（通信与信息系统专业论文）空间句法理论在电力负荷预测中应用的研究.pdf

华- e 电力人学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要围绕空间句法理论在电力负荷预测中的应用进行研究。空间句 法理论，是基于拓扑学的空间分析方法。通过空间分割，得到小尺度空问的 连接关系，并得出句法变量。局部集成度能够预测人流分布，可以用束对公 路分级。空间负荷预测要提取小区与公路的接远程度并对其评分，传统的方 法是对所有公路采用统的标准评分，然而等级不同的公路对小区影响范围 也不同。本文提出了应用局部集成度对公路分级，其级别不同，影响范围也 不同，相应的评分标准也有差别。另外，本文不仅从理论上推理出局部集成 度与商业用地的密切关联，而且对句法变量与商业用地进行相关分析，并得 出它们的相关系数。同时，本文结合研究需要，开发了g i s 平台，将空间负 荷预测预处理与句法分析功能集成到其中。 关键词：空间负荷预测，空间句法，用地仿真。地理信息系统 a b s t r a c t t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fs p a c es y n t a xi ne l e c t r i cl o a d f o r e c a s t s p a c es y n t a xi sb a s e do na n a l y s i s s i t u s t h r o u g hs p a c ep a r t i t i o n ，w ec a n g e tt h es m a l ls c a l es p a c e sa n dt h ec o n n e c t i o nm a p ，t h e nt h em o r p h o l o g i c a l p a r a m e t e r sc a nb ec o m p u t e d l o c a li n t e g r a t i o nt h a t c a nf o r e c a s tt h es p a t i a l d i s t r i b u t i n go ft h ep e d e s t r i a nf l o wc a nb eu s e di nt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h eh i g h w a y s p a c el o a df o r e c a s t n e e dt h eh i g h w a yp r o x i m i t yo ft h es m a l la r e a ，a n d d e t e r m i n e si t ss c o r e t h et r a d i t i o n a lm e t h o di sa d o p t i n gt h es a m ec r i t e r i o n m e a s u r e i nf a c t ，d i f f e r e n th i g h w a y sh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c i n gr a n g e s t h i sp a p e r p u tf o r w a r da p p l y i n gl o c a li n t e g r a t i o nt oc l a s s i f y t h eh i g h w a y d i f f e r e n tl e v e l h a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c i n gr a n g e ，a n dt h ec r i t e r i o nm e a s u r e sa r er e l e v a n td i f f e r e n t ， i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rd o e sn o to n l yg i v et h er e a s o n i n gc o n c l u s i o nt h a tl o c a l i n t e g r a t i o na n d c o m m e r c i a ll a n d h a v ec l o s er e l a t i o n s b u ta l s o g i v e s t h e c o r r e l a t i v ea n a l y s i so ft h e ma n dt h ec o r r e l a t i o nt o e 伍e i e n ti sg o a e n a tt h es a m e t i m e ，t h i sp a p e rd e v e l o p s g i ss o f t w a r ef o rr e s e a r c