استفاده از مدل تركيبي سامانه اطلاعات جغرافيايي سه بعدي و الگوريتم كلوني مورچگان در بهينه‌ سازي پوشش سايه درختان

پيشينه و هدف يكي از روش‌ هاي كاهش جذب تشعشعات خورشيدي و جلوگيري از ايجاد جزاير حرارتي شهري، افزايش سايه توسط پوشش گياهي است. به خصوص ايجاد سايه بر ساختمان ‌ها كه موجب خنك شدن خانه ‌ها، كاهش مصرف انرژي و هزينه ‌ها، افزايش ارزش خانه ‌ها، ايجاد جلوه بصري مناسب و حس خوبي و سرزندگي مي ‌شود. هر چند از نظر اقتصادي ميزان صرفه‌جويي رخ ‌داده در اثر سايه و خنك شدن هوا براي يك درخت در طول عمر آن در نواحي آب ‌و هوايي مختلف، متفاوت بوده و بستگي به نوع درخت، ميزان سايه ‌گستري آن در طول روز و در فصول مختلف سال دارد، اما اثر آن در صرفه‌ جويي مصرف انرژي و هزينه ‌ها قطعي است. موضوع تحقيق حاضر برنامه ‌ريزي استراتژيك در خصوص افزايش پوشش سايه درختان در مناطق مسكوني شهري است. روشي ساده براي ايجاد سايه فراوان كاشت درختان متعدد در اطراف ساختمان‌ ها است. اما اين روش در بسياري از مناطق كه با مشكل كمبود آب مواجه ‌اند، به دليل هزينه‌ هاي زياد آن غير عملي است. ضمن آن ‌كه وجود سايه ‌هاي اضافي بر سطح بام ساختمان، موجب كاهش قابليت در معرض تابش پرتوي خورشيد قرار گرفتن بر سطح بام ساختمان ‌ها و كاهش پتانسيل استفاده از پانل‌ هاي خورشيدي بر سطح بام براي توليد الكتريسيته خواهد شد. اما چالش اصلي دست‌ يابي به بيشترين مزاياي سايه با استفاده از روشي است كه بتواند با تعداد كمي درخت در نقاطي بهينه، پوشش سايه بيشينه بر سطح نما و پوشش سايه كمينه بر سطح بام را فراهم آورد. موضوع مكان ‌يابي موقعيت درختان با هدف بهينه ‌سازي پوشش سايه، يعني بيشينه نمودن پوشش سايه بر سطح نما، درب و پنجره و كمينه نمودن پوشش سايه بر سطح بام، يك مسئله غيرقطعي سخت است و راه‌حل دقيق و قطعي ندارد. لذا از سيستم اطلاعات جغرافيايي سه ‌بعدي و الگوريتم كلوني مورچه ‌ها براي اين منظور استفاده‌ شده است. در پژوهش ‌هاي گذشته شده اغلب اثرات سايه پوشش درخت بر يك ساختمان منفرد موردبررسي قرارگرفته است؛ درحالي‌كه در اين پژوهش به ‌جاي يك ساختمان منفرد يك بلوك ساختماني، شامل چندين ساختمان متصل به يكديگر، موردبررسي قرار مي ‌گيرد. زيرا در اكثر شهرهاي ايران، ساختمان ‌ها به هم چسبيده و تشكيل بلوك ساختماني را مي ‌دهند. ضمن اين ‌كه در بيشتر پژوهش‌ هاي پيشين، اثر پوشش سايه حداكثر دو درخت بر روي ساختمان مورد بررسي قرارگرفته است؛ در حالي‌ كه در اين پژوهش اثر پوشش سايه 15 اصله درخت را بر روي بلوك ساختماني بررسي مي ‌نماييم. در هيچ‌يك پژوهش ‌هاي انجام‌ شده بهينه ‌سازي پوشش سايه درختان بر سطح نماي ساختمان از روش بهينه‌ سازي فراابتكاري و تركيب آن با GIS استفاده ‌نشده است. در اين پژوهش با رويكردي تركيبي از GIS در يك محيط سه ‌بعدي و روش‌ فراابتكاري ACO