基于古典區(qū)位論的微區(qū)位設(shè)施布局研究

基于古典區(qū)位論的微區(qū)位設(shè)施布局研究

2004年10月，經(jīng)濟(jì)地理專業(yè)委員會在上海舉辦了一次“城市地理與微區(qū)位”的專題講座。與會者還關(guān)注區(qū)域理論以及城市區(qū)域中的應(yīng)用問題。微區(qū)位問題的提出無疑是對我國地理學(xué)界多年來在區(qū)位研究中偏重于宏觀探討,比較忽視區(qū)位論在局地范圍內(nèi)的應(yīng)用性研究之現(xiàn)狀的一種反思。從國外的研究來看,關(guān)于區(qū)位論的應(yīng)用性實證研究比較普遍,討論城市內(nèi)部各種區(qū)位的研究案例頗為豐富,為適應(yīng)福利化社會的飛速發(fā)展,就設(shè)施布局區(qū)位問題進(jìn)行的探討近年來也很盛行。為此,筆者在綜合編譯國外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,向關(guān)心微區(qū)位問題研究的同行介紹設(shè)施分配·區(qū)位模型及其應(yīng)用問題,以期推動微區(qū)位研究的進(jìn)一步深入。1多個設(shè)施同時考慮服務(wù)圈、設(shè)施的區(qū)位選擇我們在日常生活中經(jīng)常遇到以下問題:①孩子要上幼兒園了,但A女士的住家附近沒有幼兒園,只好送到距家較遠(yuǎn)的幼兒園去,每天在上下班途中接送孩子,對A女士來講選擇什么位置的幼兒園才最便利呢?②由于就學(xué)孩子數(shù)量連年來不斷減少,某城區(qū)內(nèi)原有的多所中小學(xué)校相繼撤消與合并,區(qū)政府計劃利用學(xué)校舊址新建集文化娛樂醫(yī)療保健等福利功能于一體的市民會館設(shè)施,選擇哪一處學(xué)校舊址更合適呢?③愛好圍棋的B先生,對居住所在地與毗鄰地區(qū)的合并心情很矛盾,相鄰兩個行政區(qū)的界線取消后,去區(qū)政府辦什么事比以往近便了,但附近的市民會館也因此而調(diào)整到了別處等等。④為圖清凈而搬到郊外居住的C君,居所附近新開業(yè)了一家營業(yè)至深夜的大型廉價超市,來訪的朋友都說他家的生活因此方便了許多,但他本人卻為汽車的噪音和垃圾問題而感到煩惱。人們的日常生活同各種各樣的設(shè)施布局的聯(lián)系十分緊密。當(dāng)今社會,一方面伴隨對老年家庭的服務(wù)或老人的家庭護(hù)理日益社會化、相關(guān)醫(yī)療政策的非設(shè)施利用趨勢等,使不依靠設(shè)施提供服務(wù)的福利政策正在廣泛地推進(jìn);另一方面,我們對諸如幼兒園、養(yǎng)老院、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等這些通用性很強(qiáng)的設(shè)施的依賴性也在日益強(qiáng)化。為了獲得或提供這些服務(wù)與保障,我們常常需要在各類公共福利設(shè)施之間奔走,或者被派遣到設(shè)施服務(wù)區(qū)內(nèi)為需要的人提供服務(wù)。此時,應(yīng)當(dāng)配置何種設(shè)施?這些設(shè)施怎樣才能被有效利用?這些設(shè)施在何處布建為宜?設(shè)施的管轄(服務(wù))范圍如何界定?類似的問題就會擺在我們的面前。首先劃定要建設(shè)施的服務(wù)圈范圍,然后根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)來評估和選擇要建設(shè)施的布局地點(diǎn),如前述例②所說的從作為備選地的幾所中小學(xué)校舊址中,來選擇要建的市民會館地點(diǎn)。