一种基于人群行为流的城市人群行为数学模型构建方法与流程

本发明涉及城市智能生态规划技术领域，尤其是涉及一种基于人群行为流的城市人群行为数学模型构建方法。

背景技术：

当前国内外有关城市的研究，主要集中于“生长型”城市规划设计研究或生态城市建设规划设计研究：

(1)生长型城市规划，就是运用具有生长特点的城市规划设计方法去描述城市的生长过程。具体来说就是这种规划能够体现和反应城市的动态变化过程且具有可操作意义，能够给城市的未来发展和项目的安排留有灵活的变化调整余地，能够使城市在发展的过程中保持一种持续紧密的合理布局，同时，为了满足城市有小到大的发展需求，能够不断给出城市形态和结构布局的发展方向。

(2)生态城市建设，是指在某一城市区域空间范围内，通过创新设计、优化结构、均衡互补、科学调控、协同演进等科学手段，促进城市资源、环境、经济、社会大系统良性运转，使城市迈向健康、和谐、可持续发展的生态城市发展道路。

我国自上世纪90年代至今十年时间中，其城市生态规划的研究范围、研究对象、研究方法受到世界环境问题发展趋势、城市相关环境治理和相关政策法规的转变的影响和制约，我国城市生态规划不仅在理论、方法还是再实践中都具有明显的时代特征和一定的局限性。

城市的所有结构和功能都是为了满足人的所有需求，而人的所有需求的满足，是通过人的行为来实现的。城市结构的设计和结构优化，必须建立在以人的行为为基础之上，这样城市的结构和功能才能满足人的需求。如何建立自动化的自适应的机制，实现城市结构功能与人的需求的平衡是需要解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于人群行为流的城市人群行为数学模型构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于人群行为流的城市人群行为数学模型构建方法，包括以下步骤：

1)基于城市本体建立城市结构生态数学模型；

2)建立基于人群行为流的城市人群行为数学模型。

所述城市结构生态数学模型包括城市环境模型、城市个体模型、城市种群模型和城市群落模型。

所述城市环境模型ENV为：

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表示环境针对的对象；t表示时刻，初始值为历史上的一天；n表示环境中组成因子的数目；CPN-E表示环境中包含的所有因子，是组成因子CPN_i、组成因子影响权重ω_i、组成因子与对象间的影响关系f(CPN_i,object)的集合。

所述城市个体模型PI-obj为：

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

S_obj＝{是否能搬迁|建筑规模|建筑影响...}

其中，object代表具体城市个体，S_obj代表城市个体的结构信息，F_obj代表城市个体的功能信息，RES_obj代表城市个体本身的限制条件,ENV_-obj代表城市个体所处的环境。

所述城市种群模型PP为：

PP＝{object,n,F_obj，∪PI,ENV-PP}，PI∈PP

式中，object表明是什么城市个体的种群，n为种群中个体数目，F_obj即为城市个体共同的功能，∪object即为城市种群内现有个体的集合，ENV-PP代表城市群落所处的环境。

所述城市群落模型PC为：

PC＝{F，∪PC,∪f(PC),ENV-PC}

其中，F代表城市种群实现的功能，∪PC代表城市群落内所有城市种群的集 合，∪f(PC)表示各城市种群间的关系，ENV-PP代表种群所在的环境。

所述各城市种群间的关系包括共生、共栖、捕食、寄生和竞争。

所述城市人群行为数学模型B具体为：

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

其中，F表示该行为完成的功能，F＝(ΔMAT,ΔE)，ΔMAT用二元组(MAT_in,MAT_out)表示，MAT_in、MAT_out分别指代输入、输出的物质，ΔE表示能量的变化，包括势能、动能、热能之间的转变及能量总量的变化；

其中，PI-Obj是个体集合，代表该行为直接影响的城市个体，f表示城市行为变化函数，是m、n两个城市个体之间的定量联系。

与现有技术相比，本发明通过建立自动化的自适应的机制，实现了城市结构功能与人的需求的平衡，可以用于城市化智能设计。通过本发明方法建立的城市人群行为数学模型能够准确反映城市结构生态系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、城市结构生态系统建模

