Проблема автоматизированного планирования маршрута проезда по городу для оптимизации ресурсозатрат Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ПРОБЛЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ МАРШРУТА ПРОЕЗДА ПО ГОРОДУ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ

РЕСУРСОЗАТРАТ

В.В. Соловьёв Научный руководитель - д.т.н., профессор В.Л. Ткалич

В работе рассматривается проблема передвижения автотранспорта по большому городу в условиях пробок. Проводится обзор возможностей программных решения автоматизированного планирования маршрутов. Также рассматриваются основные принципы построения данных систем и механизмы планирования маршрутов. Делается вывод о разделении подобных систем на классы по функциональным возможностям.

Введение

Проблема пробок волнует жителей многих больших городов. Для решения проблемы пробок ставится вопрос о введении зоны платного въезда. Предполагается, что проблемы больших городов, возникшие из-за избытка автотранспорта на улицах, можно решить, если учредить в городе зоны с ограничением на въезд. Возможно, это позволит снизить объемы движения. В частности, такой режим предлагается ввести для некоторых участков центра города и для территорий, расположенных вдоль дорог с интенсивным движением. Ограничить доступ в эти зоны предлагается двумя путями: либо ввести систему пропусков, либо пойти по схеме учета номерных знаков, которая разрешала бы водителям с определенными номерными знаками использовать свои автомобили в определенные дни. Кроме того, предлагается пересадить как можно больше людей на общественный транспорт. Развитие системы муниципальных платных парковок приведет к тому, что в городе будет просто негде бесплатно поставить машину. Все это существенно ограничивает свободу передвижения для владельцев транспортных средств. Для борьбы с пробками нужна комплексная программа, а предлагаемые сегодня законопроекты решают лишь частные вопросы [1]. Пока органы власти пытаются решать проблему пробок на дорогах на уровне законов, многие торговые компании решают этот вопрос приобретением и внедрением у себя автоматизированных программных продуктов для планирования маршрутов проезда по городу с учетом возникающих пробок.

Торговые компании, стремясь не отстать от конкурентов и поддерживать сервис на необходимом уровне, одна за другой объявляют о предоставлении услуги доставки своей продукции. Кому, как не им, известно, что транспортировка в условиях мегаполиса - это риски для эффективности бизнеса и репутации фирмы. Успешная доставка купленного товара зависит в большей степени от погодных условий, технического состояния и загруженности дорог, наличия удобного места парковки. Но, пожалуй, самое главное зависит от правильно составленного маршрута движения транспортного средства с учетом особенностей каждого клиента.

При формировании маршрута необходимо учитывать время прибытия, специфику используемой марки автотранспорта (в соответствии с месторасположением объекта, подъездными путями и типом погрузочно-разгрузочного места), а также состав экипажа маршрута (в соответствии со свойствами перевозимого груза). Если в компании работают опытные планировщики, эта работа с достаточной степенью точности может быть выполнена и вручную. Однако в крупных фирмах, осуществляющих тысячи доставок в день, планируется 200 и более маршрутов в день, а в таких условиях человеческий фактор неизбежно приводит к ошибкам. Это может быть связано как с ошибками в планировании, так и с принятием неэффективных решений из-за отсутствия необходимой информации в момент поступления сигнала о возникшей проблеме (скажем, о пробке на дороге, поломке автомашины или отсутствии клиента по указанному адресу) [2].

Отсутствие необходимой информации, например, о пробке на дороге может обернуться ошибками в планировании маршрутов. Очевидно, что вне зависимости от причин невыполненная доставка, во-первых, весьма негативно скажется на отношении клиента к услугам компании, а во-вторых, приведет к значительным финансовым потерям фирмы, так как потребуется почти полностью повторить цикл обработки заказа.

Эффективным путем избежания описанных проблем является применение систем автоматизированного планирования и мониторинга процесса доставки, которые на этапе формирования маршрута позволяют свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора, а с момента выхода машины в рейс - облегчить диспетчеру задачу принятия управленческих решений за счет визуализации места текущего расположения транспортных средств. В настоящий момент на российском рынке программного обеспечения предлагается широкий спектр таких систем.

Программные решения

Система мониторинга и навигации транспорта «ANTOR MonitorMasterTM».

