Иерархическая и сетевая модели. Транспортная иерархическая модель Коля

Изучение экономики города требует, помимо пространственно-экономического анализа территории самого города, анализа его взаимосвязей с другими городами и с окружающей его территорией. В свою очередь, эти связи нельзя рассматривать как автономные. Как правило, они определяются общим функционированием достаточно больших групп городов в рамках региона, страны, наднационального объединения. Соответственно, мы можем говорить о региональной, национальной системе городов и т.д., вплоть до мировой системы.

Признаки системности:

- целостность;

- сложность (наличие составных частей-подсистем и элементов);

- взаимозависимость частей, обеспечивающая целостность (связи между подсистемами и элементами).

Нередко среди признаков системы называют иерархическое строение. Вариант строгой иерархической системы городов предполагает, что каждый элемент низшего уровня подчинен центрам (социально-экономическое влияние, административное управление) более высокого уровня, которые в свою очередь подчинены центрам следующего уровня и т.д. вплоть до высшего центра системы, например, главного города страны. В этом случае геометрическое представление системы городов в виде графа имеет структуру «древа» (рис. 1).

«Дерево» - это такой граф , вершины которого иерархически упорядочены: одна вершина высшего уровня связана с несколькими вершинами второго уровня, каждая из которых в свою очередь связана с ребрами и несколькими вершинами третьего уровня и.т.д.(вариант нисходящей иерархии, когда главная вершина изображается в верхней части чертежа).

Возможен обратный вариант восходящей иерархии, когда главная вершина соответствует нижнему уровню и изображается снизу, вершина второго уровня изображается выше главной и.т.д.

Примером иерархической модели территории является модель, предложенная в 1880 году Колем

В ее основе лежит реальная иерархическая система транспортных магистралей некоторой страны

Система городов городов с выделением важнейших транспортных узлов и магистралей.

1. дороги общенационального значения, связывающие важнейшие региональные центры со столицей;

2. дороги областного значения, связывающие эти центры со средними городами соответствующего региона;

3. дороги районного значения, связывающие средние города с малыми и т.д.

Коль акцентирует внимание на преобладании в этой системе дорог иерархические формы и предлагает в качестве модели абстрактную строго иерархическую древовидную систему дорог.

Разумеется, реальная система дорог не обладает строго древовидной структурой. Существуют дороги, связывающие некоторые региональные центры,средние города. Тем не менее и сейчас сохраняют свое значение древовидные фрагменты общей системы путей сообщения.

Таким образом в модели Коля города рассматриваются прежде всего как транспортные узлы системы дорог.Соответственно, иерархия этих дорог определяет иерархию городов. В этой модели уже появляются полюса экономической активности. Однако в качестве доминирующей функции городов рассматривается функции транспортного обслуживания.

Данная модель отражает лишь один из аспектов экономического пространства, тем не менее это один из важнейших аспектов, так как вместе с системой экономических полюсов (городов) транспортная сеть определяет структуру этого пространства. В современном пространственном анализе эта структура образующая роль транспорта рассматривается, как общепризнанный постулат теории.

Однако в большинстве случаев не удается уложить в единую иерархическую схему всю совокупность взаимосвязей городов. «Горизонтальные» связи городов сопоставимого уровня порождают сетевые модели систем городов. Как правило, для описания реального каркаса городов необходимо использование обоих типов моделей.

В рамках экономического анализа приоритетными являются связи, характеризующие функционирование городов как экономических объектов (производство товаров и услуг, их потребление, распределение благ). Именно с изучения полюсов экономической активности, прежде всего их функций, начинается исследование систем городов. Внутригородской анализ позволяет понять внутреннее развитие урбанизированных территорий. Далее для каждого города выявляется зона его влияния на окружающее экономическое пространство.

