一种村镇公共设施选址布局的方法及其系统

摘要

本发明公开一种村镇公共设施选址布局的方法及其系统，所述的公共设施选址布局优化可通过读取输入端的备选设施点、需求点分布、道路交通网络等数据，建立对应区域的空间数据集，并通过将数据集中相应的数据输入至建立的公共设施布局优化选址模型，通过程序对公共设施布局进行计算并对其选址进行优化，最后输出选址结果。本发明可应用于规划部门在村镇规划中的选址决策、公共设施布局调整等诸多领域，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本公开属于数字化城乡规划领域，具体涉及一种村镇公共设施选址布局的方法及其系统。

背景技术

该发明是在当下缩小城乡差距、推动城乡均衡发展、加快基本公共教育服务均等化建设的时代背景下进行的。从1978年至今，我国过去近50年持续快速的经济增长为人民带来了巨大福利。但是，在经济社会快速发展的过程中，城市人口与村镇人口在公共服务方面的差距造成的城乡二元结构矛盾日益凸显。由于村镇人口长期不能享受到与城市人口同等的公共教育服务，以及公共服务的地区差距、社会群体差距，导致了社会公平感的减弱。

公共设施的选址优化问题一直以来都是城乡规则中的重要问题。传统的公共设施选址方法往往基于经验，而面临复杂多变的实际环境条件和过多的影响因素，主观决策方法难以从科学和严谨的角度做出理性且合理的判断。近年来，随着信息技术以及计算机分析技术的不断发展，数据的获取途径更加丰富且便捷，使得在满足上位规划和实际需求指导下，可以建立起基于已有数据，并能够快速有效提供选址方案的公共设施选址、优化工具。

目前，大部分选址工具是基于经典模型或ArcGIS平台的位置分配模型(locationallocation)进行的选址模拟，往往是单一优化目标，且不能提供对于实际环境条件相关配置的接口，难以在实际中兼顾经济性、效率性和公平性等多种因素。且已有模型在多目标约束下的算法效率和优化能力尚有进一步提升的空间。

因此本发明建立了一种兼顾经济性、效率性和公平性等多因素的村镇公共设施选址布局决策系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种村镇公共设施的选址布局的决策系统，解决了现有技术中村镇的公共设施规划中选址决策、公共设施布局调整困难的问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种村镇公共设施施选布局的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据收集与输入：获取并输入村镇数据集，包括实际地理信息、人口分布、原有设施布局、拟建设施点、道路交通网络；

将高程数据输入GIS进行高程及坡度分析，剔除不适宜建设的区域，结合相关规划上位规划数据筛选适宜作为公共设施建设的备选设施建设用地，并将筛选出的各polygon的几何中心作为其地理位置进行简化，形成拟建设施点；通过Python调用百度地图API爬取村镇范围内的居住区AOI数据，将AOI数据中各polygon的几何中心作为其地理位置进行简化，并结合相关规划数据对居民点进行补充，形成人口分布；根据统计年鉴中村镇人口信息对各居民点的人口数据进行赋值处理；通过Python调用百度地图API爬取村镇范围内的公共设施POI，形成原有设施布局；通过OSM(Open Street Map)中框选村镇区域范围，获取道路数据，并按照不同标签类型对道路进行分级处理，形成道路交通网络。

进一步地，所述目标函数为：

最终优化方案为：

式中：变量q为实际公共设施建设数量(其中q≤n)；常量m为村民点数量；常量n为公共设施建设的地块数量；常量w

2)选址模型：根据建立的公共设施选址模型中的目标函数，结合不同公共设施的类型修改约束条件中的相关参数，建立对应类型的村镇公共设施布局优化选址模型。

2.1)选址模型中的优化目标包括：

所选择设施点数量最少、所有需求点到其对应设施点之间的加权距离最短。在目标函数的设置中，兼顾了经济性、效率性和公平性等多个目标，是多目标之间的权衡；

经济性：总体设施点建设数量较少，降低运营和建设成本；

效率性：被服务的居民到其对应的设施点之间的加权距离之和最短；

公平性：居民到其对应的设施点之间的距离限制在一定范围内，且最远距离较小；

2.2)对应不同类型的公共设施设置约束条件中的相关参数：

约束条件主要包括：各类公共设施点建设容量约束，即设施最大容量C

2.3)模拟退火算法

模拟退火算法主要用于选址模型中的程序优化，在本次程序设计中，每次程序运行时先初始化，程序在备选设施建设点中随机选取一组解，并计算其对应的目标函数，然后在一定的扰动下产生一组新解，并再次计算对应的目标函数值，对比本次产生的新解与先前解的目标函数值，若新解的目标函数值优于先前解的目标函数值，则接收新解，否则，根据Metropolis准则确定是否接受新解。以上过程反复迭代，直至降温至预设温度，输出当前解为程序最优解。

3)数据输出与显示：最终输出选址结果集合，并对结果输出相应的统计信息。

进一步地，所述距离采用实际道路距离，在确定了备选设施建设点和居民点需求点后，调用Dijkstra算法计算各居民需求点到各备选设施点之间的最短实际道路距离，建立距离矩阵。

