استفاده از مدل ترکیبی سامانه اطلاعات جغرافیایی سه بعدی و الگوریتم کلونی مورچگان در بهینه سازی پوشش سایه درختان

 یکی از روش‌ های کاهش جذب تشعشعات خورشیدی و جلوگیری از ایجاد جزایر حرارتی شهری، افزایش سایه توسط پوشش گیاهی است. به خصوص ایجاد سایه بر ساختمان ‌ها که موجب خنک شدن خانه ‌ها، کاهش مصرف انرژی و هزینه ‌ها، افزایش ارزش خانه ‌ها، ایجاد جلوه بصری مناسب و حس خوبی و سرزندگی می ‌شود. هر چند از نظر اقتصادی میزان صرفه‌جویی رخ ‌داده در اثر سایه و خنک شدن هوا برای یک درخت در طول عمر آن در نواحی آب ‌و هوایی مختلف، متفاوت بوده و بستگی به نوع درخت، میزان سایه ‌گستری آن در طول روز و در فصول مختلف سال دارد، اما اثر آن در صرفه‌ جویی مصرف انرژی و هزینه ‌ها قطعی است. موضوع تحقیق حاضر برنامه ‌ریزی استراتژیک در خصوص افزایش پوشش سایه درختان در مناطق مسکونی شهری است. روشی ساده برای ایجاد سایه فراوان کاشت درختان متعدد در اطراف ساختمان‌ ها است. اما این روش در بسیاری از مناطق که با مشکل کمبود آب مواجه ‌اند، به دلیل هزینه‌ های زیاد آن غیر عملی است. ضمن آن ‌که وجود سایه ‌های اضافی بر سطح بام ساختمان، موجب کاهش قابلیت در معرض تابش پرتوی خورشید قرار گرفتن بر سطح بام ساختمان ‌ها و کاهش پتانسیل استفاده از پانل‌ های خورشیدی بر سطح بام برای تولید الکتریسیته خواهد شد. اما چالش اصلی دست‌ یابی به بیشترین مزایای سایه با استفاده از روشی است که بتواند با تعداد کمی درخت در نقاطی بهینه، پوشش سایه بیشینه بر سطح نما و پوشش سایه کمینه بر سطح بام را فراهم آورد. موضوع مکان ‌یابی موقعیت درختان با هدف بهینه ‌سازی پوشش سایه، یعنی بیشینه نمودن پوشش سایه بر سطح نما، درب و پنجره و کمینه نمودن پوشش سایه بر سطح بام، یک مسئله غیرقطعی سخت است و راه‌حل دقیق و قطعی ندارد. لذا از سیستم اطلاعات جغرافیایی سه ‌بعدی و الگوریتم کلونی مورچه ‌ها برای این منظور استفاده‌ شده است. در پژوهش ‌های گذشته شده اغلب اثرات سایه پوشش درخت بر یک ساختمان منفرد موردبررسی قرارگرفته است؛ درحالی‌که در این پژوهش به ‌جای یک ساختمان منفرد یک بلوک ساختمانی، شامل چندین ساختمان متصل به یکدیگر، موردبررسی قرار می ‌گیرد. زیرا در اکثر شهرهای ایران، ساختمان ‌ها به هم چسبیده و تشکیل بلوک ساختمانی را می ‌دهند. ضمن این ‌که در بیشتر پژوهش‌ های پیشین، اثر پوشش سایه حداکثر دو درخت بر روی ساختمان مورد بررسی قرارگرفته است؛ در حالی‌ که در این پژوهش اثر پوشش سایه 15 اصله درخت را بر روی بلوک ساختمانی بررسی می ‌نماییم. در هیچ‌یک پژوهش ‌های انجام‌ شده بهینه ‌سازی پوشش سایه درختان بر سطح نمای ساختمان از روش بهینه‌ سازی فرا-ابتکاری و ترکیب آن با GIS استفاده ‌نشده است. در این پژوهش با رویکردی ترکیبی از GIS در یک محیط سه ‌بعدی و روش‌ فرا-ابتکاری ACO در مکان ‌یابی استراتژیک تعداد مختلف درختان، با هدف بیشینه نمودن پوشش سایه درختان بر سطح نمای ساختمان‌ ها و کمینه نمودن پوشش سایه درختان بر سطح بام استفاده می ‌شود.

