CN102609438B - 一种城市生态技术的三维谱系分析及空间集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法，具体步骤如下：首先，以技术目标、技术要素、技术系统和技术层次作为分类维度，构建一套全新的三维城市生态技术分类准则；然后，将城市生态技术分解为不可分割的“元技术”，进行其三维谱系分析；最后，在具体的城市建设项目中，根据具体项目的特性，以经济可容性、空间技术适宜性以及社会接受性为选择标准对各类城市生态技术“元技术”进行遴选和空间集成。本发明可广泛应用于城市重大项目的生态规划中，具有效率高、成本低、适用范围广等特点。

Description

一种城市生态技术的三维谱系分析及空间集成方法

技术领域

本发明属于城市规划和环境领域，针对城市生态技术缺乏统一系统和相互协调配合的现状，提供了一种三维谱系分析及空间集成方法。

背景技术

多来年，生态技术大部分仅仅适用于单体建筑层面，只有一小部分基于自身技术要素的特性而适用于城市局部地块乃至整个城市。但总体而言，从城市规划的视角出发，这些生态技术繁多而散乱，缺乏统一的系统，仅考虑了技术之间互相配合，没有涉及其与所处空间的相互作用关系，以及在城市客观条件限制下的最优技术组合选择，在城市规划过程中难以对其进行统筹考虑。为了支撑世博园区生态规划的理念落实，实现世博园区成为未来生态城市实验示范基地的规划目标，保障世博会完成国家节能减排示范的历史性任务，研发了一套以生态目标和技术目标双重技术标准为核心的分类方法和空间集成应用方法，为城市生态技术在世博园区的集成应用奠定基础。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法，用于实现世博园区成为未来生态城市实验示范基地的规划目标，保障世博会完成国家节能减排示范的历史性任务。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，以技术目标、技术要素、技术系统和技术层次作为分类维度，构建一套三维城市生态技术分类准则；

步骤二，将城市生态技术分解为不可分割的元技术，进行其三维谱系分析；

步骤三，通过城市基础数据收集、适宜性评价以及社会网络分析方法分别定量确定各元技术在目标城市中的经济成本、空间技术适宜性以及社会接受性。

步骤四，在城市建设项目中，根据该城市经济、社会、技术的限制条件以及建设项目的特性，以经济可容性、空间技术适宜性以及社会接受性通过多目标最近理想点非线性规划对各类城市生态技术元技术进行遴选和空间集成。

优选地，所述步骤二中的元技术作为城市生态技术的最基本单元，不可再拆分。

优选地，所述城市生态技术的要素包括生态目标和技术目标。

优选地，所述生态目标分为三类：第一种为产生新的能源的生态技术；第二种为降耗减排的生态技术；第三类为实现系统内部的能量循环，即循环再利用的生态技术。

本发明还包括一种多层面多系统城市生态技术谱系分析方法，该方法包括以下步骤：

第一，在技术目标、技术要素、技术系统和技术层次四个技术层次下剖析每项技术案例所涉及的生态元技术，将复合技术层层剥离，分解为若干元技术归入元术表；

第二，判定技术案例所适用的区域范围；

第三，确定技术案例所实现的技术目标；

第四，明确技术案例中的元技术所涉及的技术系统；

第五，分析技术案例中的各项元技术分别包含哪类技术要素。

本发明可广泛应用于城市重大项目的生态规划中，具有效率高、成本低、适用范围广等特点。

附图说明

图1显示为本发明一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法流程图。

图2显示为城市生态技术三大限制条件示意图。

图3显示为技术社会网络分析框架图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1所示的一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法流程图。该三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法包括以下步骤：

