SISTEMA DE PLANEACION DE TERRENO IMPLEMENTADO EN UN
COMPUTADOR Y MÉTODO DISEÑADO PARA GENERAR AL MENOS
UNA SOLUCIÓN CONCEPTUAL APTA A UN PROBLEMA DE
DESARROLLO DE TERRENO DEFINIDO POR EL USUARIO
Campo Técnico y Antecedentes de la Invención Esta invención se refiere a un sistema de planeación de terreno implementado en un computador y un método diseñado para generar al menos una solución conceptual apta a un problema de desarrollo de terreno definido por el usuario. La invención es igualmente aplicable a la planeación y el desarrollo de sitios de terreno comerciales, de uso mixto y residenciales de una unidad o de unidades múltiples. El proceso usado hoy en día por desarrolladores de bienes raíces profesionales, corporaciones, entidades gubernamentales y otros para evaluar un terreno acerca de factibilidad de ingeniería, costo de desarrollo, y propósitos de inversión es consumidor de tiempo, impreciso, y costoso. Desafortunadamente, el proceso actual está volviéndose aun mas complejo y costoso debido a las complicaciones burocráticas añadidas con la zonificación de uso de terreno, requerimientos de protección ambiental, procesos de permisos extendidos así como la disponibi-lidad y costo escalante del terreno en áreas deseables. Este problema afecta a un espectro amplio de usuarios de terrenos
incluyendo, por ejemplo, desarrolladores de bienes raíces (oficinas/industriales, comerciales, de venta, residenciales) , corporaciones que son propietarios y usuarios de bienes raíces (públicas/privadas) , y entidades gubernamentales (federales, estatales, municipales, citadinas) . Para cada uno de los usuarios anteriores, evaluar la factibilidad de un sitio de terreno para desarrollo típicamente involucra un equipo de desarrollo de terreno incluyendo uno o mas arquitectos, ingenieros, y planeadores de terrenos. Muchos de estos miembros de equipo están vinculados a trazar y planear los usos pretendidos en el sitio siendo considerado. Este proceso de planeación inicial puede tomar de 2 días a cuatro semanas, y usualmente resulta en un solo dibujo esquemático con información limitada (v.gr., ¿el sitio soportará los trazados de edificación o lotes de edificación y las calles y/o lotes de estacionamiento necesarios?) . En este punto, con base mayormente en la intuición y una "corazonada" acerca del proyecto, el desarrollador elegirá contratar planeación e ingeniería adicionales para evaluar de manera mas precisa la factibilidad del plan y el presupuesto. Este proceso puede tomar de 2 a 16 semanas y usualmente resulta en solamente una opción que se basa en la experiencia del diseñador pero no se optimiza en ningún respecto. Esta información entonces se usa para estimar un presupuesto mas preciso. Frecuentemente ingeniería de valor se requiere para llevar el diseño de regreso dentro del presupuesto original . Este proceso
toma 2 a 6 semanas . El presupuesto final generalmente no se determina sino hasta el fin del proceso de planeación - algunos 3-4 meses después de la consideración inicial del sitio de terreno . El proceso de planeación anterior frecuentemente debe ocurrir antes de que la propiedad se compre, y requiere inversión sustancial en cuotas legales y dinero de adelanto para mantener la propiedad por una longitud de tiempo extendida. Después de este proceso de 4 a 28 semanas (promedio 16 semanas) y costos considerables y riesgo de oportunidad perdida, el desarrollador debe evaluar el riesgo de adquirir y desarrollar la propiedad con base en una opción de diseño no optimizada. Desafortunadamente, el proceso delineado anteriormente se complica aun mas por mala comunicación y desconexión entre los muchos grupos involucrados, lo cual frecuentemente resulta en malos diseños, malos presupuestos, desacuerdos, y malos proyectos . El presente solicitante reconoce que la industria del desarrollo de terrenos necesita un cambio de paradigmas mayor, el cual ahora es posible a través de avances en modelación matemática y hardware de computación. Una meta primaria de la presente invención es arreglar los problemas delineados anteriormente a través de un sistema de ingeniería virtual que puede producir muchas alternativas optimizadas para desarrollo de terrenos -incluyendo la planeación, ingeniería y creación de presupuesto
para cada solución potencial . Este proceso de computación generalmente se logra en un periodo de máximo 24 horas. Estrategia Heurística La velocidad y efectividad de la presente invención se avanza usando un enfoque matemático heurístico, tal como algoritmos genéticos. Dicho de manera concisa, un algoritmo genético (o "GA" ) es una técnica de programación que simula la evolución biológica como una estrategia de solución de problemas . Dada un problema específico a resolver, la entrada al GA es un conjunto de soluciones potenciales a ese problema, codificadas en alguna manera, y una métrica llamada función de apti tud que permite que cada candidato sea evaluado cuantitativamente . Estos candidatos pueden ser soluciones que ya se sabe que funcionan, con el objetivo del GA siendo mejorarlas, pero mas frecuentemente se generan de manera aleatoria. A partir de estas soluciones candidatas iniciales, cambios aleatorios se introducen a través de procesos conocidos como mutación y cruce. El resultado digital resultante entonces va a la siguiente generación, formando un nuevo conjunto de soluciones candidatas, y se sujeta a una segunda ronda de evaluación de aptitud. Esas soluciones candidatas que se empeoraron, o no se hicieron mejores, por los cambios a su código de nuevo se borran; pero de nuevo, meramente por casualidad, las variaciones aleatorias introducidas dentro de la población pueden haber mejorado algunos individuos, haciéndolos soluciones
mejores, mas completas o mas eficientes al problema mencionado. De nuevo estos individuos ganadores se seleccionan y se copian hacia la siguiente generación con cambios aleatorios, y el proceso se repite . La expectación es que la aptitud promedio de la población se incrementará en cada ronda, y así mediante repetir este proceso por cientos o miles de rondas, soluciones muy buenas al problema se pueden descubrir. Compendio de la Invención Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador y método diseñado para generar por lo menos una solución conceptual apta a un problema de desarrollo de terreno definido por usuario . Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que utiliza una estrategia de solución de problemas heurística, tal como algoritmos genéticos. De acuerdo con el presente algoritmo genético, la evolución comienza a partir de una población de individuos completamente aleatorios y ocurre en generaciones. En cada generación, la aptitud de la población completa se evalúa, múltiples individuos se seleccionan de manera fortuita a partir de la población actual (con base en su aptitud) , se modifican (se mutan o se recombinan) para formar una nueva población, la cual se vuelve actual en la siguiente iteración del algoritmo. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema
