Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Кубанский государственный университет"

(ФГБОУ ВПО "КубГУ")

Кафедра геоинформатики

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Маршрутизация передвижения транспорта по точкам торговой сети (на примере города Майкоп)

Работу выполнила А.А. Быкова

Научный руководитель

доц., канд. геогр. наук Е.Н. Киселев

Краснодар 2015

Содержание

• Введение
• 1. Сетевой анализ и геокодирование в ArcGIS
• 1.1 Сетевой анализ в ГИС
• 1.2 Геокодирование
• 1.2 Управление данными о потребителях
• 1.3 Геокодирование и ArcGIS
• 1.4 Наборы инструментов
• 1.5 Технологический процесс геокодирования
• 2. Транспортная логистика в среде ArcGIS
• 2.1 Транспортная логистика
• 2.2 Подходы и решения
• 3. ArcGIS в моделях транспортных систем (Network Analyst)
• 4. Сетевая модель в ГИС и инженерные сети
• 4.1 Сетевая модель в ГИС
• 4.2 Инженерные сети
• 4.3 ГИС для инженерных сетей
• 5. Оптимизация маршрутов транспортной сети магазинов "Магнит" города Майкопа
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение

Введение

В настоящее время на рынке транспортных услуг конкуренция приобретает качественно новые черты: на фоне повышения затрат на перевозку и важности экономии времени, требуется наличие эффективной системы оптимизации маршрута транспортной сети.

Логистика позволяет минимизировать товарные запасы, сократить время доставки товаров, ускорить процесс получения информации и повысить уровень сервиса. Транспортная логистика призвана обеспечить оптимизацию транспортных систем, выбор видов и типов транспортных средств; определение разноканальных маршрутов доставки и их оптимизацию; технологическое единство транспортно-складского процесса.

Целью работы является создание сетевой модели для анализа маршрута транспортной сети города Майкопа.

Основными задачами работы являются:

? сбор исходных данных;

? создание сетевого набора данных на базе шейп-файла;

? создание файловой базы геоданных с набором сетевых данных;

? создание мультимодального набора сетевых данных.

Определение кратчайших расстояний между пунктами транспортной сети является важной практической задачей, так как дает возможность снизить транспортные издержки.

Для создания сетевой модели транспорта было необходимо:

? использовать программное обеспечение ArcGIS 10.2 и дополнительный модуль Network Analyst;

? нанести на карту торговую сеть "Магнит" города Майкоп.

1. Сетевой анализ и геокодирование в ArcGIS

1.1 Сетевой анализ в ГИС

В случае сетевого анализа геоинформационные системы обеспечивают эффективное решение трех взаимосвязанных задач:

? представление и хранение в базе данных метрической и топологической информации о структуре сети;

? визуализацию географических сетей в виде дисплейных картосхем с возможностью интерактивного запроса атрибутивной информации по каждому элементу сети;

? анализ структуры сети на основе моделей и алгоритмов теории графов (представляющий собой дополнительный моделирующий блок, в общем случае не характерный для стандартных ГИС-пакетов).

Основные процедуры сетевого анализа, реализуемые в среде наиболее популярных ГИС, оснащенных блоками (модулями) моделирования и анализа географических сетей:

? оптимизация пути между двумя узлами сети [8]. Эта процедура предполагает расчет наилучшего варианта пути между данными начальной и конечной вершинами (узлами) графа сети с учетом целевой функции (например, стоимости, времени или расстояния), задаваемой пользователем. При этом можно вносить различные дополнительные ограничения и условия (например, путем указания вершин и ребер, через которые и по которым должен пройти искомый путь).

Задачу можно усложнить и путем задания "запретных" вершин и ребер, через которые искомый путь проходить не должен. В конечном итоге на экране высвечивается наиболее оптимальный путь, с указанием соответствующих вершин и ребер.

транспортная логистика геокодирование маршрутизация

Кроме того, пользователь может получить исчерпывающую информацию о доступности любой промежуточной вершины найденного пути с помощью указания на нее манипулятором "мышь" (рисунок 1а) [6].

Рисунок 1 - Примеры сетевого анализа в ГИС

Примеры сетевого анализа в ГИС:

? оптимизация пути между двумя фиксированными вершинами;

? определение "радиуса" доступности до фиксированной вершины;

? поиск кратчайших маршрутов с учетом интерактивных запретов и ограничений;

? определение "радиуса" доступности фиксированного узла. В процессе решения этой задачи находятся все вершины графа сети, расположенные в пределах установленного "радиуса" доступности (например, предприятия, расположенные не далее 500 м от насосной станции или улицы, расположенные не далее 5 минут ходьбы до автобусной остановки и т.п.) (рисунок 1);

? поиск кратчайших маршрутов в интерактивном режиме. Это одна из самых эффективных процедур сетевого анализа в ГИС, позволяющая моделировать на сетях ситуации типа "что, если.". Например, городские станции скорой медицинской помощи заинтересованы в информации о кратчайших маршрутах до различных микрорайонов и улиц города, а также о "запасных" маршрутах на случай уличных аварийных ситуаций (дорожных инцидентов, ремонтных работ и т.п.). В конечном итоге данная процедура оказывается полезной для анализа степени общей устойчивости (восстанавливаемости) транспортных и коммуникационных сетей (рисунок 1в);

? модификация сети и сценарный анализ. В этом случае ГИС обеспечивает возможность редактирования исходной сети путем добавления новых ребер и, вершин, а также путем придания специального статуса отдельным элементам сети. Получающиеся в результате сценарии сохраняются в ГИС в качестве промежуточных вариантов модификации исходной сети и могут быть подвергнуты всем перечисленным видам анализа (рисунок 2);

Рисунок 2 - Сценарный анализ и модификация сети в ГИС

? определение "хинтерланда" элементов сети. Данная задача является ключевой в территориальном планировании сферы обслуживания и геомаркетинга. Ее суть состоит в определении границ зон обслуживания сети сервисных центров (магазинов, банков, больниц, школ, рекреационных зон и т.д.). В результате моделирования и анализа соответствующих пространственных связей (в качестве базовой используется гравитационная модель) исходная сеть разбивается на части, интерпретируемые как "хинтерланд" сервисных центров (рисунок 3). Полученные контуры зон обслуживания могут сохраняться в ГИС в качестве самостоятельных слоев и использоваться в оверлейном анализе [5, 7].

