Phơng pháp tối u hoá bố trí các thnh phần tổ hợp đô thị công trình xã hội v kinh tế quốc dân NCS. Phạm Quang Chiến NCS . Lê minh hùng Viện Hn lâm khoa học Matxcơva Liên Bang Nga Tóm tắt: Bi viết ny danh cho việc đa ra các phơng pháp luận lập dự án thiết kế bộ mặt không gian (hình học) cho các tổ hợp đô thị hiện đại với các chức năng khác nhau trong điều kiện thiếu quỹ đất, đây cũng l một đặc điểm đặc trng đối với các thnh phố lớn nh thnh phố H Nội v thnh phố Hồ Chí Minh. Chúng ta sẽ xem xét các bi toán tối u hoá việc bố trí các thnh phần m chúng đảm bảo việc thực hiện những nhiệm vụ chức năng khi tuân thủ nguyên tắc cực tiểu hoá chi phí để tạo ra các tổ hợp tơng tự v đảm bảo sự hoạt động của chúng. Summary: This article is to propose methodology for formulation of design projects on space (geometrical) features of modern urban complexes with various functions in land - insufficient circumstances, which is also typical in large cities such as Hanoi and Ho Chi Minh City. We will examine optimal calculations on arrangement of components ensuring functional realization on cost - minimizing principle so as to create similar complexes and ensure their functionality. Việc nghiên cứu những vấn đề liên quan đến sự nâng cao mức hiệu quả và tự động hoá các công việc thiết kế liên quan đến việc lập mô hình toán học, phân tích có hệ thống và tối u hoá diện mạo của những tổ hợp kiến trúc đô thị có triển vọng xây dựng, cũng nh hiện đại hoá những tổ hợp công trình hiện có, là một việc hết sức cấp bách và vô cùng quan trọng về mặt thực tiễn. Chỉ có những nghiên cứu tiên quyết nhờ các mô hình toán học và các quy trình tối u hoá mới cho phép chúng ta một kết luận khách quan về tính hợp lý của việc xây dựng các tổ hợp có những đặc tính và tính chất yêu cầu, trong đó kể cả các đặc tính và tính chất về kinh tế và điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện kinh tế thị trờng. Tối u hoá các đặc tính tình hình khối và kiến trúc công trình tổ hợp đô thị, cũng nh tối u hoá hệ thống quản lý và quy hoạch hoá các tổ hợp phải đợc tiến hành đồng bộ ăn ý, đảm bảo việc đồng bộ hoá các chỉ tiêu (chỉ số) hiệu quả của các khu vực và bộ phận chức năng khác nhau, cũng nh các đặc tính kinh tế trong hoạt động của các tổ hợp đô thị nói chung. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi tính đến các yếu tố làm việc trong điều kiện kinh tế thị trờng, điều này kéo theo sự cần thiết phải tối u hoá các chi phí liên quan đến việc thuê hoặc mua đất nhằm mục đích kinh doanh kinh tế đô thị, đồng thời có tính đến việc tuân thủ các chỉ tiêu định mức sinh thái. Bài toán phải giải quyết là các nhiệm vụ sau: tối giảm chi phí cho việc xây dựng tổ hợp đô thị mới ở điều kiện bố trí các khu chức năng và các thành phần của tổ hợp đô thị, xây dựng một hệ thống giao thông vận tải thuận lợi, cũng nh xây dựng các nhà đón khách giao thông vận tải bên ngoài. Bài toán này đợc công thức hoá bằng cách sau: Giả sử C nhà máy - là giá thành xây dựng tổ hợp đô thị mới, C đất đai - là di rời giải phóng mặt bằng, C xây dựng - giá thành xây dựng: C nhà máy = C đất đai + C xây dựng (1.1) Nếu nh S - diện tích khu vực bố trí tổ hợp đô thị, còn S 1 - là diện tích xây dựng, thì: C đất đai = S. C xây dựng = S 1 , , = const (1.2) Giả sử (i = 1, n () 1 1 S 1 ) - là diện tích của thành phần i của tổ hợp đô thị, mà diện tích này có thể đợc bố trí trên tầng một (trên mặt đất), ( ) 2 j S (j = 1, n 2 ) - là diện tích của thành phần j, mà diện tích này có thể đợc bố trí phía bên trên mặt đất (trên không). Khi đó ta có: SS 1 n 1i )1( i = Giả sử 1 - là chiều rộng lối đi trên mặt đất, còn 2 - là các lối đi bên trên mặt đất (trên không). Khi đó: ( ) 1)1( 2i )1( 1i 1 2i 1() 1i )z,z(dS,Sd = , 11 n, ,1i = , 2112 iin, ,1i = . Đối với bất kỳ : )1( 1i z )1( 2i z )1( 2i )1( 2i )1( 1i )1( 1i Sz,Sz , ( ) ( ) )2()2( 2j )2( 1j )2( 2j )2( 1j z,zdS,Sd = , ( 1.4 ) 21 n, ,1j = , 2n, ,1j 2 = , , 21 jj )2( j )2( 2j )2( j )2( 1j Sz,Sz . Bài toán thiết kế bộ mặt không gian của tổ hợp đô thị nhờ việc tối u hoá việc bố trí các bộ phận của tổ hợp này sẽ đợc công chức hoá bằng cách sau: Tìm sự bố trí các thành phần trong khu vực tổ hợp đô thị sao cho: bố phan theo minSS 1 + ở điều kiện: () ( ) SS,SS 2n 1j 2 j 1n 1i 1 i == 1 (1.5) ( ) ( ) ( ) ( ) ,S,Sd 1 1 2i 1 1i ( ) ( ) ( ) ( ) ,S,Sdii,n, 1i,i 2 2 2j 2 1j 21121 = 21221 jj,n, ,1j,j = . Toàn bộ khu vực tổ hợp có diện tích S bao gồm trong nó các khu vực riêng biệt S 1 , , S n có diện tích S 1 S n thành phần với số lợng n (n 1) (xem hình 1). S n S y 1 n 1j )2( j SS 2 = ( 1.3 ) S 2 S 1 S 3 O Hình 1. Những nguyên tắc của mối liên hệ tơng hỗ của các tập hợp S 1 ,S n và S có thể tiến hành công thức hoá chúng bằng cách sau: đối với tất cả i = 1, , n: Si S, đối với tất cả các i j = 1, n: Si Sj = , nếu i j. Tiêu chuẩn (chuẩn độ) chất lợng phân bố các thành phần tổ hợp đô thị đợc đánh giá theo công thức: F = S - Si, công thức này phải cực tiểu hoá khi có những hạn chế (giới hạn) hình học: i = 1, n: Si S; i j = 1 n: SiSj = . Một dạng hạn chế khác đợc xác định bởi các đặc điểm hàm xây dựng cấu trúc tổ hợp đô thị và đợc công thức trong dạng tập hợp những hạn chế: Trong một số dạng khác bài toán tối u hoá có thể đợc đặt ra nh một nhiệm vụ cực tiểu hoá chuẩn độ (tiêu chuẩn): F1 = S min, khi hiện hữu những hạn chế: i = 1, , n: Si S; i j = 1, ,n: Si Sj = . Trong trờng hợp này việc tối u hoá đợc tiến hành theo tất cả các phân bố S: i = 1 ,n, cũng nh theo tất cả S {S} - là các tập hợp các hình học nh thế này của cấu hình đã cho (thí dụ các góc vuông) và điều này sẽ là S i , i = 1, , n: Si S. Trong trờng hợp khi mà tất cả các tập hợp là góc vuông và đợc xác định bởi các điểm giới hạn với các toạ độ: S = {x, x; y, y}, Si = {x i , x i , y i , y i }, i - 1, ,n, thì các hạn chế bao hàm thức và tơng giao rỗng đợc biến đổi thành các bất đẳng thức tuyến tính thuộc dạng: iji = 1, , n: x x i x i x, y y i y i y, đồng thời nếu nh x min = min{x i x j } sẽ đạt đợc tới i (không có hạn chế tính tổng quát), ij 1, n: x i x i x i : x i < x j , đối với x j : x j x j x j (tơng tự nh đối với y). 1 (S i , i {1, , n}) = 0, i = 1, , m, trong đó 1 - là các dạng logíc (dạng hội - tuyển) mà chúng xác định tính cần thiết của việc dựng các chuỗi công nghệ - chức năng của tổ hợp đô thị. Nếu nh giá thành của một đơn vị mét vuông (m 2 ) diện tích là thì tổng giá thành diện tích là S. Nh vậy, các tiêu chuẩn F và F 1 sẽ biến đổi thành F và F 1 - là trờng hợp tuyến tính đơn giản hơn cả. Trong những trờng hợp phức tạp thì giá diện tích mà các phần tử chức năng của tổ hợp đô thị đã dành chiếm là hàm phi tuyến tính M(S) đối với đại lợng diện tích s - điều này phản ánh các yếu tố áp dụng các loại thuế bổ sung đối với các diện tích d thừa. Hơn nữa, hàm giá cả M () có thể đợc tính nh một tích phân