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1、城乡一体化规划协同优化技术的研制与应用城乡一体化规划协同优化技术的研制与应用 张 曦 吴丁花 【摘要】【摘要】讨论了编制城乡一体化规划的必要性及制约因素，以及协同优化技术的背景及应用目标。针对城乡系统作为复杂巨系统的特征，为提高城乡一体化规划的科学性、质量和效率，引入博弈论、系统工程、并行工程等技术协同优化技术，并针对城乡一体化规划特点进行研制和应用。体现了对城乡一体化规划科学管理内容，是城乡规划学与最新的博弈学、经济学、社会学、管理学、计算机科学等进行交叉的前沿性研究。【关键词】【关键词】城乡一体化规划；协同优化技术；多方纳什均衡；并行工程 1.1.城乡城乡一体化规划一体化规划 2008 年
2、，新的城乡规划法开始实施。相对 1989 版城市规划法，城乡规划法正式将乡规划和村庄规划纳入法律范畴，试图体现城乡规划、建设的平等关系。但其尚未健全相应的配套法律、法规、技术规范与标准，当前，城市规划编制办法 村镇规划编制办法 等配套法规虽然已实现城乡全覆盖，但仍是针对城市、乡镇、农村的单独个体进行指导，相对孤立，缺少对城乡复杂关系处理的指导。城乡规划法作为城乡规划主体法，其内涵、外延和相关配套应顺应时代发展，不断进步。在城乡一体化成为当前城乡发展主基调的背景下，正确认识和处理城乡之间的复杂性、系统性关系，从而在城乡空间布局上做出统筹考虑，将是实现城乡一体化的关键。当前，为满足自身发展需求，全
3、国各地已经开展新的一轮城乡规划工作。作为国家级统筹城乡综合配套改革试验区，重庆市早在 2007 年就已对重庆市城市总体规划进行修编，组织编制重庆市城乡总体规划，并经国务院批准；成都市在 2009 年经四川省人大常委会审议通过了成都市城乡规划条例，作为指导城乡规划建设的标准。湖南省大多数地级市也在 2012 年全面开展城乡一体化规划的编制工作。本研究机构所在的益阳市提出在 2012年底完成所有 7 个区县的城乡一体化规划编制。可以看到，城乡一体化规划作为统筹城乡发展、破解三农难题的重要举措，已经越来越受到重视。但是，也应该清醒的认识到，城乡一体化规划在城乡规划编制体系中仍缺乏相应的法律地位。其作
4、为一项崭新的事物，也缺乏相应的技术指导，还应在实践过程中不断探索、不断总结。相对传统的城镇体系规划、城市规划、村镇规划等“点、线”型规划，城乡一体化规划应更加重视城乡之间的复杂性联系，将城乡放在一个大的系统内进行研究，属于面状的“全域”型规划。而相较“点、线”型空间信息，“全域”的城乡面状关系型空间信息量将呈现指数级的增长，达到海量级别。其工作协调难度相对传统规划也更为突出，对城乡关系、甲乙方协调、编制单位内部协调提出了更高的要求。2.2.协同优化技术协同优化技术 2.12.1 技术背景技术背景 近 30 年来，由于国有土地有偿使用制度的逐步实行，规划设计行业一直保持着快速稳定的增长势头，为国
5、民经济增长和社会发展做出了重要贡献。但规划设计行业长期以来一直是一个劳动密集、粗放经营的行业，管理水平和科技贡献率不高。国内很多规划设计项目没有规范、系统的设计规划，与项目工程过程管理相比，规划设计过程方面的系统性研究较少，多是根据直观经验积累，缺乏可推广性。作为新近出现的事物，城乡一体化规划继承了城乡系统作为开放性复杂巨系统（OCGS）的特征，是一项复杂产品。复杂产品的设计有以下特点：（1）是基于群体智慧的创造性过程；（2）设计过程中往往根据产品涉及的专业领域或其自身结构分解为多个子系统，然后各子系统并行设计；（3）设计过程中，由于设计参与主体对产品设计的考虑角度、评价标准和知识背景各不相同
