呂　濤， 郝泳濤， 王力生

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

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基于生態(tài)算法的城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化

呂濤， 郝泳濤， 王力生

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

摘要：借鑒自然生態(tài)系統(tǒng)解決優(yōu)化問(wèn)題的思想和機(jī)制，提出了“城市土地生態(tài)系統(tǒng)”概念.首先定義城市土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其自主進(jìn)化機(jī)理，然后創(chuàng)建城市土地生態(tài)系統(tǒng)自主進(jìn)化過(guò)程的算法模型——城市土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化算法(簡(jiǎn)稱城市生態(tài)算法).最后，構(gòu)建城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并使用城市生態(tài)算法進(jìn)行求解.選取上海市作為算法應(yīng)用實(shí)例，結(jié)果表明城市生態(tài)算法能夠很好地解決城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題.

關(guān)鍵詞：進(jìn)化計(jì)算； 城市生態(tài)算法； 土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 城市建設(shè)用地； 食物鏈

城市建設(shè)用地是城市人群及其各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)借以立足的載體和活動(dòng)場(chǎng)所，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1].當(dāng)前中國(guó)城市發(fā)展屬于以土地?fù)Q取經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的模式[2]，即城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展主要建立在城市建設(shè)用地規(guī)?？焖贁U(kuò)張的基礎(chǔ)之上.然而，城市土地資源是有限的,隨著建設(shè)用地需求的逐步增大，建設(shè)用地供需矛盾越來(lái)越突出.同時(shí)，建設(shè)用地資源分配和利用不合理的情況也比較突出，城市內(nèi)擁有大量利用效率低下的土地，造成土地資源極大浪費(fèi)[3].在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)的背景之下[4]，城市發(fā)展也必須進(jìn)入新常態(tài).控制建設(shè)土地的擴(kuò)張規(guī)模，盤活現(xiàn)有存量土地，提高土地利用效率，是城市發(fā)展新常態(tài)的重要內(nèi)容之一.從學(xué)術(shù)研究角度來(lái)講，要實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展新常態(tài)，就必須對(duì)城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

關(guān)于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究很早就已經(jīng)開(kāi)始，但在20世紀(jì)70年代中后期才得到快速發(fā)展，并逐漸轉(zhuǎn)向定量化和模型化，而且采用算法進(jìn)行求解，以期獲得更科學(xué)的結(jié)果[6].土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化也從以經(jīng)濟(jì)效益為主的單目標(biāo)優(yōu)化，逐漸發(fā)展為以經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益為主的多目標(biāo)優(yōu)化.土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化比較常用的模型和方法有：線性規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、遺傳算法、群智能算法、灰色線性模型等.不少學(xué)者分別使用以上方法和模型，對(duì)不同城市和地區(qū)的土地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并給出土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議和方案[7-14].但通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前關(guān)于土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的論文，有的是對(duì)全部土地(包括建設(shè)用地和非建設(shè)用地)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[7-10]，有的是對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[6,15]，也有一部分是對(duì)非建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[16-17]，但以城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化為研究對(duì)象的論文卻很少.尤其是伴隨著新標(biāo)準(zhǔn)《2011城市用地分類標(biāo)準(zhǔn)》)的出臺(tái)，城市用地分類進(jìn)行了較大調(diào)整，不少研究論文提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，在新標(biāo)準(zhǔn)下已經(jīng)不再適用.以城市全部土地為研究對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由于研究對(duì)象領(lǐng)域范圍過(guò)大，城市建設(shè)用地只是作為研究對(duì)象的一個(gè)“子類”參與土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化常常被忽略，因此屬于粗粒度土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化.面向更小范圍、更有針對(duì)性的細(xì)粒度土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化如城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，也是土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要研究?jī)?nèi)容，而且對(duì)城市土地利用和規(guī)劃更有實(shí)際意義.因此，本文提出一個(gè)新的研究課題“城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，并給出一種新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和算法.

