（地图学与地理信息系统专业论文）邻避型设施区位分析系统的建立与应用.pdf

摘要 设施区位问题是在一定的优化目标下寻求一个或多个设施的最佳位置的问题，该问题的 研究涉及到许多方面，如运筹学、管理科学、产业工程学、地理学、经济学、计算机科学、 数学、营销、电力工程、城市规划等领域。随着城市人居环境建设的生态转型以及国际城市 人居环境生态学的研究动向，基于环境规划中的污染防治规划设施选址问题的可计算化及现 实应用倍受关注。邻避型设施区位的研究( n o ti nm yb a c k y a r d ) 成为这一规划选址问题得 到解决的突破口，用科学合理的方法为最终决策提供有效的参考依据。 在本次对邻避型设施区位几种模型的研究讨论中，需求对设施的选择是根据一系列目标 函数来确定的，针对不同的实际问题，建立不同的目标函数并确定其约束条件。由此，根据 其目标函数中各条件变量的确定和不确定，将邻避型设施区位问题分为邻避静态型和邻避动 态性两大类，分别进行讨论。 第一类模型：邻避静态型。根据可行区域的约束条件的不同，区分为上限型、下限型， 并衍生双限型三类进行讨论： 一 邻避上限型，该问题又被称之为最小最大问题，设施点到固定点的最小加权距 离必须最大化，即给定每个固定点必须在设施点的服务范围之内实现距离和的 最大化。 -邻避下限型，该问题又被称之为最大最小问题，设施点和需求点之间的距离必 须大于某一特定值。即约束条件增加下界限制以控制设施点必须在需求点所不 能容忍的最小距离之外，在这个前提下最小化设施点和需求点之间的加权距离 和的最大值； - 邻避双限型，该模型是在以上两个模型的研究基础上衍生而来的，其约束条件 为上、下界共同限制，规避了上限型出于全局考虑而可能给个别需求点带来的 风险过高及下限型出于局部考虑而可能带来的总成本过高的可能，对模型进行 了优化。 第二类模型：邻避动态型。对于邻避动态型设施区位问题，由于使用者的角色不同而导 致所关注的目标有所区别。在求解计算的过程中，考虑这种关注度的差别而对目标函数和约 束条件进行调整，以满足不同用户的需求，各个条件变量相互影响。动态的完成整体优化。 此类模型在计算过程中考虑四个问题：( 1 ) 运作成本的最小化；( 2 ) 意识到的风险最小化； ( 3 ) 各个人口中心风险分布公平；( 4 ) 由污染物处理点所带来的不利因素的分配公平。为 了对该模型进行完整的讨论，故展开了对运送路线所带来的费用影响和运送过程中对沿线需 求点所造成的邻避效应的相关讨论。 在对邻避型设施区位的模型讨论的同时，运用可视化开发工具d e l p h i7 0 作为开发平台， 并且使用基于a c t i v e x 的地理信息系统二次开发控件m a p o b j e c t s 作为地图数据的处理工具， 建立邻避型设施区位分析系统，实现各个模型的可计算实现及各种地理分析功能。随之应用 于上海市十一五发展规划项目一新桥镇社会事业发展规划的社会事业相关设施的选址定位 中，利用该系统，对变电站、消防站、加油站、垃圾站进行布局，考虑各个设施的性质和功 能的差别，提供有效的、可行的区位选址方案。 关键词：设施区位多目标规划邻避型高性能计算地理计算 a b s t r a c t f a c i l i t yl o c a t i o np r o b l e mi st h eo n et os e e kf o rt h eo p t i m a ll o c a t i o no f o n eo rm u l t i p l ef a c i l i t y u n d e rc e r t a i no p t i m i z a t i o nt a r g e t w h i c hr e l a t e dt om a n yaf i l e ds u c ha st h eo p e r a t i o n a lr e s e a r c h , m a n a g e m e n ts c i e n c e ，i n d u s t r i a le n g i n e e r i n g , g e o g r a p h y , e c o n o m i c s , c o m p u t e rs c i e n c e ， m a t h e m a t i c s ，m a r k e t i n g e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ，c i t yp l a u n i l l ge t e w i t ht h ee c o l o g y r e f o r m i n go ft h ed w e l l i n ge n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o ni nu r b a n i z a t i o na n dt h er e s e a r c hn 它n do f i n t e r n a t i o n a lu r b a ne n v i r o n m e n t & u r b a ne c o l o g y , t h ec a l c u l a b