ГИС на транспорте

ГИС на транспорте

Географические информационные системы (ГИС) - это успешно развивающаяся информационная технология, эффективно применяющаяся во многих отраслях, в том числе и на транспорте. При этом у транспортных ГИС есть одна важная особенность - самый широкий круг пользователей, которым нужна транспортная информация. Это сами дорожники, то есть те, кто создает и поддерживает транспортные сети в рабочем состоянии. Это те, кто осуществляет перевозки по транспортным артериям. Это и все мы, поскольку пользуемся транспортом для проезда. И всем нам, рядовым пассажирам и водителям, профессионалам перевозок и обслуживания дорог, нужна информация о транспортных сетях и объектах.

В результате столь массового спроса транспортная информация является очень ценным ресурсом. Но при этом оказывается, что хотя в целом потребность в такой информации высока, реально лишь немногие из потенциальных пользователей способны оплатить создание больших объемов данных о транспортных сетях. Действительно, каждому из нас нужны карты дорог, транспортные схемы на большие территории. Но ни частные лица, ни небольшие компании не в состоянии самостоятельно провести сбор информации и создать собственные базы данных по дорогам на обширную территорию. Такое под силу только крупным компаниям и, прежде всего, государству, собирающему налоги со всех нас, в том числе и на развитие транспорта. То есть, на государственном уровне должна быть служба, обладающая актуальной базой детальных данных по транспортной сети страны и предоставляющая эту информацию всевозможным потребителям.

В Северной Америке и Европе уже давно созданы такие базы данных, и они широко доступны. Сегодня можно приобрести готовый ГИС-пакет, подключить дорожную БД и "ездить" по этой электронной карте. Для этого нужна не только графика, изображающая дороги, но и информация об их связности, типе покрытия, доступности. Там всё это есть, а в России пока с этим плохо. Да, есть множество ведомственных информационных систем, каждая из которых содержит кусочек общей картины, но они разрознены, мало совместимы и практически не доступны массовому потребителю. Создание единой информационной основы поможет решить эту проблему. Но уже и сейчас можно сделать многое.

Что такое транспорт вообще, с точки зрения ГИС? Автомобильные и железные дороги, речные и морские пути, порты и аэропорты, трубопроводы - всё это транспорт. Все имеют свою специфику, но есть и общие черты. Программные средства ГИС от ESRI достаточно гибки и разнообразны, они успешно применяются на всех видах транспорта. Мы рассмотрим некоторые (но отнюдь не все возможные!) специфические варианты использования наших ГИС-технологий в транспортной сфере.

Применение ГИС на транспорте

Сразу следует разделить области применения ГИС на привязанные к отдельным транспортным объектам (железнодорожная станция, порт, аэропорт и т. п.) и так называемые "сетевые" задачи. Дело в том, что для задач этих двух направлений нужна существенно разная функциональность. В первом случае важны все описательные характеристики объектов, их детальные планы, увязка с базами данных имущества, кадастром и т. д. А во втором нам гораздо важнее знать, как объекты сети связаны, какова их пропускная способность, как можно двигаться из одного пункта сети в другой. Соответственно, в задачах первого типа используется, в основном, функциональность базовых ГИС-программ (например, ArcView), а для второго типа чаще всего используются специальные программные модули (например, Network Analyst). К этой теме мы еще вернемся, рассматривая возможности применения ПО ГИС ESRI на транспорте.

Транспортные объекты и сети располагаются на или вблизи поверхности Земли. А ГИС специально предназначены для работы с пространственной информацией. И, поскольку данные об объектах на поверхности Земли и составляют пространственную информацию, получается, что ГИС прекрасно подходят для управления транспортными объектами и сетями.

Собственно, что нам нужно знать о транспортных объектах? Это их координаты в пространстве и описательные характеристики. Именно это и составляет суть ГИС - соединение координатной и описательной информации в единое целое. Из этого, однако, не следует делать вывод, что достаточно приобрести какую-нибудь ГИС-программу, и задача будет решена. На самом деле, успешное внедрение геоинформационных технологий возможно только при наличии качественных данных, подходящего программного обеспечения, техники и специалистов. Патриархи геоинформатики любят говорить, что ГИС это люди + техника + программы + данные, и ни одно звено исключить нельзя.