城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)是指城市內(nèi)各類建設(shè)用地面積與總建設(shè)用地面積之間的比例關(guān)系和各類建設(shè)用地相互之間的空間位置關(guān)系.其中各類建設(shè)用地面積與總建設(shè)用地面積之間的比例關(guān)系稱為城市建設(shè)用地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)，各類建設(shè)用地之間的空間位置關(guān)系稱為城市建設(shè)用地空間結(jié)構(gòu).城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化，就是在城市有限的土地資源、人口資源和城市規(guī)劃經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、社會(huì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)的約束條件下，基于城市建設(shè)用地效益最大化原則，對(duì)城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲取建設(shè)用地結(jié)構(gòu)最優(yōu)解.城市建設(shè)用地效益最大化原則指的是，要實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益三者的均衡發(fā)展，即不能只考慮某一方面的效益，也不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三方面效益的最大化，而是根據(jù)城市發(fā)展方向，選取一項(xiàng)主導(dǎo)性目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)效益值最優(yōu)的同時(shí)兼顧其他目標(biāo)，并逐步逼近理想目標(biāo)值.

自然生態(tài)系統(tǒng)解決優(yōu)化問(wèn)題的能力非常強(qiáng).自然生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)自身的演化就可以使許多在人類看起來(lái)高度復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題得到完美解決.本文借鑒自然生態(tài)系統(tǒng)解決優(yōu)化問(wèn)題的思想和機(jī)制，提出“城市土地生態(tài)系統(tǒng)”概念.希望通過(guò)城市土地生態(tài)系統(tǒng)的自主演化，來(lái)解決城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題.最后以上海市為例，進(jìn)行實(shí)證應(yīng)用研究.

1　基于食物鏈的城市土地生態(tài)系統(tǒng)

在城市中，城市土地是城市系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，所以城市土地可以理解為城市系統(tǒng)的子系統(tǒng)，稱為城市土地系統(tǒng).城市土地系統(tǒng)是由城市各類用地(這些用地實(shí)為城市土地系統(tǒng)的子系統(tǒng))組成的開(kāi)放系統(tǒng)，并且在其內(nèi)部各子系統(tǒng)之間時(shí)刻伴隨著物質(zhì)、信息和能量的交換.城市土地系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)和特性與自然生態(tài)系統(tǒng)有很大的類似之處.所以，本文引入生態(tài)系統(tǒng)理論，把城市土地系統(tǒng)類比成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(稱為城市土地生態(tài)系統(tǒng))進(jìn)行研究.在城市土地生態(tài)系統(tǒng)中，城市建設(shè)用地是這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的空間范圍，城市規(guī)劃目標(biāo)是它的外界環(huán)境，城市人群、各類建設(shè)用地組成這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的種群，每個(gè)種群都有數(shù)量、時(shí)間和空間等屬性.城市土地生態(tài)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)的城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)，就是城市建設(shè)用地在當(dāng)前外界環(huán)境條件下的最優(yōu)化結(jié)構(gòu).在正常情況下，城市土地生態(tài)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài).當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，在城市土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，各個(gè)種群基于食物鏈關(guān)系進(jìn)行自主演化，使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)能夠繼續(xù)保持平衡.所以，城市土地生態(tài)系統(tǒng)演化的過(guò)程就是城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程.由于每個(gè)種群都有數(shù)量屬性和空間屬性，所以種群進(jìn)化完成之后，基于種群數(shù)量和空間屬性可以獲得城市建設(shè)用地?cái)?shù)量和空間結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，這樣城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題便可以得到解決.由于該研究課題范圍比較復(fù)雜，限于論文篇幅，本文只研究城市建設(shè)用地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題.

1.1城市土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

城市土地生態(tài)系統(tǒng)主要由外界環(huán)境、種群和食物3個(gè)基本元素組成.

(1) 外界環(huán)境.城市規(guī)劃目標(biāo)決定城市的發(fā)展方向，也決定著城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，所以城市規(guī)劃目標(biāo)就是城市土地生態(tài)系統(tǒng)的外界環(huán)境.城市規(guī)劃目標(biāo)包含經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、社會(huì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)3個(gè)方面.定義TGDP表示城市規(guī)劃經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，TEco表示城市規(guī)劃生態(tài)目標(biāo)，TSoc表示城市規(guī)劃社會(huì)目標(biāo).關(guān)于經(jīng)濟(jì)目標(biāo)可以用GDP來(lái)量化，但是社會(huì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)，由于目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，因此它們難以具體量化.本文提出一種新的社會(huì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示.

表1　社會(huì)目標(biāo)、生態(tài)目標(biāo)的6個(gè)級(jí)別

(2) 種群.城市土地生態(tài)系統(tǒng)的種群定義如表2所示.

