CC BY
82
УДК 004.8:681.3
А. А. Хортонен, Е. В. Сальвин
ОПТИМИЗАЦИИ МАРШРУТОВ АВТОПАРКА ЭКО-КОМПАНИИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОМОДЕЛИРОВАНИЯ
A. A. Khortonen, E. V. Salvin
OPTIMIZATION OF ROUTES OF THE MOTOR CAR PARK OF THE EKO-COMPANY ON THE BASIS OF GEOMODELLING APPLICATION
Исследуется проблема оптимизации маршрутов автопарка на примере машин автопарка экокомпании. Описываются существующих методы решения данной проблемы, их достоинства и недостатки. Рассматриваются новые моменты решения проблемы, а также применение новых средств решения поставленной задачи на примере современного программного обеспечения.
Ключевые слова: маршрут, геомоделирование, концептуальная модель, таксономия, пространственный анализ, событийная цепочка процессов.
The problem of optimization of routes of the motor car park by the example of cars of the motor car park of the eco-company is studied. The existing methods of the given problem solution, their merits and demerits are described. The new moments of the problem solution and application of new means of the given problem solution by the example of the modern software are considered.
Key words: route, geographical modeling, conceptual model, taxonomy, spatial analysis, event-driven process.
Введение
Чистота территории - острая проблема, которая стоит практически перед каждым городом. В ее решении особенно важными являются вывоз мусора и регулярная уборка территории.
Для этого необходима специальная технология, законодательные акты, лицензии, а также специализированные машины, соответствующий ассортимент контейнеров и другое оборудование. Необходимость в оперативности предоставления услуги обусловлена тем, что наличие мусора негативно влияет на окружающую среду.
Группа компаний «ЭкоСистема» занимается решением проблемы отходов производства и потребления комплексно, контролируя все стадии движения отходов - от сбора и вывоза с территории до глубокой переработки и получения вторичного сырья.
В Астрахани с 2007 г. группа компаний «ЭкоСистема» реализует проект, который включает в себя сбор и вывоз отходов, строительство мусороперерабатывающего завода и современного полигона для депонирования отходов. Для реализации проекта созданы две компании: ЗАО «Астрахань ЭкоСервис» - занимается транспортировкой отходов и ЗАО «Астраханский промышленно-экологический комплекс» - строительство и эксплуатация мусоросортировочного комплекса и современного полигона отходов.
В настоящее время миссия компании «Астрахань ЭкоСервис» - сбор и вывоз бытовых отходов с территории всего города и оказание услуг юридическим и физическим лицам по решению соответствующих проблем. Выполнение миссии требует от компании проведения инвентаризации, строительства и обновления контейнерных площадок по сбору отходов, оптимизации процессов сбора и вывоза отходов, совершенствования логистики, что предполагает создание информационной инфраструктуры.
Актуальность наших исследований объясняется масштабами самой задачи и, в частности, тем, что организация планирования и контроля движения автотранспорта эко-компании - одна из важных составляющих успешной работы компании и возможности минимизации ее расходов. Возникают ситуации, при которых необходимо оперативное планирование нового маршрута или изменение уже существующего.
Целью исследований является повышение эффективности работы отдела контроля качества эко-компании за счет его информатизации с использованием методов геоинформационного моделирования, что повысит оперативность и качество обслуживания клиентов и сократит расходы компании.
Основы геомоделирования
Нельзя назвать область деятельности, в которой не использовались бы методы моделирования. Общепризнанного определения понятия модели не существует. По мнению профессора
В. И. Варфоломеева, «модель - объект любой природы, который создается исследователем с целью получения новых знаний об объекте-оригинале и отражает существенные (с точки зрения разработчика) свойства оригинала» [1, с. 11].
Среди моделей особое место занимают математические модели, которые, по словам академика А. А. Самарского, «являются самым большим достижением научно-технической революции XX века».
В упрощенном понимании модель - это представление реальности. Из-за сложности мира и взаимосвязей в нем создаются модели - упрощенные, управляемые представления о реальности. Любая модель субъективна и возможно существование множества моделей одного и того же объекта-оригинала. Нами учетно-аналитическое обеспечение деятельности хозяйствующих субъектов (на примере оптимизации маршрутов автопарка эко-компании) изучается на основе применения математических моделей, использующих геоинформационные технологии.
Геоинформационное моделирование оперирует двумя основными видами моделей: представляющими «объекты ландшафта» (модели представления или модели данных) и имитирующими процессы (модели процессов) [2].
