ArcGIS运输路径规划网络分析.doc

ArcGIS运输路径规划网络分析一、ArcGIS网络分析ArcGIS 网络分析模块可以帮助用户创建和管理复杂的网络数据集合，并且生成路径解决方案。ArcGIS网络分析扩展模块共有四个部分组成，创建数据向导、分析窗口、分析工具、Toolbox。1、ArcCatalog中创建Network Dataset网络数据集的向导：利用向导工具，可基于即文件或者要素集中要素类创建网络数据集，并定义网络源数据及其在网络中扮演的角色、指定网络中的连通性和网络属性。2、ArcMap中网络分析窗口：网络分析窗口可以管理用于网络分析的输入和分析结果，例如障碍、站点和路线。3、ArcMap中网络分析工具栏：网络分析工具栏是一系列菜单和按钮的集合，用于添加和修改网络位置、产生方向、识别网络要素、构建网络和基于网络数据集执行网络分析。4、ArcToolbox中的GP工具：用于网络分析操作的一系列工具。除此之外，网络分析扩展模块也支持网络数据集图层和网络分析图层的使用和创建。基于网络数据集图层可显示和查询基础的网络数据集数据。网络分析图层是网络分析操作创建的图层，利用中提供的接口和工具可用于进一步的分析操作。二、网络分析类型ArcGIS Network Analyst 是进行路径分析的扩展模块，为基于网络的空间分析（比如位置分析，行车时间分析和空间交互式建模等）提供了一个完全崭新的解决框架。这一扩展模块将帮助ArcGIS Desktop用户模拟现实世界中的网络条件与情景。ArcGIS Network Analyst模块能够进行行车时间分析、点到点的路径分析、路径方向、服务区域定义、最短路径、最佳路径、邻近设施、起始点目标点矩阵等分析。ArcGIS中的网络分析主要包括下列几种类型：1、寻找最优路径（Best Route）：寻找最优路径意味着寻找一条最快或者最短的路径，取决于选择的阻抗性质。如果阻抗是时间，那么最优的路径就是最快的路径。最优的路径可以定义为阻抗最低或者耗费最低，取决于用户的设置。寻找最优路径的功能可以帮助我们有效地利用资源。2、寻找服务区域（Service Area）：寻找服务区域可以帮助寻找给定地址的服务区域。比如一个通信局所服务区域包含了这个局所的通信资源能到达的所有地区，寻找服务区域的功能可以帮助我们分析服务范围，统计服务范围内资源的利用状况。3、查找最近设施（Closest Facility）：查找最近设施可以帮助寻找给定地址周围特定的设施。可以需要查找的最近设施的数目，一旦寻找到相应的设施还可以获得到达该设施最优的路径、耗费的时间成本、导航的方向提示等。4、创建成本矩阵（Original-Destination）：可以计算多个起始点和终止点之间的代价矩阵，帮助用户获取最优的路线。5、车辆路径规划（Vehicle Routing Problem）：很多企业和单位使用车队服务一系列用户。比如，家具公司可能使用若干卡车配送用户预定的家具；环卫公司可能也要规划他们的车辆到不同的小区回收垃圾。上述的问题都可以归结为车辆规划问题。每个单位都必须要决定每条线路服务哪些用户、以什么样顺序。车辆路径规划的主要目标是找出一个最优的方法，在有效服务客户的同时尽可能最小化成本，此外还可以考虑很多的选项比如车辆的载重容量、司机的休息时间、用户的时间窗口。6、选址优化（Location-Allocation）：选址优化是ArcGIS的9.4版本中网络分析扩展模块新增的一个功能，解决这样一类问题，给定提供货物和服务的设施以及一系列可能访问这些设施的需求点，选址优化的目标是合理的定位这些设施使得可以更有效地为需求点服务。顾名思义，选址优化会同时解决两个问题，设施定位以及需求点的分配，它为用户的选址优化提供了非常好的解决方案。三、网络分析要素网络可以分为定向网络和非定向网络，定向网络中的资源自身不能决定流向（如水流、电流），非定向网络中的资源可以决定流向（如交通系统）。非定向网络的分析需要使用到网络数据集，网络数据集则由一系列参与网络的网络要素构成，包括边线、交汇点、转向三个主要元素，并将这些网络要素连通起来，形成了比较复杂的网络模型。1、网络元素（Network Element）网络元素可划分为三种：边线（Edge）、交汇点（Junction）和转向（Turn）。边线与交汇点相连，是网络中资源流动的纽带；交汇点负责连接起边线，引导网络中的资源从一条边移动到另一条边；转向负责记录在两个或多边之间运动的信息。其中边线和交汇点是网络的基本组成结构，转向是可选的网络元素，用来存储特殊的转向移动的信息。2、连通性（Connectivity）ArcGIS网络分析拓展模块的连通性始于连通组的定义。每个边线源只能分配给一个连通组，而节点源可分配给一个或多个连通组。连通组可用来对多层系统建模，可以分为连通组内边线连接策略和连通组内交汇点连通策略。四、运输路径规划（VRP）1、运输路径规划背景某家经销公司需要从一个配送中心发货到一组25家杂货店，对于需要补充的货物每个商店都有自己的特定需求，并且每个卡车的载重量也是有限的。此外还需要考虑到配送中心及杂货店的上下班时间、货物装载卸载时间、货车司机的工资等一系列的因素。所以需要对运输队的运输路径进行规划从而实现运输成本的最小化。2、数据准备数据来源于ArcGIS的Analyst Tutorial中的网络分析。打开文档，执行菜单命令工具ToolsExtensions,在Extensions对话框中点击 Network Analyst启用网络分析模块，即装入了 Network Analyst 空间分析扩展模块，并在图层中创建New Vehicle Routing Problem图层，如下图所示（图中的圆圈表示的杂货店所在地，正方形表示的是配送中心）：3、添加订单这里需要将杂货店的订单加载到Orders里面，因为每个杂货店都有其需要的特定量的货物，货车需要到该杂货店就行卸载货物，所以每个杂货店都可以看成运输路线上的停靠站。