Рисунок 3 - Определение "хинтерланда" сети поселений в ГИС

1.2 Геокодирование

Геокодирование - это процесс определения положения, обычно в форме присвоения значений координат объекту, имеющему адрес, путем сопоставления описательных элементов местоположения в адресе с аналогичными элементами, присутствующими в базовых данных. Адреса могут поступать во многих форматах, от традиционного формата адреса, когда вслед за номером дома идет название улицы, до различной описательной информации, такой как почтовый индекс или избирательный округ. По существу, адрес подразумевает любой тип информации, который позволяет выделить конкретное место.

Преобразование адреса в конкретную точку на карте, обычно, называемое геокодированием, может стать ценным инструментом, помогающим решать определенные задачи. Существует несколько областей применения, где может быть использовано геокодирование: от простого анализа данных для управления в сфере бизнеса и потребительских услуг до методов планирования доставки товаров от производителя к потребителю.

Используя геокодированные адреса, можно отобразить точки, соответствующие этим адресам, в пространстве и приступить к распознаванию структуры информации. Это может быть осуществлено путем простого визуального анализа информации, либо путем использования различных инструментов анализа, доступных в ArcGIS. Вы можете также отобразить свою адресную информацию, основанную на определенных параметрах, что позволит вам выполнить дальнейший анализ информации [1].

1.2 Управление данными о потребителях

Геокодирование - это важная составляющая процесса управления данными о потребителях. Практически каждая организация поддерживает адресную информацию для каждого потребителя или клиента. Обычно она хранится в табличной форме и включает имя потребителя, адрес, потребительские предпочтения и любую другую собранную вами информацию. Геокодирование позволяет использовать эту информацию о потребителях для составления карты, отражающей их географическое положение. Воспользовавшись целым рядом связанных приложений, вы можете применить эту информацию в различных областях - от разработки маркетинговых стратегий до определения различных целевых групп потребителей и составления карт маршрутов и направлений. Геокодированные местоположения ваших потребителей могут стать бесценными данными.

Распределенные приложения геокодирования

Существует большой выбор методов, которые вы можете использовать для обмена операциями геокодирования. Эти операции предполагают широкий диапазон действий: от сбора необходимых материалов и обмена ими с помощью сжатых файлов и компакт-дисков до разработки онлайн-приложений, позволяющих пользователям выполнять геокодирование адресов через Интернет.

1.3 Геокодирование и ArcGIS

Система ArcGIS состоит из нескольких интегрированных инструментов и приложений. К ним относятся ArcCatalogTM, ArcMapTM, наборы инструментов, ArcSDE и ArcGIS Server.

По мере выполнения процесса геокодирования можно воспользоваться преимуществами каждого из этих приложений или инструментов.

ArcCatalog - первое из приложений, преимущества которого вы сможете использовать, - это ArcCatalog. ArcCatalog помогает вам организовать все данные, входящие в вашу геоинформационную систему (ГИС), включая приложения геокодирования, которые вы создадите в процессе своей работы. ArcCatalog обладает многими достоинствами при хранении ГИС данных. Далее приведено краткое описание некоторых из особенностей ArcCatalog, имеющих отношение к геокодированию.

Аналогично классам пространственных объектов и таблицам, в ArcCata-log легко организовать ваши базовые и адресные материалы и управлять ими. Специфические иконки, используемые для различных типов ГИС данных, дерево каталога и целый ряд способов визуализации ваших данных обеспечивают комплексный подход к упрощению процесса организации данных.

Создание специальных инструментов для геокодирования, именуемых локаторами адресов, выполняется в ArcCatalog. Воспользовавшись целым рядом диалоговых окон, вы можете создать локатор адресов, который будет наилучшим образом отвечать вашим конкретным задачам геокодирования.

Вы можете выполнить геокодирование таблиц адресов на прямую в ArcCatalog. Это приводит к созданию класса пространственных объектов, который можно добавить непосредственно в ArcMap.

ArcCatalog предоставляет вам также инструменты для сбора и распространения информации и приложений, связанных с геокодированием. Распространение файлов ArcSDE и ArcGIS Server осуществляется через ArcCatalog.

Второе приложение, которое будет интенсивно использоваться в процессе геокодирования, - это ArcMap. ArcMap - центральное приложение в структуре ArcGIS Desctop. Оно используется для выполнения большинства операций, связанных с работой с картой, включая составление карт, их анализ и редактирование данных. ArcMap предоставляет широкий диапазон ГИС операций.

ArcMap - это то приложение, где вы будете визуально интерпретировать и представлять полученные вами результаты геокодирования. Целый ряд инструментов позволяет менять условные обозначения, определять зависимость нагрузки карты от масштаба и использовать различные схемы классификации, основываясь на конкретных характеристиках положения каждой точки.

Вы можете также выполнить процесс геокодирования в ArcMap. Геокодирование как таблиц, так и отдельных адресов в ArcMap, предполагает, что положение, соответствующее адресу, будет немедленно отражено на вашей карте.

Когда вы просматриваете свои геокодированные адреса в ArcMap вы можете получить доступ к инструментам, позволяющим оценить точность созданных точек.

