lunes, 15 de julio de 2019

City Sandbox: un modelo descargable para entender, experimentar y crecer ciudades en tu computadora

Comparativo entre una aglomeración urbana real (Pune y Mumbai, India) y uno simulado por el modelo City Sandbox.

EN RESUMEN:

* Este es un modelo descargable para “cultivar” regiones urbanas de acuerdo a condiciones topográficas, redes viales y normatividad urbana.

* Contiene “brochas urbanas” para pintar vialidades y usos de suelo como una manera para aprender sobre compatibilidades, influencia vial y el surgimiento de patrones urbanos a través de la libre experimentación.
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En esta ocasión comparto un modelo computacional que puedes bajar a tu computadora y experimentar con la creación de regiones urbanas. Lo elaboré para el taller de modelación urbana presentado por el IMIP Ensenada en la unidad del Tecnológico de Monterrey Campus Puebla en el contexto del Urban Thinkers Campus ONU-HABITAT Puebla 2019 organizado por el Colegio Nacional de Juirsprudencia Urbanistica Internacional.

Por un lado, demuestra el concepto de la "fertilidad" de un modelo, es decir, cómo un mismo concepto puede aplicarse a diferentes disciplinas. En este caso, un algoritmo que promedia valores y que genera patrones espaciales de aglomeración que puede utilizarse en fenómenos que presenten este comportamiento. Por otro lado, es un modelo que nos ayuda a entender los patrones espaciales que pueden surgir a raíz de la normatividad de programas de desarrollo urbano y de condiciones presentes en el territorio en donde apliquen. Por lo mismo, este es un punto de arranque para la elaboración de modelos mas complejos que sirven de herramienta para el diseño de políticas públicas en materia de desarrollo urbano las cuales pueden evaluarse antes de su implementación en la vida real.

Aglomeración urbana resultado de una simulación del modelo City Sandbox.
Lo que arroja el modelo lo podemos interpretar, en términos simplistas, como imágenes aéreas de regiones urbanas artificiales. Estas son formadas de acuerdo a parámetros que nosotros le ingresamos respecto a compatibilidades y cantidades de usos de suelo. Aunque mantengamos los mismos parámetros, el modelo arroja resultados diferentes cada vez que lo ejecutamos, lo que demuestra que una misma condición se puede cumplir de diferentes maneras.

A pesar de la sencillez del modelo, este nos puede ayudar a entender los motivos de por qué el patrón de distribución de usos de suelo en las ciudades se comporta como tal. Si observamos con cuidado el desarrollo de nuestras ciudades sintéticas del modelo, podemos llegar a encontrar aquí y allá situaciones ya conocidas (por lo menos en lugares en donde mayormente se respeta la normatividad urbana). Por ejemplo, en la siguiente imagen se muestra una simulación en proceso donde en el centro observamos un uso Comercial-Industrial (celda café) el cual está separado de los usos habitacionales por otros usos intermedios, dado que la industria y la vivienda no están permitidos que se encuentren directamente colindantes en este mundo virtual:

Al centro, en celda color café, un desarrollo Comercial-Industrial.

También podemos encontrar usos de suelo que se puede garantizar su cantidad de superficie solo si se da contigua a usos similares, como es el caso de esta aglomeración de usos de equipamiento (celdas azules): 

Tres aglomeraciones de equipamiento urbano (celdas azules), donde al centro cada uno contiene usos industriales.

Otro caso es que nos ayuda a entender cómo se puede dar la consolidación urbana en el tiempo. En la siguiente figura se muestra como de nuestro modelo surgieron dos áreas industriales rodeadas mayormente por suelo sin urbanizar (celdas negras) en el ciclo 612. Ya muy avanzado, en el ciclo 2,500 apenas habían sido rodeadas por tres celdas de equipamiento y en el ciclo 7,000 seguía con usos colindantes sin urbanizar:

En t = 612 surgen dos áreas industriales (encerradas en círculos blancos). En t = 7,000 aún no se urbanizan la totalidad de sus celdas vecinas.
¿Por qué tardó mas tiempo en consolidarse las áreas alrededor de estas industrias? ¿De qué otra manera se pudieron haber distribuido los usos? ¿Esta tardanza en su consolidación tiene que ver con las compatibilidades solamente o con la distribución de los usos circundantes? Estas son algunas preguntas que nos surgen al ver el modelo y que, al entenderlo, nos puede ayudar a responder.

