Трение расстояния

Трение расстояния — это основной принцип географии , который гласит, что перемещение влечет за собой некоторую форму затрат в виде физических усилий , энергии , времени и/или затрат других ресурсов , и что эти затраты пропорциональны пройденному расстоянию. Таким образом, эта стоимость представляет собой сопротивление движению, аналогичное (но не связанное напрямую) эффекту трения против движения в классической механике . Последующее предпочтение минимизации расстояния и его стоимости лежит в основе огромного множества географических закономерностей, от экономической агломерации до миграции диких животных , а также многих теорий и методов пространственного анализа , таких как первый закон географии Тоблера , сетевая маршрутизация и стоимостное расстояние. анализ . В значительной степени трение расстояний является основной причиной того, почему география актуальна для многих аспектов мира, хотя ее важность (и, возможно, важность географии) снижается с развитием транспортных и коммуникационных технологий.

История

Неизвестно, кто первым ввел термин «трение расстояния», но влияние затрат, связанных с расстоянием, на географическую активность и географические закономерности было ключевым элементом академической географии с момента ее первоначального возникновения в XIX веке. фон Тюнена (1826 г.), возможно, самая ранняя географическая теория, напрямую включала стоимость транспортировки различных сельскохозяйственных продуктов как один из определяющих факторов того, насколько далеко от города каждый тип товаров может производиться с прибылью. Изолированная государственная модель пригородного землепользования Теория промышленного размещения Альфреда Вебера (1909 г.) и теория центрального места Уолтера Кристаллера (1933 г.) Кроме того, в основном это была оптимизация пространства для минимизации транспортных расходов.

К 1920-м годам социологи начали использовать принципы физики (точнее, некоторые из ее математических формализаций), такие как гравитация , в частности, закон обратных квадратов, обнаруженный в законе всемирного тяготения Ньютона . Географы быстро определили ряд ситуаций, в которых взаимодействие между местами, будь то миграция между городами или распределение мест проживания, желающих покровительствовать магазину, демонстрировало уменьшение расстояния из-за преимуществ минимизации пройденного расстояния. Модели гравитации и другие модели оптимизации расстояния получили широкое распространение во время количественной революции 1950-х годов и последующего развития пространственного анализа . Джеральд Карротерс (1956) был одним из первых, кто явно использовал аналогию «трения» для концептуализации эффекта расстояния, предполагая, что при такой оптимизации расстояния необходимо учитывать, что эффект варьируется в зависимости от локализованных факторов. Ян МакХарг , опубликованный в книге «Дизайн с природой » (1969), был среди тех, кто разработал многогранный характер затрат на расстояние, хотя изначально он не использовал математические или вычислительные методы для их оптимизации.

В эпоху географических информационных систем , начиная с 1970-х годов, многие из существующих моделей близости и новых алгоритмов были автоматизированы как инструменты анализа, что значительно облегчило их использование более широким кругом специалистов. Эти инструменты имеют тенденцию сосредотачиваться на проблемах, которые могут быть решены детерминированно , таких как буферы , анализ стоимостного расстояния , интерполяция и сетевая маршрутизация . Другие задачи, в которых применяется трение расстояния, гораздо сложнее (т. е. NP-трудные ), такие как задача коммивояжера и кластерный анализ , а автоматизированные инструменты для их решения (обычно с использованием эвристических алгоритмов, таких как кластеризация k-средних ) менее эффективны. широко доступны или доступны лишь недавно в программном обеспечении ГИС.

Дистанционные затраты

В качестве иллюстрации представьте себе путешественника, стоящего на склоне изолированной лесистой горы и желающего отправиться на другую сторону горы. По сути, существует бесконечное количество путей, по которым она могла бы добраться туда. Путешествие прямо через вершину горы «дорого», поскольку каждые десять метров восхождения требуют значительных усилий. Прохождение десяти метров по пересеченной местности по лесу требует значительно больше времени и усилий, чем путешествие на десять метров по развитой тропе или по открытому лугу. Прохождение ровного маршрута по дороге, огибающей гору, требует гораздо меньших затрат (как усилий, так и времени) на каждые десять метров, но общие затраты накапливаются на гораздо большем расстоянии. В каждом случае количество времени и/или усилий, необходимых для преодоления десяти метров, является мерой сопротивления расстоянию. Определение оптимального маршрута требует балансировки этих затрат и может быть решено с помощью метода анализа стоимостного расстояния .