表2　種群定義

(3) 食物.在城市土地生態(tài)系統(tǒng)中，食物是由土地資源、人口資源、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益5個(gè)基本結(jié)構(gòu)元素組成的多維數(shù)據(jù).用符號(hào)Food來(lái)表示食物，F(xiàn)ood={Land,Peo,GDP,Soc,Eco}，其中Land表示土地資源，Peo表示人口資源，GDP表示經(jīng)濟(jì)效益，Soc表示社會(huì)效益，Eco表示生態(tài)效益.食物按照結(jié)構(gòu)成分的不同，可以分為初級(jí)食物(Food(1))和高級(jí)食物(Food(2)).其中，初級(jí)食物主要由土地資源、人口資源組成，其他屬性值為0；高級(jí)食物主要由經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益組成，其他屬性值為0.所以，初級(jí)食物和高級(jí)食物可以分別簡(jiǎn)化為：Food(1)={Land,Peo}，F(xiàn)ood(2)={GDP,Soc,Eco}.

1.2城市土地生態(tài)系統(tǒng)的自主進(jìn)化機(jī)理

在城市土地生態(tài)系統(tǒng)中，各個(gè)種群基于食物關(guān)系形成一條食物鏈.首先定義各個(gè)種群在食物鏈中扮演的角色：①生產(chǎn)者.城市人群是城市土地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，其將城市土地資源和人口資源轉(zhuǎn)換成為初級(jí)食物供其他種群消費(fèi).②消費(fèi)者.除了城市人群以外的其他種群都是消費(fèi)者，如“居住用地種群”、“綠地種群”等.消費(fèi)者的食物是初級(jí)食物.消費(fèi)者經(jīng)過(guò)分解者的分解作用可以間接產(chǎn)生高級(jí)食物.③分解者.城市人群也是城市土地生態(tài)系統(tǒng)的分解者，其食物為高級(jí)食物.在城市中，城市各類建設(shè)用地本身并不能帶來(lái)任何效益，但是各類建設(shè)用地在城市人群的作用可以產(chǎn)生大量經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，這些效益最終服務(wù)于城市人群.所以，在城市土地生態(tài)系統(tǒng)中，城市人群既是生產(chǎn)者也是分解者.城市土地生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈如圖1所示.

從圖1可以看出，城市土地生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈關(guān)系為：①城市人群.將城市土地資源和人口資源轉(zhuǎn)換成初級(jí)食物，并傳遞給下一級(jí)種群.②居住用地.消耗部分初級(jí)食物，包括初級(jí)食物中的全部人口資源，同時(shí)產(chǎn)生高級(jí)食物.最后將剩余初級(jí)食物傳遞給下一級(jí)種群.③工業(yè)用地、商業(yè)用地和物流倉(cāng)儲(chǔ)用地.消耗部分初級(jí)食物，同時(shí)產(chǎn)生以經(jīng)濟(jì)效益為主的高級(jí)食物.最后將剩余初級(jí)食物傳遞給下一級(jí)種群.④公共用地和交通用地.消耗部分初級(jí)食物，同時(shí)產(chǎn)生以社會(huì)效益為主的高級(jí)食物.最后將剩余初級(jí)食物傳遞給下一級(jí)種群.⑤綠地和交通用地.消耗剩余初級(jí)食物，同時(shí)產(chǎn)生以生態(tài)效益為主的高級(jí)食物.⑥城市人群.作為分解者輔助消費(fèi)者生產(chǎn)高級(jí)食物，同時(shí)作為生產(chǎn)者又消耗掉所有高級(jí)食物.至此，一個(gè)封閉的食物鏈關(guān)系便形成.外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，食物鏈中的各個(gè)種群伴隨著食物的流動(dòng)會(huì)自組織、自適應(yīng)地進(jìn)化，直到城市土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入平衡狀態(tài)進(jìn)化才停止.這就是城市土地生態(tài)系統(tǒng)能夠自主進(jìn)化以維持平衡狀態(tài)的機(jī)理.

圖1　城市土地生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈

2　城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模及求解

2.1城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

(1) 城市土地生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)度函數(shù)，用來(lái)評(píng)價(jià)城市土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化的結(jié)果，所以它也是城市土地生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估模型.基于這個(gè)模型，可以對(duì)城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估.定義FGDP、FEco和FSoc分別表示消費(fèi)者種群生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益值、生態(tài)效益值和社會(huì)效益值，F(xiàn)Peo和FLand分別表示消費(fèi)者種群消耗的人口資源和土地資源.適應(yīng)度函數(shù)如下所示：

Fit(FGDP,FEco,FSoc,FPeo,FLand)=

(1)

(2) 城市土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化的目標(biāo)函數(shù)，也是城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型.在本文中，城市建設(shè)用地效益最大化原則指的是以城市經(jīng)濟(jì)效益為主導(dǎo)性目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的同時(shí)，盡可能提高社會(huì)效益值和生態(tài)效益值.目標(biāo)函數(shù)如下所示：

subject to: max(FEco,FSoc)

s.t.LLand≥FLand,LPeo≥FPeo,TGDP=FGDP

(2)

其中,LPeo表示城市可用人口資源，LLand表示城市可用建設(shè)用地資源.