h ，a n di n t e g r a t e st h e p r e t r e a t m e n to fs p a c el o a df o r e c a s ta n ds y n t a xa n a l y s i si ng i s g a ox i n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f y u a nj i n s h a k e y w o r d s ：s p a t i a ll o a df o r e c a s t ，s p a c es y n t a x ，l a n d u s es i m u l a t i o n ， g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文空问句法理论在电力负荷预 测中应用的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同：t 作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 k 学位论文作者签名：亟叠曰期： 兰竺! ! ：3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此飙定) 作者签名：高鑫 导师签名 趔万 日期：垫! l ：! ：3 日 期：圭丝：! ：l 兰! ! 坐垄叁三 ! 堡堂堡鎏塞 第一章绪论 1 1 电力负荷预测的研究概况 1 1 1 电力负荷预测的意义 随薪现代工业和农业的不断发展及人民生活水平的h 益提高，社会对电力的需求蹴 越来越大。为了满足同益增长的电力需求，必须扩大电力系统的规模。由于电力i l l i 的 发展不仅需要消耗巨大的投资和次能源，而且对国民经济的其它部门也会产生巨大的 影响。 电力负荷预测是城乡建设规划的重要基础工作之，也是整个电网规划的糕础，只 有确定了供电区域内未来电力负倚的时空分布，才可能对未来电网新增f 黾力设备的投入 时间、地点、大小进行规划。负荷预测的准确程度将直接影响到投资、网络布局和运行 的合理性。若负荷及电量预测不足，电网的发展便不能适应实际发展的需要，无法满足 用户正常用电需求，甚至还可能缺电。另一方面，若负荷及电量预测过高，则义会导致 一些过多而不能充分利用的设备，从而引起投资的浪费。 电力负荷预测的结果，为地区电力发展速度、电力建设规模、电力工业和局、能源 资源平衡以及地区电网间的电力余缺调剂提供了可靠的依据。负荷预测的准确性肖接影 响到电网系统投资及运行的合理性，直接关系到电网的安全经济可靠运行。 1 1 2 电力负荷预测的内容 电力负荷预测可分为负荷总量预测和空间负荷预测。负荷总量预测属于，钱略预 测，是将整个规划地区的电量和负荷作为预测对象，它的结果决定了未来供电地区 对电力的需求量和未来供电区域的供电容量。总量预测的方法包括弹性系数法、时 闯序列法、酗归分柝法、扶色预测法、模糊预测法、专家预测法、人工神经嘲络法 等等。 空闯负荷预测是对规划区域内负荷的地理位置和数值大小等进行的预测，它提 供未来负荷的空间分布信息。本文的研究重点就是空间负荷预测，但同时空间负荷 预测与总量预测存在着密切的关系。总量负荷预测是空嘲负荷预测的约束条件之 一，空间负荷预测的结果必须与总量预测结果协调一致。 空间负荷预测方法可分为岛下而上的方法瓢自上丽下的方法”。自下丽上的方 法是先预测负荷分布，再将其累加为负荷总量：与之相反，自上而下的方法是先预 测负荷总量，再将其“分摊”到各小区，得到负荷的分布。 1 1 3 电力负荷预测的研究状况 华j t 电力人学硕十学位论文 空间负荷预测理论是由h 1 。w i l l is 在二十世纪八寸。年代初提出的。空删负 荷预测不仅能够预测未来的负荷量的变化规律，而且对未来的负荷地理分布情况也 作出相应的预测。目前，空间负荷预测方法主要分为趋势法和用地仿真法两大类。 趋势法是所有基于负荷历史数掘外推负荷发展趋势的方法的总称。趋势法i ：爱 方法是，逐一对各小区选择合适的曲线拟和其历史年数颚c ，然后外推未来年的负荷 值。趋势法主要包括负荷搜集法、扩散法、偏好系数法和时间序列法等等。但对每 个小区都要进行曲线拟和，其预测的工作量是相当大的。同时，以上的趋势预测方 法要求小区的划分不能太小，而且小区的历史负荷不能为零。这就使历史年负荷为 零的空地预测遇到了困难，而且这些方法很难考虑负荷转移特性，不适合长期预测。 用地仿真法是通过分析城市土地利用的特性和发展规律，来预测城市：j 二地的使 用类型、地理分布和面积构成，并在此基础上将土地使用情况转化成空间负荷。这 是一种自上而下的方法，它通过建立用地仿真模型来模拟小区的未束发展情况，最 终将负荷总量预测的结果分摊到各小区。仿真法要求每类用户的年最大峰值负荷数 据，能较好地考虑负荷转移特性，对空地的负荷预测相关性较好，对短、中和睦期 预测都较适合。国内外不少学者投入了该项研究，利用l j 星摄影照片蔹墩历史年和 现状年城市土地资料。