Другой, очень распространенный пример: человек хочет поехать из дома в ближайшую больницу. Из многих (но конечных) возможных маршрутов через дорожную сеть тот, который имеет наименьшее расстояние, проходит через жилые кварталы с низкими ограничениями скорости и частыми остановками. Альтернативный маршрут проходит по объездной автомагистрали вокруг кварталов, имеет значительно большее расстояние, с гораздо более высокими ограничениями скорости и нечастыми остановками. Таким образом, эта альтернатива имеет гораздо меньшее трение на единицу расстояния (в данном случае времени), но оно накапливается на большем расстоянии, что требует вычислений для определения оптимального (с наименьшим общим временем прохождения), возможно, с использованием алгоритмов сетевого анализа. обычно используемых можно найти на веб-картах, таких как Google Maps .

Затраты, пропорциональные расстоянию, могут принимать различные формы, каждая из которых может быть актуальной или неактуальной в конкретной географической ситуации:

• Стоимость путешествия , ресурсы, необходимые для перемещения в космосе. Чаще всего это расход времени, энергии или топлива, но может также включать и более субъективные затраты, такие как неудобства.
• Стоимость трафика — сопротивление, возникающее в результате превышения совокупного количества путешественников оптимальной пропускной способности пространства (в данном случае обычно линейной сети).
• Стоимость строительства — ресурсы, необходимые для создания инфраструктуры, позволяющей путешествовать по пространству, например дорог, труб и кабелей.
• Воздействие на окружающую среду , негативное воздействие на природную или человеческую среду, вызванное инфраструктурой или перемещением по ней. Например, можно было бы свести к минимуму длину жилых кварталов или заболоченных земель, уничтоженных для строительства шоссе.

Некоторые из этих затрат легко поддаются количественной оценке и измерению, например, время в пути, расход топлива и затраты на строительство, что естественным образом поддается алгоритмам оптимизации . Тем не менее, при их прогнозировании может существовать значительная неопределенность из-за изменчивости во времени (например, время проезда по дорожной сети в зависимости от изменения интенсивности движения) или изменчивости в отдельных ситуациях (например, насколько быстро человек желает ехать). . Другие затраты гораздо сложнее измерить из-за их качественного или субъективного характера, например, политические протесты или экологические последствия; они обычно требуют создания «псевдомеров» в форме индексов или шкал для практического применения .

Все эти затраты представляют собой поля , поскольку они пространственно интенсивны («плотность» затрат на единицу расстояния) и меняются в пространстве. Поле стоимости (часто называемое поверхностью стоимости ) может быть непрерывной, плавной функцией или иметь резкие изменения. Эта изменчивость стоимости возникает как в неограниченном (двух- или трехмерном) пространстве, так и в ограниченных сетях, таких как дороги и кабельные телекоммуникации.

Приложения

Большое количество географических теорий, методов пространственного анализа и приложений ГИС напрямую основаны на практических эффектах трения расстояния:

