Báo cáo khoa học: "Phương pháp tối ưu hoá bố trí các thành phần tổ hợp đô thị công trình xã hội và kinh tế quốc dân" pps

Phương pháp tối ưu hoá bố trí các thμnh phần tổ hợp đô thị công trình xã hội vμ kinh tế quốc dân NCS.. Phạm Quang Chiến Viện Hμn lâm khoa học Matxcơva Liên Bang Nga Tóm tắt: Bμi viết

Phương pháp tối ưu hoá bố trí các thμnh phần tổ hợp đô thị công trình

xã hội vμ kinh tế quốc dân

NCS Phạm Quang Chiến

Viện Hμn lâm khoa học Matxcơva Liên Bang Nga

Tóm tắt: Bμi viết nμy danh cho việc đưa ra các phương pháp luận lập dự án thiết kế bộ

mặt không gian (hình học) cho các tổ hợp đô thị hiện đại với các chức năng khác nhau trong

điều kiện thiếu quỹ đất, đây cũng lμ một đặc điểm đặc trưng đối với các thμnh phố lớn như thμnh phố Hμ Nội vμ thμnh phố Hồ Chí Minh Chúng ta sẽ xem xét các bμi toán tối ưu hoá việc

bố trí các thμnh phần mμ chúng đảm bảo việc thực hiện những nhiệm vụ chức năng khi tuân thủ nguyên tắc cực tiểu hoá chi phí để tạo ra các tổ hợp tương tự vμ đảm bảo sự hoạt động của chúng

Summary: This article is to propose methodology for formulation of design projects on

space (geometrical) features of modern urban complexes with various functions in land -insufficient circumstances, which is also typical in large cities such as Hanoi and Ho Chi Minh City We will examine optimal calculations on arrangement of components ensuring functional realization on cost - minimizing principle so as to create similar complexes and ensure their functionality

Việc nghiên cứu những vấn đề liên quan

đến sự nâng cao mức hiệu quả và tự động

hoá các công việc thiết kế liên quan đến việc

lập mô hình toán học, phân tích có hệ thống

và tối ưu hoá diện mạo của những tổ hợp kiến

trúc đô thị có triển vọng xây dựng, cũng như

hiện đại hoá những tổ hợp công trình hiện có,

là một việc hết sức cấp bách và vô cùng quan

trọng về mặt thực tiễn Chỉ có những nghiên

cứu tiên quyết nhờ các mô hình toán học và

các quy trình tối ưu hoá mới cho phép chúng

ta một kết luận khách quan về tính hợp lý của

việc xây dựng các tổ hợp có những đặc tính và

tính chất yêu cầu, trong đó kể cả các đặc tính

và tính chất về kinh tế và điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện kinh tế thị trường Tối ưu hoá các đặc tính tình hình khối và kiến trúc công trình tổ hợp đô thị, cũng như tối ưu hoá hệ thống quản lý và quy hoạch hoá các tổ hợp phải được tiến hành đồng bộ ăn ý, đảm bảo việc đồng bộ hoá các chỉ tiêu (chỉ số) hiệu quả của các khu vực và bộ phận chức năng khác nhau, cũng như các đặc tính kinh

tế trong hoạt động của các tổ hợp đô thị nói chung Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi tính

đến các yếu tố làm việc trong điều kiện kinh tế thị trường, điều này kéo theo sự cần thiết phải tối ưu hoá các chi phí liên quan đến việc thuê

hoặc mua đất nhằm mục đích kinh doanh kinh

tế đô thị, đồng thời có tính đến việc tuân thủ

các chỉ tiêu định mức sinh thái

Bài toán phải giải quyết là các nhiệm vụ

sau: tối giảm chi phí cho việc xây dựng tổ hợp

đô thị mới ở điều kiện bố trí các khu chức

năng và các thành phần của tổ hợp đô thị, xây

dựng một hệ thống giao thông vận tải thuận

lợi, cũng như xây dựng các nhà đón khách

giao thông vận tải bên ngoài Bài toán này

được công thức hoá bằng cách sau:

Giả sử Cnhà máy - là giá thành xây dựng tổ hợp

đô thị mới, Cđất đai - là di rời giải phóng mặt bằng,

Cxây dựng - giá thành xây dựng:

Cnhà máy = Cđất đai + Cxây dựng (1.1)

Nếu như ΠS - diện tích khu vực bố trí tổ

hợp đô thị, còn ΠS1 - là diện tích xây dựng, thì:

Cđất đai = αΠS Cxây dựng = βПS1, α, β = const

(1.2) Giả sử ( )1 (i = 1, n

1 S

Π 1) - là diện tích

của thành phần i của tổ hợp đô thị, mà diện

tích này có thể được bố trí trên tầng một (trên

mặt đất), ( )2

j

S

Π (j = 1, n2) - là diện tích của

thành phần j, mà diện tích này có thể được bố

trí phía bên trên mặt đất (trên không) Khi đó

ta có:

ПS ПS

1

n 1 i

) 1 (

i ≤

∑

=

Giả sử δ1 - là chiều rộng lối đi trên mặt

đất, còn δ2 - là các lối đi bên trên mặt đất (trên

không) Khi đó: ( ) ( 1 ) 1

2 i ) 1 ( 1 i

1 2 i 1 () 1

i ,S d(z ,z ) S

d = ≥δ ,

1

1 1, ,n

i = , i2 =1, ,n1 i1≠i2

Đối với bất kỳ z(i11) И z(i21):

) 1 ( 2 i ) 1 ( 2 i ) 1 ( 1 i ) 1 ( 1

z ∈ ∀ ∈

( ) ( ( 2 )) ( 2 )

2 j ) 2 ( 1 j ) 2 ( 2 j ) 2 ( 1

S

d = ≥δ ,

(1.4)

2

1 1, ,n

j = ,j2 =1, , 2, j ≠1 j2,

) 2 ( j ) 2 ( 2 j ) 2 ( j ) 2 ( 1

z ∈ ∀ ∈

∀

Bài toán thiết kế bộ mặt không gian của

tổ hợp đô thị nhờ việc tối ưu hoá việc bố trí các bộ phận của tổ hợp này sẽ được công chức hoá bằng cách sau: Tìm sự bố trí các thành phần trong khu vực tổ hợp đô thị sao cho:

bố phan theo min S

S+βΠ 1 → Π

α ở điều kiện:

( ) S, S( ) S S

2 1 j

2 j 1

1 i

1

∑

=

=

1 (1.5)

( ) ( )

(S ,S ) ( ),

d i11 i12 ≥δ1

( ) ( )

(S ,S ) ( ), d

i i , n ,

1 i ,

i1 2 = 1 1≠ 2 j12 j22 ≥δ2

∀

2 1 2 2

1,j 1, ,n ,j j

j = ≠

Toàn bộ khu vực tổ hợp có diện tích ΠS bao gồm trong nó các khu vực riêng biệt

S1, , Sn có diện tích ΠS1 ΠSn thành phần với số lượng n (n ≥1) (xem hình 1)

Sn

S y

1 n

1 j

) 2 (

ПS

2

≤

∑

=

(1.3)

S2

S1 S3

O

Hình 1.

Những nguyên tắc của mối liên hệ tương

hỗ của các tập hợp S1 ,Sn và S có thể tiến

hành công thức hoá chúng bằng cách sau: đối

với tất cả i = 1, , n: Si ≤ S, đối với tất cả các i j

= 1, n: Si ∩ Sj = ∅, nếu i ≠ j

Tiêu chuẩn (chuẩn độ) chất lượng phân

bố các thành phần tổ hợp đô thị được đánh

giá theo công thức: F = ΠS - ΣΠSi, công thức

này phải cực tiểu hoá khi có những hạn chế

(giới hạn) hình học: ∀i = 1, n: Si ⊆S;

∀i j = 1 n: Si∩Sj = ∅

Một dạng hạn chế khác được xác định

bởi các đặc điểm hàm xây dựng cấu trúc tổ

hợp đô thị và được công thức trong dạng tập

hợp những hạn chế: Φ

Trong một số dạng khác bài toán tối ưu

hoá có thể được đặt ra như một nhiệm vụ cực

tiểu hoá chuẩn độ (tiêu chuẩn): F1 = ΠS →

min, khi hiện hữu những hạn chế: ∀i = 1, , n:

Si ≤ S; ∀i j = 1, ,n: Si ∩ Sj = ∅ Trong trường

hợp này việc tối ưu hoá được tiến hành theo

tất cả các phân bố S: i = 1 ,n, cũng như theo

tất cả S ∈ {S} - là các tập hợp các hình học

như thế này của cấu hình đã cho (thí dụ các

góc vuông) và điều này sẽ là ∀Si, i = 1, , n:

Si ≤ S

Trong trường hợp khi mà tất cả các tập

hợp là góc vuông và được xác định bởi các

điểm giới hạn với các toạ độ: S = {x, x; y, y}, Si

= {xi, xi, yi, yi}, i - 1, ,n, thì các hạn chế bao

hàm thức và tương giao rỗng được biến đổi

thành các bất đẳng thức tuyến tính thuộc

dạng: ∀iji = 1, , n: x ≤ xi ≤ xi ≤ x, y ≤ yi ≤ yi ≤ y,

đồng thời nếu như xmin = min{xixj} sẽ đạt được

tới i (không có hạn chế tính tổng quát), ∀ij 1,

n: xi ≤ xi ≤ xi: xi < xj, đối với ∀xj : xj ≤ xj ≤ xj

(tương tự như đối với y)

