Разработка алгоритмических модулей ПО RTA для оперативного анализа разных сценариев формирования опорной транспортной сети

Содержание

Введение

1. Постановка задачи

1.1 Проблематика и актуальность

1.2 Подходы к оценке транспортной доступности

1.3 Функциональные требования

2. Анализ существующих решений

3. Разработка программного продукта

3.1 Общая схема функционирования системы RTA

3.2 Схема функционирования алгоритмических модулей системы RTA

3.3 Функциональные возможности алгоритмической части системы RTA

3.4 Описание работы программного обеспечения

3.5 Структура рабочего файла (*.rta)

3.6.Структура библиотеки сценарных расчётов

3.7 Выбор среды разработки

3.8 Системные требования

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Данная дипломная работа является частью программного обеспечения Rating Transport Accessibility (RTA) по оценке единства транспортного пространства страны, в том числе региона.

Потребность в создании программного обеспечения RTA обусловливается с одной стороны актуальностью данной тематики для многих регионов страны, с другой стороны, потребностью в инструментарии, который позволил бы быстро, с малыми затратами, практически независимо оценить разные пути решения этой проблемы.

Цель данной работы - разработка алгоритмических модулей ПО RTA для оперативного анализа разных сценариев формирования опорной транспортной сети с учетом разных методов и приемов оценки транспортной доступности регионов.

В связи с необходимостью создания такого инструментария, в рамках дипломной работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучение предметной области: методы и приемы оценки транспортной доступности территорий при разных контурах опорной транспортной сети.

2.      Анализ доступных продуктов (программных средств), предназначенных для решения задач подобного типа.

.        Формулирование функциональных требований к программному обеспечению по оценки транспортной доступности.

4. Поиск, анализ и оптимизация алгоритмов, а так же выбор среды разработки исходя из специфики алгоритмов.

5.      Проектирование архитектуры функционирования и разработка алгоритмических модулей программного продукта RTA.

.        Интеграция программного продукта с модулем визуализации «Оценка транспортной доступности территорий».

.        Комплексная отладка программного средства.

1.     
Постановка задачи

1.1 Проблематика и актуальность

век дает нашей стране шанс занять достойное место в мировой системе, но это предполагает тесную экономическую интеграцию нашей страны в Мировую Хозяйственную Систему (МХС), которая не возможна вне рамок транспортной интеграции.

Существуют различные предложения по тактике реализации Транспортной стратегии-2030. Для того, чтобы оценить насколько первоочередная реализация того или иного транспортного направления отвечает долгосрочным интересам России нужно иметь соответствующий инструментарий.

Инструментарий, который будет позволять с одних и тех же позиций, критериев оценивать различные варианты конфигурации транспортной сети Азиатской России, выявлять их соответствие задачам реального усиления транспортной доступности территорий, а также соответствия геоэкономическим и геостратегическим задачам страны в целом. Но, и это самое важное, давать быстро, оперативно наглядную визуализацию получаемых результатов анализа.

Исходя из общеэкономической постановки задачи, очевидно, что на данной стадии исследований не интересует транспортная доступность вообще.

Экономическое понятие «транспортная доступность» довольно многоплановое. А именно, выделяют разные типы (виды) транспортной доступности, в зависимости от конкретных целей исследования:

§  Транспортная доступность жилья вокруг мегаполиса, в частности доступность отдельных уголков городской агломерации;

Сегодня современный крупный город функционирует в комплексе с окружающими его малыми городами и поселениями, образуя городскую агломерацию. При этом каждый город и поселок развивается не как автономная единица, а как составная часть единого хозяйственного комплекса - агломерационной системы расселения.

Например, в составе Ростовской агломерации выделены 3 зоны транспортной доступности территории:

-       ближняя - до 20 мин доступности города-центра;

-       средняя - от 20-40 мин доступности города-центра;

-       удаленная - до 1 часа доступности города-центра.

Ближняя зона транспортной доступности формирует «ядро» агломерации.

Оценка транспортная доступность жилья вокруг мегаполиса актуально для оценки стоимости жилого фонда. Цена жилья выше в тех районах, где более развита транспортная инфраструктура и меньше пробок.

