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Des preuves par simulation

Christaller, toujours vivant !

Arnaud Banos, Diego Moreno, Cyril Pivano et Patrick Taillandier
Traduction(s) :
Christaller, still alive!

Résumés

Cet article explore, au moyen d’une simulation informatique distribuée, les possibilités d’émergence de cette organisation spatiale régulière des centres de production suggérée par Walter Christaller pour deux populations distinctes (des producteurs de biens et des consommateurs de ces biens) et sur la base des seules hypothèses de travail formulées par l’auteur

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Texte intégral

1Dans son petit ouvrage « The self-Organizing Economy », l’économiste américain Paul Krugman, prix Nobel d’économie 2008, propose un modèle mathématique de l’émergence d’aires urbaines polycentriques. Plus précisément, il se focalise sur la manière dont les centres de bureaux (ce qu’il appelle les « edge cities » en référence à l’ouvrage de J. Garreau) peuvent apparaître dans une aire métropolitaine. Son modèle, inspiré des équations de réaction-diffusion, permet de faire émerger différentes structures spatiales périodiques à partir d’une situation initiale homogène. Ce faisant, Paul Krugman prend ses distances de manière quelque peu ostentatoire avec les travaux classiques menés en géographie autour des lieux centraux (notamment par Christaller et Lösch), qu’il considère comme étant de nature davantage descriptive qu’explicative. Pour un économiste nous dit-il, un modèle est considéré comme explicatif s’il parvient à mettre en relation des structures d’ordre macroscopique avec des comportements d’ordre microscopique. Or, selon lui, dans ses travaux sur la hiérarchie urbaine, Christaller ne tiendrait pas compte de la manière dont les comportements individuels seraient susceptibles de produire la régularité urbaine observée, à la fois en termes de localisation et de hiérarchie. De même, toujours selon Paul Krugman, si Lösch a montré qu’une structure hexagonale des aires de marché était efficiente, il n’a pas montré qu’elle tendait à émerger d’un processus décentralisé.

2Cette disqualification abrupte de travaux classiques de la théorie géographique, par l’un des fondateurs de la « nouvelle » économie géographique a évidemment de quoi interpeller les géographes et les pousser à interroger de manière renouvelée ces travaux fondateurs de leur discipline. Le Réseau pluridisciplinaire MAPS (http://maps.csregistry.org/), labellisé par le Réseau National des Systèmes Complexes (http://www.rnsc.fr), s’est justement fixé pour objectif de contribuer à cette vaste entreprise. Lors de sa dernière session de travail (MAPS31), plusieurs groupes de travail se sont ainsi constitués et se sont centrés autour de modèles classiques, dont le « modèle de Christaller ». L’objectif assigné était d’explorer, au moyen d’une simulation informatique distribuée, les possibilités d’émergence de cette organisation spatiale régulière des centres de production2 suggérée par Walter Christaller pour deux populations distinctes (des producteurs de biens et des consommateurs de ces biens) et sur la base des seules hypothèses de travail formulées par l’auteur :

  • L’espace géographique est homogène (isotrope) ;

  • La population et les ressources sont uniformément distribuées ;

  • Les consommateurs sont identiques et maximisateurs ;

  • Les prix sont fixés et aucun producteur ne peut réaliser de marge excédentaire (concurrence parfaite) ;

  • Les coûts de transport des biens urbains sont à charge du consommateur rural ;

  • Les producteurs de services de portée équivalente se regroupent dans les mêmes centres ;

    • 3 Cette redondance entre les biens produits par des centres de niveau différent est une caractéristiq (...)

    Un lieu central de niveau t produit également des biens de niveau inférieur (dans un système de profondeur 3 (k = 3): les lieux de niveau 1 produiront ainsi des biens de niveau 1, 2 et 3, tandis que les lieux de niveaux 2 ne produiront que des biens de niveau 2 et 3 et les lieux à la base de la hiérarchie ne produiront que des biens de niveau 3)3.

3Ces hypothèses simples ont des conséquences directes importantes lorsqu’on les combine. Ainsi, les hypothèses 3, 4 et 5 impliquent que les consommateurs vont minimiser les coûts de transport et donc privilégier le lieu central le plus proche (implication 1).

4En ajoutant le principe 6 (regroupement des producteurs de services de portée équivalente dans les mêmes centres), on obtient un nombre limité de centres de production ravitaillant les consommateurs les plus proches (implication 2). L’ajout des principes 1 et 2 entraîne alors logiquement que ces producteurs seront régulièrement espacés (implication 3 et conséquence finale).