6、，同时设计对象之间或设计对象的不同属性之间存在着各种复杂的相互依赖关系，因此必然会产生大量冲突。协同优化（Collaborative Optimization 简称 CO）是随着计算机技术、并行工程、人工智能技术、复杂群决策的发展而逐步发展起来的新的设计方法。它把优化问题分解为多个子优化问题，各子优化问题在一定程度上独立求解，并在协调博弈策略的影响下实现整体最优设计，是解决大规模复杂工程优化问题问题的有效方法。城乡一体化规划作为复杂作品，其客户需求、产品组成、产品技术、编制过程、项目管理更为复杂；作为协调城乡各方利益协调的工具，客体（城乡开放性复杂巨系统）、编制主体（异地、多部门、多学科、多层
7、级）相对原有的城市规划、村镇规划需要协调的各方目标更为复杂；作为多方参与、体系庞大的系统，其编制设计过程是一项串行、并行过程并存的复杂工作流，迫切需要一种更全面、更科学、更合理的规划技术手段。协同优化的产生和发展为城乡一体化规划提供了科学的方法核技术，能较好地解决城乡客体关系、编制主体关系和编制工作流优化，是城乡一体化规划工作中科学、高效和不可缺少的工具。2.22.2 研制目标研制目标 协同优化型城乡一体化规划是转单一规划行为取向为多元行为取向、转单一规划对象为多元规划对象的一种规划思维、方法、流程的转型，最终实现城乡一体化规划的主体与客体协同，内部与外部协同。具体研制目标应体现在：2.2.1
8、2.2.1 实现城乡资源的协同实现城乡资源的协同 在于强调乡村自然资源与城市社会发展需求的协同，城乡历史文化资源与城乡时代发展需求的协同。2.2.22.2.2 实现城乡规划编制过程中的协同实现城乡规划编制过程中的协同 在于强调城乡规划学与其他学科之间的知识协同，物质空间规划与社会经济发展规划的协同，实现近期建设规划与远期规划的协同，城市空间、乡村空间以及城乡结合地带等具体规划决策层面的协同。2.2.32.2.3 实现内外管理机制的协同实现内外管理机制的协同 以规划编制单位为主体，需要实现规划编制单位（乙方）与规划委托单位（乙方）的协同，乙方为具有需要交涉于众多行政管理部门，如规划、国土、林业、
9、水利、环保、农业、气象等。2.2.3 3 技术构成技术构成 2.3.12.3.1 多方多方纳什均衡（纳什均衡（Nash EquilibriumNash Equilibrium）的博弈论技术）的博弈论技术 实现对客体城乡关系及其引申的城乡空间关系的纳什均衡最优解，对城乡一体化规划编制多博弈主体的纳什均衡最优解。2.3.22.3.2 并行工程技术并行工程技术 实现城乡一体化规划过程中的规划流程、工作组内部协同、工作组间协同、甲乙方协同，并进行工作流程串行、并行优化，以提升系统的效率。3.3.技术研制技术研制 3.1 3.1 基于多方纳什均衡的博弈论技术基于多方纳什均衡的博弈论技术 3.1.13.1
10、.1 需求分析需求分析 针对城乡一体化规划，其空间布局必须以对城乡关系的正确判别为基础。同时，作为一门严肃性学科，城乡规划部门在考虑城与乡关系的问题时，不应只以政策、报告等软科学为依据，而应能上升到理论高度。城乡是一个开放性复杂巨系统，系统的总体作用应大于系统各部分的简单的总和。针对这一特性，城与乡的关系、城乡一体化规划编制过程中各个利益参与主体的关系，都应该找出一个最优解，以免单个体的“最优策略”使整个“系统”处于不利的状态。应用多方纳什均衡的博弈论技术，可以通过构建关系模型并求解实现这一需求。3.1.23.1.2 技术架构技术架构 多方纳什均衡的博弈论技术基于美国加里福利亚技术研究所上世纪
