本發(fā)明涉及城市智能生態(tài)規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于人群行為流的城市人群行為數(shù)學(xué)模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有關(guān)城市的研究，主要集中于“生長(zhǎng)型”城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究或生態(tài)城市建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究：

(1)生長(zhǎng)型城市規(guī)劃，就是運(yùn)用具有生長(zhǎng)特點(diǎn)的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方法去描述城市的生長(zhǎng)過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)就是這種規(guī)劃能夠體現(xiàn)和反應(yīng)城市的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程且具有可操作意義，能夠給城市的未來(lái)發(fā)展和項(xiàng)目的安排留有靈活的變化調(diào)整余地，能夠使城市在發(fā)展的過(guò)程中保持一種持續(xù)緊密的合理布局，同時(shí)，為了滿足城市有小到大的發(fā)展需求，能夠不斷給出城市形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局的發(fā)展方向。

(2)生態(tài)城市建設(shè)，是指在某一城市區(qū)域空間范圍內(nèi)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、均衡互補(bǔ)、科學(xué)調(diào)控、協(xié)同演進(jìn)等科學(xué)手段，促進(jìn)城市資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)大系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)，使城市邁向健康、和諧、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)城市發(fā)展道路。

我國(guó)自上世紀(jì)90年代至今十年時(shí)間中，其城市生態(tài)規(guī)劃的研究范圍、研究對(duì)象、研究方法受到世界環(huán)境問(wèn)題發(fā)展趨勢(shì)、城市相關(guān)環(huán)境治理和相關(guān)政策法規(guī)的轉(zhuǎn)變的影響和制約，我國(guó)城市生態(tài)規(guī)劃不僅在理論、方法還是再實(shí)踐中都具有明顯的時(shí)代特征和一定的局限性。

城市的所有結(jié)構(gòu)和功能都是為了滿足人的所有需求，而人的所有需求的滿足，是通過(guò)人的行為來(lái)實(shí)現(xiàn)的。城市結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，必須建立在以人的行為為基礎(chǔ)之上，這樣城市的結(jié)構(gòu)和功能才能滿足人的需求。如何建立自動(dòng)化的自適應(yīng)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)城市結(jié)構(gòu)功能與人的需求的平衡是需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于人群行為流的城市人群行為數(shù)學(xué)模型構(gòu)建方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于人群行為流的城市人群行為數(shù)學(xué)模型構(gòu)建方法，包括以下步驟：

1)基于城市本體建立城市結(jié)構(gòu)生態(tài)數(shù)學(xué)模型；

2)建立基于人群行為流的城市人群行為數(shù)學(xué)模型。

所述城市結(jié)構(gòu)生態(tài)數(shù)學(xué)模型包括城市環(huán)境模型、城市個(gè)體模型、城市種群模型和城市群落模型。

所述城市環(huán)境模型ENV為：

ENV＝{object,t,n,CPN-E}

$CPN-E=\underset{i=1}{\overset{n}{\∪}}\{{\mathrm{CPN}}_i,{\mathrm{\ω}}_i,f({\mathrm{CPN}}_i,object)\}$

式中，object表示環(huán)境針對(duì)的對(duì)象；t表示時(shí)刻，初始值為歷史上的一天；n表示環(huán)境中組成因子的數(shù)目；CPN-E表示環(huán)境中包含的所有因子，是組成因子CPN_i、組成因子影響權(quán)重ω_i、組成因子與對(duì)象間的影響關(guān)系f(CPN_i,object)的集合。

所述城市個(gè)體模型PI-obj為：

PI-obj＝{object,S_obj,F_obj,RES_obj,ENV-obj}

S_obj＝{是否能搬遷|建筑規(guī)模|建筑影響...}

其中，object代表具體城市個(gè)體，S_obj代表城市個(gè)體的結(jié)構(gòu)信息，F(xiàn)_obj代表城市個(gè)體的功能信息，RES_obj代表城市個(gè)體本身的限制條件,ENV_-obj代表城市個(gè)體所處的環(huán)境。

所述城市種群模型PP為：

PP＝{object,n,F_obj，∪PI,ENV-PP}，PI∈PP

式中，object表明是什么城市個(gè)體的種群，n為種群中個(gè)體數(shù)目，F(xiàn)_obj即為城市個(gè)體共同的功能，∪object即為城市種群內(nèi)現(xiàn)有個(gè)體的集合，ENV-PP代表城市群落所處的環(huán)境。

