本發(fā)明屬于空間選址技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種設(shè)施選址優(yōu)化算法，特別涉及一種基于手機(jī)用戶群體活動(dòng)和空間結(jié)構(gòu)有機(jī)耦合的城市空間設(shè)施選址優(yōu)化方法。

技術(shù)背景

設(shè)施選址(facilitylocation)研究如何布置一個(gè)或多個(gè)設(shè)施，從而最佳的滿足潛在的客戶需求，是空間經(jīng)濟(jì)、區(qū)域科學(xué)、城市規(guī)劃和運(yùn)籌學(xué)等領(lǐng)域的重要課題。合理的設(shè)施選址是優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)人和城市和諧發(fā)展的關(guān)鍵手段。設(shè)施選址問(wèn)題通常受到人口分布、土地利用、交通網(wǎng)絡(luò)、市場(chǎng)環(huán)境、優(yōu)化目標(biāo)等因素的制約，包括設(shè)施、需求、空間背景、以及設(shè)施-需求距離四個(gè)要素。通常假設(shè)個(gè)體是理性經(jīng)濟(jì)人：個(gè)體對(duì)周圍空間環(huán)境非常了解，根據(jù)距離最近原則選擇設(shè)施點(diǎn)。一般建模為三大類問(wèn)題：中位問(wèn)題、中心問(wèn)題、覆蓋問(wèn)題。中位問(wèn)題使得設(shè)施-需求的距離之和最小的位置，適用于商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、物流中心的位置選址。中心問(wèn)題追求設(shè)施-需求間的最大距離最小，避免部分客戶距離設(shè)施位置過(guò)遠(yuǎn)。覆蓋問(wèn)題在滿足所有需求點(diǎn)的條件下，使得設(shè)施個(gè)數(shù)或建設(shè)費(fèi)用最小，距離作為判斷需求是否滿足的閥值。顧及設(shè)施選址問(wèn)題中要素的復(fù)雜性，存在多種變體形式：比如：競(jìng)爭(zhēng)型設(shè)施選址模型顧及個(gè)體對(duì)設(shè)施的偏向性，假設(shè)設(shè)施移動(dòng)無(wú)需耗費(fèi)，尋求多個(gè)設(shè)施間的納什均衡狀態(tài)；條件型設(shè)施選址問(wèn)題考慮當(dāng)前市場(chǎng)條件下的競(jìng)爭(zhēng)者，尋求新建設(shè)施和改建設(shè)施的最佳位置；概率型設(shè)施選址模型認(rèn)為個(gè)體需求的大小、位置和服務(wù)時(shí)間，設(shè)施-需求間距離，設(shè)施開(kāi)放時(shí)間等因素具有概率特性，如消防、120、110等緊急呼叫等，為城市消防、公安、醫(yī)療等設(shè)施選址；層次型設(shè)施選址模型認(rèn)為設(shè)施間的空間配置、服務(wù)存在等級(jí)特性，如學(xué)校、緊急醫(yī)療服務(wù)設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)等，優(yōu)化設(shè)施的布局滿足不同層次的需求；樞紐型設(shè)施選址模型通常適用于物流、交通設(shè)施的選址，合理選擇樞紐設(shè)施的位置，提高系統(tǒng)的效率；鄰避型設(shè)施選址問(wèn)題則關(guān)注監(jiān)獄、垃圾填埋場(chǎng)、發(fā)電廠等設(shè)施的選址。當(dāng)前設(shè)施選址建立在個(gè)體是理性經(jīng)濟(jì)人的假設(shè)上，發(fā)展多種模型來(lái)解決城市空間中的設(shè)施選址優(yōu)化問(wèn)題，從而尋求最大的經(jīng)濟(jì)效益或者公共設(shè)施的空間分布均衡。理性經(jīng)濟(jì)人的假定使用設(shè)施、空間位置和個(gè)體知識(shí)的差異，并未顧及人與城市空間的相互適應(yīng)的時(shí)空過(guò)程，尤其還缺乏群體活動(dòng)與城市空間結(jié)構(gòu)的適應(yīng)度科學(xué)的評(píng)價(jià)手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)對(duì)居民提倡生活規(guī)律的提取，采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引與承載能力吻合程度以及空間設(shè)施時(shí)空覆蓋率為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)城市空間設(shè)施選址方案的優(yōu)化，彌補(bǔ)選址優(yōu)化理論對(duì)用戶時(shí)空選擇、活動(dòng)行為影響規(guī)律理解和運(yùn)用的不足。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種考慮城市內(nèi)居民活動(dòng)時(shí)空規(guī)律的設(shè)施選址優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，分析城市內(nèi)不同空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引能力與承載能力；