2.2城市生態(tài)算法

城市土地生態(tài)系統(tǒng)自主進(jìn)化的過(guò)程，就是城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程.為了更好地描述城市土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化過(guò)程，本文從算法角度出發(fā)，對(duì)城市土地生態(tài)系統(tǒng)的自主進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行建模，并把這個(gè)算法模型稱為城市生態(tài)算法.城市生態(tài)算法流程如圖2所示.

2.2.1定義城市土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化的目標(biāo)函數(shù)，并初始化所有種群

(3)

(4)

2.2.2居住用地種群進(jìn)化

居住用地種群進(jìn)化的目標(biāo)是滿足城市人群的居住需求，所以它的適應(yīng)度函數(shù)為FPeo,進(jìn)化過(guò)程如式(5)所示,進(jìn)化終止條件為FPeo=LPeo.

(5)

2.2.3工業(yè)用地、商業(yè)用地和物流倉(cāng)儲(chǔ)用地種群協(xié)同進(jìn)化

(1) 記需要調(diào)整的建設(shè)用地面積為ΔS(一般情況下可令ΔS=1)，P2、P3和P4需要調(diào)整的建設(shè)用地分別為ΔSP2、ΔSP3和ΔSP4，如下所示：

(6)

(2) 如果種群Pi符合種群進(jìn)化終止條件，種群停止進(jìn)化，如下所示：

(7)

(3) 根據(jù)FGDP和TGDP之間的大小關(guān)系，種群協(xié)同進(jìn)化有2種模式，如下所示：

(8)

(9)

2.2.4交通用地、公共用地種群協(xié)同進(jìn)化

(10)

(2) 如果種群Pi符合種群進(jìn)化終止條件，種群停止進(jìn)化，如下所示：

(11)

(3) 根據(jù)FSoc和TSoc之間的大小關(guān)系，種群協(xié)同進(jìn)化有2種模式，如下所示：

(12)

(13)

2.2.5綠地、交通用地種群協(xié)同進(jìn)化

(14)

(2) 如果種群Pi符合種群進(jìn)化終止條件，種群停止進(jìn)化，如下所示：

(15)

(3) 根據(jù)FEco和TEco之間的大小關(guān)系，種群協(xié)同進(jìn)化有2種模式，如下所示：

(16)

(17)

(4) 種群完成一次協(xié)同進(jìn)化之后，若符合協(xié)同進(jìn)化終止條件，則進(jìn)化停止；否則轉(zhuǎn)向過(guò)程(1)繼續(xù)進(jìn)化.協(xié)同進(jìn)化終止條件為ΔSP5+ΔSP7=0.

2.2.6交通用地、公共用地和綠地種群協(xié)同進(jìn)化

(18)

(2) 如果種群Pi符合種群進(jìn)化終止條件，種群停止進(jìn)化，如下所示：

(19)

(3) 在FEco和TEco滿足約束條件的情況下，種群協(xié)同進(jìn)化過(guò)程如下所示：

(20)

2.2.7種群迭代進(jìn)化，獲取最優(yōu)解

3　實(shí)驗(yàn)與討論

本文選取上海市進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用研究.以上海市2012年城市建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)上海市2020年的建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.數(shù)據(jù)來(lái)源為《上海市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》等.當(dāng)前關(guān)于上海市建設(shè)用地開(kāi)發(fā)和利用的現(xiàn)狀為：2012年上海市建設(shè)用地面積為2 904.25 km2，占市域總面積的45.8%，接近50%的生態(tài)閾值；同時(shí)2012年上海市人口規(guī)模達(dá)2 380.34萬(wàn)人，已非常接近上海市可承載的人口規(guī)模極限.2020年建設(shè)用地規(guī)模目標(biāo)為3 226 km2，這一數(shù)據(jù)將被作為上海市未來(lái)建設(shè)用地的終極規(guī)模，不得突破.