El modelo se llama City Sandbox y se puede descargar dando clic en el ícono de abajo. Para usarlo hay que descargar el ambiente de programación Netlogo, el cual es gratuito y se puede descargar del otro ícono. Descarga el modelo y juega con él. Si quieres saber cómo usarlo sigue leyendo adelante.

 
Descarga modelo City Sandbox

Descarga Netlogo

Interfaz del modelo City Sandbox.

Secuencia de aglomeración en t = 100, t = 200, t = 300, t = 500, t = 600 y t = 800. Los colores indican diferentes usos de suelo y la distribucioón entre los mismos obedece a reglas de compatibilidad.

CÓMO TRABAJA
El modelo inicia representando la superficie de un territorio de dimensión finita a través de una cuadricula y sin ninguna urbanización. Cada celda de esta cuadrícula inicia con un valor potencial de 1 o -1 asignado de manera aleatoria y con el interés por desarrollar uno de 7 usos de suelo posibles. En cada paso el modelo actualiza el potencial de cada celda de acuerdo a los valores potenciales de las celdas vecinas y a las vialidades colindantes, las cuales aumentan el valor de potencial. Si el nuevo valor potencial pasa cierto umbral, la celda se vuelve potencialmente urbanizable. Enseguida, la celda busca que su interés por desarrollar su uso de suelo no sea incompatible con los usos de suelo circundantes en un radio especificado por el usuario. Si no es incompatible, la celda se urbaniza con el uso de suelo pretendido. Si no es así, la celda permanece sin urbanizar y de nuevo se estima su valor de potencial de manera sucesiva en cada generación del modelo. Las compatibilidades e incompatibilidades entre los usos de suelo se muestran en la siguiente Matriz de Compatibilidad, lo cual se puede ver una representación simplificada de las matrices usadas para normar la convivencia de usos en los programas de desarrollo urbano:
Matriz de compatibilidad de usos de suelo usada para el modelo City Sandbox.


CÓMO USARLO
El modelo se utiliza de la siguiente manera:

a) Posicionar el switch RESTRICCIONES? en ON u OFF. Si se elige ON, el modelo ubicará restricciones a la urbanización de manera aleatoria sobre el territorio. Estas pueden interpretarse como áreas cerriles, cuerpos de agua, áreas naturales protegidas, etc.

b) Seleccionar con el deslizador TOLERANCIA el radio de tolerancia de los usos de suelo. Esta es una distancia después de la cual es posible la convivencia de dos usos de suelo incompatibles. Entre mayor el valor, mayor la distancia entre los mismos para que puedan coexistir.

Distintos valores de radio de tolerancia. En las celdas grises no debe de existir un uso de suelo incompatible con la celda de color negro.
c) Asignar % de usos de suelo proyectado. Bajo la columna PROYECTADO, se ingresan los porcentajes planeados de cada uno de los 7 usos de suelo. La suma total debe ser de 100%.

d) (Opcional) Pintar vialidades y usos de suelo. Bajo la columna BROCHAS, presionar el botón del uso de suelo o vialidades que se desea representar en el territorio. Mientras se mantenga el botón activo, pasar el cursor con el botón izquierdo del ratón presionado sobre el territorio para pintar. Cuando se termine de pintar, desactivar el botón antes de proceder con la simulación.

e) Presionar el botón PREPARAR. Esto asignará un valor aleatorio de 1 o -1 a cada una de las celdas.

f) Presionar el botón CRECER para iniciar la simulación.

En cualquier momento de la simulación se puede presionar el botón CRECER para pausar la simulación y pintar usos de suelo, vialidades o cambiar el valor de TOLERANCIA. Presionar de nuevo para reanudar la simulación.

COSAS A NOTAR
Al iniciar la simulación se forman agrupamientos de usos de suelo, en donde el acomodo de cada uso con el resto dependerá de su compatibilidad y tolerancia. Si existen vialidades, estas atraerán usos de suelo formando corredores urbanos a lo largo de las mismas y en sus intersecciones.

