ArcGIS в моделях транспортных систем мегаполисов

Котиков Ю.Г., профессор Кафедры транспортных систем Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ), г. Санкт-Петербург, e-mail: cotikov@mail.ru

Modeling of Urban Transportation Systems with ArcGIS: St. Petersburg Case Study

В статье рассматривается интегрирующая роль геоинформационных систем (ГИС) в моделях транспортных систем мегаполисов и регионов. Анализируется возможность моделирования транспортной системы Санкт-Петербурга в среде ArcGIS и присоединения указанной модели к европейской модели TRANS—TOOLS.

Введение

В Санкт-Петербурге (СПб) для решения задач транспортно-логистического комплекса (ТЛК) города создается ГИС «Транспортная модель Санкт-Петербурга» (ТМСПб) [1]. Основные положения, терминология, конструктивы создаваемой c ГИС ориентированы на использование ПО PTV Vision [2, 3].

В мировой практике, однако, для решения задач транспортной отрасли во взаимосвязи с проблемами и задачами других слоев деятельности получила широкое распространение полностью унифицированная линейка программных продуктов системы ArcGIS [4]. По нашему мнению, инструментарий ArcGIS обладает более широкими (по сравнению с PTV Vision) интеграционными возможностями в отношении сферы применения и интероперабельности с другими системными платформами, СУБД, производственными системами, веб- и облачными технологиями.

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 [5], общеевропейской транспортной системы TRANS-TOOLS [6], ArcGIS-проект WORLD-NET транспортного планирования всего евразийского пространства [7]. С одной стороны, огромный опыт моделирования подобных систем должен быть использован при создании ТМСПб, а с другой стороны необходимо учитывать возможность подключения ТМСПб к более крупным континентальным (Traffic Analyst, TRANS-TOOLS) или межконтинентальным (WORLD-NET) моделям.

В связи с этим, ниже приведены результаты проведенного в СПбГАСУ исследования названных транспортных моделей и перспектив адаптации к ним Транспортной модели Санкт-Петербурга.

ArcGIS и производные инструменты в транспортном планировании

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 упомянутые европейские проекты Traffic Analyst и TRANS-TOOLS, североамериканские проекты UNETRANS [8] и NRN Canada [9], разрабатывается проект транспортной системы евразийского пространства WORLD-NET [7].

Кроме того, дополнительный модуль ArcGIS Network Analyst [4] 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.

Дополнительный модуль ArcGIS Tracking Analyst [4] 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.

Программа планирования и моделирования перевозок Traffic Analyst, разработанная в среде ArcGIS фирмой Rapidis [5], содержит ряд инструментов редактирования для обработки линий общественного транспорта и расписаний. Модель спроса на перевозки формирует сеть, величины генерации поездок, а также вероятность осуществления поездок между пунктами отправки и назначения. Эти пункты находятся в центроидах, представляющих собой точки концентрации сведений о зонах (traffic analysis zone, TAZ) (рис. 1). Центроиды посредством коннекторов связываются с дорожной сетью.

В модели перевозок используются зональные социально-экономические данные, матрицы поездок и описания персональных предпочтений пассажиров, сети инфраструктуры, сеть транзита. В основе калькуляции трафика лежит ставший классическим 4-шаговый алгоритм М.Д. Мейера и Е.Дж. Миллера [11] (фирма Esri реализовала его одной из первых в своих программных продуктах).

Traffic Analyst позволяет решать разнообразные задачи планирования: прогнозирование транспортных потоков; анализ доступности; моделирование изменений в спросе на транспортировку, вызванных изменениями в инфраструктуре; оценка последствий крупных проектов в сфере развития инфраструктуры; оценка экологических последствий изменений в транспортных системах и другие.

Traffic Analyst не рассчитан на самостоятельную обработку грузоперевозок. Однако его модули участвуют в обработке грузопотоков в составе более крупного ППП — TRANS-TOOLS [6].

TRANS-TOOLS предназначен для разработки и планирования пассажирских, грузовых и мультимодальных перевозок. Он максимально использует множество европейских моделей для различных задач и опций (SCENES, VACLAV, NEAC, SLAM, TRENDS, ARTEMIS, TREMOVE и др. — всего 220 ассоциированных моделей [6]). TRANS-TOOLS содержит множество моделей спроса: непрерывных и дискретных, детерминированных и стохастических, гравитационных и энтропийных, с фиксированным и эластичным спросом, комбинированных.

Некоторые новации, введенные TRANS-TOOLS, включают: интермодальность во всех измерениях; охват 27 стран; модель экономики с обратными инфраструктурными связями; включение в анализ стоимостных цепочек логистики; связь с местным трафиком; отражение изменений в землепользовании и экономике; интерфейс на базе ArcGIS.