步骤一，以技术目标、技术要素、技术系统和技术层次作为分类维度，构建一套三维城市生态技术分类准则；

步骤二，将城市生态技术分解为不可分割的元技术，进行其三维谱系分析；

步骤三，通过城市基础数据收集、适宜性评价以及社会网络分析方法分别定量确定各元技术在目标城市中的经济成本、空间技术适宜性以及社会接受性。

步骤四，在城市建设项目中，根据该城市经济、社会、技术的限制条件以及建设项目的特性，以经济可容性、空间技术适宜性以及社会接受性标准通过多目标最近理想点非线性规划对各类城市生态技术元技术进行遴选和空间集成。

优选地，所述步骤二中的元技术作为城市生态技术的最基本单元，不可再拆分。

优选地，所述城市生态技术的要素包括生态目标和技术目标。

优选地，所述生态目标分为三类：第一种为产生新的能源的生态技术；第二种为降耗减排的生态技术；第三类为实现系统内部的能量循环，即循环再利用的生态技术。

技术原理与方案

以技术目标、技术要素、技术系统和技术层次作为分类维度，构建一套全新的城市生态技术分类准则，将具体的生态技术与城市规划和建筑设计有机的结合在一起，创建城市生态技术“元术表”结构；

请参阅城市生态技术“元术表”结构，以此为依据对当前各种城市生态技术进行谱系分析；

根据城市重大项目的自身特性，以经济可容性、空间有限性、社会接受性以及技术的可涉及性为选择标准对各类城市生态技术“元技术”进行遴选和空间集成。

1)城市生态技术“元术表”建构技术

首次提出“元技术”作为城市生态技术的最基本单元，不可再进行拆分，此类技术如果被采用则只有一种运作形式而不具备其他选择性。两项或多项元技术综合则构成复合技术，通过排列组合，在应用过程中具有多种具体运作形式。

从技术的本质出发，研究了技术的构成要素，并对城市生态技术要素进行分解和考察，设定了以生态目标和技术目标判断技术类型的关键参数，确立了技术分类的方法和标准体系。在当前城市生态技术普遍被采用的技术要素分类法的基础上，首次导入“加法(++)——产能”、“减法(--)——减废”、“加减(-+)——减废产能”的全新生态技术体系生态目标维度，融入城市规划中的空间层次和系统观念，构成技术要素、技术目标、技术层次和技术系统四个维度的城市生态技术“元术表”分类体系。

将城市生态技术的目标分为三类：第一种该生态技术的应用可以产生新的能源；第二种采用该生态技术可以降耗减排；第三类目标是实现系统内部的能量循环，即循环再利用。将将技术要素分为能源、水资源、土壤、垃圾、空气、噪音六大类。将生态技术纳入城市空间规划功能体系，分为交通设施系统(包括对外交通)、基础设施/工业仓储系统、绿化系统、公共设施系统以及居住系统五大类。将生态技术纳入城市规划的空间体系，根据技术适用城市乃至区域中的范围大小对之进行分类，分为区域层面、城市层面、城市局部地块(街道)层面以及建筑层面四个类型。

“元术表”的第一维度是技术层次，即首先判定某项元技术适用的区域范围大小；第二维度是技术目标，即在明确该项技术的适用范围后确定其可能实现的技术目标；第三维度是技术系统，即该技术在城市的哪个系统(依据城市规划对于城市系统的划分)中被采用；第四维度是技术要素，最后判定该技术所包含的技术要素。由此所有的城市生态技术元技术均可被纳入元术表，并可以对其进行编码，以便查找和详细了解。通过从官方部门的技术分类和技术实践统计、国际和官方部门支持下的研究和实践项目，以及大型国际活动的技术评比或奖励所收集的大量数据信息，本项目在第一期版本的“元术表”中纳入了“元技术”共计208项(见表1)，并在实践过程中不同补充更新。“元术表”如同城市生态技术的“蒙捷列夫表”，明确了任一维度城市生态技术的位序，为缺位维度的技术研发和技术在不同维度的集成应用奠定了基础。

表1城市生态技术“元术表”

城市层面“- -(减废)”目标的“元术表”

城市层面“- +(减废产能)”目标的“元术表”

城市层面“+ +(产能)”目标的“元术表”

