Пространственная компьютерная модель города

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пространственная компьютерная модель города

Аношкина Е.Л. профессор кафедры экономической теории Пермского государственного технического университета, директор Центра регионального развития, инноваций и управления

Пермского государственного технического университета, доктор экономических наук

Страумит И. С.младший научный сотрудник Центра регионального развития, инноваций и управления Пермского государственного технического университета

Аношкин П. А.аспирант кафедры экономической теории Пермского национального исследовательского политехнического университета

В статье изложены принципы разработки пространственной компьютерной модели города в целях проведения прогнозно-аналитических исследований и вариантного планирования размещения объектов экономики, социальной и инновационной инфраструктуры. Пространственная компьютерная модель города направлена на решение следующих прикладных задач: обоснование вариантов территориального планирования города, разработка городской инвестиционной программы, обоснование мер городской социально-экономической политики, расчет проектных градостроительных решений, мониторинг и анализ реализации управленческих решений

Постановка научной задачи

На современном этапе развития экономической науки выделяются тенденции преодоления разрыва между макро- и микроэкономическими теориями, стремление к целостному, системному изучению экономических явлений и процессов. Это предопределяет необходимость в выделении специального объекта исследования -- пространственных моделей сложно организованных социально-экономических систем.

Актуальность данной проблемы связана с тем, что именно на локальном уровне в наибольшей мере проявляется несбалансированность макроэкономической политики и решений экономических агентов, что снижает адаптационные возможности экономики в кризисный период экономического цикла, а также замедляет темпы посткризисного развития экономики.

Теории и концепции пространственного анализа экономики, разработка современных информационных систем создают предпосылки для поиска эффективных «мостов» между микро- и макроэкономикой, для углубленного изучения и осознания механизмов экономических процессов на мезоуровне, установления взаимосвязей между различными пространственно-распределенными характеристиками социально-экономической системы.

Разработка фундаментальных основ и алгоритмического обеспечения пространственной компьютерной системы города на основе многофакторного анализа имеет не только научное, но и прикладное значение в целях обоснования сценариев интенсивного посткризисного развития.

Разработка семантической модели города требует междисциплинарных исследований, интегрирующих различные подходы экономической науки, географии, социологии, демографии, социальной психологии и культурологии, а также программирования и конструирования, которые комбинируются и совершенствуются в отношении основных вопросов территориального развития. При этом компьютерная модель города должна интегрировать знания о пространственных аспектах городского развития, о территориальных условиях развития отраслей городской экономики, о закономерностях формирования кластеров и агломерационных эффектов. Такой подход позволит проводить исследования и формировать новые знания о развитии деловой среды, адаптационных возможностей экономики, социально-экономической реструктуризации территории города, инновационном и инвестиционном потенциале, формируемых на мезоуровне.

Теории, концепции и модели пространственного анализа экономики. Для объяснения процессов дифференциации и специализации территорий с учетом пространственного аспекта экономическая наука разработала целый ряд концептуальных подходов: теории сравнительных и абсолютных преимуществ, интраотраслевой торговли, конкурентных преимуществ, новой экономической географии, модели пространственной конкуренции и др. Остановимся, прежде всего, на тех вопросах, которые имеют значение при анализе пространственных аспектов городской экономики.

Теория пространственной конкуренции выделяет следующие закономерности размещения производительных сил (факторы размещения): природные ресурсы и условия, трудовые ресурсы, капитал, правительственную политику, транспорт, агломерационную экономию. Агломерационная экономия состоит из экономии от масштаба производства, локализационной экономии, урбанизационной и межотраслевой экономии. Под локализационной экономией понимается территориальная концентрация предприятий одной отрасли в нескольких крупных городских центрах, где имеются в достаточных количествах специализированная рабочая сила, рынок сбыта и разнообразные специализированные виды обслуживания производства.

Межотраслевая и урбанизационная экономия возникает в результате концентрации предприятий уже не одной, а нескольких отраслей промышленности, что приводит к снижению стоимости необходимых элементов инфраструктуры, снижению стоимости использования услуг научно-исследовательских организаций. Размещение вспомогательных и межотраслевых производств, а также различных видов обслуживания делает выгодным строительство новых предприятий промышленности.