ANTOR МопкогМ^егТМ предназначен для мониторинга и навигации транспорта и грузов, определения отклонений от заданных маршрутов и графиков их передвижения. В состав комплекса входит бортовое устройство и комплекс программных средств для обработки данных и подготовки отчетов. ANTOR Мош1;огМа81егТМ обеспечивает сбор и хранение информации о местоположении и состоянии транспорта, грузов и других мобильных объектов с помощью GPS и передачу ее с заданной периодичностью с помощью GPRS-соединения через Интернет.

Программа предоставляет возможность задавать специальные или запрещенные зоны, при этом диспетчеру (менеджеру) автоматически поступает информация в случае, если какой-либо объект пересекает границу таких зон. Специальные фильтры баз данных позволяют диспетчеру (менеджеру) регулировать количество отображаемых объектов в соответствии с заданными параметрами (например, отображать только стратегически важные объекты), что особенно важно, когда диспетчеру приходится отслеживать более десяти объектов одновременно. Параметры настроек могут гибко изменяться в соответствии с бизнес-процессами клиента. Все данные за прошедшие дни попадают в архив и могут быть использованы для проведения дальнейшего анализа.

Вся информация, поступающая в программу со всех устройств, а также планы рейсов накапливаются в базе данных и затем архивируются. Архивация производится сервером автоматически в нерабочее время (например, в полночь). В архиве сохраняются все параметры фактического передвижения автомобиля и все параметры плана. В дальнейшем оператор может выбрать любые рейсы по дате, автомобилям, водителям и загрузить их для просмотра. Впоследствии можно провести анализ рейсов за период, сразу выделить рейсы с отклонениями от заданных параметров и затем подробно изучить их [3].

Данные, сохраненные в архиве, могут быть использованы для статистического анализа рейсов и исполнения плана. Существует возможность проведения анализа работы одной автомашины или группы машин, а также всего объема рейсов сразу. Анализируются такие параметры, как пробег, время в пути, число остановок, число опозданий, количество обслуженных клиентов, средняя скорость, время нахождения у клиентов и т.д. Можно анализировать расчетные и фактические значения, а также разницу между планом и фактом. Программа поддерживает несколько рабочих мест операторов, предназначена для работы с большим количеством автомобилей и не требует постоянного участия человека.

ANTOR Мош1;огМа81егТМ работает c двумя типами устройств: стандартный (стационарный) комплект (монтируется в автомобиль и подключается к системе электро-

питания), а также переносное решение (автономное (переносное) устройство с аккумуляторной батареей, входящей в набор).

Ключевыми преимуществами комплекса по сравнению с распространенными системами оперативного мониторинга местоположения являются:

• возможности визуализации и анализа пользовательской информации заказчика на входящей в состав комплекса масштабируемой электронной карте;

• возможности хранения данных о перемещении и состоянии контролируемых объектов, подготовки на их основе отчетов, содержащих, в том числе, и визуализированные на электронной карте данные;

• интеграция с программными бизнес-приложениями компании «АНТОР Бизнес Решения» и заказчика.

Программное решение «ANTOR LogisticsMasterTM» предназначено для автоматизации работы диспетчеров и позволяет предприятиям, занимающимся доставкой товаров клиентам или транспортировкой грузов на торговые точки и склады, автоматизировать процессы управления перевозками и планирования маршрутов. Данный программный продукт предоставляет возможность не только обрабатывать большое количество информации за короткий промежуток времени, но и четко организовать структуру рабочих процессов, что повышает эффективность работы компании в целом. Основной задачей программного продукта «АКТОЯ Ьо§1в11С8Ма81егТМ» является повышение эффективности работы персонала предприятия и автотранспорта за счет автоматизированной подготовки плана доставки продукции. Информационная система помогает диспетчеру сформировать набор рейсов и маршрутов движения, отвечающий следующим требованиям:

• минимальный суммарный пробег всех автомобилей по всем маршрутам;

• максимальная загрузка каждого транспортного средства;

• минимальное использование арендованного транспорта и т. д.

Использование системы «АКТОЯ Ьо§1в11С8Ма81егТМ» обеспечивает:

• быстрый расчет эффективного плана доставки, включая расчет загрузки каждого автомобиля и его маршрут;

• сокращение времени планирования рейсов;

• снижение расходов на обслуживание автопарка;

• повышение эффективности использования автотранспорта;

• значительное упрощение задач, стоящих перед диспетчером;

• контроль нецелевого использования автотранспорта;

• создание сопроводительных документов;

• интеграцию с корпоративной системой предприятия.