Модели представления описывают здания, дороги, районы населенных пунктов и т. д. и образуют наборы так называемых слоев данных (наиболее распространенные - растровые и векторные). Модели представления отражают пространственные отношения внутри объекта, между объектами и моделируют атрибуты объектов.
Модели процессов описывают взаимоотношения объектов, представленных моделями данных. Отношения моделируются с помощью инструментов пространственного анализа. Модели процессов используются не только для описания процессов, но и для решения задач типа «что, если...» - что произойдет, если выполнить определенное действие.
Программы автоматизации геомоделирования включают в себя инструменты (операции и функции), которые можно считать моделями процессов, а их содержание можно расширять за счет добавления логики и комбинирования нескольких моделей процессов.
Для построения пространственной модели решения задачи нужно выполнить последовательность концептуальных шагов (табл. 1) [3]:
Таблица 1
Концептуальная модель решения пространственных задач
№ шага Название шага Содержание шага
Шаг 1 Формулирование цели задачи Четкая формулировка цели задачи
Шаг 2 Декомпозиция задачи Деление на подзадачи, выявление элементов и отношений на уровне подзадач. Полная модель (последовательность подзадач, модели представлений и модели процессов) дает представление реального мира, которое будет использовано для принятия решения.
Шаг 3 Изучение входных наборов данных Формирование модели представления после изучения пространственных и атрибутивных свойств объектов (содержание и влияние) и отношений между ними.
Шаг 4 Пространственный анализ Выявление инструментов для запуска отдельных моделей процесса и построения полной модели процесса (выборка, буферизация, присвоение весовых коэффициентов и пр.).
Шаг 5 Проверка адекватности модели Проверка результатов моделирования, выявление необходимости изменения каких-либо параметров, выбор наилучшей модели при наличии альтернатив и пр. При необходимости каких-либо изменений осуществляется возврат на шаг 4, иначе - переход на шаг 6.
Шаг 6 Реализация модели Воплощение результатов в жизнь.
Таксономия ГИС
Геоинформационные технологии являются основой разработки геоинформационных систем (ГИС). Растет число ГГ-стратегий, составной частью которых является ГИС.
На рис. 1 представлено таксономическое дерево ГИС [4]. Геоинформационные системы принято подразделять на земельные и неземельные (другие) ГИС. В них важна информация,
которая может оказывать влияние на факторы, с землей не связанные, или подвергаться их влиянию, например демографические ГИС, основной целью которых являются население, жилищное строительство, экономическая активность и пр. Неземельные ГИС обычно включают социальные, транспортные, политические виды деятельности и др. Рассматриваемая система является неземельной ГИС.
Информация
Пространственная
Г еографические ИС
Негеографические ИС
Земельные ГИС
Другие (неземельные) ГИС
Демографические
_ Л
Социально-
экономические
Телекоммуникации
Инженерные коммуникации
_ Транспорт и логистика
Торговля и услуги
Бизнес и финансы
Силовые структуры и службы быстрого реагирования
Маркетинг
РЯ-область
Образование
САПР
Без акцента на землевладение
С акцентом на землевладение
Административнотерриториальное управление, создание и введение городского и земельного кадастра
Геодезия, картография
Недропользование
Управление водными ресурсами
Экология
Сельское хозяйство
Природоохранные
зоны
Рис. 1. Классификация ГИС в зависимости от областей применения и решаемых задач
Из рис. 1 видно, что ГИС способны решать проблемы широкого спектра сфер экономики. Например, определение положения пожарных участков, школ и других объектов; выявление пунктов предоставления некоторого вида услуг в заданном радиусе от предприятия; анализ имеющихся предприятий с целью определения положения конкурирующего объекта и т. д. Это означает, что экономические ГИС имеют широкую область внедрения, определенный опыт использования и дают хороший экономический эффект (табл. 2) [5]:
Таблица 2
Примеры внедрения ГИС
Страна, штат, округ/город Область внедрения Задачи, решаемые с помощью ГИС Реализация Экономический эффект
Западная Австралия Противопожарная служба, службы чрезвычайных ситуаций (ЧС) Выбрать оптимальное местоположение для противопожарной станции ГИС-анализ, моделирование потерь времени приезда к месту происшествия $ 300 000 дополнительно
США, шт. Калифорния, г. Лос-Анджелес Службы ЧС, администрация города Обеспечить быстрое реагирование при возникновении ЧС Интернет-решение с использованием ГИС-технологий Сокращение времени реагирования на 25 %
