Агентно-ориентированная модель динамики города с использованием гис-технологий

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Целью работы является моделирование динамики города с использованием комбинированных технологий: агентного подхода, методов системной динамики и ГИС-технологий. Компьютерная модель может быть применена как инструмент поддержки принятия решения в управлении городскими системами. Представлены концептуальная модель динамики города и технология ее реализация в среде ПО AnyLogic, а также проведено исследование влияния изменения уровня комфорта районов на динамику населения города.

Полный текст

С середины XX века наблюдается неконтролируемый рост городов и населения, увеличение динамики социально-демографических процессов. Урбанизация повышает качество жизни населения, но вместе с тем порождает демографические, социально-экономические, экологические, а также градостроительные проблемы. Анализ и прогнозирование динамики социально-экономического развития городов является актуальным вопросом в управлении и стратегическом планировании. Проведение практических экспериментов с реальными городами невозможно ввиду опасности и затратности, однако существуют технологии, позволяющие создать симуляцию различных вариантов стратегий управления с помощью имитационных математических моделей. Имитационный подход в настоящее время активно применяется при моделировании территориальных систем, в частности городских.

Моделированию динамики развития города посвящены работы многих исследователей, например знаменитая I.S. Lowry «Мodel of the Metropolis, 1964» [1], в которой формализована компьютерная модель динамики города. В работе M. Wegener, F. Fürst «Land-Use Transport Interaction: State of the Art, 2004» [2] представлено подробное описание различных моделей динамики города и принципов их функционирования. Моделирование процесса взаимодействия населения с городской средой описано в работах
M. Batty, Iacono, M. Levinson [3, 4]. Социально-демографические процессы и их моделирование описывали такие ученые, как B. Farooq, E. J. Miller (2012), M. de Bok. Динамические модели развития города, основанные на концепции системной динамики, были предложены Дж. Форрестером в 60-х годах прошлого века. Системно-динамические модели на практике оказались легче реализуемыми и, как следствие, наиболее распространенными. К недостаткам динамических моделей можно отнести отсутствие учета территориальной взаимосвязи между подсистемами города, а также произвольность выбора нелинейных зависимостей между подсистемами города [9].

В данной статье описывается методика создания и реализации модели урбанистической динамики с использованием комбинированных технологий: агентного подхода, методов системной динамики и ГИС-технологий. Представленная модель отражает динамику перемещения населения между районами города в зависимости от уровня комфорта района, при этом население представлено в виде агентов, помещенных в среду системной динамики и взаимодействующих с ней. Информационное наполнение модели осуществлялось на примере города Ханты-Мансийска.

1. Описание концептуальной схемы

Произведем формальное описание модели. Город разделен на семь районов (зон), каждый из которых наделен параметрами:

  1. Уровень комфорта (комплексный показатель, отражающий привлекательность района с точки зрения населения).
  2. Вместимость района (максимальное количество единиц населения в районе).

Уровень комфорта представлен в виде переменной величины, которую можно задать индивидуально для каждого района и изменить в ходе эксперимента. Вместимость района является фиксированной величиной, которая задается в параметрах модели и неизменна в ходе эксперимента.

В рамках модели население представлено в виде агентов, которые представляют граждан города, распределённых по районам. Гражданин (агент) является центральной частью этой модели, каждый человек проживает в определенном районе, соответствующем его требованию к уровню комфорта. Будучи закрепленным за определенным районом, гражданин в каждую единицу модельного времени анализирует уровень комфорта других районов и принимает решение о переезде в другой район. Если в другом районе есть свободные дома и уровень комфорта выше текущего района гражданина (агента), он изменит свое место жительства. Потоки между запасами занятых и доступных домов в районах города контролируются агентами: в случае перемещения агента соответствующие запасы увеличиваются в одном и уменьшаются в другом районе. На рисунке 1 представлен алгоритм принятия решения агентом (гражданином) о смене района города.

 

Рисунок 1 – Алгоритм принятия решения о смене агентом (гражданином) района

 

Районы города в модели представлены в виде полигональных объектов, отраженных на карте города, каждый из которых имеет определенную величину вместимости единиц населения (жилых домов) и заданное значение уровня комфорта. Город и районы формализованы в виде объектов системной динамики, население распределено между районами города, являющихся накопителями, а потоки между накопителями отражают перемещение населения между районами. На рисунке 2 отражена логическая схема модели системной динамики, отражающей перемещение граждан (агентов) между районами города в зависимости от уровня его комфорта

 

Рисунок 2 – Алгоритм принятия решения о смене агентом (гражданином) района

 

2. Реализация схемы в среде AnyLogic

Для реализации комбинированной модели было выбрано ПО AnyLogic, которое позволяет создавать гибридные имитационные модели, с помощью агент-ориентированного подхода можно представить граждан в виде виртуальных агентов, а инфраструктуру города как объекты системной динамики.

Численность агентов фиксирована и описывается переменной TotalPopulation. Общая площадь города (TotalArea) разбита на районы города (District), которые в свою очередь, будучи полигональными объектами, имеют определённую площадь (AreaFraction), часть которой отведена для заселения гражданами. В модели доступная для заселения часть (affordableFraction) площади описывается равномерным распределением. Также для каждого района установлено значение площади района Area и коэффициента свободных домов HousesRedundancy. При принятии решения о переезде учитываются несколько параметров: уровень комфорта района (comfort), лояльность (loyaltyDelta) – параметр, отражающий коэффициент того, насколько лоялен к переезду гражданин (агент), а также значимость комфорта (weightComfort) – параметр, определяющий, насколько важен для гражданина (агента) уровень комфорта.