ArcMap предоставляет набор картографических инструментов для составления карт. Вы можете добавлять свои геокодированные адреса, результаты анализа и другие связанные географические данные для создания компоновки карты для печати. Затем вы можете добавить другие элементы карты, такие как заголовок, стрелка севера, рамка, легенда, масштабная линейка и т.д.

ArcCatalog с использованием разнообразных диалоговых окон, имеющих отношение к процессу поиска. Некоторые процессы могут быть выполнены также с использованием наборов инструментов, доступных как в ArcMap, так и в ArcCatalog. Эти диалоговые окна, в свою очередь, зависят от используемого локатора адресов [14].

Локатор адресов - это сочетание базовых данных, имеющих отношение к местонахождению объектов, и определенных руководящих принципов (правил), зависящих от выбранного стиля локатора адресов. Локатор адресов создается с помощью интерфейса ArcGIS. Такой локатор адресов - это логический объект, который определяет метод интерпретации конкретного типа входных адресных данных, соотносит их с ранее созданными базовыми данными и возвращает некий тип выходных данных назад, в интерфейс пользователя. Стиль составляет основу локатора адресов. Один первичный файл содержит настройки, заданные в диалоговом окне свойства локатора адресов, а также пути, которые будут использованы для доступа к специфическим правилам в базе правил и базовым данным при выполнении функции геокодирования. Эти пути доступа определяются типом адресных данных, поиск которых выполняется, и форматами файлов базовых данных.

Базовые данные могут иметь множество различных характеристик. Каждый локатор адресов требует наличия по меньшей мере одного первичного набора базовых данных. Сущность этого набора базовых данных может варьировать в зависимости от объектов, которые вы хотите геокодировать.

Помимо Первичных базовых данных могут применяться также вспомогательные данные. Таблицы, содержащие псевдонимы конкретных объектов, таких как школы, правительственные здания или больницы, также могут быть использованы в качестве базовых данных. Это позволяет вам осуществлять поиск местоположений, основываясь на названии объекта, а не на его адресе. Возможно также применение таблиц с альтернативными названиями (синонимами). Эти таблицы содержат список пространственных объектов, таких как улицы, и альтернативные имена, используемые для этих объектов. Например, дорога может иметь старое и новое название. Дорога может быть также известна под номером скоростной автомагистрали или же под названием улицы. При использовании таблицы альтернативных имен (синонимов) для одного и того же пространственного объекта может быть выполнен поиск обоих названий.

База правил - это совокупность файлов, используемых для преобразования адресных данных в требуемые выходные данные. Для каждого стиля локатора адресов в базе правил существуют определенные файлы, используемые в этом преобразовании для поиска атрибутов в базовых данных, которые могут быть сопоставлены с атрибутами адреса.

1.4 Наборы инструментов

Наборы инструментов включают многие инструменты ГИС, используемые в геообработке. Эти инструменты и мастера операций помогают в выполнении основных и дополнительных операций геообработки, таких как построение буферных зон, импорт и экспорт различных типов данных и манипулирование форматами данных и проекциями. В совокупности инструментов один из наборов полностью посвящен процессу геокодирования, а входящие в него инструменты способствуют выполнению самых стандартных задач. Наборы инструментов можно открывать в ArcMap или в ArcCatalog.

Из наиболее ценных инструментов геообработки, используемых в процессе геокодирования, следует отметить инструмент, специально разработанный для внесения изменений в базовые данные, направленных на сочетаемость этих данных с локатором адресов.

Функциональные возможности геообработки предоставляют интерфейс пользователя, в котором последовательность инструментов может быть выстроена в структуру, аналогичную модели. Инструменты геокодирования могут быть составляющими этих моделей.

Доступен также большой комплект инструментов, который может помочь вам в анализе ваших геокодированных адресов. К ним можно отнести любые инструменты - от инструментов построения буферных зон вокруг точек, положение которых соответствует адресам, до интерпретации отдельных групп (кластеров).

ArcSDE - ключевой компонент в многопользовательской ArcGIS. Эта программа позволяет вам управлять географической информацией и распределять ее для использования в ArcGIS Desctop, ArcIMS® и других приложениях. Вы можете создавать локаторы адресов и обмениваться ими между этими приложениями. Эту функциональность можно отнести к управлению данными.

В то время как ArcSDE был разработан для обмена географической информацией через локальные сети, ArcGIS Server обеспечивает механизм, при котором такими данными можно обмениваться с использованием различных средств. К ним можно отнести Web-приложения, совместно используемые сети, Java приложения и т.д.

1.5 Технологический процесс геокодирования

В первую очередь, для процесса геокодирования необходимо два типа информации: базовые данные и адресные данные. В рассмотренных примерах к базовым данным относится класс пространственных объектов, содержащий атрибуты адресов, поиск которых вы хотите выполнить. Например, когда вы осуществляете поиск по адресам с номерами домов, базовые материалы должны содержать названия улиц, диапазоны номеров домов или адресные атрибуты конкретных участков. При оценке того, будут ли имеющиеся в вашем распоряжении базовые данные работать на процесс геокодирования, существует несколько соображений, которые следует принять во внимание. Эти соображения касаются области простирания (экстента) и разрешения данных.

Базовые данные должны покрывать ту территорию, которую вы хотите геокодировать. Например, если вы пытаетесь геокодировать города для всей территории континентальных Соединенных Штатов, базовые данные, представляющие только населенные пункты западных штатов, не позволят вам выполнить поставленную задачу. Каждый адрес, который вы хотите геокодировать, должен быть представлен в ваших базовых данных. Из этого свойства вытекает вторая особенность базовых данных - достаточное их разрешение.