所述城市群落模型PC為：

PC＝{F，∪PC,∪f(wàn)(PC),ENV-PC}

其中，F(xiàn)代表城市種群實(shí)現(xiàn)的功能，∪PC代表城市群落內(nèi)所有城市種群的集 合，∪f(wàn)(PC)表示各城市種群間的關(guān)系，ENV-PP代表種群所在的環(huán)境。

所述各城市種群間的關(guān)系包括共生、共棲、捕食、寄生和競(jìng)爭(zhēng)。

所述城市人群行為數(shù)學(xué)模型B具體為：

$B=\{F,\underset{i=1}{\overset{n}{\∪}}PI-{\mathrm{obj}}_i,n,\∪f(PI-{\mathrm{obj}}_m,PI-{\mathrm{obj}}_n)\}$

其中，F(xiàn)表示該行為完成的功能，F(xiàn)＝(ΔMAT,ΔE)，ΔMAT用二元組(MAT_in,MAT_out)表示，MAT_in、MAT_out分別指代輸入、輸出的物質(zhì)，ΔE表示能量的變化，包括勢(shì)能、動(dòng)能、熱能之間的轉(zhuǎn)變及能量總量的變化；

其中，PI-Obj是個(gè)體集合，代表該行為直接影響的城市個(gè)體，f表示城市行為變化函數(shù)，是m、n兩個(gè)城市個(gè)體之間的定量聯(lián)系。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)建立自動(dòng)化的自適應(yīng)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了城市結(jié)構(gòu)功能與人的需求的平衡，可以用于城市化智能設(shè)計(jì)。通過(guò)本發(fā)明方法建立的城市人群行為數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確反映城市結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

1、城市結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)建模

城市生態(tài)系統(tǒng)類似于自然界的生態(tài)系統(tǒng)，城市結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的組成元素分為城市結(jié)構(gòu)類元素和城市環(huán)境。

城市環(huán)境(Environment,ENV)：城市環(huán)境指某一特定城市個(gè)體或城市群體周圍一切的總和，包括直接或間接影響城市群體生存的各種因素。在城市生態(tài)系統(tǒng)中，城市人群是城市生態(tài)系統(tǒng)的邊界條件(或外部環(huán)境)，其特性描述如下：

(1)在城市生態(tài)系統(tǒng)中，城市中的醫(yī)院、商場(chǎng)和學(xué)校等是城市生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)物種，城市環(huán)境是一個(gè)相對(duì)概念，是對(duì)醫(yī)院、商場(chǎng)和學(xué)校等物種構(gòu)成的種群而言的，除這些種群外其他的都成為其環(huán)境。

(2)城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)，城市環(huán)境表述具有時(shí)間性。

(3)作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，城市環(huán)境中的各城市環(huán)境因子不是孤立、單獨(dú)地存在，而是與其他因子相互聯(lián)系、相互影響、相互制約，綜合性地作用于城市規(guī)劃。

(4)環(huán)境與城市的關(guān)系是雙向的的，環(huán)境作用于城市，而城市也可以反作用于環(huán)境，兩者相互作用、相互影響。

將整個(gè)城市看作一個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)其中的結(jié)構(gòu)，按照功能特性及是否可分拆，將其分為城市個(gè)體、城市種群、城市群落三個(gè)組織層次。

1)城市個(gè)體，即“城市中獨(dú)立的設(shè)備”：組成城市生態(tài)系統(tǒng)的的不可分拆的單個(gè)構(gòu)件。城市中獨(dú)立的設(shè)備是組成城市結(jié)構(gòu)的最基本的單位。如，一個(gè)醫(yī)院即為一個(gè)城市個(gè)體。

2)城市種群，即“某類設(shè)備或者建筑”：某一空間中同種類城市個(gè)體的集合。具有相同的結(jié)構(gòu)、功能特性的城市個(gè)體構(gòu)成同一種群。如，整個(gè)城市系統(tǒng)中的所有學(xué)校構(gòu)成一個(gè)種群。

3)城市群落，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能的城市種群組合。城市群落可以是一個(gè)城市個(gè)體，也可以是多個(gè)城市個(gè)體的組合體。在這個(gè)組合體中，有一個(gè)城市個(gè)體起主導(dǎo)作用，它實(shí)現(xiàn)既定的動(dòng)作(或功能)，其他的城市個(gè)體只起到輔助作用。