در مكان ‌يابي استراتژيك تعداد مختلف درختان، با هدف بيشينه نمودن پوشش سايه درختان بر سطح نماي ساختمان‌ ها و كمينه نمودن پوشش سايه درختان بر سطح بام استفاده مي ‌شود. مواد و روش هابراي انجام تحليل ‌ها دو نوع داده موردنياز است. يكي مشخصات بلوك ساختماني، براي مثال: ابعاد، موقعيت و اندازه نما، بام، درب و پنجره ‌ها و ديگري مشخصات درخت (ارتفاع و موقعيت). براي مدل ‌سازي مسئله بهينه ‌سازي پوشش سايه درختان از GIS سه ‌بعدي و الگوريتم ACO استفاده ‌شده است. GIS سه ‌بعدي قابليت ذخيره ‌سازي، تجزيه ‌و تحليل و ايجاد توپولوژي سه ‌بعدي را فراهم نموده و ACO نيز براي خلاصه ‌سازي شرايط دنياي واقعي در يك مسئله رياضي استفاده ‌شده است. براي ذخيره ‌سازي اطلاعات مكاني و استخراج سطح پوشش، توپولوژي مكاني از GIS و قواعد مثلثاتي استفاده ‌شده است. پس از ذخيره ‌سازي موقعيت، تركيب و اطلاعات توصيفي اشيا دو بعدي و سه ‌بعدي توسط داده ‌هاي توپولوژيكي، براي استخراج موقعيت سايه، ازنظر دافيه و بِكمن در 2013 استفاده ‌شده است. سپس با توجه به نظر چرچ و ريوله مسئله مكان ‌يابي پوشش حداكثري تعريف ‌شده است. براي بهينه ‌سازي مكاني سه ‌بعدي به 3 دليل ذيل از روش ACO استفاده مي ‌شود. دليل اول مبتني بر استفاده از قواعد مثلثاتي پيچيده فوق ‌الذكر در محاسبه پوشش سايه بر روي ساختمان‌ هاي مختلف و به خصوص استفاده از مدل سه ‌بعدي پيچيده و با جزئيات كامل براي درخت و بلوك ساختماني است. دليل دوم مبتني بر عدم وجود روشي قطعي براي حل اين مسئله بهينه ‌سازي با توجّه به قيود غيرخطي شامل توابع مثلثاتي و دليل سوم مبتني بر وجود فضاي پيوسته اطراف بلوك ساختماني است كه در هر مكاني امكان قرارگيري درخت وجود دارد و لذا منجر به بي ‌نهايت تركيب از ترتيب چند درخت در فضاي ممكن براي بررسي مسئله مي‌ گردد. جزئيات مراحل عبارت‌اند از؛ 1) تعريف مجموعه مكان ‌هاي ممكن براي درخت بر اساس ارتفاع، قطر تاج، محوطه پيراموني و چشم‌ انداز بيروني بلوك ساختماني. 2) استفاده از روشي براي قرارگيري اولين درخت در تمام مكان‌ هاي ممكن اطراف بلوك ساختماني در طي ساعات گرم در روزهاي مشخصي از فصل تابستان و محاسبه بيشترين پوشش سايه بر روي بلوك ساختماني بر اساس وزن اجزا ساختمان. 3) حذف مكان‌ هاي ممكن قرار گرفته در تاج درخت به‌ منظور جلوگيري از همپوشاني تاج درختان و 4) تكرار مراحل 2 و 3 براي قرارگيري درختان بعدي در مكان ‌هاي ممكن اطراف بلوك ساختماني تا زماني كه تعداد درختان به تعداد درختان مورد نظر براي ايجاد سايه برسد. با توجه به اين‌كه بي ‌نهايت مكان ممكن، يك مرحله ساده‌سازي و محدود كردن تعداد مكان‌ هاي ممكن ضروري است. براي اين منظور، فضاي پيوسته به مجموعه مكان ممكن براي قرارگيري Ni درخت بافاصله 2 متري در راستاي شمالجنوب و شرقغرب خلاصه ‌شده است. ضمن آن‌كه به ‌منظور