Помимо определения того, имеют ли данные пространственное покрытие, охватывающее все объекты, которые вы хотите геокодировать, вы должны также учитывать, содержат ли базовые данные информацию с той степенью детальности, с какой вы хотите вести поиск. Если вы хотите геокодировать индивидуальные адреса, вы должны быть уверены, что ваши базовые данные обладают информацией с достаточной степенью детализации.

В то время как геометрия предоставляет визуальный интерфейс, с помощью которого можно сравнить результаты поиска при выполнении геокодирования, существует еще и набор атрибутов адреса, в котором вы можете найти многие детали, используемые непосредственно при выполнении геокодирования. Например, при геокодировании конкретных адресов атрибуты должны обладать информацией, специфичной по отношению к числовым адресным значениям для каждого объекта на карте.

Адресные данные относятся к индивидуальному адресу или группе адресов, которые вы планируете геокодировать. Адресные данные также нужно сопоставить с различными форматами. Специфические требования к адресным данным основываются на элементах стиля локатора адресов, который вы собираетесь использовать. В общих чертах, адресные данные должны содержать требуемые элементы, используемые для сопоставления адреса с пространственным объектом, и должны быть представлены в подходящем формате.

Чтобы правильно выполнить геокодирование, важно знать особенности различных стилей локаторов адресов и уметь выбрать тот, который наилучшим образом подходит для ваших адресных и базовых данных.

После того, как вы приняли решение о том, какой стиль локатора адресов использовать, и подготовили базовые и адресные данные для этого стиля, вы можете приступать к построению локатора адресов.

Локатор адресов включает базовые данные и нормативы для стиля адреса. Эти нормативы определяют правила для сопоставления адресов с базовыми данными, а также правила предлагаемой корректировки при сопоставлении нечетких адресов.

Базовые данные, используемые в процессе геокодирования, состоят из пространственных объектов со связанными с ними адресными атрибутами, наряду с индексами геокодирования и таблицами, используемыми только при геокодировании для повышения производительности.

ArcGIS предоставляет два метода для определения местонахождения адресов. Вы можете искать индивидуальные адреса или искать положение объектов для таблицы адресов (такой процесс обычно называют "пакетным геокодированием" ("batch geocoding")).

Существует несколько основных шагов для определения положения адресов. По существу, процесс включает поиск местонахождения кандидатов в базовых данных, присвоение очков для совпадения конкретным местоположениям и сужение выборки до лучшего кандидата.

После того, как вы создали локатор адресов, существует несколько дополнительных задач, которые вы можете выполнить. К ним относятся совместное использование или публикация локатора адресов, поддержание базовых данных и соответствующего локатора адресов, и пользовательская настройка интерфейса или функциональных возможностей локатора адресов.

Одна из наиболее часто возникающих задач - передача локатора адресов третьим лицам. Существует целый ряд методов решения этой проблемы. К ним можно отнести обмен материалами по локальной сети, копирование локатора адресов и связанных с ним файлов на компакт-диск или перевод их в файл с компрессией или создание Web сервиса геокодирования.

Информация по методам передачи локаторов адресов включена в главу этой книги "Передача локатора адресов третьим лицам".

Когда вы первоначально создаете свой локатор адресов, индексы геокодирования отражают состояние ваших базовых данных на момент их создания. Однако, как и большинство файлов данных, ваши базовые данные могут нуждаться в частом обновлении.

Добавление улиц к совокупности данных, изменение названий улиц или свойств зон, или простое повышение точности геометрии пространственных объектов - все это приводит к модификации базовых данных для геокодирования. После того, как в базовые данные внесены изменения, чтобы отразить их необходимо обновить индексы геокодирования.

Существует целый ряд методов, которые могут быть использованы для изменения параметров вашего поиска. Степень изменения условий вашего поиска находится в диапазоне от базовых изменений, вносимых в диалоговом окне локатора адресов, до переопределения базы правил.

После того, как вы создали локатор адресов, вы можете начать использовать его для геокодирования адресов. Однако понимание того, как локатор адресов подготавливает адресные данные, выполняет поиск в базовых данных и сопоставление адресов, наряду с тем, как изменение параметров локатора адресов влияет на этот процесс, может помочь вам повысить как производительность, так и точность вашего поиска при выполнении геокодирования.

Когда локатор адресов выполняет стандартизацию адреса, он разбивает адрес на элементы, основываясь на стиле локатора адресов. Каждый стиль адреса позволяет преобразовать адрес в ясно выраженный набор элементов адреса, необходимых для процесса геокодирования.

Многие элементы адреса, такие как направление или тип улицы, часто пишутся с использованием аббревиатур. Эти аббревиатуры могут быть представлены в различных форматах. Например, слово "Avenue" (авеню, проспект) может быть сокращено как "AV" или "AVE". Может быть приведено также полное написание этого слова, "Avenue". Попытка выполнить геокодирование с использованием такого разнообразия используемых сокращений приведет к значительному увеличению времени поиска. Чтобы избежать этого, часто сокращаемым элементам адреса присваивается стандартное значение. Например, элементам адреса "West" ("Западный") и "Drive" ("проезд") присваиваются стандартные значения: "W" и "Dr", соответственно.

Каждый элемент искомого адреса соотнесен с конкретной категорией, именуемой ключ совпадения (match key). Эти ключи совпадения используются для сравнения элементов адресных данных с соответствующими элементами в базовых данных.

При осуществлении поиска адреса некоторым элемента адреса присваиваются индексные значения, которые совпадают с созданными в индексе геокодирования. Эти индексные значения используются для сопоставления атрибутов адреса с полями в индексе геокодирования. Например, названию улицы присваивается значение, основанное на таком же алфавитно-цифровом индексном значении, известном как Soundex, создаваемом для индекса базовых данных.