Группа экономических факторов представляет собой территориальную дифференциацию количественных и качественных характеристик живого и овеществленного труда, которые в современных условиях оказывают даже большее влияние на принятие решений относительно размещения производительных сил, чем природные ресурсы и условия. К ним относятся население и трудовые ресурсы, существующий производственный аппарат, инфраструктура и агломерационный эффект, учитывающий результирующее влияние различных экономических факторов при их высокой территориальной концентрации.

Модели новой экономической географии, основы которой заложили И.Г. фон Тюнен, А. Вебер, А. Предль, А. Леш, Р. Гроц, отражают возможность получения конкурентных преимуществ в результате пространственного размещения фирм. Поскольку мобильность капитала и рабочей силы внутри страны выше мобильности между странами, фирма может варьировать размещением для достижения конкурентного преимущества. Когда одна фирма или группа фирм первоначально выбрали удачное место размещения, другие фирмы начинают позиционировать свое пространственное расположение относительно первой фирмы (группы фирм) [1, 2].

Суть кумулятивного эффекта в модели кумулятивной причинности состоит в том, что, когда фирмы располагаются как можно ближе друг к другу, начинают “действовать” эффекты внутренней и внешней экономии. Внутренняя экономия состоит из сокращения затрат на единицу продукции вследствие сосредоточения однородных фирм в одном пространстве, сокращения транспортных издержек, сосредоточения потребителей, объектов инфраструктуры, что позволяет использовать внутренний эффект масштаба. Эффект внешней экономии усиливается преимуществами за счет концентрации рынков труда, учебных заведений, перетока научных знаний.

В теории отраслевых рынков сосредоточение фирм в одном месте объясняется дифференциацией транспортных расходов. Рассредоточение фирм как можно дальше друг от друга объясняется стремлением обладать властью на рынке. Процесс пространственной локализации специализированных фирм и, наоборот, рассредоточения формализован в нескольких основных пространственных моделях конкуренции -- модели Хотелинга, модели Габжевича-Тиссе (Hoteling, 1929; Gabszewiccz, Thisse, 1986). Данные модели рассматривают разные варианты пространственной локализации фирм, а также позволяют исследовать факторы, определяющие выбор фирмами своего местоположения [6, 8].

Модель Хотелинга показывает причины сосредоточения фирм в центре товарных рынков на конкурентном рынке со свободным входом. В ее основе лежит предположение о том, что, чем ближе товар к покупателю (в пространственном смысле или с точки зрения соответствия его вкусам), тем большую полезность он получает при прочих равных условиях. Модель отражает влияние транспортных и постоянных издержек на размещение фирмы. Таким образом, число фирм, действующих на рынке с дифференцированным продуктом, прямо пропорционально транспортным расходам и обратно пропорционально величине постоянных издержек. Цена товара возрастает с ростом транспортных расходов и увеличением постоянных издержек.

Параметр транспортных затрат можно трактовать как информационные затраты на изучение местного рынка, затраты на налаживание связей, поиск “крыши” или взаимодействие с ней на локальном рынке, т.е. как транзакционные издержки поиска информации и защиты прав собственности. Модель кумулятивной причинности показывает выгодность увеличения числа фирм в регионе, так как одни фирмы привлекают другие, что обеспечивает рост занятости населения и увеличение доходов в казну. Таким образом, простая исходная модель горизонтальной дифференциации товара в теории отраслевых рынков показывает, что если фирмы свободны в выборе только одного параметра своего поведения -- либо местоположения, либо цены, -- то продавцы располагаются либо ближе друг к другу (минимальная степень продуктовой дифференциации), либо назначают одинаковые цены с учетом транспортных издержек. Если же фирмы могут варьировать и местоположением, и ценой, равновесное состояние означает максимальную удаленность продавцов друг от друга, которая является следствием стратегического эффекта -- цена, назначаемая одной фирмой, оказывает влияние на спрос другой фирмы.

