Περιεχόμενα. Συστήματα Υποστήριξης Σχεδιασμού: Η Περίπτωση των Κυψελοειδών Αυτόματων

Transcript

1

2 Περιεχόμενα Πρόλογος... 3 Περίληψη... 4 Abstract... 4 Εισαγωγή... 5 Μοντέλα χρήσεων γης και Συστήματα Υποστήριξης Σχεδιασμού (Σ.Υ.Σ.)... 7 Ιστορική Αναδρομή... 7 Κριτική των μοντέλων Γενική περιγραφή περιεχόμενου των Σ.Υ.Σ. και προσεγγίσεων προσομοίωσης Κυψελοειδή Αυτόματα Ιστορική προσέγγιση Χρήση των Cellular Automata στην μελέτη της αστικής ανάπτυξης Μετασχηματισμοί στα κυψελοειδή αυτόματα Μέτρηση της απόδοσης και της συμπεριφοράς των μοντέλων Βαθμονόμηση του μοντέλου Προβλήματα κατά τη μέτρηση της απόδοσης και της βαθμονόμησης του μοντέλου Κέντρα ανάπτυξης αστικών μοντέλων προσομοίωσης παγκοσμίως και το παράδειγμα της Ε.Ε Κέντρα ανάπτυξης αστικών μοντέλων προσομοίωσης Moland, το εργαλείο χωρικού σχεδιασμού της Ευρωπαϊκής Ένωσης Θεωρητική Βάση Διάρθρωση του MOLAND Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

3 Περιεχόμενα Πινάκων Πίνακας 1. Παράλληλη εξέλιξη των Πόλεων, του Σχεδιασμού και τον Μοντέλων... 7 Πίνακας 2. Κατηγοριοποίηση των προτύπων από τον Wolfram Πίνακας 3. Διαφοροποιήσεις των κυψελοειδών αυτόματων μοντέλων Περιεχόμενα Σχημάτων Σχήμα 1. Λειτουργία υποθετικού συστήματος υποστήριξης σχεδιασμού.15 Σχήμα 2. Χωρική αλληλεπίδραση...16 Σχήμα 3. Γραμμικός προγραμματισμός (Linear programming) ανακατανομή χρήσεων γης...17 Σχήμα 4. Μοντελοποίηση με διακριτές επιλογές..17 Περιεχόμενα Εικόνων Εικόνα 1. Γειτονίες κατά Von Neumann και Moore Εικόνα 2. Σχηματοποιημένοι κανόνες από το Game of life του Conway Εικόνα 3. Τυπική συμπεριφορά για κάθε μία από τις τέσσερις κλάσεις του Wolfram...23 Εικόνα 4. Κατηγοριοποίηση των μοντέλων από τον Tobler Εικόνα 5. Η επίδραση της γειτονίας ανάλογα με την απόσταση Εικόνα 6. Χάρτης των ενεργών κέντρων ανάπτυξης αστικών μοντέλων προσομοίωσης

4 Πρόλογος Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της ερευνητικής εργασίας που απαιτείται για την ολοκλήρωση των σπουδών του Μηχανικού Χωροταξίας και Ανάπτυξης. Ορισμένες συγκυρίες και παράγοντες με επηρέασαν ώστε να επιλέξω να αναπτύξω το συγκεκριμένο θέμα στην ερευνητική μου εργασία. Πρώτη τριβή με το αντικείμενο των κυψελοειδών αυτόματων προήλθε από την τυχαία παρακολούθηση μιας έρευνας στον τομέα της φυσικής. Σε μικρό διάστημα από την πρώτη επαφή μου με τα κυψελοειδή αυτόματα, έτυχε η παρακολούθηση παρουσίασης μίας εφαρμογής των κυψελοειδών αυτόματων στον τομέα της πολεοδομίας. Το ενδιαφέρον μου για το αντικείμενο ενισχύθηκε με αποτέλεσμα να διερευνήσω κατά πόσο το αντικείμενο αυτό διδασκόταν στη σχολή μας. Η κ. Ποζουκίδου ήταν η πρώτη που ρώτησα και έτυχε να ασχολείται με το αντικείμενο. Η βιβλιογραφία που μου έδωσε με οδήγησε στο να αναλάβω το θέμα. Σημαντικό κίνητρο για την επιλογή του συγκεκριμένου θέματος ήταν η απουσία μαθημάτων, από το πρόγραμμα σπουδών, που να σχετίζονται με το αντικείμενο και το ενδιαφέρον μου να αναζητήσω τομείς πέρα από τους καθιερωμένους. Η εμπειρία που αποκόμισα μέσα από την εκπόνηση της ερευνητικής εργασίας ήταν αφενός η εξοικείωση μου με την αναζήτηση και τη διαχείριση της ακαδημαϊκής βιβλιογραφίας, αφετέρου η κατανόηση του ρόλου των ΣΥΣ, της λειτουργίας τους αλλά και των δυνατοτήτων τους. Το θέμα της εργασίας είναι «Συστήματα Υποστήριξης Σχεδιασμού: Η Περίπτωση των Κυψελοειδών Αυτόματων». 3

5 Περίληψη Η εργασία πραγματεύεται την ιστορική εξέλιξη των αστικών μοντέλων προσομοίωσης, την κριτική που τους ασκήθηκε και τον ρόλο που αυτά καλούνται να διαδραματίσουν στη διαδικασία του σχεδιασμού. Στη συνέχεια αναλύονται τα περιεχόμενα ενός συστήματος υποστήριξης σχεδιασμού, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται σε αυτό και οι τρόποι μέτρησης της ακρίβειας των μοντέλων και η βαθμονόμηση τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην τεχνική των κυψελοειδών αυτόματων, όπου αναλύεται η ιστορική τους εξέλιξη και η χρήση τους στα αστικά μοντέλα προσομοίωσης. Τέλος, αναφέρονται παραδείγματα εφαρμογών από τη διεθνή βιβλιογραφία. Abstract This assignment deals with the historical development of urban simulation models, the criticism that they drew and the role models will have on the planning process. The inventory of a planning support system is displayed, along with the techniques that are being used, the accuracy assessment and the calibration process. Emphasis is particularly given to the technique of Cellular Automata, where their historic development and their use with urban simulation models is being reviewed. Finally, examples of applications are presented in a global scale. 4

6 Εισαγωγή Ο σκοπός ανάπτυξης των Συστημάτων Υποστήριξης Σχεδιασμού (Σ.Υ.Σ.) ήταν η αξιοποίηση της συνεχώς αναπτυσσόμενης τεχνολογίας για την κάλυψη των σύνθετων αναγκών του σχεδιασμού. Τα ΣΥΣ λειτουργούν ουσιαστικά ως πλαίσια κάτω από τα οποία συνδυάζονται τα διάφορα μοντέλα, τα οποία είναι απαραίτητα για να συμπεριληφθούν όλα τα στοιχεία του σχεδιασμού. Ο ρόλος τους δεν είναι να αντικαταστήσουν τον πολεοδόμο-χωροτάκτη, αλλά να λειτουργήσουν συμπληρωματικά ως εργαλεία. Τα ΣΥΣ αναπτύσσονται και εφαρμόζονται σε πολλές περιοχές της Αμερικής και της Ευρώπης. Η Ευρωπαϊκή Ένωση διαθέτει το δικό της μοντέλο, το Moland, του οποίου η ανάπτυξη ολοκληρώθηκε το 2014 και προβλέπεται να συνεχίσει την ανάπτυξη του ως project LUISA. Στην Ελλάδα, αντίθετα, δεν υπάρχει οργανωμένη ανάπτυξη κάποιου μοντέλου, γίνονται όμως εφαρμογές μοντέλων σε ακαδημαϊκό επίπεδο, και οι επιστήμονες που ασχολούνται αποκλειστικά με το αντικείμενο δεν είναι πολλοί. Η ανάπτυξη ενός ΣΥΣ και η οργανωμένη εφαρμογή του σε ορισμένες περιοχές θα μπορούσε να έχει πολλαπλά οφέλη για τις περιοχές αυτές. Ο σχεδιασμός θα βασιστεί πάνω σε ορισμένα σενάρια τα οποία χωρίς τα ΣΥΣ είναι δύσκολο να υπολογιστούν και να οπτικοποιηθούν. Τα σενάρια μπορεί να είναι απλά, όπως η αύξηση του πληθυσμού μιας περιοχής, ή και περίπλοκα, όπως πυρκαγιές ή πλημύρες. Τα δεδομένα που απαιτούνται ώστε να λειτουργήσει ένα ΣΥΣ θα είναι οργανωμένα και διαθέσιμα σε ψηφιακή μορφή. Τέλος, κατά τη λειτουργία του θα αναδειχθούν οι ιδιαιτερότητες, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα στην ανάπτυξη ορισμένων περιοχών. Μία σχετικά εύκολη τεχνική ανάπτυξης ενός μοντέλου είναι τα Κυψελοειδή Αυτόματα. Τα Κυψελοειδή Αυτόματα προσφέρουν τη δυνατότητα προσομοίωσης σύνθετων αστικών φαινομένων μέσα από απλές αλληλεπιδράσεις. Στη λογική των Κυψελοειδών Αυτόματων ο χώρος χωρίζεται σε κελία τα οποία βρίσκονται σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Η μετάβαση από την μία κατάσταση σε μία άλλη βασίζεται σε καθολικούς κανόνες. Ταυτόχρονα, τα κελία επηρεάζουν τα γειτονικά τους. Η ικανότητα τους να προσομοιώνουν σύνθετα προβλήματα με μεγάλη ακρίβεια μέσα απλούς κανόνες και η ευκολία δημιουργίας σεναρίων αλλάζοντας τους κανόνες τα καθιστά ιδιαίτερα σημαντικά στο χώρο τον ΣΥΣ. Η εργασία χωρίζεται σε τέσσερις ενότητες. Στην πρώτη ενότητα καταγράφεται η ιστορική εξέλιξη των μοντέλων, παράλληλα με την εξέλιξη των θεωριών του σχεδιασμού και της μορφολογικής εξέλιξης των πόλεων. Επίσης, προθέτεται η κριτική που ασκήθηκε στα μοντέλα. Τέλος, γίνεται γενική περιγραφή του περιεχομένου των συστημάτων υποστήριξης σχεδιασμού και αναλυτική περιγραφή των τεχνικών που χρησιμοποιούνται σε αυτά. 5

7 Στη δεύτερη ενότητα, απομονώνεται η τεχνική των Cellular Automata. Αφού καταγραφεί η ιστορική τους εξέλιξη, γίνεται ανάλυση του τρόπου λειτουργίας τους, αλλά και της χρήσης τους σε εφαρμογές μελέτης της αστικής ανάπτυξης. Η ενότητα ολοκληρώνεται με την μελέτη των μετασχηματισμών των κανόνων των cellular automata και πως αυτοί εξυπηρετούν των αστικό σχεδιασμό. Στη τρίτη ενότητα αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο μετριέται η απόδοση των μοντέλων και τα προβλήματα της διαδικασίας αυτής, προκειμένου τα μοντέλα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επίλυση πραγματικών προβλημάτων. Στην τέταρτη και τελευταία ενότητα αναφέρονται παραδείγματα από κέντρα ανάπτυξης μοντέλων παγκοσμίως και γίνεται εκτεταμένη αναφορά στο MOLAND, το μοντέλο που ανέπτυξε η Ευρωπαϊκή Ένωση. 6

