СИСТЕМА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ В.Г. Горбачев

СИСТЕМА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ГОРОДСКОЙ
ТЕРРИТОРИИ
В.Г. Горбачев1, Т.Э. Назыров2
Центр Системных Исследований "Интегро", 2Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, г.Уфа
1
В настоящее время резко возрастает актуальность задачи моделирования процессов городского хозяйства с
целью анализа и прогноза развития городской территории и влияния на это развитие тех или иных управленческих
решений местной власти. Городская власть в некоторых проблемных городах уже созрела для использования в своей работе систем моделирования градостроительных систем, поскольку управленческие ошибки в этой области
крайне дороги и часто ведут к необратимым изменениям в городской структуре. Кроме того, весьма значительные
суммы составляют затраты на формирование генпланов городов и градостроительной документации. Так ручная
разработка генплана миллионного города составляет величину порядка 40 млн. руб. в течение пяти лет и последующего – раз в четыре года корректировки стоимостью в 4 млн. руб. Хотя бы частичная автоматизация процесса
разработки генплана ведет к экономии только на этом документе в среднем 5 млн. руб. ежегодно.
В рамках комплексных муниципальных систем, которые получили развитие в некоторых городах России, в
т.ч. в Уфе, уже накоплены достаточно представительные базы данных, созданы первые геоинформационные системы (ГИС). Поэтому задача создания систем моделирования городской территории уже сегодня может иметь решение, которое будет полезным для практики городского управления.
Создание комплексной концептуальной ИМИТАЦИОННОЙ модели городской среды на основе геоинформационной системы (ГИС) – актуальная проблема в решении задач повышения эффективности управления городским хозяйством и процессами эволюционного развития городской территории на основе анализа и прогноза развития городских процессов.
Центр системных исследований «Интегро» (г.Уфа, www.integro.ru) приступил к разработке технологии
имитационного моделирования градостроительной системы.
Объектом моделирования в работе является градостроительная система (город) вместе с системой управления городской территорией.
Характеристики города как естественной эволюционирующей системы:
1)
Город рассматривается как сложная эволюционирующая слабоструктурированная система, методологией
исследования которой является системный подход.
2)
Город – социальная система, поэтому в ней доминируют и учитываются природные и психологические и др.
факторы, связанные с интересами людей. При принятии решений необходимо учитывать долгосрочные интересы общества. Уровень развития города призван, в первую очередь, обеспечивать условия воспроизводства человеческой жизни и личности, а во вторую очередь – привлечь в город инвестиции, которые также
оказывают существенное влияние на жизнь города.
3)
Город – динамическая система. Необходимо изучать динамику развития системы, проводить анализ процессов роста, с учетом общего жизненного цикла города и его частей (население, предприятия, жилой фонд и
др.)
4)
Городская среда характеризуется высоким разнообразием функциональных элементов.
5)
Городские процессы пространственно распределены в городской среде, поэтому базовой моделью городского хозяйства должна быть пространственная модель.
Система имитационного моделирования градостроительных систем основывается на следующих принципах:
- Принцип моделируемости: сложная градостроительная система представима конечным множеством моделей,
каждая из которых отражает определенную грань ее сущности.
- Принцип дискретности
- Принцип дискретности моделей элементов градостроительной системы: каждый реальный объект градостроительной системы представляется дискретной имитационной моделью его поведения и пространственной структурой в дискретном модельном пространстве\времени.
- Принцип дискретности модельного пространства: модельное пространство, в котором размещаются элементы,
представляется конечным множеством дискретов.
- Принцип дискретности модельного времени: процесс функционирования элементов полностью определяется
изменениями, происходящими в элементах в дискретные моменты модельного времени.
- Принцип автономности
- Принцип функциональной автономности элемента: математическая модель элемента описывает поведение
элемента как целого независимо от способа соединения с другими элементами сети.
3
Постулат темпоральной автономности элемента: результаты функционирования элементов не зависят от порядка (последовательности) их исполнения на текущем моменте модельного времени.
- Принцип локализации функций: преобразование материальных, энергетических и информационных потоков
происходит только в элементах системы.
- Принцип пространственной локализации: элемент в любой момент дискретного времени занимает конечное
число дискретов модельного пространства.