Города отличаются от других административных территориальных образований тем, что в их рамках осуществляются самые разнообразные виды экономической деятельности. Технический прогресс и новые глобальные тенденции на мировом рынке ведут к еще более глубокой экономической реструктуризации городов. Эффекты локализации и урбанизации, которые были уже исследованы и описаны А. Лешем объясняют, почему города имеют тенденцию роста, почему города остаются потенциальными центрами экономических и социальных инноваций [1].

Решающим аргументом при выборе конкретного города в качестве экономического центра является возможность получения конкурентного преимущества. Города должны соответствовать требованиям мобильных предприятий в отношении территориальных аспектов, как в глобальном, так и в территориальном, для того, чтобы быть достаточно привлекательными [11]. Зачастую это ведет к тому, что новые требования к территории с точки зрения производства развивают новые экономические виды деятельности, а существовавшие до сих пор образцы экономической деятельности подвергаются изменениям в массовом порядке (см., напр., Б. Бегг, 1999; Кратке, 1995). При этом в первую очередь требуется создание условий, которые в настоящее время могут сделать город максимально конкурентоспособным и обеспечить предприятия наиболее благоприятными возможностями с точки зрения территории [4, 9].

Рынок рабочей силы и рынок жилья представляют собой центральные механизмы городского развития в структурной и территориальной перспективе, в своем взаимовлиянии они составляют основу для развития на локальном уровне (Маркузе, 1989). С течением времени модель их эффективного размещения меняется вследствие общих экономических и социальных тенденций. Технологическое развитие в целях улучшения коммуникации и качества продукции влияет на возрастание мобильности предприятий вторичного и третичного сектора при выборе месторасположения предприятия (Чешире, 1999).Интересным примером создания пространственной модели территории города в целях экономического анализа является модель, разработанная в Венском технологическом университете. В отчете Giffinger R., Kalasek R., Binger B. «Kleinrдumige Wirtschaftsentwicklung im dicht genutzten Stadtgebiet von Wien», (2004) описана методика и результаты исследования территориальных условий развития экономики Вены с использованием ГИС-технологий [7].

Решение комплексных проблем, связанных с различными сферами регионального и муниципального управления (экономика, демография, социальная сфера, жилищно-коммунальное хозяйство и прочее), требует создания ГИС общего назначения с возможностью быстрой настройки на решение, как частных, так и общих задач. Создание проблемно-ориентированных ГИС осуществляется на основе базовой путем построения классификатора и моделей объектов заданной предметной области, а также включения специализированных программных средств для решения прикладных задач.

В последнее время увеличилось количество разработок ГИС в интересах муниципалитетов в развивающихся странах, что связано с процессами реструктуризации урбанизированных территорий и задачами развития инфраструктуры. Примерами подобных решений могут быть модель DIGIS (District Geographic Information System) для муниципалитета Хошимин во Вьетнаме (2002-2003); ГИС-модель г. Бангалора (2002) и др. [12, 13].

Принципы пространственной компьютерной системы города в целях экономического развития. В связи со значительными изменениями в законодательстве, определяющими экономическую основу регионального управления, муниципалитетам предоставляются большие возможности и, одновременно, на них возлагается ответственность за управление землей и недвижимостью, обслуживание инфраструктуры, сохранение экологической среды и обеспечение безопасности населения. Это стимулирует разработку программного обеспечения в целях комплексного анализа территории города.

По мере усложнения городских экономических, инфраструктурных, инженерных, коммунальных и транспортных систем приходится все чаще сталкиваться с необходимостью принятия сложных решений на основе больших объемов разнотипной информации, в том числе географической. Сложность задачи определяется большим числом факторов, влияющих на решение, притом взаимодействие между этими факторами и внутренние взаимосвязи зачастую не могут быть четко определены.

Процесс принятия решений в территориальном планировании включает проблему двустороннего соответствия, которая эффективно решается только с применением пространственных компьютерных систем поддержки принятия решений (далее -- СППР). С одной стороны, имеются требования к объектам экономики, которые могут быть размещены на определенной территории. С другой, сами объекты (компании, предприятия) имеют потребности, которые должны быть обеспечены территорией. Очевидно, что необходимо совмещение этих потребностей и характеристик.

