A distributed simulation-optimisation system in support of goal pursuit in large-scale urban growth scenarios

Simple item page
dc.contributor.advisorVan Vuuren, JHen_ZA
dc.contributor.authorVan Heerden, Quintinen_ZA
dc.contributor.otherStellenbosch University. Faculty of Engineering. Dept. of Industrial Engineering.en_ZA
dc.date.accessioned2024-01-24T06:30:07Zen_ZA
dc.date.accessioned2024-04-26T22:23:08Zen_ZA
dc.date.available2024-01-24T06:30:07Zen_ZA
dc.date.available2024-04-26T22:23:08Zen_ZA
dc.date.issued2024-03en_ZA
dc.descriptionThesis (PhD)--Stellenbosch University, 2024.en_ZA
dc.description.abstractENGLISH ABSTRACT: Cities are complex systems and become increasingly complex as they grow. Urbanisation has to be managed carefully so as to avoid exerting unnecessary pressure on infrastructure and not to exacerbate further any unsustainable practices, such as overcrowding or urban sprawl. Urbanisation plays an important role in achieving the sustainable development goals of the United Nations, but local planning practices have to be aligned with these goals in order to achieve them. Local planning is plagued by requirements in national directives and legislation that mandate several planning instruments, frameworks, and policies, but do not provide clear direction on how to achieve these often-grandiose goals. Moreover, municipalities are not required to test the feasibility or the potential effects of their plans before implementing them. This may be due, in part, to a lack of scientific tools capable of assisting planners in this regard. State-of-the art land-use models, which are available for this purpose, are often too complex, require large volumes of data and specialist expertise to execute them, are limited in their application, or are too involved in terms of the underlying process of setting up appropriate test scenarios. A novel, generic system for long-term land-use planning is proposed in this dissertation which combines the powerful modelling paradigm of integrated land-use transport models with optimisation algorithms in a simulation-optimisation setting. The system comprises four functional components which together facilitate the pursuit of goals in large-scale urban growth scenarios. These components are a data component, a simulation component, an optimisation component, and an interpretation component. The main objective of the data component is to guide a decision-maker systematically through the processes of data collection, curation, preparation, and storage. The simulation component facilitates the establishment and execution of an integrated land-use transport model, while urban development aspiration levels may be specified in the optimisation component, which is aimed at performing multi-objective optimisation in pursuit of these targets. The working of the optimisation component is based on the execution of a self-adaptive metaheuristic responsible for managing various perturbation operators and interacts with the simulation component. Finally, the interpretation component provides a structured approach towards the interpretation of the performance of the entire system, the performance of the metaheuristic, as well as the output results with a view to make informed decisions with respect to land-use planning. integrated land-use transport models are notorious for their long execution times and require vast amounts of data and resources. The system proposed in this dissertation, therefore, conforms to one of two possible distributed system designs in order to guide the decision-maker during the process of establishing and running such a model in a distributed manner — either making use of microservices or else implementing the system on a high-performance computing cluster. An analysis of the costs involved is also carried out so as to assist the decision-maker in selecting the most appropriate system design for his or her needs.en_ZA