i l i t ya n da p p l i c a t i o no ft h e f a c i l i t yl o c a t i o np r o b l e mb a s e do n t h ep o l l u t i o na n dc o n t r o l l i n g0 1 1t h ee n v i r o n m e n tp l a ni sg e t t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h es t u d ya n dr e s e a r c ho fn i m b yb e c o m e st h eb r e a k t h r o u g hi nt h e s o l u t i o nt ot h i sp l a na n dl o c a t i o np r o b l e m , w h i c hp r o v i d e se f f e c t i v er e f e r e n c ef o rt h ef m a ld e c i s i o n w i t hs c i e n t i f i ca n dr e a s o n e da p p r o a c h i nt h i ss t u d ya n dd i s c u s s i o no fs e v e r a lm o d e l so fn i m b y f a c i l i t yl o c a t i o n , t h es e l e c t i o no f d e m a n do nf a c i l i t yi sd e t e r m i n e db yas e r i e so fm r g e tf u n c t i o n s a c c o r d i n gt ov a r i a b l e a c t u a l p r o b l e m s ，t h ed i f f e r e n tt a r g e tf u n c t i o n sa r et ob es e tu pu n d e rd e f i n e dc o n d i t i o n s a c c o r d i n g l y , i n a c c o r d a n c ew i t ht h ec e r t a i n t yo ru n c e r t a i n t yo ft h ev a r i a b l e si ni t st a r g e tf u n c t i o n s ，t h ep r o b l e m o f n i m b yi sd i v i d e dt w og e n e r a lt y p e s ：n i m b y _ s t a t i ct y p ea n dn i m b y _ d y n a m i ct y p e ，w h i c h w i l lb ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l ya sb e l o w ： t h ef h s tt y p eo f m o d e l ：n i m b y _ s t a t i ct y p e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c ei nt h ec o n d i t i o n so f t h ef e a s i b l er e g i o n ，w es p l i tt h i st y p eo f m o d e li n t ot h r e ec a t e g o r i e st od i s c u s sr e s p e c t i v e l y , n a m e l y , n i m b yu p p e rl i m i t i n g ，n i m b 二如w e rl i m i t i n ga n dn i m b y _ d o u b l el i m i t i n g n i m b y _ u p p e rl i m i t i n g , w h i c hi sa l s oc a l l e d 嬲t h ep r o b l e mo fm i n i m a xi nw h i c h t h em i n i m u mw e i g h t e dd i s t a n c ef r o mf a c i l i t yp o i n tt od e m a n dp o i l l tm u s tb e m a x i m i z e d , t h a ti st os a y , g i v e nad e m a n dp o i m ，t h em a x i m u mo ft h es l i m o f d i s t a n c ew i t h i nt h es e r v i c es c o p eo f t h ef a c i l i t yl o c a t