竞赛作品︱万物生长：基于黏菌算法的共生农业乡村规划
万物生长
基于黏菌算法的共生农业乡村规划
设计者：彭煜轩、欧阳嘉豪、孙晨皓、王婧祎、吕游佳
2021霍普杯竞赛学员团队
︱项目背景︱
解决现在的乡村困境，我们认为就是解决现在的这四个问题：
（1）怎么才能保留传统农业的情况下做到经济增长？
（2）怎样做到协同发展，不是抛弃也不是趋同？
（3）怎样才能保留住乡村记忆和文化？
（4）怎样才能吸引人才并留住人才？
一．选址
（一）现状分析
选址在广东省江门市鹤山市古劳镇。古老的榕树、纵横交错的河道、星罗棋布的鱼塘……这是古劳水乡最美的风景，这里被誉为“珠三角最后的原生态水乡”。古劳镇北有茶山，东邻西江，中部沙坪河穿境而过，有“岭南第一水乡”之称，十分具有典型性。古劳水乡指镇区东侧上升村、双桥村、新星村等“围墩”区， 鱼塘和耕地资源丰富，属于桑基鱼塘农业区。古劳水乡为散村布局方式，又被称作“围墩水乡”。
（二）肌理分析
（图4 基地肌理分析）
通过对池塘在不同年代的肌理分析（图4），得出鱼塘在功能和形式上的变化规律，可以从中窥探当地居民的生活习惯的变化和经济的发展。选取古代（宋朝），近代，和现代这几个时间段作为观测时间段。
在中国宋代的时候，由于测绘技术还没有如今这么发达，古人不能准确的切割地面，古人遇到池塘就在边上安居乐业。所以，古代（宋）的鱼塘肌理是根据地域原有肌理变化而来，在生活过程中也对池塘进一步改造，从而形成不规则的形状。到了近代，经过江水对鱼塘的侵蚀，人类活动的影响，鱼塘形状变得更不规则，天然水体支离破碎，滨水植物不系统，水质受到污染，进一步毁掉鱼塘本来的面貌。时间到了现代，在这一阶段，由于机械化生产的需求，并且渔业成为主导，资本涌入乡村，为的是兴修大型鱼塘，当地生态遭到破坏。产业发展以渔业为主，形成渔业主导的局面，产业的多样性被破坏。
面对问题：鱼塘肌理不是被破坏就是被机械化的改造。
二.产业总结
（一）传统生产模式
（图5 传统古劳水乡的共生农业）
庶基渔塘是指鱼与蔗综合经营（图5），就是在鱼池边种甘蔗，以蔗叶和蔗尾（顶端幼嫩部分）喂鱼，塘泥作蔗地的肥料。这种类型在广东江门市鹤山市古劳镇最为普遍，当地称“庶基鱼塘”。蔗基鱼塘的主要生态循环中的作物有:蔗，鱼，桑，蚕。所带动的产业有:纺织业，制糖业，渔业，农业（蚕桑和甘蔗的种植）。
（二）产业结构
（图6 产业结构变化）
通过上面三张树状图（图6）可以看出不同产业占整体产业的比重，可以得出在不同时间段产业的不同，从而推断该时间段村民的夙求。在宋朝时，在水乡生活的先祖们发现了桑蔗基鱼塘这种共生农业，产业有桑蚕，养鱼，种植业，纺织业，家禽等，桑树和甘蔗，蚕，鱼等比，其他产业为附属产业，比重不大，都是围绕生存的最基本产业到了近代，中国进入工业时代，人们的生活质量提高，物资生产加快，出现了更多的蚕丝纺织，制糖，除了蚕，桑树，渔业以外的经济产业，桑基鱼塘逐渐淡出人们的视野，比重逐渐降低。到了现代，大规模的机械化养殖取代了人们的农家养殖，住户让出自己的鱼塘，加入大规模的量化养殖。
面对问题：结果渔业比重达到最高，其他产业比重大大缩小，甚至消失。产业的多样性消失。
（图7 空间要求的变化）