按照完成功能的不同，可將不同城市組成分為：

聯(lián)接功能：實(shí)現(xiàn)不同城市個(gè)體的聯(lián)接，如城市人群中醫(yī)院聯(lián)系了醫(yī)生和病人等；

生活型功能：城市提供給人群居住，商場(chǎng)以及休閑娛樂(lè)等功能；

生產(chǎn)型功能：城市提供生產(chǎn)產(chǎn)品的工業(yè)區(qū)以及辦公環(huán)境的功能；

輔助性功能：城市提供給人群看病的醫(yī)院，公安局以及行政區(qū)的功能；

其他功能。

城市生態(tài)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)不同功能的城市個(gè)體按照一定關(guān)系連接在一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市物質(zhì)的循環(huán)、能量的傳遞。

通過(guò)上述城市功能分類，可以清楚地了解到城市系統(tǒng)內(nèi)城市個(gè)體間的物質(zhì)、能量流動(dòng)方向。定義城市個(gè)體間的關(guān)系如下：

(1)城市種群內(nèi)互助，種群內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)。

類似于生態(tài)系統(tǒng)，城市種群中也存在種群內(nèi)互助及種群內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)。

(2)城市規(guī)劃過(guò)程中不同城市個(gè)體通過(guò)確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)功能?；谶@種觀點(diǎn)，可定義種群間關(guān)系：

1)城市種群共生：城市個(gè)體不可單獨(dú)存在，只有共同存在時(shí)可完成相應(yīng)的功能。

2)城市種群共棲：城市個(gè)體可單獨(dú)存在，但當(dāng)他們同時(shí)存在時(shí)，對(duì)雙方都產(chǎn)生有利影響。

3)城市種群捕食：某種城市個(gè)體的物質(zhì)或能量依賴于另一個(gè)城市個(gè)體的輸出。

4)城市種群寄生：一種城市個(gè)體必須與其他城市個(gè)體連接，才能完成一定功能。該城市個(gè)體不能單獨(dú)存在，但該城市個(gè)體是否存在不影響別的零部件。例：活塞環(huán)。

5)城市種群競(jìng)爭(zhēng)：城市個(gè)體實(shí)現(xiàn)相同的功能。

2、城市環(huán)境系統(tǒng)模型

環(huán)境(Environment,ENV)：環(huán)境針對(duì)于人的多維需求，隨時(shí)間變化而變化。故環(huán)境表達(dá)示為

ENV＝{object,t,n,CPN-E}

$CPN-E=\underset{i=1}{\overset{n}{\∪}}\{{\mathrm{CPN}}_i,{\mathrm{\ω}}_i,f({\mathrm{CPN}}_i,object)\}$

式中，object表示環(huán)境針對(duì)的對(duì)象；t表示時(shí)刻，初始值為歷史上的一天；n表示環(huán)境中組成因子的數(shù)目；CPN-E表示環(huán)境中包含的所有因子，是組成因子CPN_i、組成因子影響權(quán)重ω_i、組成因子與對(duì)象間的影響關(guān)系f(CPN_i,object)的集合。其中，組成因子指與對(duì)象直接相關(guān)的城市個(gè)體、城市種群、城市群落或其他物質(zhì)因素，對(duì)人的多維需求影響越大，權(quán)重越大，對(duì)人的多維需求影響關(guān)系可定義方程組表示。

3.城市個(gè)體系統(tǒng)模型

城市個(gè)體(Product Individual,PI)：

PI-obj＝{object,S_obj,F_obj,RES_obj,ENV-obj}

S_obj＝{是否能搬遷|建筑規(guī)模|建筑影響...}

其中，object代表具體城市個(gè)體，S_obj代表城市個(gè)體的結(jié)構(gòu)信息，F(xiàn)_obj代表城市個(gè)體的功能信息，取值范圍為生活、生產(chǎn)、輔助等。RES_obj代表城市個(gè)體本身的限制條件。ENV_-obj代表城市個(gè)體所處的環(huán)境，可使用環(huán)境表達(dá)式表示。

4.城市種群系統(tǒng)模型

城市種群(Product Population,PP)：

PP＝{object,n,F_obj，∪PI,ENV-PP}，PI∈PP

同城市種群的個(gè)體具有相同的結(jié)構(gòu)、功能特性，故式中object表明是什么城市個(gè)體的種群，n為種群中個(gè)體數(shù)目，F(xiàn)_obj即為城市個(gè)體共同的功能，∪object即為城市種群內(nèi)現(xiàn)有個(gè)體的集合，ENV-PP代表城市群落所處的環(huán)境。

