بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
الگوريتم هاي توليد اتوماتيک نقشه ساختمان و مشکلات پيش رو
چکيده
در طول سال هاي مختلف تلاش هاي زيادي براي پياده سازي مکانيزم هاي تفکر خلاقانه انسان در کامپيوتر صورت گرفته است ، که نام هاي مختلفي از جمله "خلاقيت مصنوعي " و يا "خلاقيت محاسباتي " به آن اطلاق ميشود. با کمي دقت ميتوان فهميد که پياده سازي چنين قابليتي در کامپيوتر و سيستم هاي نرم افزاري چقدر ميتواند سودمند باشد. در اين مقاله مروري داريم بر يکي از مواردي که خلاقيت نقش مهمي در آن دارد. نگاهي به کارهاي انجام شده و الگوريتم هاي موجود براي پياده سازي توليد اتوماتيک نقشه ساختمان خواهيم داشت . در بخش اول اين مقاله به متدهاي جستجوي اکتشافي تکاملي براي فائق آمدن بر مسايل تخصيص فضا در معماري مي پردازيم . سپس يک طرح محاسباتي تکاملي ترکيبي بهبود يافته که استراتژي تکاملي (ت ء) را با يک تکنيک بالا رفتن تصادفي از تپه پيوند ميزند، شرح داده مي شود. در ادامه مدل هاي رياضي با حکم مسئله اي و چگونگي محاسبه صلاحيت هاي مستقل نشان داده مي شود.
واژه هاي کليدي: نقشه طبقه ، استراتژي تکاملي ، مسئله تخصيص فضا، جايگذاري قسمت هاي متعامد
١- مقدمه
يکي از اولين وظايف طراحيهاي معماري پيش نويسي نقشه هاي طبقه است که ترکيب تمام اين اتاق ها در برنامه طراحي به نيازها و خواسته هاي کارورز بستگي دارد. اين پروسه به دو مرحله تقسيم ميشود: آناليز و ترکيب . در طول مرحله آناليز، اطلاعات و داده ها درباره برنامه طراحي جمع آوري ميشود، لوازم مورد نياز براي هر اتاق ليست شده ، عامليت و احتياجات تعيين ميشود و محدوديت ها مشخص ميشوند. در طول مرحله ترکيب ، چندين زير وظيفه اجرا ميشوند که شامل تنظيم برنامه طراحي در دياگرام هاي توپولوژيک ، نقشه سازي ساده براي هر اتاق ، طرح ريزي بخش ، و ترسيم نقشه طبقه ميباشد.
اگر پيچيدگي برنامه طراحي افزايش يابد اين پروسه شايد براي انسان ها تحمل ناپذير باشد، براي همين کامپيوترها را ابزاري کارا و سودمند ميکنيم . بر خلاف انسان ها، ماشين ها قابليت اجراي حجم عظيمي از روال هاي عادي تکراري را بدون خستگي و خطا دارند. هدف اين تکنيک کمک به معمارها در توليد مجموعه اي از طراحيهاي نقشه طبقه با اجراي وظايف تکراري و توليد مجموعه گوناگوني از جايگزين ها که ممکن است در آينده توسط معمارها بهبود يا تنظيم شوند ميباشد. اين گروه از پيش نويسي هاي طراحي اوليه بايد تا حد امکان متفاوت باشند در حالي که تمام قيود و اهداف را رعايت ميکنند.
تکنيک EPSAPبراي دستيابي به مجموعه گوناگوني از طراحي نقشه طبقه از تکنيک جستجوي دو مرحله اي استفاده مي کند. اين امر با اجازه دادن به بخش هاي مجزا براي استنتاج در محدوده محلي خود بدون به اشتراک گذاري ماده ژنتيکي تکميل مي شود. وقتي عملگرها از بهبود يابي بيشتر عاجز مي شوند، بخش هاي مستقل با جمعيت باقي مانده مقايسه مي شود، و اگر جزو موارد مناسب نباشد، دور انداخته مي شود و با يک نقشه طبقه توليد شده تصادفي براي کاوش بخش هاي ديگر فضاي جستجو جايگزين مي شود.
٢- مدل هاي رياضي
کار نقشه بندي طبقه در معماري از چندين زير وظيفه که بر روي جنبه هاي مختلف پروسه طراحي تمرکز دارند تشکيل شده است . پروسه توليد واقعي در ترکيب مراحل بستگي به اهداف و اولويت متدهاي کار کارورز دارد. از اين رو، هيچ پروسه استانداردي براي طراحي ساختمان براي معمار و پروسه استانداردي براي طراحي طبقه وجود ندارد. زماني که توليدات خودکار توسط کامپيوتر به عهده گرفته ميشود، چندين رهيافت تحت يک نام يکسان از نقشه بندي فضا داريم که اهداف مختلفي دارند.
٢-١- شرح مسئله
ممکن است مسئله تخصيص فضا به عنوان ترسيم مجموعه اي از اتاق ها يا فضاهاي در يک فضاي دو بعدي، که طبقه مورد نياز و ابعاد دهانه ها، و روابط توپولوژيک داخل محدوده ساختمان بدون روي هم افتادگي ان ها يا هم جواري ساختمان ها باشند تعريف شود. فهرست واژه هاي مدل رياضي در جدول شماره ١ ليست شده است .
