遺傳算法在城市總體規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)中的應(yīng)用分析：以西咸新區(qū)為例

丁佳樂(lè)，劉鼎一，羅文杉

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

城市規(guī)劃中往往牽扯到諸多問(wèn)題，所以有效地控制非常困難。由于遺傳算法是一種全局優(yōu)化搜索算法，它可以較好的處理多目標(biāo)、大數(shù)據(jù)量問(wèn)題，因此本文提出一種依靠遺傳算法為基礎(chǔ)，通過(guò)建立城市土地利用模型，綜合分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得城市規(guī)劃方案的方法。

Cheng－Min Feng*，Jen－Jia Lin等學(xué)者在利用遺傳算法進(jìn)行規(guī)劃方面做出了一些成果，但現(xiàn)有的這些成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到輔助規(guī)劃師進(jìn)行城市規(guī)劃;也沒(méi)有使用實(shí)際地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)地區(qū)土地利用信息，環(huán)境信息，基礎(chǔ)設(shè)施信息等系統(tǒng)分析后和市集規(guī)劃或?qū)嶋H建設(shè)情況進(jìn)行對(duì)比分析［1－4］。

本文使用西咸新區(qū)第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)，通過(guò)遺傳算法獲得計(jì)算機(jī)模擬規(guī)劃方案，同時(shí)與現(xiàn)有的西咸新區(qū)規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比分析，闡明了遺傳算法在規(guī)劃工作中可以起到重要作用。

1 模型

遺傳算法很適合于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的解決。由某潛在解集開(kāi)始運(yùn)算，采用自然進(jìn)化模型，不斷對(duì)解集進(jìn)行選擇、交叉、變異、遷移、局域與鄰域操作，直到滿足優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。遺傳算法由以下幾個(gè)主要部分組成:編碼方法;初始可行解的產(chǎn)生;適宜度的計(jì)算;選擇算子;交叉算子;變異算子［5］。

在本次試驗(yàn)中具體操作如下，首先對(duì)格網(wǎng)化的規(guī)劃區(qū)域每個(gè)單元格依次進(jìn)行編號(hào)，編碼代表每個(gè)區(qū)域的用地類型。設(shè)每種規(guī)劃方案都是一個(gè)樣本，樣本中的土地利用數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行交叉變異，進(jìn)而產(chǎn)生新樣本。(將一種規(guī)劃方案視為一個(gè)生物個(gè)體，將每種規(guī)劃方案中的土地利用數(shù)據(jù)看作個(gè)體的基因序列)。其次由初始規(guī)劃方案開(kāi)始，不斷進(jìn)行用地類型的交叉運(yùn)算，以產(chǎn)生更好的規(guī)劃方案。同時(shí)在隨機(jī)產(chǎn)生單元上改變其基因取值，以保證解空間內(nèi)的完全搜索，避免收斂在解空間的一個(gè)局部。而每次選擇則通過(guò)打分的方式進(jìn)行，單個(gè)規(guī)劃方案的優(yōu)劣主要通過(guò)綜合單個(gè)地塊的適宜度值、空間分布狀態(tài)再結(jié)合當(dāng)前規(guī)劃地區(qū)的具體情況進(jìn)行評(píng)判，其中單個(gè)地塊適宜度依據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算，即是單個(gè)地塊的空間協(xié)調(diào)性指數(shù)的總和。算法根據(jù)分值進(jìn)行淘汰或選擇;空間分布評(píng)定則是根據(jù)單個(gè)地塊與其在一定空間關(guān)系內(nèi)的其他地塊的空間布局優(yōu)劣決定。最終算法根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)循環(huán)會(huì)在規(guī)定次數(shù)停止。

圖1 遺傳算法流程圖

2 數(shù)據(jù)處理

本文選用西咸新區(qū)的二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)西咸新區(qū)進(jìn)行模擬規(guī)劃。第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)比較全面準(zhǔn)確，適合于進(jìn)行城市規(guī)劃總體規(guī)劃需要，且數(shù)據(jù)比較全面，可以滿足城市規(guī)劃“多目標(biāo)”的要求，同時(shí)滿足文中遺傳算法的需要［6］。

