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导语


“复杂系统视角下的城市科学”读书会的第五次分享，我们邀请到了张江老师和董磊老师。张江老师将以“’新万物理论’是可能的吗？”为题，结合《规模法则：探索从细胞到城市的普适规律》新书发布，为我们介绍复杂系统的“规模法则”，分析复杂系统的各种宏观变量随系统规模变化的基本规律。同时，董磊老师将介绍城市科学标度律研究的前沿模型和实证研究。本次活动分为主题分享和新书签售两个环节，会同步在线下+线上进行，线下参与的朋友有机会参与张江老师的签售会，数量有限，先到先得！

集智俱乐部的“城市科学”读书会由北京大学助理教授董磊联合明尼苏达大学助理教授朱递、中南大学地球科学与信息物理学院教授李海峰、北京航空航天大学计算机学院博士寄家豪共同发起，通过对“城市作为复杂系统”的理论、研究方法及应用的分享、讨论和梳理，促进相关领域学者的交流，推动交叉学科间的合作，促进城市科学的发展和研究。本系列读书会线上进行，2023年7月1日开始，每周六晚 20:00-22:00，持续时间预计10周。欢迎对城市科学这一前沿领域有兴趣的朋友报名参与！


   



活动简介




在科幻小说《基地》中，作者艾萨克·阿西莫夫构想了一门特殊的学问——“心理史学”（psychohistory），它可以对大规模（数十亿）的人类群体做出异常精准的定量化预测。小说中心理史学的奠基人哈里·谢顿将这门学问应用到了包含 2000 万颗星 球的银河帝国长达 3 万年的历史中，并精准预测出每一次社会革命爆发的时间甚至人 类做出的选择。可以说，心理史学是所有心理学、社会学、经济学学者的终极梦想。然而，这样的理论可能存在吗？


坏消息是，人类迄今为止尚没有发现这样的理论，否则，我们不会感叹这是一个VUCA的世界了；然而，好消息是，我们的确找到了一些蛛丝马迹，这就是——规模法则。问题的核心就在于那个关键的变量——规模，当我们忽略大量的细节，而从规模这一显著的变量透视包括细胞、组织、社区、企业、城市等复杂系统的时候，普适的规律性赫然就在眼前。


规模法则不仅仅是几个简单的数学公式，它更是我们构建解释性模型，进一步透视复杂系统生长、死亡、新陈代谢等关键问题的重要桥梁。


规模法则的成功还会引领我们思考属于复杂系统的“新万物理论”的可能性。与粒子物理学家们追逐的“老万物理论”，“新万物理论”并不关注系统的构成单元这样的“硬件结构”，而更加关注单元间如何相互作用的“软件构成”。


   



活动流程




  • 主题分享：“新万物理论”是可能的吗？

  • 主题分享：城市标度律研究的最新进展

  • 新书签售，可在现场购买并获得签名机会！


   



分享简介




张江老师将结合《规模法则：探索从细胞到城市的普适规律》新书发布，聚焦“规模法则”这一复杂科学前沿研究方向，通过对各类复杂系统（生命系统、生态系统、互联网社区、城市、国家、企业等）中存在的统一规律的阐释，讨论创造一种“新万物理论”的可能性。主要涵盖以下内容：
第一部分以科幻小说中“心理史学”的概念作为话题引入，介绍复杂物理学，即物理学思想在复杂系统研究中的体现。
第二部分围绕规模法则展开。首先介绍克莱伯定律（Kleiber’s law），即生物体的新陈代谢率与生物体的体重存在幂指数为3/4的幂律关系。进一步介绍克莱伯定律的拓展，并介绍基于30万个贴吧的实证研究。之后依据规模法则和其他假设，推导生物体、企业和城市的生长方程。最后基于实证研究介绍生物体、企业与城市中典型的幂律关系，并引出对“寻找更多的规模不变量”的讨论。
第三部分聚焦城市模型。首先讨论构建唯象模型的必要性。然后介绍WBE network、Banavar Optimal Network、Bettencourt model、Matching Growth Model等经典城市模型。
第四部分重点讨论构建一个统一模型的可能性。分别介绍各种流网络模型、WBE network和Banavar Optimal Network、人-人交互系统、匹配生长模型与挖雷模型、两种规模法则等模型的共同点和统一性。