Дополнительные возможности «АКТОЯ Ьо§1в11С8Ма81егТМ» раскрываются при интеграции данного решения с программно-аппаратным комплексом по мониторингу и анализу местоположения и состояния транспорта, грузов и мобильных сотрудников «АКТОЯ Мош1;огМа81егТМ». Комбинированное использование этих программ позволяет сурервайзерам и диспетчерам осуществлять контроль над результатами выполнения планов отгрузок в режиме реального времени, а также решать ряд контрольных и аналитических задач:

• отслеживать текущую информацию о местонахождении своих мобильных сотрудников (транспортных средств) в течение рабочего дня;

• осуществлять ежедневный контроль отклонения фактических параметров использования от запланированных: данная прикладная программа обращает внимание су-первайзеров на отклонение от маршрута или графика, если оно выходит за рамки заданной величины (например, «Показать все маршруты с отклонением от плана более чем на 10 %»);

• архивировать полученную информацию для ее дальнейшего использования в целях оптимального планирования приобретения новых автомобилей, использования арендованного транспорта и т.д. [3].

Механизм планирования маршрутов

При формировании маршрутов может быть применено несколько стандартных алгоритмов оптимизации, являющихся разновидностями решений классической задачи минимизации пройденного расстояния, известной как «задача коммивояжера». Ее основной принцип заключается в определении замкнутого маршрута, который проходит через каждый пункт обхода один раз и имеет наименьшую длину среди допустимых вариантов. Однако все известные алгоритмы, которые могут быть использованы для получения оптимального решения, требуют полного перебора всех возможных маршрутов. Данная задача весьма сложна и объемна даже для современных высокопроизводительных персональных компьютеров. Поэтому в системах, предназначенных для гражданских целей, применяются эвристические методы, заменяющие исчерпывающий поиск приближенным, что позволяет получить быстрое решение при умеренном проигрыше результата. Существует несколько эвристических методов, осуществляющих приближенный поиск оптимальной топологии маршрута. В таблице приведены названия методов и их алгоритмы построения маршрутов.

Наименование метода Алгоритм построения маршрута

Метод ближайшего соседа (Nearest Neightar) Пункты обхода плана последовательно включаются в маршрут, причем каждый очередной пункт должен быть ближайшим к последнему

Метод ближайшего города (Nearest То-wn) На каждом шаге алгоритма к текущему множеству пунктов, уже принадлежащих маршруту, добавляется новый пункт, для которого найдется ближайший к любому из них, после чего полученный маршрут заново оптимизируется по выбранному критерию

Метод самого дешевого включения (Most Cheap 1пс1шюп) Похож на предыдущий алгоритм, только включение нового пункта приводит к минимальному увеличению стоимости (длины) маршрута

Метод минимального остовного дерева (Мттиш Spanning Tree) Представляет собой три последовательно выполняемых шага. На первом шаге для множества пунктов плана строится кратчайшее остовное дерево (с помощью алгоритма Прима, заключающегося в построении каркаса наименьшего веса графа путем его наращивания за счет присоединения ребра с наименьшим весом, только один конец которого принадлежит фрагменту каркаса). На втором шаге в построенном графе выделяется маршрут минимальной длины, который проходит через каждый пункт не менее одного раза. На третьем шаге из последовательности перемещения исключаются все пункты, повторно вошедшие в маршрут. Полученная топология является искомым приближением решения «задачи коммивояжера» и образует допустимый маршрут.

Таблица. Эвристических методы и алгоритмы поиска оптимального маршрута

В таблице эвристические методы перечислены в порядке улучшения оценки качества приближенного решения и, соответственно, увеличения вычислительной трудоемкости. Каждый из них обладает своими плюсами и минусами. Наилучшее решение для конкретных исходных данных может быть найдено путем их последовательного при-

менения, а затем выбора того варианта, который отвечает вашим требованиям. В качестве критерия оптимальности может быть выбран пробег, время на маршруте, грузооборот, количество задействованного транспорта (либо их комбинации). В системах планирования подбор оптимального метода чаще всего происходит без участия оператора, который может регулировать данный процесс, лишь оценивая результаты планирования и изменяя критерии оптимальности [4].

Основные принципы построения систем автоматизированного планирования

маршрутов

Рассмотрим основные принципы функционирования перечисленных элементов применительно к решению задачи управления транспортом.

