基于多智能體模型的城市土地利用空間布局優(yōu)化

摘要：土地利用空間布局模型的發(fā)展經(jīng)歷了從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的過(guò)程，傳統(tǒng)的方法和理論往往會(huì)導(dǎo)致模型的人為簡(jiǎn)單化。分別從城市智能體組織結(jié)構(gòu)、語(yǔ)法定義、行為規(guī)則推理以及決策選擇方法等方面對(duì)土地利用空間布局模型進(jìn)行闡述，構(gòu)建了基于多智能體的城市土地利用空間布局優(yōu)化模型，并以武漢市為例進(jìn)行了模型的仿真運(yùn)行和結(jié)果分析。結(jié)果表明，建立的模型考慮居民、企業(yè)、政府等能動(dòng)個(gè)體的局部決策和非線性互動(dòng)互作的重要影響，能較好地為城市土地利用空間布局優(yōu)化提供輔助決策。

關(guān)鍵詞：土地利用；空間布局；語(yǔ)法定義；規(guī)則推理；多智能體

中圖分類(lèi)號(hào)：F301；TU984.113 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）18-4342-04

城市土地利用空間發(fā)展中大量的宏觀和微觀主體為獲取更多的回報(bào)，都有占用最優(yōu)城市區(qū)位的意愿，體現(xiàn)了一種宏觀控制下的自組織行為[1]。以前對(duì)城市土地利用空間發(fā)展的研究方法多是基于牛頓力學(xué)的模型[2-4]，如常用的時(shí)間序列法、回歸預(yù)測(cè)法、灰色模型預(yù)測(cè)法、馬爾柯夫鏈預(yù)測(cè)法、綜合判斷法等。該類(lèi)模型將問(wèn)題簡(jiǎn)單化，不能反映城市組織結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程和動(dòng)態(tài)發(fā)展變化。以多智能體理論（Multi-agent systems）為基礎(chǔ)的城市土地空間利用動(dòng)態(tài)模型是近年來(lái)興起的一種新方法[5-7]。本研究首先構(gòu)建模擬模型的多智能體組織結(jié)構(gòu)，其次對(duì)智能體組織的語(yǔ)法定義、行為規(guī)則推理以及決策選擇等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，最后以武漢市為例進(jìn)行了模型的仿真運(yùn)行和結(jié)果分析。

1 模型構(gòu)建

1.1 智能體組織結(jié)構(gòu)概念模型

首先建立智能體組成單元（單位智能體）模型（圖1）。

其中：①信念庫(kù)表示智能體當(dāng)前狀態(tài)，是關(guān)于智能體自身、周?chē)h(huán)境和其他智能體的事實(shí)知識(shí)。②知識(shí)庫(kù)是智能體完成任務(wù)的知識(shí)以及在特定情形下應(yīng)用這些知識(shí)的條件，其以規(guī)則表的形式表達(dá)。③意圖庫(kù)是系統(tǒng)當(dāng)前或?qū)?lái)某個(gè)時(shí)刻將要選擇執(zhí)行的任務(wù)。④任務(wù)目標(biāo)代表系統(tǒng)的“愿望”，是系統(tǒng)期望的行為。⑤任務(wù)隊(duì)列中存放系統(tǒng)感知的觸發(fā)事件（通信事件、環(huán)境事件、內(nèi)部事件等）。

規(guī)劃決策過(guò)程根據(jù)智能體的信念、知識(shí)、目標(biāo)、意圖、事件等制定規(guī)劃，決定當(dāng)前的行為，并更新自身狀態(tài)，是系統(tǒng)的核心部件。

1.2 智能體組織結(jié)構(gòu)語(yǔ)法定義

在上述單位智能體模型基礎(chǔ)構(gòu)建基于七元組描述的多智能體組織結(jié)構(gòu)實(shí)體模型如下：

OS=

ledge，O_Task，O_ Role，O_Relation>。

其中：①O_Name表示智能體的標(biāo)識(shí)或名稱，具有惟一性。②O_Interface表示智能體呈現(xiàn)在用戶面前的人機(jī)界面和通信接口。③O_State表示智能體的狀態(tài)集合，用于描述智能體內(nèi)部以及外部環(huán)境狀態(tài)信息的集合，智能體的行為就是由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程。④O_Knowledge表示智能體的知識(shí)源，描述智能體行為所需的知識(shí)、數(shù)據(jù)、推理規(guī)則以及有關(guān)資源，體現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、多媒體信息庫(kù)以及構(gòu)件庫(kù)等。⑤O_Task表示智能體的事務(wù)集，定義智能體的行為，體現(xiàn)其職能，并包含推理機(jī)制。⑥O_Role是組織角色。⑦O_Relation ={Relation}是組織中角色的二元關(guān)系集合，將組織中所有角色聯(lián)系起來(lái)。

研究給出智能體組織結(jié)構(gòu)形式化定義如下：

其中：RULESET是采用函數(shù)式規(guī)則推理以體現(xiàn)城市主體的知識(shí)，表示若有某控制消息（Messages）觸發(fā)并滿足智能體的狀態(tài)（State）時(shí)，智能體則啟動(dòng)并執(zhí)行動(dòng)作表（Actions）的相應(yīng)處理程序。其形式為Rule（， ， ）。