第五部分通过上述已介绍的内容和研究现状猜测“新万物理论”——复杂系统的物理学，或简称“复杂物理学”的大概模样。借助耗散结构论、开放流网络、熵的规模法则等理论，介绍“新万物理论”的特点：并不试图将复杂系统的特性归结为个体单元的运行规律，而是希望找到系统构成本身的普适规律，它甚至独立于系统的构成单元。


董磊老师将结合张江老师的“新万物理论”框架，介绍城市标度律研究的最新进展，包括理论模型和实证研究。基于F. Ribeiro和D. Rybski2023年发表的综述Mathematical models to explain the origin of urban scaling laws，介绍城市规模法则的模型，包括城市内部模型和城市间模型；介绍基于覆盖数百万手机用户和城市设施的多个数据集发现的中观层面的城市规模法则，并通过简单的空间交互规则解释观察到的城市尺度行为的规律性和异质性；并讨论城市标度律研究未来的发展方向。


   



分享大纲




张江

一、什么是“新万物理论”？

  • 阿西莫夫的“心理史学”
  • 复杂物理学——物理学思想在复杂系统研究中的体现

二、规模法则

  • 克莱伯定律
  • 广义“克莱伯定律”
  • 从规模法则到生长方程
  • 城市的生长方程
  • 寻找更多的规模不变量

三、模型之美

  • 为什么要构建唯象模型？
  • WBE network
  • Banavar Optimal Network
  • Bettencourt model
  • Matching Growth Model

四、模型能统一吗？

  • 流网络
  • WBE与Banavar
  • 如何处理人-人交互系统？
  • 匹配生长模型与挖雷模型
  • 统一两种规模法则

五、复杂系统物理学？

  • 耗散结构论
  • 开放流网络
  • 熵的规模法则？
  • 细分or统一？


董磊

一、解释城市规模法则起源的数学模型

二、人口空间交互与城市标度律

三、城市标度律研究的发展方向


   



主持人介绍





张江，北京师范大学系统科学学院教授，集智俱乐部、集智学园创始人，集智科学研究中心理事长，曾任腾讯研究院、华为战略研究院等特聘顾问。主要研究领域包括复杂系统分析与建模、规模理论、机器学习等。

个人主页：https://jake.swarma.org/


董磊，北京大学助理教授；清华大学博士。研究兴趣: 城市复杂系统中的理论与应用问题。具有建筑学、经济学、城市研究等多个领域的学习和研究背景，曾在百度研究院Big Data Lab (BDL)，从事时空数据挖掘工作。

个人主页：http://donglei.org/cv/


   



参与方式




活动时间

2023年8月4日（本周五）晚上19:00-21:00


活动地点

META SPACE咖啡（751店），朝阳区酒仙桥路4号


线下参与方式

如果您希望线下参与（限集智俱乐部读书会社区成员），请扫下方二维码登记注册，报名后可添加小助手微信，进入《规模法则》新书共读群。


现场参与互动有机会获赠张江老师签名版《规模法则》或最新版集智定制专属复杂科学知识卡两副。 


线上会议室

扫码参与复杂系统视角的城市科学读书会，加入群聊，获取系列读书会回看权限，成为城市科学社区的种子用户，与社区的一线科研工作者与企业实践者沟通交流，共同推动城市科学社区的发展。


   



线上直播




本次活动会在视频号和B站同步直播，提前预约不错过。

B站

https://live.bilibili.com/8091531


   



核心概念




 • 规模法则 Scaling Law：即Y～Xa（Y正比于X的α次幂），其中X通常代表系统规模的变量，例如人的体重、公司的员工数量、城市的人口等，Y代表系统中其他可量化的指标。幂指数α决定系统的性质，如果α<1，说明系统是亚线性的增长模式；如果α>1，系统是超线性的。

参考文章：

Physics Reports 最新综述：溯源城市规模法则的数学模型

PNAS：大数据揭示非洲城市形态的规模法则


 • 克莱伯定律 Kleiber’s Law：根据观测数据提出，对于很多动物，其基础代谢率水平与体重的¾次幂成正比，该定律得名于1930年代早期马克斯·克莱伯(Max Kleiber)的生物学著作。


 • 最优化网络模型 West-Brown-Enquist (WBE) Model：1997年，West，Brown和Enquist利用许多分类群（例如哺乳动物）具有类似分形的资源运输网络这一事实来预测异速指数α的值为3/4。