Требования к корпоративным системам со стороны модуля автоматизированного планирования невелики. Современные программы данного класса способны использовать любые базы и источники данных, однако на саму информацию накладываются достаточно жесткие условия. От полноты и корректности данных о товаре и клиенте, поступающих из основной информационной системы в модуль автоматизированного планирования, зависит как качество формируемых маршрутов и рациональность использования ресурсов автотранспорта, так и оптимальность складских бизнес-процессов. Если планирование учитывает, что водители должны преодолеть определенное расстояние до момента пиковой загрузки дорог (это особенно актуально в утренние часы), любая задержка при погрузке может стать причиной срыва уже не одной, а нескольких доставок из разных маршрутов. Следовательно, одной из первоочередных задач компании, решившей автоматизировать процесс планирования, является достижение 100-процентной корректности данных в справочниках номенклатурных позиций

[4].

Еще одной серьезной проблемой для автоматизации управления транспортом является формализация информации о клиенте. Любой параметр, касающийся адреса, подъездных путей, специфики разгрузки, наличия лифта при большой этажности здания, требуемого времени доставки, способа расчета (наличный, безналичный), непосредственным образом влияет на успех выполнения доставки. Данное требование зачастую вынуждает производить определенные доработки в корпоративной информационной системе (КИС), что связано с дополнительными расходами, но опыт показывает, что использование геоинформационных технологий (GIS) в системе приема заказов приносит и дополнительные выгоды, например, резко сокращает время заполнения формы заказа, так как основные составляющие адреса выбираются из списков, а дополнительные (район, станция метро, индекс и т. д.) автоматически заполняются на основе базы данных.

GIS дают возможность одновременной работы пользователя с несколькими типами данных: пространственными и атрибутивными. Первый тип данных определяет форму и местоположение объекта и состоит из векторной информации (набор слоев, каждый из которых содержит ряд элементов, как правило, точек, линий и полигонов) и растровой (в виде сплошных изображений: картографическая основа, аэро- или космические снимки). Атрибутивные данные представляют собой дополнительные сведения в виде числовых, символьных и логических параметров (например, площадь, длина, ширина, количество населения, степень загрязнения экологической среды и т.д.), содержащихся в специальных таблицах. Интегрируя широкий набор информации, хранящейся в базах данных, электронных таблицах и разнообразных документах, GIS системы позволяют получить наиболее наглядное представление о ситуации в удобном и легком для понимания формате - электронной карте на экране персонального компьютера.

Заключение

Рассматривая ОК-системы в контексте автоматизации управления транспортом, можно выделить следующие классы, имеющие одинаковую основу, но отличающиеся функциональностью.

1. Системы планирования маршрутов. В список их основных задач входит:

• отображение электронной карты города в различных масштабах;

• поиск нужного объекта и предоставление о нем справочной информации;

• формирование маршрутов доставки заказов с учетом множества ограничивающих факторов;

• просмотр результатов планирования на электронной карте с возможностью внести ручные изменения;

• подготовка и печать заданий экспедитору (возможно с картой маршрута) и сопроводительных документов;

• проведение анализа и накопления статистики использования транспортных средств.

2. Системы мониторинга и навигации. Помимо функций визуализации и накопления информации, эти программно-аппаратные комплексы за счет интеграции с системами глобального позиционирования предоставляют следующие возможности:

• определение местоположения транспортного средства, оснащенного навигационным оборудованием;

• контроль в режиме реального времени перемещения транспортных средств и мониторинг данной информации на электронной карте (с известной степенью приблизительности);

• возможность сравнения плановой и фактической информации о процессе перемещения транспорта по маршруту;

• принятие обоснованных управленческих решений на основе анализа полученной информации;

• донесение принятых решений до водителя /экспедитора.

Использование систем данного класса позволяет свести к минимуму число задействованного персонала в процессах планирования и диспетчеризации. Они сводятся к настройкам параметров и поддержке в актуальном состоянии справочников, а визуализация с помощью электронной карты исходных данных и результатов планирования значительно облегчает сотрудникам контроль оптимальности сформированного маршрута [4].

При этом, однако, необходимо учесть, что даже самый совершенный алгоритм не способен учесть абсолютно все особенности конкретного клиента, поэтому, основываясь на собственном опыте или руководствуясь оперативно полученной информацией, диспетчеру может потребоваться внести изменения в маршрут. Имея перед глазами в графическом виде полную информацию по конкретной территории обо всех клиентах и задействованном в текущий момент транспорте, он с большей вероятностью примет правильное решение.

Литература

1. www.autonews.ru/automarket_news/index.shtml7/2005/09/30/1162788

2. www.gazeta.ru/news/auto/2007/02/13/n_1035157.shtml

3. www.antor.ru

4. http://www.transpages.ru/article.php?id_art=36