Modul PC NETWORK

Tato část programu PC ARC/INFO slouží k řešení několika problémů. Je zaměřena především na liniové vrstvy, tzn. silniční a dálniční sítě, vodovodní potrubí, elektrické vedení apod. Tento modul je ještě rozdělen na tři hlavní části:

ROUTE - slouží k nalezení optimální cesty pro tok zdrojů v síti. Můžeme zadat body, kterými má např. automobil projet v daném pořadí, přidat zastávky, kde má vyzvednout zboží (zde není potřeba zadávat pořadí), zakázat průjezdy některými křižovatkami atd. Můžeme zkoumat, jak pro případ opravy některé části vozovky se může změnit vinou objížděk původní optimální trasa, je možno zadávat jednosměrné ulice a dokonce i dobu, po kterou nám trvá odbočení na křižovatce doprava, jak dlouho doleva apod.

ALLOCATE je modul umožňující alokační analýzu. - tzn. nalezení nejbližšího centra (např. na základě doby cestování) pro každou spojnici v síti. Příkladem může být nalezení nejbližší požární stanice pro každou ulici, nejbližší škola apod. Tento modul umožňuje modelovat distribuci zdrojů mezi centry - každé centrum má svoji kapacitu (škola počet studentů, zásobník vody určité množství vody). Zdroje podél liniových prvků jsou potom přiřazovány k jednotlivým centrům na základě jejich kapacity a zvolenému kritériu (doba cestování apod.).

Takto muze vypadat záznam v databázi firmy...

GEOCODING a ADDRESS MATCHING - adresa je nejrozšířenějším způsobem, jak určovat zeměpisné určení místa. Tento modul je určen pro vytváření a následné vyhledávání adres podél liniových prvků. Nejprve je vytvořen obecný popis liniové vrstvy, který obsahuje pro každou ulici její jméno a rozmezí popisných čísel po obou stranách ulice. Pokud vlastníme databázi adres, např. svých zákazníků, můžeme je pomocí tohoto modulu automaticky přiřadit ke konkrétním místům v dané ulici, takže příště je možné vyhledávat již podle dané adresy.

Adresa je lokalizována na mapě nejprve nalezením ulice se stejným jménem a rozsahem popisných čísel. Protože popisná čísla jsou přiřazována tak, že na jedné straně ulice leží všechna lichá čísla a na druhé straně všechna čísla sudá, je potom určeno, na které straně ulice se hledaná adresa nachází. Na závěr je aproximován přibližné umístění v ulici - málokdy potřebujeme naprosto přesné umístění - pokud však ano, je toto možno vyřešit v kombinaci s bodovou vrstvou, popř. polygonovou, která bude přesně označovat dané umístění adresy. Netřeba však dodávat, že vytvoření takového modelu je časově mnohem náročnější.

Je nutno podotknout, že vytvoření prvotního databázového souboru, obsahujícího popis jednotlivých ulic je velice náročné z hlediska času a úpravy dat.

Síť se skládá z navzájem propojených hran. Síť elektrického vedení, silniční síť nebo kanalizační síť, to jsou jen některé z příkladů sítí reálného světa. Tato vzájemná konektivita hran v síti umožňuje provádět přesun ať již zboží, lidí , energie nebo obecně nazývaných zdrojů. Tento tok však bohužel závisí na více faktorech než je pouhá struktura sítě. Pohyb po spojnicích je ovlivňován jinými elementy a jejich charakteristikami v síti. Například pohyb po dálnici je rychlejší než by byl na běžné ulici ve městě. Rychlost pohybu je ovlivněna několika faktory jako je typ silnice, omezením rychlosti, dopravní zácpou, semafory apod. Všechny tyto faktory je možno v programu PC NETWORK zahrnout do našeho modelu pro co nejrealističtější napodobení skutečného stavu toku v síti. Celý model je určen soustavou souborů a parametrů popisujících parametry sítě.