de planeación de terreno implementado en un computador que lleva a cabo planeación e ingeniería de terrenos simultáneamente. Esta invención considera todos los parámetros de desarrollo de terreno (v.gr., especificaciones del sitio, restricciones de usuario, información de costo) por adelantado a partir de las perspectivas de tanto el planeador de terreno y el ingeniero, y luego explora millones de opciones usando algoritmos heurísticos para determinar cuales opciones son las mejores según se determinan por costos e ingresos . Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que aplica una estrategia de solución de problemas heurística al proceso de ingeniería civil actual para revolucionar la planeación y el desarrollo de terrenos residenciales y comerciales. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que reduce el tiempo que toma llegar a un dibujo de ingeniería final (85% completo o mas) , incluyendo información de costos, de 3-4 meses a menos de 24 horas en muchos casos. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que proporciona tecnología, accesible mediante la red (web) , que permitirá a un usuario determinar la manera mas efectiva en cuanto a costo para desarrollar un sitio de terreno. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema
de planeación de terreno implementado en un computador que permite la visualización de un problema de desarrollo de terreno y la solución final . Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador da al desarrollador de terreno acceso directo a información calificada en alrededor de 24 horas (o menos) contra muchos meses. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que minimiza el capital de inversión inicial requerido para desarrollar un sitio de terreno. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que reduce costos de ingeniería. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que minimiza el riesgo asociado con desarrollar un sitio de terreno. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que optimiza el tiempo de ingeniería. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que efectivamente integra los lados creativo (estético) e de ingeniería de planeación y desarrollo de terrenos para lograr una solución globalmente óptima.
Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que se optimiza alrededor de mediciones financieras, tales como costo y retorno a la inversión (ROÍ) . Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que genera múltiples soluciones "óptimamente diferentes" a un problema de desarrollo de terreno, y que presenta las soluciones en un formato " . dwg" que puede ingresarse y manipularse directamente en un sistema CAD/CAM existente para ingenieros. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que está disponible para uso en PCs solos o en redes. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que utiliza Topografía Satelital Digital. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que utiliza una estrategia de solución de problemas heurística capaz de manipular muchos parámetros simultáneamente . Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que utiliza una estrategia de solución de problemas heurística que busca mas allá del óptimo local . Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema
de planeación de terreno implementado en un computador que utiliza una estrategia de solución de problemas heurística aplicable en ingeniería de tráfico incluyendo optimización de señales y diseño de autopistas. Es otro objeto de la invención proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador que utiliza una estrategia de solución de problemas heurística aplicable para optimizar el diseño estructural de edificaciones y puentes. Estos y otros objetos de la presente invención se logran en las formas de realización preferidas divulgadas a continuación mediante proporcionar un sistema de planeación de terreno implementado en un computador diseñado para generar por lo menos una solución conceptual apta a un problema de desarrollo de terreno definido por usuario. El sistema emplea un medio legible en computador y un programa de computador codificado en el medio. El programa de computador es operable, cuando se ejecuta en un computador, para crear electrónicamente por lo menos una solución candidata al problema de desarrollo de terreno. La solución candidata incorpora una pluralidad de mediciones de ingeniería aplicables en el desarrollo de un sitio de terreno no desarrollado. Una función de aptitud evalúa cuantitativamente la solución candidata con base en su aptitud. Una estrategia de solución de problemas heurística manipula las mediciones de ingeniería de la solución candidata para lograr una
solución mas cuantitativamente apta al problema de desarrollo de terreno. Un medio de salida, tal como un monitor de despliegue, impresor, comunicación electrónica, o similar, entrega a un usuario documentación ilustrando la solución apta para el problema de desarrollo de terreno . El término "planeación" se define de manera amplia en la presente para referirse a cualquier desarrollo conceptual de un sitio de terreno. El término "sitio de terreno no desarrollado" se refiere a un sitio que puede o no tener estructura y/o infraestructura de ingeniería existentes, y que no se ha desarrollado aun de acuerdo con una de las soluciones conceptuales aptas generadas en el presente sistema. El término "heurístico" se refiere ampliamente a cualquier estrategia de solución de problemas que utiliza técnicas de auto-educación (como la evaluación de retroalimentación) para mejorar el desempeño. Las siguientes son ejemplos de estrategias de solución de problemas heurísticas: algoritmos evolucionarios, tales como algoritmos genéticos, temple simulado, redes neuronales, ascenso de colinas, optimización de colonia de hormigas, optimización de enjambre de partículas, y búsqueda de tabúes. De acuerdo con otra forma de realización preferida, medios, tales como un modelo de terreno digital, representan digitalmente al sitio de terreno no desarrollado en espacio tridimensional . De acuerdo con otra forma de realización preferida, un