برای انجام تحلیل ‌ها دو نوع داده موردنیاز است. یکی مشخصات بلوک ساختمانی، برای مثال: ابعاد، موقعیت و اندازه نما، بام، درب و پنجره ‌ها و دیگری مشخصات درخت (ارتفاع و موقعیت). برای مدل ‌سازی مسئله بهینه ‌سازی پوشش سایه درختان از GIS سه ‌بعدی و الگوریتم ACO استفاده ‌شده است. GIS سه ‌بعدی قابلیت ذخیره ‌سازی، تجزیه ‌و تحلیل و ایجاد توپولوژی سه ‌بعدی را فراهم نموده و ACO نیز برای خلاصه ‌سازی شرایط دنیای واقعی در یک مسئله ریاضی استفاده ‌شده است. برای ذخیره ‌سازی اطلاعات مکانی و استخراج سطح پوشش، توپولوژی مکانی از GIS و قواعد مثلثاتی استفاده ‌شده است. پس از ذخیره ‌سازی موقعیت، ترکیب و اطلاعات توصیفی اشیا دو بعدی و سه ‌بعدی توسط داده ‌های توپولوژیکی، برای استخراج موقعیت سایه، ازنظر دافیه و بکمن در 2013 استفاده ‌شده است. سپس با توجه به نظر چرچ و ریوله مسئله مکان ‌یابی پوشش حداکثری تعریف ‌شده است. برای بهینه ‌سازی مکانی سه ‌بعدی به 3 دلیل ذیل از روش ACO استفاده می ‌شود. دلیل اول مبتنی بر استفاده از قواعد مثلثاتی پیچیده فوق ‌الذکر در محاسبه پوشش سایه بر روی ساختمان‌ های مختلف و به خصوص استفاده از مدل سه ‌بعدی پیچیده و با جزییات کامل برای درخت و بلوک ساختمانی است. دلیل دوم مبتنی بر عدم وجود روشی قطعی برای حل این مسئله بهینه ‌سازی با توجه به قیود غیرخطی شامل توابع مثلثاتی و دلیل سوم مبتنی بر وجود فضای پیوسته اطراف بلوک ساختمانی است که در هر مکانی امکان قرارگیری درخت وجود دارد و لذا منجر به بی ‌نهایت ترکیب از ترتیب چند درخت در فضای ممکن برای بررسی مسئله می‌ گردد. جزییات مراحل عبارت‌اند از؛ 1) تعریف مجموعه مکان ‌های ممکن برای درخت بر اساس ارتفاع، قطر تاج، محوطه پیرامونی و چشم‌ انداز بیرونی بلوک ساختمانی. 2) استفاده از روشی برای قرارگیری اولین درخت در تمام مکان‌ های ممکن اطراف بلوک ساختمانی در طی ساعات گرم در روزهای مشخصی از فصل تابستان و محاسبه بیشترین پوشش سایه بر روی بلوک ساختمانی بر اساس وزن اجزا ساختمان. 3) حذف مکان‌ های ممکن قرار گرفته در تاج درخت به‌ منظور جلوگیری از همپوشانی تاج درختان و 4) تکرار مراحل 2 و 3 برای قرارگیری درختان بعدی در مکان ‌های ممکن اطراف بلوک ساختمانی تا زمانی که تعداد درختان به تعداد درختان مورد نظر برای ایجاد سایه برسد. با توجه به این‌که بی ‌نهایت مکان ممکن، یک مرحله ساده‌سازی و محدود کردن تعداد مکان‌ های ممکن ضروری است. برای این منظور، فضای پیوسته به مجموعه مکان ممکن برای قرارگیری Ni درخت بافاصله 2 متری در راستای شمال-جنوب و شرق-غرب خلاصه ‌شده است. ضمن آن‌که به ‌منظور استفاده از روشنایی روز در ساختمان، امکان دید به بیرون از داخل ساختمان و امکان رفت ‌و آمد از درب ‌ها مکان‌ های ممکن روبروی درب ‌ها و پنجره‌ ها حذف ‌شده است. برای پرهیز از ایجاد سایه غیرضروری در بام، حداقل فاصله 2 متر درختان تا ساختمان در نظر گرفته شد.