Основными элементами градостроительной системы являются пространство/время (территория), ресурсы,
функциональные объекты и события.
Анализ существующего множества объектов градостроительной среды показал, что все они адекватно описываются многослойными дискретными клеточными автоматами (ДКА), функционирующими в дискретном метрическом пространстве. Таким образом, каждый объект на территории города – движимый или недвижимый – представляется дискретным клеточным автоматом, либо хранящим, либо перерабатывающим, либо переносящим
(транспортирующим) некоторые ресурсы по территории города. Для каждого ДКА определена программная модель, имитирующая поведение соответствующего класса реальных объектов. Клеточные автоматы имеют пространственную форму (возможно, изменчивую) и функционируют («живут») в дискретном модельном метрическом
пространстве. В этом пространстве могут возникать события, влияющие на поведение ДКА. Модельное метрическое пространство реализовано в среде известной отечественной геоинформационной системы (ГИС) «ИнГЕО».
Регулирование поведения всех ДКА в модельном пространстве, а также путей эволюционного развития
территории строится на основе градостроительной модели города, определяемой градостроительной документацией (генплан, проекты планировки районов). Модель зонального регламента города определяет ограничения на
функциональное использование имеющихся объектов недвижимости (функциональные объекты), а также их допустимые физические характеристики.
Структура типового модуля системы.
Программные модели поведения функциональных систем, составляющих градостроительную систему, будем называть модулями. Поведение класса модулей определяется имитационной моделью поведения модуля в модельном пространстве-времени. Все модули имеют типовую архитектуру, представленную на рисунке 1.
Каждый модуль в общем случае определяет закономерности некоторой среды (для элементарных модулей
внутренней среды нет). В рамках каждого модуля определены:
- внутреннее модельное пространство;
- внутреннее модельное время;
- микромодули (модули следующего уровня вложенности, образующие внутреннюю среду);
- порты для обмена информацией между
данным модулем и модулями внешней
для него среды.
Модуль может входить в состав метамодуля как часть последнего.
Модули одного уровня функционируют параллельно. Это означает, что на
каждом шаге модельного времени метамодуль последовательно передает управление
своим микромодулям, чтобы они выполнили процедуры преобразования данных на
текущем шаге.
Модуль выполняется тогда, когда
во всех его входных портах есть все необходимые для выполнения данные. После
передачи метамодулем управления одному
из модулей его внутренней среды, последний обрабатывает данные в портах и заверРис. 1. Структура типового модуля
шается, возвращая управление метамодулю.
Свойства модельного пространства:
- метрическое пространство является дискретным и состоит из одинаковых пространственных дискретов;
- метрическое пространство трехмерно;
- дискеты пространства могут занимать объекты
Каждый объект (ДКА) кроме множества пространственных дискретов, к ресурсам которых он имеет доступ, связан с объектами-соседями топологическими связями, отражающими каналы потоков ресурсов, которыми
могут обмениваться объекты. Эти связи позволяют формировать структуры данных для использования специальных методов расчета модели на основе, например, графовых моделей. Структура каждого дискрета пространства
-
4
одинакова и отражает естественную слоистый характер размещения объектов в реальном пространстве (геологические объекты, земная поверхность, недвижимые объекты, движимые объекты, атмосферные объекты и др.).
Модельные представления городского хозяйства в целом в рамках рассматриваемой системы имитационного моделирования основываются на основных экономических и налоговых регуляторах. Роль концептуальных
констант модельной среды играет соответствующая федеральная, областная и городская нормативная база. Основными воздействиями регулирующего характера являются конкретные решения системы городского управления.
Кроме того, система имитационного моделирования интегрирована с опросной системой в Интернет, что позволяет
учитывать в моделях развития города текущие конъюнктурные и общие традиционные для города психологические
характеристики населения и его отдельных групп.
Моделирующая система состоит из двух подсистем – системы конструирования модельной среды города и
интерпретирующей подсистемы, оперирующая поведенческими моделями ДКА.
Базовая Интернет-система, обеспечивающая сбор, обработку и хранение информации о реальном состоянии территории г. Уфы (система «МОНИТОРИНГ»), развернута сегодня в Главархитектуре администрации г. Уфы
и используется управлением для сбора информации о городских процессах. Эта информация будет использована
для калибровки моделей города и его подсистем.
5