CC BY
111
№ 5 (41) 2012
А. С. Дулесов, докт. техн. наук, доцент Хакасского государственного университета, г. Абакан М. А. Прутовых, аспирант Хакасского государственного университета, г. Абакан
Алгоритмы территориального размещения предприятия на основе геоинформационных технологий
Успешная работа предприятия определяется многими факторами, в частности, его местоположением, выбор которого разумно делать, применяя подходящие для этой цели методики.
Введение
Эффективность деятельности предприятия существенно зависит от его территориального размещения, поэтому важно оценить возможные места расположения. Методов решения этой задачи разработано достаточно: логистические, дискретной математики, имитационного моделирования и др. В их число входят и методы, основанные на использовании геоинформационных технологий. Однако ни один из методов не обладает достаточной точностью и универсальностью, что оставляет возможности для их улучшения и развития с целью устранения недостатков, чего можно добиться, в частности, путем применения комбинации методов.
В настоящей работе предлагается подход к решению задачи размещения на основе использования логистических методов и геоинформационных систем.
Выбор геоинформационной системы
Существует множество современных геоинформационных систем, сферы применения которых различны. Так, узкоспециализированные системы предназначены для решения конкретной задачи или в определенной области деятельности. Для решения задачи о размещении целесообразно применять универсальные геоинформационные
системы. Наиболее популярными из них являются системы ArcGIS, MapInfo, Quantum GIS, GRASS. Они обладают схожим инструментарием, но вместе с тем имеют особенности. Рассмотрим данные системы с точки зрения их применения для решения задачи о размещении.
ArcGIS — это набор программных инструментов для создания и анализа географических карт различной сложности. Система обеспечивает использование пространственных данных в разных прикладных сферах, на различных уровнях организации работы. Система поддерживает как работу отдельных пользователей, так и работу в многопользовательском режиме обработки и анализа данных. В состав ArcGIS входят инструменты для создания настольных, серверных и мобильных геоинформационных систем, а также различные дополнительные модули, которые позволяют улучшить функционал разрабатываемой системы. В поставку ArcGIS также входит «База геоданных», которая поддерживает многие механизмы хранения информации и не привязана к одному поставщику СУБД [1].
MapInfo — полнофункциональная геоинформационная система, обладающая множеством инструментов пространственного анализа географических данных. Помимо встроенных модулей анализа, существует множество дополнительных, которые написаны на языке MapBasic, созданном на ос-
№ 5 (41) 2012
нове языка Basic и ориентированном на реализацию программ с географическими объектами, поэтому более удобен для написания инструментов анализа геоданных. Пакет MapInfo специально спроектирован для обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку, что важно для реализации алгоритмов нахождения оптимального месторасположения предприятий [3].
Quantum GIS — это свободная кроссплат-форменная геоинформационная система. Она обеспечивает основные необходимые возможности для работы с географическими картами. Основное ее достоинство заключается в возможности модификации системы: пользователь может создать встроенный модуль на языке программирования C++ или Python для решения той или иной специализированной задачи. Система поддерживает все основные форматы геоданных и баз данных [4].
GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) — система с открытым исходным кодом для обработки географической информации, поддерживающая большое количество форматов данных. Система представляет собой набор инструментальных модулей для решения различных задач. В первой версии графический интерфейс отсутствовал (управление обеспечивалось посредством командной строки), в последующие версии графический интерфейс включен. Пакет работает со всеми современными СУБД, поддерживает топологию, трехмерную визуализацию, позволяет проводить векторизацию по различным методикам [2].
В таблице 1 представлены результаты сравнения рассмотренных геоинформационных систем.
Из рассмотренных геоинформационных систем для решения задачи о размещении предприятий была выбрана система MapInfo ввиду, прежде всего, простоты и удобства использования. Кроме того, она предоставляет широкие возможности для проведения пространственного анализа, обеспечи-
вает удобство работы с данными в формате MS Excel и ориентирована на обработку информации с адресной привязкой.
В работе [5] описана методика применения геоинформационных технологий при территориальном размещении предприятий малого и среднего бизнеса. Методика состоит из следующей последовательности шагов.
1. Создание векторной карты изучаемой территории (микрорайона, города, области). При создании карты необходимо использовать растровую подложку для создания корректной карты, а также обладать достоверной информацией о географических координатах создаваемой карты и информацией другого типа.