dc.description.abstractAFRIKAANSE OPSOMMING: Stede is komplekse stelsels en word al hoe meer kompleks soos hulle groei. Verstedeliking moet sorgvuldig bestuur word om te verhoed dat onnodige druk op infrastruktuur uitgeoefen word en om nie enige onvolhoubare praktyke, soos oorbevolking of stedelike verspreiding, verder te vererger nie. Verstedeliking speel ’n belangrike rol in die bereiking van die volhoubare ontwikkelingsdoelwitte van die Verenigde Nasies, maar plaaslike beplanningspraktyke moet met hierdie doelwitte belyn word om hul te bereik. Plaaslike beplanning word geteister deur ’n verskeidenheid vereistes in nasionale voorskrifte en wetgewing gerig op beplanningsinstrumente, raamwerke en beleide wat nie duidelike rigting gee oor hoe om hierdie dikwels grootse doelwitte te bereik nie. Daar word boonop nie van munisipaliteite vereis om die uitvoerbaarheid of die potensi¨ele uitwerking van hul planne te toets voordat dit ge¨ımplementeer word nie. Dit kan deels te wyte wees aan ’n gebrek aan wetenskaplike hulpmiddels wat deur beplanners in hierdie verband gebruik kan word. Moderne grondgebruikmodelle wat vir hierdie doel beskikbaar is, is dikwels te kompleks, vereis groot volumes data en spesialiskundigheid om hul uit te voer, is beperk in hul toepassing, of is te ingewikkeld in terme van die onderliggende proses van die opstel van toepaslike toets scenario’s. In hierdie proefskrif word ’n nuwe, generiese stelsel vir langtermyn-grondgebruikbeplanning voorgestel. Hierdie stelsel kombineer die kragtige modelleringsparadigma van ge¨ıntegreerde grondgebruikvervoer-modelle met optimeringsalgoritmes in ’n simulasie-optimeringsopset. Die stelsel bestaan uit vier funksionele komponente wat saam die nastrewing van doelwitte in grootskaalse stedelike groei-scenario’s fasiliteer. Hierdie komponente is ’n datakomponent, ’n simulasiekomponent, ’n ptimeringskomponent en ’n interpretasiekomponent. Die hoofdoel van die datakomponent is om ’n besluitnemer sistematies deur die prosesse van data-insameling, samestelling, voorbereiding en berging te lei. Die simulasiekomponent fasiliteer die vestiging en uitvoering van ’n ge¨ıntegreerde grondgebruikvervoer-model, terwyl stedelike ontwikkelingaspirasievlakke in die optimeringskomponent gespesifiseer kan word, wat daarop gemik is om multi-doelwit optimering in die nastrewing van hierdie teikens uit te voer. Die werking van die optimeringskomponent is gebaseer op die uitvoering van ’n self-aanpasbare metaheuristiek wat verantwoordelik is vir die bestuur van verskeie perturbasie-operatore, en is in wisselwerking met die simulasiekomponent. Laastens bied die interpretasiekomponent ’n gestruktureerde benadering tot die interpretasie van die prestasie van die hele stelsel, die prestasie van die metaheuristiek, sowel as die uitsetresultate met die oog op die neem van ingeligte besluite met betrekking tot grondgebruikbeplanning. Ge¨ıntegreerde grondgebruikvervoer-modelle is berug vir hul lang uitvoeringstye, en hul vereis groot hoeveelhede data en hulpbronne. Die stelsel wat in hierdie proefskrif voorgestel word, neem een van twee moontlike verspreide stelselontwerpe aan om die besluitnemer in staat te stel om so ’n model op ’n verspreide wyse daar te stel en uit te voer — ´of deur gebruik te maak van mikrodienste, ´of andersins deur die stelsel op ’n ho¨e-werkverrigting rekenaargroep te implementeer. ’n Ontleding van die betrokke koste word ook uitgevoer om die besluitnemer te help om die mees geskikte stelselontwerp vir sy of haar behoeftes te kies. Twee instansiasies van die stelsel word op ’n ho¨e-werkverrigting rekenaargroep ge¨ımplementeer om die stelsel se vermo¨e te demonstreer om digtheidsteikens suksesvol in verskeie ontledingsones na te streef (gemodelleer as ’n enkel-doelwit optimeringsprobleem met die inkorporering van Chebyshev-skalarisasie) sowel as die afruiling van hierdie ontwikkelingsdoelwit met die bereiking van grondgebruikdiversiteit (gemodelleer as ’n multi-doelwit optimeringsprobleem). ’n Multi-kriteria besluitnemingsproses word toegepas om die bes-presterende oplossing uit die resulterende benaderde Pareto-front te kies, gebaseer op die besluitnemer se voorkeure. Hierdie instansiasies demonstreer suksesvol die stelsel se vermo¨e om genuanseerde resultate te lewer wat gebruik kan word om stadsbeplanningsbesluite in te lig.af_ZA
dc.description.versionDoctorateen_ZA
dc.format.extentxxx, 261 pages : illustrationsen_ZA
dc.identifier.urihttps://scholar.sun.ac.za/handle/10019.1/130569
dc.language.isoen_ZAen_ZA
dc.language.isoen_ZAen_ZA
dc.publisherStellenbosch : Stellenbosch Universityen_ZA
dc.rights.holderStellenbosch Universityen_ZA
dc.subject.lcshCities and towns -- Growth
dc.subject.lcshMetaheuristicsen_ZA
dc.subject.lcshAutonomous distributed systemsen_ZA
dc.subject.lcshUCTDen_ZA
dc.titleA distributed simulation-optimisation system in support of goal pursuit in large-scale urban growth scenariosen_ZA
dc.typeThesisen_ZA
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
Thumbnail Image
Name:
vanheerden_distributed_2024.pdf
Size:
46.04 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Download
Collections
Doctoral Degrees (Industrial Engineering)