جدول شماره ١
هر فضا يک شي با يک طبقه با يک قالب مستطيل پنجره هاي بيروني درهاي خروجي مي باشد. هر فضا ممکن است اولويت هاي توپولوژيک براي نواحي (درهاي داخلي و هم جواري ) و دهانه ها (منظره ها) داشته باشد که توسط کاربر تعيين شده است . براي نمونه ، يک مجموعه از فضاها در يک گروه گردآوري شوند. اين کار به کاربر اجازه مي دهد تا واحد فضاي کاربري مشترکي را در مجاورت هم قرار دهد. (براي مثال حمام ها).
کف اتاق يک مستطيل با چهار درجه از آزادي تابع راس چپ و پایین و به ترتيب عرض و ارتفاع مستطيل هستند. عرض و ارتفاع توسط کاربر محدود مي شوند.
هر پنجره خروجي و درهاي خروجي دو درجه آزادي دارند. عبارت مشخص مي کند که هر دهانه در کدام سمت از طبقه قرار داشته باشد و مکان مرتبط با محل دهانه را در آن سمت تنظيم مي کند. هر دهانه مي تواند تقدم موقعيت با تعيين کاربر داشته باشد. اين به کاربر اجازه مي دهد تا اولويت ها را مشخص کند تا آنجا که
منظره ها هم اهميت داشته باشد، که يک تمرين عمومي براي معمارها ميباشد. اين چشم اندازها با تخصيص فضاي خالي در جلوي هر دهانه خروجي که نبايد توسط المان هاي ديگر تسخير شود تضمين ميشود.
محدوده ساختمان و ساختمان هاي مجاور يک مجموعه از مستطيل ها (چهارگوش ) است ، به ترتيب و جايي که محل گوشه چپ _پايين است ، و به ترتيب عرض و ارتفاع چهارگوش است . در خصوص محدوده ساختمان ، نقشه طبقه بايد داخل چندضلعي حاصل از اجتماع B ها قرار بگيرد. بر خلاف محدوده ساختمان ، همپوشاني ساختمان هاي مجاور مجموعه A بايد محوطه خالي فضاها و دهانه ها را در نظر بگيرد.
٢-٢- محاسبه شايستگي انفرادي
هدف محاسبه مجموعه اي از راه حل هاي طراحيهاي ممکن است ، که يک تابع هزينه را حداقل مي کند مجموع خطاهاي در طول نقض قيدها يا برآورده نکردن اهداف توپولوژيک يا هندسي مي باشد. اهداف توپولوژيک ارتباط داخلي بين فضاها را ارضا مي کند (درهاي داخلي)، هم جواري فضاها و موقعيت دهانه هاي خروجي را بازبيني مي کند. اهداف هندسي از همپوشاني فضاها، دهانه ها و ساختمان هاي مجاور جلوگيري مي کند، ابعاد صحيح را براي فضاها تعيين مي کند، و از عبور مرزهاي ساختمان جلوگيري مي کند.
اهداف اشاره شده در يک تابع هدف در رابطه با کمينه سازي متراکم ميشوند، که توسط فرمول شماره ١ بسط داده شده است ، با هفت ارزياب که ارتباطي.وابستگي همپوشي فضا همپوشاني دهانه ها موقعيت دهانه ها ابعاد طبقه تراکم ، و سر ريزي نام گذاري مي شوند.
تمام اين ارزياب ها به غير از ارزياب ارتباطي.وابستگي نواحي را جريمه مي کنند، براي نمونه ناحيه همپوشاني شده بين دو فضا يا ناحيه سر ريزي شده از هر فضاي در ارتباط با محدوده ساختمان محاسبه مي شود. در مورد ارزياب اول اين جريمه ها با توجه به فاصله فضاها ميباشد. براي مثال ، فاصله بين دو فضا که بايد هم جوار باشند. در نتيجه ، براي داشتن جريمه ها با دامنه يکسان ، ارزياب هاي ٢ تا ٧ ريشه دوم هستند.
اين ها اهداف معيني هستند که در زمان توليد نقشه طبقه ضروری هستند . اگر یک راه حل نقشه طبقه منسجم در حال طراحی است این اهداف باید کاملا انجام بگیرد . در ابتدا ارتباط بين فضاها برقرار ميشود، از همپوشاني فضاها و دهانه ها جلوگيري ميشود، و از سرريزي فضاهاي مربوط به محدوده ساختمان پيش گيري ميشود. با در نظر گرفتن اين ها، اهميت هر هدف در وزن هر ارزیاب تنظیم شود . برای نمونه ، وزن ارزیاب ارتباطی باید بیشتر از وزن ارزیاب تراکم باشد . یک ارتباط مناسب در ميان وزن هاي ارزياب ها ضرورت دارد تا اطمينان دهد که تکنيک هاي پيشنهادي قادر به توليد نتايج خوب است .