TRANS-TOOLS является инструментом поддержки транспортной политики на уровне ЕС, включающей:

• усовершенствование инфраструктуры трансъевропейских сетей в целях устранения проблем трафика;
• усовершенствование стыковки видов транспорта;
• улучшение качества обслуживания; внедрение системы взимания платы за инфраструктуру;
• изменение налогообложения транспорта;
• учет увеличения цен на топливо.

Модель TRANS-TOOLS вычисляет воздействия, собранные в три группы. К первой группе относятся транспортные потоки (транспортные средства, пассажиры и грузы) на уровне сетевых связей и/или на зональном уровне, а также транспортные характеристики (расстояние, стоимость, время, объемы перевозок). Вторую группу воздействий составляют потребление энергии, эмиссия газов, издержки в инфраструктуре, затраты и меры безопасности. Третья группа складывается за счет косвенных эффектов в экономике — обратных связей транспортной политики.

Основные подмодели TRANS-TOOLS: экономическая модель, грузовая и пассажирская модели спроса, модели воздействия на инфраструктуру (рис. 2). Структура позволяет добиваться равновесия между спросом и предложением посредством отработки обратных связей между названными подмоделями.

Модель TRANS-TOOLS поддерживается европейской стратегической справочной базой данных по спросу на транспорт, сервису, сетям инфраструктуры и воздействиям этих категорий на экономику ETIS (European Transport Policy Information System) [12]. Цели ETIS: внесение справочной информации в моделирование европейского транспорта, разработка методологии генерирования версий пакетов информации из существующих международных и национальных источников. ETIS является опорным источником, гарантирующим на европейском уровне единство данных для программных приложений.

Примером опорной информации может служить дорожная сеть ЕС на третьем уровне пирамиды Nomenclature of Units for Territorial Statistics (NUTS3) [6, 12], представленная на рис. 3 (1269 зон, 1366 коннекторов, 34 668 ребер и 22 399 узлов сети). Отметим, что Санкт-Петербург пока представлен здесь точкой безо всякой атрибутики. Элементы программного обеспечения TRANS-TOOLS послужили основой разрабатываемого проекта WORLD-NET [7].

Рассмотрим описанные выше программные системы и модели в приложении к Санкт-Петербургу с его улично-дорожной сетью (УДС).

Формирование Грузового каркаса УДС и размещение логистических мощностей

В качестве полигона для исследования возможностей представления транспортной сети Санкт-Петербурга в рамках методологии TRANS-TOOLS и подключения города к этой модели Eвросоюза нами выбрана подсистема «Большой порт (БП) – Западный скоростной диаметр (ЗСД) – город». В будущем город выносит логистические мощности из центра на периферию. ЗСД выполняет одну из своих задач — обеспечение эффективного подключения БП к Грузовому каркасу УДС города и перспективным логистическим мощностям. С вводом в эксплуатацию ЗСД Большой порт с его 150 причалами должен модернизировать схему ввоза-вывоза грузов.

Для построения модели «БП — ЗСД — город», совместимой с грузовой моделью TRANS-TOOLS (см. рис. 2), необходима, по крайней мере, следующая информация:

• географическая карта и УДС города;
• трафик на УДС; характеристика БП (карта, схемы расположения причалов, терминалов, складов и дорог);
• характеристика ЗСД, включающая трехмерные схемы развязок;
• сети грузовых железнодорожных и речных линий города;
• данные об интенсивности входящих и выходящих морских, автотранспортных, железнодорожных и речных грузопотоков БП;
• сведения о промышленных зонах (расположение, мощность, транспортная характеристика);
• характеристики транспортно-логистических объектов;
• характеристика транзитных потоков.

Имевшаяся в нашем распоряжении информация, позволившая смоделировать лишь автотранспортную сеть и грузопотоки между логистическими мощностями, включала следующее:

• географическую карту города – топооснова и градостроительные слои;
• схемы районов БП;
• схемы и чертежи фрагментов ЗСД;
• две таблицы: координаты центроидов, представляющих зоны концентрации логистических мощностей (334 точки); таблица корреспонденций между логистическими мощностями (всего 497 связей с весами — объемами работы).

Формирование модели грузовой автотранспортной сети

В качестве основы использован Грузовой каркас СПб, созданный ранее в среде ArcGIS [14]. Введена иерархия дорог: скоростные (КАД и ЗСД), городского значения, местные (рис. 4). Проработана логика движения на элементах УДС. Запрограммированы алгоритмы расчета времени движения для каждого типа дорог.

Для осуществления навигации по ЗСД и КАД использована коридорная модель и, в общем случае, кроме зоны БП, вместо развязок при пересечении с КАД добавлены коннекторы для съездов и разворотов на этой дороге. Произведена пространственная привязка районов порта к карте города с занесением в БГД сведений о причалах, терминалах и пр. В ArcGIS смоделированы шесть развязок на ЗСД в зоне влияния БП путем оцифровки по картам-подложкам проектировщика ЗСД. Выверена навигация из районов БП на ЗСД и обратно.