programa de computador comprende instrucciones para localizar conceptualmente las mediciones de ingeniería dentro del espacio tri-dimensional . De acuerdo con otra forma de realización preferida, las mediciones de ingeniería se seleccionan a partir de un grupo que incluye, pero no se limita a, sistema de agua de lluvia, sistema de recolección de drenaje sanitario, y sistema de agua potable. De acuerdo con otra forma de realización preferida, la documentación de salida comprende por lo menos un dibujo generado por computador. De acuerdo con otra forma de realización preferida, la documentación de salida además comprende un listado de costos por artículo de las mediciones de ingeniería. De acuerdo con otra forma de realización preferida, la documentación se entrega al usuario mediante una red de comunicaciones global . En otra forma de realización, la invención es un sistema de planeación de terreno implementado en un computador diseñado para generar por lo menos una solución conceptual apta a un problema de desarrollo de terreno definido por usuario. Un procesador obtiene acceso a restricciones de desarrollo de terreno para un sitio de terreno no desarrollado. El sistema además emplea un medio legible en computador y un programa de computador codificado en el medio. El programa de computador es operable, cuando se ejecuta en un computador, para crear una
población de soluciones candidatas al problema de desarrollo de terreno. Cada solución candidata incluye una pluralidad de mediciones de ingeniería aplicables en el desarrollo de un sitio de terreno no desarrollado. El procesador obtiene acceso a un modelo de costo que incluye datos de costos respectivos para cada una de las mediciones de ingeniería. Un programa de computador comprende instrucciones para descartar soluciones no aptas que violan las restricciones de desarrollo de terreno. Para cada solución restante, una función de aptitud se emplea para calcular una calificación de aptitud con base en los datos de costos para las mediciones de ingeniería. Una estrategia de solución de problemas heurística manipula las mediciones de ingeniería de soluciones candidatas respectivas para lograr calificaciones de aptitud incrementadas, tal que aquellas soluciones candidatas logrando calificaciones de aptitud incrementadas comprenden soluciones aptas respectivas. Un programa de computador comprende instrucciones para seleccionar un conjunto de soluciones alternativas óptimamente diferentes a partir de la pluralidad de soluciones aptas. Un medio de salida, tal como un monitor de despliegue, impresor, comunicación electrónica, o similar, se emplea para entregar a un usuario documentación ilustrando las soluciones alternativas óptimamente diferentes al problema de desarrollo de terreno . De acuerdo con otra forma de realización preferida, el procesador obtiene acceso a las preferencias del usuario para el
sitio de terreno no desarrollado. De acuerdo con otra forma de realización preferida, un programa de computador comprende instrucciones para castigar la calificación de aptitud de una solución candidata con base en la violación de una preferencia del usuario . En aun otra forma de realización, la invención es un método de planeación de terreno implementado en un computador diseñado para generar por lo menos una solución conceptual apta a un problema de desarrollo de terreno definido por usuario. El método incluye los pasos de crear electrónicamente por lo menos una solución candidata al problema de desarrollo de terreno. La solución candidata comprende una pluralidad de mediciones de ingeniería aplicables en el desarrollo de un sitio de terreno no desarrollado. La solución candidata se evalúa cuantitativamente con base en su aptitud global . Una estrategia de solución de problemas heurística entonces se emplea para manipular las mediciones de ingeniería de la solución candidata para lograr una solución mas cuantitativamente apta al problema de desarrollo de terreno. Después de lograr una solución mas apta, la documenta-ción ilustrando la solución apta al problema de desarrollo de terreno es emitida al usuario. Breve Descripción de los Dibujos Algunos de los objetos de la invención han sido expresados anteriormente. Otros objetos y ventajas de la invención aparecerán conforme la descripción procede cuando se
toma en conjunto con los dibujos siguientes, en los cuales: la figura 1 es una vista global esquemática del sistema de planeación de terreno presente de acuerdo con una forma de realización preferida de la invención; la figura 2 es una vista en plano de un sitio de terreno que muestra datos de encuesta brutos en varios puntos; la figura 3 es una vista en perspectiva del sitio de terreno mostrando la Red Irregular Triangulada (TIN) ; las figuras 4-10 son imágenes de pantalla de computador mostrando varios campos de entrada usados para construir el modelo de costo; la figura 11 es un diagrama de flujo demostrando la operación básica del algoritmo genético empleado en el presente sistema; y la figura 12 es un dibujo generado por computador del sitio de terreno desarrollado de acuerdo con una solución apta optimizada. Descripción de la Forma de Realización Preferida y Meior Modo Con referencia ahora específicamente a los dibujos, un sistema de planeación de terreno implementado en un computador de acuerdo con la presente invención se representa de manera amplia en el diagrama esquemático de la figura 1. El sistema emplea una estrategia matemática heurística para generar un conjunto de soluciones globalmente optimizadas a un problema de desarrollo de terreno complejo. En una forma de realización descrita a