在产业变化的背后其实也是空间形式的变化，从不同时期产业的不同，所对空间的需求也不同，比如说在宋朝，简单的桑基鱼塘可以用到的空间在同一范围高度上可能有不同的农业形式，蚕（需要桑叶，虽然说有蚕房，但是这里根据蚕的需求来看），甘蔗/桑树（在地面上），鱼塘（低于地面），淤泥（低于鱼塘）。但是在现代化进程推动中，作物越来越单一，对空间的需求从空间变成了平面。但是在未来的发展中，立体的生产方式和生活方式必然是主导趋势。
所以最后为了振兴经济选用桑树，甘蔗，鱼，蚕作为基础的第一产业。棉纺，鱼类制品加工作为第二产业。创客，旅游作为第三产业。
三．改造方案
（一）经营模式
整体规划为住户和中间的生产车间，住户可以使用立体种植，在被创造的空间中运行共生农业中间大的生产车间为集中大规模的种植储存和二次加工，可以形成三个闭环，农户生活自给自足的生活闭环,住户和生产车间的闭环，农村和城市之间的闭环。
(1) 供应链关系（图8）
“推进农村一二三产业融合发展”的核心内容就是“建立农业供应链”。农业供应链的智慧化需要深度融合互联网、大数据和物联网。这样倾销范围远远扩大，不再局限于农村只倾销到城镇，通过物联网，可以跨等级销售，甚至可以直接销售到大都市居民的手里。
(2) 农户和生产车间的关系（图10）
首先要解决的是农户自给自足的问题，解决后自己的温饱和倾销后，如果还有生产剩余怎么办？可以集中出售到这一地区的生产车间，车间集中收购加工，做成更有价值的产品，带动整个区域的经济发展。农户的组团和工厂用传输轨道相连接，减少运输成本，让整个成为一个体系。
(3) 农户和生产车间的影响（图9）
农户和生产车间的关系应该是互补的关系，在农户有剩余时，工厂收购，进行储存，集体销售，或者二次生产，产品会倾销到附近农村或者城镇，都市。如果农户生产不足，工厂本身也有种植车间，可以用低价出售给农户，解决农户的温饱。这样农户可以给工厂提供资源，工厂也可以给农户带来经济收益。
(4) 产业关系（图11）
通过改变产业结构来带动当地经济。农业的生产效率高了会带来手工业等第二产业的发展，第二产业的发展可以吸引人流，带来第三产业。人口也从流动人口变成常住人口，人口的增长也会为乡村的发展带来活力。
怎么做到呢?具体从两方面入手，乡村的整体规划和乡村产业的激活。乡村整体规划的意义是让整个生态系统更能流畅的运行，乡村产业激活是对现阶段乡村困境的具体解决方案。
（二）乡村整体规划
黏菌算法的引入
黏菌（图8）（图9）是一大类有趣的真核生物。在生长期，黏菌像动物细胞一样没有细胞壁，取食的时候像原生动物会四处爬动;繁殖时，又会像真菌和苔藓蕨类等低等植物一样，通过散布孢子来繁殖。孢子是真菌和低等植物的“孩子”，这些孢子和植物细胞一样是有细胞壁的。黏菌在取食时会不断地改变自己的形状。为了尽可能地接触到食物，一些伸出的细胞质变得又长又细，成为了原生质管。这种管道可以在其体内传输营养和代谢物。多个黏菌聚在一起，就可以用原生质管建立起一套运输食物的网络。
实际上，黏菌建立这些交通路线，并不是一蹴而就的，而是在反复试错中逐步完善的。
最开始，黏菌会向各个方向自由地进行探索，并不特意倾向于哪个方向。比较奇特的是它们接下来的动作，它们在探索的过程中会在介质表面留下黏液作为标记。这有点像我们登山过程中会在树上系上红丝带给队友指路的动作，更像在雷区将有地雷的地点都插上小红旗做标记。凡是被标记过的地方，黏菌都会刻意地避开，这样它们就不会走重复的路线，从而提高了寻找食物的效率。如果在探索过程中遇到了有害的物质，它们也会加以标记，在接下来的“行军”途中避开。