這一類問題就是公共設(shè)施的區(qū)位問題。例如,有10個備選地,考慮選擇1個作為設(shè)施的建設(shè)場地(圖1)。備選地都是居住區(qū)或居民點(diǎn),假設(shè)各居住區(qū)內(nèi)居注:圖1中圓圈表示備選地點(diǎn)(數(shù)字為編號),—3—道路網(wǎng)(數(shù)字為單位長度)。住的居民人數(shù)大致相等,且居民都是以最短的距離利用最近鄰的公共設(shè)施。因為要使所有居民點(diǎn)的居民到公共設(shè)施的距離盡量地短,我們把從各居民點(diǎn)到該設(shè)施的總移動距離的最小化作為選擇設(shè)施區(qū)位的評價標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)想把設(shè)施建在從1到10的各居民點(diǎn)的情況,可以求得各點(diǎn)的總移動距離。從表1可以看出,所有居民點(diǎn)總移動距離最小值的地點(diǎn)是7,該設(shè)施建在居民點(diǎn)7,可以達(dá)到我們的目標(biāo)。對于只包含1種設(shè)施的區(qū)位選擇是比較單純的,同時有好幾種設(shè)施的布局選址問題就復(fù)雜得多。例如兩個設(shè)施同時選址,選擇地點(diǎn)3和7,與選擇地點(diǎn)3和5,距各居民點(diǎn)最近的設(shè)施會不同。雖然前者同后者都有一個設(shè)施地點(diǎn)同是3,但服務(wù)圈發(fā)生了變化,到各個設(shè)施的總移動距離也就不一樣了。因此,多個設(shè)施同時選擇區(qū)位時,要對各種各樣設(shè)施的區(qū)位進(jìn)行組合,劃定各自的服務(wù)圈范圍,考慮把綜合最優(yōu)作為衡量指標(biāo)。例如,在10個后備地點(diǎn)中選擇3個設(shè)施的區(qū)位,全部組合方案就是3與10的組合,即120種。如果區(qū)位候選地點(diǎn)和要建設(shè)施的數(shù)目更多,出現(xiàn)的組合方案數(shù)量就會幾何級數(shù)般地增加,要從中選擇最佳方案就必須借助于計算機(jī)來進(jìn)行。從許多種可能組合中選擇最佳組合,這是最優(yōu)組合問題,也就是以若干制約條件和目標(biāo)函數(shù)所構(gòu)成的數(shù)理規(guī)劃問題。上述的實例就是把總移動量的最小化作為目標(biāo)函數(shù),把設(shè)施數(shù)目、居民利用設(shè)施的行為等看作制約條件的一種特例。對于數(shù)理規(guī)劃的求解,線性規(guī)劃問題可以用單振法、內(nèi)插法等,非線性規(guī)劃問題可以用牛頓法,以及近年應(yīng)用在遺傳方面的algorithm法等,這些都是有效的解析方法。用若干評價指標(biāo)作為最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),設(shè)置關(guān)于設(shè)施數(shù)目、服務(wù)圈等制約條件,相互聯(lián)系地確定出多個公共設(shè)施的區(qū)位地點(diǎn)和其服務(wù)范圍。概括地說,公共設(shè)施區(qū)位模型就是這樣一個數(shù)學(xué)規(guī)劃問題。2設(shè)施區(qū)位最優(yōu)解的確定構(gòu)建設(shè)施區(qū)位模型,首先必須確定判斷設(shè)施區(qū)位點(diǎn)是否合適的評價標(biāo)準(zhǔn)。表2列舉的是設(shè)施評價中的各種指標(biāo),及其對應(yīng)的設(shè)施特點(diǎn),大體可分為:注重公平的指標(biāo),如最大利用距離、地區(qū)水平差異等;注重效率的指標(biāo),如平均利用距離、設(shè)施數(shù)目等;以及其它的評價指標(biāo)。