• Первый закон географии Тоблера , формализованный как пространственная автокорреляция , гласит, что близлежащие местоположения с большей вероятностью будут похожи во многих аспектах, чем удаленные, что обычно является результатом истории более тесного взаимодействия между ними.
• модели гравитации , затухания расстояния и другие модели пространственного взаимодействия основаны на тенденции объема взаимодействия между двумя точками уменьшаться по мере увеличения расстояния между ними из-за трения расстояния, часто по аналогичной (математической, а не математической) схеме. физически) к закону обратных квадратов многих физических свойств , таких как освещенность и гравитация .
• Экономическая агломерация — это тенденция институтов, которые часто взаимодействуют друг с другом, сближаться в физическом пространстве, например, концентрация бизнес-услуг ( реклама , финансы и т. д.) в крупных городах, чтобы располагаться вблизи штаб-квартир корпораций.
• Теория местоположения включает в себя ряд теорий и методов определения оптимального места для размещения конкретного вида деятельности на основе минимизации транспортных расходов. Известные примеры включают классические теории начала 20-го века Иоганна Генриха фон Тюнена , Вальтера Кристаллера и Альфреда Вебера , а также алгоритмы ГИС-эры для распределения местоположения .
• Сетевой анализ включает в себя ряд задач и методов моделирования путешествий, ограниченных линейной сетью или графом , например, дорогами , коммунальными предприятиями или ручьями . Многие из них представляют собой задачи оптимизации для минимизации стоимости поездки, например, вездесущий алгоритм Дейкстры для поиска пути с минимальной стоимостью между двумя точками.
• Анализ стоимостного расстояния — серия алгоритмов для поиска путей с минимальной стоимостью в неограниченном пространстве, в котором стоимость изменяется как поле .
• Миграцию людей и животных часто рассматривают как результат балансирования преимуществ пребывания на месте (из-за трения расстояния) с факторами «толкания/притяжения», которые побуждают человека покинуть одно место или переехать в другое место.
• Пространственная диффузия — это постепенное распространение культуры, идей и институтов в пространстве с течением времени, при котором желательность того, чтобы одно место переняло черты другого места, преодолевает трение расстояния.
• География времени исследует, как на человеческую деятельность влияют ограничения передвижения, особенно временные затраты.

Конвергенция пространства-времени

Исторически сложилось так, что трение расстояния было очень сильным для большинства типов передвижения, что делало перемещение и взаимодействие на большие расстояния относительно медленными и редкими (но не отсутствующими). Результатом стала сильно локализованная человеческая география , проявляющаяся в таких различных аспектах, как язык и экономика . Одним из наиболее глубоких последствий технологических достижений с 1800 года, включая железные дороги , автомобили и телефон , стало резкое снижение затрат на перемещение людей, товаров и информации на большие расстояния. Это привело к широкому распространению и интеграции, что в конечном итоге привело ко многим аспектам глобализации . Географический эффект уменьшения трения расстояния называется конвергенцией пространства-времени или конвергенцией пространства-пространства .

Из этих технологий телекоммуникации , особенно Интернет , возможно, оказали наиболее глубокое воздействие. Хотя все еще существуют затраты на передачу информации на расстоянии, такие как прокладка кабеля и генерация энергии электромагнитного сигнала (традиционно проявляющиеся в таких способах, как плата за междугородную телефонную связь ), сейчас они настолько малы для любой значимой единицы информации. что они больше не управляются на расстоянии, а включаются в фиксированные (не основанные на расстоянии) затраты на обслуживание. Например, некоторая часть платы за услуги мобильной связи покрывает более высокие затраты на междугородную связь, но клиент этого не видит и, следовательно, не принимает решения о связи на основе расстояния. Рост бесплатной доставки имеет аналогичные причины и последствия для розничной торговли.

Утверждалось, что фактическое устранение трения расстояний во многих аспектах жизни общества привело к «смерти географии», когда относительное местоположение больше не имеет значения для многих задач, в которых оно раньше играло решающую роль. Теперь можно осуществлять многие взаимодействия на глобальных расстояниях почти так же легко, как и на локальных расстояниях, включая розничную торговлю, услуги между предприятиями и некоторые виды удаленной работы . Таким образом, эти услуги теоретически могут предоставляться откуда угодно по одинаковой цене. Пандемия COVID-19 подвергла испытанию и ускорила многие из этих тенденций.

И наоборот, в других странах наблюдается усиление географического влияния других аспектов жизни или, возможно, усиление внимания к ним, поскольку традиционные аспекты, основанные на расстоянии, становятся менее актуальными. Сюда входят удобства образа жизни в каком-либо месте, такие как местные природные ландшафты или городская ночная жизнь, которые необходимо ощутить лично (таким образом, требуя физического перемещения и, следовательно, влекущего за собой преодоление расстояния). Кроме того, многие люди предпочитают личное взаимодействие, которое технически может осуществляться удаленно, например, деловые встречи, образование, туризм и шопинг, что должно сделать эффекты, основанные на расстоянии, актуальными в обозримом будущем. Контрастные тенденции «фрикционных» и «нефрикционных» факторов потребовали более детального анализа географии, чем традиционные общие утверждения о том, что местоположение всегда имеет значение, или недавние заявления о том, что местоположение вообще не имеет значения.