8 Μοντέλα χρήσεων γης και Συστήματα Υποστήριξης Σχεδιασμού (Σ.Υ.Σ.) Ιστορική Αναδρομή Στο κεφάλαιο αυτό καταγράφεται η ιστορική εξέλιξη των μοντέλων από τις πρώτες προσπάθειες την δεκαετία του 1960 μέχρι τις πιο πρόσφατες. Ταυτόχρονα με τις τεχνολογικές εξελίξεις και τις αλλαγές στις τεχνικές που χρησιμοποιούνται, σημαντικές είναι οι αλλαγές στο θεωρητικό υπόβαθρο που εισάγεται στα μοντέλα και τις απαιτήσεις που έχει η επιστημονική κοινότητα από αυτά. Τα μοντέλα χρήσεων γης δημιουργήθηκαν με σκοπό να βοηθήσουν τους πολεοδόμους να οραματιστούν την μελλοντική ανάπτυξη του χώρου ανάλογα με τις πολιτικές που θα επιλεχθούν. Έτσι, τα μοντέλα χρήσεων γης προσπαθούν να προσομοιώσουν τις συμπεριφορές και αλληλεπιδράσεις των συντελεστών που διαμορφώνουν το χώρο καθώς και να καταγράψουν τις επιπτώσεις τους με συστηματικό τρόπο όπως π.χ. με τη βοήθεια αλγορίθμων. Κατά αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η προβολή της συμπεριφοράς των παραπάνω συντελεστών στο μέλλον, λαμβάνοντας υπ όψη εναλλακτικά σενάρια ανάπτυξης (Ποζουκίδου,2010). Η εξέλιξη τους ακολουθεί κατά τον Batty (2008) τις μεταβαλλόμενες οπτικές για την πόλη και τον σχεδιασμό (Πίνακας 1). Πίνακας 1: Παράλληλη εξέλιξη των Πόλεων, του Σχεδιασμού και τον Μοντέλων. Σχεδιασμός Πόλεις Μοντέλα Μονοκεντρική μορφή 1920s Πάνω προς τα Σχολή του Σικάγο Location Theory κάτω κεντρικός σχεδιασμός 1960s Αστικές αγορές Περιφερειακή επιστήμη Στατικά μοντέλα μακροπροσομοίωσης 1970s Συμμετοχική Πολυκεντρικές Συνολικά δυναμικά μοντέλα 1990s Κάτω προς τα Κυψέλες-Agents πάνω αποκεντρωμένος σχεδιασμός, 7

9 Η χρήση των υπολογιστών στον χωρικό σχεδιασμό ξεκίνησε τη δεκαετία του 1960 και ταυτόχρονα ξεκίνησαν οι προσπάθειες για τη δημιουργία Συστημάτων Υποστήριξης του Σχεδιασμού (Σ.Υ.Σ.). Τα Σ.Υ.Σ. είναι εργαλεία που συμβάλουν στο σχεδιασμό. Αποτελούν πλαίσια τα οποία συντονίζουν υπό-προγράμματα και υπόμοντέλα τα οποία είναι απαραίτητα στην πολύπλοκη σχεδιαστική διαδικασία. Η εξέλιξη των συστημάτων αυτών ακολούθησε τις συνεχόμενα εξελισσόμενες οπτικές του ρόλου που επιτελεί ο χωρικός σχεδιασμός. Έτσι, τη δεκαετία του 1960 ο χωρικός σχεδιασμός θεωρείται εφαρμοσμένη επιστήμη, και μέσα στο γενικότερο κλίμα οικονομικής ανάπτυξης και διάχυτης πίστης στην αποτελεσματικότητα των επιστημών δημιουργούνται τα πρώτα μεγάλης κλίμακας αστικά μοντέλα. Επίσης, δημιουργήθηκε η αντίληψη ότι η χρήση των μοντέλων αυτών ήταν εξίσου κατάλληλη για χρήση από μεμονωμένους πολεοδόμους, από ιδιωτικούς οργανισμούς αλλά και από δημόσιες υπηρεσίες. Το παραπάνω οδήγησε στην περαιτέρω δημιουργία εσφαλμένων, όπως φάνηκε τις επόμενες δεκαετίες, αντιλήψεων σύμφωνα με τις οποίες, οι πληροφορίες θεωρούνταν πολιτικά ουδέτερες, το κόστος για την απόκτηση τους ήταν μηδενικό και όσο μεγαλύτερος όγκος πληροφοριών ήταν διαθέσιμος τόσο καλύτερα λειτουργούσε το μοντέλο. Κατά συνέπεια των παραπάνω, ο ρόλος του σχεδιαστή ήταν να τροφοδοτεί το μοντέλο με περισσότερες και ποιοτικότερες πληροφορίες. Τέλος, θεωρήθηκε ότι μπορούσε να γίνει ξεκάθαρη διάκριση μεταξύ «αντικειμενικών δεδομένων στον υπολογιστή» και «υποκειμενικών απόψεων των ατόμων ή άλλων ομάδων» (Klosterman,1997). Στις παραπάνω ιδέες ασκήθηκε έντονη κριτική κατά τη δεκαετία του 1970, καθώς έγινε κατανοητό ότι οι δημόσιες υπηρεσίες αδυνατούσαν να συμπεριφερθούν όπως οι ιδιώτες και οι ιδιωτικές εταιρίες, οι οποίες, μέσω κεντρικής διεύθυνσης ορίζουν τους στόχους τους, κατευθύνουν τους πόρους και τις προσπάθειες τους και συλλέγουν τις πληροφορίες εύκολα και ανέξοδα μέσω δευτερογενούς έρευνας (Rittel and Weber,1973; Klosterman,1997). Ταυτόχρονα με το κόστος των πληροφοριών έγινε κατανοητό ότι η διατύπωση του προβλήματος, οι επικρατούσες απόψεις για τους στόχους του σχεδίου αλλά και τα διαθέσιμα μέσα επίτευξης τους ορίζουν την απαιτούμενη ποσότητα πληροφορίας, η οποία πλέον δεν είναι πολιτικά ουδέτερη (Cartwright,1973; Christensen;1985; George,1994; Klosterman,1997). Ένα ακόμα πρόβλημα που προέκυψε ήταν ότι λόγω του μεγάλου όγκου δεδομένων και πληροφοριών που βρισκόταν συσσωρευμένα στα μοντέλα, προκύπταν ζητήματα ασφάλειας, αξιοπιστίας και συνετής διαχείρισης τους. Όσον αφορά στα αστικά μοντέλα και τα διάφορα πληροφοριακά συστήματα τα οποία αναπτύχθηκαν, αυτά θεωρήθηκαν εξαιρετικά πολύπλοκα και η αγορά και η συντήρησή τους τα καθιστούσε δαπανηρά. Έτσι, η χρήση τους από τους δημόσιους φορείς ήταν εξαιρετικά περιορισμένη, ενώ πολλές φορές δεν γινόταν αντιληπτή η ανάγκη για την χρήση τους ή δεν υπήρχαν οι απαραίτητες γνώσεις για τη χρήση των μοντέλων χωρικής ανάλυσης. Ακόμα και όταν γινόταν χρήση των μοντέλων αυτών προέκυπτε μια σειρά προβλημάτων. Αρχικά οι θεωρίες πάνω στις οποίες είχαν δομηθεί τα μοντέλα είτε προέρχονταν από άλλες επιστήμες, όπως η ιατρική ή η φυσική, είτε αποτελούσαν μια αντανάκλαση του ήδη δομημένου χώρου χωρίς να διερευνηθεί ο τρόπος με τον οποίο εξελίχθηκε ο χώρος. Επίσης, κατά τη κατασκευή 8

10 των πρώτων αυτών μοντέλων, οι ερωτήσεις που έθεταν οι σχεδιαστές, εκ των υστέρων θεωρήθηκαν λάθος, αλλά και όταν οι ερωτήσεις ήταν σωστές προέκυπταν ζητήματα για τη δυναμική των σχεδιαζόμενων μοντέλων με αποτέλεσμα να υπάρχουν μεγάλες αλλαγές στο σχεδιασμό τους γεγονός που οδηγούσε στην αντίληψη ότι ήταν πρόχειρα σχεδιασμένα. Τέλος, η ορθότητα των αποτελεσμάτων που εξάγονταν από τα μοντέλα, αλλά και η ακρίβεια τους, ήταν αντικείμενο έντονης αμφισβήτησης (Klosterman,1997; Batty,2008; Ποζουκίδου,2010). Η κριτική αυτή που ασκήθηκε στα μοντέλα αποτελούσε ουσιαστικά μια επίθεση στις θεωρίες και τις πρακτικές του σχεδιασμού που εφαρμόζονταν, των οποίων έκφραση αποτελούσαν τα αστικά μοντέλα. Παρά τις πρώτες αποτυχημένες προσπάθειες, η έρευνα πάνω στα μοντέλα συνεχίστηκε εν πολλοίς λόγω των προβλημάτων πολιτικής των οποίων η λύση απαιτούσε την καλύτερη κατανόηση των πόλεων και των δομών τους, αλλά και την ανάγκη για πρόβλεψη του μέλλοντος (Batty,2008; Ποζουκιδου,2010). Στις αρχές τις δεκαετίας του 1980, έγινε αντιληπτό ότι η διαδικασία του σχεδιασμού περιλαμβάνει πολλά περισσότερα από την απλή συλλογή πληροφοριών, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν τον σχεδιασμό των πολιτικών. Μέρος του ρόλου των σχεδιαστών είναι φυσικά η δημιουργία σχεδίων και αναλύσεων, αλλά επίσης περιλαμβάνει διαπραγματεύσεις, επεξηγήσεις, διαφωνίες για τους κανόνες σχεδιασμού, τις άδειες, τους κανονισμούς και τη διαχείριση των κανόνων (Forester,1980; Krieger,1981; Harris,1989; Innes,1990; Mandelbaum, 1991; Klosterman, 1997). Έτσι, ο σχεδιασμός θεωρήθηκε ως μία εγγενώς πολιτική και κοινωνική διαδικασία, όπου λαμβάνουν χώρο δράσεις αλληλεπίδρασης, επικοινωνίας και κοινωνικού σχεδιασμού. Σύμφωνα με την παραπάνω οπτική, ο τρόπος με τον οποίο οι σχεδιαστές μετέφεραν την πληροφορία έχει μεγαλύτερη σημασία από την ίδια την πληροφορία. Και κατά συνέπεια ο τρόπος ο οποίος εκφράζεται ένα ερώτημα σχεδιασμού επηρεάζει και την λύση του (Forester, 1989; Klosterman, 1997). Μαζί με την αλλαγή της του περιεχομένου του σχεδιασμού, προς τα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στις αρχές της δεκαετίας 1990, υπήρξαν σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις οι οποίες κατέστησαν τους υπολογιστές προσιτούς στο ευρύ κοινό. Βέβαια, αν και η χρήση των υπολογιστών ήταν διαδεδομένη και κατά το παρελθόν στο χώρο του σχεδιασμού, η χρήση τους περιοριζόταν σε γενικούς σκοπούς όπως η συγγραφή κειμένων, διαχείριση δεδομένων και αποθήκευση αρχείων (Brail and Klosterman, 2001; Ποζουκίδου, 2010). Την περίοδο αυτή εμφανίστηκαν δύο νέοι «τύποι» προγραμμάτων, τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (Γ.Σ.Π.) και τα Intelligent Knowledge Based Systems (I.K.B.S.). Τα πρώτα προσέφεραν νέους και καινοτόμους τρόπους αποθήκευσης, ανάλυσης και απεικόνισης δεδομένων με γεωγραφική αναφορά. Αποτέλεσαν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο σχεδιασμού για την επεξεργασία χωρικών δεδομένων και χαρτογράφησης αυτών, καθώς και επίλυσης προβλημάτων χωροθέτησης δραστηριοτήτων. Παρά τα πλεονεκτήματα τους, η δυσκολία που εμφάνιζαν στη χρήση τους και οι εξειδικευμένες τεχνικές και θεωρητικές γνώσεις οι οποίες ήταν απαραίτητες για τη χρήση τους, όπως επίσης και η αδυναμία τους να επιτελέσουν λειτουργίες προσομοίωσης κατά τρόπο αντίστοιχο με αυτό τον μοντέλων χρήσεων γης καθιστούσαν τα Γ.Σ.Π. ανίκανα να ανταπεξέλθουν 9

