一种面向城市可持续发展目标的自适应路径规划方法

本发明属于资源规划管理，具体涉及一种面向城市可持续发展目标的自适应路径规划方法。

背景技术：

1、可持续发展目标评价通常由多个一级目标以及隶属于各一级目标的若干二级指标构成。不同二级指标具有百分比、人数、浓度、金额、面积等不同量纲，且改善方向可能为正向或负向。区域规划还受到政策阈值、自然条件、历史变化速度和统计口径的共同限制，因而需要在统一分值空间与原始指标空间之间进行可靠映射。

2、现有方法多侧重于对历史状态进行静态评分，或者在给定目标下直接调用通用非线性优化器生成单一路径。当目标年份较近、目标指数较高或者部分指标接近边界时，直接优化容易进入不可行域，产生求解失败、第一规划年异常跳变、终端值越界或年度变化率冲突。若对每个规划年度和每个二级指标同时建立决策变量，决策维度还会随指标数量和规划年限相乘增长，造成耗时显著增加。

3、另一方面，规划使用者不仅需要一条均衡发展路径，还需要比较多个侧重情景。若简单要求侧重一级目标得分高于全部其他一级目标得分，会在某些区域或指标体系中引入不必要的硬冲突；若完全取消侧重约束，则各情景终点容易向同一均衡解收敛，导致路径分离度不足。因此，需要一种能够先识别侧重目标的可达极值，再在极值邻域内构造稳定终点的多情景方法。

4、此外，指标数量、一级目标数量、聚合方式和无数据目标均可能动态变化，固定维度或人工配置式的专用算法难以扩展。故亟需一种与指标体系规模解耦、可自动判定目标可达性并能逐路径核验的实现方案。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种面向城市可持续发展目标的自适应路径规划方法，该方法可解决现有技术在有限步数目标不可达时易求解失败、多情景路径分离度不足、全时域非线性优化计算量大以及路径约束缺少独立验证的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种面向城市可持续发展目标的自适应路径规划方法，包括以下步骤：

4、s1、获取待规划区域的分层指标体系配置、当前状态年份、请求目标指数、目标年份和各个二级指标的参数；所述二级指标的参数包括当前值、最好值、最差值、合法下界、合法上界、年度最小变化率及年度最大变化率；

5、s2、根据最好值和最差值将方向不同、量纲不同的二级指标映射到统一分值域，按照配置的聚合方式获得各个一级目标得分和当前总体指数；

6、s3、以二级指标的当前值为起点，根据年度最小变化率、年度最大变化率、合法下界和合法上界，逐年传播每个二级指标的可达区间，获得目标年份对应的终端可达区间；

7、s4、根据终端可达区间获得总体指数的最高可达值，当请求目标指数低于当前总体指数时输出输入错误，当请求目标指数高于最高可达值时将最高可达值确定为有效目标指数，否则将请求目标指数确定为有效目标指数；

8、s5、在一级目标得分的加权和等于有效目标指数且各个一级目标得分处于各自可达区间的约束下，以各个一级目标得分相对有效目标指数的离差为目标函数，求解均衡锚点；

9、s6、针对每一具有有效二级指标的一级目标，先在与步骤s5相同的有效目标约束下求解一级目标的最大得分，再保持一级目标得分位于最大得分的预设邻域内，并以相对均衡锚点的扰动最小为目标求解侧重终点；

10、s7、将均衡锚点和各个侧重终点反演为二级指标终端值，依据前向可达区间与从终端值反推的后向可达区间的交集，逐年选取可行二级指标值，形成均衡路径和多条侧重路径；

11、s8、分别校验每条路径的数值有限性、合法上下界、年度变化率和终点总体指数残差，并输出校验通过的一级目标路径、二级指标路径、总体指数路径和耦合协调度路径；

12、s9、若某条路径未通过校验，则记录路径对应的侧重一级目标序号及违规年度，并自动降级采用上一轮迭代的可行路径作为替补输出。

13、优选地，步骤s2的具体过程为：

14、s21、将二级指标映射到统一分值域，计算公式为：，其中，为第j个二级指标的原始值的标准化得分；j为二级指标序号，j=1,2,…,n，n为有效二级指标总数；为第j个二级指标的原始值；为第j个二级指标的最好值；为第j个二级指标的最差值，且不等于；π[0,100]为到闭区间[0,100]的投影算子，小于0的结果取0，大于100的结果取100；对于正向指标，>；对于负向指标，<；