2. Сбор и анализ данных о существующих и потенциальных клиентах, их месторасположении и объемах потребления ими товаров и услуг компании.
3. Создание электронной базы данных с помощью наиболее предпочтительного программного обеспечения. Рекомендовано использовать таблицы, созданные в среде табличного процессора MS Excel и сохраненные в формате dbf.
4. Нанесение информации из базы данных на карту с помощью операции геокодирования (рис. 1). Для этого необходимо, прежде всего, задать идентификационные поля в таблице и разрешить присоединение географических объектов к ее записям.
Геокодирование
ш
Гвокедировать таблицу- jViborka J
информация в колонке; У zl
в границах: [нет J
И екать в таблице: [zdar lija = i5
объекты из колонки: hd
Уточись поиск
Режим
Аетог-нгический Вручную
Символ:
■
Искать в другой таблице: | н в границах, заданных в колонке:
"3
ок
Отмена [ Варианты,.. | Справка |
t
со
0
1 ti
Рис. 1. Установка опций для геокодирования
15
№ 5 (41) 2012
Таблица 1
Сравнение современных геоинформационных систем
Параметры сравнения ArcGIS MapInfo QGIS GRASS
Операционная платформа Windows NT/2000/ XP/Vista/7, Linux Windows NT/2000/ XP/Vista/7, MacOS, Unix Windows NT/2000/XP/ Vista/7, Linux, Mac OS Windows NT/2000/ XP/Vista/7, Apple Mac OS, Linux
Тип поставки Настольная,сетевая, мобильная Настольная, сетевая Настольная Настольная
Форматы геоданных Множество современных форматов данных, а также набор данных САПР, покрытия, shape-файлы, растры Собственные форматы данных, форматы ArcGIS, AutoCAD, а также растровые форматы GIF, JPEG, TIFF, BMP, TGA, BIL, ECW и т . д . Таблицы PostgreSQL, векторные форматы, включая shape-фай-лы ESRI, MapInfo и др, различные форматы растров и графики (GeoTIFF, ArcInfo ASCII Grid, JPEG) Shape-file, MapInfo, PostGIS, GeoTIFF, IMG и др
Форматы баз данных Форматы современных баз данных My SQL, MS Access и т д Базы данных в форматах Access, Excel, Lotus 1-2-3, xBASE Базы данных SpatiaLite, PostGIS Формат dBase, так же СУБД PostgreSQL, MySQL, Oracle
Сферы применения Различные сферы применения, например: земельный кадастр, землеустройство, учет объектов недвижимости, инженерные коммуникации, телекоммуникации, экология, государственная пограничная служба, транспорт, лесное хозяйство, водные ресурсы, дистанционное зондирование, геодезия, картография, география, бизнес и т. д .
Язык программирования Visual Basic, Python MapBasic C++, Python Python
Отличительные особенности Достаточно мощный инструмент для решения различных пространственных задач Обработка и анализ информации, имеющей адресную или пространственную привязку Бесплатный инструмент географического анализа, ограниченный набор инструментов анализа Обладает мощными инструментами анализа . Отсутствие удобного пользовательского графического интерфейса
1
Ü
0
и
1
t
о
is
ig о
is
0
ig
S
1
I
S
<u
I
to
SI
12
0
1
I !
s
S
В случае если в результате выполнения операции геокодированию подлежали не все объекты, операцию можно повторить в ручном режиме, который обеспечивает большую точность, хотя и более трудоемок.
5. Проведение пространственного анализа полученной карты посредством геоинформационной системы. К инструментам пространственного анализа относят создание тематических карт, буферизацию и районирование. Эти операции позволяют оце-
нить эффективность размещения предприятий.
Разработанная методика обладает большой универсальностью, что позволяет использовать ее для размещения предприятий различных сфер деятельности. Методика также наглядно отражает результаты решения задачи, что упрощает процесс принятия решения о размещении предприятий. Анализ и обработка данных с помощью этой методики осуществляются достаточно быстро, а средства реализации имеют низкую
16
№ 5 (41) 2012
стоимость. К недостаткам методики следует отнести то обстоятельство, что решение о размещении предприятия принимается субъективно на основе анализа, проведенного с помощью геоинформационной системы без привлечения средств количественной оценки. Авторами предложен математический аппарат, дополняющий методику [5], описание которого представлено далее.