2. Закон «ранг – размер» (правило Г. Ципфа)

Экономический анализ системы городов начинается с выявления важнейших из них, что предполагает предварительное упорядочивание городов по значимости.В качестве простейшего показателя значимости очень часто используют показатель численности населения города. В основе этого лежит гипотеза о том, что экономическое значение города в существенной степени может быть охарактеризовано суммарным ежегодным доходом его жителей или суммарным уровнем совокупного богатства, которым они располагают. Далее принимается упрощающая гипотеза о том, что в пределах более или менее однородной (по экономическому развитию) страны значения этих показателей примерно пропорциональны численности населения. Этим можно объяснить интерес, которые многие исследователи проявляли к распределению городов по численности населения.Здесь выявилась интересная закономерность, обнаруженная впервые немецким исследователем Ауэрбахом в 1913 году. Далее она изучалась рядом специалистов, наиболее значимые обобщения по этому поводу были сделаны Георгом Ципфом в работе, опубликованной в 1949 году. Поэтому данная закономерность получила название «правило – Ципфа» или закон «ранг-размер»

P_n=P₁/n (1)

где P_n – население города n-го ранга;
n– порядковый номер (ранг) города;
P₁– население самого крупного города.

Эта закономерность была выведена чисто эмпирически, и при ее проверке для ряда стран обнаружился ряд существенных расхождений.

В связи с этим была предложена более общая форма зависимости, где вместо P₁ использовалась некоторая константа С, а также было предложено возвести знаменатель дроби в некоторую степени (q) также выяснилось. что результаты применения правила Ципфа улучшаются, если использовать не величины людности, а их логарифмы.

P_n=Сn^-q (2)

где С и q – некоторые константа, характерные для данной страны и данного периода времени. При этом, естественно, данное равенство понимается как некоторая теоретическая модель, которая лишь приблизительно соответствует эмпирическим данным при q=1и С =P₁

Значения констант Сиq оцениваются в обычной технике регрессивного анализа по методу наименьших квадратов, после предварительного логарифмирования исходного уравнения –формула (2) примет вид:

lnP_n=lnС-qlnn (3)

Обозначив череp p_n=lnPn, c=lnС,N=lnn формулу (3) можно написать в следующем виде

p_n= c-q N+ (4),

где -отклонение фактического значения lnPn от расчетного.

Таким образом, получается обычная линейная регрессиовная модель, описанная в любом учебнике по математической статистике.

Отказ от точных равенств q=1и С=P₁ позволяет значительно повысить общую точность модели т.е. в целом, позволяет сократить расхождения между фактическими и расчетными данными.

Каждый отдельный город может при этом существенно отклоняться по численности от своего расчетного значения, даже если модель в целом статистически вполне достоверна. Часто наиболее сильное отклонение характерно для главного города, именно поэтому использование С вместоP₁позволяет существенно повысить достоверность модели.

Получив значения констант С иq и зная общее количество городов страны, то можно легко рассчитывать приблизительную численность всего городского населения страны- P ^m.

P ^m₌ С+ С/2+ С/3+…+ С/m =С(1+1/2+1/3+…+1/m)(5)

Были предприняты многочисленные попытки проверки правила Ципфа многих стран мира, но наиболее масштабные исследования были проведены в США и во Франции. При достаточно хорошем соответствии с реальными данными, выявилась поразительная устойчивость во времени параметра (q) и его значение близко к ( 1).

Тенденции общего роста численности населения на протяжении всего периода соответствует, естественно, монотонное возрастание значения параметра (С). Для высших уровней иерархии выявилась небольшая недооценка моделью реальной численности населения. Данные исследования позволяют выдвинуть гипотезу о существенной устойчивости во времени самого типа распределения городского населения страны по городам разного ранга, при общем возрастании численности каждого из них.

Известная традиция относительного либерализма в регулировании городов США позволяет выдвинуть гипотезу о том, что подобная резкая неоднородность в распределении населения по городам соответствует проявлению стихийных экономических законов рыночной экономики и является упрощенным численным выражением более общей закономерности разделения функций между городами, что описано, например, в идеализированной теоретической модели Кристаллера.

Аналогичные расчеты были проделаны для городов Швеции по некоторым временным срезам XIX и XX веков, где также значение (q) оказалось близким к (1). Исследование Виннинга по данным о крупнейших городах США (за 1950-й год) в целом соответствовало результатам, позднее полученным Берри. При этом в среднем относительные отклонения фактических значений от теоретических оценок были на уровне менее 10%. Наибольшее отклонение наблюдалось для Чикаго: модель занизила его численность примерно на 25%.