11、 80 年代中期开始的Mac OS/X&Windows 跨平台博弈论开源软件项目 Gambit，并借用博弈论经典案例进行解读。3.1.33.1.3 技术研制与实现技术研制与实现 首先，从抽象层面设立城乡间的博弈规则，以博弈论典型的“智猪博弈”为蓝本，设某行政单元某时间段可用于城乡公共投入的总效用为 10 个单位，但谁进行投入就需要支付 2个单位的成本。博弈规则规定，若侧重城市并由农村投入，则（城，乡）二者的选择战略均得到（9，-1）的行动支付函数；若同时侧重城市和农村并有城市和农村分别投入，则（城，乡）二者的选择战略均得到（5，1）的行动支付函数；若同时侧重城市和农村并由城市投入，则（城，乡）
12、二者的选择战略均得到（4，4）的行动支付函数；若都不进行投入，则多方都只得到 0 的效用。矩阵如表 1 所示：表 1 城乡智猪博弈矩阵 城市（参与人）投入（行动）不投入（行动）农村（参与人）投入（行动）5 5，1（支付函数）4 4，4（支付函数）不投入（行动）9 9，-1（支付函数）0 0，0（支付函数）计算可知，城乡按（4，4）的支付成本进行公共产品投入时，即同时侧重城市和农村，并由城市投入时，城乡关系可达到最优解。如图 1 所示：图 1 城乡智猪博弈纳什均衡求解 以上研究中，博弈规则制定为达到纳什均衡的核心问题。城乡关系的制度和规则安排，要发生效力，必须是一种纳什均衡。否则，其实施过程将出
13、现偏差。从城乡关系的问题来看，必须在抽象层规则上进行顶层设计，以便城乡能自发形成“以城带乡、以工促农”的良性发展格局。3 3.2.2 并行工程技术并行工程技术 3.2.13.2.1 需求分析需求分析 当前，城乡规划大多沿用传统的串行工程方法，这一方法基于二百多年前英国政治经济学家亚当斯密的劳动分工理论。该理论认为分工越细，工作效率越高。因此串行方法是把整个产品开发全过程细分为很多步骤，每个部门和个人都只做其中的一部分工作，而且是相对独立进行的，工作做完以后把结果交给下一部门。他们的工作是以职能和分工任务为中心的，不一定存在完整的、统一的产品概念。而并行工程则强调设计要面向整个过程或产品对象，因
14、此它特别强调设计人员在设计时不仅要考虑设计，还要考虑这种设计的美观性、可操作性、可实施性、可回溯性等等，设计某个组件时要考虑与其他组件之间的配合。所以整个开发工作都是要着眼于整个过程（process）和产品目标（product object）。从串行到并行，是观念上的很大转变。城乡一体化规划中的并行在于明确并在控制层划定好规划工作的具体流程，制定完备的设计组织机制，实行多目标、多层及的并行，在保证城乡一体化规划编制科学性的基础上，广泛调动各个编制主体，以完善规划编制流程，提高工作效率和质量。3.3.2 2.2.2 技术架构技术架构 城乡一体化规划并行工程技术为综合集成技术，包括串行、并行流程优
15、化技术、ArcGIS Workflow Manager 工作流网络化组织平台管理技术，解决城乡一体化规划并行流程优化和分布式工作文档图纸技术集成管理的问题，力求提高城乡一体化规划工作质量，提升城乡一体化规划工作效率。3.3.2 2.3.3 技术研制与实现技术研制与实现 3.2.3.1 城乡一体化规划串行、并行流程优化技术 传统的城乡规划产品开发模式是沿用“串行”“顺序”和“式凑”的方法，即先由调研人员进行现状分析，将分析结果交给设计人员，设计部门人员进行串行设计，等一切都齐备以后进行规划评估。不满足需求时再反复修改设计、评估，直到满足要求为止（见图 2）。这种方法不能在设计阶段就及早的考虑后续
16、的问题，致使各个设计环节前后脱节，规划设计改动量大，规划的编制周期长、成本高。在城乡一体化规划中，应用并行工程技术，对设计过程中的各个要素进行重新分类和总体控制，是将时间上有先后的知识处理和作业实施过程转变为同时考虑和尽可能同时处理的一种作业方式。即在初始设计阶段就同时进行其他设计，考虑整个规划周期的所有因素，大大缩短规划设计所需的时间，并提高规划设计质量（见图 3）。总体布局 顶层设计 专项规划 实施规划 支撑规划 模块风格设计 系统仿真和评估 方案 现状分析 检验 更新 满 意？N Y 图 3 并行型城乡规划 现状分析 专项规划 总体布局 实施规划 支撑规划 是否合格 方案 是否合格 成果