ГИС отдельного объекта (ж.-д. станция, порт, аэропорт и т. д.) это, по сути, классическая система, называемая на западе AM/FM - Automated Mapping / Facility Management - Система компьютерного картографирования и управления объектом. Учитывая российские традиции развития информационных систем, это можно было бы назвать "АСУ на картографической основе". Такие системы начали появляться благодаря массовому распространению Систем автоматизированного проектирования (САПР). Действительно, САПР-пакеты могут успешно представлять графическую информацию об объектах (чертежи, планы, схемы). Однако, изначальная нацеленность САПР на работу с чертежами и задачи проектирования делает эти системы недостаточно приспособленными к задачам управления реальными объектами. Важнейшие недостатки - ограниченность взаимодействия с базами данных, средств визуализации, неспособность работать с очень большими объемами пространственных данных, отсутствие масштабируемости решений. Например, внешние БД могут содержать описательную информацию, нормативные документы, фотографии и еще огромное множество разнородной информации, которая является инородной для САПР. А сама БД системы управления может содержать сотни тысяч простых объектов. Современные ГИС-пакеты как раз и развиваются в направлении решения этих задач, а семейство продуктов ArcGIS не только лишено этих недостатков, но и еще предлагает массу других функций, ценных для управления объектами (см. далее).

Немножко сменив ракурс при рассмотрении "задачи одного объекта", можно предположить, что раз уж объект когда-то проектировался и строился, вполне можно использовать ту же систему проектирования (например, AutoCAD) и в дальнейшем. Зачем переходить в ГИС? Но дело в том, что реально функционирующий объект не существует в вакууме, нам важно его место в общей транспортной инфраструктуре, его взаимодействие с окружающей средой, с другими объектами. То есть, информационная система управления объектом должна иметь развитые возможности интегрирования информации из различных источников, взаимодействия с различными базами данных. САПР для этого не предназначены. Да и много ли объектов обеспечено полной проектной документацией в электронном виде? Но даже если эта документация имеется - тем лучше, при переходе от проектирования к эксплуатации объекта ГИС может стать хорошим преемником САПР. Например, ArcGIS может успешно оперировать документами САПР, интегрировать их с картографическими данными, снимками, внешними БД и другой информацией.

Решение сетевых задач важно и самим транспортникам, и тем, кто создает и развивает транспортную инфраструктуру, и тем, кто выполняет перевозки. Вопросами перевозок занимается логистика, но есть и другие задачи, важные для оптимального развития транспорта в целом.

Одной из задач анализа сети является определение индексов связности и доступности. Эти индексы можно достаточно строго определить математически в теории графов, но здесь мы рассмотрим лишь качественное их содержание. Индекс доступности определяет возможности проезда из каждого узла сети в любой другой узел. Например, если мы ограничимся только автодорогами с твердым покрытием, то многие населенные пункты окажутся недоступными потому, что к ним проложены только грунтовые дороги. Естественно, характеристики доступности должны в первую очередь учитываться при развитии дорожной сети.

Индекс связности показывает, как много различных вариантов проезда можно найти из одной точки сети в другую. Так, например, уличная сеть Москвы имеет низкий индекс связности из-за большой протяженности железных дорог в пределах города без возможности их пересечения. По сути, железные дороги концентрируют большую часть автомобильных потоков в нескольких радиальных и кольцевых магистралях. Строительство третьего автодорожного кольца, конечно же, улучшит ситуацию, но во многих местах больший эффект вероятно можно было бы получить от организации дополнительных проездов через железные дороги. Это значительно повысило бы коэффициент связности уличной сети, то есть расширило бы число вариантов проезда из одной точки города в другую. С помощью ГИС можно было бы провести анализ возможных сценариев и выбрать решение, выгодное и экономически, ибо оно потребовало бы строительства небольшого числа компактных объектов (мосты, тоннели), а не прокладки многокилометровой магистрали в условиях плотной городской застройки.

Вообще говоря, анализ сетей - очень интересная область исследований. Так, например, можно было бы рассмотреть индекс уязвимости сети с точки зрения сохранения ее связности при выведении из строя отдельных участков (сегодня это важно в связи с возросшей угрозой терроризма). Готовые коммерчески доступные ГИС-пакеты, конечно, не имеют такого богатого набора исследовательских функций, в них реализованы лишь самые распространенные сетевые задачи. Но благодаря тому, что ArcGIS основана на открытой объектно-компонентной архитектуре, пользователи имеют возможность дополнять систему своими функциями и алгоритмами, пользуясь большим набором возможностей ArcObjects и не тратя силы и время на реализацию рутинных функций редактирования и визуализации сети.

Логистика

Основная задача логистики - организация оптимальной транспортировки людей и материальных ценностей. В реальности существует очень много параметров, которые воздействуют на эту самую оптимальность, причем многие эти параметры не статичны, могут меняться во времени. Как же могут помочь в этом случае ГИС? Рассмотрим несколько наиболее распространенных ситуаций.

Самая простая задача - доставка груза из пункта А в пункт Б. Это классическая задача нахождения кратчайшего маршрута. Она решается, например, модулем Network Analyst. Для ее решения необходимо иметь связную и топологически корректную дорожную сеть. На практике обычно важнее найти не кратчайший маршрут, а маршрут наименьшей стоимости. И в продуктах ESRI эта задача решается с помощью присвоения каждой дуге и каждому узлу сети так называемого сетевого веса. Это может быть как реальный параметр, например, среднее время прохождения участка, так и значение весовой функции, учитывающей пропускную способность, расход топлива и любые другие параметры. Кроме того, система позволяет использовать сетевые флажки, показывающие возможность проезда по данному участку.