continuación, el problema se expresa en términos de optimizar el desarrollo de terreno con base en restricciones de costos y de presupuesto. Alternativamente, el sistema se puede enfocar en otras consideraciones económicas tales como retorno a la inversión (ROÍ) . El ejemplo discutido en la presente se relaciona con la planeación y el desarrollo de un sitio comercial de un solo terreno. El concepto presente, sin embargo, es igualmente aplicable a la planeación y el desarrollo de sitios comerciales, de uso mixto, y residenciales de múltiples terrenos. I. Vista Global del Sistema En una forma de realización, el sistema 10 presente opera en un ambiente utilizando un dispositivo cliente 11 en comunicación con un servidor anfitrión 12 sobre una red de computadores 14 , tal como el Internet . En otras formas de realización, otras redes de computador, por ejemplo, una red de área amplia (WAN), red de área local (LAN), o intranet, puede usarse . El servidor anfitrión 12 comprende un procesador 15 y un medio legible en computador 16, tal como una memoria de acceso aleatorio (RAM) . El procesador 15 es operable para ejecutar ciertos programas de solución de problemas heurísticos 17 almacenados en memoria. Tales procesadores pueden comprender un miero-procesador, o cualquier otro procesador. Tales procesadores también pueden comunicarse con otros medios legibles por computador que almacenan instrucciones de programa de computador,
tal que cuando las instrucciones almacenadas se ejecutan por el procesador, el procesador lleva a cabo los pasos descritos en la presente . Los programas de solución de problemas 17, discutidos adicionalmente mas adelante, y utilizan, como entradas, datos a partir de un dispositivo de almacenamiento de datos 18. En una forma de realización el dispositivo de almacenamiento de datos 18 comprende una base de datos electrónica. En otras formas de realización, el dispositivo de almacenamiento de datos 18 puede comprender un archivo electrónico, disco, u otro dispositivo de almacenamiento de datos. El dispositivo de almacenamiento de datos 18 puede almacenar módulos de ingeniería y de costos, códigos y regulaciones de construcción, datos de usuario, y un repositorio. El dispositivo de almacenamiento de datos 18 puede también incluir otros artículos útiles para llevar a cabo las funciones del presente sistema. En un ejemplo, los programas de solución de problemas 17 comprenden uno o mas algoritmos genéticos para "resolver" un a declaración de problema de alto nivel 19 definida por el usuario - v.gr. , optimizar el desarrollo de terreno en un sitio con base en costo. El sistema 10 emplea Modelación de Terreno Digital para crear una representación tri-dimensional (DTM) del sitio de terreno. Ciertas mediciones de costo, discutidas mas adelante, entonces se localizan conceptualmente dentro del DTM. El algoritmo genético 17 se usa para optimizar el diseño del
sitio con base en estas mediciones de costos . El algoritmo genético 17 evoluciona múltiples soluciones aptas al problema de desarrollo de terreno 19. Estas soluciones aptas entonces son interrogadas y electrónicamente filtradas para lograr un pequeño número de soluciones alternativas muy diferentes 21, 22, y 23. Las alternativas resultantes 21, 22, 23 se transfieren sobre la red de computador 14 al dispositivo cliente 11. El usuario entonces es capaz de decidir cual solución apta 21, 22, 23 satisface mejor sus metas de diseño. II. Mediciones de Costo En el presente ejemplo, cada solución candidata se define por cinco mediciones de costo que se califican individualmente para aptitud con base en una escala cuantitativa predeterminada. La calificación del "índice de aptitud" para cada medición entonces se totaliza para evaluar la aptitud global de la solución dada. Las mediciones de costo comprenden: el terreno de construcción, el lote de estacionamiento y caminos de acceso, sistema de recolección de agua de lluvias, sistema de recolección de drenaje sanitario, y sistema de agua potable. Cada medición se localiza conceptualmente en el sitio y se diseña mediante ingeniería con base en parámetros de sistema y restricciones duras y suaves definidas por usuario, discutidas mas adelante. Para localizar el terreno de construcción, ejemplos de factores que tienen influencia en los costos de desarrollo de terreno incluyen clasificación de sitio inicial, demolición,
limpieza & desyerbado, excavación en volumen, colocación de relleno (rellenado) , paredes de retención, control de erosión, y clasificación de terminado. La clasificación de sitio generalmente es la primera tarea llevada a cabo previo a la construcción, después de la cual la instalación de instalaciones, pavimentación, y construcción de edificaciones puede comenzar. A menos de que el sitio esté en un estado no desarrollado previo a la construcción, un costo será incurrido por la demolición de estructuras existentes. La limpieza consiste de tirar árboles y remover y disponer de arbustos a partir del área distribuida previo a la construcción. El desyerbado es la remoción y eliminación de tocones y raíces. En algunos casos, un costo también será incluido para despoj amiento del mantillo y apilamiento en sitio para uso posterior. La excavación en volumen involucra la remoción de tierra para la construcción de las características del sitio, y tiene el efecto de reducir la elevación de la superficie de tierra. Material adecuado removido a partir de la excavación en sitio puede usarse para formar terraplenes, rellenos, sub-clasificaciones, soportes, rellenados y clasificación de sitio
(es decir, para elevar la clasificación) . Corte y relleno de preferencia se balancea en un sitio dado. También puede incurrir-se en un costo para transportar material de relleno a partir de un área de excavación a un área de relleno . Paredes de retención se construyen para prevenir
erosión y/o inestabilidad estructural de terraplenes excesivamente inclinados. Aunque hay una amplia variedad de paredes de retención incluyendo paredes tipo "timer tie", paredes de piedra, pared de retención de mampostería reforzada con cimientos de concreto colado, y sistemas de pared de retención en segmentos, el tipo de pared usado es mayormente una función de su altura requerida y preferencias de ingeniería. La altura de diseño máxima de una pared de retención dada es una función del tipo de pared de retención y tierra local y condiciones de agua terres-tre . El sistema presente determinará la ubicación, altura requerida, y longitud de cualquiera de las paredes de retención en el sitio. Prácticas de control de erosión típicas durante la construcción incluyen bardas de cieno, entradas de construcción estabilizada, siembra y abono temporales, protección de entradas, diques de revisión, y cuencas de sedimento temporales. Control de erosión apropiado será diseñado, y se incurrirá en costos, con base en las coordenadas (x,y,z) del área afectada. El sistema se diseña para terminar todas las áreas afectadas en el sitio a una superficie uniformemente lisa, libre de cambios de superficie abruptos o irregulares. Incluida en esta tarea está la re-distribución del mantillo apilado según sea necesario en áreas de paisaje. Áreas terminadas pueden posteriormente ornamentarse o pavimentarse . Para la segunda medición de la solución candidata, la