5.城市群落系統(tǒng)模型

城市群落(Product Community,PC)：

PC＝{F，∪PC,∪f(wàn)(PC),ENV-PC}

其中，F(xiàn)代表城市種群實(shí)現(xiàn)的功能，∪PC代表城市群落內(nèi)所有城市種群的集合，∪f(wàn)(PC)表示各城市種群間的關(guān)系，如共生、競(jìng)爭(zhēng)等，ENV-PP代表種群所在的環(huán)境。對(duì)于群落內(nèi)種群間的關(guān)系，也可表示為：

城市種群共生：PI₁、PI₂不可單獨(dú)存在，共同存在時(shí)完成功能F。

城市種群共棲：PI₁、PI₂可單獨(dú)存在，共同存在時(shí)對(duì)彼此有利且完成功能F。

城市種群捕食：PI₁、PI₂可單獨(dú)存在，PI₂的輸入依賴于PI₁的輸出。

城市種群寄生：PI₁依賴于PI₂完成功能F，且PI₁的存在取決于PI₂，PI₂的存在與PI1是否存在無(wú)關(guān)。

城市種群競(jìng)爭(zhēng)：PI₁、PI₂均可實(shí)現(xiàn)功能F，PI₁的增長(zhǎng)導(dǎo)致PI₂的減弱。

6.基于人群行為流的城市人群行為數(shù)學(xué)模型

本發(fā)明認(rèn)為，城市行為是客觀存在的，是由城市個(gè)體變化過(guò)程及結(jié)果所客觀表示的。本發(fā)明從功能的角度看待城市行為(B)，認(rèn)為城市功能通過(guò)城市行為的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)城市行為都實(shí)現(xiàn)某個(gè)城市功能，把一定的輸入轉(zhuǎn)化成特定的輸出，復(fù)雜的城市行為可以進(jìn)一步劃分較低層次的城市行為。

定義城市行為：城市行為是城市結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)城市功能的方式，是城市結(jié)構(gòu)在給定的自然環(huán)境狀態(tài)中的動(dòng)作或過(guò)程，是結(jié)構(gòu)或者預(yù)期結(jié)構(gòu)可派生出的屬性。城市行為是對(duì)操作對(duì)象狀態(tài)的一種改變。

定義城市行為為B，城市行為B的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

$B=\{F,\underset{i=1}{\overset{n}{\∪}}PI-{\mathrm{obj}}_i,n,\∪f(PI-{\mathrm{obj}}_m,PI-{\mathrm{obj}}_n)\}$

其中，F(xiàn)表示該行為完成的功能，F(xiàn)＝(ΔMAT,ΔE)，ΔMAT可用二元組(MAT_in,MAT_out)表示，MATin、MATout分別指代輸入、輸出的物質(zhì)。ΔE表示能量的變化，包括勢(shì)能Ep、動(dòng)能Ek、熱能Q之間的轉(zhuǎn)變，及能量總量的變化。

其中，PI-Obj是個(gè)體集合，代表該行為直接影響的城市個(gè)體。n代表該行為影響的城市個(gè)體的數(shù)目。f表示城市行為變化函數(shù)，是兩個(gè)城市個(gè)體之間的定量聯(lián)系，真實(shí)環(huán)境中可使用方程式表示。

有些城市功能由并行發(fā)生的行為實(shí)現(xiàn)，有些城市功能由串行發(fā)生的行為實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)任何城市功能的行為序列都是通過(guò)城市行為并聯(lián)和串聯(lián)組成，而城市行為本身可由較低層次的城市行為通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)組成?？蓪⒉⑿行袨楸硎緸锽＝(b1∪b2)，串行行為表示為B＝(B1|B2)。

定義行為流：實(shí)現(xiàn)特定功能的行為序列稱為該功能的行為流：

BF＝{F,(B|(B∪B))+}

其中F表示該城市行為流完成的功能，同樣可使用F＝(ΔMAT,ΔE)表述。B表示一個(gè)城市行為，符號(hào)“|”表示城市行為間串行進(jìn)行，前一城市行為結(jié)束后，才可執(zhí)行后面的行為，符號(hào)“&”表示行為間并行進(jìn)行，不存在前后執(zhí)行順序，符號(hào)“+”表示至少含有一次行為，F(xiàn)是行為流實(shí)現(xiàn)的城市功能。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。