17、 N N 图 2 串行型城乡规划 其中，从城乡一体化规划的顶层设计到规划编制到规划评价和成果形成阶段，通过并行工程技术，全程均为滚动更新方式，一次错误或失误导致过程回溯后，所有过程均同步更新，规避了规划设计修改量巨大、修改后各组分不协调的问题。特别是针对城乡一体化规划，设计工作更为庞杂，因此取得的效果也更为显著。城乡一体化规划在进行并行工程优化后，可取得以下 4 大效果：一是缩短规划设计周期。并行工程技术的主要作用就是可以大大缩短产品开发时间。据报道，由于实施了并行工程的虚拟产品开发策略，福特公司和克莱斯勒公司新型汽车设计和试制周期仅为原来的 50%。并行工程和传统串行工程的时序对比见图 5-
18、4 和图 5-5。传统的串行工程的规划设计周期总时间如图 4 所示：T串=(t1-t1)+(t2-t2)+(t3-t3)+(t4-t4)R串 其中：T串为串行规划设计周期总时间，t 为各工作的开始时刻,t为各工作的结束时刻,R串为串行工程的返工系数。并行工程的规划设计周期总时间如图 5 所示：T并=(t2-t1)+(t3-t2)+(t4-t3)+(t4-t4)R并 其中：T并为并行规划设计周期总时间,t 为各工作的开始时刻,t为各工作的结束时刻,R并为串行工程的返工系数。由于(t2-t1)(t1-t1)、(t3-t2)(t2-t2)、(t4-t3)(t3-t3),而且，因为并行工程在规划设计的
19、前序阶段就充分考虑后续阶段的要求，因此其返工率 R并远远小于传统串行工程的返工率 R串，所以，T并要远远小于 T串。二是降低规划设计成本。并行工程是设计相关的一体化、系统化的工作模式，将其下游的技术、设计条件等作为设计环节的约束条件，避免或减少在设计晚期才发现的错误，可以图 4 串行型城乡规划设计周期 图 5 并行型城乡规划设计周期 最大限度的减少后续阶段的返工率，强调“一次达到目的”，因此，规划设计的人力、物力成本将会降低。三是提高规划设计质量。采用并行工程技术，所有质量问题在设计阶段就全面考虑，使在生产过程中出现质量问题的可能性降到最小，使设计的产品便于制造易于维护，这就为质量的“零缺陷”
20、提供了基础，使得产品有了很好的质量保证。四是增强规划设计的可操作性。由于并行工程在设计过程中，同时有多学科工作组滚动参加，还能及时反映甲方需求，提高了规划设计产品的可靠性和实用性。3.2.3.2 城乡一体化规划工作流网络化组织平台管理技术 在城乡一体化规划应用并行优化后，由于层次的提升及对流程的交叉和压缩，规划设计工作相对以往的传统城市规划及传统的串行规划方法，规划过程中的人流、物流、信息流组成成分更为复杂，工作调配、流程管理、信息集合等相对更具难度，需要以工作流网络化组织平台来进行管理。在其他学科，特别是制备制造行业，由于人流、物流、信息流的复杂性，需要在设计管理中应用 PDM 产品数据管理
21、系统，以支撑并行工程的更高需求。PDM 以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录等）和所有与产品相关的过程（包括工作流程和更改流程）的技术。它提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计和制造建立一个并行化的协作环境。在城乡一体化规划方面，由于并行工程牵涉到数据、设计、人员协同，也需要应用一个 PDM 产品数据管理系统来进行管理。但当前基本没有现成的专供城乡规划设计使用的 PDM系统。城乡规划设计是一项有原始设计特性的思维产品，不需要组织物料、原料、制造工艺等复杂因素，对 PDM 的要求相对较低，只要实现项目管理、工作流或过程管理、数据仓库
