CN113283637B - 一种城市开敞空间服务网络优化方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种城市开敞空间服务网络优化方法、装置、设备及介质,其中,所述方法包括步骤:获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;根据区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;当基尼系数大于或等于警戒阈值,优化网络,提升城市需求和供给的空间匹配程度,促使城市开敞空间服务网络供需平衡。
Description
技术领域
本发明涉及网络规划领域,尤其涉及一种城市开敞空间服务网络优化方法、装置、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
城市开敞空间是承载居民活动的重要空间载体,以公园绿地为典型代表,从关注“使用者的需求”的角度进行城市开敞空间布局优化,最终目标是实现城市居民需求得到应有的服务供给,保障城市开敞空间系统的供需平衡。
从定量分析的角度,城市生态系统服务的需求方与供给方之间存在十分复杂的非线性关系,以往城市开敞空间研究往往追求达到总量和人均指标的“技术合理”,而不是居民使用密切相关的“分布合理”。从空间分析的角度,在自然生态系统服务流向人类社会系统的动态过程中,如生态网络服务供给不足、存在需求覆盖的空白区域,或生态服务供给区被过度消费、存在服务重叠的冗余区,都将导致城市开敞空间供给与需求存在空间偏离。近几年国内学者开始关注如何优化城市开敞空间,但一般采用定性方法对供需关系进行描述,或对开敞空间设置先验的服务半径以模拟其服务范围,而不是直接对供需结构及网络特征进行量化研究,这些方法难以满足在定量和空间等维度上对城市开敞空间进行优化,因此,现有技术有待改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种城市开敞空间服务网络优化方法、装置、设备及计算机可读存储介质,旨在解决城市开敞空间服务网络服务供需不平衡的问题。城市开敞空间服务网络优化方法包括以下步骤:
获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;
根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;
当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络。在一种实施方式中,所述区位熵的计算公式为:其中,所述Wi表示所述网络模型中第i个所述需求节点的区位熵,所述Si表示第i个所述需求节点对应的地理位置接收城市开敞空间服务网络服务的人数,所述Di表示第i个所述需求节点的网络需求程度,所述S表示城市开敞空间服务网络的总供给水平,所述D表示所述城市开敞空间服务网络的总需求程度。
在一种实施方式中,其特征在于,所述根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数的计算公式为:
在一种实施方式中,所述当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络的步骤包括:
当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,根据所述区位熵确定放置新增的供给节点的供给位置;
根据所述供给位置及择优连接概率优化所述城市开敞空间服务网络。
在一种实施方式中,所述根据所述区位熵确定放置新增的供给节点的供给位置的步骤包括:
确定所述区位熵小于需求阈值的需求节点为待优化节点;
设置供给网络服务于所述待优化节点的位置为供给位置。
在一种实施方式中,所述根据所述供给位置及择优连接概率优化所述城市开敞空间服务网络的步骤包括:
于所述供给位置设置供给节点,并计算所述供给节点与所述城市开敞空间服务网络中各个节点的节点距离;
将所述供给节点纳入所述节点距离的最小值对应的节点所在的局域网络;
根据择优连接概率确定所述局域网络中与所述新增供给节点连边的节点,以优化所述城市开敞空间服务网络。
在一种实施方式中,所述择优连接概率为所述局域网络中所述新增供给节点与所述需求节点之间的择优连接概率,所述择优连接概率的计算公式为:
此外,为实现上述目的,本发明还提供一种城市开敞空间服务网络优化装置,所述城市开敞空间服务网络优化装置包括:
获取模块,用于获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;
计算模块,用于根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;
优化模块,用于当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络。
此外,为实现上述目的,本发明还提供一种城市开敞空间服务网络优化设备,所述城市开敞空间服务网络优化设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的城市开敞空间服务网络优化程序,所述城市开敞空间服务网络优化程序被所述处理器执行时实现如上所述的城市开敞空间服务网络优化方法的步骤。
此外,为实现上述目的,本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有所述城市开敞空间服务网络优化程序,所述城市开敞空间服务网络优化程序被处理器执行时实现如上所述的城市开敞空间服务网络优化方法的步骤。