localización y diseño del lote de estacionamiento y caminos de acceso es un componente de costo principal y una fuerza de impulso en el diseño global de cualquier sitio comercial de un solo terreno. Los lineamientos de diseño del lote de estaciona-miento son bien establecidos, y pueden importarse de bases de datos existentes. Los lotes de estacionamiento típicamente se pavimentan con asfalto comprendiendo una pista base de piedra compactada (por decir de 6" de grosor) , y superficie de asfalto (por decir de 4" de grosor) . El grosor de las varias pistas es una función de la carga de tráfico y la vida del diseño deseada. Rebordes y canalones serán proporcionados a través del perímetro del lote de estacionamiento y cualquier isla media. Además, se incurrirá en un costo de ornamentación de paisaje (v.gr., para sembrar y cubrir con césped) para cualquier área afectada durante la construcción que no se pavimenta. La medición de costo para el sistema de recolección de agua de lluvias incluye proporcionar estructuras de agua de lluvias (v.gr., entradas de gotas) y tubería y mejores prácticas de gestión (BMP's), si se requiere. Los costos primarios asociados con la infraestructura de drenaje son aquellos asociados con instalar la tubería y las estructuras. Un "modelo" de ingeniería de agua de lluvias se puede utilizar para determinar el tamaño y la ubicación de las varias instalaciones de agua de lluvias y cantidades asociadas con base en las condiciones de sitio locales (v.gr. , topografía local y precipitación) y
prácticas de ingeniería estándares. La medición para el sistema de recolección de drenaje sanitario comprende costos en los que se incurre para proporcionar servicio de drenaje sanitario al sitio. En la mayoría de los casos, un sistema de drenaje sanitario existente estará disponible para conectarse a y estará localizado en una descarga de drenaje adyacente. Las descargas de drenaje típicamente están localizadas en el derecho de vía (ROW) de los caminos. En el caso mas simple, para sitios comerciales de un solo terreno pequeño, todo lo que será necesario es instalar una lateral de servicio de drenaje sanitario (por decir, material de PVC de 6" de diámetro) , incluyendo una salida de hierro forjado, desde la edificación al drenaje troncal existente en la calle. En otros casos, si se espera que flujos de agua de desecho originándose en la instala-ción sean relativamente altos o si la construcción está lejos del derecho de vía será necesario poner algunos nuevos drenajes troncales incluyendo bocas de acceso. Para el sistema de agua potable, esta medición comprende costos en los que se incurre para proporcionar agua para beber, supresión de incendios e irrigación de sitio al sitio de terreno. Esto se logra mediante conectarse al suministro de agua municipal o privado. Como los drenajes sanitarios, un servicio público de agua existente usualmente se localiza en una descarga de agua adyacente, la cual puede estar en el ROW del camino. La construcción se conecta mediante una conexión de
servicio, con por lo menos una válvula, un medidor de agua, y una derivación de servicio en el servicio público de agua completa la configuración. III. Modelo de Terreno Digital (DTM) El primer paso para implementar el presente sistema es definir el sitio en "espacio" tri-dimensional . Esto se logra a través de la Modelación de Terreno Digital usando cualquier software comercialmente disponible adecuado tal como Surface Modeling por Eagle Point Software, MGE Terrain Analyst por Intergraph Corporation, o GWN-DTM por Scientific Software Group. La Modelación de Terreno Digital es un proceso electrónico para representar topografía en tres dimensiones. El proceso utiliza datos de encuesta brutos recolectados en ciertos puntos elegidos para reflejar de manera precisa condiciones de sitio, y a través de una Red Irregular Triangulada (TIN) convierte estos datos de encuesta brutos en datos usados para representar de manera efectiva la topografía de sitio. Las figuras 2 y 3 ilustran la conversión de datos de encuesta brutos
(figura 2) hacia una representación tri-dimensional del sitio (figura 3) . En la TIN, cualesquiera tres coordenadas (x,y,z) brutas definen una superficie triangular finita, con cada vértice del triángulo representando un punto de datos realmente medido . Una gran serie de estas superficies finitas, compartiendo bordes horizontales comunes, se enlazan juntas en la red y se usan para interpolar la coordenada (x,y,z) de cualquier punto, aunque las
mediciones reales no se hayan obtenido en ese punto. La TIN modela la superficie de terreno entera del sitio incluyendo límites y líneas de rompimiento. Reglas de triangulación Delaunay se siguen al hacer particiones de los puntos hacia los nodos de triángulos. Dicho de manera concisa, todos los puntos de encuesta brutos son conectados con sus dos vecinos mas cercanos para formar triángulos. Una de las ventajas principales de tales triángulos es que son equi-angulares . También se asegura de que cualquier punto en la superficie sea tan cercano como es posible a un punto de encuesta realmente medido. En el presente sistema, cada una de las cinco mediciones de costos se representa en la DTM por un conjunto de coordenadas (x,y,z) - el conjunto indicando orientación al norte, orientación al este, y elevación de todos los puntos de la medición en el sitio. La ubicación precisa de la medición en la DTM determina su costo con base en el modelo de costo discutido mas adelante. IV. Reglas de Selección Antes de la aplicación del modelo de costo, todas las soluciones candidatas deben cumplir con ciertos requerimientos de umbral incluyendo aquellos inherentes en el sistema y aquellos establecidos ad hoc por el usuario. Colectivamente, estos requerimientos o restricciones definen reglas de selección que dictan cuales soluciones candidatas sobreviven al escrutinio inicial para consideración adicional y posible regeneración.