США, шт. Калифорния, г. Сакраменто Департамент вывоза мусора, администрация города Оптимизировать маршруты автопарка при уборке мусора Методика оптимизации, реализованная в Arc GIS $ 250 000 ежегодно
США, шт. Массачусетс, г. Ньютон Инженерный департамент, администрация города Актуализир о в ать базы данных (БД) по клиентам, использующим сточную канализацию Создана электронная карта собственности, не учтенная в городской системе $ 8 000 дополнительно
США, шт. Массачусетс, г. Ньютон Школьный департамент, администрация города Оптимизировать маршруты школьных автобусов В Arc GIS созданы инструменты для поддержки планирования доставки учащихся $ 49 000 ежегодно
США, шт. Флорида, округ Мартин Департамент оценки земель и информационных услуг, администрация округа Инвентаризировать телекоммуникационные вышки и антенны Совместная адресная привязка БД по вышкам и земельным участкам выявила заниженную стоимость $ 3,5 млн дополнительно
США, шт. Флорида, округ Цитрус Оценщики недвижимого имущества, администрация округа Актуализировать БД по объектам собственности для ее корректной переоценки Использована ГИС и цифровая ортофотосъемка для выявления неучтенных строений $ 200 млн дополнительно
Пространственные объекты ГИС - абстрактные представления реальных объектов -разнообразны. Базовыми типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, являются точка, линия (полилиния), полигон, ячейка, поверхность. Но ГИС должна описывать объекты реального мира не столько с точки зрения близкой им геометрии, сколько с учетом их информативной составляющей, которая при решении многих ГИС-задач является более важной. Например, при решении задачи оптимизации маршрутов автопарка эко-компании аналитику неважно, каким образом на карте обозначен контейнер (точка или полигон), но важно направление движения автотранспорта по конкретной улице.
В ГИС-системах объекты управления, описываемые пространственной информацией, логично делить на группы (рис. 2):
1. Объекты, представляющие внутреннюю среду компании, использующей ГИС-систему.
2. Объекты, представляющие внешнюю среду по отношению к компании, использующей ГИС-систему.
Исходя из такой классификации объектов управления, можно выделить следующие группы задач, решаемых ГИС-системами:
1. Мониторинг, анализ и управление объектами, представляющими внутреннюю среду компании-владельца ГИС-системы.
2. Мониторинг и анализ объектов, представляющих внешнюю среду компании-владельца ГИС-системы (деловая разведка).
Применения геоинформационных технологий имеют большой потенциал. Его недоиспользование связано не столько с ограничениями программного обеспечения, сколько с незнанием имеющегося потенциала ГИС.
ГИС-система
Данные
Пользователи
Программное
обеспечение
Аппаратные
средства
Регламент
I ~
Объекты, представляющие внешнюю среду
Объекты, относящиеся (пр инадлежащ ие) конкурентам компании
Все остальные объекты внешней среды
I_______
Объекты, представляющие внутреннюю среду
Контрагенты
Активные предприятия
Основные средства
Материальные запасы
Готова продукция
Рис. 2. Внешняя и внутренняя среда ГИС-системы
Реализация геосистемы оптимизации маршрутов автопарка эко-компании
Реализация геосистемы: описание платформы. Российский рынок систем планирования автомаршрутов представлен несколькими программными комплексами, у каждого из которых есть свои достоинства, недостатки и особенности применения. Наиболее пригодны для исследуемой предметной области: ANTOR LogisticsMaster, ОПТИМУМ ГИС, MapXPlus, АвтоСат, «Нави-гатор-С» - частично решающие задачу. Использование в качестве платформы системы пакета ArcView GIS позволит выполнять необходимые функции, оптимизирующие работу эко-компании.
Инструментальная ГИС ArcView GIS представляет собой универсальный программный комплекс для создания электронных карт, информационно-справочных и информационноаналитических систем, оперирующих территориально-ориентированными данными.
ArcView GIS снабжена пользовательским интерфейсом с разнообразным набором команд для работы с пространственными и атрибутивными данными: создание и изменение конфигурации баз данных; ввод пространственных и атрибутивных данных и их редактирование; навигация по базам данных; отбор, геометрические и топологические операции над пространственными объектами; редактирование и конвертирование, импорт и экспорт информации; генерализация отчетов и создание твердых копий карт или других графических изображений.
Пространственная информация в системе хранится в отдельных слоях (темах), которые накладываются друг на друга. Слой представляет совокупность (класс) пространственных объектов проекта, объединенных по логическим и физическим признакам.