Таким образом, необходима разработка пространственной СППР, выполняющей следующий набор функций:-- ввод и централизованное хранение географической информации;-- визуализация;-- пространственный анализ данных;-- автоматизированное планирование;-- оценка эффективности принимаемых решений на основе моделирования.

Компьютерная пространственная модель города Urban Net Opportunities. Центром регионального развития, инноваций и управления Пермского государственного технического университета разработана компьютерная пространственная модель города, получившая название Urban Net Opportunities (далее -- UNO). В качестве теоретической основы UNO применена концепция «предпринимательского города», понимаемого как активный город, способный мобилизовать локальные, социальные, политические и экономические ресурсы в рамках гармоничной институциональной структуры для развития и поддержания четкой стратегии экономического развития. Модель UNO реализована на базе СУБД MySQL 5.01 с модулем пространственных расширений, который предоставляет удобный инструментарий для хранения и обработки геоинформационных данных.

Понятие пространственного анализа охватывает совокупность методов изучения объектов на основе их топологических, геометрических или географических свойств. Современный пространственный анализ основан на использовании статистического и геоинформационного программного обеспечения и включает следующие методы:-- анализ пространственной автокорреляции и регрессии;-- пространственная интерполяция данных;-- анализ пространственного взаимодействия;-- пространственное моделирование.

Пространственная компьютерная модель города должна обеспечивать возможность:

? исследования экономической и социальной структуры территории города;

? обоснования градостроительных решений;

? разработки городской экономической политики;

? комплексной диагностики и многомерного анализа территории города;

? вариантного планирования пространственного развития города.

Алгоритм исследования экономической и социальной структуры территории города представлен на структурно-логической схеме (рис.1).

Анализ территориальных особенностей экономической активности основан на сравнительном анализе коэффициентов локализации (в разрезе секторов экономики), коэффициентов плотности использования территории, а также разнообразия экономической деятельности. Расчеты перечисленных коэффициентов при сопоставлении с другой пространственной информацией, например, транспортной доступности, могут быть использованы:

? для определения территориальных условий пригодности территории для конкретного вида экономической деятельности;

? для обоснования специализации инвестиционной или общественно-деловой зоны;

? для оценки целесообразности размещения экономических объектов;

? кластерного анализа, специализированного зонирования в целях регулятивных воздействий.

Результаты расчетов визуализируются в виде аналитических картограмм. Пространственная компьютерная модель позволяет производить автоматизированные расчеты в целях обоснования градостроительных решений. Так, задача анализа обеспеченности объектами социальной инфраструктуры позволяет определить расчетные показатели реальной и перспективной обеспеченности жилой застройки территории города любыми объектами социальной инфраструктуры. Например, алгоритм решения задачи планирования размещения объектов образования позволяет определять расчетные показатели обеспеченности жилой застройки территории города объектами образования с учетом градостроительных и социальных особенностей районов города и перспективной нагрузки от строящегося и планируемого к строительству жилья. Причем в качестве рассматриваемых районов могут быть выбраны как зоны пешеходной доступности, так и школьные районы, сформированные по новым принципам с учетом данных о фактической наполняемости и транспортной доступности существующей сети школ.

Разработан также алгоритм расчета перспективной численности населения по районам города с учетом строительства нового жилья на свободных территориях и в кварталах реконструкции, а также перемещения жителей в процессе реконструкции. Расчет наполняемости сети объектов обслуживания на перспективу включает определение ожидаемого числа занятых мест в школах. Перспективная наполняемость сети социальных объектов района рассчитывается с учетом:-- существующей фактической наполняемости сети объектов района;-- соотношения перспективной и существующей численности населения и ожидаемого увеличения доли детских возрастов в структуре населения.

Результаты расчетов визуализируются в виде аналитических картограмм.

В целях вариантного планирования пространственного развития города в рамках модели UNO автоматизированы задачи оптимизации местоположения объекта. В результате решения может быть оптимизировано размещение различных объектов, как экономических, так и социальных. Особое внимание в данных задачах должно уделяться критериям и методам оптимизации, которые в каждом случае должны разрабатываться исходя из специфики задачи.

