由主义思潮兴起,其核心就是提倡自由价值观,反对国家干预,恢复自由经济传统,在公共服务供给领域提倡引入市场机制和与第三部门合作,理论基础是新公共管理理论和政府与第三部门联合供给理论。值得一提的是,城市公共服务供给公私合作伙伴关系(PPP)是新公共管理理论的重要实现方式,即要在政府和私营部门之间立长期合作伙伴关系,政府依据私营部门的服务供给质量支付费用,同时以“合同约束机制”督促私营部门按照规定标准进行公共物品生产。这一段时期,随着西方国家社会福利制度从福利国家向福利社会的过渡,公共服务设施供给导向也实现从效率导向向导向的转型。市场机制的引入能够保证公共服务设施配置效率,但不能保证公共服务设施分布和使用的公平,因此,对福利社会制度下公共服务设施供给公平的关注是研究重点(高军波,2009)。1.320世纪90年代以来:“第三条道路”,关注社会分化进入90年代以随荐信息科技的飞速发展及经济全球化快速推进,社会贫富差距越共主L子个小内.U.N来越明显。凯恩斯学派经济政策和新自由主义都饱受批评,由此引发了西方福利国家的合法性危机。在此背景之下,在福利制度上折中新自由主义和福利国家的思想与政策,“第三条道路”福利制度兴起。“第三条道路”主张公共服务供给投资主体的多元化,使政府、市场、社会和个人都参与对福利资金的投入,扩展社会保障对象以避免社会分化。近些年来,学者逐渐认识到公共服务设施布局对社会分化的影响并将研究重点转向于此。显而易见,公共服务设施具强烈正外部效应,“高质量城市生活就是意味着居民与工作岗位、教育、医疗、基本公共社会服务、自然且丰富的休闲娱乐设施具有较好可达性”。因此,公园、图书馆、文化体育及公共健康等“固定地点”的设施会产生圆锥形外部效应,其空间分布在任何时候都会影响城市居民的贫富分布。历史、空间和区位因素的“持续累计”,使公共服务设施往往对高收入群体更有利,这个过程类似“用脚投票”,高收入者通过区位选择来获得更好的公共服务设施。所以,在通常情况下,那些最富有、最有权利的人占据最有利的位置以获得公共服务设施的正外部性最大化(高军波,2009)。综上所述,虽然学界对于公共服务设施区位理论研究的重点经历了从效率到公平、再到社会分化的变化,但可达性研究却一直是研究中的一项基本内容。保证公共服务设施的可理甄Z.ZC.ET
达性是提高公共服务设施利用效率和社会公共资源分配公平的必要条件。从目前来看,公共服务设施可达性研究方法主要是通过问卷获取居民的社会经济特征数据,结合公共服务设施空间布局,通过区位-配置模型及GS空间分析技术,剖析各类公共服务设施布局的空间可达性及社会经济结构等深层次原因。2.城市公共服务设施布局的区位-配置模型2.1公共服务设施布局的定量模型方法概述随着城市信息化进程的推进,GS在城市公共服务设施布局方法研究中扮演着越来越重要的角色。笔者认为,目前基于GS的城市公共服务设施布局研究方法主要包括缓冲区模型(Buffer Zone)方法、配给模型(Allocation)方法、土地适宜性分析(Land Suitability Analysis)方法及区位-配置模型方法几类。:+a)Buffer Zonesb)Allocation (Grow Arrows)c)Land Suitabllity Analysisd)Combination of a and c图1三种基于GS的公共设施布局研究方法图片来源:Gar-On Yeh and Man Hong Chow,l9962.1.1缓冲区模型(Buffer Zone)缓冲区模型法根据每一处公共服务设施的服务能力在其周围辐射出一个圆形的缓冲区(Buffer Zone),以此可以找到服务范围的盲区(图1中a所示)。该方法缺点是没有考虑人分布的不均匀性以及土地的适用性。由Francis P.Donnelly所做的美国公共图书馆的分布及服务范围分析研究(Francis,2014)理甄Z.ZC.ET