استفاده از روشنايي روز در ساختمان، امكان ديد به بيرون از داخل ساختمان و امكان رفت ‌و آمد از درب ‌ها مكان‌ هاي ممكن روبروي درب ‌ها و پنجره‌ ها حذف ‌شده است. براي پرهيز از ايجاد سايه غيرضروري در بام، حداقل فاصله 2 متر درختان تا ساختمان در نظر گرفته شد. نتايج و بحث براي بهينه ‌سازي پوشش سايه درختان با استفاده از الگوريتم بهينه ‌سازي كلوني مورچه ‌ها از محيط متلبMATLAB  استفاده شد. براي اين منظور ابتداي مدل بلوك ساختماني مورد بررسي شامل طول، عرض، ارتفاع، در قالب ساختاري تعريف ‌شده كه داراي ماتريس ‌هاي مجزايي براي نماي شمالي، شرقي، جنوبي و غربي بلوك ساختماني است. براي تعريف بام بلوك ساختماني نيز ماتريس ديگري استفاده شد. هر عنصر از ماتريس‌هاي مذكور معادل cm 10× 10 از سطح بلوك ساختماني و داراي مقدار صفر است. براي مدل ‌سازي ابعاد و محل قرارگيري درب و پنجره‌ ها در هر نما، ساختاري ديگر شامل ماتريس‌ هاي مجزا براي هر نما تعريف ‌شده است كه مقدار عناصر ماتريس در محل قرارگيري درب و پنجره‌ ها برابر يك است. مدل درخت غالب منطقه، شامل ارتفاع و شعاع تاج درخت نيز تعريف گرديد. مشخصات خورشيد در منطقه مورد مطالعه، شامل آزيموت و ارتفاع خورشيد در روزهاي مورد مطالعه در بازه‌ هاي زماني 15 دقيقه ‌اي از ساعت 9 تا 15 استفاده قرار گرفت. پس از قرارگيري درخت در هر يك از مكان‌ هاي ممكن و حركت خورشيد، سايه‌ ايجاد شده درختان بر هر نقطه از اجزاي ساختمان، موجب تغيير مقدار عنصر ماتريس معادل آن نقطه از صفر به يك مي‌گردد. مجموع مقادير عناصر ماتريس، ميزان سايه ايجاد شده توسط درخت را بر هريك از اجزاي ساختمان را مشخص مي‌ كند. مجموع حاصل‌ ضرب نقطه ‌اي عناصر ماتريس درب و پنجره‌ ها در عناصر ماتريس نما، مقدار سايه ايجاد شده بر درب و پنجره‌ ها را مشخص مي‌ كند. براي بيشينه ‌سازي پوشش سايه درختان بر سطح نما، درب/پنجره ‌ها و كمينه ‌سازي پوشش سايه بر سطح بام، تابع هدف تعريف و از الگوريتم ACO استفاده ‌شده است. نتايج حاصل از روش ACO نشان مي ‌دهد حالت بهينه پوشش سايه درخت/درختان بر روي بلوك ساختماني، كه بيشترين سايه را بر روي نما و درب و پنجره‌ ها و كمترين سايه را بر روي بام ايجاد نمايد، بستگي زيادي به تعداد درختان و موقعيت درب و پنجره ‌ها در نماي بلوك ساختماني دارد. به ‌طور كلي با افزايش تعداد درختان، ميزان سايه ايجاد شده بر اجزاي بلوك ساختماني افزايش مي ‌يابد. نتيجه گيري نتايج حاصل روش ACO نشان داد كه براي ساختماني، در يك منطقه در نيمكره شمالي، درختان در شمال ساختمان تأثيري در ايجاد سايه بر اجزاي ساختمان ندارند. با توجه به اين‌كه در مناطق خشك و گرمسيري محدوديت در كاشت درختان وجود دارد، يافتن موقعيت مناسب براي درختان نقش بسزايي در بهينه‌ سازي پوشش سايه بر اجزاي ساختمان دارد. با توجه به ميزان انتقال گرمايي بالا از