Разработан алгоритм расчета оптимального расположения пожарных участков на территории города, который позволяет рассчитывать оптимальное расположение сети пожарных участков, обеспечивающее максимальное количество обслуживаемого населения и прочих пожароопасных объектов, с учетом распределения плотности населения, расположения пожароопасных объектов, конфигурации дорожной сети и наличия уже существующих участков.

Результатом применения данной методики при заданных исходных данных о распределении плотности населения и конфигурации дорожной сети является:

? рассчитанная оптимальная конфигурация сети пожарных участков;

? численная оценка оптимальности заданных вариантов размещения сети пожарных участков.

Критерием оптимальности расположения сети пожарных участков является совокупное число жителей и пожароопасных объектов (с учетом весового коэффициента), находящихся в пределах суммарной зоны обслуживания сети пожарных участков. Указанная величина вычисляется на основе исходных данных о распределении плотности населения и расположении пожароопасных объектов. Для каждого пожароопасного объекта экспертно задается весовой коэффициент, характеризующий значимость данного объекта.

Расчет включает следующие этапы:

1. Построение суммарной зоны обслуживания сети пожарных участков

2. Нахождение множества жилых строений и пожароопасных объектов, находящихся в пределах суммарной зоны обслуживания

3. Расчет показателя оптимальности по формуле

Kopt = ?Pi + ?Wiгде

Pi -- количество жителей i-го жилого строения,

Wi -- весовой коэффициент i-го пожароопасного объекта.

Относительно всех жилых и пожароопасных объектов определяется, находится ли данный объект в пределах суммарной зоны обслуживания или за пределами. Затем проводится поиск оптимального расположения дополнительных пожарных участков на множестве допустимых точек размещения участков. Для поиска наиболее оптимального расположения сети пожарных участков следует использовать метод перебора всех возможных вариантов размещения. В случае больших объемов исходных данных следует применять более экономный, но менее точный метод Монте-Карло.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РГНФ-регион (грант № 10-02-82203 а/У).

компьютерный город инфраструктура инновационный

Литература

1. Леш А. Географическое размещение хозяйства. -- М.: Изд-во иностр. литературы, 1959. -- 455 с.

2. Тюнен И.Г. Изолированное государство. -- М., 1926.

3. Штамер Й. Что такое мезоэкономический уровень? Системная конкурентоспособность: аналитический растр, средство сравнительного анализа и сфера действия. -- Северный Рейн -- Вестфалия, 2001.

4. Begg I. Cities and Competitiveness // Urban Studies, vol. 36, 1999. -- рр. 795-810.

5. Cheshire P. Cities in competition: articulating the gains from integration // Urban Studies, vol. 36, 1999. -- рр. 843-864.

6. Gabszewiccz J., Thisse J. On the Nature of Competition with Differentiated Products // Econ. J., № 96, 1986. -- pp. 160-172.

7. Giffinger R., Kalasek R., Binger B. Kleinrдumige Wirtschaftsentwicklung im dicht genutzten Stadtgebiet von Wien. -- Stadtenwicklung Wien, 2004. -- 78 рp.

8. Hoteling H. Stability in competition // Econ J. 1929, № 39. -- pp.41-57.

9. Krдtke S. Stadt -- Raum -- Цkonomie: Einfьhrung in aktuelle Problemfelder der Stadtцkonomie und Wirtschaftsgeographie. -- Basel: Birkhдuser, 1995.

10. Marcuse P. Gentrification, homelessness and the work process: housing markets and labour markets in the quartered city. -- Housing Studies, 4, 1989. -- pp. 211-220.

11. Parkinson M. The rise of the European entrepreneurial city. -- Financing of cities and regions: subsidiarity and finance potentials. East-West Conference, Munich, October 1996. -- pp.125-136.

12. Raiborde V. Metropolitan Spatial Data Infrastructure Empowering Government Authorities Through Modern Spatial Tools and Techniques // GIS Development: The Geospatial Resource Portal

13. Tran Vinh Tr., Tran Vinh Ph. To apply the GIS for Land-Use and Housing Management in a District of Hochiminh City // GIS Development: The Geospatial Resource Portal

Размещено на Allbest.ru