Liniové vrstvy v programu PC ARC/INFO mohou být vytvořeny tak, aby co nejlépe simulovaly podmínky toků v reálné síti. Např. hrany budou reprezentovat ulice, vrcholy křižovatky - těmto vrstvám mohou být ještě připojeny tzv. tabulky atributů, které ještě více zpřesňují model sítě, aby co nejlépe odpovídal realitě. Mohou zde být zahrnuty atributy jako rychlost toku v síti, různá omezení toku určitými hranami apod. Každá liniová vrstva v PC NETWORK, která popisuje reálnou situaci, se skládá z následujících prvků:

Předcházející obrázky zachycují výřez z mapy Prahy. Na prvním obrázku je zobrazena mapa tak, jak je ji možno získat v obchodě (bez označení ulic a ostatních popisných informací). Na druhém obrázku je již zobrazena digitální reprezentace sítě stejné oblasti (kde silné čáry označují silnice, které jsou považovány za hlavní třídy s větší průjezdnou rychlostí). Jak již bylo řečeno pro řešení toků v síti není potřeba, aby silniční síť byla reprezentována jako dvě rovnoběžné čáry. Celá silniční síť je složena z hran (ulic) tak, že může docházet k pohybům v síti z jednoho místa do jiného. Ulicím jsou přiřazeny určité atributy, které ovlivňují pohyb v síti. Mohou jimi být omezení rychlosti, počet jízdních pruhů, zpomalení dopravy vinou dopravních světel na křižovatkách, jednosměrné ulice, zákazy odbočení apod. Tyto atributy jsou uloženy ve dvou tabulkách - atributy ovlivňující pohyb podél hran jsou uloženy v tabulce popisující hrany (AAT), zatímco atributy popisující podmínky ve vrcholech (např. odbočení) jsou uloženy v tabulce nazvané Turntable (TRN).

Následující příklad osvětluje celou problematiku a vztahů mezi atributy popisujícími reálnou situaci.

Představme si že se jedná o dálnici s dálničními nájezdy. Na těchto nájezdech je nejenom menší rychlost pohybu v porovnání s rychlostí na dálnici, ale vždy na každém nájezdu je pouze jednosměrná doprava. Tato situace může být reprezentována dvěma způsoby (viz. následující obrázky):

Druhý způsob je možno použít, protože pohyb podél hrany (které jsou vždy orientované - tzn. je určeno v kterém vrcholu hrana začíná a v kterém končí) můžeme popsat atributy popisujícími pohyb v obou směrech a není nutné používat reprezentace z obr a) .Tato orientace hran je určena vždy již při vytváření modelu, ale toto je vždy ještě možno v průběhu práce změnit. Zároveň je potřeba všem hranám a všem vrcholům přiřadit identifikační čísla. Tato čísla jsou ve skutečnosti dvojí - PC ARC/INFO nám dovoluje přiřadit každé hraně své vlastní identifikační číslo, ale přesto si ještě vytváří své vlastní interní označení pro každou hranu. Relace mezi těmito interními a uživatelskými identifikačními čísly jsou pevně determinovány tabulkou AAT. V tomto příkladu jsou hrany označeny pouze čísly, která jim přiřadil uživatel. Po označení identifikačními čísly a určení orientace vypadá model takto (zároveň jsou po stranách schematicky vyznačeny povolené možnosti pohybů):

ARC#	FNODE_	TNODE_	FROM-TO	TO-FROM
1	4	2	povoleno	nepovoleno
2	4	1	povoleno	Povoleno
3	3	4	povoleno	Nepovoleno
4	5	4	povoleno	Povoleno

Atributy hran, které reprezentují to, jak zdroje plynou sítí se nazývají obecně impedance. Impedance je vlastně vyjádřením "cenového ohodnocení" pohybu po dané hraně. Impedance může být použita mnoha možnými způsoby k řízení pohybu po hranách. Například může představovat rychlost na cestě, která bude pro náš příklad 110 km/h na dálnici a 50 km/h na nájezdu. Pomocí této impedance je možno vyřešit problém s jednosměrným provozem na nájezdech na dálnici - v zakázaném směru přiřadíme impedanci hodnotu se záporným číslem.