Постановка задачи
Пусть на некотором фрагменте карты необходимо разместить одно предприятие. Имеются данные о потреблении товаров или ресурсов п клиентами предприятия. При этом требуется соблюсти условие: расходы на размещение, в которые включаются стоимость аренды помещения и земельный налог, в сумме с другими затратами не должны превышать доход предприятия.
Фрагмент географической карты делится на р микрорайонов, в каждом из которых установлена определенная стоимость аренды нежилых помещений. Требуется найти место для наиболее вероятного расположения предприятия.
Представим решение на основе ряда методов.
Метод определения центра тяжести.
Суть метода заключается в нахождении оптимальной точки размещения предприятия в зависимости от весового параметра. В качестве примера рассматривалась задача о размещении энергосбытовой компании на территории населенного пункта. Размещение предприятия такого типа является достаточно сложной задачей, так как электроэнергия не материальный товар, а ее доставка не связана с местом нахождения компании. В то же время энергосбытовая компания должна располагаться в зоне доступности для клиентов, которых она обслуживает. В качестве весового параметра были взяты значения спроса на товар — электропотребление клиентов (домохозяйств, малых предприятий).
Для решения поставленной задачи была сформирована база данных клиентов предприятия, которая представляла собой таблицу в среде табличного процессора Microsoft Excel. Каждая запись базы данных включает следующие атрибуты: идентификатор, адрес клиента, тип помещения (многоквартирный дом, частный дом, нежилое помещение), величина потребляемой клиентом электроэнергии.
После формирования базы данных в соответствии с методикой, представленной в работе [5], осуществляется процедура геокодирования базы данных к фрагменту карты [6].
Рассмотрена реализация метода определения центра тяжести с применением средств геоинформационной системы. Данный метод подробно рассмотрен в [7]. В нем определение центра тяжести применяется для выбора месторасположения предприятия на основе вычисления центра тяготения к потребителям. Таким образом, предприятие будет располагаться в точке, находящейся ближе к крупным потребителям.
Координаты центра тяжести (X0,Y0) находятся по формулам:
У X W.
Xo = ; а = 1,2.....n), (i)
У YW;
Y0 = *±i i, (i = 1,2,..., n),
0 yw
где (X;,Y) — координаты i-го потребителя; W — ожидаемый спрос со стороны i-го потребителя.
Алгоритм данного метода, реализованный с помощью геоинформационной системы MapInfo 7.8, заключается в нижеследующем:
1. С помощью встроенной подпрограммы геоинформационной системы MapInfo «Записать координаты объектов (Coordinate Extractor)» на карте устанавливаются координаты всех клиентов предприятия [6] (рис. 2).
со
0
1
17
№ 5 (41) 2012
Рис. 2. Запуск подпрограммы «Записать координаты объекта»
В появившемся окне указывается, для какой таблицы необходимо получить координаты, и добавляются два новых столбца, куда координаты будут записаны (рис. 3).
1
и
0 §
1
I
о
is £
о
is
0 §
is
1 I
!! <u
I
to
SI
0 t
1 I
s
S
будет превышать расходы, то найденное месторасположение оптимально. В противном случае следует выбрать другое месторасположение, решая задачу другими методами.
Рис. 4. Установка параметров команды «Создать точечные объекты»
В результате использования данного алгоритма была получена точка нахождения центра тяжести (рис. 5). Она не совпадает с местонахождением какого-либо здания, поэтому можно выбрать любое близлежащее здание. Расчеты показали, что при размещении предприятия вблизи полученного центра доходы предприятия будут превышать расходы на размещение.
Рис. 3. Параметры получения координат
2. По формулам (1) рассчитываются координаты центра тяжести.
3. Полученный центр тяжести наносится на карту. Для этого в новой таблице MS Excel записываются полученные координаты, затем данная таблица загружается в MapInfo. Для нанесения точки на карту используется команда «Создать точечные объекты» (рис. 4).
