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

Phơng pháp tối u hoá bố trí
các thnh phần tổ hợp đô thị công trình
xã hội v kinh tế quốc dân


NCS. Phạm Quang Chiến
NCS
. Lê minh hùng
Viện Hn lâm khoa học Matxcơva
Liên Bang Nga

Tóm tắt: Bi viết ny danh cho việc đa ra các phơng 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 l một đặc điểm đặc trng đối với các thnh phố lớn nh
thnh phố H Nội v thnh phố Hồ Chí Minh. Chúng ta sẽ xem xét các bi toán tối u hoá việc
bố trí các thnh phần m 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 tơng tự v 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 u hoá diện mạo của những tổ hợp kiến

trúc đô thị có triển vọng xây dựng, cũng nh
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 u 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 trờng.
Tối u hoá các đặc tính tình hình khối và kiến
trúc công trình tổ hợp đô thị, cũng nh tối u
hoá hệ thống quản lý và quy hoạch hoá các tổ
hợp phải đợc 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 nh 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 trờng, điều này kéo theo sự cần thiết phải
tối u 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 nh xây dựng các nhà đón khách
giao thông vận tải bên ngoài. Bài toán này
đợc công thức hoá bằng cách sau:
Giả sử C
nhà máy
- là giá thành xây dựng tổ hợp
đô thị mới, C
đất đai
- là di rời giải phóng mặt bằng,
C
xây dựng
- giá thành xây dựng:
C
nhà máy
= C
đất đai
+ C
xây dựng
(1.1)
Nếu nh S - diện tích khu vực bố trí tổ
hợp đô thị, còn S
1
- là diện tích xây dựng, thì:
C
đất đai
= S. C
xây dựng
= S

1
, , = const
(1.2)
Giả sử (i = 1, n
()
1
1
S
1
) - là diện tích
của thành phần i của tổ hợp đô thị, mà diện
tích này có thể đợc bố trí trên tầng một (trên
mặt đất),
(
)
2
j
S
(j = 1, n
2
) - là diện tích của
thành phần j, mà diện tích này có thể đợc bố
trí phía bên trên mặt đất (trên không). Khi đó
ta có:
SS
1
n
1i
)1(
i

=

Giả sử
1
- là chiều rộng lối đi trên mặt
đất,
còn
2
- là các lối đi bên trên mặt đất (trên
không). Khi đó:
(
)
1)1(
2i
)1(
1i
1
2i
1()
1i
)z,z(dS,Sd =
,
11
n, ,1i = ,
2112
iin, ,1i = .
Đối với bất kỳ :
)1(

1i
z

)1(
2i
z
)1(
2i
)1(
2i
)1(
1i
)1(
1i
Sz,Sz
,
(
)
(
)
)2()2(
2j
)2(
1j
)2(
2j
)2(
1j
z,zdS,Sd =
,

(
1.4
)
21
n, ,1j
=
, 2n, ,1j
2
=
, ,
21
jj
)2(
j
)2(
2j
)2(
j
)2(
1j
Sz,Sz
.
Bài toán thiết kế bộ mặt không gian của
tổ hợp đô thị nhờ việc tối u hoá việc bố trí
các bộ phận của tổ hợp này sẽ đợc 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
minSS

1



+


ở điều kiện:
() ( )
SS,SS
2n
1j
2
j
1n
1i
1
i


==
1
(1.5)
(
)
(
)
(
)
(

)
,S,Sd
1
1
2i
1
1i


(
)
(
)
(
)
(
)
,S,Sdii,n, 1i,i
2
2
2j
2
1j
21121
=

21221
jj,n, ,1j,j

=

.
Toàn bộ khu vực tổ hợp có diện tích S
bao gồm trong nó các khu vực riêng biệt
S
1
, , S
n
có diện tích S
1
S
n
thành phần
với số lợng n (n 1) (xem hình 1).



S
n
S
y
1
n
1j
)2(
j
SS
2

=
(
1.3
)


S
2


S
1
S
3


O
Hình 1.
Những nguyên tắc của mối liên hệ tơng

hỗ của các tập hợp S
1
,S
n
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 lợng phân
bố các thành phần tổ hợp đô thị đợc đánh

giá theo công thức: F = S - Si, 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: SiSj = .