Tabulka popisující kompletní tabulku pro námi danou situaci se nyní nachází v tomto tvaru:

ARC#	FNODE	TNODE	LENGTH	SPEED	FROM-TO	TO-FROM
1	4	2	100	50	7,2	-1
2	4	1	100	110	3,3	3,3
3	3	4	100	110	3,3	-1
4	5	4	100	50	7,2	7,2

FROM-TO,TO-FROM - doba průjezdu v sekundách, záporná hodnota udává zakázaný průjezd v daném směru

Tuto tabulku je možno vytvořit buď pomocí programu PC ARC/INFO a jeho modulu TABLES a nebo použít jakýkoliv jiný externí program, který je schopný zpracovávat data ve formátu .DBF. V mojí práci jsem využíval schopností programu Microsoft Excel, pro jeho snadnou manipulaci s daty a velice příjemné a intuitivní uživatelské rozhraní (tyto rysu jsou naopak velice slabou stránkou modulu TABLES). Není potřeba manuálně vkládat data pro každou hranu, protože převážná většina z nich je v závislosti na ostatních. Protože program PC ARC/INFO sám automaticky přiřadí každé hraně její délku (a zapíše ji do tabulky AAT) stačí pak už zadat pro každou cestu už pouze průměrné rychlosti na daném úseku a všechny ostatní parametry je možno spočítat - takže pokud potřebujeme časové ohodnocení průjezdu každou hranou, použijeme známého vzorečku ze středoškolské fyziky, kde čas = dráha/rychlost. Případně můžeme spočítat průměrnou spotřebu paliva v závislosti na rychlosti apod.

Dalším problémem, s kterým se setkáváme v reálné situaci, je odbočování. Zatímco ve skutečnosti řešíme tento problém spíše intuitivně, případně ho vůbec nebereme v úvahu, při hledání optimální cesty bychom tento problém neměli zanedbat. Přípustným se může jevit jeho zanedbání ještě na kratší vzdálenosti bez většího množství křižovatek, ale na velké vzdálenosti, kde v cestě stojí mnoho křižovatek, bychom měli již tento fakt zahrnout do procesu hledání optimální cesty. Obzvláště křižovatky řízené pomocí dopravních světel se mohou stát faktorem, který ovlivní výběr optimální cesty.

Problematiku odbočování se pokusím vysvětlit na následujícím příkladě. Na obrázku je schematicky znázorněna jednoduchá křižovatka, skládající se ze tří hran a tří vrcholů (vlevo reálná situace, vpravo její model):

PC NETWORK rozeznává na této křižovatce tyto následující možnosti pohybů.

Jak je patrno z obrázku, i na takovéto zdánlivě jednoduché křižovatce, je veliké množství druhů odbočení. Tato situace nastává pouze v případě, že křižovatka není usměrňována pomocí dopravního značení, jako je např. na následujícím obrázku:

Zde opět vyžijeme impedancí k tomu, abychom popsali všechny možnosti odbočení, ať již povolených nebo zakázaných pomocí dopravního značení. Situaci na tomto příkladě bychom mohli popsat takto:

NODE_	3	3	3	3	3	3	3	3	3	1	2	4
FROM ARC	3	3	3	2	2	2	1	1	1	1	2	3
TO ARC	3	2	1	3	2	1	3	2	1	1	2	3
TIME IMPED	-1	-1	0	10	-1	15	0	3	-1	-1	-1	-1

Takto je možno vytvořit pro každou křižovatku popis - jedná se však o proces velice zdlouhavý. V praxi není většinou potřeba znát přesnou dobu pro odbočení na každé křižovatce v síti. Přistupuje se zde proto k určitému zjednodušení, kdy křižovatky jsou rozděleny podle úhlu, v jakém je jedoucí automobil nucen změnit směr při přejezdu z jedné silnice na druhou. Čím větší úhel, tím větší časová prodleva při odbočování - zpravidla je ještě rozlišováno odbočení vpravo a vlevo, protože většinou odbočení vlevo trvá o něco déle než odbočení vpravo (toto platí ovšem pouze v zemích, kde je doprava vedena po pravé straně, v zemích jako Velká Británie, je tomu právě naopak). Po rozdělení křižovatek jsou jim přiřazeny časové impedance a vše je zapsáno do tabulky TRN.