 برای بهینه ‌سازی پوشش سایه درختان با استفاده از الگوریتم بهینه ‌سازی کلونی مورچه ‌ها از محیط متلبMATLAB  استفاده شد. برای این منظور ابتدای مدل بلوک ساختمانی مورد بررسی شامل طول، عرض، ارتفاع، در قالب ساختاری تعریف ‌شده که دارای ماتریس ‌های مجزایی برای نمای شمالی، شرقی، جنوبی و غربی بلوک ساختمانی است. برای تعریف بام بلوک ساختمانی نیز ماتریس دیگری استفاده شد. هر عنصر از ماتریس‌های مذکور معادل cm 10× 10 از سطح بلوک ساختمانی و دارای مقدار صفر است. برای مدل ‌سازی ابعاد و محل قرارگیری درب و پنجره‌ ها در هر نما، ساختاری دیگر شامل ماتریس‌ های مجزا برای هر نما تعریف ‌شده است که مقدار عناصر ماتریس در محل قرارگیری درب و پنجره‌ ها برابر یک است. مدل درخت غالب منطقه، شامل ارتفاع و شعاع تاج درخت نیز تعریف گردید. مشخصات خورشید در منطقه مورد مطالعه، شامل آزیموت و ارتفاع خورشید در روزهای مورد مطالعه در بازه‌ های زمانی 15 دقیقه ‌ای از ساعت 9 تا 15 استفاده قرار گرفت. پس از قرارگیری درخت در هر یک از مکان‌ های ممکن و حرکت خورشید، سایه‌ ایجاد شده درختان بر هر نقطه از اجزای ساختمان، موجب تغییر مقدار عنصر ماتریس معادل آن نقطه از صفر به یک می‌گردد. مجموع مقادیر عناصر ماتریس، میزان سایه ایجاد شده توسط درخت را بر هریک از اجزای ساختمان را مشخص می‌ کند. مجموع حاصل‌ ضرب نقطه ‌ای عناصر ماتریس درب و پنجره‌ ها در عناصر ماتریس نما، مقدار سایه ایجاد شده بر درب و پنجره‌ ها را مشخص می‌ کند. برای بیشینه ‌سازی پوشش سایه درختان بر سطح نما، درب/پنجره ‌ها و کمینه ‌سازی پوشش سایه بر سطح بام، تابع هدف تعریف و از الگوریتم ACO استفاده ‌شده است. نتایج حاصل از روش ACO نشان می ‌دهد حالت بهینه پوشش سایه درخت/درختان بر روی بلوک ساختمانی، که بیشترین سایه را بر روی نما و درب و پنجره‌ ها و کمترین سایه را بر روی بام ایجاد نماید، بستگی زیادی به تعداد درختان و موقعیت درب و پنجره ‌ها در نمای بلوک ساختمانی دارد. به ‌طور کلی با افزایش تعداد درختان، میزان سایه ایجاد شده بر اجزای بلوک ساختمانی افزایش می ‌یابد.

