017年美国大学生数学建模竞赛E题优秀论文解读

2017年美赛E题赛题
2017 ICM Problem E: Sustainable CitiesNeeded!
Background: Many communities areimplementing smart growth initiatives in an effort to consider long range,sustainable planning goals. “Smart growth is about helping every town and citybecome a more economically prosperous, socially equitable, and environmentallysustainable place to live.”[2] Smart growth focuses on building cities thatembrace the E’s of sustainability—Economically prosperous, socially Equitable,and Environmentally Sustainable. This task is more important than ever becausethe world is rapidly urbanizing. It is projected that by 2050, 66 percent ofthe world’s population will be urban—this will result in a projected 2.5billion people being added to the urban population.[3] Consequently, urbanplanning has become increasingly important and necessary to ensure that peoplehave access to equitable and sustainable homes, resources and jobs.Smart growth is an urban planning theorythat originated in 1990’s as a means to curb continued urban sprawl and reducethe loss of farmland surrounding urban centers. The ten principles for smartgrowth are[4]1 Mix land uses2 Take advantage of compact building design3 Create a range of housing opportunitiesand choices4 Create walkable neighborhoods5 Foster distinctive, attractivecommunities with a strong sense of place6 Preserve open space, farmland, naturalbeauty, and critical environmental areas7 Strengthen and direct development towardsexisting communities8 Provide a variety of transportationchoices9 Make development decisions predictable,fair, and cost effective10 Encourage community and stakeholdercollaboration in development decisions These broad principles must be tailored toa community’s unique needs to be effective. Thus, any measure of success mustincorporate the demographics, growth needs, and geographical conditions of acity as well as the goal to adhere to the three E’s.Tasks: The International City ManagementGroup (ICM) needs your help implementing smart growth theories into city designaround the world. Select two mid-sized cities (any city with a population ofbetween 100,000 and 500,000 persons), on two different continents.1. Define a metric to measure the successof smart growth of a city. It should consider the three E’s of sustainabilityand/or the 10 principles of smart growth.2. Research the current growth plan of theselected cities. Measure and discuss how the current growth plan of each citymeets the smart growth principles. How successful are the current plansaccording to your metric?3. Using smart growth principles develop agrowth plan for both cities over the next few decades. Support why you chosethe components and initiatives of your plans based on the geography, expectedgrowth rates, and economic opportunities of your cities. Use your metric toevaluate the success of your smart growth plans.4. Also using your metric, rank theindividual initiatives within your redesigned smart growth plan as the mostpotential to the least potential. Compare and contrast the initiatives andtheir ranking between the two cities.5. Suppose the population of each city willincrease by an additional 50% by 2050, explain in what way(s) your plansupports this level of growth? Your ICM submission should consist of a 1 pageSummary Sheet and your solution cannot exceed 20 pages for a maximum of 21pages. Note: The appendix and references do not count toward the 20 page limit.References:[1]Smart Growth: Improving lives by improving communities.https://smartgrowthamerica.org/[2] EPA, “This is Smart Growth.” 