为土地资料的获取奠定了基础；引入模糊逻辑，使用模糊逻 辑技术对规划区域地理信息进行模糊推理并清晰化，得到备小区适于发展各娄负荷 的适应性评分：应用遗传算法、 r 糙集等训练模糊推理规则；运用运输模型柬分配 各小区中各类负荷的增长等等。 1 2 空间句法理论的研究概况 1 2 1 空间句法理论简介 空间句法研究丌始于2 0 世 t 7 0 年代术期，由 f i l l i e l 教授和他领导的研究小组 丌创，他们借用语苦学上的一个术语，即句法柬表示空i bj 之间的关系，第本空间 旬法的专著空问的社会逻辑。”意在表达人的社会活动如何受空间形念的影 响。在过去的2 0 年中，已有大量的实例研究，出版了大量的论文和研究报告。基于 十多年大量的应用和经验研究的结果， 空间即机器“1 一书提供了更为全面的总 结，而解释建筑结构。“则提供了大量的对建筑层次上的空划句法的分析与应用。 1 2 2 空间句法研究的内容 二十多年以来，空间句法作为一种描述城市空间结构的计算语言，不仅可以用 来有效地描述城市和建筑结构，而且可以用束解释人在空间的活动。典型的应用包 括人流和交通流的预测、犯罪的空间分布和人在复杂城市系统中的空问认知行为。 这些应用建立在一个基本假设基础上，即人的空间活动和行为在很大程度上受空间 2 华j 七电力人学硕十学位论文 空问负荷预测理论是出h 1 。w i l l i s 在二1 _ 雌纪八十年代钥提出的“，宅问负 荷预测不仅能够预测未来的负荷量的变化规律而且对未来的负荷地理分布情况也 作出相应的预测。目的，空悯负荷预测方法主要分为趋势法和用地仿真法两火类。 趋势法是所有基f 负荷历史数据外推负衙发展趋势的方法的总称。趋辨7 王篮 方法是，逐一对各小区选择台适的曲线拟和其历史年数搬，然后外推未来年的负荷 值。趋势法主要包括负荷搜集法、扩散法、偏好系数法和时削序列法等等：但对每 个小区都要进行曲线拟和，其预测的工作量是相当大的。同时，以r 的趋势觏测万 法要求小区的划分不能太小，而且小区的历史负荷不能为零。这就使历史年负荷为 零的空地预洲遇到了困难蛳且这些方法很难考虑负荷转移特性，不适合民期预测， 用地仿真法是通过分析城市土地利用的特性和发展规律，米茚l 测城市，i j 地的馒 用类型、地理分付和面积构成，并在此基础e 将地使用情况转化成空m j 负荷。这 是一种自上而下的方法，它通过建立用地仿真模型柬模拟小区的未束发展情况塌 终将负荷总量预测的结果分摊到再小区。仿真法要求每类用户的年最大峰值负荷数 据能较好地考虑负荷转移特性，对空地的负荷预测相关性较好，对矩、中和k 期 预测都较适合。匿内外不少学者投入了该项研究，利用卫星摄影照片获j ；| j ( 历史年和 现状年城市土地资料，为土地资料的获取奠定了基础：引入模糊逻辑，使用模糊逻 辑技术对规划区域地理信息进行模糊推理并清晰化。得到各小区适于发展箨类负荷 的适应性评分；应用遗传算法、相糙集等训练模糊推理规则；运h j 运输模型求分配 各小区中各类负荷的增长等等。 1 2 空间句法理论的研究概况 121 空间旬法理论简介 空恻句法研究丌始于2 0 世纪7 0 年代术勰，出h i l l i e r 教授和他领导的研究小组 丌创，他们借用语言学上的一个术语，即句法来表示空问之e i j 的关系，第一率空扯i j 句法的专著一空闯的社会逻辑”意在表达人的 会活动如何受辛州形态的影 自。在过去的2 0 年中已有大量的实例研究，出版了大量的论文羊u 研究搬告。基r “ 多年大量的应用和经验研究的结皋 空问即机器。一书提供了更为全面的总 结，而解释建筑结构。”则提供了大量的对建筑层次上的空刚句法的分析与应用。 1 2 2 空问旬法研究的内容 二十多年以来空间句法作为一种描述城市空闻结构的计算语言，不仅可以用 来有效地描述城市和建筑结构，而且可以用束解释人在空问的插动。典型的应用包 括人流和交通流的预测、犯罪的空间分布和人在复杂城市系统中的空间认知行为。 这些应用建立在一个基本假设基础上，即人的空间活动和行为在很大程度上受空刚 这些应用建立在一个基本假设基础上，即人的空间活动和行为在很大程度j ! = _ 受空间 2 华j t 电力人学硕十学位论文 空间负荷预测理论是由h 1 。w i l l is 在二十世纪八寸。年代初提出的。空删负 荷预测不仅能够预测未来的负荷量的变化规律，而且对未来的负荷地理分布情况也 作出相应的预测。目前，空间负荷预测方法主要分为趋势法和用地仿真法两大类。 趋势法是所有基于负荷历史数掘外推负荷发展趋势的方法的总称。趋势法i ：爱 方法是，逐一对各小区选择合适的曲线拟和其历史年数颚c ，然后外推未来年的负荷 值。趋势法主要包括负荷搜集法、扩散法、偏好系数法和时间序列法等等。但对每 个小区都要进行曲线拟和，其预测的工作量是相当大的。同时，以上的趋势预测方 法要求小区的划分不能太小，而且小区的历史负荷不能为零。这就使历史年负荷为 零的空地预测遇到了困难，而且这些方法很难考虑负荷转移特性，不适合长期预测。 用地仿真法是通过分析城市土地利用的特性和发展规律，来预测城市：j 二地的使 用类型、地理分布和面积构成，并在此基础上将土地使用情况转化成空间负荷。