Атрибутивная информация в системе хранится в реляционных таблицах.
Все вместе они составляют модель данных базы геоданнных (БГД). Объектноориентированное моделирование данных позволяет описывать пространственные объекты более естественным способом, определяя дополнительно топологические, геометрические и общие отношения, взаимодействия одних объектов с другими.
В работе системы используется также дополнительный модуль ArcView Network Analyst.
Реализация геосистемы: описание задачи. Этапы разработки функциональной модели системы соответствуют концептуальной модели решения пространственных задач (см. табл. 1):
Шаг 1: Описан во введении к статье.
Шаг 2: Декомпозиция задачи:
- формирование маршрута;
- отображение выбранного маршрута на карте (рис. 3);
- редактирование существующего маршрута;
- возможность добавления нового маршрута;
- планирование оптимального пути;
- формирование буферных зон размещения контейнеров (рис. 4).
Рис. 3. Проложенный маршрут и его атрибутивная таблица
Рис. 4. Буферная зона размещения контейнера
Шаг 3: Входная информация:
— цифровая (рабочая) карта региона (рис. 5);
— новые договоры и недавно открытые точки сбора (импортируются из учетной корпоративной системы);
— точки маршрута и адрес полигона хранения твердых бытовых отходов (ТБО);
— информация о транспортных средствах, готовых к выполнению перевозки в день планирования с их характеристиками.
Проект базируется на цифровой карте региона, с которой можно производить множество действий: отображать, исследовать, делать запросы и анализировать пространственные данные. Проект содержит набор векторных слоев: водные объекты, здания, дороги, границы районов, маршруты, точки интереса. Перечень слоев приводится в таблице содержания Главного окна программы (рис. 5). Таблица содержания показывает имя и легенду каждого слоя, признак включения/отключения слоя, порядок его прорисовки, признак возможности редактирования слоя и пр.
Рис. 5. Главное окно программы
Шаг 4: Пространственный анализ информации осуществляется средствами ArcView GIS и ArcView Network Analyst (описаны выше). Наличие данных программ для пользователя системы обязательно. После построения маршрута можно провести его анализ (см. рис. 3).
Выходная информация:
— список рейсов;
— перечень заявок в рейсе;
— отчетные документы (описание/расписание маршрута, маршрутный лист для каждого рейса, отчет о движении по маршруту);
— карты маршрута;
— буферные зоны - зоны для оптимального размещения контейнерных площадок.
Шаг 5: Особенности самого алгоритма определения оптимального маршрута и его адекватности представлены в следующем пункте.
Шаг 6: Использование системы в работе.
Система имеет экранный интерфейс на основе системы всплывающих меню; команды системы распределены по функциональному признаку на группы.
Комплексная система защиты информации построена с учетом четырех уровней: прикладного программного обеспечения, СУБД, ОС и сети.
Рациональность внедрения и поддержки любой информационной системы на предприятии оценивается с точки зрения ее экономической эффективности (прямой и косвенной). Проведённый анализ показал, что проект является экономически выгодным.
Реализация геосистемы: модель пригодности и оптимальный маршрут. Система не решает проблему оптимизации количества машин автопарка для обслуживания всех заказчиков - это не пространственная задача, система занимается определением и сопровождением маршрутов автопарка эко-компании для указанного перечня обслуживаемых объектов.
В основе решения задачи в данной работе лежит линейное геомоделирование с помощью сетей, точнее, с помощью категории транспортных сетей, представляющих собой элементы из классов простых (нетопологических) пространственных объектов. Такие сети состоят из двух базовых элементов: ребер и соединений. В конкретном случае ребра - это дороги, улицы и т. д., соединения - обслуживаемые объекты.
Среди проблем, с которыми сталкиваются подобные предприятия, следующие: транспортные расходы растут, диспетчеры загружены сложными задачами планирования маршрутов, срываются сроки исполнения заявок, отсутствует оперативная информация о местонахождении транспорта и о его реальном использовании, контроль за деятельностью выездного персонала неэффективен и т. д. [6]. Поэтому приоритетной задачей системы является разработка оптимального маршрута с указанием направлений движения.
В качестве критериев модели пригодности рассматриваемого сегмента дороги как части маршрута будем учитывать его тип, длину, приоритет, ограничения передвижения по дороге, запреты поворотов и другие правила дорожного движения, а также стоимость и время проезда по этой части дороги.