i o nm u s tb er e a l i z e d 一 1 , a l v m v j o w e rl i m i t i n g , w h i c hi sa l s oc a l l e da st h ep r o b l e mo f m a x m i ni nw h i c ht h e d i s t a n c eb e t w e e nf a c i l i t yp o i n ta n dd e m a n dp o i n tm u s tb el a r g e rt h a nas p e c i f i cv a l u e a n dt h em a x i m u mv a l u eo f t h ew e i g h t e dd i s t a n c ei sm i n i m i z e d ，t h a ti st os a y , t ow o r k o u tt h es o l u t i o no ft h et a r g e tf u n c t i o n se q u a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o n st h a tt h el o w e r v b o u n d a r yi sa d d e di nt h er e s t r i c t i v ec o n d i t i o n s _ n i m b y _ d o u b l el i m i t i n g , t h er e s t r i c t i v ec o n d i t i o n si st h ej o i n tr e s t r i c t i o no fu p p e r b o u n d a r ya n dl o w e rb o u n d a r y t h el o c a t i o no ft h ef a c i l i t yi sf l e x i b l ei nt h ef e a s i b l e r e g i o i la n di te m p h a s i z e sm o r eo nt h er e a l i z a b l i l i t yo ft h ef a c i l i t yl o c u t i o nt op r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ed e c i s i o nm a k e r s t h es e c o n dt y p eo fm o d e l ：n i m b yd y n a m i ct y p e a st ot h ep r o b l e mo fd y n a m i cf a c i l i t y l o c u t i o n , t h ec o n c e r n e dt a r g e ti sd i f f e r e n td u et ot h ed i f f e r e n tr o l eo ft h eu s e ti nt h ep r o c e s so f c a l c u l a t i o nf o rs o l u t i o nt ot h ee q u a t i o n , t h ed i f f e r e n c ei nt h ea t t e n t i o ni sc o n s i d e r e da n dt h et a r g e t f u n c t i o n sa n dr e s t r i c t i v ec o n d i t i o n sa r ec o n s e q u e n t l ya d j u s t e dt om e e tt h ed e m a n d so fd i f f e r e n t a s e $ t h ev a r i a b l e so ft h ec o n d i t i o n si n f l u e n c em u t u a l l yt od y n a m i c a l l yr e a c ht h ei n t e g r a t e d o p t i m i z a t i o n i nt h ep r o c e s so f c a l c u l a t i o n , t h e r ea r ef o u rf a c t o r sc o n s i d e r e df o rt h i st y p eo f m o d e l ， t | i e ya r e ，( 1 ) t h em l n i m m no ft h eo p e r a t i n gc o s t ，( 2 ) t h em i n i m u mo ft h er i s k sr e a l i z e d , ( 3 ) e q u i t a b l er i s k sd i s t r i b u t i o no f e a c hp o p u l a t i o nc