بكارگيري الگوريتم NSGA-II در بهينه سازي چند هدفه تخصيص كاربريهاي شهري به منظور كاهش آسيب پذيري زلزله

Using NSGA-II for Multi-Objective Optimization Allocation of Urban Land Use in Order to Reduce Earthquake Vulnerability

وقوع زلزله­های مخرب بشر را بر آن داشته است كه در فكر تدوین یك برنامه زیر­بنایی برای كاهش خطرات و آسیب­های ناشی از آن باشد. كاهش آسیب­پذیری در برابر زلزله تنها از طریق تمهیدات ساختمانی مقدور نخواهد بود و هنگامی تحقق می­یابد كه ایمنی شهر در برابر خطرات زلزله به‌عنوان یك هدف در تمامی سطوح برنامه­ریزی شهری مدنظر قرار گیرد. تخصیص صحیح و مناسب كاربری­های مختلف شهری كمك شایانی به مسئله­ی مدیریت بحران شهری مرتبط با زلزله می­نماید بنابراین شناخت متغیرهای مختلف مؤثر در میزان آسیب­پذیری مناطق شهری در برابر زلزله ازنظر كاربری زمین شهری ، تعریف و بیان رابطه­ی آن‌ها با آسیب­پذیری، تجزیه‌وتحلیل آن‌ها و درنهایت دستیابی به نقشه های بهینه كاربری با آسیب پذیری كم تر در مقابل زلزله هدف اصلی این تحقیق می‌باشد. در این تحقیق، به منظور بهینه كردن تخصیص كاربری‌ های شهری با رویكرد كاهش آسیب­پذیری ناشی از زلزله بر اساس فاكتورهای فیزیكی از الگوریتم بهینه­سازی چند­هدفه NSGA-II استفاده شده است. منطقه­ 12 شهرداری تهران به‌عنوان منطقه­ی مطالعاتی در نظر گرفته‌ شد. در این الگوریتم اهداف اصلی شامل بیشینه­سازی سازگاری كاربری­های مجاور، دسترسی كاربری­ها، دسترس­پذیری كاربری­های بهداشتی-درمانی و مسكونی به شبكه معابر و كمینه سازی خطرپذیری در برابر خطر زلزله و كمینه سازی تغییر كاربری‌ها تعریف‌ شده است. با توجه به چند­هدفه بودن الگوریتم  NSGA-II، درنهایت تصمیم­گیرنده در جبهه­ی جواب بهینه با تعداد زیادی جواب مواجه خواهد شد و این مسئله تصمیم­گیری را دشوار خواهد كرد. به این منظور در این تحقیق برای كمك به تصمیم­گیری بهتر و نمایش سناریوهای متناظر با اولویت تصمیم­گیرندگان، از آنالیز خوشه­بندی با روش K-means استفاده‌ شده است. در تست­های انجام‌ شده بر روی الگوریتم بهینه­سازی، مشخص شد كه نتایج ازنظر همگرایی و تست تكرار­پذیری قابل‌قبول می­باشند. همچنین در چینش­های بهینه­ی به‌دست‌آمده وضعیت توابع هدف بهتر از وضعیت موجود است. نتایج این تحقیق می‌تواند به‌عنوان یك ابزار حمایت از تصمیم­گیری به برنامه­ریزان و سیاست­گذاران مدیریت شهری مرتبط با زلزله در خصوص برنامه­ریزی صحیح فضای شهری كمك نماید. روش مناسب بهینه سازی و منطبق با مسئله و تعریف توابع هدف مطابق با واقعیت و واردكردن جنبه‌های اصلی مسئله آسیب‌پذیری زلزله در مدل ارائه شده و اعمال نظرات تصمیم­گیرندگان در مراحل تحقیق و در مرحله­ی پایانی برای انتخاب چینش بهینه با تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از سناریوها و خوشه‌بندی سناریوها نشان دهنده­ی كارایی مدل می باشد.

The occurrence of earthquake has made human being consider fundamental plans to reduce the consequent danger and destruction. The only means to reduce the vulnerability is to set specific management of urban crisis in construction; moreover, this aim cannot be achieved unless the city immunity, in confrontation of the earthquake, is considered as a major purpose in all stages of urban planning. Proper allocation of various urban land uses helps hugely the process of management of urban crisis related to the earthquake; accordingly, recognizing the different effective variables of vulnerability of urban areas from the aspects of urban land use, definition and declaring their relations with vulnerability, their analysis and finally preparing the land use optimizing maps with less percentage of vulnerability, is the principle target of this paper.  In this paper, for optimizing urban land use allocation, with the approach of reducing the vulnerability caused by the earthquake based on the physical factors, the multi-objective optimization algorithm NSGA-II was used for modeling. The 12th district of Tehran was taken as the subject of study. In this algorithm the main objectives include: maximizing compatibility of adjacent land uses, accessibility of land uses, availability of sanitary-medical and residential land uses to the Road network and minimizing susceptibility in earthquakeʹs time and Minimizing land uses change. Considering the fact that the NSGA-II algorithm is multi-objective, the decision maker encounters different solutions in the Pareto-optimal front, which makes the process more complicated. Accordingly, to aid the decision making process and presenting the correspondent scenarios with the decision makersʹ priority, the clustering analysis was used with K-means approach. To study the changes of the results of different implementations of algorithm and stability of optimization algorithm, convergence trend and repeatability test carried out. In the resulted optimized land use arrangements, the levels of objective functions are much better than the previous arrangement. Moreover, accessibility objective function has been improved mostly under the effect of optimization (27 %). The average percentage of the improvement of the objective functions in the algorithm was 19 %. In the repeatability test, the average percentage of the overlay of the algorithmʹs solutions in different runs was recorded as 76 %, which can be recognized as a proper value, and represents the suitable repeatability of the algorithm. The results were found acceptable based on the convergence trend, by having the stable value of the objective functions after specific times of iteration. Several factors represent the efficiency of the model which can be named as; the proper method of optimization that was compatible with the problem, defining the objective functions based on the reality and including the main aspects of the problem  of the earthquake vulnerability  in the presented model, concerning the opinion of the decision makers in the process of the research and the final stage for selecting the optimum arrangement with the analysis of the results of the scenarios and the scenariosʹ clustering. The results of this research can be an aid as a means to support deciding for the planner and urban management policy makers encountering earthquake, in planning appropriately for the urban spaces.