11 στις ανάγκες και τις απαιτήσεις του σχεδιασμού (Fischer, 1994; Ποζουκίδου, 2010).Ουσιαστικά, δεν μπόρεσαν ποτέ να ενσωματώσουν τα τέσσερα στάδια του σχεδιασμού, δηλαδή την ανάλυση, την πρόβλεψη, την εφαρμογή και την αξιολόγηση και δεν επιλήφθηκαν ποτέ «παραδοσιακά» ζητήματα του σχεδιασμού. Τα παραπάνω γεγονότα οδήγησαν σε εκτεταμένες προσπάθειες για προσαρμογή και ενσωμάτωση των Γ.Σ.Π. σε ευρύτερα συστήματα υποστήριξης λήψης αποφάσεων τα οποία αργότερα ονομάστηκαν Planning Support Systems (P.S.S.) ή Decision Support Systems (D.S.S.) δηλαδή Συστήματα Υποστήριξης Σχεδιασμού (Σ.Υ.Σ.). Την ίδια εποχή αναπτύχθηκαν και τα I.K.B.S. για την επίλυση προβλημάτων χωρικής ανάλυσης. Τα I.K.B.S. λειτουργούν προσομοιώνοντας τη λογική διαδικασία που μπορεί να ακολουθήσει ένας ειδικός για την επίλυση του αντίστοιχου προβλήματος. Το μεγάλο κόστος ανάπτυξης τους καθώς και το μη φιλικό προς τον χρήστη περιβάλλον οδήγησαν στην περιορισμένη χρησιμοποίηση τους (Ποζουκίδου 2010). Φτάνοντας στην δεκαετία του 2000, οι αλλαγές που επιτελούνται δεν αφορούν πλέον τόσο το ρόλο του σχεδιασμού αλλά τους τρόπους που αυτός γίνεται. Την περίοδο αυτή, υπήρξε ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που επέτρεψε την πρόσβαση σε μεγαλύτερο εύρος χωρικών δεδομένων και έδωσε μια νέα πνοή στα αστικά μοντέλα. Αν και η νέα γενιά μοντέλων αποτελεί ουσιαστικά την εξέλιξη των προηγούμενων μοντέλων, υπάρχουν ωστόσο σημαντικές και ουσιαστικές διαφορές. Τα μοντέλα νέας γενιάς που συναντώνται με το όνομα micro-simulation models, αλλάζουν τον τρόπο προσομοίωσης σχεδόν ολοκληρωτικά. Αρχικά έχουν ως βάση υπολογισμών την «ατομική συμπεριφορά» για τη προσομοίωση μεγαλύτερων ομάδων (Bottom-up). Αντίθετα τα μοντέλα παλαιότερων γενιών (aggregate models) χρησιμοποιούν την αντίθετη διαδικασία (Top-down), δηλαδή ως βάση τη «συλλογική συμπεριφορά» προσομοιώνοντας την «ατομική συμπεριφορά» (Ποζουκίδου 2010). Επίσης ένα στοιχείο που αλλάζει στα νέα μοντέλα είναι ο τρόπος που αντιμετωπίζεται ο χώρος, όπου πλέον θεωρείται ότι έχει μορφή κανάβου ή μήτρας μικρών κελιών, όπου κάθε κελί αντιπροσωπεύει το βαθμό έντασης μίας ιδιότητας ή ενός συντελεστή στο χώρο. Έτσι, μπορούμε να απεικονίσουμε χρήσεις γης και τις ιδιότητες τους, κοινωνικοοικονομικά δεδομένα, θεσμικό καθεστώς ανάπτυξης δραστηριοτήτων, προσβασιμότητα κ.α.. Ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλονται και εξελίσσονται οι ιδιότητες των κελιών βασίζεται σε προκαθορισμένους κανόνες και αλγορίθμους που έχουν σχέση με τις ιδιότητες τόσο των ίδιων όσο και με τα γειτονικών αλλά και ολόκληρης της περιοχής τους. Ο τρόπος προσομοίωσης αυτός ονομάζεται Cellular Automata (C.A.) και χαρακτηριστικά τέτοια μοντέλα είναι το UrbanSim με εφαρμογή σε αμερικάνικες πόλεις και το MOLAND που κατασκευάστηκε από το Directorate General Joint Research Centre (DG-JRC) της Ευρωπαϊκής Ένωσης με σκοπό την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου αξιολόγησης και την εισήγηση νέων στρατηγικών αειφόρου ανάπτυξης (Ποζουκίδου 2010). Παρατηρούμε λοιπόν ότι ο ρόλος ενός Σ.Υ.Σ. μεταβλήθηκε πολύ τις προηγούμενες δεκαετίες. Έτσι, πρέπει να είναι διδακτικό ως προς τη δομή και τη λειτουργία του χώρου και όχι αποκλειστικά εργαλείο πρόβλεψης. Η ιδανική μορφή ενός Σ.Υ.Σ. είναι ένα πλαίσιο για την σύνθεση διαφορετικών μοντέλων και εργαλείων 10

12 διαχείρισης και απεικόνισης δεδομένων, το οποίο λειτουργεί υποστηρικτικά των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά τη διαδικασία του σχεδιασμού (Ποζουκίδου 2010). Το παραπάνω, αν και είναι εύκολο να περιγραφεί, παραμένει δύσκολο να εφαρμοστεί καθώς θα πρέπει να είναι ένα ενιαίο σύστημα, το οποίο είναι ευέλικτο και επιτρέπει στον χρήστη να επιλέξει τα επιθυμητά εργαλεία ανάλυσης και πρόβλεψης έτσι ώστε να είναι σε θέση να προσδιορίζει τις επιπτώσεις των εναλλακτικών σεναρίων σχεδιασμού και ανάπτυξης αλλά και να χαρτογραφεί τα αποτελέσματα άμεσα (Batty, Klosterman 2001; Ποζουκίδου 2010). Κριτική των μοντέλων Η έλλειψη χειροπιαστών αποτελεσμάτων από τα μοντέλα που σχεδιάστηκαν, η αδυναμία κατανόησης του τρόπου που λειτουργούν και ο πιθανός φόβος αντικατάστασης των επαγγελματιών πολεοδόμων από αυτά οδήγησε στην αμφισβήτηση τους. Τη δεκαετία του 1970 άρχισε η αμφισβήτηση των μοντέλων. Αυτή είτε οφειλόταν στη μεγάλη αποτυχία των πρώτων μεγάλης κλίμακας μοντέλων που δημιουργήθηκαν, είτε αποτελούσε μια επίθεση στον ολοκληρωμένο σχεδιασμό που επικρατούσε την εποχή εκείνη. Ένα άρθρο ορόσημο στην κριτική που ασκήθηκε στα μοντέλα ήταν το άρθρο του Douglass Lee το 1973 με τίτλο «Requiem for large scale planning», στο οποίο ανέφερε τα «επτά αμαρτήματα» των μεγάλης κλίμακας μοντέλων. Η κριτική αυτή επηρέασε πολύ τον κλάδο και ελάχιστα μοντέλα αναπτύχθηκαν τα επόμενα χρόνια. Ο Lee στο άρθρο του κατηγόρησε τα μοντέλα ότι είναι μεγάλα, δηλαδή πολύπλοκα και οι απαιτήσεις τους σε πληροφορίες είναι αυξημένες, οπότε πρακτικά μπορούν να λειτουργήσουν μόνο σε υπολογιστή. Ότι δεν έχουν χωρική συσχέτιση και κατανέμουν τις δραστηριότητες σε γεωγραφικές ζώνες και ότι επικεντρώνονται σε μία περιοχή αντί να είναι γενικά ή υποθετικά μοντέλα. Επίσης θεωρεί ότι η αποτυχία τον μοντέλων που αναπτύχθηκαν δεν βοήθησε στην ανάπτυξη της γνώσης του χωρικού σχεδιασμού, αλλά μόνο την ανάπτυξη της ανάλυσης των πολιτικών. Αναλυτικά τα επτά «αμαρτήματα» των μοντέλων είναι: 1. «Υπερ-περιεκτικότητα»- Τα μοντέλα αποτελούνται από πολλά περίπλοκα συστήματα ενωμένα σε ένα που προσπαθούν ταυτόχρονα, να εξυπηρετήσουν πολλούς σκοπούς. Έτσι, εισάγονται στο σύστημα πολλές διαφορετικές μεταβλητές, προκειμένου να περιγράψουν τη δομή του αναπτυσσόμενου χώρου, για τις οποίες όμως υπάρχει έλλειψη γνώσης για τις αλληλεπιδράσεις τους. 2. «Μη εκλεπτυσμένη ανάλυση»- Αποτυχία σωστής ανάλυσης, λόγω του μεγάλου όγκου πληροφοριών και δεδομένων που συσσωρεύονται προκειμένου να υπάρχει υψηλή ανάλυση, με αποτέλεσμα η ποιότητα των 11