§  Транспортная доступность значимых элементов социально-бытовой инфраструктуры (торгового центра, туристических объектов и др.);

Например, транспортная доступность торгового центра определяется следующими параметрами: количество дорог, ведущих к ТРЦ, качество трасс, наличие удобного, правильно организованного заезда на парковку и территорию ТРЦ, а также доступность для любых видов транспорта. Для объектов на крупных загородных трассах доминирующее значение имеет автомобильная доступность, а для расположенных в центре города - пешеходная.

§  Транспортная доступность регионов, развитие которых завязано на туристические центры. Узкое место - транспортная инфраструктура.

§  Транспортная доступность регионов нового освоения, которые имеют перспективы для развития как с позиции вовлечения в хозяйственный оборот их ресурсов, так и создания новых жилых зон;

Так, транспортная система Азиатской России не позволяет нарастить экономически активное пространство в пределах этой территории. Сибирский и Дальневосточный федеральные округа значимо "недотягивают" до среднероссийского уровня по всем направлениям транспортной и социально-экономической асимметрии развития. По состоянию на 2004 - 2007 гг. плотность железнодорожной транспортной сети в регионах Азиатской России существенно уступает регионам европейской части страны: густота путей общего пользования в ДВФО в 11 - 20 раз ниже по сравнению с Приволжским, Южным и Центральным ФО; в СФО - от 5 - до 9 раз, соответственно.

Кроме того, применяются разные подходы к оценке транспортной доступности регионов:

v  По отдельным, частным параметрам, отражающим разные ключевые факторы. Факторы показывают «сжатие» или «расширение» транспортной доступности территории для отдельных категорий граждан, для «связности» удаленных уголков нашей страны:

ü  количество направлений (железнодорожных сообщений) в крупные города;

ü  минимальная частота железнодорожных рейсов (количество раз в неделю в крупные города);

ü  средняя стоимость переезда;

ü  перевозки пассажиров на одного жителя за год.

v  По комплексным показателям, через которые пытаются «уравновесить», привести к единому знаменателю разные аспекты транспортной доступности.

В рамках моего дипломного проекта наибольший интерес представляет разработка программного обеспечения для оценки транспортной доступности различных регионов Азиатской России с учетом разных «проектов» (прожектов) формирования опорной транспортной сети России.

1.2 Подходы к оценке транспортной доступности

Неоднозначность понятия транспортной доступности влечёт за собой разные способы её оценки.

Для оценки транспортной доступности в рамках данной работы были отобраны алгоритмы, ориентированные на оценку регионов нового освоения и расширения экономически активного пространства.

1. Алгоритм «Базовый».

Это «рабочий» алгоритм, который используется в ряде исследований при оценке воздействия транспортных магистралей, предусмотренных в рамках Транспортной Стратегии-2030.

Исходные посылки данного алгоритма оценка вариантов опорной транспортной сети можно сформулировать, на основании аналитического анализа имеющихся данных - результатов его применения, следующим образом:

-             транспортные магистрали, влияющие на изменение транспортной доступности регионов: железнодорожные магистрали и автодороги;

-       создание транспортной магистрали оказывает линейное влияние на улучшение транспортной доступности от зоны прохождения дороги;

-       зона влияния транспортных магистралей распространяется практически на 1,5 тысяч км от места прохождения дороги;

-       изменение транспортной доступности территории может происходить независимо от схемы расселения по территории региона;

-       единообразие требований к условиям транспортировки и возможностям вывоза разных видов минерально-сырьевых ресурсов (золото, сурьма, уголь и пр.);

-       единообразие требований, как к транспортным условиям, так и приоритетным направлениям передвижения со стороны населения;

-       а также некоторые другие.

Для получения «необходимого» эффекта большое значение имеют приемы визуализации, использованные для интерпретации результатов анализа:

Ø   использование двух цветов, для отражения удаленности территории от намечаемой транспортной магистрали;

Ø  применение постепенного перехода оттенков «спокойного» цвета, практически независимо от реальной транспортной доступности территории. Через каждые 50 километров происходит слабоощутимое изменение цвета, в то время как реальное удорожание строительства объектов, создание новых поселений возрастает на порядок;

Ø  «тревожная» зона с позиции визуального восприятия возникает только при удаленности от железной дороги на расстояние порядка 1,5 тысячи км.

2. Алгоритм «Ярусный».