طريق درب و پنجره ‌ها نسبت به ‌نما و بام، و وزن بيشتر در نظر گرفته ‌شده براي اين اجزا در تابع هدف، يافتن موقعيت ‌هاي بهينه درختان بستگي زيادي به موقعيت درب و پنجره‌ ها در ساختمان دارد؛ تا بيشترين سايه را بر اين اجزا ايجاد نمايند. براي بلوك ساختماني با تعداد و ابعاد ساختمان ‌هاي مفروض در پژوهش و با توجه به ابعاد و موقعيت درب و پنجره ‌ها، كاشت يك درخت دريكي از موقعيت ‌هاي K10، K16، K22 يا K28 كه هر يك در فاصله 2 متري جنوب ساختمان و در حد وسط دو پنجره قرار دارد، بهينه ‌ترين سايه را ايجاد مي ‌نمايد. اين درخت به‌ طور ميانگين از ساعت 9 تا 15 در چهار روز مورد بررسي، بر كل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتيب 7.48، 9.22 و 0.85 درصد سايه ايجاد مي ‌كند. در حالتي كه كاشت دو درخت مدنظر باشد، بازهم دو موقعيت از موقعيت ‌هاي K10، K16، K22 يا K28 بهينه ‌ترين سايه را ايجاد مي ‌نمايد. اين دو درخت به‌ طور ميانگين از ساعت 9 تا 15 در چهار روز موردبررسي، بر كل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتيب 13.88، 18.64 و 1.69 درصد سايه ايجاد مي ‌كنند. در حالت سه درخت موقعيت‌ هاي K8، K18 و K22، در حالت چهار درخت موقعيت‌ هاي K14، K20، K26 و K32، در حالت پنج درخت موقعيت‌ هاي K8، K14، K20، K26 و K32 بهينه ‌ترين سايه را ايجاد مي‌ كنند. اين موقعيت‌ ها در فاصله 2 متري جنوب ساختمان قرار دارند. در حالت سه درخت به ‌طور ميانگين از ساعت 9 تا 15 در چهار روز موردبررسي، بر كل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتيب 21.07، 28.54 و 2.54 درصد، در حالت چهار درخت بر كل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتيب 24.96، 35.36 و 3.39 درصد و در حالت پنج درخت بر كل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتيب 33.26، 44.70 و 3.95 درصد، سايه ايجاد مي‌شود. با كاشت پنج درخت بيش از 88 درصد نماي جنوبي و بيش از 90 درصد درب/پنجره ‌هاي نماي جنوبي ساختمان تحت پوشش سايه قرار مي ‌گيرد. اما با توجه به هدف بهينه ‌سازي سايه بر ساختمان و وزن بيشتر درب و پنجره ‌ها، روش ACO موقعيت درختان را به‌ گونه ‌اي بهينه يابي كرده است كه سطح بيشتري از درب و پنجره‌ها در معرض سايه قرار بگيرد. با توجه به اين‌كه در حالت پنج درخت، 90 درصد نماي جنوبي در سايه درختان قرار گرفت، در حالت شش درخت علاوه بر نماي جنوبي، نماهاي شرقي و غربي نيز براي كاشت درخت در نظر گرفته شد. به ‌طوري‌كه موقعيت ‌هاي K8، K14، K20 و K30 در فاصله دو متري نماي جنوبي و موقعيت H2 در فاصله 2 متري نماي غربي و موقعيت H36 در فاصله 2 متري نماي شرقي برگزيده شد. اين درختان به ‌طور ميانگين از ساعت 9 تا 15 در چهار روز موردبررسي، بر روي نما، درب/پنجره‌هاي و بام به ترتيب 33.95، 42.29 و 3.64 درصد سايه ايجاد مي ‌كند.