（这里面的杂货店的数据是预先编辑好的，包括货物订单的需求量，服务时间等参数。）为Orders中加载数据并进行如下设置：4、添加配送中心货物将从图层中的配送中心发出，配送中心的运行时间是从早上的8:00运行到下午5:00，所以需要将配送中心图层数据加载到Depots中，并进行基本参数设置，如图所示：5、添加运输路线配送中心拥有三辆货车，每辆货车都有其最大装载量，为15000磅，所以我们需要为Routes添加三个Item，这里我们先添加一个，并设置参数，然后进行粘贴复制，分别更名为Truck_1、Truck_2、Truck_3。其中各个参数名字及其代表的含义如下：StartDepotName表示的货车的开始驶出的配送中心；EndDepotName表示的是货车最终返回的配送中心；StartDepotServiceTime表示的装载货物所需的必要时间，其单位为分钟；EarliestStartTime表示的货车开始工作的时间；LatestStartTime表示的是货车最迟的工作时间；Capacities表示的是货车的最大装载量；CostPerUnitTime表示的是货车司机每工作一分钟所需支付的工资；CostPerUnitDistance表示的是货车每行驶一公里所需要的成本；MaxOrderCount表示的是货车为一个杂货店所能提供的最大订单量；MaxTotalTime表示的是时间所能持续工作的最长时间；MaxTotalTravelTime表示的两个停靠点之间的行驶最长时间；MaxTotalDistance表示货车的最长行驶距离。设置如图所示：6、系统参数设置打开Analysis Settings窗口，对系统参数设置如下：7、运输路径生成点击Network Analyst工具栏中的Solve，对运输路径进行生成，所生成的三条路线即满足要求的运输成本最小的路线。生成结果如图所示：此外还可以根据要求，对路线进行导出或者发布，打印出来给货车司机，以便货车司机做好规划，每条路线的具体情况详细情况如下图所示：到此为止，我们已经实现了基于ArcGIS的网络分析解决运输配送成本最小化问题，然而在正式实现过程中可能会遇到各种各样的现实问题。ArcGIS所提供的强大功能可以为我们在已有路线的基础上，根据所遇到的情况进行更新调整从而确定出最佳配送路线。以Truck_2货车出了问题为例，Truck_2货车因为故障需要维修，暂时不能参与配送运输，为了满足正常的供货需求，经销公司决定让另外两个司机师傅加班，并给与额外的加班补贴和休息时间，同时启用另外两个备用的配送中心。这样之后Truck_1和Trcuk_3的司机师傅不需要再回到初始的配送中心了，他们可以从额外的配送中心出发以及装载货物。所以我们现在来根据突发情况进行配送运输更新，重新确定出最佳的配送路线，从而减小配送成本。8、添加新的Depots在我们重新优化配送路线之前，我们需要删除原有的Truck_2的配送路线，右击Depots（1），选择发现，我们通过查找选择备用的两个配送中心800 Brush St和100 Old County Rd，分别添加为网络分析对象。查找过程如图所示：最终添加结果如下：9、添加Route Renewals选择既然我们已经更新了配送中心，我们还需要为新增的配送中心添加货车，这样货车才能在行驶过程中到此装载货物。所以我们需要对Route Renewals添加两个货车元素，即我们需要分别为两个新的配送中心分别添加Truck_1和Truck_3,并对参数进行设置，这里面的ServiceTime表示的是优化后的装载货物时间，因为货车的数量减少了这里由原来的60分钟减为30分钟了。添加过程及结果如下所示：10、调整Routes为了满足正常的配送需求，我们需要将之前设置的Maximum time、Maximum travel time、Maximum distance移除，因为司机需要工作更多的时间，所以我们需要为其支付额外的工资，所以需要进行额外的参数设置。（其中各个参数表示如下：OvertimeStartTime表示的是正常工作时长；CostPerUnitOvertime表示的为加班费，每个分钟所需支付的费用；MaxOrderCount表示的是增加的订单数。这里需要分别对Routes中的Truck_1和Truck_3进行设置。设置后如图所示：11、添加休息时间因为司机需要加班工作，所以需要更多的休息时间。这里我们为Breaks增加；两个事件，并分别命名为Truck_1和Truck_3，并对基本参数进行设置（其中参数表示的意思如下：TimeWindowStart表示的休息开始时间；TimeWindowEnd表示休息结束时间；ServiceTime表示休息时长；IsPaid表示带薪休息。）参数设置如图所示：12、重新生成运输路径点击Network Analyst工具栏中的Solve，对运输路径进重新生成，得到优化后的配送路径如图所示：五、总结一直以来真心觉得ArcGIS真的很强大，无论是在制图编辑方面还是在空间查询和分析上，都给我很大的震撼。尤其是空间分析功能，它可以将我们生活中很多难以分析，解释或者说证明的事情通过分析成为很好的例证或者给予很好的方法指引。从给点例子中一系列地图的制作到最后的空间分析建模等，这些难以理解的东西通过实例操作使得一切清晰了。就连像公交路线查询，市区择房，工厂、学校等选址等问题都变得很方便了，它的现实意义和作用体现得淋漓尽致。所以在