Restricciones de sistema pueden incluir, por ejemplo, parámetros de ingeniería tales como la profundidad de cubierta en el servicio público de agua, profundidad de cubierta en el servicio público de drenaje, pendiente mínima del drenaje sanitario, requerimientos de diseño de pavimento, restricciones de área de planicies y tierras húmedas susceptibles a inundaciones, diseños de zanjas mínimas, dimensiones de bocas de acceso, calificaciones máximas/mínimas, y otros dictados por modelos de ingeniería aplicables. Otras restricciones de sistema pueden comprender aquellas almacenadas electrónicamente en bases de datos conteniendo códigos municipales aplicables para una jurisdicción dada. Estas bases de datos pueden incluir parámetros tales como jardines de plantación en calles, jardines de plantación laterales y traseros, retallos de construcción, tamaños de espacio de estacionamiento, anchura de calles, anchuras de avenidas, materiales de tuberías de agua, materiales de tuberías de drenaje, y radios de líneas de rebordes de entrada. Restricciones de entrada de usuario son restricciones duras tanto "duras" y "suaves" comprendiendo parámetros requeri-dos o establecidos mientras que restricciones suaves representan solamente preferencias. Las restricciones duras incluyen, por ejemplo, diseño/dimensiones de lote de construcción, ubicación de línea de agua existente, ubicación del sistema de recolección de drenaje sanitario existente, ubicación de áreas de plañí-cíe/tierra húmeda susceptibles a inundaciones, y descargas de
servicios existentes. Ejemplos de preferencias de usuario o restricciones suaves incluyen anchura de banquetas, ángulos de estacionamiento (v.gr., 60 o 90 grados) , caminos para bicicletas, y consideraciones estéticas, tales como visibilidad frontal (orientación del lote) , espacios verdes, y conservación del paisaje existente. V. Modelo de Costo El modelo de costo se ingresa dentro del sistema usando una serie de pantallas GUI, tales como aquellas mostradas en las figuras 4-10. Alternativamente, el modelo de costo puede importarse a partir de una o mas bases de datos u otros medios de almacenamiento de datos . Los costos incluidos son aquellos que tienen una base de ingeniería que se puede modelar. Otros costos y cuotas fijos se ignoran en el modelo de costo ya que se pueden añadir durante un paso de post-procesamiento para dar un estimado de costo final completo para el sitio. De preferencia, el modelo de costo incorpora los siguientes datos delineados en las Tablas 1, 2, 3, y 4 siguientes.
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Tabla 4
VI . Soluciones Conceptuales Soluciones conceptuales al problema de desarrollo del terreno se generan utilizando la DTM, reglas de selección, y el modelo de costo descrito anteriormente. Estas soluciones se optimizan usando una estrategia de solución de problemas heurística, tal como algoritmos genéticos, temple simulado, redes neuronales, ascenso de colinas, optimización de colonia de hormigas, optimización de enjambre de partículas, búsqueda de tabúes, y otras técnicas de evolución computarizadas. En el presente ejemplo, el sistema incorpora un algoritmo genético (GA) tal como se representa en el diagrama de flujo de la figura 11. Como se indica previamente, una declaración de problema de alto nivel en el presente ejemplo es: desarrollar un sitio para uso comercial de un solo lote con base en mediciones de costo y restricciones de presupuesto predeterminadas. El GA trabaja para evolucionar un conjunto de soluciones globalmente optimizadas -cada solución conceptualmente localizando (dentro del sitio) las cinco mediciones de costo discutidas anteriormente en una manera
que es altamente eficiente en cuanto a costo, y que toma en consideración restricciones de sistema y de usuario y preferencias de usuario. Comenzando en la generación "0", el primer paso en el GA es crear una población aleatoria inicial de soluciones conceptuales. Cada solución comprende conjuntos respectivos de coordenadas (x,y,z) en la DTM representando la ubicación exacta del lote de construcción, lote de estacionamiento & caminos de acceso, los sistema de agua de lluvias, sistema de recolección de drenaje sanitario, y sistema de agua potable. Esta población inicial puede incluir miles o mas de soluciones potenciales. Para cada solución en la población, las cinco mediciones de costo se definen, respectivamente, por ciertas cantidades predeterminadas calculadas con base en la ubicación precisa de la medición en la DTM. Por ejemplo, los lote de construcción y lote de estacionamiento & caminos de acceso tienen impacto en variables de clasificación, tales como: el área afectada total, el volumen total de material excavado, volumen de roca excavada, volumen de material inadecuado excavado, volumen de material de relleno, área de paredes de retención, área de estacionamiento, área de banquetas de concreto, longitud de rebordes y canalones, y área de superficie en pendiente. Las variables del sistema de agua de lluvias incluyen, por ejemplo, el volumen de almacenamiento de detención subterráneo, longitud de tuberías de agua de lluvias RCP de cada tamaño, número de secciones de extremo
ensanchadas de cada tamaño, volumen de escolladero, número de bocas de acceso de agua de lluvias de cada tamaño, número de entradas de reborde, número de entradas de caída, número de estaciones de levantamiento de agua de lluvias, y longitud de servicio público de energía de agua de lluvias de PVC de cada tamaño. Las variables del sistema de recolección de drenaje sani tario incluyen, por ejemplo, longitud del drenaje sanitario PVC de cada tamaño, número de bocas de acceso de drenaje sanitario de cada tamaño, número de eliminaciones de drenaje sanitario, número de conexiones de servicio de drenaje sanitario, número de estaciones de levantamiento de drenaje sanitario, número de tanques sépticos o plantas de tratamiento de empaque, y longitud de servicio público de energía de drenaje sanitario de PVC de cada tamaño. Las variables del sistema de agua potable incluyen, por ejemplo, longitud de la tubería de distribución de agua de PVC de cada tamaño, número de metros de agua, número de válvulas (hierro forjado) de cada tamaño, tomas de agua para incendios, y preventivos de retro-flujo. Con referencia de nuevo al diagrama de la figura 11, después de crear la población aleatoria inicial, el siguiente paso es aplicar una función de aptitud que evalúa cuantitativamente la aptitud de cada solución candidata. Este paso involucra primero determinar la factibilidad de ingeniería de la solución, y si la solución satisface las reglas de selección discutidas anteriormente. Si la solución cumple estos requerimientos de