Исходные посылки данного алгоритма оценка вариантов опорной транспортной сети можно сформулировать следующим образом:

-             транспортные магистрали, влияющие на изменение транспортной доступности регионов: железнодорожные магистрали, автодороги, водные магистрали. В зависимости от конкретных целей исследования можно специфицировать любую комбинацию транспортных магистралей, отбираемых для анализа;

-       создание транспортной магистрали оказывает линейное влияние на улучшение транспортной доступности от зоны прохождения дороги. Однако, реальное улучшение транспортной доступности, приводящее к снижению транспортных издержек, созданию более благоприятных условий для развития производительных сил не превышает 150 км от магистрали того или иного типа;

-       возможность выделение нескольких ярусов воздействия транспортных магистралей: зонирование территории по нескольким категориям. Последнее определяется текущими и долгосрочными целями исследования;

-       изменение транспортной доступности территории может происходить независимо от схемы расселения по территории региона;

-       единообразие требований к условиям транспортировки и возможностям вывоза разных видов минерально-сырьевых ресурсов (золото, сурьма, уголь и пр.);

-       обеспечение приоритетности выполнения требований к транспортным условиям, приоритетным направлениям передвижения со стороны населения;

-       отслеживание реальной ситуации с транспортной доступностью заселенных территорий, наряду с малозаселенными территориями (Анадырь - Уэлен),

-       а также некоторые другие.

Получение «необходимого» эффекта при визуализации результатов анализа достигается применением до 7 ярусов влияния.

3. Алгоритм «Ярусный Расширенный».

Данный алгоритм представляет собой модификацию второго алгоритма с той лишь разницей, что оценка транспортной доступности

-             ведётся как по традиционным (железнодорожным магистралям, автодорогам, водным магистралям), так и принципиально новым (экранопланам, амфибийным судам на воздушной подушке и др.) видам транспорта;

-       создание транспортной магистрали оказывает не только линейное влияние на улучшение транспортной доступности от зоны прохождения дороги, но и учитывается система расселения;

-       с учетом индивидуальных характеристик новых видов транспортных средств, которые характеризуются «многовекторностью» воздействия и непривязаны к строго фиксированным транспортным трассам

-       и др.

В зависимости от конкретных целей исследования можно специфицировать любую комбинацию транспортных магистралей, отбираемых для анализа.

.3 Функциональные требования

Функциональные требования к модулям алгоритмической части ПО RTA

С учетом требований, выдвигаемых в исследовательских проектах по анализу трансформации экономического активного пространства России в первой половине XXI в., при разных вариантах интеграции в МХС (в том числе, транспортной интеграции) были сформулированы следующие функциональные требования:

.        Анализ варианта опорной транспортной сети с учетом различных критериев оценки транспортной доступности (наличие развитого алгоритмического аппарата);

.        Проведение расчетов по оценке транспортной доступности разных вариантов опорной транспортной сети в рамках одних и тех же сценариев;

.        Предоставление исследователю возможности настройки алгоритма, как на конкретные условия экономической постановки задачи, так и на разные «визуальные» приемы отображения и интерпретации результатов;

.        Предоставление пользователю возможности использовать полученные результаты анализа в других приложениях. Возможность сохранения полученного визуального результата в отдельный файл-картинку.

Общие функциональные требования системы RTA:

.        Обеспечение проведения итерационных расчетов по оценке транспортной доступности не только одним исследователем или группой исследователей, но и независимыми исследовательскими группами. При этом должен быть соблюден принцип преемственности данных, которые являются общесистемными для данных расчетов (в частности, общих контуров транспортной сети).

.        Предоставление пользователю оперативной корректировки и модификации данных, используя развитый инструментарий.

.        Масштабирование отображаемых данных.

.        Обеспечение понятного, доступного для неподготовленных пользователей интерфейса для постановки задачи и проведения исследователей. В частности, целесообразно обеспечение этапности при работе с разными видами объектов транспортной инфраструктуры (которые к тому же пересекаются на одном и том же территориальном пространстве), населенными пунктами и др. А так же предоставление пользователю простого и внятного интерфейса по работе с этими объектами, как отдельными слоями.

.        Предоставление пользователю возможности работать со своим личным исследовательским проектом. Должно быть обеспечена уникальность данных пользователей и возможность своевременного обновления этих данных

.        Предоставление возможности создания нового исследовательского проекта пользователем на базе подходящих для его целей эталонов рабочих файлов, в частности картографических эталонов.