典型的區(qū)位模型一般可分為3種情況:讓利用設(shè)施的居民總的移動量最小化,屬于“重心指向區(qū)位”模型,如表2中的平均利用距離等;讓離設(shè)施最遠(yuǎn)的居民的移動距離最小化,屬于“中心指向區(qū)位”模型,如表2中的最大利用距離等;服務(wù)距離一定范圍內(nèi)為盡可能多的居民提供服務(wù),屬于“覆蓋區(qū)位”模型,如表2中的服務(wù)圈人口數(shù)等。在圖1的例子中可以看到,當(dāng)布局1個設(shè)施時,如果是尋求解決“重心區(qū)位”,最優(yōu)解是地點(diǎn)7;如果是尋求“中心區(qū)位”,最優(yōu)解可能是地點(diǎn)3、地點(diǎn)4或地點(diǎn)7中的一個;如果是尋求以3個單位距離為一定范圍的“覆蓋指向區(qū)位”,最優(yōu)解是地點(diǎn)7。另外,設(shè)施的布局建設(shè)目標(biāo)并非僅限于滿足居民愿望方面,正如在本文開頭所舉事例④中,廉價超市的開設(shè)雖然讓住在郊外的居民感覺到生活方便,但同時也使他們的居住環(huán)境受到影響。類似于公共設(shè)施中的垃圾處理場等一類問題,是一個“外部性正效應(yīng)”和“外部性負(fù)效應(yīng)”同時并存的綜合范例。讓距設(shè)施一定距離范圍內(nèi)的居住人口最小化、其外側(cè)一定距離范圍內(nèi)的居住人口最大化這類“覆蓋指向”的設(shè)施區(qū)位也可以通過構(gòu)建模型來選擇。另外,像事例②那樣的圖書館、醫(yī)療保健、文化娛樂等多功能福利設(shè)施的區(qū)位選擇的問題,需要同時考慮單功能設(shè)施與多功能設(shè)施的區(qū)位,這可以看作是等級性設(shè)施的區(qū)位問題。例如,使所有居民移動距離盡可能小的圖書館,和一定時間內(nèi)可以到達(dá)的居民盡可能多的醫(yī)療設(shè)施等等,其功能不同,選擇區(qū)位的評價標(biāo)準(zhǔn)也不相同?？梢酝ㄟ^設(shè)定多指標(biāo)的評價體系,并且把設(shè)施的等級性作為制約條件組合進(jìn)去,來構(gòu)建區(qū)位選擇模型。構(gòu)建設(shè)施區(qū)位模型,其次還應(yīng)該注意關(guān)于設(shè)施服務(wù)圈的劃分。如前述事例③,由于行政界線的限制,給設(shè)施服務(wù)圈的劃定帶來了一定的障礙,使居民利用設(shè)施的行為空間和設(shè)施的便捷性空間都產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。為了降低成本而減少區(qū)域設(shè)施數(shù)目的設(shè)施地調(diào)整給一部分居民帶來了不便,把這些不便同因地區(qū)合并取消行政界線所帶來的好處相比較,如果將其視作一種“交易”行為,那這種調(diào)整就是一個在互動權(quán)衡基礎(chǔ)上的進(jìn)行的規(guī)劃過程。當(dāng)服務(wù)范圍和設(shè)施數(shù)目等條件發(fā)生一定變化時,它們對居民利用的便捷性以及利用行為會產(chǎn)生何種程度的影響,可以用“感度分析”的方法來進(jìn)行評估。所謂感度分析,就是在數(shù)據(jù)和制約條件等確定值發(fā)生微小變化而影響到求出的最優(yōu)解時,分析目標(biāo)函數(shù)會隨之如何變動的方法。依據(jù)感度分析也可以對求出的設(shè)施區(qū)位最優(yōu)解的穩(wěn)定性及替代方案等進(jìn)行比較。