نتایج حاصل روش ACO نشان داد که برای ساختمانی، در یک منطقه در نیمکره شمالی، درختان در شمال ساختمان تاثیری در ایجاد سایه بر اجزای ساختمان ندارند. با توجه به این‌که در مناطق خشک و گرمسیری محدودیت در کاشت درختان وجود دارد، یافتن موقعیت مناسب برای درختان نقش بسزایی در بهینه‌ سازی پوشش سایه بر اجزای ساختمان دارد. با توجه به میزان انتقال گرمایی بالا از طریق درب و پنجره ‌ها نسبت به ‌نما و بام، و وزن بیشتر در نظر گرفته ‌شده برای این اجزا در تابع هدف، یافتن موقعیت ‌های بهینه درختان بستگی زیادی به موقعیت درب و پنجره‌ ها در ساختمان دارد؛ تا بیشترین سایه را بر این اجزا ایجاد نمایند. برای بلوک ساختمانی با تعداد و ابعاد ساختمان ‌های مفروض در پژوهش و با توجه به ابعاد و موقعیت درب و پنجره ‌ها، کاشت یک درخت دریکی از موقعیت ‌های K10، K16، K22 یا K28 که هر یک در فاصله 2 متری جنوب ساختمان و در حد وسط دو پنجره قرار دارد، بهینه ‌ترین سایه را ایجاد می ‌نماید. این درخت به‌ طور میانگین از ساعت 9 تا 15 در چهار روز مورد بررسی، بر کل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتیب 7.48، 9.22 و 0.85 درصد سایه ایجاد می ‌کند. در حالتی که کاشت دو درخت مدنظر باشد، بازهم دو موقعیت از موقعیت ‌های K10، K16، K22 یا K28 بهینه ‌ترین سایه را ایجاد می ‌نماید. این دو درخت به‌ طور میانگین از ساعت 9 تا 15 در چهار روز موردبررسی، بر کل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتیب 13.88، 18.64 و 1.69 درصد سایه ایجاد می ‌کنند. در حالت سه درخت موقعیت‌ های K8، K18 و K22، در حالت چهار درخت موقعیت‌ های K14، K20، K26 و K32، در حالت پنج درخت موقعیت‌ های K8، K14، K20، K26 و K32 بهینه ‌ترین سایه را ایجاد می‌ کنند. این موقعیت‌ ها در فاصله 2 متری جنوب ساختمان قرار دارند. در حالت سه درخت به ‌طور میانگین از ساعت 9 تا 15 در چهار روز موردبررسی، بر کل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتیب 21.07، 28.54 و 2.54 درصد، در حالت چهار درخت بر کل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتیب 24.96، 35.36 و 3.39 درصد و در حالت پنج درخت بر کل نما، درب/پنجره‌ها و بام ساختمان به ترتیب 33.26، 44.70 و 3.95 درصد، سایه ایجاد می‌شود. با کاشت پنج درخت بیش از 88 درصد نمای جنوبی و بیش از 90 درصد درب/پنجره ‌های نمای جنوبی ساختمان تحت پوشش سایه قرار می ‌گیرد. اما با توجه به هدف بهینه ‌سازی سایه بر ساختمان و وزن بیشتر درب و پنجره ‌ها، روش ACO موقعیت درختان را به‌ گونه ‌ای بهینه یابی کرده است که سطح بیشتری از درب و پنجره‌ها در معرض سایه قرار بگیرد. با توجه به این‌که در حالت پنج درخت، 90 درصد نمای جنوبی در سایه درختان قرار گرفت، در حالت شش درخت علاوه بر نمای جنوبی، نماهای شرقی و غربی نیز برای کاشت درخت در نظر گرفته شد. به ‌طوری‌که موقعیت ‌های K8، K14، K20 و K30 در فاصله دو متری نمای جنوبی و موقعیت H2 در فاصله 2 متری نمای غربی و موقعیت H36 در فاصله 2 متری نمای شرقی برگزیده شد. این درختان به ‌طور میانگین از ساعت 9 تا 15 در چهار روز موردبررسی، بر روی نما، درب/پنجره‌های و بام به ترتیب 33.95، 42.29 و 3.64 درصد سایه ایجاد می ‌کند.