.        Предоставление полной информации об объектах по запросу пользователя.

.        Проведение оценки транспортной доступности территорий в рамках того или иного исследовательского проекта как по личному сценарию исследователя, так и по уже содержащемся в библиотеке проведенных расчетов.

.        Предоставление исследователю проведения анализа разных вариантов опорной транспортной сети с позиции одних и тех же критериев и параметров, которые составляют основу сценария анализа.

.        Сохранение результатов проведенного анализа оценки транспортной доступности того или иного варианта опорной транспортной сети и общесистемных настроек программы.

2.     
Анализ существующих решений

Перед началом работы был проведен обзор существующих решений - готового программного обеспечения по оценке транспортной доступности регионов. Имеющиеся программные комплексы практически не применимы к оценке транспортной доступности в регионах нового освоения.

Наиболее развиты программные системы для оценки транспортной доступности в субъектах Федерации в целом. Причем в ряде субъектов, для оценки используется комплексный индекс транспортной привлекательности (в Уральском Федеральном округе - см. таблицу 4 в приложении). Однако это часто не дает исследователю достаточной информации.

Большое количество программных систем, затрагивают чисто практические вопросы.

.        Программа Транс-Менеджер 5.3 - программа, которая помогает решить следующие задачи:

§  Сокращение расходов транспорта за счет:

o   Оптимальной загрузки транспорта.

o   Оптимизации маршрутов посещения адресов.

o   Точного учета показателей рейса (длительность, пробег, затраты и т.д.).

§  Повышение лояльности клиентов за счет:

o   Точного выполнения доставки с учетом временных окон.

o   Сокращения времени формирования рейсов.

o   Устранение «человеческого фактора» при принятии решений.

.        Программа TRANSNET.

Программа TRANSNET представляет собой современное графическое Windows-приложение и по функциональным возможностям может быть охарактеризовано как интегрированная среда разработчика в области моделирования транспортных потоков. TRANSNET включает в себя графический редактор транспортной сети, средства моделирования, средства представления и вывода результатов. Программное обеспечение проектировалось в первую очередь как средство разработчика, поэтому в нём обеспечено большое количество типичных расчетных алгоритмов и команд, из которых, как из кирпичиков, можно составлять самые разные расчетные схемы.

С использованием TRANSNET была создана модель транспортной системы Московской агломерации, охватывающая Москву с ближайшими пригородами. В модель включена улично-дорожная сеть агломерации, метро и поезда пригородного сообщения. Развитая методика позволяет давать прогноз транспортных и пассажирских потоков в разное время суток.

Рис. 1. Моделирование в программе TRANSNET

На рисунке 1 приведена картограмма расчетных потоков, иллюстрирующая возможные применения модели. Основные применения связаны с прогнозом последствий принимаемых решений и выбором вариантов развития транспортной сети и территорий города. Модель дает ответ на вопрос, всегда стоящий перед планировщиками: какими станут транспортные потоки, и как изменятся характеристики движения, если провести модернизацию сети или построить новые жилые районы или другие объекты притяжения. Вместе с тем, данная модель и программное обеспечение могут быть инструментом для исследования и анализа структурных проблем в транспортной сети. Например, это анализ потенциального спроса на те или иные участки сети, а также вынужденного перепробега из-за заторов. Другой пример - анализ эффективности системы маршрутов общественного транспорта. Моделирование позволяет оценить спрос на пассажирские передвижения на отдельных дугах и сопоставить его с провозными способностями имеющихся маршрутов. Кроме того, моделирование позволяет оценить различные территории города с точки зрения транспортной доступности, что может иметь значение для оценки землепользования.

Однако данные продукты сложно использовать для оценки транспортной доступности в Азиатской России. При оценке изменения транспортной доступности в условиях этого региона малопродуктивно использование традиционных показателей, которые с успехом применяются в других странах, регионах. Некорректным является использование для показа «инфраструктурной отсталости» нашей страны данных по средней плотности железных (автомобильных) дорог; протяженности дорог, приходящихся на 10 тыс. человек и некоторые другие показатели. Информация такого плана полезна, но ее целесообразно корректировать с учетом реальных схем расселения, природно-климатических условий, задач развития и некоторых других факторов.