城市局部地块层面“- -(减废)”目标的“元术表”

城市局部地块层面“- +(减废产能)”目标的“元术表”

城市局部地块层面“+ +(产能)”目标的“元术表”

建筑层面“- -(减废)”目标的“元术表”

建筑层面“- +(减废产能)”目标的“元术表”

建筑层面“+ +(产能)”目标的“元术表”

2)多层面多系统城市生态技术谱系分析方法

在城市规划建设中实际应用的绝大部分不是元技术而是不同维度的复合技术，复合技术是两项或多项元技术的综合，因此在应用过程中可以对其中所包含的元技术进行拆分、取弃、重新组合，可能具有多种具体运作形式。

本发明还包括一种多层面多系统城市生态技术谱系分析方法，该方法包括以下步骤：

首先必须在四个技术层次下剖析每项技术案例所涉及的生态“元技术”，参阅上表中的城市生态技术“元术表”结构，将复合技术层层剥离，分解为若干元技术归入元术表；

第二，判定技术案例所适用的区域范围；

第三，确定技术案例所实现的技术目标；

第四，明确技术案例中的元技术所涉及的技术系统；

第五，分析技术案例中的各项元技术分别包含哪类技术要素。以图表演示每个案例所占据城市生态技术“元术表”的位谱。

3)城市生态技术的技术组合多生态目标集成方法

在“元术表”基础上提出城市生态技术在规划建设过程中的适宜性应用评价标准，即三大限制条件，包括经济可容性、空间技术适宜性以及社会接受性。

步骤一，确定技术实施目标城市的经济、空间、技术适宜性限制条件及社会接受度标准。制作城市经济及社会容量限制表(表2)。社会接受度标准可用步骤三中的社会网络分析法分析在该区域或邻近、相似区域中已有生态技术后定立标准，也可采用表2中的参考数值。

表2

*Q表示填入数据字段

**D表示填入定性文本字段

***社会接受度标准值建议通过对在相似或邻近城市中使用中的生态计数进行社会网络分析得到。在无相关案例的情况下可采用参考值。

步骤二，通过城市基础数据收集、适宜性评价分别定量分析各元技术在目标城市中的经济成本以及空间技术适宜性(表3)。在空间技术适宜性分析中，按各元素在城市空间中或技术条件下的适宜性赋予指标变量。0代表空间技术不适宜生态技术，1代表空间技术适宜技术。

表3

*Q表示填入数据字段

**D表示填入定性文本字段

***B表示0-1二元字段

步骤三，使用社会网络分析法分析每项技术在目标城市中的社会接受度。对技术分析网络框架(图3)中的每条投入、产出价值流进行分值预估。分值预估可通过问卷调查等方法，对投入端对产出端的投入重要度及投入满足度进行1-5分的评分，然后按照技术社会网络分析评价指标——价值换算表(表4)确定每条价值流分值。评分后根据以下方法确定每项技术的社会接受性指标：

表4

对于某项元技术a，网络中各节点(技术社会利益相关者)集为V_a＝{v_i|i＝1，2，3…6}。有向价值流集为E_a＝{e_ij|i，j＝1，2，3…6}。定义从v_i到v_j的价值路径全集P_ij为所有从v_i到v_j可行价值流组合的集合。一条从v_i到v_j的价值路径分值p为路径中所有价值流的分值乘积，即定义v_i到v_j的最大价值路径p_ij＝max(p|p∈P_ij)。对于所有产出端为政府及公众(节点1和2)的最大价值路径p_i1以及p_i2，定义对于项目a，政府和公众的社会接受度为S_a政府＝min(p_i1|i＝1，2，3…6)以及S_a社会＝min(p_i2|i＝1，2，3…6)。最后再根据该城市标准Bs将社会接受度转化为相对接受度以及

