Математические модели городской среды

Повышение эффективности территориального планирования

А.В. Чернов (НП «Поволжский центр космической геоинформатики», Самара)

Массовый характер разработки документов территориального планирования обусловил большое количество публикаций и выступлений, описывающих требования градостроителей к функциональному составу информационных систем обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД), муниципальных геоинформационных систем (МГИС) и виду предоставляемой ими информации. Не вдаваясь в частности, общий смысл этих заявлений можно выразить фразой: «дайте нам всю информацию в удобном цифровом виде и получите качественную градостроительную документацию». В статье приводится мнение «другой стороны» рассматриваются требования к процессу и результатам разработки генеральных планов городов с точки зрения специалиста по МГИС.

Любая информационная система имеет три иерархических уровня. Нижний (учетный) уровень мониторинг, применительно к МГИС подразумевающий ведение реестров различных объектов (зданий и сооружений, инженерных сетей, тематических объектов). Средний уровень анализ (как правило, статический), верхний динамическое моделирование и прогноз. От МГИС руководство города в конечном итоге ждет решения аналитических задач (в системах поддержки принятия решений), а также моделирования и прогнозирования («если, то») для эффективного управления городом.

Результаты моделирования и прогноза должны непосредственно отражаться в документах территориального планирования. Поэтому справедливо мнение о том, что в области территориального планирования МГИС должна использоваться «на полную мощь». Да и где же ей выступать во всей красе, как не в градостроительстве? Не в кадастре же недвижимости с его ограниченными законодательством задачами учета и не в отраслевых системах (инженерных коммуникаций, транспортных систем), где рассматриваются частные модели предметных областей.

Существующая практика разработки генерального плана

К сожалению, как видится автору, в существующей практике это, за редким исключением, не так. Перечислим основные возможности ГИС, используемые в настоящее время при градостроительном планировании:
сбор и представление данных в соответствии с едиными классификаторами;
интеграция растровых и векторных данных в общем хранилище;
совместная работа над проектом;
создание цифровой модели с возможностью различных тематических представлений;
использование простейших средств пространственного анализа (буферные зоны, подсчет статистики по территориям и пр.).

Из перечисленного следует вывод: в большинстве случаев при разработке генеральных планов ГИС используется только как интегрированный «поставщик данных», как средство для отрисовки проектных решений («продвинутый карандаш») и быстрого формирования выходных тематических схем (рис. 1). Математические модели функционирования городской среды не разрабатываются или создаются на уровне частных моделей (определение уровня шума, транспортных перемещений и пр.). Благодаря использованию ГИС сложность разработки генеральных планов снижается, но качественных изменений не происходит. Интересно, что рассуждая о функциях ИСОГД, кто-то рассматривает ее «в узком смысле», т. е. как информационное хранилище документов территориального планирования и сведений об объектах местности, кто-то «в широком смысле» как систему автоматизации деятельности управлений архитектуры, но практически никто не воспринимает ИСОГД как систему моделирования и принятия решений для устойчивого развития среды.

Рис. 1. Существующая схема разработки генеральных планов с использованием ГИС-технологий

Сначала нужно понять, что город может получить от качественно иного подхода к разработке генеральных планов, каким может быть результат градостроительного планирования (не так давно было модно использовать термин «компьютерный генеральный план»)?

Разработка генерального плана как решение задачи динамической оптимизации

Формально разработку генерального плана можно представить как математическую задачу динамической оптимизации: достичь максимума целевых функций (стоимость земли, комфортность обитания и др.) при наличии экономических, территориальных, экологических и иных видов ограничений и выработать оптимальный план (стратегию). При этом стоимость земли основная целевая функция. Во-первых, она агрегирует ценность территории, во-вторых, наиболее формализуема и просчитываема, в-третьих, связана с окупаемостью проекта за счет повышения земельного налога, арендной платы и стоимости земли под строительство при продаже на аукционах.

Почему это не делается, хотя бы в укрупненном виде (за исключением различных балансов)? Ведь существуют (экономисты их давно используют) факторные модели, модели индикативного планирования, модели типа «регулятор индикатор», которые позволяют получать значения выходных целевых индикаторов, меняя входные регуляторы. Возможно, из-за отсутствия моделей градостроители и городские управленцы так плохо понимают друг друга (а фактически читают и утверждают генплан именно управленцы и экономисты)? Конечно, на это можно возразить: во-первых, такие модели чаще всего непространственные, во-вторых, город слишком сложная система, под него многокритериальную модель не создашь. Так ли это? Математические модели используются, например, при кадастровой оценке земель. Набор исходных данных для нее во многом совпадает с набором исходных данных для составления генеральных планов городов. Однако кадастровая оценка является статической, заложенная в ней методика плохо работает при построении прогноза кадастровой стоимости после изменения значений факторов, суть которых планируемые решения по развитию городской среды (новые транспортные магистрали, кварталы и пр.). Поэтому для прогноза стоимости необходимо использовать иные подходы, наиболее приемлемый из которых рентная оценка земель.

Модели оптимизации

Модели оптимизации используют регулярное разбиение территории на ячейки одинакового размера или нерегулярное разбиение на учетные территориальные единицы типа кварталов, как правило, с постоянным видом функционального использования. К регулярному разбиению проще применять вычислительные методы, для нерегулярного легче собирать исходные данные и интерпретировать результаты. Исходными данными для моделей являются следующие значения факторов для элементов разбиения:
транспортная доступность;
инженерная обеспеченность и комфортность;
стоимость расселения (в общем случае изменение вида функционального использования) на основе данных кадастра недвижимости, стоимости земли, числа прописанных людей и др.;
наличие локусов и их влияние на соседние районы;
факторы, влияющие на стоимость освоения территории под данный вид использования.

Суть моделирования построение функции зависимости целевой переменной от значений факторов:

c (t)/ij = f (t)/j [(p (t)/1,..., p (t)/N)],

где t квантованный период времени (год или несколько лет); i номер ячейки разбиения; j вид функционального использования.

Градостроительные решения меняют значения факторов в ячейках, например, строительство дороги меняет транспортную доступность в близлежащих (и не только) ячейках и, соответственно, значение целевой переменной. Стоимость градостроительного решения сравнивается с расчетным изменением стоимости земли, его окупаемость обосновывается изменением земельного налога и иными поступлениями. Как правило, оптимизационные модели применяются для оценки набора градостроительных решений, полученных экспертным путем.

Результатами моделирования являются:
модель, максимизирующая стоимость земли в зависимости от выбора варианта освоения территории;
альтернативные варианты освоения территории по каждой из ячеек и оценка окупаемости по каждому из них;
оптимальные планы под различные варианты освоения;
расчет ориентировочной стоимости строительства и измененной стоимости земли.

При изменении условий в процессе реализации генерального плана или на этапе его согласования можно пересчитать модель и получить новую картину. На этапе защиты проекта не придется рассказывать, что гениальные идеи руководства города не ложатся в концепцию вашего генерального плана, а можно будет доказать это, оперируя цифрами. Еще лучше дать руководству самому «подвигать ручками управления». Вот это и есть качественное изменение в разработке генерального плана, это и есть механизм для устойчивого развития города (рис. 2).

Рис. 2. Предлагаемая схема разработки генеральных планов на основе инструментов пространственного анализа и моделирования