جنبه ديگر مربوط به وزن هاي ارزياب ها است که با نسبت دادن مقادير مختلف به دو ارزياب ، براي مثال مقدار بالا براي ارزياب ارتباطي.همبستگي و مقدار کم براي به ارزياب تراکم ،بهبود کوچک در ارزیابی ارتباطی ، جریمه های که در ارزیاب تراکم زمانی که در اعمال یک عملگر انتقالی به دست می اید جبران خواهد کرد. اين عمل باعث ايجاد يک نوع بافر جريمه اي براي اهداف بسيار مهم ميشود.
ارزياب ارتباط .مجاورت فاصله فضا را با توجه به مجموعه روابط توپولوژيک در ماتريس از قبل تعيين شده مجموعه ابعاد در داخلي در ماتريکس و ضخامت ديوارهاي داخلي در تشخيص مي دهد (شکل شماره يک براي يک گراف توپولوژيک طراحي نقشه ساختمان را ببينيد).
اگر مقدار وارده در ماتريس برابر ١ باشد اتصال محاسبه مي شود، اگر ٢ باشد اين مجاورت است که محاسبه خواهد شد، تمام اين ها به فرمول شماره ٢ بستگي دارد که جريمه ها را در زمان مشاهده نيازمندي ها تعيين مي کند. فاصله ارتباط بين دو فضاي i و j را با توجه به فاصله کمينه ضروري از ضلع طبقه براي ترکيب شدن تعيين مي کند. اين کار قرار دادن يک در داخلي را اجازه مي دهد و توسط فرمول شماره ٣ شرح داده مي شود. فاصله بين يک مختصات و مختصات بين دو فضاي i و j توسط فرمول هاي شماره ٤ و ٥ به ترتيب تعيين مي شود.
ارزياب همپوشاني فضاها همپوشاني را در ميان فضاهاي طبقه يا بين هر فضاي طبقه و ساختمان هاي هم جوار (مجموعه
آ) تشخيص مي دهد،که در فرمول شماره ٦ نمايش داده شده ، جايي که يک تابع براي مشخص کردن ناحيه همپوشاني شده از دو مستطيل است .
ارزياب همپوشاني دهانه ها روي هم افتادگي دهانه ها را با فضاهاي ديگر نقشه طبقه و بين فضاهاي يکسان دهانه ها ارزيابي مي کند. اگر ناحيه خالي در جلوي هر دهانه هاي ورودي توسط المان هاي ديگر يا ساختمان هاي مجاور اشغال شده باشد، جريمه شامل نواحي مشترک حاصل شده خواهد بود. اگر يک فضا بيش از يک دهانه داشته باشد، اگر روي هم افتادگي داشته باشند، متناظر با ناحيه همپوشاني شده الويت هر کدام به طور جداگانه بررسي خواهد شد. بدين منظور، براي تعيين جريمه ها براي دهانه هاي روي هم افتاده فرمول شماره ٨ استفاده مي شود. جايي که در فرمول شماره ٩ همپوشاني فضاها با ناحيه خالي در جلوي دهانه را تعيين مي کند ، و در فرمول شماره ١٠ همپوشاني ساختمان هاي مجاور را با ناحيه خالي در جلوي دهانه ها مشخص مي کند. در فرمول شماره ١١ ، براي محاسبه جريمه ها براي همپوشاني يک دهانه فضا استفاده مي شود.
براي محاسبه جريمه هاي فرمول شماره ٩ تا ١١ مقداري از ماتريس ها براي ناحيه خالي در جلوي هر پنجره خارجي و درهاي خارجي که به ترتيب مي باشند نياز است
، در جايي که يک ابعاد چهارگوش از فضاي مورد نياز در جلوي دهانه ها برقرار باشد. عبارت مستطيل متناظري را با توجه به دهانه و مقدار وارده در ماتريس تطبيق باز مي گرداند. اگر اندازه دهانه از آنچه که در ماتريس محقق شده است بزرگتر باشد پس مستطيل ناحيه خالي بايد براي پوشش ابعاد اندازه دهانه تنظيم شود.
ارزياب موقعيت دهانه ها هر دهانه را که در سمت برتري از فضاي طبقه قرار نداشته باشد جريمه ميکند. اگر s بدست آمده از برابر عنصر به ترتيب در ماتريس نباشد ، مقدار جريمه برابر ضرب اندازه دهانه ها با مقدار عمق از وارده ناحيه خالي ماتريس متناظر مي باشد. فرمول شماره ١٢ اين جريمه ها را محاسبه مي کند.
ارزياب ابعاد کف ، فضاي کف که بيشتر يا کمتر از ابعاد مربوطه در ابعاد کمينه و بيشينه براي طرف کوچک تر
و طرف بزرگ تر از چهار گوشه کف است جريمه مي کند. همچنين اين ارزياب جريمه ها را در صورتي که فضاي اشاره شده يک ناحيه نامرغوب براي ناحيه کمينه مشخص شده داشته باشد نشان مي دهد. فرمول شماره ١٥ جريمه ها را براي اين ارزياب محاسبه مي کند. ارزش از فضاي کف توسط فرمول شماره ١٦ محاسبه مي شود. ارزياب ابعاد کف توسط فرمول شماره ١٤ تعيين مي شود.