4. Оцениваются затраты на размещение предприятия в выбранном месте. Для этого необходимо рассчитать стоимость аренды в зависимости от зоны расположения предприятия, далее вычислить предполагаемый доход предприятия. Если доход предприятия
Рис. 5. Расположение центра тяжести на карте
Метод определения центра тяжести достаточно прост для реализации, но в то же время имеет ряд недостатков. Один из них
18
№ 5 (41) 2012
состоит в том, что расстояние между клиентами предприятия и центром тяжести определяется по прямой линии. Если рассматриваются территории с небольшой площадью, то такой метод может быть применим. Однако при рассмотрении больших территорий метод не будет обладать достаточной эффективностью. Поэтому решение, основанное на нахождении центра тяжести, является приближенным, месторасположение предприятия находится субъективно и не всегда позволяет выбрать наилучшее место.
Метод поиска единого среднего. Данный метод в качестве оптимизационного критерия использует минимум суммы расстояний от возможного месторасположения предприятия до его потребителей. Решение находится с использованием матрицы кратчайших расстояний [8]. Алгоритм реализации данного метода включает следующие шаги:
1. На основе найденного центра тяжести в некотором радиусе строится буферная зона [6], т. е. выбирается оптимальная зона размещения предприятия. Радиус буферной зоны полагается равным 500 м (рис. 6).
зоны. Выборка реализуется в виде запроса на языке структурированных запросов SQL к геоинформационной системе MapInfo на выборку всех нежилых помещений из буферной зоны (рис. 7) [6], в результате чего получаем список из m нежилых помещений. Далее данные о географических координатах расположения выбранных помещений экспортируются в MS Excel.
Рис. 7. Запрос на выборку всех нежилых помещений в буферной зоне
2. Составляется матрица М = п х т кратчайших расстояний от всех клиентов до возможных мест размещения, полученных в результате выборки. Координаты точек даны в градусах, для вычисления расстояния необходимо воспользоваться формулой:
S = 111,2 х arccos(sin(^) • sin(92) + + cos(91) • cos(92) • cos(L1 - L2)),
(2)
где в — расстояние между двумя точками на поверхности земли (км); ф, и Lj — соответственно широта и долгота ,-й точки.
3. Вычисляется значение суммы расстояний для каждого предполагаемого месторасположения по формуле:
s, =XW • S (j = 1,2.....m),
(3)
Рис. 6. Параметры операции буферизации
Предприятие должно размещаться в нежилом здании, поэтому для рассмотрения выбираются все нежилые здания буферной
где W — весовой параметр ,-го потребителя (т. е. спрос на товар), — расстояние от ,-го потребителя до /-го возможного месторасположения предприятия.
Из т мест выбирается место, для которого величина sj минимальна. В итоге получаем
19
со
0
1
№ 5 (41) 2012
адрес размещения, после чего следует оценить реалистичность размещения предприятия в выбранном здании. Если поместить предприятие в данном месте нельзя, то оно из рассмотрения исключается и по матрице кратчайших расстояний М определяется место с наименьшей суммой из оставшихся. Эта процедура выполняется до тех пор, пока решение не будет найдено.
Решение задачи единого среднего позволяет учитывать не только места нахождения клиентов предприятия, но и весовой коэффициент, который также влияет на размещение объектов. Недостаток данного метода заключается в том, что расчет расстояния ведется без учета существующей дорожной сети. Недостаток можно устранить путем нахождения реального, а не географического расстояния, однако реализация § процедуры для большой территории с боль-
О
шим числом клиентов будет довольно тру-
£ доемкой.
Ц Метод охвата подходит для нахождения § оптимального месторасположения по кри-| терию минимума времени достижения предка приятия его клиентами. Для нахождения ре-Л шения строится матрица доступности [7]. Й Алгоритм применения метода таков. | 1. С помощью операции буферизации | выбирается оптимальная зона размещения § предприятия [5], из которой необходимо вы-| брать все нежилые здания. <£ 2. Составляется матрица размерности ^ п х т времени поездки клиентов до предприятия. Каждый столбец матрицы соответству-| ет возможному месту размещения предприятия, а строка — местам нахождения его кли-| ентов. Значение на пересечении ,-й строки §. и /-го столбца означает время поездки кли-| ента из пункта , на предприятие в пункте/. | 3. В каждом столбце / выбирается мак-¡1 симальное значение времени нахождения £ клиентов в пути для каждого возможного ме-Ц сторасположения, а затем находится место, з у которого максимальное время нахождения [| клиентов в пути минимально. ¡^ Результат решения задачи охвата су-^ щественно отличается от результата ре-
шения задачи единого среднего. Причина заключается в том, что в данном методе не учитывается весовой коэффициент. Если сравнить результаты этих методов, то место, найденное с помощью решения задачи единого среднего, оказывается расположенным ближе к центру тяжести (рис. 8).