再者,就事例①來說,居民利用公共設(shè)施的行為可能不僅僅是在住所與設(shè)施之間的簡單移動,現(xiàn)實中的情況要復(fù)雜得多。在事例①所列舉的情況中,既要考慮從住地到幼兒園,又要考慮從幼兒園到工作單位的移動。在這種多目標(biāo)的設(shè)定中,幼兒園的區(qū)位就受到工作單位上下班時點(diǎn)、上下班的路途所需時間、幼兒園開閉園時限這三個方面的限制。這類加入了時間約束的區(qū)位模型更接近居民利用設(shè)施行為的實際。3設(shè)施區(qū)位評價的依據(jù)解決公共設(shè)施最優(yōu)區(qū)位的模型研究,最初出現(xiàn)在L.Cooper的論文中,他把韋伯工業(yè)區(qū)位論擴(kuò)展應(yīng)用到多個設(shè)施的區(qū)位求解模型中,把這類模型叫做分配·區(qū)位模型。使原燃料和產(chǎn)品的運(yùn)費(fèi)最小化的工廠區(qū)位問題,相當(dāng)于把原燃料及產(chǎn)品重量看作是利用設(shè)施居民數(shù)的“重心指向區(qū)位”,在近年的研究中,有關(guān)工廠的生產(chǎn)量中又加入了承載容量的限制條件,使模型更加精細(xì)化。另外,在商業(yè)區(qū)位中也有這樣的情況,如直線式拓展的Hotelling競爭區(qū)位問題,就是把需要的最大化作為目標(biāo)函數(shù),去解析由圖1那樣的點(diǎn)和線所構(gòu)成的二維的網(wǎng)絡(luò)空間。分配·區(qū)位模型與區(qū)位論之間最顯著的聯(lián)系是它與中心地理論的關(guān)系。如前所述,考慮多功能多層次設(shè)施的布局模型,最早見諸于G.P.Schultz的研究,他把克氏中心地理論中有關(guān)“等級性”的概念應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)施區(qū)位的研究上,建立了更為實用的區(qū)位模型?？耸现行牡乩碚撝械摹暗燃壭浴笔腔谏弦患壷行牡赝耆采w下一級中心地功能和服務(wù)這一假設(shè),但現(xiàn)實生活中,如綜合性大醫(yī)院、僅有內(nèi)科和外科的一般醫(yī)院、?？漆t(yī)院等等,各等級之間不完全存在功能的覆蓋關(guān)系,這時需要調(diào)整或修訂原來的假設(shè),才能構(gòu)建符合實際的設(shè)施區(qū)位模型。再有,克氏中心地理論中商品銷售范圍的概念,同預(yù)先設(shè)定公共設(shè)施的服務(wù)范圍的“覆蓋指向區(qū)位”是一致的,因而我們可以依據(jù)當(dāng)今各類設(shè)施區(qū)位模型的不同特征,對中心地理論作出新的詮釋與評價。中心地理論中的中心地與市場覆蓋面的關(guān)系相當(dāng)于公共設(shè)施和生活服務(wù)圈的關(guān)系,整個生活服務(wù)圈的構(gòu)筑過程實際上是社會福利政策的宏觀實現(xiàn)過程,社會的福利政策往往是借助于區(qū)域規(guī)劃去實施的,如果中心地理論可以用來考慮社會福利的空間配置問題,則中心地理論理應(yīng)是一個跨時代的實用理論。E.Belsky和G.J.Karaska在配置各種各樣城市功能的區(qū)域規(guī)劃里,不是基于供給觀點(diǎn)去探討功能的集聚,而是從需求的角度去確立功能配置的等級與分布。顯然,在這一點(diǎn)上中心地理論同分配·區(qū)位模型是相互吻合的。多數(shù)古典區(qū)位論都可以視為探討有關(guān)農(nóng)業(yè)土地利用、工廠的選址、城市布局等單目標(biāo)最優(yōu)化的理論。