e n t e r ，( 4 ) e q u i t a b l ed i s t r i b u t i o no fu n f a v o r a b l e f a c t o r sb r o u g h tb yt h ec o n t a m i n a t i o nd i s p o s a lu n i t i no r d e rt oh a v eac o m p l e t ed i s c u s s i o no f t h i s m o d e l ，t h ee x p e n s e se f f e c tb r o u g h tb yt h ec o n s i g n m e n tr o u t ee n dt h ee f f e c to fn i m b yt ot h e d e m a n d p o i n t a l o n g t h e l i n ec a u s e d i n t h e p r o c e s s o f c o n s i g n m e n t a r e d i s c u s s e d w h i l ed i s c u s s i n gt h em o d e lo f n i m b yf a c i l i t yl o c a t i o n , t h ea n a l y s i ss y s t e mo f n i m b yi ss e t u pt or e a l i z et h ec a l c u l a t i n gr e a l i a b i l i t ya n dv a r i o u sg e o g r a p h i c a la n a l y z i n gf u n c t i o n so fe a c h m o d e lb yu s i n gt h ev i s u a ld e v e l o p m e n tk i td e l p h i7 0a s t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n du s i n g s p e c i a l i z e dg i sw i d g e tm a p o b j e c t sb a s e do nt h eo c xt e c h n o l o g y , e s t a b l i s h e st h ea n a l y z i n g s y s t e mo ft h en i m b yf a c i l i t yl o c u t i o n , t h ea n a l y s i ss y s t e mi su s e dt os o l v et h el o c a t i o np r o b l e m o ff a c i l i t yc o r r e s p o n d i n gt ot h ee x a m p l e so ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , f i r e h o u s ea n dg a ss t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n sa n df e a t u r e so f t h e s e f a c i l i t i e s k e y w o r d ：f a c i l i t yl o c a t i o nm u l t i o b j e c t i v ep r o g r a m m i n g n i m b y h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o ng e o c o m p u t a t i o n 前言 如何合理的对设施进行布局一直以来都是城市规划中的热点问题，随着城市人居环境建 设的生态转型以及国际城市人居环境生态学的研究动向，基于环境规划中的污染防治规划设 施选址问题，倍受关注。由此，邻避型设施区位问题成为人们关注的目标。 设施区位是在对特定目标函数进行优化的情况下确定一个或多个设施位置的问题。该问 题具有广泛的运用意义，同时，又是涉及到多个学科领域如数学、运筹学、经济学、地理学、 产业工程、营销、电力工程、城市规划、计算机科学等等，在具体问题的构建上需要很强的 综合建模能力。其核心是空间优化问题，涉及到的空间约束一般是非常庞杂的，因此求解此 类问题的低运算级的有效算法也在不断地探索之中。此次研究中所讨论的邻避型设施区位问 题旨在解决那些为用户提供便利或服务的同时带给临近居民一些不利因素的设施选址问题， 这些不利因素的引发可以是环境方面的、生理方面的，更或者是心理方面的影响或伤害。如 机场所带来的噪音污染，垃圾处理厂所带来的环境污染，加油站所带来的安全威胁等等。 近年来，随着设施区位问题研究的不断深入，邻避型设施区位在模型和算法方面都取得 了一定的成就。相关的建模和求解不断和计算机技术相互结合，原因有二：其一，该问题的 求解涉及海量计算；其二，区位的选择需要大量空间数据的支持。