Другой стандартной задачей является так называемая задача коммивояжера. В ней нужно объехать заданное число пунктов за минимальное время и/или при минимальной длине пути. Эта задача также решается в модуле Network Analyst, и в ней могут учитываться все те же факторы, что и в задаче поиска кратчайшего маршрута, а также желательная последовательность объезда точек назначения.

И, наконец, наиболее сложная, так называемая транспортная задача. Это уже полномасштабная организация перевозок различных грузов из многих источников по многим адресам. ГИС и здесь приходят на помощь: эту задачу решает продукт ArcLogistics Route. Информацию о нем можно найти в ArcReview №2(21) за 2002 г. (с.23) и №4(19) за 2001 г. (с.14).

Помимо названных "классических" задач, для экспедиторских и курьерских компаний представляет интерес мультимодальная транспортировка, включающая использование нескольких видов транспорта. ГИС-продукты и в этом случае являются самой подходящей основой информационной системы компании, поскольку они способны совмещать информацию по множеству транспортных сетей в единой базе данных и/или на одной электронной карте.

Управление парком транспортных средств

Геоинформационные технологии позволяют не только планировать перевозки, но и контролировать их. Во многих странах всё большую популярность приобретает слежение за транспортными средствами с помощью GPS. Структура такой системы проста: на автомобиль (локомотив, судно, самолет) устанавливается GPS-приемник, координатная информация с которого по радиоканалу передается в диспетчерский центр и аккумулируется в базе данных. Естественно, что ГИС-продукты используются и здесь - для отображения этой координатной информации в географическом контексте. Так, например, модуль ArcGIS Tracking Analyst позволяет следить за перемещениями одного или нескольких объектов в режиме реального времени. Это позволяет обнаружить отклонения от графика движения, принимать меры к их устранению, прогнозировать время доставки и информировать заказчиков. Кроме того, Tracking Analyst позволяет сохранять траектории движения транспортных средств и анализировать их в дальнейшем, например, проигрыванием в разных масштабах времени.

Пока такие системы довольно дороги для массового внедрения, хотя на поездах и дальних автомобильных перевозках они себя уже оправдывают. Впрочем, сейчас есть очень интересная перспектива развития этого направления с помощью передачи данных по сетям сотовой связи. Ведь все крупные города и автомагистрали уже охвачены сотовой связью. И уже есть примеры передачи GPS-данных с помощью SMS в сетях стандарта GSM. Но реальный прорыв можно ожидать с появлением устройств передачи данных по стандарту GPRS и развитием сетей этого стандарта.

Применение ГИС на отдельных видах транспорта

По сути, возможности тут безграничны, так как ГИС - универсальная технология для работы с пространственными данными. Причем, на разных видах транспорта есть свои специфические задачи, которые могут эффективнее решаться с помощью ГИС. Вот только некоторые из них:

Автодороги

- планирование (совместный анализ транспортной нагрузки и состояния дорожного полотна)

- проектирование (выбор оптимальных коридоров для прокладки новых трасс)

- строительство (отображение состояния строительных проектов и определение приоритетов)

- эксплуатация (анализ различных стратегий проведения ремонтных работ и распределения средств, совместное отображение карт и строительных чертежей из САПР)

- мониторинг передвижения, сбор статистики по функционированию подведомственной дорожной сети, анализ аварий.

Железные дороги

- управление недвижимым имуществом

- управление объектами инфраструктуры (энергоснабжение, путевое хозяйство, сигнализация и связь)

- слежение за поездами и грузами

- анализ грузопотоков

- мониторинг и реагирование на чрезвычайные ситуации

- информирование пассажиров

- маркетинг

- оценка рисков

- планирование развития сети

- распределение средств на ремонт и развитие.

Городской пассажирский транспорт

- планирование и анализ маршрутной сети

- диспетчеризация

- слежение за подвижным составом

- увязка расписаний с другими видами транспорта

- описи оборудования на остановках и конечных пунктах

- поддержка эксплуатации систем энергоснабжения, сигнализации и связи

- составление и анализ отчетов по ДТП

- демографический анализ и реструктурирование маршрутов.

Аэропорты

- управление имуществом аэропортов

- управление территорией

- выбор мест и строительство новых объектов инфраструктуры аэропорта

- мониторинг и планирование воздушных коридоров

- оценка и планирование пропускной способности

- оптимизация парковки самолетов

- экологическая оценка

- моделирование и мониторинг шумового загрязнения

- управление сдачей площадей в аренду

- информирование пассажиров по плану аэропорта и ближайшему его окружению.

Морские и речные порты

- управление имуществом

- экологическая оценка

- оперативное управление складами

- оптимизация использования складов

- мониторинг прилегающей акватории.