步驟2：計(jì)算空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的時(shí)空覆蓋率；

步驟3：構(gòu)建優(yōu)化模型。

本發(fā)明的有益效果是：

1)通過(guò)分析人群移動(dòng)的時(shí)空變化規(guī)律，充分考慮了城市空間結(jié)構(gòu)與大規(guī)模群體活動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)適應(yīng)度，進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)設(shè)施選址優(yōu)化；

2)以空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引與承載能力吻合匹配程度最佳，即為最小目標(biāo)，對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)施選址進(jìn)行優(yōu)化；

3)以大規(guī)模群體活動(dòng)和行為的時(shí)空覆蓋率最大為目標(biāo)，對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)施選址進(jìn)行優(yōu)化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)空覆蓋率計(jì)算原理圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的空間選址示例，圖中六邊形區(qū)域代表城市空間分區(qū)；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的區(qū)域分時(shí)段訪問(wèn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果示意圖，圖中橫坐標(biāo)為移動(dòng)距離，縱坐標(biāo)為人口數(shù)量。

具體實(shí)施方法

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的一種考慮城市內(nèi)居民活動(dòng)時(shí)空規(guī)律的設(shè)施選址優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1：結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，分析城市內(nèi)不同空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引能力與承載能力；

步驟2：計(jì)算空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的時(shí)空覆蓋率；

步驟3：構(gòu)建優(yōu)化模型。

本實(shí)施例首先定義了某城市中經(jīng)過(guò)評(píng)估后已確定有n處選址可作為新建設(shè)施。對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的主要影響因素包括空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引與承載能力的匹配程度等。接下來(lái)，根據(jù)主要影響因素，從以下幾個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系，進(jìn)行選址優(yōu)化。

指標(biāo)1：空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引與承載能力吻合程度。

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，分析城市內(nèi)不同空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引能力與承載能力。為了方便比較，本實(shí)施例采用分時(shí)段人口訪問(wèn)目標(biāo)空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的人口規(guī)模來(lái)描述空間結(jié)構(gòu)設(shè)施在不同時(shí)間區(qū)間上的吸引能力，采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的空間容納能力來(lái)描述其吸引能力；具體操作方法如下，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)新建設(shè)施的規(guī)模以及位置進(jìn)行確定。首先結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算城市中每個(gè)區(qū)域的不同時(shí)間段內(nèi)流入人數(shù)，作為區(qū)域的吸引力評(píng)價(jià)指標(biāo)。以此本實(shí)施例可以得到每個(gè)區(qū)域上對(duì)人口的吸引力指標(biāo)。承載能力是根據(jù)空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的空間容納能力進(jìn)行計(jì)算的。結(jié)合吸引能力和承載能力的匹配程度，可以得到不同時(shí)間段內(nèi)匹配不佳的區(qū)域。

具體計(jì)算方法如下：

計(jì)算每小時(shí)內(nèi)，研究范圍內(nèi)各個(gè)區(qū)域的吸引量(例如，吸引的人口數(shù)量)，這里使用表示研究范圍內(nèi)區(qū)域i在t時(shí)間段內(nèi)的吸引能力；在根據(jù)每個(gè)區(qū)域的空間容納能力計(jì)算表示研究范圍內(nèi)區(qū)域i在t時(shí)間段內(nèi)的承載能力。進(jìn)而計(jì)算每個(gè)區(qū)域內(nèi)吸引能力與承載能力的匹配程度，這里采用吸引量減去承載量，作為區(qū)域內(nèi)吸引與承載能力匹配程度的表達(dá)，記作其中，這樣就能夠計(jì)算出研究范圍內(nèi)每個(gè)區(qū)域的需求量。當(dāng)結(jié)果為0的時(shí)候匹配程度最好；的絕對(duì)值越大，說(shuō)明匹配程度越差，具體說(shuō)當(dāng)其大于0時(shí)，說(shuō)明吸引能力大于承載能力，需要新建設(shè)施分擔(dān)承載壓力；如果小于0，說(shuō)明吸引能力小于承載能力，空間設(shè)施承載能力存在冗余，不存在明顯的需求。