15、s22、一级目标得分的计算公式为：，其中，为第g个一级目标得分；g为一级目标序号，g=1,2,…,k，k为具有至少一个有效二级指标的一级目标总数；为隶属于第g个一级目标的有效二级指标序号集合；为第j个二级指标的非负聚合权重；无有效二级指标的一级目标不进入k、总体指数和优化变量集合，并在输出中标记为暂无数据；

16、当前总体指数的计算公式为：，其中，s为当前总体指数；为第g个一级目标的规范化非负权重；各个之和为1。

17、优选地，步骤s3中，对第j个二级指标在第t年采用四端点乘积传播，令、，其中和分别为年度最小变化率和年度最大变化率，候选集合为：，其中，为第j个二级指标在第t年的四端点候选集合；和分别为第j个二级指标在第t-1年可达区间的下端与上端；和分别为第j个二级指标年度乘性因子的下端与上端；t为年份；

18、第t年的可达区间的计算公式为：，其中，和分别为第j个二级指标在第t年可达区间的下端和上端和分别为第j个二级指标的合法下界和合法上界；min(·)和max(·)分别为取最小值运算和取最大值运算；初始条件为，为第j个二级指标在当前状态年份的原始值。

19、优选地，步骤s4中，规划步数等于目标年份与当前状态年份之差，有效目标指数的计算公式为：，其中，t为规划步数；为用户设定的目标年份；为当前状态年份；为有效目标指数；为用户的请求目标指数；为规划步数t内的总体指数的最高可达值；

20、当t≤0时输出目标年份错误；当请求目标指数低于当前总体指数时输出目标指数低于当前总体指数的错误；其中，当前总体指数为由当前状态计算得到的总体指数。

21、优选地，步骤s5中，均衡锚点的计算公式为：，，其中，b为均衡锚点；s为一级目标终端得分向量；和分别为第g个一级目标的终端可达得分下界和上界。

22、优选地，步骤s6中，对第k个一级目标采用两阶段字典序求解，第一阶段为：，第一阶段采用与步骤s5相同的一级目标可达得分边界约束和有效目标指数等式约束；第二阶段为：，，其中，k为当前侧重的一级目标序号，k∈{1,2,…,k}；为第k个一级目标在有效目标指数约束下的最高可达得分；为第k个一级目标的终端得分；为第k个一级目标的极值邻域稳定终点向量；为均衡锚点的第g个一级目标分量；ε为非负的极值邻域容差；第二阶段不设置高于全部其他一级目标得分的强制支配约束。

23、优选地，步骤s6中，可调分离度的第k个侧重终点的计算公式为：，其中，为第k个一级目标的侧重终点；为路径分离系数；由于b与均位于同一有效目标超平面，保持总体指数等于。

24、优选地，步骤s7中，对每个二级指标先保存从当前值正向传播得到的各年度可达区间，再从终端值按照年度变化率反向传播得到各年度后向可达区间；在对应年度的正向可达区间、后向可达区间及合法上下界的交集中，按照预设平滑进度选取年度值；侧重一级目标所属的二级指标与非侧重一级目标所属的二级指标采用相反的进度偏置，用于增强侧重路径在时间轴上的可辨识度。

25、优选地，步骤s8中，耦合度、协调综合指数及耦合协调度的计算公式为：，其中，为耦合度；为第g个一级目标得分的无量纲归一化值，，且0≤≤1；为协调综合指数；d为耦合协调度。

26、采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：第一，本发明通过将高维全时域优化分解为终端可达区间传播、低维一级目标分配和解析路径重构，能够显著减少通用非线性优化器处理的变量数量；第二，本发明通过四端点乘积传播在正式求解前精确判定有限步数可达性，不可达时自动给出最高可达边界解，有利于避免长时间失败迭代；第三，本发明采用侧重极值与极值邻域稳定化的两阶段方法，能够在不引入全局支配冲突的情况下保持多情景分离度；第四，本发明通过正向和后向可达区间交集生成路径，有利于避免第一规划年异常跳变；第五，本发明采用独立约束校验和结构化诊断，能够提高结果可信度及系统可维护性；第六，本发明支持动态指标体系和无数据目标，便于扩展到不同区域。