13 αποτελεσμάτων να είναι τόσο χαμηλή ώστε να μην είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό. 3. «Μεγάλος όγκος απαιτούμενων δεδομένων»- Τα μοντέλα απαιτούν μεγάλη ποσότητα πληροφοριών προκειμένου να δώσουν αποτελέσματα, και διαφορετικά ερωτήματα απαιτούν διαφορετικές πληροφορίες για να απαντηθούν. Έτσι είναι καλό να υπάρχει κατανόηση του προβλήματος πριν αρχίσει η συσσώρευση πληροφοριών. 4. «Επιφανειακή ανάλυση»- Εμφανίζεται απόκλιση στη θεωρητική και την πραγματική λειτουργία του μοντέλου. Αυτό οφείλεται στη δομή της κατασκευής του, η οποία λειτουργεί για τη λύση ενός προβλήματος με έναν τρόπο και ταυτόχρονα μπορεί να αποκλείει την επίλυση του με άλλο τρόπο ή να διαστρεβλώνει τα αποτελέσματα. 5. «Πολυπλοκότητα»- Στα μοντέλα γίνεται εισαγωγή μεγάλου αριθμού εξαρτημένων και ανεξάρτητων μεταβλητών, χωρίς όμως να υπάρχει γνώση για τις αλληλεξαρτήσεις αυτές. 6. «Αυτοματοποίηση»- Όλη η διαδικασία υπολογισμών γίνεται στον υπολογιστή και από τον υπολογιστή, έτσι δεν υπάρχει γνώση για το τι συμβαίνει και τι λάθη προκύπτουν. Λειτουργεί έτσι σαν «μαύρο κουτί». Ακόμα λόγω κατασκευής των υπολογιστών, στις πράξεις γίνονται μη επιθυμητές στρογγυλοποιήσεις οι οποίες οδηγούν σε σφάλματα στα τελικά αποτελέσματα. Τέλος, η τεχνολογία των υπολογιστών δεν επιτρέπει την ανάπτυξη των μοντέλων. 7. «Κόστος συντήρησης και αγοράς»- Το κόστος για την ανάπτυξη ή αγορά ενός τέτοιου μοντέλου καθώς και το κόστος συντήρησης του και η παροχή του με επίκαιρες πληροφορίες θεωρείται πολύ μεγάλο για αυτά που παρέχει. Κλείνοντας, ο Lee αναφέρεται στα θεωρητικά προβλήματα που ανακύπτουν στην κατασκευή των μοντέλων. Αφενός τονίζει ότι η διαθέσιμη γνώση δεν είναι αρκετή για την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας μοντέλων και αφετέρου ότι η επιλογή της θεωρίας που θα εφαρμοστεί επηρεάζει την κατασκευή και τη χρήση του μοντέλου (D. Lee, 1973; Ποζουκίδου, 2010). Η αποτυχία των μεγάλης κλίμακας μοντέλων και η σκληρή κριτική της εποχής εκείνης ανέκοψε τον ενθουσιασμό που προϋπήρχε και δεν επέτρεψε την ύπαρξη αντίλογου. Η απάντηση στο άρθρο του Lee δημοσιεύθηκε δύο δεκαετίες αργότερα, το 1994 από τον Britton Harris, και ενώ ο ρόλος του σχεδιασμού όπως και η τεχνολογία είχαν αλλάξει ριζικά καθιστώντας μεγάλο μέρος της κριτικής του Lee εκτός εποχής. Η απάντηση του Harris ακολούθησε την ίδια δομή με το κείμενο του Lee. 1. «Υπερ-περιεκτικότητα»- Ο Harris εκφράζει την άποψη ότι ο Lee δε κατανοούσε πλήρως την έννοια του ολοκληρωμένου σχεδιασμού, η οποία, αντίθετα με τις αντιλήψεις του Lee, μπορεί να διαχωριστεί από την ολοκληρωμένη αντίληψη του αστικού συστήματος. Έτσι, ο Lee θεωρώντας ότι τα μοντέλα είναι το «τελευταίο οχυρό» του ολοκληρωμένου σχεδιασμού, τους επιτίθεται εκφράζοντας την άποψη ότι ο σχεδιασμός πρέπει να εστιάσει σε θέματα φτώχειας, στέρησης και 12

14 αδυναμίας, κάτι το οποίο τα μοντέλα δεν ήταν ικανά να αντιμετωπίσουν. Όμως η παραπάνω άποψη αποτελεί προέκταση του ολοκληρωμένου σχεδιασμού και κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες τα μοντέλα θα μπορούσαν να συμβάλλουν στα προβλήματα αυτά. Ταυτόχρονα, ο Lee συνδέει νοηματικά τον ολοκληρωμένο σχεδιασμό με τη δυσαρέσκεια των σχεδιαστών την εποχή εκείνη, με αποτέλεσμα να οδηγήσει σε διαχωρισμό του σχεδιασμού από τη μοντελοποίηση και να καθυστερήσει τη χρησιμοποίηση των μοντέλων στο σχεδιασμό. Τέλος, σύμφωνα με τον Harris, το κείμενο του Lee στερείται πηγών οι οποίες, μετά από έρευνα του Harris, ανήκουν σε πολιτικούς επιστήμονες και όχι σε σχεδιαστές. 2. «Μη εκλεπτυσμένη ανάλυση»- Αν και με την πρόοδο τον υπολογιστών είναι δυνατό να προχωρήσουμε την ανάλυση των πληροφοριών πάρα πολύ, τα υπερ-αναλυτικά μοντέλα δεν είναι πολύ χρήσιμα. 3. «Μεγάλος όγκος απαιτούμενων δεδομένων»- Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας τα αρχεία που αποθηκεύονται έχουν γίνει πολύ μεγαλύτερα από εκείνα της εποχής του Lee χωρίς να εμφανίζονται προβλήματα στη διαχείριση τους. Ταυτόχρονα, ο λόγος που συσσωρεύεται τόσο μεγάλος αριθμός πληροφοριών είναι ότι ο ρόλος του σχεδιαστή απαιτεί να δρα έχοντας υπ όψη του πλήρη ενημέρωση και όχι βάση κάποιου μοντέλου. 4. «Επιφανειακή ανάλυση»- Υποστηρίζει ότι δεν έχουν ακριβή αποτελέσματα ή ότι τα αποτελέσματα τους διαφέρουν από αυτά που θα έπρεπε να έχουν. Το παραπάνω όμως ήταν ήδη γνωστό την εποχή που γράφτηκε η κριτική. 5. «Πολυπλοκότητα»- Ο Lee αναφέρει ότι τα μοντέλα ταυτόχρονα έχουν πολλές μεταβλητές αλλά δεν είναι περίπλοκα αρκετά ώστε να προσομοιώσουν την πραγματικότητα, και ότι λειτουργούν σαν «μαύρα κουτιά». Το παραπάνω, σύμφωνα με τον Harris, σε συνδυασμό με τη μη αναλυτική ή την εν μέρη λανθασμένη ανάπτυξη του και την έλλειψη πηγών, δείχνει ότι δεν κατανοεί πλήρως πως αυτά λειτουργούν. 6. «Αυτοματοποίηση»- Η κριτική, που τότε ήταν βάσιμη, έχει ξεπεραστεί και τα προβλήματα έχουν επιλυθεί σε μεγάλο βαθμό με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, των τεχνικών κωδικοποίησης και της εμπειρίας των προγραμματιστών και των σχεδιαστών. 7. «Κόστος συντήρησης και αγοράς»- Το κόστος αγοράς υπολογιστών και η συντήρηση τους συνεχώς μειώνεται. Επίσης, στην κριτική του Lee δε λαμβάνεται υπόψη το κόστος του σχεδιασμού χωρίς τα μοντέλα, το οποίο είναι εξίσου υψηλό (Harris,1994). Συνοψίζοντας, η αποτυχία των πρώτων μεγάλης κλίμακας μοντέλων που δημιουργήθηκαν ήταν θεωρητικά βέβαιη αφενός γιατί δεν υπήρχε η γνώση και το θεωρητικό υπόβαθρο για να αναπτυχθούν σωστά, αφετέρου οι τεχνολογικοί περιορισμοί της περιόδου εκείνης αποτέλεσαν μεγάλο ανασταλτικό παράγοντα. Με την πάροδο του χρόνου, την εξέλιξη του σχεδιασμού αλλά και της τεχνολογίας η λειτουργία των μοντέλων πλέον είναι δυνατή και κυρίως χρήσιμη. 13

15 Γενική περιγραφή περιεχόμενου των Σ.Υ.Σ. και προσεγγίσεων προσομοίωσης Έχοντας αποσαφηνίσει τον ρόλο που πρέπει να διαδραματίσουν τα Σ.Υ.Σ. στο σχεδιασμό, θα πρέπει να καθορίσουμε τη μορφή και τα περιεχόμενα τους. Η μορφή και το περιεχόμενο του εκάστοτε Σ.Υ.Σ. μεταβάλλονται ανάλογα με τη χρήση του και τους σκοπούς τους οποίους καλείται να εκπληρώσει. Η συνηθέστερη πρακτική που εφαρμόζεται είναι η απομόνωση ενός παράγοντα-στοιχείου και η μελέτη του ξεχωριστά από όλους τους άλλους παράγοντες που επιδρούν στο χώρο, προκειμένου να απλοποιηθεί η διαδικασία της προσομοίωσης. Ο μονοδιάστατος χαρακτήρας τους έγινε αιτία για μεγάλη κριτική, όπως προαναφέρθηκε. Αν και έχουν γίνει προσπάθειες για να συνδεθούν διαφορετικού είδους μοντέλα, όπως για παράδειγμα συγκοινωνιακά μοντέλα με μοντέλα χρήσεων γης, δεν έχει ολοκληρωθεί η ενσωμάτωση όλων των παραγόντων, που επιδρούν στο χώρο, στα μοντέλα. Η πολυδιάστατη φύση του χώρου απαιτεί τη σύνδεση πολλών παραγόντων, όπως δημογραφικά, περιβαλλοντικά, συγκοινωνιακά, χρήσεις γης, κοινωνικά, οικονομικά κ.α., προκειμένου να γίνει η προσομοίωση της λειτουργίας ενός χωρικού συστήματος. Προκειμένου να υλοποιηθεί το παραπάνω, θα πρέπει ο κάθε παράγοντας να αντιμετωπίζεται από ένα μοντέλο, ενώ το σύνολο των μοντέλων θα πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους, αλλά και με το χρήστη, κάτω από ένα κοινό πλαίσιο (Klosterman, 2001). Τα συστήματα υποστήριξης σχεδιασμού αποτελούν το κατάλληλο πλαίσιο για το συνδυασμό και τη σύνθεση μιας σειράς μοντέλων και εργαλείων διαχείρισης και απεικόνισης δεδομένων, ικανό να υποστηρίξει τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη διαδικασία του σχεδιασμού (Ποζουκίδου, 2010). Ένα σύστημα υποστήριξης σχεδιασμού θα πρέπει να περιλαμβάνει μια σειρά παραδοσιακών εργαλείων αστικού και περιφερειακού σχεδιασμού, οικονομικής και δημογραφικής ανάλυσης, περιβαλλοντικού και συγκοινωνιακού σχεδιασμού και εργαλεία πρόβλεψης της μελλοντικής ανάπτυξης (Putman και Chan 2001; Ποζουκίδου 2010). Σημαντικό κατά τη λειτουργία του Σ.Υ.Σ. είναι η δομή και η λειτουργία τους να είναι εύκολα προσβάσιμες και κατανοητές, ελέγξιμες και μεταβλητές από τον χρήστη. Δηλαδή να μην λειτουργούν σαν μαύρα κουτιά, αλλά ο χρήστης να έχει τη δυνατότητα να εξηγήσει και αξιολογήσει τα αποτελέσματα και να διακρίνει τις μεταβολές των αποτελεσμάτων στις αλλαγές που πραγματοποιεί. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι πιθανό να χαθούν σε περίπτωση που το Σ.Υ.Σ. περιλαμβάνει πολλά μοντέλα και ταυτόχρονα δεν διασφαλίζεται ότι, λόγω πολυπλοκότητας, η ανάλυση και τα αποτελέσματα θα είναι καλύτερης ποιότητας. Ένα υποθετικό Σ.Υ.Σ., λόγω της χρήσης που θα έχει, αποφασίστηκε να ενσωματώνει τέσσερα μοντέλα, παραδείγματος χάριν δημογραφικό μοντέλο, μοντέλο χρήσεων γης, περιβαλλοντικό μοντέλο, συγκοινωνιακό μοντέλο. Τότε, αφού εισαχθούν τα κατάλληλα δεδομένα και ο χρήστης επιλέξει τις επιθυμητές πολιτικές που θα ακολουθηθούν, τα μοντέλα αυτά θα λειτουργούν, διαβάζοντας τα στοιχεία 14