Размещение логистических мощностей

Пункты грузогенерации/поглощения были привязаны к карте (см. рис. 5): точки-центроиды (звездочки) содержат информацию о количестве вывозимого/ввозимого груза. С помощью коннекторов каждый центроид присоединен к звеньям Грузового каркаса. Таким образом, обеспечивается связность всей сети дорог и возможность навигации от каждого центроида до любого другого.

Для устранения дублирующих связей выполнена нормализация таблиц. Также произведена фильтрация для удаления перекрестных связей между логистическими мощностями города. Окончательная конфигурация модели «БП — ЗСД — город» показана на рис. 6, она включает 7 точек грузогенерации в порту и 22 точки грузопоглощения в городе (соответственно, ромбики и звездочки на рис. 6). Навигация осуществляется по УДС (Грузовой каркас + коннекторы: в соответствии с рис. 5). Каждая связь характеризуется годовым объемом перевозок.

Далее по данным об объемах перевозок между этими точками была построена матрица корреспонденций, откалиброванная по условию равенства сумм входов и выходов. Матрицы корреспонденций в ArcGIS скомплексированы с таблицами географических координат и таблицами исходных связей графа. С помощью инструментов ArcGIS выполнена визуализация таблиц, атрибуты были включены в набор сетевых данных. Вид структуры слоев и модели в приложении ArcMap показан на рис. 7, где треугольниками обозначены все учтенные центроиды зон, звездочками – 22 отфильтрованных для расчета центроида, а ромбики – центроиды порта).

Перечисленные операции необходимы для построения геопривязанной матрицы корреспонденций.

Построение геопривязанной матрицы корреспонденций

Модуль ArcGIS Network Analyst позволяет строить географически привязанную матрицу корреспонденций (OD cost matrix, OD-матрица). Помимо информации, содержащейся в традиционной матрице, этот конструктив может содержать любые сетевые данные в виде набора связанных таблиц в базе геоданных (БГД), предоставляет графическое отображение, обогащающее анализ. По своей сути, это граф, состоящий из точек грузогенерации и поглощений и наложенный на геометрическую сеть. Матрица появляется на карте, входы и выходы соединяются прямыми линиями («по воздуху»), но в то же время показатели движения между каждой парой центроидов рассчитываются по реальной сети. В нашем случае всего получилось 154 линии-связи, но только 117 из них оказались загруженными перевозками (рис. 8). В зависимости от условий использования сети OD-матрице могут соответствовать различные решения задач.

Расчеты с использованием моделей TRANS-TOOLS

Для оценки возможностей TRANS-TOOLS в транспортном планировании Санкт-Петербурга необходимо подготовить достаточно большой объем исходных данных, для этого требуются значительные трудовые и аппаратные ресурсы. Представление о времени счета по простейшему модельному сценарию (при минимуме калибровочных итераций) могут дать результаты наших реализаций на тестовом компьютере со следующими характеристиками: Intel Pentium Core2 Quad 2.66 GHz; 4 GB физической памяти; Windows XP Pro SP3 (32-bit) (см. таблицу).

Продолжительность вычисления моделей TRANS—TOOLS

Присоединение УДC Санкт-Петербурга к европейской сети автодорог

Улично-дорожная сеть (УДС), используемая в модели БП–ЗСД–СПб, была интегрирована нами в систему европейских автодорог, содержащуюся в модели TRANS-TOOLS. Новая (объединенная) система дорог была скомплексирована в ArcGIS из двух наборов сетевых данных. Полученный набор данных доработан для обеспечения работоспособности и непрерывной навигации как по ареалу Санкт-Петербурга и области, так и по европейским дорогам. Новыми общими атрибутами, в зависимости от которых и осуществляется навигация, стали расстояния и иерархия дорог по скорости. Процесс поэтапной интеграции УДС СПб в дорожную сеть Европы отражен на рис. 9.

Выводы

Модель транспортного планирования TRANS-TOOLS в настоящее время, по всей видимости, самая развитая в мире, охватила 27 стран, десятки слоев хозяйственной деятельности, несколько тысяч атрибутов, несколько масштабов моделирования. Она располагает огромным функционалом современного программирования, объединяет несколько десятков самостоятельных программных продуктов независимых производителей, способна работать со всеми широко применяемыми СУБД, опирается на огромные массивы справочно-информационной поддержки в масштабе континента. И ее создатели неслучайно выбрали линейку продуктов ArcGIS в качестве основного инструмента моделирования и всестороннего интегратора данных и систем.

