Sieťové analýzy sa v súčasnosti stávajú bežnou súčasťou nášho života, či už priamo alebo nepriamo napr. ako navigácia v automobiloch, usporiadanie cestnej siete, prevádzka hromadnej dopravy, či zásobovanie a pod.
Cieľom predkladaného článku je praktické predstavenie jednotlivých sieťových analýz, dostupných v programe ESRI ArcGis Desktop 9.3 a jeho nadstavbe Network Analyst, v reálnej sieti komunikácií v okrese Revúca.
Jazda každého konkrétneho vozidla predstavuje proces, ktorý sa deje v cestnej sieti a je bezprostredne ovplyvňovaný vlastnosťami tejto siete, či jej jednotlivých úsekov. Pohyb vozidla je ovplyvňovaný jednak parametrami cestnej siete, ako sú napr. maximálna povolená rýchlosť, členitosť trasy, kvalita vozovky apod. a jednak premenlivým parametrom cestnej siete akým je hustota cestnej dopravy.
Dynamiku javov vyskytujúcich sa v okolí siete a dynamiku procesov dejúcich sa v samotnej sieti je možné analyzovať využitím teórie grafov a sieťových analýz.
1 Graf
Graf je sústavou bodov a ich spojníc, pričom body sa označujú ako uzly a spojnice ako hrany. V grafickej podobe sa uzly vykresľujú pomocou bodových značiek, hrany pomocou úsečiek. Hranám je možné priradiť jednoznačný smer, potom ich označujeme ako orientované hrany a graf označíme pojmom orientovaný graf. Orientácia hrany je daná orientáciou vektora, ktorý hranu reprezentuje. Hranám grafu je možné priradiť popis ich určitej charakteristiky, potom hovoríme o grafe hranovo ohodnotenom. V prípade, že takýto graf predstavuje model cestnej siete, môže byť touto charakteristikou napr. doba, ktorú bude potrebovať vozidlo (určitých parametrov) na prekonanie konkrétneho úseku cesty – hrany.
Uzlom grafu je možné takisto prostredníctvom konkrétnych hodnôt priradiť popis ich určitej charakteristiky. Potom sa jedná o graf uzlovo ohodnotený. V reálnom modeli uzol predstavuje križovatku a hodnota napr. dobu počas ktorej bude vozidlo zdržané na križovatke [2].
2 Geometrická sieť
Prvým krokom bolo vytvorenie geometrickej siete, ktorá sa skladá zo základných elementov, ktorými sú:
- uzly siete,
- hrany siete.
Vytvoreniu siete predchádzala digitalizácia mapy cestnej siete v okrese Revúca, v rámci ktorej bola vytvorená vrstva úsekov. Jednotlivým úsekom boli priradené vybrané atribúty, ako napríklad druh cesty, hodnoty rýchlostí, ktoré je možné reálne dosiahnuť, dĺžka cesty, smer trasy, číslo úseku, počiatočný a koncový uzol atď., ktoré zahŕňajú celý rad podstatných charakteristík, vypovedajúcich o jednotlivých cestných komunikáciách. Ďalšou vrstvou bola vrstva uzlov, ktorým boli rovnako priradené potrebné atribúty ako napr. typ uzla, číslo uzla, typ križovatky atď. Takto bol vytvorený jednak geometrický popis priebehu cestnej siete a taktiež jej tematický popis.
Geometrická sieť bola vytvorená v programe ESRI ArcGis Desktop 9.3 a jeho aplikácii ArcMap. Ide o softvér, ktorý umožňuje efektívnu prácu s geografickými dátami a na ich základe následne vykonávať rôzne analýzy [1].
Aby bolo možné vykonávať sieťové analýzy, bolo nutné vytvoriť najprv tzv. sieť (Network dataset) a následne súborovú geodatabázu. Ďalším krokom bolo vytvorenie datasetu, do ktorého boli exportované vytvorené vrstvy.
V tejto podobe je geometrická sieť jednoduchým modelom konkrétnej reálnej siete, ktorý je potrebné doplniť o ďalšie elementy, ako sú:
- zastávky,
- centrá.