16 που τους δόθηκαν, επικοινωνώντας μεταξύ τους κάτω από το κοινό πλαίσιο του Σ.Υ.Σ. στο οποίο θα γίνεται, με το κατάλληλο ενσωματωμένο πρόγραμμα, η οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων (σχήμα 1). Σχήμα 1: Λειτουργία υποθετικού συστήματος υποστήριξης σχεδιασμού Τα επιμέρους μοντέλα αυτά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους σε συγκεντρωτικά μοντέλα (Aggregate Models), τα οποία συνήθως είναι παλαιότερης γενιάς, και σε μοντέλα μικρό- προσομοίωσης (Microsimulation, Micro analysis). Ταυτόχρονα, έχουν δημιουργηθεί υβριδικά μοντέλα που συνδυάζουν και τις δύο τεχνικές. Βασικές διαφορές των δύο τεχνικών είναι ότι τα πρώτα μοντέλα θεωρούν ότι βάσει των ομαδικών συμπεριφορών μπορούν να ερμηνεύσουν τις αλλαγές που συντελούνται σε επίπεδο «ατομικών συμπεριφορών», στη συνέχεια χρησιμοποιούν μια συνάρτηση και δημιουργούν ντετερμινιστικά ένα μελλοντικό σενάριο. Από την άλλη, τα μοντέλα μικρό- προσομοίωσης χρησιμοποιούν ως βάση την «ατομική συμπεριφορά» για να προσομοιώσουν τις ομαδικές συμπεριφορές και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας πληθώρα συντελεστών δημιουργούν πολλαπλά μελλοντικά σενάρια, ανάλογα με τις πολιτικές που ακολουθούνται. Τέλος, μία τεχνική, που αναπτύχθηκε τις τελευταίες δεκαετίες και ανήκει στις ευρύτερες τεχνικές μικρό- προσομοίωσης, είναι η τεχνική των κυψελοειδών αυτόματων (Cellular Automata, CA). Η τεχνική αυτή χωρίζει τον χώρο σε κυψέλες ή κελιά. Η αλλαγή στην κατάσταση κάθε κελιού μπορεί να επηρεάσει τα κελιά σε μια ευρύτερη γειτονιά. Περαιτέρω ανάλυση της τεχνικής αυτής θα γίνει σε επόμενο κεφάλαιο. Εκτός από τον τρόπο λειτουργίας των μοντέλων ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας είναι η θεωρητική προσέγγιση της μοντελοποίησης του χώρου. Όπως αναλύουν οι P. Waddell και G. F. Ulfarsson (Waddell και G. F. Ulfarsson,2004), οι μέθοδοι της Χωρικής αλληλεπίδρασης (Spatial Interaction), Χωρικών εισροών και εκροών (Spatial input output) και ο γραμμικός προγραμματισμός (Linear Programming) χρησιμοποιήθηκαν σε μοντέλα τις δεκαετίες 1960 και 1970, ενώ η μικρό- προσομοίωση εμφανίστηκε το 1960 αλλά δεν άρχισε να χρησιμοποιείται μέχρι το Τέλος, οι μέθοδοι της μοντελοποίησης με διακριτές επιλογές (Discrete 15

17 choice modeling), η κατευθυνόμενη από κανόνες (Rule Based), η προσομοίωση με χρήση πολλών πρακτόρων (Multi- agent simulation) και τα κυψελοειδή αυτόματα (Cellular Automata) άρχισαν να χρησιμοποιούνται μετά το Παρακάτω περιγράφονται αναλυτικότερα οι προσεγγίσεις: Χωρική αλληλεπίδραση (Spatial interaction): Αυτή η προσέγγιση αντλεί το υπόβαθρο της από τους νόμους της φυσικής, όπου η βαρυτική έλξη δύο σωμάτων είναι ανάλογη της μάζας των σωμάτων και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Όταν εφαρμόζεται σε οικισμούς και μεταφορικό δίκτυο η προσέγγιση υποδηλώνει ότι οι μετακινήσεις ανάμεσα σε δύο ζώνες (ή οικισμούς) αυξάνονται όσο οι δραστηριότητες σε αυτές τις ζώνες αυξάνονται ενώ όσο η μεταξύ τους απόσταση αυξάνεται οι αναμεταξύ τους μετακινήσεις λιγοστεύουν. M = S 1+S 2, όπου M είναι οι D 2 μετακινήσεις, S 1, S 2 είναι οι δραστηριότητες που είναι διαθέσιμες στις ζώνες 1 και 2, D είναι η απόσταση της ζώνης 1 από τη ζώνη. Σχήμα 2: Χωρική αλληλεπίδραση (Spatial interaction) Χωρικές εισροές και εκροές (Spatial input output): Στην προσέγγιση αυτή, ο χώρος κατανέμεται σε ζώνες οι οποίες αντιμετωπίζονται ως ξεχωριστές οικονομικές μονάδες, όπου η κάθε μία έχει δικιά της παραγωγή, κατανάλωση, εισαγωγές και εξαγωγές. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ζωνών μετριούνται σε χρηματικές μονάδες. Οι μετακινήσεις οικονομικών μονάδων ανάμεσα στις ζώνες μεταφράζονται σε μετακινήσεις οχημάτων ή αγαθών. Γραμμικός προγραμματισμός (Linear programming): Η προσέγγιση του γραμμικού προγραμματισμού των χρήσεων γης είναι σπάνια. Σκοπός της είναι η καθολική βελτιστοποίηση ενός χαρακτηριστικού μέσω μιας συνάρτησης. Έτσι αυτή η προσέγγιση ταιριάζει περισσότερο στην εξερεύνηση της διαμόρφωσης διαφορετικών χρήσεων γης οι οποίες βελτιστοποιούν τις μεταφορές, παρά στην μελέτη των πραγματικών μεταβολών του συστήματος σε σχέση με τις αλλαγές στις μεταφορικές υποδομές ή τις πολιτικές για τις χρήσεις γης. Στην ουσία πρόκειται για αναδιανομή των χρήσεων γης, παρά μια μελλοντική πρόβλεψη ή ένα πιθανό σενάριο. 16

18 Σχήμα 3: Γραμμικός προγραμματισμός (Linear programming) ανακατανομή χρήσεων γης Α,Β,Γ Μοντελοποίηση με διακριτές επιλογές (Discrete choice modeling): Χρησιμοποιούνται κυρίως σε συγκοινωνιακά μοντέλα, και κυρίως στην επιλογή μέσου μεταφοράς. Μπορούν να κάνουν ακριβείς προβλέψεις ακόμα και όταν το πλήθος των επιλογών είναι πάρα πολύ μεγάλο (McFadden 1973). Έχουν γενική χρήση, υπό την έννοια ότι δεν κάνουν υπερβολικά περιοριστικές υποθέσεις στην διαδικασία επιλογής και μπορούν να διαχειριστούν μεγάλο εύρος στοιχείων και πιθανών επιλογών (Ben-Akiva and Lerman, 1985). Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους. Σχήμα 4: Μοντελοποίηση με διακριτές επιλογές (Discrete choice modeling) Κατευθυνόμενη από κανόνες (Rule Based): Πολλά από αυτά τα μοντέλα έχουν δημιουργηθεί τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιώντας GIS και ένα σύστημα κανόνων ώστε να κατανέμουν πληθυσμό, εργασία ή και χρήσεις γης. Τέτοιες εφαρμογές μπορεί να καθιστούν τα μοντέλα πιο προσβάσιμα και εύκολα κατανοητά, αλλά ενέχουν τον κίνδυνο, οι χρήστες να θεωρήσουν ότι τα μοντέλα έχουν πιο συμπεριφορική βάση από όσο οι κανόνες τους ορίζουν. Έχουν δημιουργηθεί πολλά μοντέλα τα οποία συνδυάζονται με τεχνητή νοημοσύνη, όπου από ένα σύνολο στοιχείων δημιουργούν αυτόματα συμπεριφορικούς κανόνες που χρησιμοποιούνται στη μικρόπροσομοίωση (Arentze, κ.α, 2000). Τα μοντέλα αυτά συχνά 17

19 βασίζονται σε κανόνες με τη μορφή Αν- Τότε- Αλλιώς (If- Then- Else). Τέτοια μοντέλα είναι το CUF model (Landis, 1994) and WhatIf? (Klosterman, 1999). Προσομοίωση με χρήση πολλών πρακτόρων (Multi- agent simulation): Στην πρακτική αυτή χρησιμοποιούνται πράκτορες, οι οποίοι αναπαριστούν μονάδες ή ομάδες ατόμων (π.χ. οικογένειες, εταιρείες κ.α.), των οποίων οι ενέργειες μπορούν να ξεφεύγουν από τους κανόνες του υπόλοιπου συστήματος με στόχο την βελτιστοποίηση της ευρωστίας τους. Οι πράκτορες αυτοί λειτουργούν αυτόνομα και μπορεί να έχουν ελλιπή ή πλήρη γνώση του υπόλοιπου συστήματος και του συμφέροντος τους. Η πρακτική αυτή βοηθάει ουσιαστικά στην ενσωμάτωση τυχαίων και μεμονωμένων γεγονότων και συντελεί στην λειτουργία του μοντέλου (D.C. Parker, S.M. Manson, M.A. Janssen, M.J. Hoffmann, P. Deadman 2008). Κυψελοειδή αυτόματα (Cellular Automata): Συνιστούν μία μέθοδο ικανή να προσομοιώσει τις διαδικασίες ανάπτυξης και εξέλιξης περιγράφοντας ένα πολύπλοκο σύστημα μέσω ενός συνόλου απλών κανόνων. Το υπό μελέτη σύστημα χωρίζεται σε σύνολο κυψέλων, με την κάθε κυψέλη να αλληλεπιδρά με όλες τις κυψέλες εντός προκαθορισμένης γειτονιάς (Μαντέλας, Πραστάκος, Χατζηχρήστος 2007). Μπορούν να συνδυαστούν με πολλές άλλες προσεγγίσεις όπως την τεχνική προσομοίωσης με πολλούς πράκτορες ή την λογική της ασάφειας. Λογική της ασάφειας (Fuzzy Logic): Χρησιμοποιείται για να εισάγει στην μοντελοποίηση την ανακρίβεια, την αοριστία και την αβεβαιότητα που υπάρχει στον πραγματικό κόσμο. Η άποψη ότι η λογική της ασάφειας επιφέρει αοριστία στην διαδικασία της προσομοίωσης είναι λαθεμένη. Στην πραγματικότητα παρέχει τα εργαλεία για να ληφθεί υπόψη η εγγενής στον πραγματικό κόσμο αοριστία (Μαντέλας, Πραστάκος, Χατζηχρήστος 2007). Μίξη Τεχνικών είναι πιθανή προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι του σχεδιασμού αλλά και να καλυφθούν οι αδυναμίες που εμφανίζει η κάθε προσέγγιση. Προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες του σχεδιασμού, ένα Σ.Υ.Σ. μπορεί να αναπτυχθεί με διάφορες τεχνικές και να περιλαμβάνει διαφορετικά είδη υπόμοντέλων. Πολλές από τις τεχνικές έχουν μελετηθεί ενδελεχώς στη βιβλιογραφία, ενώ άλλες είναι νεότερες και απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση κατά πόσο ανταποκρίνονται στις ανάγκες του σχεδιασμού. 18