指標(biāo)2，時(shí)空覆蓋率；

傳統(tǒng)選址模型面向問(wèn)題上主要考慮空間上的覆蓋，對(duì)時(shí)間上的覆蓋考慮有限。這里將時(shí)空覆蓋率作為一個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行選址優(yōu)化。請(qǐng)見(jiàn)圖2，本實(shí)施例結(jié)合人群日常需求的時(shí)空變化特征，從時(shí)空角度解決覆蓋問(wèn)題。不同時(shí)間區(qū)間上空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的覆蓋范圍是會(huì)產(chǎn)生變化的，同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)考慮帶空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的服務(wù)時(shí)間，分析空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的服務(wù)時(shí)間是否能夠覆蓋滿足全部的需求。這里的核心問(wèn)題就是覆蓋度的計(jì)算，由于不同時(shí)間段內(nèi)空間結(jié)構(gòu)設(shè)施的吸引強(qiáng)度存在明顯的變化，從而造成不同時(shí)間段內(nèi)區(qū)域覆蓋半徑存在差異，本實(shí)施例設(shè)c(t,d)表示空間設(shè)施在t時(shí)刻與其距離為d的區(qū)域的覆蓋度，那么本實(shí)施例可以得到時(shí)空覆蓋度的計(jì)算為：

公式中為影響距離上限，為影響距離下限，即距離小于時(shí),空間結(jié)構(gòu)設(shè)施能夠完全覆蓋；距離大于小于的區(qū)域，空間結(jié)構(gòu)設(shè)施不能完全覆蓋，其覆蓋比例為距離大于的區(qū)域，空間結(jié)構(gòu)設(shè)施完全不能覆蓋。為了進(jìn)一步確定上限距離和下限距離，這里采用歷史數(shù)據(jù)，分析不同時(shí)間不同區(qū)域上人群來(lái)源的距離分布。對(duì)每個(gè)小時(shí)每個(gè)區(qū)域內(nèi)吸引人群的移動(dòng)距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由地理學(xué)第一定律可以推理得到距離越近，交互強(qiáng)度越大，這里以100米為單位，對(duì)每一個(gè)距離區(qū)間上人口數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)距離進(jìn)行排序。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，本實(shí)施例截取包含前95％人數(shù)的距離作為影響距離的下限進(jìn)行處理；再分析相鄰距離區(qū)間上的人口數(shù)量的變化幅度，找到變化幅度最大的距離區(qū)間，作為影響距離上限

結(jié)合上述兩種關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建優(yōu)化模型。

這里，將空間結(jié)構(gòu)設(shè)施吸引能力與承載能力的吻合程度作為權(quán)重進(jìn)行表示，以最大時(shí)空覆蓋率、最小距離總和最大距離最小化為目標(biāo)，同時(shí)考慮吸引能力和承載能力的均衡程度，構(gòu)建優(yōu)化模型。

min(max(widinyin))

上式為目標(biāo)函數(shù)，其中wi表示區(qū)域i的權(quán)重，這里采用承載能力和吸引能力的匹配程度進(jìn)行表示；cin表示位置n對(duì)i區(qū)域的覆蓋率，計(jì)算方法在前面的部分已經(jīng)介紹完成；din表示位置n與i區(qū)域的空間距離；yin表示i區(qū)域是否在位置n的影響范圍內(nèi)，在影響范圍內(nèi)時(shí)為1，不在則為0。將候選區(qū)域逐一帶入到模型中，找到最符合條件的位置，從而實(shí)現(xiàn)城市空間設(shè)施選址多目標(biāo)優(yōu)化。