它们就这样将“身体”像摊大饼一样在物体表面摊平，直至某个原生质管发现了食物。这时，它们就会把那些在无效的探索中所伸出的原生质管尽可能地收回来，加强和食物联通的原生质管的构建和维护。多个黏菌之间就通过合作，构建出了一条条通往食物的“最优路径”，即在自己和食物之间绕开危险后的最短路径。黏菌俨然成为了天然的路径计算机器，每个黏菌独立地输入或接收信息，整个群体却能做出最佳决策，宛如一台并行计算机。
黏菌算法的运用
首先我们选择了能够代表古劳水乡的典型地块：池塘被破坏，产业单一，有墩（村民居住聚集地）被保留。通过对图底关系的分析，得出现有的居民居住区，红色色块标注（图14）。由于居住区随着水塘的形状变化，形式混乱.根据墩的中心点做中心，每个墩人口的数量为面积，得出如（图15）的红色矩形，可以将农户居住区的范围规划在红色的面积以内，面积大且在系统之正中间的的可以用来做加工车间。采用粘菌算法，为了计算出那个居住区到加工工厂的最短距离，把粘菌菌落放在中心位置（图16）。居民可以把自己的生产剩余通过传送带运输到工厂。旁边的居住组团有不同的功能，选取组团的中心作为食物点，（图17）采用粘菌算法计算从中心粘菌菌落到每个居住组团到最短距离，相反这个距离也是农户把生产资料从家运输到工厂的最优解。粘菌算法会计算出很多路径，找到食物到路径会被保留，没有找到食物到路径会被饿死，根据生物特性计算出最短的路径（图18）.得到大概的路径以后，我们可以发现已经将场地分成了几个区域，而链接每个区域的，则是每个居住组团到达居住区和工厂的最短距离(图19).得到大概的路径以后，我们可以发现已经将场地分成了几个区域，而链接每个区域的，则是每个居住组团到达居住区和工厂的最短距离（图20）.在最短路径的周围重新布置居住组团，这样每户人家就像是生活在农村的高速公路上一样，最后的规划图示（图21）。
工厂结构
厂房最低层为设备层和控制室，保证全厂正常运行。工厂仍然像外部住宅群一样位于地面上方，这可以减少夏季汛期对生产和生产对环境的影响，让整个空间变得有趣。在工厂的一楼，有各种运输设备，它们连接着传输轨道和内部生产线。工厂的二楼是种植单元。通过智能机械化控制和无土栽培，产量可达到实际产量的300倍。大大节约了土地资源和劳动力成本。其中包括种植箱，种植漏斗，和种植塔三种不同的种植模式，来适应不同植物对光照，水分，营养物质，甚至二氧化碳浓度的需求。工厂还设有内部传输轨道，可有效传输工厂生产加工的产品。来把农户，种植车间和红色的生产车间相连接。外部圆润的红色的单元体快为工厂中的生产车间，包括桑蚕养殖，抽丝，织布
，甘蔗制糖。通过红色是传送带把生产材料运输到生产车间内部，进行二次加工。南区是鱼类加工车间。从渔村运来的鱼可以通过滑动装置拉到储藏室，然后送到加工车间加工。传送带旁还有道路供附近居民锻炼，整个工厂更兼具居民活动中心的功能，为当地农户提供休闲交友聚会锻炼的场所。
（三）产业升级
为了提高经济和保留人才，这里进行了精确到户的改造。空间上强化农业的立体性，下面为捕鱼人的居住组团，上面为种植农户的居住组团，这样就为本来耕地面积不多的鱼塘带来了新的耕作可能性，在产业上改进了桑蚕纺织行业的车间，从养蚕到织布都可以在这一个作坊内完成，平均每一个农户都有一到两个产业，渔业农业，农业养蚕，养蚕织布，这样以来就解决了产业单一导致的地域发展受限，和带来的资源不足，环境污染等问题。