这 是一种自上而下的方法，它通过建立用地仿真模型来模拟小区的未束发展情况，最 终将负荷总量预测的结果分摊到各小区。仿真法要求每类用户的年最大峰值负荷数 据，能较好地考虑负荷转移特性，对空地的负荷预测相关性较好，对短、中和睦期 预测都较适合。国内外不少学者投入了该项研究，利用l j 星摄影照片蔹墩历史年和 现状年城市土地资料。为土地资料的获取奠定了基础；引入模糊逻辑，使用模糊逻 辑技术对规划区域地理信息进行模糊推理并清晰化，得到备小区适于发展各娄负荷 的适应性评分：应用遗传算法、 r 糙集等训练模糊推理规则；运用运输模型柬分配 各小区中各类负荷的增长等等。 1 2 空间句法理论的研究概况 1 2 1 空间句法理论简介 空间句法研究丌始于2 0 世 t 7 0 年代术期，由 f i l l i e l 教授和他领导的研究小组 丌创，他们借用语苦学上的一个术语，即句法柬表示空i bj 之间的关系，第本空间 旬法的专著空问的社会逻辑。”意在表达人的社会活动如何受空间形念的影 响。在过去的2 0 年中，已有大量的实例研究，出版了大量的论文和研究报告。基于 十多年大量的应用和经验研究的结果， 空间即机器“1 一书提供了更为全面的总 结，而解释建筑结构。“则提供了大量的对建筑层次上的空划句法的分析与应用。 1 2 2 空间句法研究的内容 二十多年以来，空间句法作为一种描述城市空间结构的计算语言，不仅可以用 来有效地描述城市和建筑结构，而且可以用束解释人在空间的活动。典型的应用包 括人流和交通流的预测、犯罪的空间分布和人在复杂城市系统中的空问认知行为。 这些应用建立在一个基本假设基础上，即人的空间活动和行为在很大程度上受空间 2 华北电力人学硕十学位论文 形态和结构的影响。已有大量的试验研究表明了空间句法在城市形态结构理解和建 模上的应用”。 空间句法是在结合拓扑计算方法和主要基于可见性的空删知觉分析基础之。 二， 对空间关系进行量化解杌_ 的方法。通常空问句法用构型去描述空f n j 与空间的相互关 系，并且用用凸状、轴线、视区等将空问进行分割。空f b j 句法的研究重点在于句法 变量的分析，通过分析这些变量的值，得出相应的空| 日j 的特性。 1 2 3 空间句法理论的研究状况 空间句法的研究和应用已经在世界范围内普遍展刀：，1 9 9 7 年，首届魁界性的空 间句法研讨会在伦敦举行；其后于1 9 9 9 年、2 0 0 1 年和2 0 0 3 年又在巴西利亚、亚特 兰大和伦敦分别举行了第二：、第三届和第四届研讨会，来自不同国家的作者从不同 角度对空问句法进行了广泛深入的探讨。另外，f = 1 趋成熟的空间句法分析技术，已 经成功应用于商业咨询。知名建筑商在众多建筑和城市设计项目中雇请空口j 句法咨 询公司进行空问分析，为其设计提供了有力的引导和支持。 过去二十多年中，空问句法提出了一套计算方法束研究城市形态结构，进而石j 究人的空间行为如何受空问形态的影响，至今已有大量的试验研究揭示人的空山j 行 为和空问形念之间的关系。空削句法广泛地应用在城市行人流的分析与预测、城市 民居被窃的空划分布、交通排放污染控制和复杂城市系统中的导航上。空矧 句法提供对城市结构的形态描述可以用来解释人的空问行为和社会活动，这种方法 为城市规划和设计提供了指南。 1 3 本文所作的主要工作 本文主要研究空间句法理论在电力负荷预测中的应用。在深入研究空间句法理论和 电力负荷预测的基础上，对空问旬法理论在电力负荷预测中的应用进行初步探讨。本文 的工作主要有以下几方面： 详细讨论了空间句法和空问负荷预测理论，为将空问句法应用到空问负荷预测 中奠定了理论基础。 分别将句法分析和空间负荷预测预处理功能集成到g i s 中，为将空间句法应用到 空问负荷预测中提供了平台和数据。 从理论上探讨空间负荷预测中空间句法理论的应用，提出利用局部集成度可阻 优化用地评分，并且得出局部集成度与商业用地联系密切的结论。 在g i s 中提取实际数据，对句法变量与商业用地密度进行了相关分析，得出了它 们问的相关系数，从而分析出它们的相关程度。 华北电力大学硕十学位论文 1 4 小结 本章首先简要阐述了电力负荷预测的意义、内容和研究状况。其中，主要讨沦 了空间负荷预测的发展过程，以及臣前研究的主要方法，本文研究的重点也是空i i l j 负荷预测。然后，介绍了空问句法理论的起源、研究内容以及目前的研究状况。最 后，简要的介绍了本文所作的主要工作。 4 华北叱力人学硕十学忙论文 2 1 引言 第二章空间句法 空问句法是一种基于拓扑学的空问分丰斤理论由伦敦大学的h i l l ie i 等人提出 并发展。它着重于自山空l 、日j 的句法变量的汁算和分析，能够与现有的空问分析方法 互为补充。 2 2 自由空间 对空阳】句法而吉自由空间是一个非常重要的概念，有时又叫丌空间。任何个 城市系统都是由两部分组成：空间物体和自山空间。空间物体主要是建筑物，而自山 空蒯是指出空间物体隅丌的、人可以在其中自由活动的空间。自由空j 目j 具有连续性 特征，即从任何一点可以到达空问的任何其他点1 “。 2 3 构形 1 j i e r 将构形定义为“一组相互独立的关系系统，且其中每一关系都决定1 其他所有的关系”。