首先把試驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)格化，每個(gè)方格代表一種獨(dú)立用地類型。根據(jù)一般街區(qū)大小，和總體規(guī)劃精度，以及城市噪音，光線影響距離以及一般主干道之間的寬度(800～1 200 m)，此處設(shè)定格網(wǎng)邊長(zhǎng)為1 km［7］。根據(jù)總體規(guī)劃所需求的精度外加《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB50137－2011)中規(guī)定的城市用地分類標(biāo)準(zhǔn)，以及其他相關(guān)研究中的土地利用類型分類，再結(jié)合和文中相應(yīng)的方法和需要，試驗(yàn)中將西咸新區(qū)用地類型綜合為居住用地，商業(yè)用地，物流倉(cāng)儲(chǔ)用地，休閑娛樂(lè)用地5類［2］，其余如道路，商店，學(xué)校，管線等信息(點(diǎn)，線要素)將通過(guò)建立緩沖區(qū)的方式將其信息添加在相應(yīng)位置的格網(wǎng)上。這樣既模擬了規(guī)劃區(qū)域的情況，又使之可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理［4］。

3 指標(biāo)體系的建立

遺傳算法對(duì)規(guī)劃方案的選擇是通過(guò)打分的方式進(jìn)行的，而打分的分值是通過(guò)設(shè)置特定的指標(biāo)體系，分析后獲得。指標(biāo)體系根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建立，具體如下所示:

根據(jù)當(dāng)前試驗(yàn)區(qū)情況區(qū)域情況可通過(guò)7類指標(biāo)進(jìn)行描述，分別是繁華度，基礎(chǔ)設(shè)施，環(huán)境，人口密度，優(yōu)化規(guī)則，轉(zhuǎn)換費(fèi)用，通過(guò)這7線指標(biāo)和當(dāng)前地塊所處的位置，進(jìn)行打分計(jì)算。通過(guò)這7個(gè)指標(biāo)可以基本反映一般總體規(guī)劃要求(特定的政治經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，滿足人們生活需求，自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展)［6］。

不同的用地類型，有不同的特殊情況，根據(jù)使用情況的不同，打分的傾向也要不同，參照相關(guān)規(guī)劃資料，針對(duì)不同用地所考慮的傾向不同，試驗(yàn)中給出了不同權(quán)重的打分標(biāo)準(zhǔn)［7］。

4 方案

利用ArcEngine組件進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和輸出，將相應(yīng)的遺傳算法功能，采用松耦合方式進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)讀出，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行分析，分析結(jié)果在寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)以圖形界面的方式進(jìn)行展示。

在所給數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)首先隨即給出數(shù)個(gè)規(guī)劃結(jié)果(無(wú)實(shí)際意義)在這些結(jié)果上不斷進(jìn)行遺傳算法的操作，針對(duì)每種獲得的結(jié)果，計(jì)算機(jī)根據(jù)指標(biāo)體系進(jìn)行打分，先逐個(gè)地塊進(jìn)行鄰域分析，獲得地塊7項(xiàng)指標(biāo)具體數(shù)值，然后根據(jù)權(quán)重計(jì)算地塊分值。在完成某一結(jié)果所有地塊打分后進(jìn)行相加，獲得當(dāng)前結(jié)果的分值。進(jìn)行下一次遺傳計(jì)算是首先進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋蕴环显O(shè)定標(biāo)準(zhǔn)和分值較低的結(jié)果。以此類推，完成實(shí)驗(yàn)。

表1 不同用地類型各種指標(biāo)所占打分權(quán)重表

圖2 程序流程圖

程序運(yùn)行結(jié)果滿足預(yù)設(shè)指標(biāo)，運(yùn)行流暢(全部工作在5分鐘內(nèi)就可完成)預(yù)先輸入的數(shù)量控制和參數(shù)都得到很好的體現(xiàn)，各種用的類型滿足要求，各用地類型分布大體位置均反映規(guī)劃要求。

圖3 指標(biāo)更改界面

實(shí)驗(yàn)中先進(jìn)行了50次處次迭代，其交叉，變異，和保留的比例為1:1:1，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行200次追加迭代，其交叉變異和保留的比例為3:1:6，其目的是為了克服遺傳算法本身的缺點(diǎn)——過(guò)度變異導(dǎo)致效率過(guò)低。