20 Κυψελοειδή Αυτόματα Ιστορική προσέγγιση Η τεχνική των κυψελοειδών αυτόματων (Cellular Automata) είναι από τις νεότερες τεχνικές στην επιστήμη της αστικής προσομοίωσης και παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι άλλων τεχνικών. Αρχικά είναι εγγενώς χωρικά, μπορούν με απλούς κανόνες να προσομοιώσουν σύνθετα φαινόμενα και η ανάλυση που προσφέρουν φτάνει σε βάθος. Τα cellular automata εισήχθησαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1940 από τον John Von Neumann, θεμελιωτή της θεωρίας των παιγνίων (game theory), και του Stanislav Ulam, ο οποίος εργαζόταν στο σχέδιο Μανχάταν (Manhattan Project), και έκανε έρευνα στον τομέα της προσομοίωσης «Monte Carlo». Και οι δύο ερευνητές μελετούσαν την αυτό-αναπαραγωγή του βιολογικού κύκλου ζωής και την προσομοίωση της, προσπαθούσαν να δημιουργήσουν μια μαθηματική εξίσωση στην οποία θα εκφραζόταν οι παράγοντες που επηρεάζουν την αναπαραγωγή, με λογικούς κανόνες (Torrens, 2000). Η λογική του automatic computing, στην οποία στηρίζεται ένα «αυτόματο μηχάνημα» (automaton), είναι σημαντική και την εμπνεύστηκε ο Von Neumann από την εργασία του Alan Turing στην οποία περιγραφόταν το universal turing machine. Το universal turing machine αποτελεί μια θεωρητική προσέγγιση ενός υπολογιστή ο οποίος μπορεί να πραγματοποιήσει «universal computing. Ένας υπολογιστής θεωρείται universal computer όταν, δεδομένου ενός κατάλληλου αρχικού προγράμματος, είναι ικανό να εφαρμόζει έναν πεπερασμένο αλγόριθμο, και την εξέλιξη αυτού, μέσα στο χρόνο. Για παράδειγμα, να παράγει ένα λειτουργικό αντίγραφο του εαυτού του, το οποίο θα έχει τα μέσα να παράγει αντίστοιχα αντίγραφα εξίσου πολύπλοκα όπως το πρώτο (Torrens, 2000). Αυτό το μηχάνημα θα είναι ικανό να λάβει αποφάσεις και να λειτουργήσει σε μια χρονική στιγμή, βασισμένο σε ένα σύνολο παραμέτρων και στη γνώση που έχει για το περιβάλλον, την οποία λαμβάνει από ένα προκαθορισμένο σύστημα (N.Pinto, 2006). Ως «αυτόματο μηχάνημα» μπορεί να θεωρηθεί ένα μηχάνημα σαν αυτό του Turing, το οποίο λειτουργεί σε ένα ψηφιδοποιημένο χώρο. Ο όρος χρησιμοποιείται για να περιγράψει ένα μηχάνημα που λειτουργεί από μόνο του, το οποίο επεξεργάζεται πληροφορίες, δρώντας με λογικά βήματα, προχωρώντας ασταμάτητα στην επόμενη ενέργεια, αφού πρώτα ερμηνεύσει τα δεδομένα από το περιβάλλον, σύμφωνα με τις οδηγίες που έχει λάβει (Torrens, 2000; Pinto, 2006). Υπάρχει, όμως, μια σημαντική διαφορά ανάμεσα στο μηχάνημα του Turing και τον τρόπο που λειτουργούν τα C.A.. Τα C.A. χρησιμοποιούν παράλληλους επεξεργαστές, που βάση μιας σειράς κανόνων, λειτουργούν ταυτόχρονα. Αντίθετα το μηχάνημα του Turing χρησιμοποιεί έναν επεξεργαστή ο οποίος πραγματοποιεί τη μια ενέργεια πίσω από την άλλη (Torrens, 2000). 19

21 Σύμφωνα με την πρώτη διατύπωση του Von Neumann για ένα δυσδιάστατο C.A., όπως αυτή καταγράφεται στο κείμενο των Benenson και Torrens (2004), κάθε αυτόματο επεξεργάζεται πληροφορίες και ενεργεί λαμβάνοντας υπόψη ένα σύνολο «κανόνων μετάβασης» και τα δεδομένα του περιβάλλοντος. Έτσι, κάθε κελί Α καθορίζεται από ένα σύνολο καταστάσεων (Cell states) S = {S 1, S 2,.., S N } και ένα σύνολο «κανόνων μετάβασης» Τ (Transition rules). A (S, T) Οι κανόνες μετάβασης καθορίζουν την κατάσταση ενός αυτόματου S t+1 σε ένα χρονικό βήμα t+1, ανάλογα με την κατάσταση του τη στιγμή t, S t, όπου (S t, S t+1 S), και της πληροφορίας του περιβάλλοντος I t T(S t, I t ) S t+1 Το σύνολο των αυτόματων μετατρέπεται σε κυψελοειδές αυτόματο όταν η πληροφορία του περιβάλλοντος καθορίζεται από την κατάσταση των γειτονικών αυτομάτων. Η γειτονία του υπό εξέταση κελιού ορίζεται ως το σύνολο των κελιών που επηρεάζουν το υπό εξέταση κελί. A (S, T, R) Όπου R είναι τα κελιά που αποτελούν την γειτονία του A. Ορισμένες γειτονιές που χρησιμοποιούνται συχνά σε δισδιάστατα C.A. είναι οι γειτονίες των Von Neumann (a) και του Moore (b). Η πρώτη αποτελείται από τα τέσσερα εφαπτόμενα κελιά ενώ η δεύτερη από τα οκτώ κελία που περιβάλλουν το υπό εξέταση κελί. Εικόνα 1: Γειτονίες κατά (a) Von Neumann και (b) Moore. Πηγή: Pinto (2006) Η πολυπλοκότητα του συστήματος αυξάνει όσο αυξάνει ο αριθμός των κελίων. Σε περίπτωση που ο αριθμός των πιθανών καταστάσεων των κελίων είναι Ν και Κ ο αριθμός των κελίων που ορίζουν τη γειτονία, ο συνολικός αριθμός κανόνων μετάβασης είναι Ν Κ (Wolfram, 1983). Για παράδειγμα, στη γειτονία του Moore σε ένα σύστημα με δύο πιθανές καταστάσεις, οι πιθανοί κανόνες μετάβασης είναι 2 9 = 512. O Wolfram (1984) τόνισε πέντε βασικά χαρακτηριστικά που έχουν τα κυψελοειδή αυτόματα: (1) Αποτελούνται από ένα διακριτό πλέγμα σημείων (κελιά). (2) Εξελίσσονται σε διακριτά χρονικά βήματα. (3) Κάθε περιοχή παίρνει μια τιμή από ορισμένες πιθανές τιμές (χρήσεις γης). (4) Η τιμή κάθε περιοχής εξελίσσεται βάση των ίδιων ντετερμινιστικών κανόνων. (5) Οι κανόνες εξέλιξης (κανόνες μετάβασης) 20

22 εξαρτώνται μόνο από τοπική γειτονία γύρο από το υπό εξέταση κελί (Itami, 1994). Μεταξύ άλλων πλεονεκτημάτων που έχουν τα μοντέλα με κυψελοειδή αυτόματα ο Itami (1994) αναφέρει τα εξής: 1. Η αντιστοιχία μεταξύ πραγματικότητας και υπολογιστικής διαδικασίας είναι διακριτή. 2. Οι κανόνες μετάβασης των μοντέλων με κυψελοειδή αυτόματα είναι πιο απλοί από τις σύνθετες μαθηματικές εξισώσεις άλλων μοντέλων, αλλά παράγουν αποτελέσματα τα οποία είναι πιο περιεκτικά. 3. Τα κυψελοειδή αυτόματα μπορούν να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας υπολογιστή, χωρίς απώλεια στην ακρίβεια τους. 4. Μπορούν να μιμηθούν τις διενέργειες οποιουδήποτε περίπλοκου συστήματος 5. Τα μοντέλα είναι ανεπίδεκτα απλοποιήσεων (irreducible). Διότι δεν υπάρχουν υπολογισμοί ή αλγόριθμοι που να μπορούν να επιταχύνουν την προσομοίωση. Για το πέμπτο πλεονέκτημα των μοντέλων με κυψελοειδή αυτόματα, ο Wolfram έγραψε στο άρθρο του το 1984 (1984b, p. 198) ότι «Η προσομοίωση είναι ο πιο άμεσος τρόπος για να προσδιορίσεις τη λειτουργία ενός μοντέλου με κυψελοειδή αυτόματα. Δεν υπάρχει άλλος τρόπος να προβλέψεις την εξέλιξη του. Πρέπει απλά να το δεις να εξελίσσεται». Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι τα μοντέλα με κυψελοειδή αυτόματα μπορούν να λειτουργήσουν ως πλαίσιο για την προσομοίωση περίπλοκων συστημάτων, λειτουργώντας πιο κατανοητά, με μεγαλύτερη ακρίβεια και ταυτόχρονα πιο ολοκληρωμένα από ένα συμβατικό μαθηματικό μοντέλο (Itami, 1994). Υπάρχουν δυο σημεία ορόσημα στην ιστορία των C.A. μετά τη διατύπωση της θεωρίας των πολύπλοκων συστημάτων. Η δημιουργία του Conway «το παιχνίδι της ζωής» το 1970 και η έρευνα του Stephen Wolfram τη δεκαετία του 1980 (Wolfram, 1984). Το «παιχνίδι της ζωής» του Conway σκοπό είχε να προσομοιώσει, με ένα απλό σύνολο κανόνων, την εξέλιξη των πληθυσμών στο χώρο (Benenson και Torrens, 2004). Αυτό το δυσδιάστατο C.A. είχε δύο πιθανές καταστάσεις κελίων, ζωντανό (1) ή νεκρό (0), και τρείς κανόνες μετάβασης, επιβίωση, θάνατος και γέννηση. Το κελί παρέμενε νεκρό αν κανένας κανόνας δεν εφαρμοζόταν. Με αυτούς τους απλούς κανόνες, το «παιχνίδι της ζωής», μπορούσε να δημιουργήσει περίπλοκα πρότυπα και σχέδια ανάπτυξης μέσω της προσομοίωσης. Το μεγαλύτερο επίτευγμα του ήταν ότι δημιουργήθηκε ένα διεπιστημονικό εργαλείο για την αναπαράσταση σύνθετων χωρικών συστημάτων και να προσομοιώσει την δυναμική τους (Benenson και Torrens, 2004). Το «παιχνίδι της ζωής» θεωρείται το πρώτο μοντέλο C.A. 21

