Материал: patrakeev_im_geoprostranstvennye_tekhnologii_v_modelirovanii

3.4.5 Многообразие подходов к определению локальних функций переходов для моделирования пространственной динамики градостроительной системы

Основным компонентом модели основанной на клеточных автоматах, является локальные функции переходов {τ(n):An→A}, которые задают логику процесса моделирования, следовательно функции {τ(n)}определяют пространственную динамику городской системы. Основная роль локальных функций заключается в математическом описании алгоритмов поведения каждого единичного автомата ОС- структуры в момент времени t на основе состояний всех соседних автоматов (согласно индексу соседства X ) в момент времени (t – 1).

Существуют разнообразные подходы к определению вида локальных функций перехода для моделей, основанных на клеточных автоматах. Например, локальные функции переходов могут быть заданы в виде взвешенных матриц, в виде метода многокритериальных экспертных оценок, в виде логистической регрессии, а также нейронных сетей и нечетких множеств [1,2, 4,5].

Подход к выбору вида локальных функций переходов может изменяться от очень простых до очень сложных.

3.5 Современная концепция однородных структур как основа для практического моделирования градостроительной динамики

3.5.1 Моделирование развития агломерации на основе теорииоднородных структур

Основной целью моделирования развития городских систем является прогнозирование городского планирования и обеспечения устойчивого развития территорий.

Особенность агломерации в том, что ее нельзя создать: формирование ее определено историческим развитием территории и сети поселений в конкретной географической ситуации. Но для эффективного развития агломераций необходимы государственные ресурсы и управленческое воздействие. Стихийное же развитие (расползание городов) чревато известными негативными последствиями: дорожные пробки, увеличение издержек на содержание существующих и строительство новых дорожных

86

сетей и инфраструктуры, разрыв в доходах между муниципалитетами на периферии и в центре.

Основной целью моделирования развития городских систем является прогнозирование городского планирования и обеспечения устойчивого развития территорий.

Одной из основных предпосылок, стимулировавших применение ОС-концепции параллельных дискретных систем, явилась настоятельная потребность в достаточно хорошо нормализуемой среде для моделирования процессов пространственного развития городских систем.

Городское развитие можно представить как переход от преимущественно не урбанизированного общества к урбанизированному, которое возможно за счет увеличения существующих городских поселений и за счет развития новых. Люди сосредотачиваются в городских районах в попытке получить лучший доступ к обслуживанию и товарам в целом стремятся к более благоприятным возможностям и более престижной и оплачиваемой работе.

Врезультате финансовая, социальная, и культурная жизнь расцветает

вбольшом городском пространстве, привлекая все больше и больше населения для работы, производства и потребления социальных благ внутри городского пространства.

В2007 – 50% мирового населения жили в больших и малых городах, что по оценке составляет более 60 млн. людей двигаются в города ежегодно. Более того, такой размер поступления людей в города будет сохраняться в течении ближайших 30 лет [57, 58].

Изменения в финансовой и социальной активности внутри города,

необходимость размещения все прибывающего населения, то есть внутренняя миграция и появление новых и изменение старой социальной активности населения ведет к реорганизации землепользования, необходимости строительства жилых и промышленных, офисных зданий, создание новых зон обслуживания в соответствии с современными требованиями.

Управление развитием агломерацией является одной из наиболее важных и, в тоже время, трудно решаемых задач. Для обеспечения эффективного регулирования городских процессов, связанных с территориальным развитием города, необходимо использовать системный подход и математическое моделирование.

87

Исследование пространственной организации города реализовано в виде программы-симулятора, основанной на теории однородных структур (ТОС), у истоков которой стояли такие современные кибернетики и математики, как Джон фон Нейман, С. Улам и Э. Мур [1]. Симулятор

формализованные модели абстрактных объектов, которые развиваются по простым и всюду одинаковым правилам взаимодействия. Пространство однородных структур (ОС-пространство) представляет собой регулярную решетку, каждая клетка которой представляет некоторый идентифицируемый элемент (элементарную ячейку), которая допускает лишь конечное число состояний [5,6].