如,農(nóng)業(yè)區(qū)位論探討地價的最大化,工業(yè)區(qū)位論探討運(yùn)費(fèi)的最小化,中心地理論探討覆蓋問題或中心地數(shù)目最少化等,如此種種都可以歸結(jié)為角度不同的數(shù)理規(guī)劃問題(表3)。除農(nóng)業(yè)區(qū)位論外,探索最佳選址的區(qū)位論在分配·區(qū)位模型中可以公式化,也可以建立應(yīng)用操作模型,并通過它對以往的區(qū)位論進(jìn)行驗證?？紤]到現(xiàn)實空間各種因素的復(fù)雜性,原有理論的假設(shè)條件需要調(diào)整、修改或重置,這樣建立起來的模型才更接近實際,具備較為廣泛的適用性。作為福利政策的一環(huán),或者是作為使政策具體實施的途徑而倍受關(guān)注的設(shè)施區(qū)位問題,其理論依據(jù)是區(qū)位論原理。在以往區(qū)位論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的設(shè)施區(qū)位理論,順應(yīng)了社會發(fā)展中各種公共設(shè)施布局區(qū)位選擇的現(xiàn)實需要,分配·區(qū)位模型是其中最有效的工具之一,它為實現(xiàn)政策的運(yùn)作提供了一個有力的決策支持系統(tǒng),其所具有的在政策層面上的應(yīng)用潛力和價值由此可見一斑。在分配·區(qū)位模型的實際應(yīng)用中,對應(yīng)于設(shè)施的種類而采用相應(yīng)的區(qū)位評價標(biāo)準(zhǔn);劃分設(shè)施的等級與設(shè)定它服務(wù)范圍;如何把握居民的設(shè)施利用行為特征等方面的問題都應(yīng)該受到特別地重視,進(jìn)行專門的研究。雖然是以既有區(qū)位論作基礎(chǔ),但在進(jìn)行具體的設(shè)施選址時,對那些附加的或擴(kuò)展的目標(biāo)函數(shù)及其制約條件關(guān)系式需要仔細(xì)地斟酌。如在以克氏中心地理論為前提的制約關(guān)系式中(表3),服務(wù)圈是依據(jù)居民利用最近鄰中心地的假設(shè)來劃定的,而不考慮行政界線的限制,可以看作是放寬假設(shè)條件。又如,可利用的設(shè)施跨越了行政界線,并存在利用多個設(shè)施的可能,考慮把多個設(shè)施重復(fù)的服務(wù)范圍放入目標(biāo)函數(shù),可以建立起附加目標(biāo)后的區(qū)位模型,等等。對于設(shè)施區(qū)位的應(yīng)用性實證研究,在以下三個方面亟待加強(qiáng):①設(shè)施區(qū)位多樣性評價的多目標(biāo)規(guī)劃法?，F(xiàn)實中,只有1個評價指標(biāo)的設(shè)施區(qū)位問題幾乎是不存在的,一般都必須同時考慮“覆蓋問題”與服務(wù)圈重復(fù)的情況,需要把多個評價指標(biāo)同時放進(jìn)目標(biāo)函數(shù)中去建立模型。同理,所有指標(biāo)都最優(yōu)化的完全最優(yōu)化解是不存在的,當(dāng)一個指標(biāo)實現(xiàn)最優(yōu)化時,必然伴隨其它指標(biāo)一般化的情況出現(xiàn)。因此,只能是在各指標(biāo)之間尋求平衡,從復(fù)數(shù)的妥協(xié)解(又稱Paretian最優(yōu)解)中來選擇確定一個值。可見,多目標(biāo)規(guī)劃方法就是對應(yīng)于多樣性評價指標(biāo)的現(xiàn)實的模型構(gòu)建方法。②利用GIS的空間分析功能及其由它輔助的區(qū)位模型。在現(xiàn)實的設(shè)施布局問題中,由于路網(wǎng)狀況和交通手段而造成的