进一步地，所述公平性计算时，用设计道路时速计算居民点到设施点的时间，即设施可达性，计算各个设施点的可达性情况和服务人群占比等，并实时给予反馈。

进一步地，一种村镇公共设施布局装置包含一种村镇公共设施施选布局的方法。

进一步地，一种存储装置，用于存储一种村镇公共设施施选布局的方法。

进一步地，所述数据输出与显示将最终选址结果进行输出与可视化显示，并计算各选址方案在有效时间内覆盖的人口比例。

进一步地，一种村镇公共设施布局系统，包含第一采集模块、第一接收模块、第一计算模块和第一输出模块；

第一采集模块：用于获取村镇数据集，包括实际地理信息、人口分布、原有设施布局、拟建设施点、道路交通网络信息；

第一接收模块:用于接收第一采集模块采集的信息，根据接收信息，对各项数据进行分析与转化，确定最终作为备选设施建设的矢量点集、矢量需求点集与各需求点对应的需求量；

第一计算模块：根据不同类型的设施建立不同的优化目标，根据目标函数：

最终优化方案为：

完成对设施最优建设方案的确定；

第一输出模块：对最终选址结果集合，并对结果输出相应的统计信息。

本公开的有益效果：

本发明提供了一种面向村镇的公共设施自动优化选址布局的决策系统，所述的公共设施选址布局可通过读取输入端的地理信息、人口分布、现状设施等数，对用地建设适宜性进行评价，并选出适宜建设的地块，通过不同类型的公共设施布局优化选址模型，对输入数据进行计算并优化，最后输出选址结果。本发明可应用于规划部门在村镇规划中的选址决策、公共设施布局调整等诸多领域。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不需要掌握相关程序基础的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例的流程图。

图2是本公开实施例的输入端备选设施点数据。

图3是本公开实施例的输入端居民需求点数据。

图4是本公开实施例的道路交通网络矢量集。

图5是本公开实施例的居民需求矢量点集。

图6是本公开实施例的备选设施建设的矢量点集。

图7是本公开实施例的需求点到设施点的距离矩阵。

图8是本公开实施例的模拟退火算法流程图。

图9是本公开实施例的结果输出显示。

图10是本公开实施例的结果统计信息与可视化。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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它实施例，都属于本公开保护的范围。

方案1

一种面向村镇的公共设施自动优化选址布局的决策系统，包括步骤：

1)数据输入：根据程序需求，在输入端输入备选设施点、居民需求点和道路交通网络；

2)选址模型：使用MATLAB编程语言，根据建立的公共设施选址模型中的目标函数，结合不同公共设施的类型修改约束条件中的相关参数，建立对应类型的村镇公共设施布局优化选址模型，通过计算机自动识别输入信息，对输入数据进行分析优化；

3)数据输出与显示：最终输出选址结果集合，并对结果输出相应的统计信息。

作为一种优化选址方案，所述的面向村镇的公共设施自动优化选址布局的实现方法，步骤1)中：

输入的数据主要包括：备选设施点、居民需求点和道路交通网络。

备选设施点：备选设施点矢量点集的文件格式为excel(.xls)，包括备选设施点的序号、经度、纬度。数据需位于excel的sheet1，excel数据的第一列为备选设施点序号，第二列、第三列分别是经度、纬度信息；

居民需求点：居民需求点矢量点集的文件格式为excel(.xls)，包括居民需求点的序号、经度、纬度、需求点对应的人口数量及其对应的人口权重。其中对于人口数量的计算需对现状人口分布、所在地人口增长率、各年龄人口占比进行分析，预测未来十年的人口增长状况及对应公共设施的需求量变化情况，确定需求点与需求量。数据需位于excel的sheet1，excel数据的第一列为居民需求点序号，第二列、第三列分别是经度、纬度信息，第三列为需求点对应的人口数量(第i个居民需求点的人口数量记作P

道路交通网络：道路交通网络的文件格式为cad，其中各级道路分层设置，所有道路在交叉点处打断。道路交通网络主要包括了国道、省道、县道、乡道及村镇内部道路等各级道路，通过计算机分级，赋予各级道路不同的行驶速度，建立无向有权的道路交通网络；

作为一种优化选址方案，所述的面向村镇的公共设施自动优化选址布局的实现方法，步骤2)中：

村镇公共设施选址决策系统的优化部分可描述如下：

在村镇中有m个村民点，每个村民点对应人口P

最小加权服务距离：

最小设施建设数量：

min q (2)

同时应满足约束条件：

式中：变量q为实际公共设施建设数量(其中q≤n)；常量m为村民点数量；常量n为公共设施建设的地块数量；常量w

式(3)表示最终选择的设施点数量为q；式(4)表示每个村民点只能被一处设施服务到；式(5)表示村民点的村民只能去被选中的设施点；式(6)表示村民点村民到其对应的公共设施点的最大服务距离不超过给定阈值；式(7)表示公共设施建设容量需要在规定的范围内。