提供了一套较为完整的缓冲区模型的应用实例,值得参考。研究使用了GS方法,将地图与空间数据叠加,判定出图书馆的地理服务范围(Geographic Service Area,简称GSA),并在全国层面上比较各州公共图书馆的GSA覆盖差异。研究中的方法论部分与缓冲区模型进行了结合,大致可分为以下六步:1)数据收集处理:收集图书馆分布数据,美国人统计单位街区区划及其人数据,各州县相关社会经济发展数据:2)GS标绘:标注图书馆位置(图2中黑色三角),划分街区作为最小的空间统计单元(图2中黑线所示区划),利用重力模型确定个各街区人分布质心(图中白色圆点):3)缓冲区服务范围判定:确定不同图书馆合理的缓冲区半径(图2虚线圆),根据评定标准判定街区是否位于GSA之内(如图2所示,位于GSA之内则标绘为深灰色,否则为浅灰),根据其携带的人数据判定GSA覆盖人:Library CLibrary BPublic LibraryLibrary ALibrary Buffer3Tract Pop CentroidCensus Tracts?Inside GSA?Outside GSA图2美国公共图书馆的分布及服务范围分析研究图片米源:Francis,2014在实际操作中,有以下几点值得注意:)对于判定时的最小空间单元,使用美国人普查中的最小单位街区,并直接使用其携带的人数据:b)对于街区的人,按密度以重力分布模型确定其人分布质心:c)对于不同级别的图书馆给定不同的缓冲区半径,主要基于需求人群、服务能力以及人愿意前往使用的意愿(普通市级图书馆一一半径1英里:郊区、卫星城及周边乡村图书馆一2英里:乡镇及农村一一3英里:区域中心级图书馆一一3英里)。理甄Z.ZC.ET
d)对于该街区是否属于图书馆服务范围的判定,满足以下两个判定原则的,即判定街区属于GSA:街区人质心位于图书馆的缓冲区之中,如图示Library A:在街区人分布均匀,即质心接近其几何中心时,该街区内存在图书馆,如图示Library B4)格局分析:以全国、州或社会-经济群体为单位,研究GS时空分布格局:5)相关性计算:利用线性回归分析可分析各州的图书馆数量、GSA覆盖面积、覆盖人比例与其社会经济发展数据之间的相关性:利用空间回归分析可计算全国图书馆GSA密度的空间自相关性,挑选出异常分布值,找出服务范围分布的异常区。2.1.2配给模型(Allocation)人配置法的基本原理是:己知一个确定的人网络和一组公共设施,在进行规划分析时,人朝着与其距离最近的公共设施聚拢(图1中b所示)。这种分析方法与缓冲区法的原理类似,都是秉持着“最近距离”的原则来分析人与公共设施的相互关系,但是这种方法一度囿于GIS数据库中人网络数据的缺失而难以实现(Gar-On Yeh and Man Hong Chow,1996)。2.1.3土地适宜性分析(Land Suitability Analysis)土地适宜性分析指在选定标准之下,评价地作为公共设施的适宜程度,并依据结果挑共主子杀个内∠.0OU.N二1选出适宜的设用地(图1中c所示)。实际操作中,一般先用土地适宜性分析法找到适宜设用地,然后再与缓冲区模型法和配机模型法的分析结果比对综合(图1中d所示),以挑选出满足多方条件的用地(Gar-OnYhand Man Hong Chow,1996).2.2区位-配置模型及分类简单来说,区位-配置模型就是通过最优化距离、极限值、平均值、容量等变量来找到公共服务设施的最优选址的模型。从基本原理上来说,区位配置模型可以分为p中值模型和覆盖模型两类。p-中值模型即为在一个给定数量和位置的需求集合和一个候选设施位置的集合下,分别为p个设施找到合适的位置并指派每个需求点到一个特定的设施,使各个供给点和配对的需求点之间的总通勤成本最低。P中值模型又可分为从预先给定的点中选择产生公共服务设施布局位置的网络型区位-配置模型和公共服务设施布局点可以在二维平面内连续变动直至达到最优的连续型区位-配置模型两种(周媛等,2011)。覆盖模型指在保证每一个需求点都能够位于一定时间/距离范围以内的服务圈中的前提理筑Z.ZC.EI