本发明通过获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵,根据区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数,当基尼系数大于或等于警戒阈值,优化城市开敞空间服务网络,提升城市开敞空间服务网络的需求和供给的空间匹配程度,促使城市开敞空间服务网络供需平衡。
附图说明
图1为实现本发明各个实施例一种设备的硬件结构示意图;
图2为本发明城市开敞空间服务网络优化方法实施例的流程示意图;
图3为本发明洛伦茨曲线和基尼系数示意图;
图4为本发明城市开敞空间服务网络优化过程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供了一种城市开敞空间服务网络优化设备,参照图1,图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的结构示意图。
需要说明的是,图1即可为城市开敞空间服务网络优化设备的硬件运行环境的结构示意图。本发明实施例城市开敞空间服务网络优化设备可以是PC(Personal Computer,个人电脑),便携计算机,服务器等设备。
如图1所示,该城市开敞空间服务网络优化设备可以包括:处理器1001,例如CPU,存储器1005,用户接口1003,网络接口1004,通信总线1002。其中,通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard),可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器,也可以是稳定的存储器(non-volatile memory),例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
可选地,城市开敞空间服务网络优化设备还可以包括RF(Radio Frequency,射频)电路,传感器、WiFi模块等等。
本领域技术人员可以理解,图1中示出的城市开敞空间服务网络优化设备结构并不构成城市开敞空间服务网络优化设备的限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置。
如图1所示,作为一种计算机存储可读存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及城市开敞空间服务网络优化程序,其中,操作系统是管理和控制城市开敞空间服务网络优化设备硬件和软件资源的程序,支持城市开敞空间服务网络优化程序以及其它软件或程序的运行。
图1所示的城市开敞空间服务网络优化设备,用于解决城市开敞空间服务网络服务供求不平衡的问题,用户接口1003主要用于侦测或者输出各种信息,如输入城市开敞空间服务网络优化的指令和输出优化后的城市开敞空间服务网络等;网络接口1004主要用于与后台服务器交互,进行通信;处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的城市开敞空间服务网络优化程序,并执行以下操作:
获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;
根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;
当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络。
本发明通过获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵,根据区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数,当基尼系数大于或等于警戒阈值,优化城市开敞空间服务网络,提升城市开敞空间服务网络的需求和供给的空间匹配程度,促使城市开敞空间服务网络供需平衡。
本发明移动终端具体实施方式与下述城市开敞空间服务网络优化方法各实施例基本相同,在此不再赘述。
基于上述结构,提出本发明城市开敞空间服务网络优化方法的实施例。
本发明提供一种城市开敞空间服务网络优化方法。
参照图2,图2为本发明城市开敞空间服务网络优化方法实施例的流程示意图。
在本实施例中,提供了城市开敞空间服务网络优化方法的实施例,需要说明的是,虽然在流程图中示出了逻辑顺序,但是在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中,城市开敞空间服务网络优化方法包括:
步骤S10,获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;
城市开敞空间与居住用地存在着服务关系,通过确定开敞空间“节点”与居住区“节点”存在的服务“关系”,分别映射至网络中的“点”与“线”,从而构建城市开敞空间服务网络。该网络表达了两种具有不同属性的对象之间的相互关系,属于二分网络模型,模型表达式为G=(P,R,E),其中,集合P和R分别表示供给节点(即具有游憩服务的开敞空间单元,如公园绿地)和需求节点(即居住区),E表示连接这两个数据集节点的边集,如某一个P节点和某一个R节点之间被观测到有人口流量,则视为形成一条连边,并将流量数据赋予该连边的权重。本实施例采用手机信令、公交刷卡等居民活动轨迹观测数据,识别服务供给区和需求区及其连接路径,进行城市开敞空间服务网络模型构建。
保障网络供需关系均衡是体现生态空间公共产品服务公平性的重要内容。空间网络均衡还是失衡主要通过供给能力和需求强度的区域对应关系来反映,当供给能力与需求强度相当时,区域网络总体上是均衡的。本实施例重点关注供给节点P与需求节点R之间路径流量E之间的匹配,因此城市开敞空间服务网络主要的优化方向是识别存在“高需求、低供给”的居住区需求节点,通过在高需低供区域增补新的开敞空间,降低这些居住区游憩需求的压力。