Количество домов для каждого из районов определяется по формуле:

  • Houses = TotalPopulation*AreaFraction[District]*HousesRedundancy.

Формула для расчета доли площади района от общей площади города AreaFraction[District]:

  • AreaFraction = Area[District]/TotalArea.

Скорость движения граждан (агентов) задается с помощью формулы:

  • 100/getScale().pixelsPerUnit(METER)/86400 м/с.

Для проведения экспериментов были установлены следующие значения входных параметров:

  • единица модельного времени – 1 мес.;
  • TotalPopulation = 10000;
  • affordableFraction = uniform (0.3, 0.5);
  • loyaltyDelta (лояльность) = 0.1;
  • weightComfort (значимость комфорта) = 0.5;
  • HousesRedundancy (коэффициент свободных домов)=1.2;
  • также заданы начальные значения уровня комфорта каждого района.

В ходе исследования была протестирована работа модели, устойчивость, адекватность, выявлена чувствительность, произведена калибровка, проведен ряд экспериментов. На рисунке 3 представлен снимок экрана созданной модели в ПО Anylogic.

 

Рисунок 3 – Интерфейс модели

 

3. Заключение

Применение технологий имитационного моделирования позволяет комплексно и многопланово проводить оценку влияния изменения уровня комфорта районов на динамику населения города. Описанная методика реализации модели урбанистической динамики с использованием комбинированного агентного подхода и методов системной динамики позволила на примере города Ханты-Мансийска моделировать динамику населения в виде граждан-агентов, распределённых по районам города, представленных в виде объектов системной динамики. В качестве перспектив исследования предполагается дальнейшее усовершенствование модели за счет ввода дополнительных параметров и логических схем.

×

Об авторах

Сергей Петрович Семёнов

Югорский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ssp@ugrasu.ru

Кандидат физико-математических наук; Доцент Института цифровой экономики Югорского государственного университета

Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16

Виктор Владимирович Славский

Югорский государственный университет

Email: slavsky2004@mail.ru

Доктор физико-математических наук; Ведущий научный сотрудник Института цифровой экономики

Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16

Артём Олегович Ташкин

Федеральное автономное учреждение "Главное управление государственной экспертизы"

Email: anozer_sky@mail.ru

Главный инженер отдела информационных технологий

Россия, г. Ханты-Мансийск

Список литературы

  1. Lowry, I. S. A Model of Metropolis [Text] : Research Report RM-4125-RC / I. S. Lowry. – Santa Monica : Rand Corporation, 1964. – 150 p.
  2. Wegener, M. Land-Use Transport Interaction: State of the Art [Text] / M. Wegener,
  3. F. Furst. – Econ papers, 2004. – 119 p.
  4. Batty, M. Fifty Years of Urban Modeling: Macro-Statics to Micro-Dynamics [Text] /
  5. M. Batty // The Dynamics of Complex Urban Systems / editors S. Albeverio [et al.]. – New York : Phisica-Verlag, 2008. – Pp. 1–20.
  6. Iacono, M. Models of Transportation and Land Use Change: A Guide to the Territory [Text] / M. Iacono, D. Levinson, A. El-Genedy // Journal of Planning Literature OnlineFirst. – 2008. – Vol. 4. – № 4. – Pp. 323–340.
  7. Семенов, С. П. Разработка имитационной модели геоинформационной системы для маломобильных групп населения [Текст] / С. П. Семенов, В. В. Славский, А. О. Ташкин // Вестник Югорского государственного университета. – 2017. – Вып. 3 (46). – С. 78–85.
  8. Семенов, С. П. Анализ информационных ресурсов, направленных на удовлетворение информационных потребностей людей с ограниченными возможностями [Текст] / С. П. Семенов, В. В. Славский, А. О. Ташкин // Вестник НГУ. Серия: Информационные техноло гии. – 2016. – Т. 14. – Вып. № 1. – С. 115.
  9. Семенов, С. П. Методика разработки геоинформационной системы для маломобильных граждан [Электронный ресурс] / С. П. Семенов, А. О. Ташкин. – Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/115- 12206 (дата обращения: 15.12.2018).
  10. Семенов, С. П. Интерактивная геоинформационная система для маломобильных граждан [Текст] / С. П. Семенов, А. О. Ташкин // Ломоносовские чтения на Алтае: фундаментальные проблемы науки и образования : сборник научных статей международной конференции, Барнаул, 20-24 октября 2015. – Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2015. – С. 1007–1010.
  11. Форрестер, Дж. Динамика развития города [Текст] / Дж. Форрестер. – Москва : Прогресс, 1974. – 287 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок 1 – Алгоритм принятия решения о смене агентом (гражданином) района

Скачать (65KB)
Метаданные
3. Рисунок 2 – Алгоритм принятия решения о смене агентом (гражданином) района

Скачать (34KB)
Метаданные
4. Рисунок 3 – Интерфейс модели

Скачать (95KB)
Метаданные

© Семёнов С.П., Славский В.В., Ташкин А.О., 2019

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.