Подобные исследования для городов этого периода были проведены также для Бразилии, Италии, Канады, Мексики и Франции, по каждой стране рассматривалось от 13 до 30 городов. Средние значения погрешностей оказались несколько выше, чем для США.!

Подобные резкие несоответствия именно для главного города типичны для данной модели, что свидетельствует о наличии некоторых особых факторов, которые она не учитывает. Значимость этих факторов может быть выявлена в рамках изучения некоторых специальных показателей, характеризующих превосходство главного города.

Интересные проблемы связаны с ситуациями федерации и конфедерации. Так, например, закон Ципфа в целом довольно хорошо соответствовал распределению численности городского населения СССР, хотя наблюдалась существенная близость численности городов с номерами в диапазоне 5 - 10, в частности, в 1979 году наблюдались следующие соотношения численности крупнейших городов (в млн. чел.: Москва - 8,01,

Ленинград - 4,59, Киев - 2,14, Ташкент - 1,78, Баку - 1,55, Харьков -1,44, Горький - 1,34, Новосибирск - 1,31, Минск - 1,28, Куйбышев - 1,22, Свердловск - 1,21 и т.д. В результате распада СССР в конце 1991 года основным государственным образованием на его территории оказалась Российская Федерация, список крупнейших городов которой содержит лишь часть общего списка для СССР (выпали Киев, Ташкент, Баку, Харьков, Минск и т.д.). В рамках списка российских городов Нижний Новгород (Горький) перешел к 1992 году с 7-го места на 4-е, Новосибирск - с 8-го на 3- е, Самара (Куйбышев) - с 10-го места на 6-е, Екатеринбург (Свердловск) - с 11-го по 5-е и т.д. В 1992 году шесть важнейших городов России имели следующую численность: Москва - 8,75, Санкт-Петербург -4,44, Новосибирск - 1,44. Нижний Новгород - 1,44, Екатеринбург - 1,37, Самара - 1,24.

Столь резкая смена рангов городов, естественно, не могла сопровождаться значительным изменением их численности. Возникло существенное отклонение от модели Ципфа. Этот факт нельзя рассматривать как опровержение закона «ранг - размер», поскольку применение денного закона предполагает определенную устойчивость системы городов в рамках единого экономического пространства. Можно полагать, что по окончании некоторого переходного периода, связанного со становлением независимых экономических систем бывших республик СССР, восстановится закономерность правила Ципфа для списков городов каждого из новых государств, при этом для объединенного списка городов бывшего СССР уровень соответствия, по-видимому, резко снизится по сравнению с ситуацией 80-х годов.

Аналогичные теоретические сложности противоположного характера возникают при анализе стран ЕС. За последние десятилетия этот союз действительно стал единым экономическим пространством, поэтому правомерно ставить вопрос о его единой системе городов. Можно предполагать,что правило «ранг - размер» в 90-е годы более применимо к объединенному списку городов ЕС, нежели к отдельным национальным спискам.

Проведение межнациональных сопоставлений затруднено также различиями в системе национальной статистической отчетности, в частности, юридическим определением населенного пункта как города, при недостаточных данных целесообразно ограничиться верхней частью распределения (75%, 50% или даже 25% городского населения). Данный закон не проверялся для совокупного списка городов мира.

Нарушение этого правила также связано с действиями мощных сил. Например, чрезвычайное возвышение столиц Австрии и Португалии над остальными городами своих стран объясняется тем, что они в прошлом являлись столицами крупных могущественных империй.

Распределение, характерное для стран с «оторвавшимся» от других городов лидером, называется приматным.
В ряде случаев в силу исторических и географических обстоятельств в территориальной структуре страны или региона формируются не один ведущий центр, а несколько. Например, в Центральном экономическом районе России очень четко выражен главный экономический центр; на Дальнем Востоке существует два центра – Хабаровск и Владивосток.

График распределения городов таких систем имеет в своей верхней части «площадку», после которой начинается «нормальный» спад. Такие распределения называют двоичными, троичными и четверичными (рис. 2).

Рис. 2. Распределение городов по численности населения

Применение правила Ципфа предполагает определенную устойчивость системы городов в рамках единого экономического пространства.