首先以需求节点为分析对象,从供需数量关系的角度,采用区位熵来分析城市开敞空间服务网络现状的供需关系,以此来评价网络服务的公平性,本实施例计算城市开敞空间服务网络中每一个需求节点的区位熵,区位熵的计算公式包括:
式中,Wi表示城市开敞空间服务网络中第i个需求节点的区位熵,Si表示第i个需求节点对应的地理位置接收城市开敞空间服务网络服务的人数(即供给水平,如采用手机信令数据对i节点全部的出发量O进行统计),Di表示第i个需求节点的网络需求程度(以常住人口为统计标准),S表示总供给水平,D表示总需求程度。
步骤S20,根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;
对城市开敞空间服务网络的优化不能仅仅着眼于个别的需求节点,更需要从城市开敞空间服务网络的整体出发,采用基尼系数GN判断当前的城市开敞空间服务网络供给与需求是否分布平衡,基尼系数GN的取值在0~1之间,基尼系数GN越小,表明城市开敞空间服务网络中供给节点和需求节点匹配度越高,供需关系越平衡。
具体的,在一些实施例中,基尼系数GN的计算公式为:
式中,Pi表示第i个分组所述需求节点区位熵的百分比,∑Pi表示前i个需求节点区位熵的累计百分比,n表示需求节点的分组数。
关于本实施例基尼系数的推导借用洛伦茨曲线,洛伦茨曲线是描述、衡量分配或占有的平均程度,其形式如图3,对角线OL是绝对均衡线,弧线O-E-L即为洛伦茨曲线。参照图3,洛伦茨曲线与绝对均衡线包围的面积SA占绝对均衡线与绝对不均衡线包围的面积(SA+SB)的比重为基尼系数,即:
由于洛伦茨曲线是一条不规则的曲线,无法直接计算SB的面积,因此采用几何计算法,即根据分组资料,按几何图形分块近似逼近计算的方法。具体的,将洛伦茨曲线下方SB区域,根据需求节点数量平均分成n个组,即得到近似梯形的n个子区域,计算每个子区域的面积Sp,然后将多个Sp求和可得到SB的近似面积:
SB=∑Sp;
式中,所述Pi表示第i个分组需求节点区位熵的百分比,所述∑Pi表示前i个分组需求节点区位熵的累计百分比,∑Pi-1表示前i-1个分组需求节点区位熵的累计百分比,n表示需求节点的分组数,不失一般性,取值为100。
一般的,当GN<0.2时表示高度平衡,当0.2≤GN<0.3时表示比较平衡,当0.3≤GN<0.4时表示相对合理,当0.4≤GN<0.5时表示差距较大,当GN≥0.5时表示差距悬殊。国际上通常把0.4作为警戒阈值,或根据黄金分割百分比将警戒线阈值定义为0.382。
步骤S30,当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络。
当城市开敞空间服务网络的基尼系数大于或等于警戒阈值时,说明城市开敞空间服务网络中的供求关系不平衡,此时应优化城市开敞空间服务网络,使得城市开敞空间服务网络中的供给节点满足于需求节点。
在一些实施例中,步骤S30还包括:
步骤a,当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,根据所述区位熵确定放置新增的供给节点的供给位置;
步骤b,根据所述供给位置及择优连接概率优化所述城市开敞空间服务网络。
首先根据区位熵判断需要提升网络供给的区域,进一步确定新增的供给节点的位置,即供给位置,便于为需求节点提供网络服务。
在一些实施例中,步骤a还包括:
步骤a1,确定所述区位熵小于需求阈值的需求节点为待优化节点;
步骤a2,设置供给网络服务于所述待优化节点的位置为供给位置。
需求阈值可以设置为0.5,当需求节点的区位熵小于需求阈值时,将该需求节点确定为需要优化的节点,即待优化节点,进一步的,将可以为待优化节点提供服务的位置确定为供给位置。
国土空间规划编制时要求供给节点应邻近待优化节点进行用地配置,具体的供给位置可结合待优化节点区域内的土地利用现状、地表覆盖、公园建设发展规划、法定图则等因素进行选取。
根据供给位置和择优连接概率,将供给节点连接至城市开敞空间服务网络中,以优化城市开敞空间服务网络。
在一些实施例中步骤b还包括:
步骤b1,于所述供给位置设置供给节点,并计算所述供给节点与所述城市开敞空间服务网络中各个节点的节点距离;
步骤b2,将所述供给节点纳入所述节点距离的最小值对应的节点所在的局域网络;
步骤b3,根据择优连接概率确定所述局域网络中与所述新增供给节点连边的节点,以优化所述城市开敞空间服务网络。
需要说明的是,原有的城市开敞空间服务网络包括多个局域网络,每个局域网络均含有供给节点和需求节点。
根据最邻近原则确定新增节点所在的局域网络。根据各个节点(包括供给节点和需求节点)和新增的供给节点的空间位置坐标,设城市开敞空间服务网络中各个节点的坐标为(xj,yj),表示城市开敞空间服务网络中第j节点的坐标,设新增的供给节点的坐标为(xz,yz),表示第z个新增的供给节点的坐标。计算新增的供给节点与原始网络中各个节点的空间距离Ljz,将城市开敞空间服务网络中距供给节点最近的节点与供给节点连接,将供给节点纳入与其最近的节点所在的局域网络中。
参照图4,新增供给节点为M和N,城市开敞空间服务网络包括局域网络A、局域网络B和局域网络C,在获取各个节点的坐标后,计算节点M与节点A1~A5、B1~B7、C1~C4之间的距离,以及节点N与节点A1~A5、B1~B7、C1~C4之间的距离。节点M到节点A3之间的距离最短,连接节点M与节点A3,如图中虚线所示,将节点M纳入局域网络A;节点N到节点B3之间的距离最短,连接节点N与节点B3,如图中虚线所示,将节点N纳入局域网络B。
根据择优连接原则,在确定局域网络归属的基础上增加连边。定义局域网络中节点间优先连接的相关性,从而界定新增供给节点连边的概率函数,计算局域网络中新增供给节点与需求节点之间的择优连接概率,择优连接概率的计算公式为:其中,Πi表示局域网络Ω中第i个需求节点与新增供给节点之间的择优连接概率,表示局域网络Ω中所有所述需求节点的区位熵总和。