22、与文档管理等 3 项用户功能及其他 4 项系统功能。本研究选用 ESRI 公司的 ArcGIS 平台共生组件 ArcGIS Workflow Manager 来实现城乡一体化规划 PDM 产品数据管理系统的功能,为城乡一体化规划并行工程提供协作平台。可实现一下功能：创建并分配工作、追踪作业动态活动、标准化设计进程、从地理角度分配工作、将 GIS 与其他应用程序集成、工作报告、管理分配的劳动力。如图 6 所示：图 6 ArcGIS Workflow Manager 组成成分图 4.4.结语结语 应用城乡统筹协同优化技术，包括纳什均衡、并行工程优化和 ArcGIS Workflow Manager
23、产品数据管理系统等，应用于湖南省长株潭生态绿心地区总体规划和湖南省嘉禾县城乡统筹总体规划等城乡一体化规划设计中，取得了良好的效果。第一是正确认清并正确处理城乡空间关系、公共投入关系，并在空间层面、实施策略层面落实；第二是对城乡一体化规划多个参与个体和多学科背景、多教育层次、多利益代表的多学科、多目标层面进行统筹协调，使城乡统筹的系统效益、整体效益不受某一单一层面的制约；第三是对城乡一体化规划提出并行优化的模式和要求，并以 ArcGIS Workflow Manager 产品数据管理系统进行落实，即有并行优化策略，又提供了切实可行的优化平台，为城乡一体化规划提高质量、提升效率、科学合理有序运行提
24、供了一套解决方案。这些协同优化技术的应用，体现了对城乡一体化规划科学管理内容，是城乡规划学与最新的博弈学、经济学、社会学、管理学、计算机科学等进行交叉的前沿性研究，且技术集成实现难度较低，具有可推广可示范价值，是城乡规划学延展和完善自身理论、方法、技术的重要一环。ArcGIS Workflow Manager 产品数据管理系统 创建并分配工作 追踪作业活动 标准化设计进程 从地理角度分配工作 GIS 与其他程序集成 工作报告 管理分配的劳动力 参考文献：参考文献：1.何梅.汪云.武汉城市生态空间体系构建与保护对等研究J.规划师.2009.9 2.张宇星.城镇生态空间发展与规划理论J.华中建筑.
25、2005（03）：9 3.王宝钧.宋翠娥.傅桦.城市生态空间与城市生态腹地研究J.河北师范大学学报.2009.6 4.陆军.城市外部空间运动与区域经济M.北京：中国城市出版社.2001：27 5.杨培峰.城乡空间生态规划理论与方法研究M.北京：科学出版社.2006 6.杨鹏飞.长沙都市区生态空间结构优化研究C.华中科技大学.2008:23-26 7.王晓俊.王建国.兰斯塔德与绿心荷兰西部城市群开放空间的保护与利用J.规划师.2006.3 8.赵运林.邱国潮.湖南省县（市）域复合生态空间发展战略规划理论研究J.湖南城市学院学报.2012.4 9.张勇强.城市空间发展自组织与城市规划M.南京.东南大学出版社.2006 10.湖南城市学院规划建筑设计研究院.长株潭城市群生态绿心地区总体规划Z.2011 作者简介：张作者简介：张 曦（曦（19841984-）：男，博士生，湖南城市学院规划建筑设计研究院生态研究规划所所长、）：男，博士生，湖南城市学院规划建筑设计研究院生态研究规划所所长、规划师。规划师。吴丁花（吴丁花（19841984-）：女，硕士研究生，湖南城市学院规划建筑设计研究院规划二所副所长、注册规划）：女，硕士研究生，湖南城市学院规划建筑设计研究院规划二所副所长、注册规划师。师。