Рис. 8. Результаты решения несколькими методами
На рисунке приняты следующие обозначения для месторасположения предприятия: Т1 — найденное с помощью решения задачи единого среднего, Т2 — найденное с помощью решения задачи охвата, Т3 — найденное с помощью метода определения центра тяжести.
Точки Т1 и Т2 расположены друг от друга относительно недалеко, поэтому выбор зависит лишь от того, что предприятие считает более важным — наименьшее время доступности или наименьшее расстояние.
Лучший результат достигается при использовании нескольких методов.
Заключение
Геоинформационные технологии предоставляют множество возможностей использования средств иллюстративного и пространственного анализа. Существуют различные системы для реализации географического анализа. В ходе сравнения нескольких ГИС было выявлено, что наиболее подходящей для решения задачи о размещении являет-
№ 5 (41) 2012
ся система MapInfo, поскольку она обладает широким спектром инструментов пространственного анализа географических данных. Для создания дополнительных модулей анализа географических объектов может быть использован встроенный язык программирования MapBasic.
Для размещения одного предприятия достаточно применять любой из логистических методов: метод определения центра тяжести, метод задачи единого среднего, метод задачи охвата и др. В результате их применения совместно с геоинформационной системой выявлен ряд особенностей их использования. Метод определения центра тяжести целесообразно использовать для получения опорного решения, которое будет уточняться с помощью метода задачи единого среднего или метода задачи охвата. Выбор одного из этих методов зависит от оптимизационного критерия, подходящего для определенного предприятия. Если в качестве критерия выбрано минимальное расстояние для клиентов, необходимо использовать задачу единого среднего, если минимальное время доступности предприятия — метод задачи охвата.
Предложенная методика имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимущества заключаются в наглядности результатов, возможности учета нескольких параметров выбора мест расположений, быстроте анализа, универсальности применения, а также низкой стоимости реализации проекта. Недостатком методики является статичность результатов пространственного анализа. Существует риск того, что через некоторое время месторасположение клиентов компании изменится, т. е. возрастут затраты на обслуживание и, возможно, придется менять свое место размещения. Для уменьшения риска необходимо выполнять пространственный анализ с некоторой периодичностью, анализируя расположение клиентов.
Сложность реализации данной методики заключается в большом количестве расчетов, производимых вручную. С целью обес-
печения простоты использования данной ме- § тодики рекомендуется создание программ- ^ ного средства, реализующего процедуру нахождения пунктов размещения предприятий. ^ С его помощью можно объединить различ- <í ные математические методы, а также обес- <á печить взаимодействие с геоинформационной системой для проведения пространст- tj венного анализа. ^
Список литературы
1. ArcGIS [Электронный ресурс] // Академия САПР и ГИС. URL: http://www.cadacademy.ru/courses/ software/detail.php?ID=1068. Дата обращения: 05.07.2012.
2. GRASS GIS [Электронный ресурс] // Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации. URL: http://www.gisa.ru/21888.html. Дата обращения: 05.07.2012.
3. MapInfo Professional [Электронный ресурс] // Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации. URL: http://www.gisa.ru/1428.html. Дата обращения: 05.07.2012.
4. QGIS [Электронный ресурс] // Геоинформационный портал ГИС-Ассоциации. URL: http://www.gisa.ru/58343.html. Дата обращения: 05.07.2012.
5. Дулесов А. С., Казаева М. А. Геоинформационные технологии территориального размещения объектов малого бизнеса // Проблемы современной экономики: сб. материалов IV Международной научно-практической конференции: в 2 ч. Ч. 2. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2011.
6. Ерунова М. Г. Гостева А. А. Географические и земельно-информационные системы. Ч. 2. Картографирование средствами инструментальной ГИС MapInfo. Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун-т, 2004.
7. Гаджинский А. М. Выбор месторасположения склада [Электронный ресурс] // Профессиональное издательство — специализированные издания: Кадровые решения, Справочник экономиста, Секретарь-референт. URL: http://www.profiz.ru/se/8_2004/mesto_sklada. Дата обращения: 12.11.2011.
8. Уотерс Д. Логистика. Управление цепью поставок. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.