城市生态系统类似于自然界的生态系统，城市结构生态系统的组成元素分为城市结构类元素和城市环境。

城市环境(Environment,ENV)：城市环境指某一特定城市个体或城市群体周围一切的总和，包括直接或间接影响城市群体生存的各种因素。在城市生态系统中，城市人群是城市生态系统的边界条件(或外部环境)，其特性描述如下：

(1)在城市生态系统中，城市中的医院、商场和学校等是城市生态系统中的一个物种，城市环境是一个相对概念，是对医院、商场和学校等物种构成的种群而言的，除这些种群外其他的都成为其环境。

(2)城市生态系统是一个动态变化的系统，城市环境表述具有时间性。

(3)作为一个生态系统，城市环境中的各城市环境因子不是孤立、单独地存在，而是与其他因子相互联系、相互影响、相互制约，综合性地作用于城市规划。

(4)环境与城市的关系是双向的的，环境作用于城市，而城市也可以反作用于环境，两者相互作用、相互影响。

将整个城市看作一个城市生态系统，对其中的结构，按照功能特性及是否可分拆，将其分为城市个体、城市种群、城市群落三个组织层次。

1)城市个体，即“城市中独立的设备”：组成城市生态系统的的不可分拆的单个构件。城市中独立的设备是组成城市结构的最基本的单位。如，一个医院即为一个城市个体。

2)城市种群，即“某类设备或者建筑”：某一空间中同种类城市个体的集合。具有相同的结构、功能特性的城市个体构成同一种群。如，整个城市系统中的所有学校构成一个种群。

3)城市群落，系统内实现某个功能的城市种群组合。城市群落可以是一个城市个体，也可以是多个城市个体的组合体。在这个组合体中，有一个城市个体起主导作用，它实现既定的动作(或功能)，其他的城市个体只起到辅助作用。

按照完成功能的不同，可将不同城市组成分为：

联接功能：实现不同城市个体的联接，如城市人群中医院联系了医生和病人等；

生活型功能：城市提供给人群居住，商场以及休闲娱乐等功能；

生产型功能：城市提供生产产品的工业区以及办公环境的功能；

辅助性功能：城市提供给人群看病的医院，公安局以及行政区的功能；

其他功能。

城市生态系统中，实现不同功能的城市个体按照一定关系连接在一起，实现整个城市物质的循环、能量的传递。

通过上述城市功能分类，可以清楚地了解到城市系统内城市个体间的物质、能量流动方向。定义城市个体间的关系如下：

(1)城市种群内互助，种群内竞争。

类似于生态系统，城市种群中也存在种群内互助及种群内竞争。

(2)城市规划过程中不同城市个体通过确定的相对运动实现功能。基于这种观点，可定义种群间关系：

1)城市种群共生：城市个体不可单独存在，只有共同存在时可完成相应的功能。

2)城市种群共栖：城市个体可单独存在，但当他们同时存在时，对双方都产生有利影响。

3)城市种群捕食：某种城市个体的物质或能量依赖于另一个城市个体的输出。

4)城市种群寄生：一种城市个体必须与其他城市个体连接，才能完成一定功能。该城市个体不能单独存在，但该城市个体是否存在不影响别的零部件。例：活塞环。

5)城市种群竞争：城市个体实现相同的功能。

2、城市环境系统模型

环境(Environment,ENV)：环境针对于人的多维需求，随时间变化而变化。故环境表达示为

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表示环境针对的对象；t表示时刻，初始值为历史上的一天；n表示环境中组成因子的数目；CPN-E表示环境中包含的所有因子，是组成因子CPN_i、组成因子影响权重ω_i、组成因子与对象间的影响关系f(CPN_i,object)的集合。其中，组成因子指与对象直接相关的城市个体、城市种群、城市群落或其他物质因素，对人的多维需求影响越大，权重越大，对人的多维需求影响关系可定义方程组表示。