V programu PC ARC/INFO existuje pomůcka, která nám usnadňuje vytvoření tabulky TRN, popisující odbočení ve všech vrcholech sítě. Tímto pomocníkem je příkaz TURNTABLE, který pro zadanou liniovou vrstvu vytvoří automaticky tabulku TRN (ve formátu .DBF), jež obsahuje tyto informace:

Po vytvoření takovéto tabulky je již snadnou záležitostí přidání další položky , která na základě daného úhlu, přiřazuje každému vrcholu pro dané odbočení časovou impedanci.

Tato tabulka TRN je v relaci s tabulkou AAT, popisující vztahy mezi hranami. Tabulky TRN je nyní možno využít pro určení doby odbočení ve všech vrcholech. Rozdělení odbočení na křižovatkách podle úhlů se může řídit např. podle následujícího obrázku:

Nyní již pouze přiřadíme příslušným úhlům dané impedance (doby odbočení). Toto můžeme provést buď v samotném programu PC ARC/INFO a jeho modulu TABLES nebo použít jakýkoliv jiný nástroj pro zpracování souborů .DBF. Tak obecně přiřadíme všem křižovatkám hodnoty dob odbočení v závislosti na úhlech, které vzájemně svírají hrany. Takto máme automaticky určenou celou síť, ovšem bez křižovatek, které jsou řízeny buď pomocí dopravních světel nebo dopravních značek. Zde přirozeně již žádná pomůcka neexistuje a je nutno všem vybraným křižovatkám s dopravními omezeními přiřadit parametry ohledně dopravního značení manuálně (podobně jako je potřeba manuálně přiřadit parametry hranám, kde se nachází jednosměrné ulice, zákazy vjezdů v tabulce AAT). Tato přiřazení je opět možno provést buď v programu PC ARC/INFO, nebo i v programu ArcView 2 (který bude popsán později). Zde jsem použil opět program Microsoft Excel, pro jeho snadnou ovladatelnost, ale i zároveň pro nefunkčnost editace v nainstalované verzi ArcView v naší škole.

Pomocí odbočování můžeme vyřešit i takovou problematiku, jako jsou mosty a nadjezdy, protože je můžeme převést právě na tento problém podle následujícího příkladu (viz. obr.21):

Most na tomto příkladu je vlastně křižovatkou, která umožňuje přímý pohyb v obou směrech z 8 do 9 a z 6 do 7 bez jakéhokoliv zpoždění, ale neumožňuje žádné odbočení. Proto je velice snadné popsat tuto situaci následující tabulkou (zvýrazněny jsou řádky obsahující "zakázané odbočení"):

NODE	FROM ARC	TO ARC	ANGLE	IMPEDANCE
20	6	7	0	0
20	6	8	90	-1
20	6	9	-90	-1
20	9	8	0	0
20	9	7	-90	-1
20	9	6	90	-1

PC NETWORK je program pracující pod operačním systémem MS-DOS. Z toho vyplývají některá omezení, způsobené architekturou tohoto operačního systému. Pro správný chod všech funkcí je potřeba přes 530 kB základní operační paměti. PC NETWORK pracuje i při menší volné paměti, avšak při menší volné paměti se při startu PC NETWORK objevuje upozornění, že obzvláště u paměťově náročných operací není zaručena správnost výsledku, popř. zhroucení systému. Přestože ve školní konfiguraci je právě tento nedostatek v nabídce pro ARC/INFO, nesetkal jsem se nikdy s jakýmkoliv problémem ani zhroucením systému.

Dalšími omezeními jsou (pro verzi 386, která je i nainstalována na naší katedře):

Verze 386 je verze speciálně zkompilovaná pro procesory Intel 80 386 a vyšší, čímž je dosaženo vyšší rychlosti a zároveň možnosti zpracování většího množství hran a vrcholů (zhruba 3 krát více oproti verzi 286). Jak je vidět, nejsou nároky na hardwarovou platformu z dnešního pohledu vůbec přehnané. Cenou za toto je však velice nevhodné uživatelské rozhraní, jak bude popsáno v závěru. Ke správnému fungování je ovšem potřeba nainstalovaného modulu PC STARTER KIT.