本實(shí)施例的方法可以描述為：

輸入：城市范圍內(nèi)每個(gè)區(qū)域內(nèi)人群移動(dòng)的記錄，以及該區(qū)域的空間容納能力，新建設(shè)施候選位置。

輸出：每個(gè)候選位置的評(píng)價(jià)結(jié)果。

第一步，計(jì)算空間各個(gè)區(qū)域的吸引能力與承載能力；

(1)seti＝{region}//城市空間所有共i個(gè)區(qū)域的集合；

(2)attraction＝{attraction0,attraction1…attractioni}//從人群移動(dòng)記錄中提取每個(gè)小時(shí)內(nèi)訪問(wèn)人數(shù)作為區(qū)域吸引力的表現(xiàn)；

(3)capacity＝{capacity0,capacity1…capacityi}//利用各個(gè)區(qū)域的空間容納能力推算得到該區(qū)域的承載能力；

(4)foreacht∈t{

(5)for(i＝0；i<i；i++){

(6)matchⁱt＝attractionⁱt-capacityⁱt}}//得到每個(gè)區(qū)域每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的吸引與承載能力的匹配程度；

第二步，設(shè)施時(shí)空覆蓋率的計(jì)算；

(7)distance＝{dis⁰t…}//統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)間段內(nèi)訪問(wèn)選址類型設(shè)施的人群移動(dòng)距離；

(8)sta＝{pop⁰t,pop¹t…pop^kt}//統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段每個(gè)距離區(qū)間上的人口數(shù)量；

(9)foreacht∈t{//各個(gè)時(shí)間段

(10)for(i＝0；i<k-1；i++){

(11)if(max(popⁱ⁺¹t-popⁱt))

(12)d^lt＝i//計(jì)算影響距離上限

(13)

(14)d^ut＝i//計(jì)算影響距離下限}}

(15)//得到覆蓋率計(jì)算函數(shù)

第三步，構(gòu)建優(yōu)化模型；

(16)fac＝{fac0,fac1…facn}//存在n個(gè)候選位置；

(17)foreacht∈t{

(18)for(i＝0；i<n；i++){

(19)}}//以最大時(shí)空覆蓋范圍、最小距離總和最小化min(max(widinyin))

最大移動(dòng)距離為目標(biāo)構(gòu)建模型；

(20)得到最終結(jié)果。

如圖3所示，經(jīng)過(guò)評(píng)估后，空間中存在3個(gè)備選地址(如圖3(a)，經(jīng)評(píng)估擬在n1,n2,n3三個(gè)位置新建商業(yè)設(shè)施)。

首先計(jì)算空間中每個(gè)區(qū)域的吸引能力與承載能力。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)訪問(wèn)每個(gè)區(qū)域的人口數(shù)量，得到區(qū)域i在t時(shí)段內(nèi)的吸引能力再進(jìn)一步分析區(qū)域i在t時(shí)段的空間容納能力從而計(jì)算出每個(gè)區(qū)域(即圖上六邊形格網(wǎng))的吸引能力與承載能力的匹配程度

完成區(qū)域內(nèi)全部區(qū)域的匹配程度計(jì)算后，就需要推導(dǎo)覆蓋率函數(shù)。覆蓋率函數(shù)是一個(gè)分段函數(shù)，需要計(jì)算兩個(gè)值(即影響距離上限和影響距離下限，和)，對(duì)函數(shù)的最終形式進(jìn)行確定。本實(shí)施例統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)區(qū)域內(nèi)商業(yè)區(qū)域吸引的人群移動(dòng)距離，得到人群移動(dòng)距離的直方圖曲線，如圖4所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到人口數(shù)量的變化在d^lt處變化最大，在d^ut后訪問(wèn)人數(shù)不足總規(guī)模的95％。因此設(shè)定為影響距離上限，為影響距離下限。

這里可以得到在t時(shí)間段內(nèi)，區(qū)域覆蓋函數(shù)：

進(jìn)而計(jì)算在不同時(shí)間段內(nèi)的覆蓋程度，并匹配到三個(gè)備選區(qū)域內(nèi)(如圖3(b,c,d))所示。

再根據(jù)前面設(shè)定的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最優(yōu)位置。

min(max(widinyin))

求解過(guò)程中，本實(shí)施例可以設(shè)定

上式中pa,pb,pc為三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重，在應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，在這里本實(shí)施例設(shè)定pa,pb,pc分別為0.8,0.1,0.1。由此，原來(lái)的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以合成為1個(gè)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，取得d的最小，即min(d)，為選址得到的最優(yōu)結(jié)果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。