所以，改变系统中一个元素的构形，就会改变很多其他元 素，很可能改变其他所有元素的构形属性继而使整个系统的构形发生变化。 其体到空问分析当中，构形就是一组自由空问相互之间的关系。各个自由空间 之间的关系是彼此相关的，改变了一个空问与其他空问的连接方式，很有可能改变 整个空间系统的结构关系。 警 。 图2 1解释空阐句法的图例 5 灸y 臻藩霉圈日圈 华北电力人学硕十学位论文 图2 - l 是1 个解释空间句法理论的经典例子。图中最左边一列的三幅图是对个 空问进行不同划分后得到的三种布局。三幅图所占的空间的大小和形状是一致的， 但其中的内部分割方式是不致的。图中的第二列的三幅图是将最左边列的三幅 图反转，得到对空间的连接方式强调的图形。这样黑色正方形代表空问，而黑色，实 心线代表空问的连接。将第二歹的三幅图进行抽象表示，以圆圈节点代表矩形空问， 用短线代表空矧之间的连接关系。这样就可以得到最右边的三个连接阁。可以清晰 的看出这三种连接方式存在着巨大的差异，图a 是1 个“链式”的结构：图b 是一个 “树形”的结构：而图c 是两个环套接在起的“环形”结构。这种用节点与连线 来描述结构关系的图解被称为连接图。连接图为空问构形提供了有效的描述方法 同时也是对构形进行最化的重要途径。连接图不同于以往的欧氏几傅，它玎；再注煎 于距离和形状，而是着眼于节点之倒的连接关系。 2 4 大尺度和小尺度空间 从认知角度看，空间可分为两种基本类型，即大尺度空问与小尺度空州 h 。 大尺度空问就是超过个体的定点感知能力，即不可以从一个圊定点完全感知的空 问；相反小尺度空问则是可从点感知的。 地理空阃是大尺度空间，因为它不可能只从一点来感知，除非这一1 地理空闻被 缩小，例如被表示成地图的形式所以要感知地理空闻，需要借助地图等。此外， 当在地理宝间导航的时候，在每点或每一时刻所感知的是一个小尺度空问。当“ 个旅行者在回忆他经过的地方时，很多时候，他会画出幅草图，有点类似连接幽 的样子。每个结点代表个地方，譬如蜕个博物馆，然而当我们雨进一层时，一 个博物馆又可以分成一些更小的单元，如房i b j 。 对小空间的认知可以帮助建立对大空问的理解，人们通过对很多小尺度空间的 感知，爿逐渐形成对大尺度空恻的理解。大尺度空间必须分割成许多小尺度空问， 对大尺度空间的认知可以通过计算小尺度空刚蓿手。城市环境是一个大尺度空削， 因为人们不可能从某一点来感知整个城市环境。因此，可以既城市环境跫由系列 小尺度空问组成的。 空问句法采用的办法是将大尺度空间分割成有限数目的小尺度空间，然后判断 这些小尺度空间是否在空间上相交，从而形成一个小尺度空问的连接圈。基于这个 连接图，可以导出一系列的空间句法变量。 2 5 空间分割 构形分析首先要把空间系统转化为节点及其相互连接组成的连接图，其中，每 个节点代表空间系统的个组成单元。这种将整个空间系统划分为各组成单元的过 6 华北电力人学硕十学能论文 程称为空间分割”】。在空间句法中，将大尺度空间分割为小尺度空间的方法主要有 三种：凸状、轴线和视区。 25 1 凸状 凸状源于数学中的概念，指的是在空j 、丑j 中的任意两点，将其连接后得到的直线 也处于该空间中，则凌空矧就是凸状空间。从认知的角度看，凸状就是可以在其中 透视，没有障碍的空问，也就是院在凸状中的任意一点，都能看到蹩个的凸状夸问。 空问句法规定，用最少且最大的凸状覆盖整个空间系统，然后将每个凸状空问作为 个节点，这些节点之闰的连接关系就构成了该空阍系统的构形。然后这些符点和 连接组成的连接图，可以用于去分析陔空问系统的构形，并且可以计算和分析各种 空间句法变量。 凸状方法适合对玎空闻呈现非线性的情况，但是由于实际分割很难保证分割的 唯一性，所以这种方法对于城市系统而言不是很适拜；| 的方法。雨这种方法对于建筑 或建筑群内部的房间或者走道的布局却很适用。 2 5 ，2 轴线 轴线即在空闻中一点所能看到的最远距离，每条轴线代表沿维方向展丌的 个小尺度空间。同时，沿轴线方向行进也是最经济、便捷的运动方式，所以用轴线 可以完成对空洲的分割，以轴线去代表个相对独立的子空倒。空恻句法规定，用 最少且最长的轴线覆盖整个空削系统【i 引，并且穿越每个凸状空间，轴线就代表了它 穿越的这个空蚓的特征。然后可以将每条轴线抽象为一个节点，用轴线彼此之间的 关系作为它们所代表的空问之间的关系。这些节点和它们的连接就可以转化为前面 所提到的连接图可以分析该空问系统的构型，并计算各种空间句法变量。 轴线方法适用于建筑或者建筑群体比较密集的情况，譬如城市系统。轴线分析 也是对城市系统分析晟常用的方法。通过轴线分割得到的轴线图是由最少数目的最 k 直线组成，这一点保证了轴线图具有城市形念的代表性。 2 5 3 视区 简单地说，视区就是从空蒯中某点所能看到的区域。视区本是个三维的撅念， 而通常所说的视区是二维的，指的是视点在其所处水平面上的可见范围1 1 ”。用视嚣 方法进行空间分割，首先要在空间系统中选择一定数量的特征点，这些特征点一般 选取道路交叉口和转折点的中心作为特征点，因为这些地方处于空间转换上的临界 处，有着重要的代表意义。其次，要计算出每个点的视区，然后界根据得到的这些 视区之问的交接关系，将其转化为连接图，并计算每个视区的句法变量。 