Эти значения индекса основываются на определенных буквах, представленных в названии улицы. Полям, содержащим ZIP-коды и другую зональную информацию, также присваиваются индексные значения. Эти индексные значения существенно ускоряют процесс поиска.

После того, как адрес стандартизирован, локатор адресов просматривает базовые данные, чтобы найти пространственные объекты с элементами адреса, аналогичными элементам стандартизированного адреса.

Когда локатор адресов сформировал набор потенциальных кандидатов, он определяет очки для каждого кандидата с целью установить, насколько точно каждый кандидат соответствует геокодируемому вами адресу. Эти очки основываются на параметрах, заданных при создании локатора адресов. Эти параметры включают чувствительность к написанию и минимальные очки для совпадения.

После того, как каждому кандидату присвоены очки, локатор адресов формирует набор кандидатов, потенциально совпадающих с адресом. Это решение основывается на минимальных очках для включения в кандидаты, установленных для локатора адресов.

Локатор адресов ищет кандидатов с наибольшими очками и создает выходной формат, заданный в диалоговых окнах, использованных до начала процесса геокодирования.

На конечном этапе процесса геокодирования пространственный объект, который соответствует лучшему кандидату, будет выделен в классе пространственных объектов, что позволит далее выполнять другие операции геообработки или решать картографические задачи.

2. Транспортная логистика в среде ArcGIS

Логистика позволяет минимизировать товарные запасы, сократить время доставки товаров, ускорить процесс получения информации и повысить уровень сервиса. Деятельность в области логистики разнообразна. Она включает управление транспортом, складским хозяйством, запасами, кадрами, организацию информационных систем, коммерческую деятельность и т.д.

С более утилитарных позиций, логистика - это система организации, планирования, управления и контроля материальных и информационных потоков в пространстве и во времени, от поставщиков до конечного потребителя.

Логистика активно пересекает национальные границы, и в Европе в рамках ЕЭС создаются трансконтинентальные логистические системы. Создание объединенного европейского рынка предопределяет построение межнациональных систем логистики [4].

Для логистики Россия - это 87 тыс. км магистральных железных дорог с 4 тыс. станций, 84 тыс. км внутренних водных путей с 43 морскими портами и 2 тыс. речных причалов, 800 тыс. км авиамаршрутов с 756 аэропортами, 540 тыс. км автомагистралей.

По сферам объектов система логистики подразделяется на: производство; систему складского хозяйства; систему транспортировки, упаковки и обращения с материалом; информационную систему, включая обработку заказов и систему хранения.

Более важный транспортный компонент логистики. Его важность подтверждается тем, что до 50% всех затрат на логистику связано с транспортными издержками [10].

2.1 Транспортная логистика

Транспортная логистика призвана обеспечить: оптимизацию транспортных систем, выбор видов и типов транспортных средств; определение разноканальных маршрутов доставки и их оптимизацию; технологическое единство транспортно-складского процесса.

Современная транспортная логистическая система должна предоставлять следующие возможности:

? план отправки товара при поступлении заказа;

? создание плана перевозок с помощью средств динамического планирования;

? построение маршрутов на основе списка рассылки, позволяющих определить кратчайший путь к заказчику;

? контроль за перемещением товара на маршруте;

? предоставление информации о находящихся в пути товарах;

? генерацию погрузочных накладных, упаковочных листов и других требуемых документов [16].

Составление оптимального плана перевозок - классическая математическая задача. Как известно, усилия, необходимые для ее решения, при увеличении масштаба задачи растут экспоненциально. Поэтому вручную составить план, близкий к оптимальному или хотя бы достаточно экономичный, практически невозможно. Более того, если не использовать средства автоматизации, то при значительных объемах перевозок, при большом количестве клиентов, складов, возможных маршрутов, транспортных средств вообще вряд ли удастся вовремя доставить клиентам заказанные ими товары [11].

Конечно, реальная ситуация далека от идеальной математической модели. Тем не менее, современные информационные технологии позволяют если и не найти оптимальное решение, то значительно сократить транспортные расходы [19].

2.2 Подходы и решения

Классическая транспортная и родственные ей задачи, решаемые методами линейного программирования, часто далеки от реальной жизни. В то же время, решать эти задачи не только необходимо, но и возможно. Опишем кратко задачу оптимальной доставки товаров в том виде, в котором она решается в компании DATA+.

Основная задача транспортной логистики - перемещение требуемого количества товара в нужную точку, оптимальным маршрутом, за требуемое время и с наименьшими издержками.

Картографической основой при решении задачи является связный граф дорог. Из произвольной вершины такого графа можно попасть в любую другую вершину. Каждый участок дороги представлен ребром графа, а координаты его начала и конца совпадают, соответственно, с координатами конца предыдущего участка и началом следующего ребра. Направление каждого ребра совпадает с направлением движения по дороге, и каждая дорога представлена двумя наборами ребер, соответствующими двустороннему движению. Все перекрестки, повороты и развороты представлены дополнительными ребрами, отображающими разрешенные маневры на дороге.

Кроме собственно графа, хранящегося в формате шейп-файла, неотъемлемой частью графа дорог является файл формата dBase, хранящий характеристики всех ребер этого графа, такие как:

? длина участка дороги;

? скорость движения по этому участку;

? признак разрешения/запрета движения по участку всем или отдельным видам транспорта (до 10 видов);

? среднее время прохождения участка и время задержки (например, на перекрестке);

? коэффициент, увеличивающий или уменьшающий время движения по участку.

Таким образом, атрибутивная информация хранится независимо от графа дорог. Средства редактирования, предоставляемые пользователю, позволяют создавать различные наборы сетей дорог, отражающие реальные ситуации или время дня (года), и выполнять расчет на той сети, которая наиболее адекватно отражает состояние магистралей [13].