Даже приблизившись к этим средним данным (по авто- и железным дорогам) мы не сможем решить главную задачу: обеспечения мобильности населения в любом уголке страны. В нашей стране очень высока и удаленность населенных пунктов от основных магистралей. Почти половина (45,4%) районных центров удалена от железнодорожных станций на расстояние от 10 до 100 км, а каждый шестой (16,4%) на расстояние более чем 100 км. До настоящего времени 37% сельских населенных пунктов России не имеют связи с сетью путей сообщения общего пользования по дорогам с твердым покрытием. Реализация же тех проектов, которые заложены в Транспортной стратегии повлияет на ситуации в европейской части страны, но не в Азиатской России.

Это и определяет недостаточность существующих решений для целей нашего исследования

3.     
Разработка программного продукта

.1 Общая схема функционирования системы RTA

Общая схема функционирования системы RTA изображена на рисунке 2. Алгоритмические модули выделены оранжевым цветом.

Рис. 2. Общая схема функционирования системы RTA

3.2 Схема функционирования алгоритмических модулей системы RTA

Схема функционирования алгоритмических модулей системы RTA представлена на рисунке 3, алгоритмические модули выделены оранжевым цветом

Рис. 3. Схема функционирования алгоритмических модулей системы RTA

Программа имеет следующие функциональные возможности:

1.          Предоставление пользователю возможности изменения настроек выбранного алгоритма. По желанию пользователь может сохранить новые настройки алгоритма как сценарий.

2.      Расчет и получение оценки транспортной доступности территорий в соответствии с нанесёнными объектами и выбранным алгоритмом.

.        Импортирование и экспортирование библиотеки сценарных расчётов.

.        Возможность сохранения полученного результата оценки в файл-картинку или текстовый файл.

3.3 Описание работы программного обеспечения

В главном модуле приложения RTA алгоритмическая часть спрятана в меню «Сценарные расчёты» и меню «Алгоритм», представленное на рисунке 4.

Рис. 4. меню Алгоритм

Описание меню «Алгоритм»

Меню позволяет опытному пользователю выбрать один из трёх алгоритмов (пункты Алгоритм №1, Алгоритм №2 и Алгоритм №3), а так же пользователю-новичку посмотреть справку по каждому алгоритму и выбрать необходимый алгоритм.

Меню состоит из следующих пунктов:

.        Пункт «Оценить транспортную доступность».

Данный пункт меню ориентирован на пользователей, которые не знакомы с программным обеспечением RTA или впервые его запустили. Нажав на него, перед пользователем появляется окошко, показанное на рисунке 5, с подробными описаниями алгоритмов и маленькими картинками, раскрывающие принцип работы.

Рис. 5. Пункт «Оценить транспортную доступность»

.        Пункт «Алгоритм №1» (а так же Пункт «Алгоритм №2» и Пункт «Алгоритм №3»).

Данный пункт меню позволяет выбрать:

.1.     Подпункт «использовать».

При нажатии на данный подпункт, происходит переход на форму настроек выбранного алгоритма, на которой фактически и осуществляется запуск алгоритма. На рисунке 6 ,7 и 8 представлены настройки для «Базового», «Ярусного» и «Ярусного Расширенного» алгоритмов соответственно. Результаты работы алгоритмов можно посмотреть в приложении на рисунках 12 и 13.

Рис. 6. Настройки алгоритма «Базовый»

Рис. 7. Настройки алгоритма «Ярусный»

Рис. 8. Настройки алгоритма «Ярусный Расширенный»

транспортный сеть алгоритмический модуль

.2.    
Подпункт «Описание».

При нажатии на данный подпункт, происходит переход на форму, рассмотренную ранее как пункт «Оценить транспортную доступность» (см. рисунок 5), с визуальным выделением описания выбранного алгоритма при помощи анимации.

.        Пункт «Сохранить результат оценки как».

Данный пункт предоставляет пользователю возможность выбрать вид сохранения полученных результатов оценки. Он содержит в себе подпункты «Картинку» и «Текстовый файл». При выборе из вышеперечисленных подпунктов пользователь увидит диалоговое окно для ввода имени файла и указания директории сохранения.

.        Пункт «Отменить работу алгоритма».