散将有效的空间优化算法 和g i s 相结合，是设施区位研究发展的必然趋势。这种趋势对于发展g i s 的空间分析功能 是非常重要，g i s 打破信息系统的局限，不断与地理学、空间经济学等学科相互影响，朝 g i s c i e n c e 的方向发展。 由于国内关于邻避型设施区位的研究尚未真正展开，相关的信息只能依靠参阅外文文 献。这使得问题研究的难度在其复杂性之外又有所提高。据资料显示，国外关于邻避型设施 区位的研究可以追溯到1 8 7 0 年，在相关的文献中也可以见到一些实际运用且较为成功的例 子。但在国内，这一领域的研究少之又少，尽管，此类设施区位问题是被关注的，有些设施 所带来的邻避效应而引发的民众不满，甚至阻挠设施的修建或运转等问题也逐渐凸显，规划 部门希望找寻一种科学的依据来辅助决策，但是实践中的真正应用还有待于设施区位问题的 相关研究的不断发展，理论和模型的不断成熟。 作为g i s 专业的硕士研究生，能够选择设施区位这一议题，为加强国内邻避型设施区 位研究做出努力。对其相关模型和算法做以讨论，开发邻避型设施区位分析系统并应用在上 海十一五规划项目中而倍感骄傲。与此同时，也希望能够引起国内各界学者的兴趣，共同致 力于设施区位问题的研究与发展。 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：盎翘 日期：2 丝z 笸： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：徘颥 日期：面筮 导师签名： 网 i j 日期：丝灶 邻避型设施区位分析系统的建立与应用第一章引论 1 1 设施区位概述 第一章引论 区域经济很早就被经济学家所关注，经济学家在关注区域经济学时首先关注的是企业 如何进行选址，于是产生了许多区位理论。人们尝试用一种合理的、科学的方法，寻找企业、 产业、设施等在空间经济格局中的最佳位置。经过多年的发展，区位理论已经成为城市研究 的基础，对于区位理论的研究是重要且具实际有意义的。 1 1 1 经典区位理论 区位是地理学的重要概念。所谓区位就是指企业、产业、设施等在空间经济格局中的 位置。区位论的理论研究开始于1 8 2 6 年杜能提出农业区位论，以后逐渐形成了工业区位论 等一系列的区位理论。区位论的研究旨在为农业、工业和商业等经济活动选择最佳地点。目 前发展比较完善的区位论主要有：杜能区位( 农业区位论) 、韦伯区位( 工业区位论) 和帕 兰德区位。 杜能区位论：杜能( t h u n e n ，1 8 2 6 ) 把从引起土地利用和农业生产类型的地域差异的 许多自然因素( 土壤、地形、气侯、水文、土地肥沃程度、耕作条件等) 和社会经济因素( 人 口密度、居民劳动素养、经济文化水平、交通等) 种种因素统统假定为到处一样的常数，孤 立国中唯一的城市位于中央，它与周围农业地带组成一个孤立的地区。杜能发现，不同地区 到市场的运输费用决定了该地区农产品的收益，由此他认为运输距离决定了农业耕种空间形 态，并且表现为6 个同心圆状的农业圈。杜能区位论认为地域是封闭的并且是连续的或是 局部连续的，区域内只有点市场、资源分布在整个空间，资源开发者承担运费和损失，他们 是自由竞争并且力图获得最大利润。 韦伯区位论：韦伯( w e b e r ，1 9 0 9 ) 指出一个区域对于工业的吸引力不仅受运费影响， 还受到劳动力费用和集聚因素的影响。集聚一方面表现为企业生产规模的扩大而带来的单位 产品生产成本下降和利润增加；另一方面又表现为那些在生产或分配上有着密切联系或在分 邻避型设施区位分析系统的建立与应用第一章引论 布上指向性相同的企业按一定比例规模集中分布在特定优势的区位上会产生比分散布局更 大的效益。韦伯区位论突破了杜能区位的局限，他认为地域是连通的。市场与资源供应的是 离散的，生产者承担资源和产品的运费和损失，并且试图获得最大利益。韦伯区位论无论在 理论贡献和方法贡献都是巨大的，抽取几个方面的成就简述如下： 1 ) 韦伯为了研究作了一系列假设前提，使孤立研究方法系统化； 2 ) 从区位图解方法建立运输指向的基本网络； 3 )劳动力指向及其对运输指向基础产生偏差； 4 ) 韦伯对集聚因素及其对运输指向基础的偏离影响的研究； 5 )上述讨论都是假定一个孤立的生产过程不可分离的情况下进行的，实际上生产过 程大多是可分离为许多部分，每一个部分都有特定的区位。在这种情况下，韦伯 提出生产过程何时发生分离以及各生产阶段的区位确定方法。 帕兰德区位：随着经济的高速发展，市场空间形态和功能在区域内的作用越来越重要。 区位研究者们发现最小生产成本并不能最终确定企业的最优区位。成本最低也不意味着利润 最大化，为此他们创立了以利润最大化为原则、以市场为中心的区位理论。帕兰德( p a l a n d e r ， 1 9 3 5 ) 在这样一个研究大环境，将市场竞争的概念引入区位研究，认为空间均为市场，设定 设施以点的形式出现在一个连续的市场空间，研究设施点如何在竞争中分割市场，控制一个 市场域使自己的利润最大。 1 9 6 0 年代以来，现代区位论更强调行为因素的作用。区位的选择必然受到决策者的志 向、能力、知识、现实观察力及对信息收集分析与评价所付出的精力的影响。