步骤四，确定每项“元技术”的生态目标价值。该价值体系目标分为可以产生新的能源，可以降耗减排以及实现系统内部的能量循环，即循环再利用三类。对于可以产生新能源的技术，使用新能源单位二氧化碳碳排放可产生能量(TCO₂/KJ)值与潜在年生产规模(TCE/y)值乘积作为标准。对于可以降耗减排的技术，使用年碳当量减排量CCA(TCE/y)作为标准。对于可实现系统内部能量循环的技术，使用年循环用能标煤当量CCO(TCE/y)作为标准。

步骤五，对n项可以产生新的能源，可以降耗减排以及实现系统内部的能量循环，即循环再利用三大技术目标，以城市经济、空间技术及社会接受度为限制条件分别进行线性规划。当目标函数为技术组合二氧化碳碳排放可产生能量(TCO₂/KJ)值与潜在年生产规模(TCE/y)值乘积最大时，公式为：

$\max C_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{f}_i{X}_i$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{X}_i\≤C$

其中k_i为第i项“元技术”的新能源单位二氧化碳碳排放可产生能量(TCO₂/KJ)值与潜在年生产规模(TCE/y)值乘积；f_i第i项“元技术”在城市空间技术中的可行性，该数值为0，1变量；X_i为第i项“元技术”的建议投入规模；E为城市的生态技术总预算；S′_i政府与S′_i公众为第i项“元技术”的相对接受度指标。

当目标函数为技术组合碳当量减排量CCA(TCE/y)最大时，公式为：

$\max C_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{f}_i{X}_i$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{X}_i\≤E$

其中m_i为第i项“元技术”的碳当量减排量CCA(TCE/y)；f_i第i项“元技术”在城市空间技术中的可行性，该数值为0，1变量；X_i为第i项“元技术”的建议投入规模；E为城市的生态技术总预算；S′_i政府与S′_i公众为第i项“元技术”的相对接受度指标。

当目标函数为技术组合碳当量减排量CCA(TCE/y)最大时，公式为：

$\max C_3=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i{f}_i{X}_i$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{X}_i\≤E$

其中l_i为第i项“元技术”的碳当量减排量CCA(TCE/y)；f_i第i项“元技术”在城市空间技术中的可行性，该数值为0，1变量；X_i为第i项“元技术”的建议投入规模；E为城市的生态技术总预算；S′_i政府与S′_i公众为第i项“元技术”的相对接受度指标。

通过上述公式，就可确定三个目标函数C₁、C₂、C₃的理想值C₁ ^*、C₂ ^*、C₃ ^*。

步骤六，利用最近理想点非线性规划将三个目标函数的理想值统一到组合生态目标中，并确定每个技术组合中所采用的“元技术”以及其规模。首先构造组合目标函数值相对于理想值的偏移度，即 $C_1^{**}=\frac{\sqrt{|{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{f}_i{X^{\′}}_i\right)}^2-{C_1^{*}}^2|}}{C_1^{*}}$ 、 $C_2^{**}=\frac{\sqrt{|{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i{f}_i{X^{\′}}_i\right)}^2-{C_2^{*}}^2|}}{C_2^{*}}$ 、其中C₁ ^**、C₂ ^**、C₃ ^**即偏移度，X’_i为在组合目标下每种元技术的最优规模，最终组合最近理想点非线性规划公式为：

$\min C_1^{**}+C_2^{**}+C_3^{**}$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{X}_i^{\′}\≤E$

最后，在城市规划建设中，就可按照X’_i的建议规模选取最终的复合技术组合。

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。

Claims (3)

1.一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法，其特征在于：

以技术目标、技术要素、技术系统和技术层次作为分类维度，构建一套全新的城市生态技术分类准则，将具体的生态技术与城市规划和建筑设计有机的结合在一起，创建城市生态技术“元术表”结构；参阅城市生态技术“元术表”结构，以此为依据对当前各种城市生态技术进行谱系分析；根据城市重大项目的自身特性，以经济可容性、空间有限性、社会接受性以及技术的可涉及性为选择标准对各类城市生态技术“元技术”进行遴选和空间集成；