Успешное функционирование TRANS-TOOLS на протяжении десятилетия подтверждает правильность сделанного ее разработчиками выбора. Более того, основы TRANS-TOOLS уже используются в более крупном проекте транспортного планирования WORLD-NET в масштабе Евразии. В коллективе разработчиков специалисты Евросоюза, Китая, Японии, Индии и других стран. К сожалению, Россия практически не участвует в этой работе и остается на картах проекта белым пятном с пунктирными трассами.

При создании городской транспортной ГИС Санкт-Петербург, как крупный узловой логистический центр на пути из Европы в Азию, не должен терять перспективу подключения к проектам и моделям TRANS-TOOLS и WORLD-NET. Для этого нужно с первых же шагов выстраивать процесс проектирования с ориентацией на интегрирующую роль системы ArcGIS, ее средовые особенности и мощные возможности, многочисленные наработки и обширный мировой опыт ее применения в транспортной отрасли.

Литература

1. Постановление Правительства Санкт-Петербурга № 1321: О создании государственной информационной системы Санкт-Петербурга “Транспортная модель Санкт-Петербурга” — URL: http://www.referent.ru/178/32685.
2. Конкурсная документация для проведения отрытого конкурса по размещению государственного заказа Санкт-Петербурга на выполнение работ по разработке государственной информационной системы Санкт-Петербурга «Транспортная модель Санкт-Петербурга». Техническое задание. — Т. 3-4, / Комитет по транспортно-транзитной политике. СПб.: 2011. 32 с.
3. PTV Vision — пакет программного обеспечения по планированию транспортных потоков и организации дорожного движения. — URL: http://www.ptv-vision.ru.
4. Esri/Products. — URLs: https://www.esri-cis.ru/products; esri.com/products/index.html.
5. Rapidis: Traffic Analyst. — URL: http://www.rapidis.com/products/traffic-analyst.
6. TRANS-TOOLS: Deliverable 6: TRANS-TOOLS Final Report Report WP6, 2010, 146 р. — URL: http://www.transport-research.info/Upload/Documents/201003/20100304_172116_94411_TRANSTOOLS%20-%20Final%20Report.pdf.
7. Worldnet: European Transport Network Model Refinement Regarding Freight and Intermodal Transport to and from the Rest of the World. — URL: http://www.transport-research.info/web/projects/project_details.cfm?id=28315.
8. Butler, J.A. Designing Geodatabases for Transportation / J.A. Butler. — Redlands: Eeri Press, 2008. — 461 p. (Батлер Дж.Э. Проектирование баз геоданных для транспорта. Издана на русском DATA+ в 2011 г.)
9. National Road Network. Description. —URL: http://www.geobase.ca/geobase/en/data/nrn/description.html (дата обращения 02.05.12).
10. Котиков Ю.Г. Концепции Транспортной геоинформационной системы Мегаполиса / Ю.Г. Котиков // Сб. докладов 9-й международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах». — СПб.: СПбГАСУ, 2010. — С. 47–62.
11. Meyer, M.D. Urban Transportation Planning: A Decision-Oriented Approach / M.D. Meyer, E.J. Miller. — New York: McGraw-Hill Book Company, 1984. — 524 p.
12. ETIS: European Transport policy Information System/About ETIS. — URL: http://www.iccr-international.org/etis/etis.html.
13. Convert, transform, and integrate data with FME Desktop. — URL: http://www.safe.com/fme/fme-technology/fme-desktop/overview.
14. Котиков, Ю.Г. Перспективы использования ArcGIS в решении проблемы высвобождения центра мегаполиса от грузового транспорта // ArcReview. — 2009. — № 50. — С. 21–22.

Рис. 1. Деление региона на зоны анализа трафика (TAZ): 1 – магистрали городского значения; 2 – местные дороги; 3 – зоны (TAZ); 4 – центроиды; 5 – коннекторы	Рис. 2. Принципиальная схема связей модели общеевропейской транспортной системы TRANS-TOOLS	Рис. 3. Представление автотранспортной сети ЕС (с паромными звеньями) в TRANS-TOOLS
Рис. 4. Основная часть Грузового каркаса улично-дорожной сети Санкт-Петербурга (УДС СПб)	Рис. 5. Внутригородские точки грузогенерации и/или поглощения	Рис. 6. Модель «Большой порт – Западный скоростной диаметр – город» («БП — ЗСД — город»)
Рис. 7. Вид структуры слоев модели «БП — ЗСД — город» в приложении ArcMap	Рис. 8. Геопривязанная матрица корреспонденций (OD cost matrix)	Рис. 9. Интеграции УДС СПб в дорожную сеть Европы: а – автономная УДС СПб; б – зона встраивания УДС СПб в сеть ЕС; в – УДС СПб как часть сети ЕС