Takto pripravený model siete umožňuje vykonávať rôzne sieťové analýzy, akou je napr. hľadanie cesty v sieti, ktorej výsledkom je cesta alebo okruh, ktoré budú nájdené ako spojnica zastávok.
Zastávky v geometrickej sieti predstavujú miesta, odkiaľ cesta, prípadne okruh začína alebo končí. Ako zastávky volíme uzly siete alebo geoprvky, ktoré neležia na hranách siete, ale nachádzajú sa v ich okolí.
Pojem centrum súvisí s ďalším problémom z oblasti sieťových analýz, tzv. alokáciou zdrojov. Centrum je miesto v geometrickej sieti, ktoré reprezentuje reálne miesto, ku ktorému alokovanými hranami prilieha časť siete [2].
obr. 1 Zobrazenie uzlov a hrán cestnej siete v okrese Revúca
Ako príklad je možné uviesť stanice rýchlej zdravotníckej pomoci (RZP), ku ktorým prislúcha časť siete, ktorá je dosiahnuteľná vo vymedzenom časovom intervale pre vozidlá rýchlej zdravotníckej pomoci idúce z centra k pacientovi, ktorý si vyžaduje prvú pomoc.
Ako centrá boli teda v danej sieti definované obce a mestá v okrese Revúca v ktorých sa nachádzajú stanice rýchlej zdravotníckej pomoci. Konkrétne ide o mestá Revúca, Tornaľa, Jelšava, Ratková a Muráň. Výsledné grafické zobrazenie vytvorenej cestnej siete je na obr. 1.
3 Sieťové analýzy
Sieťové analýzy nad vytvorenou geometrickou sieťou boli vykonané pomocou nadstavby Network Analyst, ktorá umožňuje dynamicky modelovať reálne podmienky v sieti so zahrnutím širokej škály parametrov dopravnej situácie, ako sú reštrikcie zmeny smeru, obmedzenie rýchlosti apod. [1].
Nadstavba Network Analyst je primárne určená na riešenie problémov a analýzu dopravnej siete, teda na prácu so sieťovým datasetom.
obr. 2 Hľadanie najkratšej cesty
3.1 Hľadanie cesty
Základnou analýzou v geometrickej sieti je tzv. hľadanie cesty, ktoré je možné vykonať v dvoch variantoch, a to hľadanie najkratšej cesty a hľadanie optimálnej cesty v závislosti na zvolenej impedancii. Ako impedancia môže byť zvolený akýkoľvek cenový atribút, napr. čas, dĺžka, trieda cesty apod.
obr. 3 Hľadanie cesty nahrádzajúcej uzavretú komunikáciu
V rámci úlohy vyhľadania najkratšej cesty bola navrhnutá trasa pre jednotku RZP, ktorá bola vyslaná z obce Muráň na miesto udalosti do obce Tornaľa (obr. 2). V rámci analýzy je potrebné lokalizovať jednotlivé miesta na trase (ako začiatok a koniec cesty boli vybrané uzly cestnej siete zodpovedajúce vybraným obciam) a nastaviť parametre analýzy vo formulári Route Properties.
Pri úlohe hľadania optimálnej cesty je postup podobný. Okrem začiatku a konca cesty je ale treba vziať do úvahy výber miest, cez ktoré vybraná trasa povedie, tzv. prechodové body. Nejde teda o najkratšie možné spojenie medzi dvomi miestami ako v predošlom prípade, ale o vyhľadanie trasy na základe nami stanovených požiadaviek.
Analýza hľadanie cesty umožňuje vyhľadať cestu aj v prípade, že na trase sa nachádza obchádzka, spôsobená napr. uzávierkou cesty z dôvodu rekonštrukcie, dopravnej nehody a pod. Miesto obchádzky vkladáme podobne ako začiatočný a koncový bod trasy ale do položky Barriers. Následne program generuje opäť najkratšiu cestu medzi zadanými obcami, ale s ohľadom na to, že na ceste je miesto, ktoré treba obísť, teda cestu nahrádzajúcu uzavretú komunikáciu. Výsledok analýzy je na obr. 3 (obchádzka je na mape vyznačená červeným krížikom).