1 (Si, i ∈ {1, , n}) = 0,

i = 1, , m, trong đó Φ1 - là các dạng logíc

(dạng hội - tuyển) mà chúng xác định tính cần

thiết của việc dựng các chuỗi công nghệ - chức năng của tổ hợp đô thị Nếu như giá thành của một đơn vị mét vuông (m2) diện tích

là μ thì tổng giá thành diện tích là μS Như vậy, các tiêu chuẩn F và F1 sẽ biến đổi thành

μF và μF1 - là trường hợp tuyến tính đơn giản hơn cả Trong những trường hợp phức tạp thì giá diện tích mà các phần tử chức năng của tổ hợp đô thị đã dành chiếm là hàm phi tuyến tính M(S) đối với đại lượng diện tích s - điều này phản ánh các yếu tố áp dụng các loại thuế bổ sung đối với các diện tích dư thừa Hơn nữa, hàm giá cả M (•) có thể được tính như một tích phân trên một số hàm giá cả mật

độ μ (x, y): M = ∫∫μ (x, y) đxy

Phương pháp luận nói trên cho phép tổng hợp thuật toán (algorit) tìm giá trị tối ưu của tiêu chuẩn (chuẩn độ) hiệu quả bố trí các phần tử của tổ hợp đô thị Thực chất của nó như sau: Mẫu giả ngẫu nhiên g1 gN các bố trí (phân bố) cho phép được tạo ra trong tập hợp các giải pháp (nghiệm) có thể có {G} Tiếp tục tiến hành tính toán mẫu phù hợp các giá trị tiêu chuẩn (chuẩn độ) F (g1) F (gN) Nhờ các thuật toán nêu trên mà chúng ta có thể tiến hành tính Fopt = Giá trị cuối Fopt được sử dụng trong phương pháp tìm ngẫu nhiên tiếp theo (có thể là tìm kiếm điều khiển được) dưới dạng chuẩn độ dừng quá trình tìm kiếm, thí dụ: theo phương pháp đạt tới việc bố trí (phân bổ) hiện tại tốt nhất g

( )g F min G { g∈

tek đủ gần kể từ điểm hiệu số các giá trị tiêu chuẩn ( )gtek Fopt zad

F ư ≤ε , trong đó εzad - là mức gần yêu cầu cho trước của các giá trị hàm tới hạn đối với việc ước lượng (đánh giá) giá trị

đạt tới tiềm năng Fopt Chúng ta cần lưu ý rằng đặc điểm quan trọng của quy trình mô tả trên đây được áp

dụng trong sự thể hiện thực tiễn của nó đối

với các bài toán thực tế về bố trí sắp xếp các

phần tử tổ hợp đô thị

1 Không có hạn chế tổng quát miền S

có thể được mô hình hoá bằng đa giác liên

thông đơn, nơi mà một trong các cạnh

(thông thường là cạnh kéo dài hơn) hướng

dọc theo đường chuẩn Oxy phù hợp với hệ đa

giác đưa vào của các toạ độ Oxy Các hình

của các phần tử bố trí S1, Sn trình bày bằng

các đa giác có các cạnh (xem hình 2)

2 Mẫu g1, gN được công thức hoá

trong mỗi bước i (i = 1, , N) bằng cách tạo

ngẫu nhiên tính kế tiếp (lần lượt) bố trí các

phần tử S1 Sn trên diện tích S theo quy tắc

xác định nào đó Thí dụ: bố trí từ điểm O, bắt

đầu dọc theo trục Ox tới điểm cắt với biên

(giới hạn) S và tiếp tục bằng cách làm đầy

tầng thiên về hướng tăng các giá trị y, nghĩa là

theo từng lớp (hình 3 - 4) Trong trường hợp

này cho phép tạo ra các vòng quay phần tử Si

đi một góc đã cho

y

0

x

7 5 3 2

1

1 1

1

1 17

1

8

Tác giả bài viết đã thiết kế tổ hợp bằng

computer, nó cho phép thực hiện việc tìm ra

sự bố trí hợp lý đối với các phần tử của tổ hợp

đồ thị Trong trường hợp này các quy trình

riêng biệt sẽ cho phép quản lý quá trình tìm

kiếm, nhà thiết kế sẽ thực hiện bằng cách đưa

các bố trí từng phần tựa mà căn cứ vào đó

nhờ các quy trình tìm kiếm ngẫu nhiên mà đưa

ra các giải pháp quy trình bố trí Điều này

được thực hiện nhờ cố định vị trí và định

hướng các phần tử cơ sở riêng biệt của việc

bố trí trên cơ sở kinh nghiệm thiết kế kiến trúc,

tính hợp lý chức năng v.v… Trong các trường

hợp thực tế điều này cho phép các bài toán sẽ

căn bản giảm được quỹ thời gian cần thiết để

giải quyết toàn bộ những gì liên quan đến việc

bố trí

Hinh 2.

0

y

x

Sj

Si

Hình 3

0 y

x

1 2

1

2

5 2

1

8 7 6

1 4 2

1

1 2

1

1 1

2 2 1

3

2

1

9

1

Hình 4