 • Banavar最优网络Banavar Optimal Network：是指通过合理制定网络节点的连接方式和规模，以实现最佳性能和效率的网络结构。该概念强调在网络设计中考虑资源分配、负载平衡和容错能力等因素，使网络能够更好地应对数据传输、通信和计算需求。


 • 贝当古模型 Bettencourt Model：一种用来描述城市人口与经济发展之间关系的模型，它认为城市中人口数量和经济活动呈正相关关系，即人口增长会促进经济发展。该模型由美国科学家Geoffrey West和Luis Bettencourt共同提出，并在城市研究领域得到广泛应用。


 • 匹配生长模型 Matching Growth Model：在很多复杂系统的生长过程中都会体现出两类特殊的现象，即相互作用的超线性生长以及多样性的亚线性生长。该模型用简单的假设解释了这两类现象，并且在基础模型基础上，我们可以扩展该模型，以模拟城市生长等现象。

参考文章：

社群发展的底层逻辑：匹配生长模型 | 《规模》


 • 挖地雷模型 Mining Model：挖地雷模型可以定义为一个有向图。其中，每个地窖可以看作是图的顶点，地窖之间的连接路径可以看作是有向边，每个地窖中埋有一定数量的地雷可以看作是顶点的权重。在这个有向图中，我们的目标是设计一个算法，找到一个起始地窖，使得从该地窖开始挖地雷，并沿着连接路径往下挖，直到无连接可选为止，能够挖到最多的地雷。这可以被视为在有向图中寻找一条最长路径的问题。城市标度律是指在大规模城市网络中，节点的度数（连接数量）与节点的规模（节点数）之间存在一种特定的关系。在挖地雷模型中，可以推测地窖之间的连接路径也可能符合城市标度律的特性，即一些地窖可能有更多的连接路径，而其他地窖可能只有少数几条连接路径。因此，在设计挖地雷方案时，我们可以考虑使用图论中的最长路径算法，如拓扑排序算法或动态规划算法，来寻找从起始地窖开始的最长路径，以最大化挖到的地雷数量。同时，我们也可以借助城市标度律的理论，对地窖之间的连接路径进行分析和优化，以提高算法的效率和准确性。


 • 耗散结构论 Dissipativity Structure Theory：一种系统科学理论，强调在开放系统中负反馈调控和能量转化的重要性，揭示了系统从非平衡状态到自组织状态的演化过程。即通过系统内部的非线性相互作用和耗散，实现系统自身的稳定和适应。


 • 开放流网络 Open Streaming Network：在城市科学研究中，开放流网络是一种重要的概念，用于描述城市中各种资源的流动和交换。它可以涵盖城市交通网络、能源系统、水资源管理等多个方面。

参考文章：

流网络——从贸易流到人类集体注意力


 • 熵的规模法则 The Scale Rule of Entropy：基于统计力学和热力学理论，用以解释在宏观层面上系统的行为。根据该法则，当系统由较小规模变为较大规模时，系统的概率分布将更加广泛，其中存在的状态数也相应增加，从而造成系统的熵增加。



城市科学读书会进行中


随着工业化和现代化的发展，世界范围内的城市化率不断提高，越来越多的人口聚集在城市，使得交通拥堵、环境污染、资源短缺等城市问题日益严峻。我们迫切需要对城市的基本运行规律有科学的认知。近十几年来，智能手机、物联网、卫星遥感可以帮助获取高精度的城市数据；机器学习、人工智能的发展，为处理大规模多源异构数据提供了技术手段。此外，复杂科学从演生视角，在不同时空尺度上研究城市现象的基础规律，丰富了城市科学的理论框架；基于复杂系统的模拟方法也在实践中有广阔的应用前景。

在这个大背景下，集智俱乐部“城市科学”读书会由北京大学助理教授董磊联合明尼苏达大学助理教授朱递、中南大学地球科学与信息物理学院教授李海峰、北京航空航天大学计算机学院博士寄家豪共同发起，分享、讨论和梳理“城市作为复杂系统”的理论、研究方法及应用，希望促进相关领域学者的交流，推动交叉学科间的合作，促进城市科学的发展和研究。读书会从2023年7月1日开始，每周六晚 20:00-22:00，持续时间预计10周。欢迎感兴趣的朋友报名参与！


详情请见：
城市科学读书会启动：AI与因果交织的城市复杂系统



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