1,需求点在i,由供给点j来提供服务0,其他情况p中值模型的主要求解方式为贪婪取走启发式算法,这种算法的基本步骤如下(关怀庆等,2010):1)令当前选中供给点数k=m,即将所有m个候选位置都选中。2)将每个需求点指派给k个供给点中举例最近的一个供给点。求出总运输费用Z。3)若k=p,输出k个供给点及各需求点的指派结果,停止:否则,转第4步。4)从k个供给候选点中确定一个取走点,满足:假如将它取走并将它的需求点指派给其他的最近供给点后总费用增加量最小。5)从候选点集合中删去取走点,令k=k-1,回到第二步。6)直到k=p,终止迭代,输出结果。2.3.2连续型区位-配置模型连续型区位-配置模型中的一个重要假设是供给点等质且数量恒定,其在空间中连续变动找到公共服务设施最佳位置的过程同样可以用精确的数学模型表达出来(Rushton,.1979:Zhou X-P,20o5Ye4等20o6,周最筹,2011):J.NE1)随机选择若干个供给点作为各服务设施点的起始位置2)将所有需求点分成若干组,使每个需求点j都被分配给与其距离最近的服务设施点ⅰ,然后计算判定值f(可理解为供给成本,求解目标是使f最小)f=∑∑a×d,其中,1为服务设施的位置(1~m):j为需求点的位置(1~n):a为服务设施i和需求点j的分配决策变量,当需求点被分配给服务设施时,a=1,否则a=0;(即在组内为1,不在则为0):w为每个需求点的权重:d为需求点j与服务设施i之间的欧氏距离:dg=√(x,-x)+(y-y)3)对每一组需求点,按照单设施区位问题的解决办法,计算新的公共服务设施最优区位:理闐素村阀.ET
东、香港岛南。研究者从香港人普查与统计局得到1991年六大地区人数:从香港城市规划部门得到现存和已经规划好的公共开散空间面积:通过《香港规划标准与准则》“每十万人设置9公顷公共开敞空间”的标准计算出六个地区所需的开敞空间。将所需开敞空间和现存开敞空间对比,发现六大地区公共开敞空间均不足。在运用区位-分配模型分析香港公共空间的过程时,研究者将每个街区的质心坐标看作需求点,街区人数量被当做权重w,(但是工业街区和商业街区的权重被视为O,以防最后算得的公共空间坐落于此)。在整个研究范围内设置公共开散空间的成本被视为一致,因此地价因素不成为该研究的影响因子。每一个公共空间都被视作具有相同的吸引力,并且相互之间不存在竞争关系。由算法算得的最终最优位置(Optimal Location)是一个点集,但是在城市规划中,这些点又能分布在道路、海洋、坡地等无法造的场地之上,因此确定最优位置之后,还需要在这些点周围画上缓冲区,缓冲区的半径设置为人的最小步行易达距离0.4km,最后处在缓冲区内的地段就是结果范围(Solution Space)。通过比较结果范围与现存公共空间的分布,研究者发现,除了九龙东地区,其余所有地区的现存公共空间无论是按数量比还是按面积比都大部分处在结果范围之休,萁中香港岛典关生为之:0Z西虽然公共空间缺失量最少,但是处在结果范围里的现存公共空间的数量比和面积比也都是最少的。这一结果显示出仅仅按照规划指标而产生的城市规划的弱点。不同地区的居民虽然按照指标都分配到了足量的公共空间,但是这些公共空间却难以到达,并且不同地区公共空间的平均分配难以得到保证。2.3.2.2.复合权重模型一一沈阳市公园选址问题研究复合权重模型区别于单因子权重模型的地方在于对式中权重w,的含义进行了丰富,在必要的人数量(或密度)之外,挑选出影响公共设施服务布局的其他因子,对之采取统一的评级并依据不同种类因子影响程度的强弱进行了二次的加权,以得到需求点新的权重w,,有效地提高了模型对不同类型公共设施的针对性,避免了单因子情形下分析结果的趋同。在周媛等人所做的基于GS与多目标区位配置模型的沈阳市公园选址研究(周媛等,2011)中,就较好地体现了这一点,其研究步骤大致可分为:1)结合现状,确定总量:根据现有公园面积及规划人估算,确定合理公园总量为38个,作为需求点:其次将分析区域以街道为单位划分为159个街区单元,结合人普查理筑Z..ET
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