2 6 轴线分析 华北电力大学硕士学位论文 空间句法最初源于人们尝试对城市空间韵演化和发展的理解，用来去分析城市 空间的一些行为特征。轴线分析是空间句法中最早的分析城市空间结构的方法。轴 线用来表示在某个方向上连续的运动和可视性，所以在一个二维城市空渊中，词以 用最长的可以透视的直线去表示各个连通的子空间。近年涞，轴线分析被广泛应用 于解决城市系统的许多闯题，例如，预测行人的趋势、交通工具的流量、犯罪分析 和智能路径发现等等。一系列的轴线彼此之问相交，并覆盏了整个的自由空问系统， 那么这些轴线就组成了轴线图。按照h i l l i e r 最早的定义，轴线图包括了最少数目的 最长轴线。从人们空间认知角度而言，可以把轴线作为一个可以感知的足够小的狭 长空间。通过轴线去代表一个城市空间中各个狭长的子空间，这样整个城市空间就 可以由有限条轴线所代表，并可以分析各个子空间相互的关系。轴线图主要起源于 对城市空间进行的“凸状图”的分割，所谓“凸状图”就是用最少数目的最大凸状 空间覆盖整个地区，轴线实际上就是对那些凸状空间的代表。绘制轴线圈的一般方 法如下：首先，找到空间系统中最长的轴线，然后，再绘制豳次长的轴线，依次绘 制，直到绘制得到的轴线能够将整个空间系统覆盖。 ( a ) 虚拟的城市空间 ( b ) 图2 - 2 轴线图( c ) 连接图 轴线分桥的图例 图2 2 是一个解释轴线分析具体方法的图例。其中( a ) 图是一个假想的虚拟城市 空间系统。对这个城市空间进行轴线分析，首先可以看出，线1 所在的子空潮能画 出最长的轴线，其次是线6 线5 等等，直到得蓟的轴线将所有的城市空间都覆盖， 那么就得到了该城市空间的轴线图2 - 2 ( b ) 。在得到了该城市空间的轴线图后，就呵 以根据轴线间的邻接关系，得到该城市空间的连接图2 - 2 ( e ) 。 2 7 句法变量分析 基于前面介绍的空间分析方法，空间句法可以导出相应的连接图，即把分割的 每一部分作为图的节点，节点之问的连接关系取决于它们之间是否相交或相连。根 据上述连接图中节点间的关系，可以得出它们的各种句法变量，并用来分析城市空 间系统的结构【1 9 】。这些句法变量主要包括连接值、控制值、深度值、集成度和智能 值等等。 g ， 秘垮?|。 滁爹 。蓬 华北电力人学颂十号，1 市论文 ( 1 ) 连接值( c o n n e c t i v i t yv a l u e ) 。系统中与单元空问i 邻交的其他单元空间的 数目就是该单元空间的连接值。在实际空问系统中， i b j 的连接值越高则表示其 空脚渗透 生越好。其表达式为： c = r ( 2 一1 ) 其中，r 。为城市空问系统中的单元空问i 和单元空阳jl 之间的关系，两者若是相邻 连接的，刚两空问单元的r 。为1 ，否则为0 。 ( 2 ) 控制值( c o n t r o l v a l u e ) 。控制值是指与一个空蚓系统中某单元空削i 直接 相连的所有单元空问的连接值的倒数之和。从字面上的意思看，它表征了陔单元空 问对与它直接相连的单元空间的控制程度，反映了浚空问对其周围空蒯的影响程 度。其表达式为： 女1 c t r l = ( 22 ) ( 3 ) 深度值( d e p t hv a l u e ) 。深度值指在一个空晦j 系统中某一单元空问i 到其他 空间的最小连接数。深度值是一个非尺度距离变量，而且也不是一个固定的量，随着 观察者在城市中视点的不同、视距的由近及远、步距离的由小变大，深度值都将发 生变化。设空问上一点到其他任一点的最短步距离为的d ( d 为整数) ，最小为 ，最大 的最短步距离为s ，最短步距离的结点数为n 。，则深度值可表示为： s d = d x n 。 ( 2 3 ) d = l 这里，1 d s ，当d = l 时，表示与指定结点直接相连的结点数，此深度值为一步深度 值即为连接值：当步距离d 逐渐增大时深度值也逐渐增大，此阶段的深度值均 为局部深度值( 1 0 c a l d e p t h ) ：当d 达到最大值s 时，此时的深度值即为全局深度值 ( g l o a ld e p t h ) ，深度值不是一个独立的形态变量，而是计算空间形态集成度的中间变 量在具体应用时，常用平均深度值西这一指标， d n 。 西= 盟- ( 24 ) m l 式中，当d s 时，西为局部平均深度值：当d = s 时，百为全局平均深度值。m 是考察 空间系统的结点个数，m 一1 反映了在考察的结点中最多有m 一1 个结点与指定结点相 连。 ( 4 ) 集成度( i n t e g r a t i o nv a l u e ) 。集成度反映了一个单元空间与系统中所有其他 空间的集聚或离散程度。当一个空间系统是集成的或集聚的时，则该系统中所有单 元空间相距较近，彼此之间很少有障碍物影响它们的联系；反之，则系统中单元空 间相距较远，彼此之间有较多的障碍物影响它们的联系。集成度的计算是通过相对 q 华j t 电力人学硕十学位论文 不对称值( r e l a t i v e a s y m m e t r y ，简：r a ) 和实际相对不对称值( r e a l r e l a t i v e a s y m m e t r y ，简：r a r ) 来表述的，r a r 。