Interactive design of sustainable cities with constraints solving
Conception interactive d’environnements urbains durables à base de résolution de contraintes
Résumé
The design of more sustainable cities has emerged as a central society issue. A city, in the early stage of its design process, can be seen as a balanced set of urban shapes (residential, commercial, artisanal and industrial units, roads, schools, parks, ...). These shapes need to be spatially organized following complex rules based on a systemic view of the city, including social, economic, ecological and transportation aspects. In this thesis, we provide a computer-aided decision tool to assist urban planners and decision makers in the task of designing sustainable cities. We cast the urban planning problem as an optimization problem that we solve with local search techniques, by iteratively swapping the urban shapes. At this stage, our tool automatically organizes urban shapes over a given empty, spatially delimited territory. We extend this sequential algorithm with novel heuristics to improve the computation time, and propose a distributed version, efficient on large problems. Finally, we add interactive features that allow the experts to modify the spatial organization of the city, while maintaining on the fly the relations between shapes and informing the experts of the impacts of their choices. The benefits of our approach are highlighted by examples and feedbacks from experts in the domain, and open the way for new approaches to design the cities of the future.
La conception de villes plus durables est devenue un problème de société central. Une ville, à un stade très en amont du processus de conception, peut être vue comme un ensemble équilibré de formes urbaines (unités résidentielles, commerciales, artisanales, industrielles, routes, écoles, parcs, ...) qui doivent être spatialement organisées suivant des règles complexes issues d’une vision systémique de la ville, intégrant les facettes sociales, économiques, écologiques et de transport. Dans cette thèse, nous proposons un outil d’aide à la décision pour assister les urbanistes et les décideurs dans cette tâche de conception de villes durables. Nous modélisons le problème d’aménagement urbain comme un problème d’optimisation que nous résolvons par des techniques de recherche locale en réalisant une succession de permutations entre formes urbaines. Notre outil organise alors automatiquement les formes urbaines sur un territoire vierge, et délimité dans l’espace. Nous étendons cet algorithme séquentiel avec des heuristiques novatrices pour améliorer les temps de calcul, et nous proposons une version distribuée efficace pour des problèmes de grande taille. Enfin, nous y ajoutons des fonctionnalités interactives permettant aux experts de modifier l’organisation spatiale de la ville, tout en maintenant à la volée les relations entre les formes urbaines, et en les informant des impacts de leurs choix. Les avantages de notre approche sont mis en évidence par des exemples et des évaluations d’experts du domaine, et ouvrent la voie vers de nouvelles façons de concevoir les villes du futur.