23 Εικόνα 2: Σχηματοποιημένοι κανόνες από το Game of life του Conway. Πηγή: (Benenson και Torrens, 2004) Μέσω τις έρευνας πάνω στο «παιχνίδι της ζωής» τα C.A. αποδείχθηκαν ικανά να μελετήσουν τη δυναμική πολύπλοκων συστημάτων και αυτό οδήγησε στην έρευνα των χωρικών προτύπων που δημιουργούνται από αυτά τα συστήματα. Ο μαθηματικός Stephen Wolfram έκανε εκτενή έρευνα στα C.A. εξερευνώντας τους διαφορετικούς σχηματισμούς που αναπτύσσονταν χρησιμοποιώντας απλές παραμέτρους και κανόνες. Χρησιμοποίησε ένα μονοδιάστατο C.A. οπού η γειτονιά ορίζεται από τα δύο διπλανά κελία (σύνολο τρία). Ο Wolfram μελέτησε όλα τα πρότυπα με όλους τους 256 σχηματισμούς (2 8 σχηματισμοί) (Wolfram, 1983, 1984). Πίνακας 2: Κατηγοριοποίηση των προτύπων από τον Wolfram. Πηγή: (Wolfram, 1984) Βάση αριθμητικών πειραμάτων ο Wolfram απέδειξε ότι η μείωση των σχηματισμών δεν εξαρτάται από την αρχική κατάσταση των κελίων, αλλά από τους κανόνες μετάβασης. Ο Wolfram κατηγοριοποίησε τα C.A. ανάλογα με τη δυναμική συμπεριφορά τους και τα πρότυπα που δημιουργούνται από αυτά και αναγνώρισε τέσσερις κύριες κλάσεις, όπως φαίνεται από τον πίνακα 2 και την εικόνα 3. 22

24 Εικόνα 3: Τυπική συμπεριφορά για κάθε μία από τις τέσσερις κλάσεις του Wolfram. (Από πάνω αριστερά και με τη φορά του ρολογιού, Class I, Class II, Class III, Class IV). Πηγή: (Benenson and Torrens, 2004, Pinto, 2006). Η κατηγοριοποίηση του Wolfram είχε το μειονέκτημα ότι δε μπορούσε να κατηγοριοποιήσει τα C.A. έχοντας μόνο τους κανόνες μετάβασης (Benenson and Torrens, 2004). Έγιναν προσπάθειες να γίνουν άλλες κατηγοριοποιήσεις αλλά του Wolfram εξακολουθεί να είναι η πιο δημοφιλής (Pinto, 2006). Χρήση των Cellular Automata στην μελέτη της αστικής ανάπτυξης Οι περισσότερες γεωγραφικές θεωρίες είναι στατικές, θεωρώντας ότι λειτουργούν σε ένα σύστημα το οποίο είναι σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτή η υπόθεση είναι μη λογική καθώς σε όλες τις πόλεις υπάρχουν συνεχείς αλλαγές. Αυτό το γεγονός καθιστά τη χρήση των δυναμικών μοντέλων απαραίτητη (White and Engelen, 1993). Δύο βασικά χαρακτηριστικά καθιστούν τα μοντέλα Cellular Automata πολύ ελκυστικά. Αφενός μπορούν να προσομοιώσουν πολλές κατηγορίες δυναμικών συστημάτων, αφετέρου έχουν την ικανότητα να αποδώσουν με την ίδια βαρύτητα τη σημασία του χώρου, του χρόνου και των χαρακτηριστικών του συστήματος (Batty et al, 1997). Τα μοντέλα CA έχουν εγγενώς χωρικά χαρακτηριστικά και χρησιμοποιούνται στην μοντελοποίηση μεγάλου φάσματος φαινομένων, βάση της ικανότητας τους να αναπαραστήσουν τις χωρικές εξελίξεις. Τέτοια φαινόμενα είναι οι δασικές φωτιές και οι πυρκαγιές γενικότερα, επιδημίες, συγκοινωνιακές εφαρμογές, πολυκεντρικότητα, ιστορική αστικοποίηση, αστική ανάπτυξη, μορφή και τοποθεσία (White and Engelen, 1993). Λόγω της ευρείας χρήσης των κυψελοειδών αυτόματων στην επίλυση χωρικών προβλημάτων, ο Itami διαπίστωσε ότι τα κυψελοειδή αυτόματα μπορούν να λειτουργήσουν, όχι μόνο ως πλαίσιο για τη δυναμική χωρική μοντελοποίηση, αλλά ως πρότυπο για τον τρόπο σκέψης κατά την αντιμετώπιση πολύπλοκων χωρικών και προσωρινών φαινομένων 23

25 και ως εργαλείο, ένα πειραματικό εργαστήριο για τη δοκιμή ιδεών. Δεδομένου των παραπάνω, αλλά και της χρήσης παράλληλων λειτουργιών και υπολογισμών που χρησιμοποιούν τα κυψελοειδή αυτόματα, γίνεται κατανοητό το μέγεθος της προοπτικής που έχουν τα μοντέλα αυτά. Σύμφωνα με τον Torrens (Torrens, 2000), υπάρχουν τρείς διαφορετικές κατηγορίες αστικών μοντέλων κυψελοειδών αυτόματων για τρείς διαφορετικούς σκοπούς. Ένα μοντέλο μπορεί να ανήκει σε παραπάνω από μία κατηγορία και να εξυπηρετεί παραπάνω από ένα σκοπό. Οι κατηγορίες που προκύπτουν ύστερα από μελέτη σε τροποποιήσεις των τυπικών μοντέλων κυψελοειδών αυτόματων είναι: 1. Μοντέλα που ερευνούν θέματα οικονομικά, κοινωνικά και γεωγραφικά 2. Μοντέλα που εξερευνούν τη χωρική πολυπλοκότητα και 3. Μοντέλα που παράγουν λειτουργικά εργαλεία για το σχεδιασμό. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1960 μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1980 οι ερευνητές μελετούσαν τα ολοκληρωμένα περιφερειακά μοντέλα (Benenson and Torrens, 2004). Η κριτική του Lee (1973) σηματοδότησε μια περίοδο όπου οι ερευνητές αμφισβήτησαν την ανάγκη για τα μοντέλα μεγάλης κλίμακας και επικεντρώθηκαν σε μικρότερα προβλήματα. Παρά τη στροφή στα απλούστερα προβλήματα, θέματα όπως η πολυπλοκότητα των συστημάτων και η έλλειψη πειραματικών δεδομένων για βαθμονόμηση των μοντέλων, οδήγησε στην αναζήτηση απλούστερων προσεγγίσεων που θα είχαν πιο αξιόπιστα αποτελέσματα (Klosterman, 1994). Τα κυψελοειδή αυτόματα μοντέλα ικανοποιούσαν τις απαιτήσεις αυτές. Οι Couclelis και Tobler έθεσαν τις βάσεις των μοντέλων με κυψελοειδή αυτόματα, όπου αναπτύχθηκαν, από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 έως τα τέλη της δεκαετίας του 1980, ταυτόχρονα με τους υπολογιστές γενικής χρήσης, τη θεωρία του χάους και της πολυπλοκότητας (Batty et al, 1997). Ο Waldo Tobler μελέτησε την ανάπτυξη του πληθυσμού μέσα από ένα μοντέλο με κυψελοειδή αυτόματα (Tobler, 1970). Στην μελέτη του επικαλείται τον πρώτο νόμο της γεωγραφίας, στον οποίο αναφέρεται ότι κάθε αντικείμενο συνδέεται με όλα τα υπόλοιπα. Αυτά που βρίσκονται πλησιέστερα συνδέονται ισχυρότερα και αυτά που βρίσκονται πιο μακριά λιγότερο ισχυρά. Βάση αυτού του νόμου κινήθηκε για να λύσει το πρόβλημα της πολυπλοκότητας και ταυτόχρονα να εξηγήσει τη σύνδεση της αύξησης του πληθυσμού σε ένα μέρος με την παγκόσμια αύξηση του πληθυσμού. Αντί να χρησιμοποιήσει εξισώσεις τάσης με περιορισμένο σύνολο συντελεστών για να προσομοιώσει την αύξηση του πληθυσμού σε κάθε περιοχή, υπό την επιρροή της γενικότερη αύξησης του πληθυσμού, χρησιμοποίησε μια προσέγγιση που θεωρεί την ανάπτυξη μόνο των γειτονικών περιοχών ικανή να επηρεάσει την ανάπτυξη της υπό εξέταση περιοχής. Αργότερα, το 1979, ο ίδιος δημοσίευσε μια ακόμα σημαντική έρευνα οπού τα κυψελοειδή αυτόματα θεωρούνται εργαλεία αποκλειστικά για χωρική έρευνα (Tobler, 1979). Ο Tobler διαχώρισε τα μοντέλα ανάλογα με τη λειτουργία τους σε πέντε κατηγορίες, όπως φαίνεται και στο σχήμα. 24

26 Εικόνα 4: Κατηγοριοποίηση των μοντέλων από τον Tobler. Πηγή: Tobler (1979) Μοντέλο τύπου 1: Ανεξάρτητο μοντέλο όπου η χρήση γης για την τοποθεσία (κελί) g ij σε χρόνο t+δt είναι ανεξάρτητη από τη χρήση γης τη στιγμή t. Μοντέλο τύπου 2: Κατατάσσεται στα λειτουργικά εξαρτώμενα γιατί η χρήση γης για το κελί g ij σε χρόνο t+δt εξαρτάται από τη χρήση γης του ίδιου κελιού τη στιγμή t. Μοντέλο τύπου 3: Ιστορικό μοντέλο, καθώς η χρήση γης του κελίου g ij σε χρόνο t+δt εξαρτάται από τις χρήσεις γης που είχε το ίδιο κελί σε προηγούμενες χρονικές στιγμές. Μοντέλο τύπου 4: Πολυμεταβλητό μοντέλο, στο οποίο η χρήση γης του κελίου g ij σε χρόνο t+δt εξαρτάται από διάφορες μεταβλητές. Μοντέλο τύπου 5: Γεωγραφικό μοντέλο στο οποίο η χρήση γης του κελίου g ij σε χρόνο t+δt εξαρτάται από τις χρήσεις γης μιας γειτονίας κελίων κοντά στο υπό εξέταση κελί. Στα μέσα της δεκαετίας 1980 η Helen Couclelis συνέχισε την έρευνα του Tobler πάνω στα κυψελοειδή αυτόματα και τη χρήση τους στα αστικά μοντέλα (Couclelis, 1985). Η έρευνα της χωρίζεται σε δύο κατευθύνσεις. Η πρώτη σχετίζεται με τη θεωρία των πολύπλοκων συστημάτων και η δεύτερη με τη χρήση τους στον αστικό σχεδιασμό (White and Engelen, 1993). Η Couclelis επιχείρησε έναν παραλληλισμό ανάμεσα στο «παιχνίδι της ζωής» του Conway και των κανόνων μετάβασης του, με τα φαινόμενα αστικής ανάπτυξης. Η απλοϊκότητα αυτού του παραλληλισμού όμως τον καθιστά ακατάλληλο για προσομοίωση πραγματικών χωρικών φαινομένων. Τα προβλήματα ήταν: Α) Ο τρόπος που αντιμετωπίζεται η διάσταση του χώρου και ο τρόπος που τίθενται τα όρια του μοντέλου. Η επιβολή καθολικών κανόνων σε ένα ατελείωτο χώρο με κελιά συγκρούεται με τη λογική της μοντελοποίησης. 25