3.2 Analýza spádovej oblasti
Pomocou ArcGIS Network Analyst je možné vymedziť spádovú oblasť v okolí ľubovoľného miesta v sieti podľa zadaných parametrov. Spádová oblasť je oblasť, ktorá zahŕňa všetky dostupné komunikácie, ktoré ležia v stanovenej impedancii. Napríklad 15 minútová oblasť pre vybraný bod v sieti zahŕňa všetky miesta, ktoré môžu byť dosiahnuté do 15 minút od uvedeného bodu. Sústredné oblasti potom ukazujú, ako sa dostupnosť mení s impedanciou.
Úlohou bolo stanoviť spádové oblasti staníc rýchlej zdravotníckej pomoci dosiahnuteľných v určitých časových intervaloch pre vozidlá RZP.
V našom prípade sú jednotlivé úseky v atribútovej tabuľke ohodnotené veličinou vyjadrujúcou dĺžku cestného úseku. Jej využitie v sieťových analýzach bolo postačujúce pri vyhľadávaní vhodnej trasy. Avšak v prípade generovania tzv. spádových oblastí (v našom prípade dosahu RZP) je dôležitejšou metrikou čas potrebný pre pohyb v sieti cestných komunikácií. Bolo preto potrebné ohodnotiť jednotlivé úseky časom potrebným pre prekonanie hrany. Tento čas bol určený na základe jednoduchej úvahy, vychádzajúcej z priemernej rýchlosti dosiahnuteľnej na jednotlivých úsekoch, podľa triedy komunikácie a jej príslušnej dĺžky. Výsledkom bolo rozšírenie atribútovej tabuľky o ďalšie pole, do ktorého boli zapísané výsledné hodnoty časov, potrebných na prekonanie každého úseku. Výpočet príslušných hodnôt v minútach bol vykonaný funkciou Field Calculator, podľa vzorca:
min = dĺžka (m)/1000/rýchlosť (km/h)*60.
Podrobnejšiu analýzu navrhnutá databáza neumožňuje. Nezahŕňa totiž údaje o kvalite vozovky, hustote premávky, vplyve počasia, ročnom období, dopravnej situácii a pod.
Lokalizácia miest (centier spádových oblastí, teda staníc RZP) sa vykoná obdobne ako v predchádzajúcom prípade (lokalizujú sa tzv. Facilities). Nutné je nastaviť potrebné parametre pre vymedzenie spádových oblastí, atribút impedancie v minútach a ako predvolené dosahové intervaly boli definované časy 10, 15 a 20 minút.
Výsledkom je nová polygónová vrstva zobrazujúca spádové oblasti staníc rýchlej zdravotníckej pomoci (obr. 4). Z výsledkov analýzy vyplýva, že väčšina obcí je pre vozidlá RZP dosiahnuteľná v čase do 10 až 15 minút, čo spĺňa požiadavky na rýchle poskytnutie prvej pomoci. Do oblasti dosahu 20 minút a viac spadajú dve obce, tie sú však pre vozidlá RZP v kratšom čase dosiahnuteľné zo stanice v obci Plešivec ležiacej v susednom okrese Rožňava.
obr. 4 Vymedzenie spádových oblastí pre stanice RZP
Záver
Predkladaný článok ponúka stručné zoznámenie sa s možnosťami sieťových analýz, dostupných v programe ESRI ArcGis Desktop 9.3 a nadstavbe Network Analyst.
Vo všeobecnosti geografické informačné systémy a aplikované sieťové analýzy umožňujú spracovávať rôzne štúdie ako logisticky čo najlepšie vyriešiť dopravnú dostupnosť v určitej spádovej lokalite. Táto práca rieši dostupnosť pre vozidlá RZP v okrese Revúca. V širšom rozsahu môže byť vytvorená sieť komunikácií využitá pre optimalizáciu rozmiestnenia staníc RZP.
____________________________________________
Autor: Hurčíková Viera1
1Ing., PhD., Technická univerzita v Košiciach, Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií, Ústav geodézie, kartografie a geografických informačných systémov, Park Komenského 19, 04 001 Košice
____________________________________________________________________
Literatúra:
[1] ESRI, oficiálna webová stránka http://www.esri.com/, 2006
[2] Peňáz, T.: Síťové analýzy v prostředí GIS, VŠB-TU Ostrava, 2006
VYTLAČIŤ