1.3 智能體組織行為規(guī)則推理

智能體的行為是由一系列子行為序列組成的規(guī)則基礎(chǔ)上展開(kāi)的，定義的智能體復(fù)雜行為如下：A：：f（Actioni，i=0，1，2，…）。

其中：f是復(fù)合函數(shù)，表示智能體動(dòng)作的組合，將其遞歸定義如下：①如果Action1、Actions2是動(dòng)作，則Action1 ∝ Action2也是動(dòng)作，符合表示連接。即Action1完成任務(wù)后執(zhí)行Actions2。②如果Action1、Actions2是動(dòng)作，則Action1 ∧ Action2也是動(dòng)作，“∧”表示并。即Action1可以和Actions2 同時(shí)執(zhí)行。③如果Action1、Actions2是動(dòng)作，則Action1 ∨ Action2也是動(dòng)作，“∨”表示或。即Action1和Actions2 可以任選其一執(zhí)行。④如果Action1、Actions2、Action3是動(dòng)作，則（Action1 ∧ Action2）·Action3也是動(dòng)作，“·”表示非等連接。即Action1和Actions2中有任何一個(gè)動(dòng)作完成，就可以執(zhí)行Action3。

根據(jù)上述推理規(guī)則的形式化描述，為便于計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，定義基于When_If_Then關(guān)系模式的規(guī)則表（圖2）。

1.4 智能體組織決策選擇

將智能體決策選擇的過(guò)程歸于多因素多層次的模糊決策過(guò)程并采用如下決策選擇方法：

2 實(shí)例研究與分析

武漢市是地處長(zhǎng)江中游的特大城市，湖北省省會(huì)。以武漢市城市土地利用空間布局優(yōu)化為實(shí)例，對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行仿真模擬并加以分析。

2.1 系統(tǒng)主要流程

模型仿真運(yùn)行的基本流程如圖3所示。其中城市中的居民、企業(yè)和政府等智能主體首先提取所在區(qū)域的空間信息，再結(jié)合其主體個(gè)體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息構(gòu)成城市智能體的決策信息數(shù)據(jù)源，然后依據(jù)自身知識(shí)以及和其他智能體之間的交流信息，利用模糊多因素多層次決策的方法來(lái)確定行為選擇。

2.2 模型仿真與分析

首先將試驗(yàn)用相關(guān)圖件資料經(jīng)過(guò)投影變換，坐標(biāo)配準(zhǔn)等步驟轉(zhuǎn)為帶屬性數(shù)字化圖，屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)之間通過(guò)空間目標(biāo)關(guān)鍵字ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)。以1990年數(shù)據(jù)為基期年模擬2010年的土地利用布局情況，并用如下公式計(jì)算模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的相關(guān)度Kappa系數(shù)K進(jìn)行模型的檢驗(yàn)。

在上述模型基礎(chǔ)上，以2010年數(shù)據(jù)（圖5）為基期年預(yù)測(cè)2020年土地利用空間布局情況（圖6）。

根據(jù)系統(tǒng)模擬結(jié)果，分析武漢市未來(lái)10～15年的土地利用布局具有如下趨勢(shì)：①中心城區(qū)的土地利用密度進(jìn)一步增大，在空間形態(tài)上，軸向推進(jìn)仍在繼續(xù)，但力度開(kāi)始減弱，填充式發(fā)展的余地也所剩無(wú)幾。②道路交通在城市土地利用空間的發(fā)展中仍然扮演著重要的角色，交通走廊沿線的土地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化趨勢(shì)仍在加劇。③市中心城區(qū)和周邊城市邊緣的土地利用變化更加劇烈，由于靠近武漢市主城區(qū)的近郊區(qū)具有優(yōu)越的接受經(jīng)濟(jì)輻射能力，因此遠(yuǎn)城區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心向與武漢市相連的邊緣區(qū)轉(zhuǎn)移。④城市土地空間將從以漸進(jìn)式的軸向推進(jìn)填充發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴S式的分散發(fā)展為主，在鄰湖、鄰水和鄰林區(qū)將會(huì)有大量的土地用于城市居住區(qū)建設(shè)。

3 小結(jié)與討論

本研究建立了基于多智能體的城市土地利用空間布局模型，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證表明該模型能充分考慮居民、企業(yè)、政府等能動(dòng)個(gè)體的局部決策和非線性互動(dòng)互作的重要影響來(lái)表達(dá)宏觀空間結(jié)構(gòu)的自組織演變過(guò)程。但由于城市土地利用空間布局是個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，因此如何構(gòu)建更接近現(xiàn)實(shí)的城市主體行為推理規(guī)則尚待進(jìn)一步探索；同時(shí)模型參數(shù)的獲取主要依賴于專(zhuān)家的先驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，帶有一定的主觀性，如何與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有效結(jié)合進(jìn)行參數(shù)的獲取是以后研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

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