計(jì)算結(jié)果中居民地180塊 商業(yè)用地21塊 工業(yè)用地21塊物流倉(cāng)儲(chǔ)26塊休閑娛樂(lè)59塊。

在不同規(guī)劃中，各種用地類型有其特定的比例，同時(shí)不同城市發(fā)展方向不同，特定的用地分布也不同，同時(shí)其關(guān)系和比重已有所不同。在程序中，為了提高其可用性，所有指標(biāo)均可進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)具體規(guī)劃區(qū)域情況進(jìn)行調(diào)整。不同種用地，可根據(jù)要求進(jìn)行上下限的設(shè)置;根據(jù)實(shí)際需求，指標(biāo)體系亦可進(jìn)行變更，添加。

試驗(yàn)中，事先根據(jù)西咸新區(qū)規(guī)劃的具體指標(biāo)以及相應(yīng)的政策要求，將指標(biāo)預(yù)先設(shè)定完成，算法中會(huì)根據(jù)設(shè)置指標(biāo)進(jìn)行，獲得結(jié)果必定滿足設(shè)定數(shù)值。

圖4 生成結(jié)果與實(shí)際規(guī)劃方案對(duì)比圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)結(jié)果圖進(jìn)行總體分析，由于圖中信息主要是根據(jù)西咸區(qū)域現(xiàn)有的路網(wǎng)，環(huán)境概況，用地類型，作為基礎(chǔ)信息輸入到程序中，與西咸新區(qū)現(xiàn)有規(guī)劃不同，本文中考慮的前提是:在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施上，完成西咸新區(qū)一期工程任務(wù)，兼顧宜居城市，園林城市標(biāo)準(zhǔn)，在最大化利用現(xiàn)有設(shè)施，規(guī)劃以居民舒適度，便捷度作為第一前參考標(biāo)準(zhǔn)，盡可能節(jié)約人力物力的前提下得出的一種規(guī)劃結(jié)果。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，地塊聚集區(qū)出現(xiàn)在東北，渭河以南地區(qū)，參照原始數(shù)據(jù)，具體參照下圖所示。這些區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施和路網(wǎng)建設(shè)都比較完善。

未央?yún)^(qū)中，尤其是與西安市市區(qū)西部相交界的地區(qū)，根據(jù)規(guī)劃圖上說(shuō)明此區(qū)域?yàn)楣袍E和綠地，但根據(jù)規(guī)劃此地區(qū)將會(huì)修建地鐵線路，同時(shí)此地區(qū)本身設(shè)施已經(jīng)比較完善，改動(dòng)后勢(shì)必要進(jìn)行大規(guī)模人員遷移，而且此地區(qū)是西咸新區(qū)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域(西咸新區(qū)主城區(qū))，良好的交通設(shè)施和優(yōu)異的環(huán)境是居住的良好區(qū)域.現(xiàn)在此區(qū)域并沒(méi)有停止或限制建設(shè)的情報(bào)，這點(diǎn)規(guī)劃圖和現(xiàn)實(shí)情況并不切合。

未央?yún)^(qū)規(guī)劃和實(shí)際情況差別較大。如圖中標(biāo)注區(qū)域，尤其是與西安市市區(qū)西部相交界的地區(qū)，根據(jù)規(guī)劃圖上說(shuō)明此區(qū)域?yàn)楣袍E和綠地，此地區(qū)將會(huì)修建地鐵線路，城市設(shè)施比較完善。作為西咸新區(qū)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域(西咸新區(qū)主城區(qū))，良好的交通設(shè)施和優(yōu)異的環(huán)境將是居住的良好區(qū)域。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)域當(dāng)前土地利用情況，環(huán)境信息，基礎(chǔ)設(shè)施信息，通過(guò)遺傳算法獲得規(guī)劃方案，方案本身切合實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)嶋H情況，可以在一定程度上起到輔助規(guī)劃的作用。

通過(guò)就按獲得的方案和實(shí)際規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比，分析了計(jì)算方案和人工方案就同一區(qū)域規(guī)劃方案的異同，在大體上方向上和政府規(guī)劃相近，不同點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明分析。

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