区位决策者的 思想行为及价值观念，往往成为区位的决定因素。决策者所满意的区位不一定是成本最低或 利润最高的区位，而是综合优势最显著的区位。现代区位论在研究对象上，也从个别企业区 位扩展到区位体系，认为工业、农业、城市区位都不是孤立的，而是相互联系的，每一种区 位的选定，都必然引起连锁反应，从而影响经济的空间结构。从1 9 7 0 年代起，现代区位论 又开始向动态化迈进。 1 1 2 设施区位理论 设施区位理论是区位理论的一个发展。设施区位是在对特定目标函数进行优化的情况下 确定一个或多个设施位置的问题( b e r m a n ，1 9 9 5 ) 。该问题从具体设施的角度出发，考量其 所在位置的优劣，属小尺度区位范畴。广义的设施区位问题可以为任意需要选址问题，具有 2 邻避型设施区位分析系统的建立与应用第一章引论 广泛的应用空间，需要针对不同的领域和实际问题设计不同的模型。这些模型，虽然都属于 规划模型，可以用运筹学中的方法，比如线性规划、非线性规划、整数规划等求解，但根据 不同的问题，模型的构建上还是存在一定的差异，形成了许多不同类型的设施区位模型：有 连续性和离散性模型；有单设施和多设施模型；有无限能力设施模型和有限能力设施模型； 有竞争性和非竞争性模型；也有邻避型模型和非邻避型模型。 广义韦伯问题( g e n e r a l i z e dw e b e rp r o b l e m ) 最早的设施区位问题，是韦伯于1 9 0 9 年提出的。韦伯在已知若干顾客的情况下，确定 一个仓库的位置，以使总距离最小的问题( o w e n ，1 9 9 8 ) 。韦伯区位问题中，地域是处处连 通的，资源和市场都呈点状分布或者离散分布的，资源和产品都是可以移动的，资源具有可 替代性，生产者承担资源和产品的运费和损失，力图获得最大利益，所以他们所考虑的是如 何选择企业位置，使资源和产品的运费最少。后来，随着韦伯问题由狭义走向广义，对于韦 伯区位问题有了新的描述。广义的韦伯区位问题，是指在一个欧几里德空间上，在已知所有 目标需求点的位置的情况下，确定若干服务源点的区位的问题( t e i t z ，1 9 6 8 ) 。因此，在给 定的网络上向已知目标需求点提供服务的设施区位也是韦伯问题，由于分布在网络上，因此 是离散型设施区位问题。广义的韦伯问题主要分为三种类型：重心问题、中心问题和覆盖问 题。其中，对于重心问题和中心问题，由于其基本的求解方法是先确定设施的初始区位，然 后就近把需求点分配给每个设施，重复“区位一分配”的过程直到获得最优解，因此这类问 题又被称为“区位一分配”问题。 h a k i m i ( 1 9 6 4 ) 首先开始了对于重心问题的研究，由于在他所讨论的是p 个设施的区 位，因此后来此类问题统称为p 重心( p - m e d i a n ) 问题( h a k i m i ，1 9 6 5 ) ，即：给定一个具 有k 个需求点的集合i ，每个需求点对某一项服务的需求强度为 k ；给定另一个具有n 个节 点的集合j ，集合j 和i 不一定相同，作为p 个设施的可能区位；要求在集合j 中选择p 个 节点，作为设施的位置，使得所有需求点到其距离最近的设施的加权距离总和最小。显然， 求出来的最优区位是相对于需求点的p 个广义重心。 中心问题与重心问题相似，不同的是求需求点与最近的设施的最大距离最小化的问题。 中心问题的一个重要应用，是确定应急设施的位置，如消防局等紧急救护设施的选址定位， 旨在最短时间内到达目的地。对于p 中心问题的研究，主要集中在网络上和连续平面上的 中心问题( s u z u k i ，1 9 9 6 ) 及球面上的p 中心问题( j a e g e r ，1 9 9 7 ) ，球面p 中心问题在布局 诸如卫星或全球性的设施上具有实际意义。 3 邻避型设施区位分析系统的建立与应用第一章引论 除了只重心和只中心问题之外，构成设施区位问题的另一重要问题是覆盖问题( o w e n ， 1 9 9 8 ) ，其求解内容为：在给定的最大时间或最大距离限制内，最少需要多少设施才可以覆 盖整个需求空间? 目标函数为设施建设费用或设施数最少。 周嵬，王铮( 2 0 0 4 ) 对韦伯型设施区位做了较为完整的研究和讨论。他们从地理计算 角度出发，提出韦伯型设施区位的分类体系，共有四大类，分别是1 自由选址问题：空间无 阻尼；2 自由选址：空间有阻尼问题；3 布局模型：福利问题：4 布局模型：覆盖问题。 竞争性设施区位( c o m p e t i t i v ef a c i l n yl o c a t i o n ) 在以上的广义韦伯问题的讨论中，无论是连续型的韦伯问题，还是p 重心，p 中心问 题，在考虑其实施的服务时，都是非竞争性的。在需求点已知，设施数量给定的前提下，求 解的工作只是分割服务的范围，适合于卫生院、警务站等设施选址问题。反映在目标函数上 的，是需求点的福利最大问题。然而在现实中，还存在另一类问题，属于相互竞争性的。比 如在城市中已有若干超市，则新的超市的进入必须面临其它超市的竞争，如何选择最佳的区 位是一个普遍受到关注的问题。该类问题称为竞争性设施区位问题，其目标函数的最大特征， 是设施的某种占有最大化。 