CN111210166A - 一种城市功能系统的鲁棒性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市功能系统的鲁棒性评估方法,包括以下步骤：获取目标区域的城市功能系统组成地图，其中城市功能系统包括多种功能区域；提取所述城市功能系统中各个功能区域的中心点来代表相应的功能区域，并确定各个功能区域的网络模型之间的耦合关系；分析各个功能区域的网络模型的鲁棒性指标；提供攻击破坏实验对各个功能区域网络模型的鲁棒性进行仿真验证，观察记录仿真过程中各个功能区域网络模型的鲁棒性指标变化趋势；建立相应的仿真评估指标。本发明获取研究区的城市功能系统组成地图，通过设计针对性的鲁棒性指标及仿真评估指标，并设计多种情形的攻击破坏实验，该评估方法能有效且准确的进行城市功能系统的鲁棒性评估。
Description
技术领域
本发明属于鲁棒性评估技术领域，具体涉及一种城市功能系统的鲁棒性评估方法。
背景技术
在自然界中存在的大量复杂系统都可以通过形形色色的网络加以描述。一个典型的网络是由许多节点与节点之间的连边组成，其中节点用来代表真实系统中不同的个体，而边则用来表示个体间的关系，往往是两个节点之间具有某种特定的关系则连一条边，反之则不连边，有边相连的两个节点在网络中被看作是相邻的。复杂网络的研究由于其学科交叉性和复杂性的特点，涉及了众多学科的知识和理论基础，尤其是系统科学、统计物理、数学、计算机与信息科学等，常用的分析方法和工具包括图论、组合数学、矩阵理论等。复杂网络的主要研究方法都是基于图论的理论和方法开展的，并已经取得了可喜的成果。近几年，统计物理的许多概念和方法也已成功地用于复杂网络的建模和计算，如统计力学、自组织理论、临界和相变理论、渗流理论等，复杂网络模型在很多科学领域都得到广泛的应用。
鲁棒性，是指控制系统在一定结构或大小的参数摄动下，维持其某些性能的特性，也可以说是系统在部分失效的情况下完成规定功能的概率，在城市功能结构上，鲁棒性研究是为了保证城市在各种灾害即人为灾害和自然灾害作用下仍然能够完成其最基本最重要的功能，即履行城市功能，力求损失降低到最低。鲁棒性评估是对系统各个模块的功能进行容错性的测试，检测在异常输入和苛刻环境条件下能否保持正常工作，从而更好地提高系统质量。所以研究城市功能结构的鲁棒性可以为城市规划者提供非常有建设性的意见，对城市的健康发展有重要的意义。
目前亟需一种对城市功能系统的鲁棒性进行评估的方法，建立的评估方法要有较强的泛用性与实用性，城市功能系统具有多样性、复杂性的特点，因此对城市功能系统的鲁棒性要建立新的鲁棒性指标与评估指标。
发明内容
本发明目的在于提供一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，在城市功能结构上，鲁棒性研究是为了保证城市在各种灾害即人为灾害和自然灾害作用下仍然能够完成其最基本最重要的功能，即履行城市功能，力求损失降低到最低。鲁棒性评估是对系统各个模块的功能进行容错性的测试，检测在异常输入和苛刻环境条件下能否保持正常工作，从而更好地提高系统质量。所以研究城市功能结构的鲁棒性可以为城市规划者提供非常有建设性的意见，对城市的健康发展有重要的意义。本发明分析城市功能系统的各个功能组成，根据城市功能系统的分布情况建立复杂网络模型；针对复杂网络及研究区的情况，设计鲁棒性指标，并利用仿真技术，设计攻击破坏实验，观察记录城市功能系统鲁棒性指标的变化趋势，建立仿真评估指标，进行鲁棒性分析，本发明具有实现简单，计算速度快，评估准确，可信度较高的优点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，包括以下步骤：
S1、获取目标区域的城市功能系统组成地图，其中城市功能系统包括多种功能区域；
S2、在步骤S1的基础上，提取所述城市功能系统中各个功能区域的中心点来代表相应的功能区域，对各个功能区域建立相应的网络模型，并确定各个功能区域的网络模型之间的耦合关系；
S3、在步骤S2的基础上，分析各个功能区域的网络模型的鲁棒性指标；
S4、在步骤S3的基础上，提供攻击破坏试验对各个功能区域网络模型的鲁棒性进行仿真验证，观察记录仿真过程中各个功能区域网络模型的鲁棒性指标变化趋势；
S5、在步骤S4的基础上，建立相应的仿真评估指标，对上述鲁棒性指标变化趋势进行分析，从而得出鲁棒性评估。
优选的，所述步骤S1中多种功能区域包括综合居住，工业科技，生态旅游，金融商业，文化教育。
优选的，所述步骤S1中城市功能系统包括城市经济功能，城市就业功能，城市教育功能，城市生态功能。
优选的，当城市功能系统为城市经济功能时，对应的功能区域为综合居住功能区与金融商业功能区的耦合关联系统，其鲁棒性指标包括：平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比，平均最短距离；
其中，平均节点度：平均一个综合居住功能点对应1.5km范围内的金融商业功能点的数量；
1.5km网络效率：综合居住与金融商业功能点距离在1.5km内的距离的倒数的平均值；即：
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离；
