【智慧浮动城市 - 博士论文】《智慧城市概念中的多目标优化：智慧浮动城市(SFC)》

摘要

在 "智慧城市"和 "浮动城市"这两个概念出现之前，世界上的人类人口已经大幅增加，人类已经关注到土地短缺问题。因此，智慧城市的概念作为研究者的原创成果，已经被进入到了学者时代。此后，"浮动城市 "的概念被少数研究者用到文献中，以便为应对海平面上升做准备。相反，在科学家和设计师中，建设一个智慧城市被认为是一个复杂的布局规划，因此可以利用多目标进化优化来解决这个复杂的设计问题，满足居民的要求。由于这些陈述，各种进化算法，如自适应差分进化（jDE）、自适应连续遗传算法与差分进化（JcGA-DE）、非支配排序遗传算法（NSGAII）和和谐搜索（MOHS）算法的结果被比较，在三个不同的案例研究中优化目标。在初步案例研究中，智能浮动城市问题中的目标函数，即 "视觉舒适性 "和 "可及性"之间的函数，试图被优化。在接下来的第二个设计问题中，旅行距离试图被最小化，而成本效率被最大化。在最后一个案例研究中，自然光的最大化和总能源消耗的最小化是智能建筑的目标。最后，通过不同算法的帕累托前沿图对设计问题的后果进行了关联和讨论。

1. 引言

正如世界范围内的预测报告（Gavalas等，2017）所指出的那样，城市的规模在不断扩大；因此，由于医疗、教育、环境和交通等资源和服务的限制，城市地区的每一天的生活将进一步发人深省。为了保护城市化地区的这些服务，应该注重原创性的数据库管理方法。智慧城市作为一个术语，通过在地区本身的每个部分和层之间进行功能性数据管理，被复制为移动计算系统的实施（Gavalas等人，2017）。此外，城市还进一步集中于更智能的尝试，目的是管理物联网等数据网络。这样的数据管理单元为各种操作和建立提供了细化，这些操作和建立包括交通运行、环境管理、生活质量和城市基础设施（Ismagilova等人，2019）。

市民越来越了解物联网，这是一个由数字传感器、智能小工具和智能家用电器组成的日益增长的网络，及时关注这些技术中的任何一项都可能丰富人们的生活质量。例如，在不久的将来，现在正在开发的长效电池将能够进行大量的工作，并能够利用日光、温度或运动进行自我充电（Gavalas等人，2017）。这是一个完美的例子，说明了解决方案，现在正在为智慧城市开发。此外，每个城市的智慧城市目标和主要实施方案都是独特的，这些智能小工具和系统将在未来继续被采用。

鉴于大都市的人口不断增长，很难提供足够的服务和环境需求；因此，物联网技术被认为是建立一个运作良好的智慧城市的有前途的选择（Jin等人，2014）。尽管设计物联网架构是一项艰巨的任务，但这种信息管理技术确实已经在智慧城市中被广泛使用，主要是在研究人员的研究中。在这个平台上，必须使用广泛的小工具、网络层解决方案和应用程序（Zanella等人，2014）。此外，这些解决方案应该能够适应各种智能地点（Venkatesh等人，2018年）；浮动城市非常普遍，从漂浮在水上的城市和岛屿到漂浮在星球大气中的城市，似乎是这些栖息地之一，智慧城市可以作为地球上的某种智慧环境。

物联网技术的最新进展将鼓励学术界和专业人士创造新的应用领域和物联网应用（Mohammadi等人，2018），因此这些现代数字物联网系统应该能够满足地球上所有居民的要求。在传输和收集物联网倡议内的信息时，还必须考虑基本社会，以支持整个全球的智慧城市理念的意识。因此，该系统可能具有驱动、连接、处理以及检测能力（Li等人，2018）。监测物联网设备，以及收集、归档和分享可用的传感器数据，是智慧城市研究和发展的基本目标（Pflanzner等人，2018）。在最近的文献中，有几篇论文涉及各种智慧城市的核心问题，比如这篇关于智慧城市监控的论文（Montori等人，2018），还有一些关于智慧城市中人们生活水平的精彩研究，集中在四个主要城市概念上：气象、生态系统、公共交通和行人流动（Santos等人，2018）。有关智慧城市的另一项重要工作集中在语义网背景下的数据收集和质量评估（Kolozali等人，2019），（An等人，2019）。

尽管智慧城市对大都市来说是一个有效的概念，但其他生活场所也必须进行调查，智慧城市的概念必须被传送到这些替代的生活场所。古往今来，城市规划师、建筑师以及学者们确实一直在寻找其他的生活场所。由于海平面上升、环境灾难和破坏性的人类活动，浮动的社区或定居点已被认为是人们寻找替代家园的新机会。这样的替代生态系统，即浮动城市，有许多潜在的好处，包括提供一个环境宜人的环境，在海平面上方便快捷的建设，随时可拆卸和扩展的建筑单元，抗构造冲击，以及具有成本效益的选择。此外，智能城市的概念和方法可能被视为浮动社区或城市区域概念的一部分。作为研究结果，我提出了一个新颖的方法，名为 "智能浮动城市（SFC）"，它将智能城市的概念也与浮动城市的创建相结合。因为智能城市技术是作为解决世界上有限的环境资源和人类需求的新方案而开发的，它们必须与漂浮城市的概念联系起来，随着海平面的上升，漂浮城市正成为需要。此外，由于全球变暖，海平面上升是地球上非常具有破坏性的自然灾难，"智能浮动城市（SFC）"的概念必须被视为防止海平面上升和生态系统服务受限的重要保障。

本论文的下一节将逐一讨论这些目标。第3部分解释了整个研究的建议框架是如何建立的。第4节描述了技术现状，并进行了探讨。一些智慧城市的概念在不同的类别下被研究。第5节讨论了未来智慧浮动城市设计问题的问题陈述，其中包括设计参数、健身函数和约束条件。第6节单独讨论了四种多目标进化算法jDE、JcGA-DE、NSGAII和MOHS，因为它们都被应用于三个独立的优化问题。第7节给出了三个独立案例研究的结果并进行了对比。在第8节中，描述了论文目标的完成情况，包括研究结果和未来预期。在最后一节中提出了结束语。

2. 学位论文的目标

研究目标和子目标总结为以下几点：

• 本博士论文的主要目标是通过将多性能标准纳入设计过程，为智慧浮动城市创建一个计算理论模型。

• 本论文的第一个子目标是通过结合智慧城市和浮动城市这两个流行概念，提出一个新的概念，即智慧浮动城市。

• 本论文的第二个子目标是利用优化技术、模拟方法和计算任务，在三个不同的案例研究中开发智慧浮动城市设计。

此外，我还提出了当前在先前研究中的进展，以及在未来关于其他智慧城市概念的研究中使用先前方法的可能性。通过从科学网中找出许多重要的智慧城市主题，目前的文献提出了许多具有不同方法的研究。本论文研究了几个智慧城市的核心主题，以理解它们之间的主要联系，并提供了应用实例。我确实使用了 "智慧城市 "和 "概念 "这两个术语在Web of Science中做了全面调查。