Данный пункт меню реализует переход приложения из режима отображения результатов алгоритма в нормальный режим отображения и редактирования данных.

Описание меню «Сценарные расчёты»

При нажатии на меню «Сценарные расчёты» пользователь переходит в окно редактирования библиотеки сценарных расчётов, как показано на рисунке 9. В нём он может удалять сценарные расчеты, импортировать в файл или экспортировать из файла список сценарных расчётов. А при нажатии на кнопку выбрать запускается процесс оценки транспортной доступности на основании сценарного расчёта, выбранного пользователем.

Рис. 9. Работа со сценарными расчётами

Описание алгоритмической панели

Для удобства работы с программным обеспечением RTA была разработана алгоритмическая панель, представленная на рисунке 10. Пояснение значения кнопок на алгоритмической панели представлено в таблице 1.

Рис. 10. Алгоритмическая панель

Таблица 1. Значения кнопок алгоритмической панели

Рис. 11. Пример отчёта

3.4 Структура рабочего файла (*.rta).

Рабочий файл программного средства Rating Transport Accessibility имеют свою собственную структуру, которая отображена в таблице 2.

Таблица 2. Структура рабочего файла

.5 Структура библиотеки сценарных расчётов

Для общности исследования между разными исследовательскими группами была придумана библиотека сценарных расчётов. Она представляет собой список сценарных расчётов - именованные пользователем настройки алгоритмов. Для удобства работы с библиотекой сценарных расчётов, хранение её осуществляется в отдельном файле, общая структура которого представлена в таблице 3.

Таблица 3. Структура библиотеки сценарных расчётов

.6 Выбор среды разработки

В результате анализа требований, предъявляемых к создаваемому программному обеспечению, была выбрана среда разработки Microsoft .NET и язык разработки C#. Это обусловлено несколькими причинами:

.        Простота создания пользовательского интерфейса в среде Microsoft . NET.

.        Наличие опыта работы с данной языком программирования

.        Наличие большого количества готовых компонент.

.        Программное обеспечение должно функционировать в различных распространенных операционных системах: ОС Microsoft Windows, ОС Linux и др.

.7 Системные требования

Алгоритмические модули, как и вся система RTA, имеет следующие системные требования:

·      Любая операционная система, на которой в полной мере функционирует Microsoft .Net Framework 2.0 (предпочтительная операционная система Windows XP и старше).

·        Требования к оборудованию: любая конфигурация компьютера, где функционирует Windows XP, поскольку конфигурация компьютера, функционирующая под этой операционной системой, достаточно производительна, и для работы данного программного продукта она в полной мере подойдёт.

Заключение

Для реализации программного изделия были проделаны следующие виды работ:

1.      Изучена предметная область: методы и приемы оценки транспортной доступности территории

.        Проведен анализ программных средств для решения задач ободного типа.

.        Сформулированы функциональные требования к программному обеспечению по оценки транспортной доступности.

.        Выбрана среда разработки на основании анализа требований.

.        Поиск, анализ и оптимизация алгоритмов.

.        Спроектирована архитектура функционирования программного средства для алгоритмического модуля.

.        Спроектирован интерфейс программного средства для алгоритмического модуля.

.        Изучена среда разработки Visual Studio 2005 и язык программирования C#.

.        Спроектирована структура выходных файлов.

.        Реализованы алгоритмические модули.

.        Произведена интеграция программного продукта с модулем визуализации «Оценка транспортной доступности территорий».

.        Произведена комплексная отладка программного средства.

Программное средство разрабатывалось в среде Visual Studio 2005 на языке C# с применением объектно-ориентированного программирования (ООП).

В рамках усовершенствования уже разработанного приложения RTA возможна реализация своего внутреннего скриптового языка для проведения более детальной оценки транспортной доступности, а так же оптимизация производительности ресурсоёмких частей программы.

Список литературы

1.      Гранберг А.Г. Доклад «Транспорт в стратегиях национальной и региональной экономики». БЭФ. 2008.

2.      Троелсен Э. C# и платформа .NET. Библиотека программиста. - СПБ.: Питер, 2007. - 796 с.: ил.

Приложение

Рис. 12. Работа «Базового» алгоритма

Рис. 13. Работа «Ярусного» алгоритма, с выбором 4 зон влияния

Таблица 4. Транспортная доступность