27 Β) Η κανονικότητα των γειτονιών. Προκειμένου οι γειτονιές να είναι αντιπροσωπευτικές θα πρέπει να έχουν διαφορετικά σχήματα και μεγέθη για διαφορετικά κελιά. Γ) Κανονικότητα κελιών και ομοιογένεια. Κανονικότητα κελιών και χωρική ομοιογένεια του κάθε κελιού είναι δύσκολο να εντοπιστούν στην πραγματικότητα. Δ) Χωρική και χρονική σταθερότητα. Όταν εφαρμόζονται οι κανόνες μετάβασης ο χώρος παραμένει αναλλοίωτος, κάτι που μπορεί φαινομενικά σε μικρά χρονικά διαστήματα να αληθεύει, αλλά σε μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα μπορεί να μεταβάλλεται λόγω ακραίων φυσικών φαινομένων που εμφανίζονται στο χώρο του μοντέλου ή εκτός του χώρου του μοντέλου και επιδρούν σε αυτό. Επίσης στο χώρο του μοντέλου μπορεί να εμφανίζονται αποτελέσματα από αργά εξελισσόμενα φυσικά φαινόμενα (π.χ. άνοδος της στάθμης της θάλασσάς). Ε) Εξωτερικές διαταραχές. Το σύστημα θεωρείται απομονωμένο από εξωτερικές διαταραχές και επιδράσεις. Η λύση που πρότεινε η Couclelis ήταν η χαλάρωση των κανόνων των μοντέλων κυψελοειδών αυτόματων προκειμένου να καταστεί εφικτή μια κυψελοειδής προσέγγιση στα πραγματικά χωρικά φαινόμενα, χωρίς όμως να χαθεί η ταυτότητα ή η απλοϊκότητά των μοντέλων αυτών. Έτσι, αναδόμησε το «παιχνίδι της ζωής» του Conway προκειμένου να αποκτήσει γεωγραφική μορφή, όπως τα μοντέλα κυψελοειδών αυτόματων, και να μπορεί να εφαρμοστεί σε μία σειρά χωρικών προβλημάτων. Το αναδομημένο μοντέλο της Couclelis είναι ανεξάρτητο από το σχήμα και το μέγεθος των κελιών. Είναι πιθανό κάθε μοντέλο συνεχές ή ασυνεχές, ντετερμινιστικό ή στοχαστικό, ποσοτικό ή κατηγοριακό ότι μπορεί να εκφραστεί με τον ίδιο κώδικα όπως το σενάριο αυτό, του κυψελοειδούς χώρου (Pinto, 2006). Ένα ακόμα ενδιαφέρον σενάριο που δημιουργήθηκε είναι αυτό των White and Engelen, το σενάριο των περιορισμένων κυψελοειδών αυτόματων. Τα κανονικά μοντέλα κυψελοειδών αυτόματων δημιουργούνται με σκοπό να χρησιμοποιηθούν σε γενικές χρήσεις, με αποτέλεσμα να εμφανίζουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά. Αφενός ορίζονται σε έναν ομοιογενή κυψελοειδή χώρο, ξεπερνώντας την ποικιλομορφία των χαρακτηριστικών που εμφανίζουν τα κελιά, και συνδέουν τα κελία με την κατάσταση που επικρατεί σε αυτά, ανεξάρτητα με το πού βρίσκονται αυτά στο χώρο. Αφετέρου είναι μη περιορισμένα, όποτε ο αριθμός των κελίων που βρίσκονται σε κάθε πιθανή κατάσταση καθορίζεται ενδογενώς από την εφαρμογή των κανόνων μετάβασης, ανάλογα με την τρέχουσα διαμόρφωση των κελίων. (White and Engelen, 1997). Στην αρχική τους έρευνα, οι White και Engelen, έκαναν ορισμένες υποθέσεις και το μοντέλο που δημιουργήθηκε είχε τη μορφή ενός μοντέλου κυψελοειδών αυτόματων. Η πρώτη υπόθεση αφορά την ιεράρχηση των καταστάσεων των κελιών. Υπάρχουν τέσσερις καταστάσεις κελίων στο μοντέλο που δημιούργησαν, κενή χρήση (χαμηλότερη δυνατή κατάσταση), οικία, βιομηχανία και εμπορική χρήση (ανώτερη δυνατή κατάσταση). Ένα κελί μπορεί να αλλάξει μόνο από μία κατάσταση χαμηλότερη σε μία ανώτερη κατάσταση, αλλά όχι σε μία κατώτερη κατάσταση. Έτσι το άδειο κελί μπορεί να μεταβεί σε οποιαδήποτε κατάσταση και κατά συνέπεια να 26

28 αναπτυχθεί η πόλη στο χώρο, αλλά το αντίθετο δε γίνεται. Η ταχύτητα με την οποία εξαπλώνονται οι χρήσεις στα κενά κελία είναι σταθερή σε όλα τα μοντέλα και ισούται με ένα κελί ανά χρονικό βήμα (Itami, 1994). Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται στο «παιχνίδι της ζωής» του Conway και ονομάζεται Speed of light (ταχύτητα του φωτός). Κατά συνέπεια, όσο μεγαλύτερη γειτονία χρησιμοποιείται τόσο πιο γρήγορος ο ρυθμός εξάπλωσης των χρήσεων γης στα κενά κελία. Επίσης, προκειμένου να υπολογιστεί ο αριθμός των χρονικών βημάτων που χρειάζεται ώστε ένα σύνολο κελίων να εξαπλωθεί και να επηρεάσει ένα άλλο απομακρυσμένο σύνολο κελιών, αρκεί να μετρηθεί η απόσταση σε κελία από την άκρη του ενός συνόλου έως την άκρη του άλλου συνόλου και ο αριθμός να διαιρεθεί με το δύο (Itami, 1994). Η δεύτερη υπόθεση αφορά τη χρήση μεγαλύτερης γειτονίας από τις καθιερωμένες του Moore και του Von Neumann. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κελίων εξαρτάται από μία πολύ μεγάλη περιοχή σε αντίθεση με το κανονικό σενάριο της γειτονίας και εισάγοντας την ιδέα της «δράσης από απόσταση». Σε ένα αυστηρό μοντέλο κυψελοειδών αυτόματων οι αλλαγές στις καταστάσεις των κελίων πρέπει να εξαρτώνται από «τυπικούς» παράγοντες και να μην εμφανίζεται «δράση από απόσταση» (Batty et al, 1997). Οι σχέσεις που δημιουργούνται μέσω της «δράσης από απόσταση» μπορεί να είναι θετικές (έλξης) ή αρνητικές (άπωσης). Τέλος, η τελευταία υπόθεση αφορά την πιθανότητα μεταβολής μίας κατάστασης κελίου. Οι κανόνες μετάβασης δε βασίζονται σε απλή πιθανότητα αλλά σε μία σύνθετη μέτρηση της πιθανότητας μετάβασης. Η πιθανότητα μετάβασης είναι ένα σταθμισμένο άθροισμα που προσομοιώνει τις τάσεις συμπεριφοράς των πρακτόρων που καθορίζουν τις χρήσεις γης, όπως φαίνεται στην εξίσωση: P ij = S(1 + m kd I hd ) h,k,d Όπου P ij είναι η πιθανότητα μετάβασης από την κατάσταση i στην κατάσταση j. m kd είναι η παράμετρος βαθμονόμησης που εφαρμόζεται στο κελί, k είναι η κατάσταση στο κελί, d είναι η απόσταση και h είναι ο δείκτης των κελίων σε μία δεδομένη απόσταση (ζώνη). I hd ισούται με 1 όταν η κατάσταση του κελιού k είναι ίδια με την κατάσταση της ζώνης h, αλλιώς είναι 0. S είναι μία στοχαστική διαταραχή που υπολογίζεται από τον τύπο: S = 1 + [ log(r)] α Όπου R είναι ομοιόμορφη τυχαία κατανομή στο διάστημα [0,1] και α είναι μια παράμετρος ελέγχου της διαταραχής. Το σταθμισμένο άθροισμα της πιθανότητας μετάβασης πολλαπλασιάζεται με το S ώστε να προσομοιωθεί η στοχαστική συμπεριφορά των πρακτόρων. 27

29 Εικόνα 5: Η επίδραση της γειτονίας ανάλογα με την απόσταση. Πηγή: Straatman, White and Engelen (2004) Ένα ακόμα μοντέλο που αποτελεί σημαντική εξέλιξη για τα μοντέλα με κυψελοειδή αυτόματα είναι το μοντέλο που ανέπτυξαν ο White και οι συνεργάτες του (White et al, 1993). Αυτό το μοντέλο θέτει την ζήτηση των χρήσεων γης ως εξωγενή παράγοντα. Σε ένα κλασικό μοντέλο με κυψελοειδή αυτόματα, το μοντέλο ξεκινάει από μερικά κελία και με τη πάροδο του χρόνου αναπτύσσεται, μέσω των κανόνων μετάβασης, σε πιο πολύπλοκα συστήματα. Ο αριθμός των μεταβαλλόμενων κελίων καθορίζεται μόνο από τη διαδικασία μεταβολής τους και τους κανόνες μετάβασης. Ο White και οι συνεργάτες του εισήγαγαν μια εξωγενή παράμετρο, που σκοπό έχει να προσομοιώσει τη ζήτηση για ορισμένες χρήσεις γης. Υπάρχει ένας αριθμός κελίων, ο οποίος καθορίζεται από την αρχή, για κάθε χρήση γης και στη συνέχεια υπολογίζεται ο αριθμός των κελίων, κάθε χρήσης γης, κατά τη ροή της λειτουργίας του μοντέλου. Αν ο αριθμός των κελίων σε μία χρήση γης δεν επαρκεί, υπάρχει πιθανότητα κελία από χαμηλότερη κατηγορία (χρήση γης) να μεταβούν σε ανώτερη κατηγορία μέχρι να ικανοποιηθεί η ζήτηση. Η πιθανότητα μεταβολής κάθε κελιού υπολογίζεται ξεχωριστά για κάθε κελί σε κάθε χρονικό βήμα. Αυτή η προσέγγιση έχει εξελιχθεί και χρησιμοποιηθεί σε νεότερες μελέτες (White and Engelen, 2000; Barredo et al, 2003). Η χρήση γης σε κάθε σημείο εξαρτάται από τρείς παράγοντες: τις εγγενείς ιδιότητες της γης, την επίδραση των γειτονικών χρήσεων γης και το συνολικό επίπεδο ζήτησης για κάθε χρήση γης (White et al, 1993). Μια πρωτοτυπία του μοντέλου είναι οι μεμονωμένες μετρήσεις για τον καθορισμό της καλής λειτουργίας του ίδιου του μοντέλου και της προσομοίωσης. Έτσι, ορισμένες μεμονωμένες μετρήσεις σε θεωρητικές πόλεις συγκρίνονται με μεμονωμένες μετρήσεις σε πραγματικές πόλεις προκειμένου να διαπιστωθεί ότι το μοντέλο είναι ικανό να παράγει ρεαλιστικά αποτελέσματα για την αστική ανάπτυξη (Pinto, 2006). 28