全局网络效率：全部的综合居住与金融商业功能点的距离的倒数的平均值；
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离；
非孤立点占比：在1.5km范围内存在金融商业功能点的综合居住功能点所占比重；
平均最短距离：每一个综合居住功能点到金融商业功能点的最短距离的平均值，即
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离。
优选的，步骤S3中提供的攻击破坏实验包括：随机去点破坏实验，针对性去点破坏实验，分批次局部去点破坏实验；
随机去点破坏实验：随机选择金融商业功能点从网络中移除，直到全部去除；
针对性去点破坏实验：按重要性递减的顺序依次去除商业功能点，直到全部去除；
分批次局部去点破坏实验：选择最重要的金融商业功能点，并依次去除距离为5km内的其他金融商业功能点，在该范围内金融商业功能点全部去除后，选择剩余的最重要功能点继续上述步骤，直到全部去除。
优选的，步骤S5中的仿真评估指标包括：拟合函数变化速率，网络崩溃节点数；
拟合函数变化速率：将鲁棒性指标随去点破坏实验的去点数的增加而变化的趋势进行拟合，将其转化为拟合函数，横坐标为去点数，纵坐标为以初始值为1的鲁棒性指标，其中平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比拟合为线性函数y＝kx+1，平均最短距离拟合为指数函数y＝e^kx,以k的绝对值代表拟合函数变化速率，k的绝对值越大代表城市功能系统受到的破坏越严重；
网络崩溃节点数：以鲁棒性指标变为初始值的50％或2倍作为网络崩溃的标志，其中平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比以50％为标志，平均最短距离以2倍为标志，到达网络崩溃时的节点数越小代表城市功能系统受到的破坏越严重。
本发明的有益技术效果是：获取研究区的城市功能系统组成地图，通过设计针对性的鲁棒性指标及仿真评估指标，并设计多种情形的攻击破坏实验，该评估方法能有效且准确的进行城市功能系统的鲁棒性评估。
附图说明
图1显示为本发明的一个实施例的步骤流程示意图。
图2显示为本发明的一个实施例获取的研究区城市功能系统组成地图。
图3显示为本发明的一个实施例城市功能系统内功能区耦合关联图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，包括以下步骤：
步骤1：请参照图2，获取研究区的城市功能系统组成地图，本实施例中城市功能系统包括多种功能区：综合居住，工业科技，生态旅游，金融商业，文化教育；
步骤2：对步骤1获取的城市功能系统的分布图进行初步处理，提取系统内各个功能区的中心点来代表各个功能区，建立复杂网络，其中每个点的信息包括地理坐标及功能区名称，并建立不同功能区之间的耦合关系，请参照图3，本实施例中研究城市功能系统包括：城市经济功能，城市就业功能，城市教育功能，城市生态功能；
步骤3：设计针对步骤2中不同功能系统的鲁棒性指标，本实施例以城市经济功能为例，即综合居住功能区与金融商业功能区的耦合关联系统，鲁棒性指标为：平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比，平均最短距离。
平均节点度：平均一个综合居住功能点对应1.5km范围内的金融商业功能点的数量。
1.5km网络效率：综合居住与金融商业功能点距离在1.5km内的距离的倒数的平均值。即：
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离。
全局网络效率：全部的综合居住与金融商业功能点的距离的倒数的平均值。
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离。
非孤立点占比：在1.5km范围内存在金融商业功能点的综合居住功能点所占比重。
平均最短距离：每一个综合居住功能点到金融商业功能点的最短距离的平均值。即
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离。
步骤4：设计多种情形的攻击破坏实验进行仿真，观察记录步骤3中城市功能系统鲁棒性指标的变化趋势，攻击破坏实验为：随机去点破坏实验，针对性去点破坏实验，分批次局部去点破坏实验。
随机去点破坏实验：随机选择金融商业功能点从网络中移除，直到全部去除。
针对性去点破坏实验：按重要性递减的顺序依次去除商业功能点，直到全部去除。
分批次局部去点破坏实验：选择最重要的金融商业功能点，并依次去除距离为5km内的其他金融商业功能点，在该范围内金融商业功能点全部去除后，选择剩余的最重要功能点继续上述步骤，直到全部去除。
步骤5：建立仿真评估指标，对步骤4中的鲁棒性指标变化趋势进行分析，进行鲁棒性评估，仿真评估指标为：拟合函数变化速率，网络崩溃节点数，对仿真结果的评估结果参照下表1和表2。
表1拟合函数变化速率
表2网络崩溃节点数