El comportamiento real del % de usos de suelo proyectados varía de acuerdo a la relación entre la cantidad del porcentaje, compatibilidades y tolerancia entre todos los usos. Esto se puede constatar bajo la columna % DE USO, en donde se compara el porcentaje PROYECTADO vs REAL, y en la gráfica % DE USOS DE SUELO EN EL TIEMPO.
Los patrones espaciales de los usos de suelo resultantes pueden ser similares a los encontrados en ciudades reales.

COSAS A PROBAR
Iniciar la simulación sin ninguna traza vial. Después de que se formen agrupamientos de usos, pausar la simulación y conectarlos con vialidades. Reanudar la simulación y observar cómo se modifica el patrón de usos de suelo al ser atraídos por las nuevas vías de comunicación. Pausar de nuevo la simulación y conectar los nuevos agrupamientos resultantes y conectarlos entre sí, y así sucesivamente. Observar cómo se va formando una red vial como consecuencia de este proceso de retroalimentación.

Secuencia del desarrollo de una región. Las vialidades son trazadas por el usuario y el crecimiento por el modelo. De la tensión de estos dos actores resulta la configuración final de la región.
Otra opción es trazar una estructura vial antes de iniciar la simulación y observar el comportamiento del crecimiento urbano.

EXTENDIENDO EL MODELO
El modelo puede extenderse incluyendo un proceso de Autoregulacion, en el cual no se permita el crecimiento de usos de suelo mas allá de su crecimiento proyectado.

CREDITOS Y REFERENCIAS
La simulación toma su algoritmo de crecimiento del modelo denominado “Structure from randomness 2” que se encuentra en la biblioteca de modelos de Netlogo. Este modelo a su vez se basa en otro que se encuentra en el libro "Cities and Complexity" de Michael Batty.

Dado que el código del modelo es abierto, con algunas nociones de programación se puede alimentar con bases de datos espaciales de zonas reales para experimentar con estas y prospectar sus posibles futuros urbanos.

Este obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional.

domingo, 19 de mayo de 2019

Un capítulo introductorio para quienes quieran aprender a simular ciudades por computadora.



El proceso de diseño de políticas públicas es un ejercicio que se ha vuelto cada vez más complejo, envuelto en incertidumbre que puede caer en la improvisación e ignorar los efectos a largo plazo. Por lo tanto, la posibilidad de que los tomadores de decisiones puedan experimentar y descubrir a través de modelos computacionales los posibles resultados de políticas públicas antes de que se implementen en la vida real sería una herramienta útil, ya que generaría conocimiento anticipatorio útil y estrategias no reactivas. Sin embargo, los ejercicios de planeación urbana institucional que hacen uso de estas herramientas son casi nulos a pesar de que ya existen las herramientas para elaborarlos, dado que hasta ahora ha sido casi una actividad restringida a la comunidad científica debido en parte a la falta de literatura introductoria enfocada al funcionario público no especializado.

Con esta preocupación en mente es que escribí el capítulo From Simulation to Implementation: Practical Advice for Policy Makers Who Want to Use Computer Modeling as an Analysis and Communication Tool que acaba de publicarse en el libro Applied Decision-Making publicado por la editorial Springer. En él se presentan conceptos básicos de modelado computacional y consejos dirigidos a los formuladores de políticas públicas presentados desde una perspectiva de planificación urbana. Comienza mostrando una debilidad fundamental en la forma en que actualmente se diseñan las políticas públicas urbanas: ignorar las relaciones e interacciones entre los componentes de un contexto urbano. A continuación, se presenta el enfoque de la Complejidad como una forma de subsanar esta ausencia, junto con los métodos y herramientas que utiliza, y la aplicación de este enfoque en políticas públicas y ciudades a través del modelado computacional. Finalmente, se presentan una serie de consideraciones y recomendaciones con respecto a la construcción de modelos computacionales. Basado en protocolos de comunicación científica recientes, el capítulo concluye con una guía para la presentación de modelos dirigida a una audiencia no especializada, ya que puede ser un paso necesario como parte del proceso de implementación de políticas urbanas.

Va dedicado a todos los planificadores urbanos y funcionarios públicos que quieran aprender mas sobre simulación urbana con computadoras (y ojalá se animen a practicarlo).