新增的供给节点与第i个需求节点的择优连接概率越大,说明第i个需求节点的区位熵越小,优先将新增供给节点与区位熵小的需求节点连接,即优先改善供需差异最大的需求节点,最大程度提升城市开敞空间服务网络性能。
关于基尼系数,在优化城市开敞空间服务网络过程中和优化城市开敞空间服务网络之后均可以计算,例如现有的城市开敞空间服务网络最初的基尼系数大于0.50,城市开敞空间服务网络的供需关系整体上不平衡。根据本实施例提供的城市开敞空间服务网络优化方法,设定增加供给节点数量为m,在不同的时刻t,根据择优连接概率确定新增供给节点和局域网络既有节点之间的连边,直到同一个局域网络内的区位熵小于需求阈值的全部节点被连接为止。计算每一个t时刻的所构成的新网络模型的基尼系数,从而得到基尼系数变化曲线。当基尼系数达到理想值时,视为城市开敞空间服务网络进入供求平衡的状态。
本实施例通过获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵,根据区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数,当基尼系数大于或等于警戒阈值,优化城市开敞空间服务网络,提升城市开敞空间服务网络的需求和供给的空间匹配程度,促使城市开敞空间服务网络供需平衡。
此外,本发明实施例还提出一种城市开敞空间服务网络优化装置,所述城市开敞空间服务网络优化装置包括:
获取模块,用于获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;
计算模块,用于根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;
优化模块,用于当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络。
本发明所述城市开敞空间服务网络优化装置实施方式与上述城市开敞空间服务网络优化各实施例基本相同,在此不再赘述。
此外,本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有城市开敞空间服务网络优化程序,所述城市开敞空间服务网络优化程序被处理器执行时实现如上所述的城市开敞空间服务网络优化方法的各个步骤。
需要说明的是,计算机可读存储介质可设置在城市开敞空间服务网络优化设备中。
本发明计算机可读存储介质具体实施方式与上述城市开敞空间服务网络优化方法各实施例基本相同,在此不再赘述。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其它要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件,但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中,包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机,计算机,服务器,空调器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种城市开敞空间服务网络优化方法,其特征在于,所述城市开敞空间服务网络优化方法包括以下步骤:
获取城市开敞空间服务网络中各个需求节点的区位熵;
根据所述区位熵计算用于表示城市开敞空间服务网络供给均衡程度的基尼系数;
当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络;所述当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,优化所述城市开敞空间服务网络的步骤包括:
当所述基尼系数大于或等于警戒阈值,根据所述区位熵确定放置新增的供给节点的供给位置;
根据所述供给位置及择优连接概率优化所述城市开敞空间服务网络。
4.如权利要求2所述的城市开敞空间服务网络优化方法,其特征在于,所述根据所述区位熵确定放置新增的供给节点的供给位置的步骤包括:
确定所述区位熵小于需求阈值的需求节点为待优化节点;
设置供给网络服务于所述待优化节点的位置为供给位置。
5.如权利要求4所述的城市开敞空间服务网络优化方法,其特征在于,所述根据所述供给位置及择优连接概率优化所述城市开敞空间服务网络的步骤包括:
于所述供给位置设置新增供给节点,并计算所述供给节点与所述城市开敞空间服务网络中各个节点的节点距离;
将所述新增供给节点纳入所述节点距离的最小值对应的节点所在的局域网络;
根据择优连接概率确定所述局域网络中与所述新增供给节点连边的节点,以优化所述城市开敞空间服务网络。
7.一种城市开敞空间服务网络优化设备,其特征在于,所述城市开敞空间服务网络优化设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的城市开敞空间服务网络优化程序,所述城市开敞空间服务网络优化程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的城市开敞空间服务网络优化方法。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有城市开敞空间服务网络优化程序,所述城市开敞空间服务网络优化程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的城市开敞空间服务网络优化方法的步骤。
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