Для определения точек, откуда автомашины начинают движение и где заканчивают свои маршруты, вводится множество гаражей (баз) со следующими характеристиками:

? адрес гаража (выбирается из точечного слоя домов Москвы/области или проставляется вручную на карте);

? признак (битовая маска), определяющий подмножество автомашин, которые могут обслуживаться базой (не зависит от типа автомашины).

Для перевозки грузов задается множество агентов - автомашин, развозящих товары. Они имеют следующие атрибуты:

? тип автомашины (определяет максимальные вес и объем развозимого товара);

? время начала и окончания работы;

? начальная и конечная точки маршрута из множества складов или баз;

? признаки (битовая маска), определяющие, какие точки может обслуживать данный агент и какими базами (гаражами) могут обслуживаться разные точки;

? признак участия в решении текущего варианта задачи.

Точки обслуживания (магазины, склады и т.п.) - места, куда агенты должны доставить товар. Задаются координатами из точечного слоя зданий города/области или наносятся на карту вручную, имеют следующие характеристики:

? время работы;

? тип агента (автомашины), который может обслужить данную точку;

? вес и объем груза, который необходимо доставить в данную точку;

? время разгрузки автомашины;

? признаки (битовая маска), определяющие, какие агенты могут обслуживать данную точку.

Адреса точек обслуживания могут импортироваться из файлов с последующим геокодированием или выбираться из имеющейся базы адресов, которая постоянно обновляется вместе с картой города.

После задания множеств гаражей, агентов, точек обслуживания и их временных характеристик выбирается критерий оптимизации: максимальный вес развозимого груза, минимальное суммарное время доставки, минимальная длина маршрутов, или такие как минимальный набор агентов для решения задачи и, наоборот, равномерность загрузки агентов [18].

Сложность решения такой задачи усугубляется разнородными ограничениями, которые должны быть учтены:

? ограничения в графе дорог (запрет проезда по некоторым дорогам или, например, по центру города);

? ограничения по весу и объему товара для каждого транспортного средства;

? ограничения по времени для агентов и точек обслуживания;

? ограничения, связанные с типом используемого автотранспорта (запрет проезда по некоторым дорогам, обслуживание клиентов только указанными типами транспорта);

? другие ограничения, которые могут быть наложены пользователем или моделируют территориальное деление между поставщиками, различные виды товара, дни доставки товара и т.д.

После ввода всех исходных данных в среде ArcGIS решается задача доставки товаров. Эта задача реализована как расширение ArcGIS, добавляющее в стандартный интерфейс дополнительные кнопки и инструменты.

В результате решения получается набор маршрутов, который графически отображается на электронной карте. В документальном виде результаты можно получить в виде файлов Excel, представляющих краткие или подробные маршрутные листы для каждой автомашины. Ввод и вывод данных для программы решения транспортной задачи реализован в VBA (Visual Basic for Applications) - встроенной в ArcGIS среде разработки, поэтому эти процессы могут быть легко адаптированы под нужды заказчика. В частности, реализовано формирование исходных данных путем импорта данных из файла заказов, в котором указаны ассортимент развозимых товаров для каждого клиента и время доставки [20].

Для ведения базы данных клиентов и автотранспортных средств, хранения маршрутов используются стандартные средства ArcGIS. Эти мощные инструментальные средства позволяют проводить пространственный и статистический анализ решаемых транспортных задач, наглядно отображать получаемые результаты.

Необходимо заметить, что данный программный продукт является открытым (в отличие от продукта ArcLogistics Route компании ESRI, не предназначенного для наших дорожных сетей), он постоянно дорабатывается и совершенствуется. Ряд компаний уже успешно использует его в своей повседневной практике [12].

3. ArcGIS в моделях транспортных систем (Network Analyst)

Пакет программных продуктов нового поколения ArcGIS 10.2 компании ESRI - это современная платформа для построения корпоративной интегрированной системы поддержки принятия решений, в основе которой лежат компьютерные средства сбора, хранения, обработки и отображения пространственной информации.

Платформа ArcGIS помогает компаниям во всем мире успешно решать задачи картографирования, эффективного управления транспортными объектами и сетями, оптимальной транспортировки людей и грузов (логистики).

В мировой практике для решения задач транспортной отрасли во взаимосвязи с проблемами и задачами других слоев деятельности получила широкое распространение полностью унифицированная линейка программных продуктов системы ArcGIS. Инструментарий ArcGIS обладает интеграционными возможностями в отношении сферы применения и интероперабельности с другими системными платформами, СУБД, производственными системами, веб - и облачными технологиями.

Основные возможности:

? оперативно-диспетчерское управление грузовыми и пассажирскими перевозками;

? анализ транспортной нагрузки, разработка и оптимизация маршрутов;

? планирование строительства новых трасс;

? планирование и мониторинг проведения ремонтных работ;

? решение задач мониторинга технического состояния автомобилей, информационной поддержки охранно-поисковых систем, снижения рисков при перевозке ценных или опасных грузов и т.д.

Известно множество примеров комплексного решения взаимоувязанных задач транспорта, градостроительства, землепользования, экологии, экономики, социологии, сохранения культурного наследия и вопросов, относящихся к другим сферам деятельности, в разных городах, странах и регионах с использованием среды ArcGIS. Упомянем лишь проекты регионального планирования Traffic Analyst, общеевропейской транспортной системы TRANS-TOOLS, ArcGIS-проект WORLD-NET транспортного планирования всего евразийского пространства.