umbral , entonces es calificada para aptitud utilizando el modelo de costo y cualquier penalización aplicable. Si no, la solución es inmediatamente descartada. Un ejemplo de una solución descartada por carencia de factibilidad de ingeniería es una que localiza al lote de construcción sobre el lote de estacionamiento y/o los caminos de acceso. Esta solución descartada también probablemente violaría una regla de selección relacionada con la proximidad del lote de estacionamiento al lote de construcción. Otro ejemplo de una solución descartada por una violación a las reglas sería una donde el lote de construcción invade al retallo. Para aquellas soluciones cumpliendo los requerimientos de umbral anteriores, un índice de aptitud es asignado a cada una de las cinco mediciones de costo. En el presente ejemplo, asumiendo que el índice es una escala de 1-9; uno (1) represen-tando una medición con alto costo/altas penalizaciones, y nueve (9) representando una medición con bajo costo/bajas penalizaciones. Como se menciona previamente, las penalizaciones se asignan a mediciones que violan una preferencia de usuario o "restricción suave". Por ejemplo, si un usuario desea que el lote de construc-ción (frente de tiendas) mire en una dirección particular en el sitio para maximizar la visibilidad, cualquier desviación de la orientación del lote deseada mas allá de un rango predeterminado produciría una penalización - o una calificación negativa. Una calificación de aptitud perfecta en el presente sistema es una solución que produce nueve para cada medición, o una calificación
"99999". El costo y las penalizaciones determinan la aptitud de cada solución en la población. El costo de cada medición se relaciona directamente con su ubicación conceptual (x,y,z) en la DTM, y se calcula con base en el modelo de costo. Al calcular el índice de aptitud, el componente de costo se califica con base en la clasificación de la medición con relación a otras mediciones similares en la población. Así, por ejemplo, todas las mediciones de costo para el lote de construcción en el 9Omo. y todos los porcentajes de aptitud superiores recibirían una calificación de "9", aquellos en los porcentajes de aptitud 80mo.-89no. recibirían una calificación de "8", y así sucesivamente. A partir de esta calificación del componente de costo, deducciones se hacen para cualquier penalización. Este proceso se sigue para todas las cinco mediciones de costo en cada solución candidata. Después de calificar cada solución en la población, el GA determina si un criterio de terminación conocido se satisface. En el presente ejemplo, el criterio de terminación es un número preseleccionado de rondas o "generaciones" . Asumiendo que este criterio no se satisface aun, el sistema entonces selecciona ciertas soluciones candidatas para ser copiadas hacia la siguiente generación. El GA puede usar muchas técnicas diferentes para lograr esto; a decir, una selección elitista, selección proporcional a aptitud, selección de rueda de ruleta, selección de escala, selección de torneo, selección de clasificación,
selección de generación, selección de estado estable, y selección jerárquica. Algunos de estos métodos son mutuamente exclusivos, pero otros pueden y frecuentemente serán usados en combinación. De acuerdo con la selección elitista, las soluciones mas aptas de cada generación son garantizadas a ser seleccionadas. En la selección proporcional a aptitud, los individuos mas aptos son mas probables, pero no ciertos, a ser seleccionados. La selección de rueda de ruleta es una forma de selección proporcional a aptitud en la cual la suerte de una solución siendo seleccionada es proporcional a la cantidad por la cual su aptitud es mayor o menor que la aptitud de sus competidores . De acuerdo con la selección de escala, conforme la aptitud promedio de la población incrementa, la fuerza de la presión selectiva también incrementa y la función de aptitud se vuelve mas discriminante. Este método puede ser útil para hacer la mejor selección posterior cuando todas las selecciones tienen aptitud relativamente alta y solamente pequeñas diferencias en aptitud distinguen a una de la otra. En la selección de torneo, sub-grupos de soluciones se eligen a partir de la población mayor, y miembros de cada sub-grupo compiten entre sí . Solamente una solución de cada sub-grupo entonces se elige para reproducirse. En la selección de clasificación, cada solución en la población es asignada con una clasificación numérica con base en su aptitud, y la selección se basa en esta clasificación en lugar de las diferencias absolutas en aptitud. La ventaja de este método es
que puede impedir que individuos muy aptos ganen dominancia pronto al costo de algunos menos aptos, lo cual podría reducir la diversidad genética de la población y puede obstruir intentos para encontrar una solución aceptable. En la selección de generación, la descendencia de las soluciones seleccionadas a partir de cada generación regresan hacia la población preexistente, remplazando algunos de los miembros menos aptos de la generación previa. Algunas soluciones se retienen entre generaciones. En la selección jerárquica, soluciones pasan a través de múltiples rondas de selección en cada generación. Evaluaciones de bajo nivel son mas rápidas y menos discriminantes, mientras que aquellas que sobreviven a altos niveles son evaluadas mas rigurosamente. La ventaja de este método es que reduce el tiempo de cálculo global mediante usar evaluación mas rápida, menos selectiva para suprimir la mayoría de las soluciones que muestran poca o ninguna promesa, y solamente sujetar aquellas que sobreviven a esta prueba inicial a evaluación de aptitud mas rigurosa y mas costosa computacionalmente . En el presente ejemplo, un método de selección de clasificación/elitista elige todas las soluciones candidatas que tienen una calificación acumulada a través de las cinco mediciones de por lo menos un cierto número mínimo; v.gr., 25. En este caso, por ejemplo, soluciones con evaluaciones globales de "55555" y "11888" serían seleccionadas, mientras que soluciones con calificaciones de "33666" y "99111" no.