拟合函数变化速率：将鲁棒性指标随去点破坏实验的去点数的增加而变化的趋势进行拟合，将其转化为拟合函数，横坐标为去点数，纵坐标为以初始值为1的鲁棒性指标，其中平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比拟合为线性函数y＝kx+1，平均最短距离拟合为指数函数y＝e^kx,以k的绝对值代表拟合函数变化速率，k的绝对值越大代表城市功能系统受到的破坏越严重。
网络崩溃节点数：以鲁棒性指标变为初始值的50％或2倍作为网络崩溃的标志，其中平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比以50％为标志，平均最短距离以2倍为标志，到达网络崩溃时的节点数越小代表城市功能系统受到的破坏越严重。
综上所述，本发明的实施原理为：获取研究区的城市功能系统组成地图、提取步骤1中系统内各个功能区的中心点来代表各个功能区，建立复杂网络及耦合关系、设计针对步骤2中不同功能区的鲁棒性指标、设计多种情形的攻击破坏实验进行仿真，观察记录步骤3中城市功能系统鲁棒性指标的变化趋势、建立仿真评估指标，对步骤4中的鲁棒性指标变化趋势进行分析，进行鲁棒性评估这五步对城市功能系统进行鲁棒性评估，便于对城市的未来规划，发明具有实现简单，计算速度快，评估准确，可信度较高的优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取目标区域的城市功能系统组成地图，其中城市功能系统包括多种功能区域；
S2、在步骤S1的基础上，提取所述城市功能系统中各个功能区域的中心点来代表相应的功能区域，对各个功能区域建立相应的网络模型，并确定各个功能区域的网络模型之间的耦合关系；
S3、在步骤S2的基础上，分析各个功能区域的网络模型的鲁棒性指标；
S4、在步骤S3的基础上，提供攻击破坏试验对各个功能区域网络模型的鲁棒性进行仿真验证，观察记录仿真过程中各个功能区域网络模型的鲁棒性指标变化趋势；
S5、在步骤S4的基础上，建立相应的仿真评估指标，对上述鲁棒性指标变化趋势进行分析，从而得出鲁棒性评估。
2.根据权利要求1所述的一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，其特征在于，所述步骤S1中多种功能区域包括综合居住，工业科技，生态旅游，金融商业，文化教育。
3.根据权利要求2所述的一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，其特征在于，所述步骤S1中城市功能系统包括城市经济功能，城市就业功能，城市教育功能，城市生态功能。
4.根据权利要求3所述的一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，其特征在于，当城市功能系统为城市经济功能时，对应的功能区域为综合居住功能区与金融商业功能区的耦合关联系统，其鲁棒性指标包括：平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比，平均最短距离；
其中，平均节点度：平均一个综合居住功能点对应1.5km范围内的金融商业功能点的数量；
1.5km网络效率：综合居住与金融商业功能点距离在1.5km内的距离的倒数的平均值；即：
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离；
全局网络效率：全部的综合居住与金融商业功能点的距离的倒数的平均值；
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离；
非孤立点占比：在1.5km范围内存在金融商业功能点的综合居住功能点所占比重；
平均最短距离：每一个综合居住功能点到金融商业功能点的最短距离的平均值，即
n1代表第一类功能点的个数，n2代表第二类功能点的个数，dij代表第i个一类功能点与第j类二类功能点的距离。
5.根据权利要求4所述的一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，其特征在于，步骤S3中提供的攻击破坏实验包括：随机去点破坏实验，针对性去点破坏实验，分批次局部去点破坏实验；
随机去点破坏实验：随机选择金融商业功能点从网络中移除，直到全部去除；
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6.根据权利要求5所述的一种城市功能系统的鲁棒性评估方法，其特征在于，步骤S5中的仿真评估指标包括：拟合函数变化速率，网络崩溃节点数；
拟合函数变化速率：将鲁棒性指标随去点破坏实验的去点数的增加而变化的趋势进行拟合，将其转化为拟合函数，横坐标为去点数，纵坐标为以初始值为1的鲁棒性指标，其中平均节点度，1.5km网络效率，全局网络效率，非孤立点占比拟合为线性函数y＝kx+1，平均最短距离拟合为指数函数y＝e^kx,以k的绝对值代表拟合函数变化速率，k的绝对值越大代表城市功能系统受到的破坏越严重；
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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