最早的对于空间竞争性的分析，考虑一维空间的两个同质竞争企业的行为( h o t e l l i n g ， 1 9 2 9 ) 。与前面提到过的设施区位分析的不同在于竞争性设施区位研究的是在空间已经存在 有一定数量的设施的情况下，新进入市场的同类设施的选址问题。一般认为，其最佳的区位 是捕获的市场份额最大的区位( d r e z n e r ，1 9 9 5 ) 。设二维平面中有消费者强度分布：厂( “，v ) ， 并有k 个已知位置( u j , v j ) 的设施，每个设施的吸引力为s j 。则位于某待定位置( 珊，) 的新 设施，对于( 轧v ) 处的需求，可获得的需求份额为： 相应的，目标函数为： m a x - - - ) t m s ( x , y ) = 肛( x ，y g u , v ) f ( u , v ) a u d v ( 1 1 2 ) a 相对于市场份额的最大化。利润最大化的竞争性设施区位问题更加具有现实意义，与此 同时考虑其他设施的市场份额受到影响。 陈建国( 2 0 0 5 ) 对竞争性设施区位中的新增设施问题展开研究。在一定的市场范围内， 4 邻避型设施区位分析系统的建立与应用第一章引论 已经存在一定数量的竞争性设施( 设施所提供的服务的性质相似或相同) ，新增设施与已经 存在的设施之间存在着对客户的竞争关系，应用新增设施区位模型分析如何选取新增设施的 位置，使得它们能够最大可能的吸引客户。 多目标与多准则施区位问题 许多设施可能目标比较单一，但是在选择区位时，除了考虑需求点、用户的分布外， 还必须考虑多种约束条件。如在城市中布局商业设施，则必须考虑城市的功能区划分等城市 规划约束，为了取得利润最大化，也可能需要考虑地价等成本因素。这种考虑多种类型约束 的问题构成了多准则的设施区位问题，其选择遵循多准则，是在多准则决策制定( m c d m ， m u l t i p l ec r i t e r i ad e c i s i o n - m a k i n g ) 问题的框架下进行( s t e u e r ，1 9 8 6 ) 。 多准则问题将许多其它约束加到了模型当中，有些条件可以有效的缩小设施的选址空 间，从而降低问题的规模。由于设施区位问题的许多准则是与空间有关的，运用g i s 来与设 施区位模型相结合的方法来进行选址，成为一种非常可行的方案，出现了相应的决策支持系 统( b e n d e r ，2 0 0 2 ) 。 1 1 3 邻避型设施区位理论 随着城市人居环境建设的生态转型以及国际城市人居环境生态学的研究动向，基于环境 规划中的污染防治规划设施选址问题的可计算化及现实应用倍受关注，于众多领域如运筹 学、管理科学、经济学、城市规划等，成为学术界研究的新兴亮点。在这类问题中，人们所 关注的目标是邻避型设施区位问题( n o t i n m y b a c k y a r d ，简称n i m b y ) ，即很多设施为用 户提供便利或服务的同时给临近的人们带来一些不利的因素( s a a m e n o ，2 0 0 6 ) 。邻避型设 施之所以会带来邻避效应遭遇到所在区域居民的抗拒，主因是其所产生的利益由全社会所共 享，但所造成的负外部性却由当地居民承担，这种利益和风险的配置有失公平时，则带来不 满。在此，所谓邻比效应是指n i m b y j 的主张，意指：( 1 ) 邻避效应是一种拒绝被认为 有害于生存权与环境权的邻避设施的态度；( 2 ) 这种由于邻避效应所致的拒绝态度基本上 是环境主义的主张，它强调以环境价值衡量是否兴建该邻避设施的标准；( 3 ) 这种拒绝态度 不须有任何技术面、经济面的或行政面的理论知识，它的重点是一种情绪性的反应。所以在 处理邻避型设施问题时必须格外谨慎，以期能兼顾社会的发展与公平。林茂成( 1 9 9 9 ) 对邻 5 邻避型设施区位分析系统的建立与应用第一章引论 避型主要设施进行总结归纳，经过补充，如表1 1 所示 表1 1 邻避型主要设施 生活设施邻避型主要设施 一般生活设施传统菜市场、干洗店、教堂、庙宇、加油站等 休闲生活设旌舞厅、酒店、p u b 、k t v 、电动玩具店、夜市等 社区福利设施养老院、残障中心、戒毒所、精神病院等 社区安全防灾设施 消防站、消防栓、危险品处理场等 环境基础设施 垃圾收集站、垃圾处理场、污水处理场等 经济设施电信号发射塔、核电站、变电站等 邻避型设施区位属多目标区位问题，体现在目标函数必须兼顾不同的目标，各个目标 之间可能线性加权求和汇集成为一个总目标，也可能是其它非线性的集成。在模型的建立过 程中，既要考虑设施的正面影响，即提供的服务，又要考虑负面影响，即带来的邻避效应。 这实际是一个优化问题，可以考虑一个综合的目标函数将两者统一起来。一些研究运用了线 性函数来构造多目标函数( t u y ，1 9 9 2 ) ，在此给出一个广泛形式的目标函数( c u r r i z o s a ，2 0 0 2 ) ， 证明当目标函数对于其费用部分为非增，而对于其环境效用部分为非减，并且为拟凸函数时， 则存在最优解。模型如下： a f ：型 (113)tc 、， 其中a f 为总目标函数；e l i 为环境效用：t c 为交通费用。