trên một số hàm giá cả mật độ (x, y): M = (x, y) đxy. Phơng pháp luận nói trên cho phép tổng hợp thuật toán (algorit) tìm giá trị tối u của tiêu chuẩn (chuẩn độ) hiệu quả bố trí các phần tử của tổ hợp đô thị. Thực chất của nó nh sau: Mẫu giả ngẫu nhiên g 1 g N các bố trí (phân bố) cho phép đợc tạo ra trong tập hợp các giải pháp (nghiệm) có thể có {G}. Tiếp tục tiến hành tính toán mẫu phù hợp các giá trị tiêu chuẩn (chuẩn độ) F (g 1 ) F (g N ). Nhờ các thuật toán nêu trên mà chúng ta có thể tiến hành tính F opt = . Giá trị cuối Fopt đợc sử dụng trong phơng pháp tìm ngẫu nhiên tiếp theo (có thể là tìm kiếm điều khiển đợc) dới dạng chuẩn độ dừng quá trình tìm kiếm, thí dụ: theo phơng pháp đạt tới việc bố trí (phân bổ) hiện tại tốt nhất g () gFmin G{g tek đủ gần kể từ điểm hiệu số các giá trị tiêu chuẩn ( ) zadopttek FgF , trong đó zad - là mức gần yêu cầu cho trớc của các giá trị hàm tới hạn đối với việc ớc lợng (đánh giá) giá trị đạt tới tiềm năng F opt . Chúng ta cần lu ý rằng đặc điểm quan trọng của quy trình mô tả trên đây đợc áp dụng trong sự thể hiện thực tiễn của nó đối với các bài toán thực tế về bố trí sắp xếp các phần tử tổ hợp đô thị. 1. Không có hạn chế tổng quát miền S có thể đợc mô hình hoá bằng đa giác liên thông đơn, nơi mà một trong các cạnh (thông thờng là cạnh kéo dài hơn) hớng dọc theo đờng chuẩn O xy phù hợp với hệ đa giác đa vào của các toạ độ O xy. Các hình của các phần tử bố trí S 1 , S n trình bày bằng các đa giác có các cạnh (xem hình 2). 2. Mẫu g 1 , g N đợc công thức hoá trong mỗi bớc i (i = 1, , N) bằng cách tạo ngẫu nhiên tính kế tiếp (lần lợt) bố trí các phần tử S 1 S n trên diện tích S theo quy tắc xác định nào đó. Thí dụ: bố trí từ điểm O, bắt đầu dọc theo trục O x tới điểm cắt với biên (giới hạn) S và tiếp tục bằng cách làm đầy tầng thiên về hớng tăng các giá trị y, nghĩa là theo từng lớp (hình 3 - 4). Trong trờng hợp này cho phép tạo ra các vòng quay phần tử S i đi một góc đã cho. y 0 x 7 5 3 2 1 1 1 1 1 1 1 17 1 2 1 8 6 4 9 15 Tác giả bài viết đã thiết kế tổ hợp bằng computer, nó cho phép thực hiện việc tìm ra sự bố trí hợp lý đối với các phần tử của tổ hợp đồ thị. Trong trờng hợp này các quy trình riêng biệt sẽ cho phép quản lý quá trình tìm kiếm, nhà thiết kế sẽ thực hiện bằng cách đa các bố trí từng phần tựa mà căn cứ vào đó nhờ các quy trình tìm kiếm ngẫu nhiên mà đa ra các giải pháp quy trình bố trí. Điều này đợc thực hiện nhờ cố định vị trí và định hớng các phần tử cơ sở riêng biệt của việc bố trí trên cơ sở kinh nghiệm thiết kế kiến trúc, tính hợp lý chức năng v.v Trong các trờng hợp thực tế điều này cho phép các bài toán sẽ căn bản giảm đợc quỹ thời gian cần thiết để giải quyết toàn bộ những gì liên quan đến việc bố trí. Hinh 2. 0 y x S j S i Hình 3. 0 y x 1 2 1 2 5 2 1 8 7 6 1 4 2 1 1 2 1 1 1 2 2 1 3 2 1 9 1 Hình 4. . gian của tổ hợp đô thị nhờ việc tối u hoá việc bố trí các bộ phận của tổ hợp này sẽ đợc công chức hoá bằng cách sau: Tìm sự bố trí các thành phần trong khu vực tổ hợp đô thị sao cho: bố phan. trong điều kiện kinh tế thị trờng. Tối u hoá các đặc tính tình hình khối và kiến trúc công trình tổ hợp đô thị, cũng nh tối u hoá hệ thống quản lý và quy hoạch hoá các tổ hợp phải đợc tiến. Phơng pháp tối u hoá bố trí các thnh phần tổ hợp đô thị công trình xã hội v kinh tế quốc dân NCS. Phạm Quang Chiến NCS . Lê minh hùng Viện Hn lâm khoa học Matxcơva Liên