由于在优化目标中，村民到其对应的公共设施点之间的服务距离直接关乎使用设施的便捷性，相较设施建设数量具有更高的优先级。而由于两者之间的复杂关系，导致很难对其进行准确的量化处理，因此借鉴应用数学中的处理方法，将设施建设数量这一优化目标作为目标函数的一个控制因子，使得在整体目标函数的设计中，两个优化目标相互关联制约，最终实现在设施点数量尽可能少的情况下满足需求点到其对应设施点的加权距离之和最小化的整体目标；基于以上思想，将以上优化目标进行整合，将多目标函数整理转化为单目标函数，建立最终目标函数如下式8：

最终优化方案为：

如图1：通过计算机对输入信息进行分析，读取建立的备选公共设施点和居民需求点，按照公式8输入程序进行模拟退火算法，并以公式9作为最终优化目标，得到最优解。

在目标函数的设置中，兼顾了经济性、效率性和公平性等多个目标，是多目标之间的权衡，经济性主要是指新增加设施点建设数量较少，降低运营和建设成本；效率性主要是指被服务的居民到其对应的设施点之间的加权距离之和最短；公平性是指将居民到其对应的设施点之间的距离限制在一定范围内。

这里的距离采用实际道路距离，在确定了备选设施建设点和居民点后，调用Dijkstra算法计算各居民点到各备选设施点之间的最短实际道路距离，建立居民点到设施点的距离矩阵。

在对公平性计算时，用设计道路时速计算居民点到设施点的时间，即设施可达性，计算各个设施点的可达性情况和服务人群占比等，并实时给予反馈。

作为一种优化选址方案，所述的面向村镇的公共设施自动优化选址布局的实现方法，步骤4)中：

将最终选址结果进行输出与可视化显示，并计算各选址方案在有效时间(规范中规定的各类设施最佳服务时间)内覆盖的人口比例，以便决策者对选址结果有较为直观的判断。

方案2

为了使本发明使用的技术方法及有益效果更加清晰，一下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。本实施例以安徽省马鞍山市当涂县的教育设施选址为例进行说明阐述。

1)数据输入：

1.1)备选设施点：通过Python调用百度地图API爬取当涂县范围内标签为“教育培训”的公共设施POI，每一条POI数据包含地理实体的名称、经纬度、地址、类别等信息，经过进一步筛选形成原有设施点布局。对上位规划中制定的可用于公共设施建设的建设用地进行简化，取各建设用地地块的几何中心作为其地块进行简化，与筛选出的已有教育设施点整合编号，形成备选设施点。备选设施点矢量点集的文件格式为excel(.xls)，包括备选设施点的序号、经度、纬度。

如图2和6所示：数据需位于excel的sheet1，excel数据的第一列为备选设施点序号，第二列、第三列分别是经度、纬度信息。程序读取相应的excel文件后转化为空间中的备选设施建设的矢量点集居；

1.2)居民需求点：通过Python调用百度地图API爬取当涂县范围内的居住区AOI数据，将AOI数据中各polygon的几何中心作为其地理位置进行简化，并结合相关规划数据对居民点进行补充，形成居民点位置分布。根据统计年鉴中村镇人口信息对各居民点的人口数据进行赋值处理，形成人口分布。居民需求点矢量点集的文件格式为excel(.xls)，包括居民需求点的序号、经度、纬度、需求点对应的人口数量及其对应的人口权重。

如图3和5所示，数据需位于excel的sheet1，excel数据的第一列为居民需求点序号，第二列、第三列分别是经度、纬度信息，第三列为需求点对应的人口数量，第四列为由人口数量计算得出的人口权重w

1.3)如图4和7所示，道路交通网络：通过在OSM(Open Street Map)地图中框选当涂县的范围，下载获取道路数据，并按照不同标签类型对道路进行分级处理，形成道路交通网络。道路交通网络的文件格式为cad，其中各级道路分层设置，所有道路在交叉点处打断。调用Dijkstra算法，计算各需求点到各设施点的最短路径，将此信息储存为需求点到设施点的距离矩阵，方便每次程序直接读取；

2)选址模型：将输入端数据输入程序中，使用MATLAB编程语言，根据不同类型的公共设施设定模型约束条件的参数，按照设定好的优化目标建立村镇公共设施布局优化选址模型；

如图8所示，通过计算机自动识别输入信息，使用模拟退火算法，对输入数据进行分析优化，本实施例以马鞍山当涂县的公共设施选址为例，进行程序计算优化求解。按照规范中规定的学校容量限制，设置C

3)如图9-10所示，数据输出与显示：最终输出选址结果集合，最终共选择教育设施点68处，最大服务距离为5.892km，平均服务距离为2.635km，加权总服务距离为769.672km，所选择的教育设施对应的最大学生数量为3330人，最小学生数量为118人。并对结果输出相应的统计信息。

工作原理

可通过读取输入端的地理信息、人口分布、现状设施等数，对用地建设适宜性进行评价，并选出适宜建设的地块，通过不同类型的公共设施布局优化选址模型，对输入结果进行计算并优化，最后输出选址结果。本发明可应用于规划部门在村镇规划中的选址决策、公共设施布局调整等诸多领域。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。