其中，1)城市生态技术“元术表”建构技术；“元技术”作为城市生态技术的最基本单元，不可再进行拆分，从技术的本质出发，研究了技术的构成要素，并对城市生态技术要素进行分解和考察，设定了以生态目标和技术目标判断技术类型的关键参数，确立了技术分类的方法和标准体系；

2)多层面多系统城市生态技术谱系分析方法；包括以下步骤：首先，在四个技术层次下剖析每项技术案例所涉及的生态“元技术”，参阅城市生态技术“元术表”结构，将复合技术层层剥离，分解为若干元技术归入元术表；

第二，判定技术案例所适用的区域范围；

第三，确定技术案例所实现的技术目标；

第四，明确技术案例中的元技术所涉及的技术系统；

第五，分析技术案例中的各项元技术分别包含哪类技术要素；

3)城市生态技术的技术组合多生态目标集成方法；包括：步骤一，确定技术实施目标城市的经济、空间、技术适宜性限制条件及社会接受度标准；

步骤二，通过城市基础数据收集、适宜性评价分别定量分析各元技术在目标城市中的经济成本以及空间技术适宜性；

步骤三，使用社会网络分析法分析每项技术在目标城市中的社会接受度；

步骤四，确定每项“元技术”的生态目标价值；

步骤五，对n项能够产生新的能源，能够降耗减排以及实现系统内部的能量循环，即循环再利用三大技术目标，以城市经济、空间技术及社会接受度为限制条件分别进行线性规划；

步骤六，利用最近理想点非线性规划将三个目标函数的理想值统一到组合生态目标中，并确定每个技术组合中所采用的“元技术”以及其规模；

最后，在城市规划建设中，就可按照X’_i的建议规模选取最终的复合技术组合；

其中，步骤五中，当目标函数为技术组合二氧化碳碳排放可产生能量值与潜在年生产规 模值乘积最大时，公式为：

其中k_i为第i项“元技术”的新能源单位二氧化碳碳排放可产生能量值与潜在年生产规模值乘积；f_i为第i项“元技术”在城市空间技术中的可行性，为0，1变量；X_i为第i项“元技术”的建议投入规模；E为城市的生态技术总预算；S′_i政府与S′_i公众为第i项“元技术”的相对接受度指标；

目标函数为技术组合碳当量减排量CCA最大时，公式为：

其中m_i为第i项“元技术”的碳当量减排量CCA；f_i为第i项“元技术”在城市空间技术中的可行性，为0，1变量；X_i为第i项“元技术”的建议投入规模；E为城市的生态技术总预算；S′_i政府与S′_i公众为第i项“元技术”的相对接受度指标；

当目标函数为技术组合碳当量减排量CCA最大时，公式为：

其中l_i为第i项“元技术”的碳当量减排量CCA；f_i为第i项“元技术”在城市空间技术中的可行性，为0，1变量；X_i为第i项“元技术”的建议投入规模；E为城市的生态技术总预算；S′_i政府与S′_i公众为第i项“元技术”的相对接受度指标；

通过上述公式，确定三个目标函数C₁、C₂、C₃的理想值C₁ ^*、C₂ ^*、C₃ ^*；

步骤六中，首先构造组合目标函数值相对于理想值的偏移度，即

、、；其中C₁ ^**、C₂ ^**、C₃ ^**即偏移度，X’_i为在组合目标下每种元技术的最优规模，最终组合最近理想点非线性规划公式为：

2.根据权利要求1所述的一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法，其特征在于：所述城市生态技术的要素包括生态目标和经济、空间技术及社会限制。

3.根据权利要求2所述的一种三维城市生态技术谱系分析及空间集成方法，其特征在于：所述生态目标分为三类：第一种为产生新的能源的生态技术；第二种为降耗减排的生态技术；第三类为实现系统内部的能量循环，即循环再利用的生态技术。