  • 4 Ce modèle à base d’agents a été développé sur la plateforme NetLogo (http://ccl.northwestern.edu/ne (...)
  • 5 Compte tenu de l’hypothèse 6 (les producteurs de services de portée équivalente se regroupent dans (...)

5L’objet du modèle LivingChristaller4 est justement de vérifier la conséquence finale de cet enchaînement logique a priori infaillible, sur la base de ces seules hypothèses. Les deux catégories d’agents sont mobilisées: les consommateurs cherchent à satisfaire leurs besoins en s’approvisionnant auprès du centre de production le plus proche, tandis que les centres de production5 cherchent à se localiser de manière à attirer suffisamment de consommateurs.

6A l’initialisation, les consommateurs sont répartis de manière régulière (hypothèses 1 et 2). Puis, de la même façon que Christaller fixe un nombre de lieux centraux Nt et de niveaux hiérarchiques K, selon une progression géométrique Nt = Kt, le modèle génère 3 lieux centraux de niveaux 1, 9 lieux centraux de niveau 2 et 27 lieux centraux de niveau 3. Ces lieux centraux, que nous nommons « centres de production » ou par souci de simplification « centres » dans notre modèle, sont tous positionnés aléatoirement au moment de leur création. En accord avec l’hypothèse 7, un centre produit des biens de son niveau et des biens de tous les niveaux inférieurs (au niveau 1, les centres produisent des biens de niveau 1 ; au niveau t, les centres produisent des biens de tous les niveaux 1 à K).

7Une itération du modèle se compose alors de deux étapes. Premièrement, chaque consommateur choisit, pour chacune des 3 catégories de biens disponibles, le centre de production qui se trouve le plus proche (implication 1). A l’issue de cette phase d’affectation, chaque centre détermine s’il est satisfait de sa localisation ou non. En cas d’insatisfaction, le centre de production se déplace. La simulation prend fin lorsque tous les centres de production sont satisfaits (équilibre).

8Afin d’évaluer la satisfaction des centres, nous suivons à la lettre l’hypothèse 4 : les prix sont fixes et aucun producteur ne réalise de marge excédentaire. Les centres de production sont donc satisfaits dès lors qu’ils ont une part de marché au moins équivalente à celle des autres centres de même niveau. Ainsi, dans le cas où dix centres de production se partageraient un marché de consommation, chacun d’entre eux devrait attirer au moins 10% de la clientèle pour être satisfait. Le seuil de satisfaction S est donc défini par S = (1 / Pi + a), avec Pi le nombre total de centres producteurs du bien i et a une variable d’ajustement. La part de marché d’un producteur est définie par  mi = ci / C, avec ci le nombre de consommateurs du producteur i et le nombre total de consommateurs. L’ajout du paramètre a permet, en relâchant légèrement la contrainte d’équi-répartition des consommateurs, d’accélérer la convergence vers un équilibre.

9Il a également fallu définir une stratégie de re-localisation des centres de production insatisfaits, stratégie absente du modèle initial, fondamentalement statique.

10Dans notre modèle, chaque centre insatisfait se déplace suivant la règle suivante : si le centre ne se trouve pas déjà au barycentre de son aire de marché (moyenne en x et y des coordonnées des consommateurs correspondant à son bien de plus haut niveau), il se déplace vers celui celui-ci afin de se rapprocher de ses consommateurs. S’il se trouve déjà sur celui-ci, il se déplace en direction du centre de production de même niveau qui possède le plus de consommateurs, afin de lui « prendre » des consommateurs. Cette dernière règle permet de sortir d’optimums locaux qui peuvent apparaître lorsque tous les centres se trouvent au barycentre de leur clientèle. Le modèle se stabilise lorsque tous les centres de production sont satisfaits.

11Une des premières leçons à tirer de l’implémentation informatique distribuée de ce modèle est que l’équilibre est impossible à trouver pour une valeur nulle du paramètre a. Une seconde leçon est toutefois que l’organisation spatiale des centres de production la plus stable est bien de nature christallérienne (figure 1). Cette structure s’avère être extrêmement robuste.

Figure 1 : exemple de situation quasi à l’équilibre

Figure 1 : exemple de situation quasi à l’équilibre

12Il est important de se rappeler que, conformément à l’hypothèse 7, chaque centre de niveau supérieur produit également tous les biens de niveau inférieur, ce qui est illustré par la figure 2. Les centres de niveau 2 (en jaune) possèdent ainsi 2 aires de marché, tandis que les centres de niveau 1 (en vert) en possèdent 3.

