Síťové analýzy II

Stejně jako v minulém cvičení, i dnes budeme pracovat v programu ArcMap a pro síťové analýzy budeme využívat extenzi Network Analyst. V rámci tohoto cvičení budeme řešit celkem dvě různé úlohy: Nejbližší zařízení a vybrané Lokační úlohy.

Nejbližší zařízení

V rámci této analýzy se určuje pro každý bodový prvek z jedné datové sady nejbližší bodový prvek z datové sady druhé. Využití může být např. při potřebě přiřadit konkrétní obchody k jednotlivých skladům, ke kterým je nejkratší vzdálenost = nejnižší náklady na přepravu zboží.

Pro každý incident, který má být přiřazen k některému zařízení, je třeba spočítat optimální trasu ke všem zařízením, z nichž se následně vybere to, které má nejmenší celkovou hodnotu impedance (nákladů). Analýza obvykle může využívat například Dijkstrův algoritmus pro určení optimální tras.

Výstupem analýzy je identifikace, které incidenty (např. obchody) spadají ke kterým zařízením (např. skladům). Následně je možné stanovit průměrnou vzdálenost obchodů od skladů, obvyklý dojezdový čas, nejvýznamnější sklad (je cílem nejvíce tras do obchodů).

Naším cílem je naleznout nejbližší policejní stanici k přestupkům spáchaným za jeden měsíc na území města Ostrava.

Datové podklady

Využijeme podobně jako v minulých cvičeních data ze StreetNet. Jako zdroj lokalizace policejních stanic využijeme připravená data (smyšlená) a jako bodové události přestupků použijeme lokalizace jednotlivých přestupků. Z časových důvodů se jedná jen o výběr těchto dat. Pro demonstraci je to ale zcela dostačující.

Postup

Pro zopakování si ale znova vytvoříme síťový dataset. Následně si v Network Analystu vytvoříme novou analýzu, která se v tomto případě nazývá Closest Facility. Výběr nejbližšího zařízení v tomto programu je zaměřen na vizuální výstup. Incidentům není přiřazováno ID zařízení, k němuž spadají, ale vykreslují se trasy k tomuto zařízení, které lze posléze vizuálně odlišit (viz obrázek níže).

Nastavení této analýzy je podobné jako v případě konstrukce matice vzdáleností. Tedy je možné nastavit atribut pro impedanci (např. čas nebo vzdálenost), počet cílů, které se mají hledat, dále je možné definovat prahovou hodnotu (vzdálenost/čas), do které se má vyhledávat cílový objekt. Může se také určovat směr vyhledávání. Pro náš případ se může hledat směr od policejních stanic k incidentům nebo naopak. Výsledek se může lišit např. z důvodu jednosměrek nebo různé rychlosti v obou směrech.

Problematické u této implementace je, že se nevyužívají identifikátory z původních zařízení, ale z nově vytvořené vrstvy facilities a incidents, která se vytváří v rámci extenze. To značně komplikuje propojení zařízení a incidentů z důvodu špatné přenositelnosti atributů.

Postup pro následnou rekonstrukci výsledků je komplikovanější. Prakticky je potřeba propojit vrstvu počátků (policejních stanic) s vrstvou Facilities a dále vrstvu cílů (přestupky) s vrstvou Incidents. Propojení se realizuje na základě identických souřadnic obou vrstev. Následně je možné propojit tyto dvě nově vzniklé vrstvy s výsledkem v podobě vlastních cest (vrstva Routes) a to na základě společných identifikátorů počátků a cílů. Tento výsledek je pak možné dále zpracovávat. Stejně jako v předchozích případech je možné i nyní definovat další bariéry a úpravy analýzy.

Lokační úlohy

Lokalizační analýza řeší problém optimálního umístění zařízení. Umístění je optimalizováno dle optimalizačního kritéria, které závisí na charakteru úlohy a funkci zařízení. Lokalizační analýza existuje jednak ve verzi pro sítě, kdy se obvykle optimalizuje umístění dle výskytu incidentů (nebo též obsluhovaných bodů či bodů poptávky) v síti, tak i v nesíťové variantě. Lokalizační analýza je často využívána sociekonomickými geografy a její terminologie se k tomu faktu často váže zejména odkazování na zařízení, což jsou body (objekty) jejichž umístění optimalizujeme, a zákazníky, body dle nichž optimalizace probíhá.

Při řešení lokalizačních a alokačních úloh se uplatňuje matematické programování (lineární i nelineární), optimalizace na grafech a heuristické postupy (Horák 2012). Některé metody neobsahují podmínku optimalizace vzdálenosti, protože postačuje pouze splnění vzdálenostního limitu (např. splnění limitu časové dostupnosti). Základní krokem je volba optimalizačního kritéria, v network analystu je k dispozici šest různých kritérií:

• Minimalizace nákladů (Minimize Impedance) – zařízení jsou lokalizovány tak, aby suma všech nákladů mezi zařízeními a zákazníky byla co nejmenší. Jedná se o typický problém umístění skladu, aby cesty ze skladu do provozoven byl co nej-kratší/-rychlejší/-levnější.
• Maximalizace pokrytí (Maximize Coverage) – zařízení jsou umístěny tak, aby byly v dosahu co nejvíce zákazníkům. Často se používá pro úlohy typu umístění hasičské, policejní stanice, pizzerie apod.
• Maximalizace pokrytí s kapacitami (Maximize Capacitated Coverage) – řeší obdobné úlohy jako předchozí úloha s tím rozdílem, že se uvádí také maximální počet, který může být obsloužen. Tento maximální počet může vyjadřovat maximální počet upečených pizz, kapacita skladiště apod.
• Minimalizace zařízení (Minimize Facilities) – opět řeší podobný úkol jako úloha maximalizace pokrytí s tím rozdílem, že je pevně definován počet zařízení a nemusí být všichni zákazníci dosažitelní. Jedná se tedy o optimalizaci – minimální počet zařízení s maximálním pokrytím.
• Maximalizuj docházku (Maximize Attendance) – umisťuje zařízení tak, aby pokryl co nejvíce zákazníků s tím, že zákazníci mají různou váhu. Ta klesá s rostoucí vzdáleností od daného zařízení. Ideální např. pro umístění nové zastávky veřejné dopravy.
• Maximalizuj podíl na trhu (Maximize Market Share) – vybírá počet zařízení, který je definován uživatelem. Tyto zařízení pokrývají maximální poptávku, přičemž je brán v potaz také vliv konkurenčních zařízení. Tedy je potřeba zadat také lokalizace zařízení konkurence.
• Cílový podíl na trhu (Target Market Share) – je vybírán minimální počet zařízení tak, aby byl pokryt definovaný procentuální podíl na trhu. Opět do analýzy vstupují také zařízení konkurence. Podíl na trhu definuje uživatel a následně je vybrán minimální počet zařízení.

Výstupem analýzy je výběr několika nejvhodnějších bodů z bodů kandidátních dle zadaného optimalizačního kritéria. Klíčovým bodem analýzy je výběr optimalizačního kritéria, které nejvýrazněji ovlivňuje podobu výsledku. Problémem může být citlivost analýzy na lokalizaci incidentů. V extrémních případech může přidání jednoho incidentu zásadně změnit výsledek celé analýzy, protože dojde ke změně rozložení distribuce v prostoru a tím pádem ke změně všech hodnot kandidátních zařízení. Důsledkem je pak jiná selekce dle optimalizačního kritéria.

První lokalizační úlohou bude Minimalizace zařízení. Musíme určit minimální počet policejních stanic v Ostravě pro určení dohledu nad základními školami. Tyto policejní stanice musí být v dojezdové vzdálenosti 5 minut.

Datové podklady

Využijeme opět data ze StreetNet. Jako zdroj lokalizace policejních stanic využijeme data z předchozí úlohy a jako lokalizaci školy nalezneme v datech pro toto cvičení. Z časových důvodů se jedná jen o výběr těchto zařízení. Pro demonstraci je to ale zcela dostačující.

Postup

Z nabídky Network Analyst vybereme možnost Location-Allocation. V nastavení zvolíme atribut pro impedanci, v našem případě to bude čas. Jako optimalizační kritérium vybereme možnost Minimaze Facilities a nastavíme hraniční hodnotu pro dojezd na 5 minut. Je možné dále měnit významnost blízkých zařízení. V nabídce Impedance Transformation je možné vybrat mezi Linear (hodnotí se čistě podle vzdálenosti/času), Power (klade se větší důraz na blízká zařízení) nebo Exponential (klade se velmi vysoký důraz na blízké zařízení).

Po následné spuštění je vybrán minimální počet zařízení, včetně vizualizace spádovosti škol k policejním stanicím.

Druhá lokalizační úloha naváže na tu předchozí. Nemůžeme využít libovolný počet policejních služeben (i když minimální), ale můžeme vybrat jen jejich určitý počet. Přitom však chceme pokrýt co nejvíce škol. K tomuto využijeme kritérium Maximaze Coverage. Tyto policejní stanice musí být v dojezdové vzdálenosti 5 minut. Vyzkoušíme si i změnu v případě, kdy bude k dispozici 10 minut.

Datové podklady

Stejné jako v předchozí úloze.

Postup

Z nabídky Network Analyst vybereme možnost Location-Allocation. V nastavení zvolíme atribut pro impedanci, v našem případě to bude čas. Jako optimalizační kritérium vybereme možnost Maximaze Coverage.  Nastavíme počet zařízení, které mají být vybrány a hraniční hodnotu pro dojezd na 5, resp. 10 minut. Je opět možné dále měnit významnost blízkých zařízení.

Po následné spuštění je vybrán definovaný počet zařízení tak, aby byl pokryt maximální počet škol a to včetně vizualizace spádovosti škol k policejním stanicím. Jak se změní situace při nastavení vyššího dojezdového času?

Závěrečný úkol – Vyberte vhodné místo pro vybudování nových zastávek nově budované trolejbusové linky mezi Mostem Miloše Sýkory a Hranečníkem. K dispozici jsou data o uliční a silniční síti, zástavbě, trasa dané linky a několik vytipovaných lokalit, kde je možné zastávky vybudovat. Navrhněte varianty pro optimální množství zastávek a minimální množství zastávek pro pokrytí maximálního počtu budov.

Vezměte si GPS logger a do příštího cvičení si zaměřte pohyb během jednoho vašeho běžného dne. Může se jednat o jakýkoliv den (který nestrávíte celý doma). Záznamník přineste na příští cvičení, kdy data zpracujeme.

Data

Z licenčních důvodů jsou veškerá data dostupná na FTP disku v intranetu. Přihlašovací údaje budou předány na daním cvičení.

Cvičení bylo vytvořeno díky finanční podpoře projektu FRVŠ 80/2014, kterému za podporu děkuji.