Một dạng hạn chế khác đợc xác định
bởi các đặc điểm hàm xây dựng cấu trúc tổ
hợp đô thị và đợc công thức trong dạng tập
hợp những hạn chế:
Trong một số dạng khác bài toán tối u
hoá có thể đợc đặt ra nh một nhiệm vụ cực
tiểu hoá chuẩn độ (tiêu chuẩn): F1 = S
min, khi hiện hữu những hạn chế: i = 1, , n:
Si S; i j = 1, ,n: Si Sj = . Trong trờng
hợp này việc tối u hoá đợc tiến hành theo
tất cả các phân bố S: i = 1 ,n, cũng nh theo
tất cả S {S} - là các tập hợp các hình học
nh thế này của cấu hình đã cho (thí dụ các
góc vuông) và điều này sẽ là S
i
, i = 1, , n:
Si S.
Trong trờng hợp khi mà tất cả các tập
hợp là góc vuông và đợc xác định bởi các
điểm giới hạn với các toạ độ: S = {x, x; y, y}, Si
= {x
i
, x
i
, y

i
, y
i
}, i - 1, ,n, thì các hạn chế bao
hàm thức và tơng giao rỗng đợc biến đổi
thành các bất đẳng thức tuyến tính thuộc
dạng: iji = 1, , n: x x
i
x
i
x, y y
i
y
i
y,
đồng thời nếu nh x
min
= min{x
i
x
j
} sẽ đạt đợc
tới i (không có hạn chế tính tổng quát), ij 1,
n: x
i
x
i
x
i
: x

i
< x
j
, đối với x
j
: x
j
x
j
x
j

(tơng tự nh đối với y).
1
(S
i
, i {1, , n}) = 0,
i = 1, , m, trong đó
1
- 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 nh giá
thành của một đơn vị mét vuông (m
2
) diện tích
là thì tổng giá thành diện tích là S. Nh
vậy, các tiêu chuẩn F và F
1
sẽ biến đổi thành

F và F
1
- là trờng hợp tuyến tính đơn giản
hơn cả. Trong những trờng 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 lợng diện tích s - điều
này phản ánh các yếu tố áp dụng các loại
thuế bổ sung đối với các diện tích d thừa.
Hơn nữa, hàm giá cả M () có thể đợc tính
nh một tích phân trên một số hàm giá cả mật
độ (x, y): M = (x, y) đxy.
Phơng pháp luận nói trên cho phép tổng
hợp thuật toán (algorit) tìm giá trị tối u của
tiêu chuẩn (chuẩn độ) hiệu quả bố trí các
phần tử của tổ hợp đô thị. Thực chất của nó
nh sau: Mẫu giả ngẫu nhiên g
1
g
N
các bố
trí (phân bố) cho phép đợc 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 (g
1
) F (g
N
).
Nhờ các thuật toán nêu trên mà chúng ta có

thể tiến hành tính F
opt
= . Giá trị cuối
Fopt đợc sử dụng trong phơng pháp tìm
ngẫu nhiên tiếp theo (có thể là tìm kiếm điều
khiển đợc) dới dạng chuẩn độ dừng quá
trình tìm kiếm, thí dụ: theo phơng pháp đạt
tới việc bố trí (phân bổ) hiện tại tốt nhất g
()
gFmin
G{g
tek
đủ
gần kể từ điểm hiệu số các giá trị tiêu chuẩn
(
)
zadopttek
FgF
, trong đó
zad
- là mức
gần yêu cầu cho trớc của các giá trị hàm tới
hạn đối với việc ớc lợng (đánh giá) giá trị
đạt tới tiềm năng F
opt
.
Chúng ta cần lu ý rằng đặc điểm quan
trọng của quy trình mô tả trên đây đợc 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 đợc mô hình hoá bằng đa giác liên
thông đơn, nơi mà một trong các cạnh
(thông thờng là cạnh kéo dài hơn) hớng
dọc theo đờng chuẩn O
xy
phù hợp với hệ đa
giác đa vào của các toạ độ O
xy.
Các hình
của các phần tử bố trí S
1
, S
n
trình bày bằng
các đa giác có các cạnh (xem hình 2).
2. Mẫu g
1
, g
N
đợc công thức hoá
trong mỗi bớc i (i = 1, , N) bằng cách tạo
ngẫu nhiên tính kế tiếp (lần lợt) bố trí các
phần tử S
1
S
n
trên diện tích S theo quy tắc

xác định nào đó. Thí dụ: bố trí từ điểm O, bắt
đầu dọc theo trục O
x
tới điểm cắt với biên
(giới hạn) S và tiếp tục bằng cách làm đầy
tầng thiên về hớng tăng các giá trị y, nghĩa là
theo từng lớp (hình 3 - 4). Trong trờng hợp
này cho phép tạo ra các vòng quay phần tử S
i

đi một góc đã cho.
y
0
x
7
5
3
2
1
1
1
1
1
1
1
17
1 2
1
8
6

4
9
15
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 trờng hợp này các quy trình
riêng biệt sẽ cho phép quản lý quá trình tìm
kiếm, nhà thiết kế sẽ thực hiện bằng cách đa
các bố trí từng phần tựa mà căn cứ vào đó
nhờ các quy trình tìm kiếm ngẫu nhiên mà đa
ra các giải pháp quy trình bố trí. Điều này
đợc thực hiện nhờ cố định vị trí và định
hớng 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 trờng
hợp thực tế điều này cho phép các bài toán sẽ
căn bản giảm đợc quỹ thời gian cần thiết để
giải quyết toàn bộ những gì liên quan đến việc
bố trí.
Hinh 2.
0
y
x
S
j
S
i
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.