Una vez que la selección ha elegido soluciones aptas, entonces se alteran aleatoriamente con la esperanza de mejorar su aptitud para la siguiente generación. Esta alteración aleatoria ocurre a través de mutación y cruza . Una solución es mutada mediante alterar ligeramente las coordenadas (x,y,z) de cualquiera una o mas de sus mediciones de costo. La cruza involucra elegir dos soluciones para cambiar una o mas mediciones, con ello produciendo "descendencia" artificial que son combinaciones de sus padres. Con la cruza, existe una transferencia de información entre "individuos" exitosos - soluciones que se pueden beneficiar de lo que otras han aprendido, y esquemas que se pueden mezclar y combinar, con el potencial de producir una descendencia que tiene las fortalezas de ambos de sus padres y las debilidades de ninguno . El proceso anterior se repite hasta que un número prescrito de generaciones han sido evolucionadas. En ese punto, a partir de las soluciones de calificación mas alta generadas por el GA, un algoritmo matemático adicional emite múltiples alternativas óptimamente diferentes para revisión y consideración por el usuario. La salida es de preferencia uno o mas dibujos generados por computador (CAD) del plano de sitio indicando las varias mediciones para cada solución apta, y un reporte de costo detallando y totalizando todos los costos asociados para desarrollar el sitio comercial de un solo lote. El proceso discutido mas adelante asegura que las soluciones emitidas son
óptimamente diferentes . VII. Soluciones Óptimamente Diferentes En el presente ejemplo, un algoritmo de salida se emplea para interrogar las soluciones del GA elegidas y emitir al usuario solamente aquellas que son óptimamente diferentes. La meta primaria de este algoritmo es generar un pequeño número
(v.gr., 6-8) de alternativas muy diferentes. El algoritmo de pseudo-código puede leerse como sigue:
GA selecciona múltiples soluciones óptimas Repetir evaluar las coordenadas (x,y, z) de todas las mediciones en cada solución apta seleccionar soluciones gue maximizan la distancia entre coordenadas de mediciones similares Hasta terminar la condición. En este caso, la condición de terminación sería alcanzada una vez que el número deseado de soluciones aptas, muy diferentes, se logra. Alternativamente, el algoritmo de salida puede emplear otro criterio de terminación. Como se indica anteriormente, la documentación de salida de preferencia comprende uno o mas dibujos generados por computador y un Reporte de Costo escrito. Un ejemplo de un dibujo de salida para una solución apta, optimizada, se proporciona en la figura 12. El Reporte de Costo de Solución para este sitio es como sigue:
REPORTE DE COSTO DE SOLUCIÓN
Descripción Unidad Cantidad Costo Unitario Costo Total Subsistema de construcción Subtotal de Costo de Construcción: $0. 00 Calle Rebordes y Canalones LF 198.35 $1 .20 $2,419.89
Pavimentación de Asfalto de Trabajo Pesado SY 501.25 $19.00 $9,523.83 Subtotal de Costo de Calle: $11, 943. 71 Clasificación Limpieza y Desyerbado Acre 2.04 8,000.00 $16,336.43
Despoj amiento/Apilamiento del Mantillo CY 549.09 $2.85 $1,564.89
Excavación de Tierra (Corte) CY 3,381.47 $2.85 $9,637.19
Colocación de Relleno CY 2,314.68 $2.85 $8,306.83
Material de Préstamo CY 0 $2.85 $0.00
Desecho de Material de Desperdicio CY 141.51 $6.00 $849.06
Pared de Retención {21.8 ft) SF 4,104.30 $17.00 $69,773.16
Pared de Retención (6.2 ft) SF 329.34 $17.00 $5,598.82
Clasificación de Terminado Acre 2.04 $14,520.00 $29,650.62
Siembra y Cubierta con Césped Acre 0.67 $1,600.00 $1,070.32 Subtotal de Costo de Clasificación: $142, 786.33 Lote de Estacionamiento Rebordes y Canalones LF 951.55 $12.20 $11,608.97
Pavimentación de Asfalto de Trabajo Pesado SY 5,826.50 $13.94 $81,221.46 Subtotal de Costo de Lote de Estacionamiento : $92, 830.43 Sistema de Agua Potable Tubería de Agua (1 pulgada) LF 255.4 $14.50 $3,703.34
Conexión a Línea de Agua Existente (1") EA 1 $850.00 $850.00
Medidor de Servicio de Agua (1") EA 1 $2,250.00 $2,250.00
Vál ula de Control de Edificación (1") EA 1 $0.00 $0.00 Subtotal de Costo de Sistema de Agua Potable: $6 , 803.34 Sistema de Recolección de Drenaje Sanitario Tubería de Gravedad para Drenaje Sanitario (4") LF 39.87 $20.05 $799.39 Tubería de Gravedad para Drenaje Sanitario (4") LF 100.57 $21.35 $2,147.19
Tubería de Gravedad para Drenaje Sanitario (4") LF 167.19 $34.45 $5,759.68
Conexión a Sistema de Recolección de Drenaje EA 1 $850.00 $850.00 Sanitario Existente Eliminación de Drenaje (4") EA 5 $500.00 $2,500.00 Subtotal de Costo de Sistema de Recolección de Drenaje Sanitario: $12, 056.25 Sistema de Recolección de Agua de Lluvias Tubería de Gravedad para Agua de Lluvias (18") LF 66.95 $24.00 $1,606.89
Tubería de Gravedad para Agua de Lluvias (15") LF 482.34 $21.20 $10,177.28
Conexión a Sistema de Recolección EA 2 $850.00 $1,700.00 de Agua de Lluvias Boca de Acceso de Agua de Lluvias (60") EA 1 $3,930.00 $3,930.00
Entrada de Agua de Lluvias (48") EA 2 $1,760.00 $3,520.00
Entrada de Agua de Lluvias (48") EA 3 $1,335.00 $4,005.00
Boca de Acceso de Agua de Lluvias (48") EA 1 $1,760.00 $1,760.00 Entrada de Agua de Lluvias (48") EA 1 $3,930.00 $3,930.00 Subtotal de Costo de Sistema de Recolección de Agua de Lluvias: $30, 629.17 Costo Total: $297,049.24
Un sistema de planeación de terreno implementado en un computador y método se describen anteriormente. Varios detalles de la invención puede cambiarse sin salir de su alcance. Mas aun, la descripción anterior de la forma de realización preferida de la invención y mejor modo para llevar a cabo la invención se proporcionan para el propósito de ilustración solamente y no para
el propósito de limitación - la invención siendo definida por las reivindicaciones .