产业的兴起一定会主动的或者被动的吸引人口，无论是来创业还是来旅游，都给当地经济增长做出贡献，青年活动中心也是必不可少的东西
（1）种植组团（图22）
这个组团的功能是种植桑树和其他经济作物和提供居民的居住场所，因为该地区有严重的水土流失问题，加强夏季的汛期这种不定因素，作物年产能没有一个稳定的数值，居民的收入也没有一个稳定的保障。所以可以将整个组团架空在陆地之上，形成空中组团的形式。整个组团在功能上分为四层，第一层和第二层为种植区域，第三层桑蚕养殖区。蚕茧的壳和粪便都是作物的有机肥料。每一层用坡道链接。坡道不但可以提供垂直交通，也可以链接组团和组团。
（2）渔业组团（图23）
这个组团主要为当地的渔民提供生存空间，和传统的民居不同，结构上渔村主要采用巨大的木筏作为受力构件，利用浮力将整个组团托在水面之上。同样的，渔村也是才用4*4的模数处理，通过水面的道路连接，村民可以从一个组团到达另一个组团，或者利用本地的木船作为交通工具。在每个组团的旁边都附着独立的船坞和种植区。种植区仍然是漂浮在水面之上，在保证1米的泥土基础上，带有营养液灌溉系统，减少劳动力。
（3）纺织组团（图24）
纺织组团主要提供小型的丝绸加工，每个农户在生产有剩余是可以选择卖给代工厂或者拿到组团附近的纺织车间，把蚕茧加工成丝织品自给自足。整个车间是在抬梁式的建筑上变化而来，并且刻意加高了柱子，这样在屋顶上也可以进行晾晒的动作。为了加强建筑四周的通风，在建筑的外围设置大面积半开放的有道，把少量的居住空间排放在建筑的中心部分。
（4）青年活动中心（图25）
人才流失也是古劳村所面临的主要问题之一。古劳村附近有珠海，广州，深圳，香港，澳门等国际化大都会，大城市的虹吸作用使得乡村老龄化现象严重，吸引年青人回乡工作和就业也称为乡村规划的一重要议题，最后一个组团是青年公寓，为回乡工作的或者创业的大学生提供居住场所，公寓内部设置公共的办公空间，阅读空间，食堂，和休息室。居住单元为4*4小体块变形得来的房间，住客可以根据自己的需求和经济能力选择适合自己的居住单元。
︱最终图纸︱
︱学习心得︱
参加竞赛最主要的一个就是时间，时间真的是很紧凑的，我们这组虽然成果做出来了，但是很多图的细节都经不起细看，最后还是归结为时间问题。从最开始的开题，头脑风暴，建模，出图，这些步骤都是一环扣一环，非常紧密的。因为每个人都有每个人自己的想法，团队里分歧难以避免，在产生分歧的时候一定要及时解决。这样才有利于团队后续的建模和出图。而且概念这个东西永远都是只有更好没有最好，所以在有限的时间内看的不是谁的概念出彩（感觉大家都概念都很创新，除了个别意识流)。所以我觉得更重要的是图纸的完成度，概念的逻辑性，方案的可行性。
印象最深的是韩老师，在方案做不下去的时候，带着团队探究方案的可能性，我们最初想的用泰森多边形为基底做建筑组团的想法做不下去了，立刻转换了方案，把每一个组团做成了矩形。经过这次竞赛意识到一点，建模能力还是很重要的，如果你想法很好，但是没有熟练的建模技术加以支持，也是很难表现出想法的。好在有韩老师帮助，韩老师上的建模课也让我们受益匪浅。无论是基础的犀牛还是GH，你不懂的地方，韩老师都会细心讲解。
特别鸣谢孙晨皓和欧阳嘉豪同学，在最后DDL快来的时候，谢谢大家一起熬的夜。
挑战skyhive&VELUX&天华杯竞赛▼