3.城市个体系统模型

城市个体(Product Individual,PI)：

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

S_obj＝{是否能搬迁|建筑规模|建筑影响...}

其中，object代表具体城市个体，S_obj代表城市个体的结构信息，F_obj代表城市个体的功能信息，取值范围为生活、生产、辅助等。RES_obj代表城市个体本身的限制条件。ENV_-obj代表城市个体所处的环境，可使用环境表达式表示。

4.城市种群系统模型

城市种群(Product Population,PP)：

PP＝{object,n,F_obj，∪PI,ENV-PP}，PI∈PP

同城市种群的个体具有相同的结构、功能特性，故式中object表明是什么城市个体的种群，n为种群中个体数目，F_obj即为城市个体共同的功能，∪object即为城市种群内现有个体的集合，ENV-PP代表城市群落所处的环境。

5.城市群落系统模型

城市群落(Product Community,PC)：

PC＝{F，∪PC,∪f(PC),ENV-PC}

其中，F代表城市种群实现的功能，∪PC代表城市群落内所有城市种群的集合，∪f(PC)表示各城市种群间的关系，如共生、竞争等，ENV-PP代表种群所在的环境。对于群落内种群间的关系，也可表示为：

城市种群共生：PI₁、PI₂不可单独存在，共同存在时完成功能F。

城市种群共栖：PI₁、PI₂可单独存在，共同存在时对彼此有利且完成功能F。

城市种群捕食：PI₁、PI₂可单独存在，PI₂的输入依赖于PI₁的输出。

城市种群寄生：PI₁依赖于PI₂完成功能F，且PI₁的存在取决于PI₂，PI₂的存在与PI1是否存在无关。

城市种群竞争：PI₁、PI₂均可实现功能F，PI₁的增长导致PI₂的减弱。

6.基于人群行为流的城市人群行为数学模型

本发明认为，城市行为是客观存在的，是由城市个体变化过程及结果所客观表示的。本发明从功能的角度看待城市行为(B)，认为城市功能通过城市行为的执行实现，每一个城市行为都实现某个城市功能，把一定的输入转化成特定的输出，复杂的城市行为可以进一步划分较低层次的城市行为。

定义城市行为：城市行为是城市结构实现城市功能的方式，是城市结构在给定的自然环境状态中的动作或过程，是结构或者预期结构可派生出的属性。城市行为是对操作对象状态的一种改变。

定义城市行为为B，城市行为B的数学表达式为：

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

其中，F表示该行为完成的功能，F＝(ΔMAT,ΔE)，ΔMAT可用二元组(MAT_in,MAT_out)表示，MATin、MATout分别指代输入、输出的物质。ΔE表示能量的变化，包括势能Ep、动能Ek、热能Q之间的转变，及能量总量的变化。

其中，PI-Obj是个体集合，代表该行为直接影响的城市个体。n代表该行为影响的城市个体的数目。f表示城市行为变化函数，是两个城市个体之间的定量联系，真实环境中可使用方程式表示。

有些城市功能由并行发生的行为实现，有些城市功能由串行发生的行为实现，实现任何城市功能的行为序列都是通过城市行为并联和串联组成，而城市行为本身可由较低层次的城市行为通过并联和串联组成。可将并行行为表示为B＝(b1∪b2)，串行行为表示为B＝(B1|B2)。

定义行为流：实现特定功能的行为序列称为该功能的行为流：

BF＝{F,(B|(B∪B))+}

其中F表示该城市行为流完成的功能，同样可使用F＝(ΔMAT,ΔE)表述。B表示一个城市行为，符号“|”表示城市行为间串行进行，前一城市行为结束后，才可执行后面的行为，符号“&”表示行为间并行进行，不存在前后执行顺序，符号“+”表示至少含有一次行为，F是行为流实现的城市功能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。