3.1種群屬性計(jì)算方法

城市土地生態(tài)系統(tǒng)中，種群的屬性值設(shè)置非常關(guān)鍵，它直接影響著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程.下面將介紹這些種群屬性值的計(jì)算方法和設(shè)定依據(jù).

(21)

(22)

表4　建設(shè)用地生態(tài)效益變量和社會(huì)效益變量的定義域Tab.4　Domain of ecological variables and social variables

3.2實(shí)驗(yàn)及討論

根據(jù)種群屬性計(jì)算方法，2012年上海市城市土地生態(tài)系統(tǒng)的種群初始屬性值如表6所示.

(1) 城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)評(píng)估.基于表6，使用城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)評(píng)估模型(見(jiàn)式(1))對(duì)上海市2012年建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估.評(píng)估結(jié)果為：經(jīng)濟(jì)效益為20 053.915億元；生態(tài)環(huán)境為“基本平衡”，生態(tài)效益值為70.29；社會(huì)環(huán)境為“良好”，社會(huì)效益值為81.65.評(píng)估結(jié)果基本與上海市現(xiàn)狀吻合.這可以證明，表6中的種群屬性值計(jì)算正確，符合上海市實(shí)際情況.

表5城市規(guī)劃建設(shè)用地分類推薦比例

Tab.5Recommendation rate of urban development land classification

種群占城市建設(shè)用地的比例/%A(Pi)6A(Pi)7P125.0～40.00.400.25P215.0～30.00.300.15P32.0～10.00.100.02P45.0～12.00.120.05P510.0～30.00.300.10P68.0～15.00.150.08P710.0～15.00.150.10

表6　各個(gè)種群初始屬性值

圖3　2012年與2020年建設(shè)用地結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

Fig.3Comparison of urban development land structure between 2010 and 2020 year

從上文優(yōu)化結(jié)果可以看出，相較于上海市2012年建設(shè)用地結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，本文提出的2020年建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可以大幅度提高城市生態(tài)效益值和社會(huì)效益值，并可以減少建設(shè)用地新增規(guī)模,節(jié)約城市建設(shè)用地資源，符合上海市在城市發(fā)展新常態(tài)背景下的城市發(fā)展要求.所以，實(shí)驗(yàn)表明本文提出的城市生態(tài)算法可以很好地解決城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題.

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出“城市土地生態(tài)系統(tǒng)”概念，并給出通過(guò)城市土地生態(tài)系統(tǒng)的自主演化來(lái)解決城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的研究思路.在對(duì)城市土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和自主進(jìn)化機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，從算法的角度出發(fā)，對(duì)城市土地生態(tài)系統(tǒng)的自主演化過(guò)程進(jìn)行建模，提出“城市生態(tài)算法”的概念，并定義城市生態(tài)算法的流程圖和算法步驟.定義城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并使用城市生態(tài)算法進(jìn)行求解.最后，選取上海市的建設(shè)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)證明城市生態(tài)算法可以很好地解決建設(shè)用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題.論文下一步的研究重點(diǎn)是建立科學(xué)的建設(shè)用地社會(huì)效益和生態(tài)效益評(píng)估模型.

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收稿日期：2015-08-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(E050604/51075306);高密度區(qū)域智能城鎮(zhèn)化協(xié)同創(chuàng)新中心種子基金(CIUC20140001);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAF10B01)

通訊作者：郝泳濤(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘與算法分析. E-mail:haoyt@vip.sina.com

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Structure Optimization of Urban Development Land Based on Ecological Algorithm

Lü Tao, HAO Yongtao, WANG Lisheng

(College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804)

Abstract：Drawing on the idea and mechanism of natural ecosystem resolving the optimization problem, the concept of “Urban Land Ecosystem” was proposed. Firstly, the structure and the self-evolvement mechanism of urban land ecosystem were defined. Then, the algorithm model of urban ecosystem’s self-evolvement process—Urban Land Ecosystem Evolutionary Algorithm called urban ecological algorithm for short was established. Lastly, the mathematical model of urban development land structure optimization was set up and could be resolved by the urban ecological algorithm. Shanghai’s urban development land structure optimization was selected as the application example. The experimental results show that the urban ecological algorithm could effectively solve the problem of structure optimization of urban development land.

Key words：evolutionary computation; urban ecological algorithm; land use structure optimization; urban development land; food chain

第一作者： 呂濤(1987—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)槿斯ど?、生態(tài)算法. E-mail:superlvtao@163.com