这里，环境效用随距离的关系并 不一定是明确的递增函数，而可能是一个分段线性函数，这使得构造实际的邻避型设施区位 模型提供了更大的灵活性和可可掌控性。 对邻避型设施区位的计算分析是基于地理计算的，随着地理信息系统环境下的空间分析 和地理概念的计算机实现的不断发展，地理计算技术成为地理学的主要领域之一。简单地说， 地理计算是运用计算机技术去解决地理问题的过程( r e e ，1 9 9 8 ) 。在国际各种运筹学、计 算机科学、地理学杂志上，从模型、算法等方面研究邻避型区位问题的文献较多。 c h u r c h ( 1 9 7 8 ) 应用使需求点到设施点的加权距离和最大，解决在网络空间上布局一个 邻避型设施的问题。 h a n s e n 等人( 1 9 8 1 ) 提出需求点的布局局限于一个多边形内部，但设施的定位是基于 6 邻避型设施区位分析系统的建立与应用 第一章引论 某一特定平面上的邻避型设施区位模型。 e r l m t ( 1 9 9 8 ) 对布局邻避型设施的分析模型进行了总结和汇总，把邻避设施区位问题 划分为单设施模型和多设施模型，并对其分别进行归纳，采用最小距离最大准则和最大距离 准则的算法。 k i l l m e r 等( 2 0 0 1 ) 建立了一个在非确定性条件下的邻避设施的选址模型，并以美国纽 约洲的奥尔巴尼的设施为例进行了计算。 z h a n g ( 2 0 0 1 ) 同时使用最小最大准则及最大距离和准则和对网络设施区位问题进行了 研究，以保证每个设施尽可能少的受到设施的有害影响，并发展多目标模型，提出一种多项 式算法对模型进行求解。 s a y i n ( 2 0 0 0 ) 用混合整数规划方法研究了最小距离最大问题。文中的距离采用的是矩 形距离，在求解的过程中用线性规划方法辅助搜索目标函数值的上界。文章的最后给出了几 种关于混合整数规划的扩展，使得模型可以应用于其它设施区位问题中。 m a t t h e w ( 2 0 0 2 ) 针对已经存在的布局邻避设施的算法所存在问题，对现行的一些算法 做了改进，提高了计算效率。他主要是对最大距离最小准则和最小覆盖问题的算法进行了优 化，降低了算法的复杂度。 d r e z a e r ( 1 9 8 3 ) 使用了矩形距离求解在欧几里德空间中布局一个邻避设施的问题。首 先，他确定设施位置的边界，然后再通过分段搜索法来搜寻边界内的点，求得最佳设施位置。 接着，利用线性规划的方法对分段搜索法所得到的结果进行了检验，检验的结果是令人满意 的，这为实际应用的可行性提供了评价依据。 随着邻避型设施区位的不断发展，研究也从较为单一的考虑某一方面因素对结果产生的 影响上升为较为全面的考虑。出现了一批应用多目标规划的方法进行邻避型设施区位的研究 文献。 r a t i c k ( 1 9 8 8 ) 提出了布局不受欢迎的邻避设施和对其规模进行选择的多目标的模型。 在模型中，运输成本的最小化做为第一个目标；公众对设施的反对是作为设施规模的增函数 来模拟的，使其最小化作为第二个目标；第三个目标是最小化公平结果指数最大值，其结果 和各个人口中心带来风险的设施的数目相关的。模型将第一和第三个目标作为限制条件，进 而求得最优值。 e r k u t ( 1 9 9 2 ) 对r a t i c k - w h i t e 模型进行扩展，由于在j 地的设施造成的在人口中心地i 的居民所承受的邻避效应是作为设施规模的非线性增函数和i 和j 之间距离的减函数。它们 的且标是使总的系统成本，由设施带来的总的邻避效应最小化。它们提出了一种分支定界 7 邻避型设麓区位分析系统的建立与应用第一章引论 算法来求解该问题的所有有效解集。 k e e n e y ( 1 9 7 7 ) 提出了最初的关于实现选择核电站地点的多目标规划研究方法。使用 以下六条标准用以评价美国的太平洋西北部地区的九个可选取修建设施的地点：( 1 ) 周围地 区居民的健康和安全；( 2 ) 从电站吸收热量的小溪流中鲑鱼的损失；( 3 ) 周围地区的其它生 物可能受到的影响；( 4 ) 设施对社会经济的影响；( 5 ) 电线的美学影响；( 6 ) 核电站的投资 和运转成本。 不难发现，在对邻避型设施区位的研究中，对有害物质的运送路线的选取方法问题不断 的得到重视，并加以讨论。对于有害物质在运送过程中所导致的风险的评估研究已有一定的 基础。事故可能发生在运送过程中。也可能发生在治理或者处理的时候。运送的过程出现事 故会影响到沿途经过的需求点，如居民中心，而处理出现的事故则会影响到处理厂周围的需 求点。因此，为了最小化处理事故所造成的影响，治理或者处理点可建立在人口最少的区域 申。另外，为了减少运输风险，从废弃物产生点到设施点之间的线路需要进行选择。然而， 处理点的选择将会影响到运送路线的选择。因此，选择路线和设施点位置这两个问题相互联 系，无论使用什么样的方法论进行解决都必须同时考虑这两个要素。 运输路线的选择和设施点的布局选择所需要考虑的因素不止一个。选择最安全的线路和 最远的设施点可能带来一个不可能接受的费用。换句话说，减少费用可能导致风险过大。因 此，很多模型考虑很多因素，并为决策者提供可选择的方案。关于运送风险评估的研究经验 成为此次讨论的基础，使得对于邻避动态型设施区位问题中的运送路线选取问题的研究有了