2016https://www.epa.gov/smartgrowth/smart-growth-publication[3]World Urbanization Prospects. United Nations. 2014.https://esa.un.org/unpd/wup/Publications/Files/WUP2014-Highlights.pdf[4] EPA,“Smart Growth: A Guide to Developing and Implementing Greenhouse Gas ReductionsPrograms.” 2011.http://www.sustainablecitiesinstitute.org/Documents/SCI/Report_Guide/Guide_EPA_SmartGrowthGHGReduction_2011.pdf[5]Duany, Andres, Jeff Speck and Mike Lydon. The Smart Growth Manual. McGraw-Hill.2010. 2017年美赛E题赛题翻译 E题中文翻译：问题E：需要可持续城市！背景：许多社区正在实施智能增长计划，以考虑长期，可持续的规划目标。 “聪明的成长是关于帮助每个城镇和城市变得更加经济繁荣，社会公平和环境可持续的生活地方。”[2]智能增长的重点是建设拥抱可持续发展的城市 - 经济繁荣，社会公平，环境可持续。这个任务比以往任何时候都重要，因为世界正在迅速城市化。预计到2050年，世界人口的66％将是城市人口 - 这将导致25亿人口被纳入城市人口。[3]因此，城市规划变得越来越重要和必要，以确保人们获得公平和可持续的家园，资源和就业机会。智能增长是一种城市规划理论，起源于1990年代，作为遏制城市持续蔓延和减少城市中心周围农田损失的手段。智能增长的十大原则是[4]1混合土地利用2利用紧凑的建筑设计3创造一系列住房机会和选择4创建可步行的社区5培养独特的，有吸引力的社区，具有强烈的地方感6保留开放空间，农田，自然美景和关键环境区域7加强和指导现有社区的发展8提供多种交通选择9使开发决策具有可预测性，公平性和成本效益10鼓励社区和利益相关者在发展决策中进行合作这些广泛的原则必须适应社区的独特需求，才能有效。因此，任何成功的衡量都必须包括一个城市的人口统计，增长需求和地理条件，以及坚持三个E的目标。任务：国际城市管理集团（ICM）需要您帮助实施智能增长理论到世界各地的城市设计。在两个不同的大陆选择两个中型城市（人口在10万和50万之间的任何城市）。1.定义衡量城市智能增长成功率的指标。它应该考虑可持续性的三个E和/或智能增长的十个原则。2.研究选定城市的当前增长计划。衡量和讨论每个城市目前的增长计划是否符合智能增长原则。根据您的指标，当前的计划是否成功？3.使用智能增长原则在未来几十年内为两个城市制定增长计划。支持您为什么根据您的城市的地理位置，预期增长率和经济机会选择您的计划的组件和计划。使用您的指标评估您的智能增长计划的成功。4.还使用您的指标，将您重新设计的智能生长计划中的各项计划排名为最具潜力的潜力最小。比较和对比这些倡议及其在两个城市之间的排名。5.到2050年，每个城市的人口将增加50％，解释你的计划以什么方式支持这个水平的增长？您的ICM提交应包含1页的摘要表，您的解决方案不能超过20页，最多21页。注意：附录和参考文献不计入20页的限制。2017年美赛E题优秀论文解读2017年美国大学生数学建模竞赛有3621支队伍选择了E题，其中有5支队伍获得了特等奖。他们分别是61502、65123、67171、68242、71672，我们对这5篇特等奖论文进行了简单的分析，结果如下：
（1）61502队伍目标是设计一个易于使用的指标，能够根据可持续发展的基本原则对城市的智能增长进行分级的模型。这些指标分析城市的：土地利用、住房、社区、发展计划和交通。度量本身是使用广泛可用数据的简单度量来确定的。这些指标的总和被称作任何发达城市的智能增长指数(SGI)。分析了加州萨克拉门托(美国)和苏格兰爱丁堡(联合王国)作为区域基准的模式。这两个城市之所以被选中，是因为目前每个城市的城市增长计划都纳入了智能增长原则。在对这两个城市进行初步分析之后，制定了新的智能增长举措，并预测了新的模式投入。（2）65123队伍在任务1中，在收集到大量城市智能增长数据的基础上，通过主成分分析选取了25个指标。在此基础上，构建了一个新的三级指标体系，其中第一级指标为1个指标，二级指标为5个指标，第三级指标为25个指标。 此外，他们还使用熵权方法(EWM)得到第三级指标的权重向量和分组决策方法(GDM)，以获得SEC中指标的权重向量。同时，通过K-均值算法得到了智能增长成功的标准. 最终建立了一个包含土地强度、社会公平度、交通质量、协调度和经济发展水平的度量体系。在任务2中，选择匹兹堡和宁国来研究他们目前的增长计划。在任务3中，他们的智能增长计划是根据城市的指标值制定的。然后采用支持向量机(SVM)和加权移动平均法(WMAM)对该变化进行预测。 然后采用组合预测模型将预测误差降到最小。在任务4中，单个计划的单个效果由他们的指标来评估，以对潜力进行排序。在任务5中，由于两个城市之间的人口结构不同，采用了两种不同的人口增长模型(PGM)来预测人口的变化。最后，分析了模型的优缺点。（3）67171队伍开发了一个三维基线立方体模型来衡量一个城市智能增长的成功程度。三个维度分别是经济发展指数(EDI)、社会公正指数(SJI)和环境绩效指数(EPI)。 通过比较城市的增长向量和理想的增长向量，可以直接了解城市当前的增长计划是如何满足智能增长原则的。利用他们的立方体模型，他们测量了惠灵顿和爱丁堡的增长计划。根据他们的假设，他们的任务是找到预算总额的最佳分配。总预算包括七个部分：运输服务、社会服务、环境服务、教育服务。服务、卫生服务、开发服务等服务。因此，他们将基线立方体模型更新为修正的多维数据集模型，用参数来评估这些组件对EPI、SJI和EDI的影响。通过将惠灵顿和爱丁堡的预算和epi、sji、edi的已知数值纳入他们的模型中，他们揭示了预算中最重要的影响因素，并实现了明智的增长。最后通过灵敏度分析和F检验，验证了模型的可靠性。（4）68242队伍首先建立了一套指标来分析智能增长评价中的决定因素。他们对三个E的目标和十个原则之间的关系进行了研究。然后，在对EPA和智能增长的大量案例分析基础上，构建了一个名为SSG(SmartGrowth)的度量指标。它包括SEP(受经济繁荣影响)、SSE(受社会公平影响)和SES(受环境可持续性影响)。每个指标包含三个一级指标和不同数量的二级指标。接下来，为了研究目前在不同大陆的两个中型城市的增长计划，他们选择了惠灵顿和安克雷奇作为关注的对象。运用灰色关联分析方法，利用权威网站的相关数据，计算出各度量指标的合理等级。研究结果表明，这两个城市在一定程度上都有较好的发展，但要实现高智能增长的目标还有很长的路要走。此外，运用主成分分析方法，确定了两个城市一级指标的主成分。通过整合这些关键信息，以及参考智能增长政策的实施，他们分别为这两个城市制定了7项具体举措。在此基础上，运用本文提出的评价方法，采用灰色预测模型，通过设定假设和扩展数据，比较了现行方案和计划的绩效。结果表明，随着时间的推移，他们的规划将对每个城市的智能增长产生越来越积极的影响。此外，他们还应用马尔萨斯增长模型来预测人口在2050年前增加50%时的人口变化。结果表明，他们的计划仍然有效。 最后，对模型的敏感性进行了检验，总结了模型的优缺点，并给出了今后的工作思路。（5）71672队伍为了解决城市未来30年的增长计划，首先定义了衡量智能增长成功与否的指标。他们采用van Rijsbergen的信息检索有效性度量方法，将相关的增长原理和定量测度组合起来。然后，我们总结了所有由此产生的措施，假设每一项智能增长原则都同样重要。他们将这一指标应用于目前两个城市的增长计划：博尔德和堪培拉。在对他们目前的增长计划进行评估之后，为这两个城市制定了增长计划，并用其指标评估了新计划的预期结果。事实证明，他们的指标非常容易使用：所需要的只是很容易找到的人口普查数据。另一方面，由于每个增长测度的权重相等，以及某些度量的主观性质，他们的模型可能过于简化。