是随平均深度值的增加而增加的，深度值与 空渊可达性呈反比关系，由此可见，p a r 与空间可达性的思想正好相反，因此在实 际应用中采用r a r 的倒数表示集成度，其综合表达式如下， l i = 丽1 一熹 2 r e 1 o g2 ( ( ( m + 一2 ) 3 坚生业 2 l d 一1 i ( m 一2 ) m 【l o g ：( ( 苎兰) 一1 ) + l 】 = 丽打( 2 - 5 ) 其中，m 为城市系统中单元空问的个数，e 。为r a 。在对r a r ，进行标准化处理时的标 准值( i = l ，2 ，m ) + r a 。和r a r 表述了从一个单元空矧平均通过几步可以到达 城市系统中的其他任何一个空问。由公式( 2 - 4 ) 得出集成度与平均深度值之矧存在 反比关系。实质上集成度的概念表达了空削可达性的种度量。对应于闰部深度值 和全局深度值，则相应地有局部集成度和全局集成度，局部集成度考虑的是与研究 对象誊接相交的单元空间和几步距离远相连的单元空问的集聚程度：而全局集成度 则考察的范围是研究对象到城市系统中最远步距离的单元空间的整体聚集或离散 程度。 值得一提的是，集成度是一个相对值，对一个轴线地图而言，值的高低表示集 成度高低，但对不同的轴线图而言，浚值并不具有绝对意义。换句话讲，不能够根 据集成度值来比较不同轴线图上的轴线集成度，因为两轴线图的轴线数不。一样。r a 。 和r a r 试图通过修正的集成度来消除线数不的影响，但是研究表明修币后的r a 和r a r 仍不具有绝对意义“”1 。 ( 5 ) 智能值( i n t e l l i g i b i l i t y ) 。智能值表述了局部空i 到与整个系统的相互关系。如 果局部范围内连接值较高的空恻，在整体上集成度也较高，那么这个空问系统避清 晰的、容易理解的，从而也是智能的。智能意味着从局部感受整体，而非智能就很 难有整体的概念。智能值的实质反映了观察者通过对局部范围内空问连通性的观察 进一步获得整体空间可达性信息多少的程度，其表达式如下， 【( c ，一百) ( i ，一i ) 】2 ( c ，一百) 2 ( 1 一i ) 2 ( 2 - 6 ) 式中，己为所有单元空间连接值的均值，i 为所有单元空间全局集成度的均值。 2 8 小结 本章主要介绍了空间句法理论的基本概念，以及如何利用空间句法理论去分析 一个城市的空间特性。首先介绍了如何利用构型抽象空问之闯的关系，然后介绍了 空间分割的方法，利用这些方法可以将大尺度空间分割为若干个可以被分析的小尺 l o 华，l 匕电力人学硕_ ：学位论文 度空问，根据这些小尺度空间之间的连接关系可以得到该空蚓系统的连接图。最后， 着重介绍了轴线分析法，以及句法变量的计算方法。通过这些句法变量值就可以大 致分析出城市空间的特性。臀如，可以得出这个城市空间的集聚程度，便捷程度以 及清晰程度等等，也可以掘某个具体的空阳j 单元分析出它的空问渗透性平【1 在系统中 的便捷程度等等。 华北电力人学硕l 学位论文 3 1 引言 第三章空间负荷预测 根据电网规划要求，电力负荷预测不仅要预测负荷的量，而e l 还要预测未来负 荷增长的位冒。空问负荷预测又称小区负荷预测，其概念最早是在1 9 8 3 年“ 美国 的w i l l s 提出。在未来电力部门的供电范围内，根据规划的城市电网电压水平不同 将城市用地按照一定的原则划分为相应大小的规则小区或不规则小区( 可小到 0 0 l k m 2 ) ，通过分析、预测规划年城市小区土地利用的特征和发展规律，米进一步 预测相应小区中电力用户和负赫分布的位置、数量和产生的时问。 空问负荷预测是配电系统规划的基础。配电系统规划不仅要求能预测电力负荷 的总量，而且要求预测未柬负荷的空闻分布。只有确定了供电区域内各小区的未来 负荷，彳能对变电站的位置、容量、馈线路径、丌关设备以及它们的投入时剧等决 策变量进行规划。 空阳j 负荷预测的方法主要有趋势法和用地仿真法。趋势法根据每个小区的负荷 历史数据进行外推，需要每个小区的负荷历史数掘，浚方法虽然简单，但存在较多 弊端，目前己不常用；用地仿真法首先将供电区域划分为大小一致的小区，把负荷 分为若干类( o n 工业、商业、居民) ，根据小区内地理、月：境、交通、社会经济等信 息对小区适于发展某类负荷的程度进行评分，然后根据评分将总负荷分配给每个小 区。用地仿真法模拟了每个小区的未来发展，预测精度较高，能满足长期艘划目的， 正被广泛采用。 3 2 空间负荷预测步骤和流程图 3 2 1 空间负荷预测步骤 空删负荷预测是一。个将总量负荷预测分配到供电小区的过程，主要可以分为以 下三个阶段： r 1 1 空问信息收集。近年柬随着地理信息系统( g i s ) 在配电网中的应用，空间信 息的收集和处理越来越方便，利甩地理信息系统( g i s ) 平台对待预测区域的空问信息 进行处理，可以收集到该区域在地理、交通、社区、市政和城市规划方面的信息。 r 2 ) 土地使用决策。