Формально однородная структура определяется как упорядоченная четверка компонент

ОС = < Zd, A, τ(n) , X >.

В качестве примера рассматривается динамика развития территории города Харькова. При моделировании использовались данные, полученные на основании использования аэрофотоснимков, космических снимков современной застройки городской территории и планов исторической застройки города, (рис. 3.9).

Математическая модель имеет следующий вид:

«объект-застройка», «объект железная дорога», «объект реки», «объект дороги (магистрали)».

88

Обозначим в общем виде множество всех типов объектов, используемых в модели:

G = {g kin , jn (in , jn ) Z 2 , n N , k = 1,4} ,

где k – общее количество типов объектов G в начальный момент времени;

(in, jn) – индексы g -го объекта типа G , характеризующие расположение данного объекта в ОС-пространстве .

Для каждого объекта должно выполняться неравенство:

Наиболее вероятностным подходом к рассмотрению хронологической последовательности расширения городской территории является учет ландшафтных особенностей местоположения города. Для обозначения рек, железной дороги, транспортных магистралей и мест, непригодных для строительства по своим топографическим особенностям, где используются «мертвые» зоны – ограниченные участки ОС-пространства. В таких «мертвых» зонах невозможно появление объектов застройки. На рис. 3.9 показаны входные данные для пространственного моделирования развития городской территории, полученные в результате векторизации картографической информации и обработки космических снимков средствами геоинформационных технологий.

Функционирование модели осуществляется в дискретной шкале времени t = 0,1, …. и определяется локальной функцией перехода (ЛФП) τ(n) , которая задает состояние каждому единичному автомату ОС-пространства в момент времени t на основе состояний всех соседних ему автоматов в момент времени (t-1). В модели используется классический шаблон соседства Э. Ф. Мура (рис. 3.10).

Более подробно построение алгоритмов моделирования в классических однородных структурах изложено в работах [50, 65].

Функционирование в ОС-пространстве выполняется в дискретной шкале времени и определяется ЛФП, которые задают состояние каждому единичному автомату структуры в момент времени t на основе состояний всех соседних ему автоматов (в нашем случае согласно шаблону

89

Э. Ф. Мура) в момент времени (t-1). Другими словами ЛФП определяют, по какому правилу участки городскго пространства будут изменять свое состояние, следовательно, правила определяют характер процесса развития в данном локальном пространстве.

Такие правила обычно представлены в виде набора продукций «ЕСЛИ-ТО», которые по своей сути достаточно просты. Однако совокупность таких простых конструкций позволяет моделировать сложные процессы пространственного развития городской системы [7].

Некоторые правила в виде продукций «ЕСЛИ-ТО», реализованные в данной модели представлены в таблице 1-3.

С учетом локальных правил 1-3 сценарий развития городского пространства на рассматриваемой территории показан на рис. 3.11. Показано начальное состояние перед началом моделирования (а) результат моделирования, полученный на 353 итерации.

Для проверки адекватности данной модели рассмотрим соответствие результатов, полученных при моделировании, имеющимся планам города Харькова (рис. 3.11), где показаны результаты моделирования динамики городской застройки и картографических данных на период начала XX века и на период 2004 года.

Как видно из приведенного рисунка, данная модель позволяет получить достоверную информацию о динамике роста территории города.

Вкачестве заключения необходимо отметить, что развитие территории города определяет среду жизнедеятельности населения и потому имеет большое общественное значение. В силу этих обстоятельств, градостроительные проекты должны быть максимально открытыми и получать одобрение со стороны горожан. Для согласования целей и задач градостроительного развития с самыми широкими слоями населения, деловыми кругами и городской властью, необходимо максимально открытое обсуждение генерального плана и всех градостроительных решений [4].

Вэтих условиях, использование рассмотренных в статье моделей, с учетом имеющихся ресурсных ограничений позволит вырабатывать более адекватные, более целесообразные решения в области стратегического управления развитием территории города.

90