Система ArcGIS, как известно, обладает мощным инструментарием анализа пространственной информации, позволяет работать с разнородными данными и базами геоданных (БГД). Широкий функционал этого ПО позволяет самостоятельно решать множество задач в самых разных прикладных областях. Для отработки же тех вариантов, когда детализация структуры системы и поведения объектов собственными средствами становится нерациональной, используется конвертирование данных из других программных сред и их интеграция с ГИС. Все эти возможности постоянно используются во многих проектах и разработках и в наших условиях, и во всем мире.

Собственная передовая БГД, интеграционная технология ArcSDE для использования известных СУБД, веб-инструментарий, применение облачных технологий, - все это позволило платформе ArcGIS выйти на высокий уровень комплексного управления проектами и мониторинга сложных систем. Наблюдается тенденция к внедрению комплексного управления всей хозяйственной деятельностью предприятий и организаций посредством этой ГИС.

На основе технологий ArcGIS осуществляется управление транспортной сферой сотен городов и регионов во всем мире. Например, весьма успешно функционируют европейские проекты Traffic Analyst и TRANS-TOOLS, североамериканские проекты UNETRANS и NRN Canada, разрабатывается проект транспортной системы евразийского пространства WORLD-NET.

Кроме того, дополнительный модуль ArcGIS Network Analyst позволяет решать 9 классов транспортных задач в автоматическом режиме на основе наборов сетевых данных с ребрами, узлами, всевозможными весами и иерархией ребер, дисциплиной поворотов, барьерами, остановками, сопротивлениями различного рода, штрафами и пр. Совершенная связность позволяет моделировать мультимодальные сети, а приложение ArcScene дополнительного модуля ArcGIS 3D Analyst - трехмерные сети и развязки [21].

Дополнительные модули:

? Network Analyst - модуль для анализа сетей и маршрутизации транспортных средств;

? Tracking Analyst - модуль для отслеживания и анализа динамических объектов в режиме реального времени. Дает возможность изучать динамику развития различных событий и явлений во времени, создавать системы слежения за множеством объектов, планировать ход развития событий, обеспечивать управление и координацию оперативных действий, что весьма полезно для мониторинга и управления транспортными сетями;

? Логистик - модуль для маршрутизации транспортных средств и обеспечения грузоперевозок, адаптирован к российской системе адресации;

? Spatial Analyst - модуль для обработки растровых изображений, совместного анализа растровых и векторных данных;

? Survey Analyst - модуль для управления базой геодезических данных на основе наземных съемок и GPS-измерений (продукт разработан совместно с компанией Leica Geosystems);

? Maplex - модуль для автоматизированного размещения текстовых надписей на цифровых картах;

? ArcPress - модуль для расширения возможностей печати карт;

? Data Interoperability - модуль для прямого чтения, преобразования и экспорта форматов данных.

? ArcGIS Server - масштабируемый серверный продукт для создания корпоративной ГИС, решения трудоемких задач и создания ГИС-порталов в Интернете.

? Map Object - набор библиотек для создания собственных ГИС-приложений.

? ArcGIS Engine - набор встраиваемых инструментов для интеграции с другими настольными средами.

Области применения:

? автомобильные дороги, железные дороги, дорожные службы;

? вокзалы, аэропорты, морские и речные порты;

? пассажирский транспорт;

? автопарки;

? грузоперевозки, транспортная логистика;

? строительство, эксплуатация, жилищно-коммунальное хозяйство;

? службы спасения, скорая помощь, силовые структуры;

? службы охраны, доставки, инкассации.

ArcGIS Network Analyst позволяет создавать и управлять сложными наборами сетевых данных и решать задачи с помощью маршрутизации процессов (рисунок 4).

Рисунок 4 - Рабочее пространство ArcGIS Network Analyst

ArcGIS Network Analyst - мощное средство для расчета и построения маршрутов транспортных средств, предоставляющее полноценную среду для пространственного анализа на основе данных по транспортным сетям (в том числе: анализ местоположений, анализ времени в пути, моделирование пространственного взаимодействия). С его помощью пользователи ArcGIS Desktop могут моделировать сценарии решения транспортных задач на основе реальных сетей.

Применяя ArcGIS Network Analyst можно:

? провести анализ времени нахождения на маршруте;

? создать маршрут проезда по заданным пунктам;

? создать описание маршрута;

? определять области обслуживания;

? рассчитать кратчайший путь;

? выбрать оптимальный маршрут;

? найти ближайший пункт обслуживания;

? создать матрицу отправных и конечных пунктов.

ArcGIS Network Analyst позволяет решать широкий спектр задач на основе анализа географических сетей. Он существенно упрощает решение таких задач, как выбор наиболее приемлемого маршрута, создание путевого листа, поиск ближайшего магазина, склада или пункта обслуживания, определение области обслуживания на основе времени в пути.

Network Analyst расширяет функциональность ArcGIS следующими возможностями:

? маршрутизация;

? нахождение ближайших пунктов обслуживания;

? анализ областей обслуживания;

? расширенные возможности создания сетей и управления ими.

Network Analyst может быть использован при решении широкого спектра задач: от простого создания маршрута проезда по заданным точкам до создания сложной модели повременной доставки товаров с прохождением через миллионы объектов. Используя расширенные возможности Сетевой модели, пользователь может значительно увеличить функциональность данных.

Расширенные возможности Сетевой модели данных:

? сложные повороты;

? динамический импеданс;

? веса;

? барьеры;

? возможность работы в многопользовательском режиме;

? точная и иерархическая маршрутизация.

Network Analyst работает в среде ArcGIS Desktop (ArcView, ArcEditor или ArcInfo), ArcGIS Engine и ArcGIS Server. Пользователей настольных приложений ArcGIS Network Analyst обеспечивает многофункциональной средой с удобным меню и инструментами. В то же время легко осуществляется доступ и к более сложным инструментам и настройкам в среде геообработки - возможность создания моделей и написания скриптов. Пользователи ArcGIS Engine и ArcGIS Server могут внедрять средства прикладных разработок при создании собственных сетевых решений.