Figure 2 : les places de niveau supérieur sont systématiquement en concurrence avec toutes les places de niveau équivalent ou inférieur

Figure 2 : les places de niveau supérieur sont systématiquement en concurrence avec toutes les places de niveau équivalent ou inférieur

13Cette mise en concurrence entre les centres de production de niveaux différents explique les formes obtenues à l’issue des simulations. En effet, pour que les centres soient satisfaits, ces derniers doivent être séparés par une distance suffisante, leur permettant ainsi de disposer d’une aire de marché convenable. En conséquence, plus la part de marché demandée aux centres est faible, plus les distances entre les centres peuvent être réduites. Concernant les centres de production de niveau supérieur, ceux-ci doivent trouver une localisation leur assurant une part de marché acceptable pour tous les niveaux de biens. Ils doivent donc trouver une localisation suffisamment éloignée des autres centres de même niveau mais qui peut être plus proche des centres de niveau inférieur. Cette règle de fonctionnement (hypothèse 7) joue un rôle décisif dans l’émergence des structures spatiales issues du modèle LivingChristaller.

14On notera que ce modèle ne reproduit pas exactement les structures hexagonales parfaites prédites par Walter Christaller. Toutefois, il permet de démontrer que le comportement des consommateurs et des producteurs, tel qu’il est décrit par Christaller dès les années 30, tend à auto-organiser l’espace de manière régulière et hiérarchisée. Le modèle de Christaller ne peut donc plus être considéré comme une description géométrique simpliste de l’espace géographique. Bien au contraire, les hypothèses formulées par Christaller suffisent à faire émerger des structures spatiales régulières à partir d’interactions individuelles non coordonnées mais interdépendantes. En ce sens, le modèle de Christaller est bien un modèle explicatif…et il reste d’actualité.

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Bibliographie

Christaller W., 1966, Central Places in Southern Germany, Trad. par C. Baskin, Prentice Hall, 230 pages, de : Die zentralen Orte in Süddeutschland. Eine ökonomisch-geographische Untersuchung über die Gesetzmäigkeit der Verbreitung und Entwicklung der Siedlungen mit städtischen Funktionen; Jena; Fischer Verlag ; Dissertation ; 1933.

Garreau J., 1992, Edge city, life on the new frontier, Anchor Books, 548 p.

Krugman P., 1996, The self-organising economy, Blackwell Publishers, Boston, 122 p.

sch A., 1940, Die räumliche Ordnung der Wirtschaft. Iena, G. Fischer.

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Notes

1 Pour plus d’informations, voir http://maps.csregistry.org/tiki-index.php?page=MAPS-3

2 Rappelons que dans la théorie des lieux centraux, les villes (définies comme des lieux centraux) sont essentiellement envisagées comme pourvoyeuses de biens et de services aux campagnes environnantes.

3 Cette redondance entre les biens produits par des centres de niveau différent est une caractéristique fondamentale de la théorie des lieux centraux de Christaller. Lösch a relâché cette contrainte par la suite, en autorisant la possibilité de places centrales spécialisées.

4 Ce modèle à base d’agents a été développé sur la plateforme NetLogo (http://ccl.northwestern.edu/netlogo/)

5 Compte tenu de l’hypothèse 6 (les producteurs de services de portée équivalente se regroupent dans les mêmes centres), nous avons choisi de retenir les « centre de production » comme entités élémentaires du modèle et non les producteurs.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : exemple de situation quasi à l’équilibre
URL http://cybergeo.revues.org/docannexe/image/24877/img-1.png
Fichier image/png, 5,2k
Titre Figure 2 : les places de niveau supérieur sont systématiquement en concurrence avec toutes les places de niveau équivalent ou inférieur
URL http://cybergeo.revues.org/docannexe/image/24877/img-2.png
Fichier image/png, 182k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Arnaud Banos, Diego Moreno, Cyril Pivano et Patrick Taillandier, « Christaller, toujours vivant ! », Cybergeo : European Journal of Geography [En ligne], Débats, Des preuves par simulation, mis en ligne le 19 décembre 2011, consulté le 24 juin 2017. URL : http://cybergeo.revues.org/24877

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Auteurs

Arnaud Banos

chercheur CNRS
équipe PARIS, Géographie-Cités, UMR 8504 Université Paris 1/CNRS
arnaud.banos@parisgeo.cnrs.fr

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Diego Moreno

maître de conférences
UMR ESPACE 6012, Université Nice Sophia Antipolis /CNRS

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Cyril Pivano

Doctorant
équipe Aix-Marseille I, UMR Espace 6012, Université de Provence/CNRS

Patrick Taillandier

maître de conférences
Equipe MTG, UMR IDEES, Université de Rouen/CNRS

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Droits d’auteur

© CNRS-UMR Géographie-cités 8504

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