Расчет маршрута сопровождается выдачей маршрутного листа передвижения. Полученный маршрутный лист может быть сохранен в обычном текстовом файле и при необходимости выведен на печать, может включать название начального и конечного пунктов, длину или время перемещения по каждой из улиц, подробное описание ориентиров, полное или краткое название улиц или дорог. Подробные инструкции могут быть выданы как для проезда из одной точки в другую, так и при разработке оптимального маршрута посещения нескольких мест. Формирование маршрутного листа реализуется с помощью Network Analyst интерактивно, что позволяет оперативно использовать эту процедуру диспетчерской службой.
Базовый слой для прокладки маршрута - слой Контейнеры/Бункеры. С помощью инструмента выделения указываются точки, включаемые в маршрут (см. рис. 3). В свойствах маршрута отмечается поле, по которому будет производиться оптимизация - длина, стоимость, время и т. д. (так называемая «взвешенная стоимость» вычисляемого расстояния). Маршрут допускает возвращение на исходную позицию.
Данная реализация переклассификацию данных с их свертыванием в единый критерий не предусматривает, может быть применен любой из задействованных системой критериев индивидуально.
Этот модуль транспортной логистики в ГИС предназначен для расчета и оптимизации маршрутов с учетом географического расположения объектов обслуживания, технико-экономических характеристик автомобилей, приоритетов участков дорог и ряда других показателей.
Преимущества компании при использовании системы:
— принципиальное упрощение работы по созданию оптимальных маршрутов и сокращение времени планирования рейсов;
— увеличение эффективности работы выездного персонала, снижение расходов на его содержание;
— оптимизация использования автотранспорта, уменьшение транспортных расходов, в том числе за счет контроля расхода топлива;
— повышение точности исполнения заявок и заказов;
— уменьшение сроков ввода в рабочий процесс новых мобильных сотрудников;
— уменьшение объема непроизводительных операций диспетчеров в офисе и повышение уровня безопасности движения.
Пошаговая схема построения оптимального маршрута (бизнес-модель) в виде EPC-диаграммы показана на рис. 6. Нотация EPC (Event-Driven Process Chain) - событийная цепочка процессов. Диаграмма процесса в нотации EPC представляет собой упорядоченную комбинацию событий и функций. Для каждой функции могут быть определены начальные и конечные события, участники, исполнители, материальные и документальные потоки, сопровождающие её.
Заключение
1. Предлагается рассматривать геомоделирование в качестве инструментария при решении задач учетно-аналитического обеспечения деятельности хозяйствующих субъектов, что расширяет спектр методик, применяемых в настоящее время.
2. Внедрение данной ГИС позволит освободить работников эко-компании от трудоемкой работы по планированию и контролю за движением транспорта по маршрутам, облегчит работу руководителей по закреплению водителей за маршрутами, упростит анализ данных.
3. С учетом универсальности рассматриваемой проблемы данное программное обеспечение, основанное на геоинформационном моделировании, может иметь широкое использование как для группы компаний «ЭкоСистема», так и для любой другой эко-компании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Варфоломеев В. И. Алгоритмическое моделирование элементов экономических систем: Практикум. -М.: Финансы и статистика, 2000. - 207 с.
2. Зейлер М. Моделирование нашего мира: Руководство ESRI по проектированию базы геоданных // Readlands, California, The USA, Inc. ESRI, 1999. - 251 p.
3. Хортонен А. А. Разработка географической информационной системы для управления пространственно распределенными объектами на основе множества взвешенных критериев // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010»: материалы Между -нар. науч. конф. - Астрахань: АГУ, 2010. - С. 187-189.
4. Основы геоинформатики / Е. Г. Капралов и др. // учеб. пособие. - М.: Академия, 2004. - 352 с.
5. Информационные системы: О выборе платформы для создания ГИС территориально-распределенной компании // Rational Enterprise Management (Рациональное управление предприятием). - 2007. - № 2. - С. 16-19.
6. http://www.astecoservice.ru.
Статья поступила в редакцию 8.12.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Хортонен Алексей Александрович - Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Прикладная информатика в экономике»; A.Khortonen@ASTO.org.
Khortonen Alexey Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Senior Teacher of the Department "Applied Informatics in Economics"; A.Khortonen@ASTO.org.
Сальвин Евгений Вадимович - Астраханский государственный технический университет, студент, специальность "Прикладная информатика (в экономике)"; A.Khortonen@ASTO.org.
Salvin Evgeny Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Student, Specialty "Applied Informatics in Economics"; A.Khortonen@ASTO.org.