根据不同负荷类别对区域使用条件的要求，对待预测区域 内准备开发的空地进行适应度评价，按照得分高低决定未来各区域的发展情况。并 且在决策过程中，要满足总量、分类负荷预测以及新增用地总谣积等约束条件。 ( 3 1 负荷增长预测。根据用地决策得到的各类负荷用地区域面积，然后根据已 1 2 华北电力人学硕十学位论文 有的备类用地的负荷密度，就可以得到该区域的新增用地的负荷增长情况。 3 2 2 空间负荷预测流程图 ； ； ； i 州 i 地 ；仿 ；真 ；模 i 块 i 二巫匠数据准备模块 r 总； 姑! 预i 洲； 模； 块； l 皇氅黧苎蔓愁l 图3 1空问负荷预测的流程图 上图是空间负荷预测的流程图，整个流程图分为4 个模块：数据准备模块、总 量预测模块、用地仿真模块和土地决策和负荷转换模块。用地仿真模块是空阳j 负荷 预测的核心，其作用是根据小区的地理、社会和交通等属性将总量用地预测分配到 各小区。 3 3 小区划分和用地分类以及总量预测 3 3 1 小区划分 空间负荷预测的主要目的是对新增供电区域内负荷的空间分布进行预测，要实 现这一目的，通常需要将预测区域划分为很多个小区，再分别预测每个小区的负荷。 小区划分是空间负荷预测的必要步骤，其目的是预测负荷增长的位置，为配电网规划 提供空间信息。 1 3 华北电力人学硕十学何论文 般柬蜕，小区的划分有规则划分和非规则划分两种。通常在短期规划中，小 区可以按设备( 变电站，馈线) 的供电范围来划分，这样的划分就是非规则划分。但 在长期预测中，设备的供电范围本身就是待决策的，需要将待规划的供电区域有规 则划分。目前，大多数空间负荷预测都是将预测区域划分成大小一致的方格。这种划 分方法不仅有利于空洲负荷预测方法的实现，也有利于g i s 辅助完成划分： 作。另 外，小区划分得越细，负荷预测的空间分辨率越高配电网规划也会更细致。 3 3 2 用地分类 用户可以按照用地特性和用电特性的不同分成着干类，称为用地类型。j j 地类 型的划分主要是根据不同类型的用户对土地使用的不同要求以及用电特性来确定 的。通常可以简单地划分为工业、商业、居民、市政学校四类：对每类负荷都给定 负荷密度经验值p d = l ，2 ，3 ，4 分别代表工业、商业、居民、市政学校四类负荷) 。 表3 一l 用地类型分类表 大类小类 工业 商业 居民 市政 太中小型工业仓f i 着业市政设施 零售业娱乐业+ 写牢楼箕馆高层建筑 住宅楼别墅 市政办公研究机柯中小学大学 3 3 ，3 负荷总量预测和分类用地预测 负荷总量预测的方法很多，预测方法可分为确定性预测方法和非确定性预测方 法两类。前者的典型方法有；回归分析法、时间序列分析法、弹性系数法。这些疗 法主要是一些传统方法，用于电量和负荷有明确对应关系的情况。非确定预测方法 认为电力负荷的变化受到多种模糊的、不确定因索影响，不能用精确的显式数学方 程表示。这些方法主要包括：狄色预测法、模糊预测法、专家系统法、人工神经网 络法等等。这些预测方法的精度比较好，根据实际情况采用这些方法中的一种或者 几种可以得出比较准确的负荷总量预测结果。 分类土地预测就是要确定预测年份内各种用地类型的用地增长量。由于空问负 荷预测在本质上是一个将预测区域总量负荷分配到预测区域上的各个小区的过程。 在分配的过程中，不仅要保证小区负荷之和等于负荷总量预测，而且还要保持各类 负荷间一定的比例关系。这是因为在城市的发展中，各行业以及各部门间都是相互 协调、相互促迸的，内在地存在个比较固定的比例关系。分类土地预测的目的就 是要利用这个比例关系，从总量预测中推导出各用地类型的未来土地增长量。浚比 例关系可从统计数据中得到，也可以直接利用当前已有负荷地区的比例关系。由于 预测区域面积是已知的，得到这个比例关系后，就可以得到各种用地类型的地增 j 4 华北电力人学硕十学何论文 长量。 负荷总量预测值是指待预测区域上的总量负荷，通常预测区域都是负荷空白区 域，即未丌发地区，在预测年将被作为新增用地丌发。空问负荷预测就是将负荷总 量预测结：累分布到各个新增用她小区上。分类用地预测结果在用地决策中是作为输 入值的，作为土地决策中的约束条件。所有小区某一类型负荷的土地使用面积之和 应该等于该类负荷的总土地使用面积。 3 4 用地仿真过程 用地仿真过程是通过对仿真得到未来规划区域土地发展及使用情况，根据用地 仿真得到的预测区域的用地情况，可以用柬有效的预测未来规划区域用电量的发展 情况。用地仿真过程以土地使用性质为控制变量进行分区预测，通过建立用地仿真 模型柬模拟小区的未来发展情况。通过仿真得到的结果，即用户( 即土地使用) 类型 和区域负荷密度的情况，就可以预测负荷增长的地理位罨和数量大小。 用地仿真过程包括四步：空洲数据提取、数据模糊化、建立模糊舰| j j l j 库、模糊 推理及小区评分。 3 4 1 空间信患提取 空| - 白j 信息提取是在g i s 平台上进行的。将数字化后的城市地图分成若卜层如 公路层、交叉路口层、铁路层、居民层、工业用户层等，然后将预测区域进行小区 划分，得到的小区就是空问负荷预测的研究对象。小区负荷分布情况就是由小区自 身的空间信息推理得出的。 小区空间