Ключевые возможности:

? маршруты;

? многоточечная маршрутизация;

? временные окна остановок;

? решение задачи коммивояжера.

Области обслуживания:

? создание комплексных полигонов;

? анализ области обслуживания;

Ближайшие пункты:

? постоянные и переменные точки;

? быстрое реагирование.

Путевые листы:

? расширяемые вставки карт;

? генерация серий путевых листов.

Возможные области применения.

Пользователей ArcGIS Network Analyst объединяет необходимость высококачественной маршрутизации на базе ГИС и возможность проведения сетевого анализа данных. ArcGIS Network Analyst успешно применяется в следующих отраслях: средства сообщения (транспорт), здравоохранение, службы безопасности населения, образование, местные органы управления и многие другие.

В ArcGIS Network Analyst можно решать задачи с использованием анализа времени в пути. Например, определение времени, затрачиваемого на транспортировку товаров от производственного предприятия до склада, а также времени доставки со склада в магазин или непосредственно потребителю.

В данном примере с помощью инструмента "Поиск ближайшего пункта" в Network Analyst можно рассчитать время доставки товаров с производственного предприятия на любой из восьми предлагаемых складов.

Инструмент Области обслуживания выделит вокруг каждого из восьми складов зоны (на рисунке - зеленая, желтая и красная), с помощью которых все потребители (например, магазины) будут поделены на три группы по времени доставки им товаров.

Этот анализ может использоваться для вычисления времени доставки товаров с помощью автотранспорта или в качестве стандарта при разработке сети транспортного обслуживания населения.

Набор сетевых данных в ArcGIS 9 - это сложная связная модель, предлагающая целый комплекс возможных сценариев. Например, многомодальная транспортная сеть. Пользователь имеет возможность эффективно моделировать связи между различными видами транспортного сообщения, используя точки соединения, например, железнодорожные и автобусные остановки. Многомодальные сети позволяют комплексно осуществлять планирование, анализ и моделирование путей транспортного сообщения.

Более продвинутые пользователи и разработчики могут применять собственные решения, используя преимущества наборов сетевых данных и свойство многозадачности при создании транспортной модели.

Наборы сетевых данных дают возможность четкого управления данными при создании, редактировании и хранении сетевых данных

4. Сетевая модель в ГИС и инженерные сети

4.1 Сетевая модель в ГИС

Задачи, решаемые ГИС с применением сетевой модели, можно обобщить в следующие категории:

? получение математической модели графа из географических данных для дальнейшего анализа с использованием теории графов;

? расчёт кратчайших путей между вершинами сети;

? поиск ближайшей вершины из группы заданных;

? определение области доступности для некоторой вершины - нахождение всех вершин в заданном радиусе;

? нахождение циклов в графе сети;

? нахождение изолированных вершин сети - проверка связности, основанная на поиске пути между двумя узлами графа. Если такой путь найден, то узлы являются членами одной подсети, иначе - узел изолирован;

? поиск элементов в определённом направлении - граф может быть ориентированным;

? анализ сети при изменении одного из её элементов, добавлении новых элементов [2].

ГИС в сфере инженерных сетей выполняют функции проектирования, инвентаризации, моделирования, а также информационной поддержки экспертных оценок и принятия решений. Они также используется для эксплуатации инженерных сетей, являются информационно-справочными системами.

Использование ГИС с сетевой моделью в бизнесе позволяет существенно повысить его эффективность, поскольку позволяет ответить, например, на следующие вопросы:

? как узнать, в какой области доступности будет находиться предприятие для определённых районов города, и за какое время клиенты из этих районов смогут добраться до него;

? как минимизировать время/стоимость доставки тех или иных грузов;

? какое отделение предприятия лучше посетить клиенту, чтобы минимизировать время его поездки;

? как спрогнозировать развитие бизнеса, улучшить покупательную способность предприятия.

К ГИС в других сферах относят расположение ближайших пожарных частей, полицейских участков, больниц. Вычисление наилучшего пути следования службы, в зависимости от дорожной ситуации, точек остановки, и т.д. [3].

4.2 Инженерные сети

Трассировка инженерных сетей в увязке их между собой и с размещением зданий, сооружений, элементов озеленения, а также с профилем проездов и магистралей является одним из важных вопросов инженерного решения планировки территории промышленных предприятий.

Инженерные сети подразделяют следующим образом:

сети общего назначения - водопроводные, канализационные, водосточные, теплофикационные, газовые, дренажные;

электросети всех видов;

сети производственные или технологические - для передачи жидких и газообразных продуктов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, а также взрывоопасных и инертных газов.

Для промышленного предприятия или групп предприятий надлежит проектировать единую систему инженерных сетей, размещаемых в специально отведенных технических полосах.

Инженерные сети могут быть подземными, наземными и надземными, а также могут располагаться в открытых траншеях. Для уменьшения ширины улиц и удобства эксплуатации сетей при размещении последних следует, как правило, применять совмещенную прокладку сетей различного назначения в общих коллекторах, траншеях, каналах или эстакадах с соблюдением соответствующих санитарных и противопожарных требований и правил безопасности эксплуатации сетей. Большую часть сетей обычно располагают под землей. Поэтому выбор ширины внутризаводских улиц и проездов в значительной степени зависит от организации подземного хозяйства. Поскольку сети подземного хозяйства для ремонта или осмотра могут потребовать вскрытия, следует избегать укладки их под проезжей частью, разрушение и восстановление которой сопряжено со значительными затратами. Под проезжей частью могут быть размещены только сети ливневой канализации и проходные тоннели, не требующие вскрытия при авариях [15].