Aplikace geografických informačních systémů v problematice svozu komunálního odpadu

Dušan Janoštík
Ústav železničních konstrukcí a staveb
Fakulta stavební VUT Brno

Abstract

This paper presents application of Geography Information Systems for management of communal waste salvage. Planning, which took a lot of time earlier is possible to be solved with GIS system faster now. Additionally, system enables flexible respond to still alternating traffic conditions in town. An installation of such a company system reduces its costs thereby also prices of offered services.

Abstrakt

Příspěvek prezentuje aplikaci GIS v problematice svozu komunálního odpadu. Plánování, které bylo dříve časově náročné, je s využitím GIS mnohem rychlejší. Navíc celý systém umožňuje rychlou odezvu na aktuální dopravní situaci ve městě. Použití systému výrazně omezuje cenu nabízených služeb.

Úvod

Informační technologie je uznávaná jako jeden z nejvýznamnějších inovačních faktorů současnosti. Zachytit trendy v informatice, aplikovat je do různých oborů vyžaduje prostředí, které je přizpůsobeno k implementaci. Některé aplikace jsou přístupné širokým skupinám uživatelů, jiné jsou podmíněny disponibilností věcných, znalostních a finančních prostředků. Jedna z informačních technologií, která vyžaduje sofistikovaný přístup, jsou Geografické informační systémy ( GIS ).

"Geografický informační systém je systém lidí, technických a organizačních prostředků, který provádí sběr, přenos, uložení a zpracování údajů za účelem tvorby informací vhodných pro další využití v geografickém výzkumu a jeho praktických aplikacích."

Je tedy zřejmé, že nejvýkonnější geografické informační systémy musí obvykle disponovat mocnými nástroji na zpracování a analýzu geografických (prostorových a atributových) dat, dále pak na analýzu blízkosti a souvislosti, tvorbu a analýzu digitálního modelu terénu, geometrická měření a výpočty, případně nástroji na realizaci modelů na bázi síťové analýzy.

Geografické informační systémy se dnes využívají zejména pro inventarizaci, správu, případně pro analýzy a modelování v rámci určitého území.

V současné době je většina geografických modelů založena na předpokladu, že kterýkoliv daný proces lze vyjádřit matematickým zápisem nebo souborem takových zápisů. Sestavují se tak různé druhy modelů. Modely jsou přiblížením mechanismu, dle kterého fungují reálné jevy. Čím jednodušší je jev, tím snazší je formulování jeho mechanismu matematickými prostředky. K základním používaným modelům patří:

• Logické modely - ty vycházejí ze základních axiomů logiky a řídí se pravidly binární Booleovy algebry. Jejich výsledky jsou vyjádřeny jako diskrétní, resp. alternativní veličiny (pravda /nepravda).
• Deterministické modely - popisují jevy ve smyslu fyzikálních zákonů. Základním jejich předpokladem je tvrzení, že fyzikální síly řídící proces jsou známy a vše, co je požadováno, je shromáždit odpovídající data. Přesnost těchto modelů závisí na kvalitě nashromážděných dat a nedefinovaných parametrech modelu.
• Stochastické modely - popisují jevy ve smyslu fyzikálních zákonů. Na rozdíl od deterministických modelů je alespoň jedna ze vstupních veličin nebo alespoň jeden z parametrů vyjádřen jako pravděpodobnostní proměnná. Výsledky těchto modelů jsou pravděpodobnostní funkce. Vhodně kalibrované stochastické modely pak mohou vyjadřovat prognózy modelovaných jevů pomocí např. středních hodnot výsledných rozdělení.
• Optimalizační a strategické modely - jde převážně o modely založené na teorií operačního výzkumu. Do této oblasti patří řada metod a analýz založených např. na síťovém grafu, lineárním a nelineárním matematickém programování. K nejznámějším modelům patří problematika modelování dopravních sítí.

V rámci rozvoje moderních technologiích a jejich využití v technické praxi vznikla programová nadstavba realizovaná v jazyce Visual Basic nad prostředím programu GeoMedia od firmy Intergraph. Jde o otevřený a ekonomicky výhodnější systém, než např. Geomedia Network. V budoucnu se předpokládá doplněni o moderní matematické metody typu neuronové sítě, genetické algoritmy, apod.).

Popis řešené problematiky

Programová nadstavba rozšiřuje možnosti programu GeoMedia, umožňuje vytvářet, spravovat a provádět analýzy nad síťovým (dopravním) systémem. Mezi základní funkce této aplikace patří:

• Vyhledání optimální cesty (trasy) mez dvěma nebo více místy dopravní sítě. Trasa může být vyhledána na základě předem daných podmínek, jako např. trasa s nejkratší délkou, trasa s nejmenšími náklady atd.
• Nalezení uzavřené trasy v dopravní síti, tzv. úloha dopravního cestujícího
• Vykreslení oblasti, jenž je dostupná z jednoho místa (uzlu) dopravní sítě, tj. vyřešení dopravní obslužnosti dané oblasti

Z programátorského hlediska se nadstavba skládá z pěti samostatně použitelných modulů. Jak je možno rozpoznat z obrázku (viz obr 1), každému modulu odpovídá jedna položka v nabídce. Popišme si funkce jednotlivých modulů:

• Kontrola dat - tento modul provádí kontrolu popř. úpravu datových struktur jednotlivých geoprvků (features), tj. kontroluje datové položky nutné pro zpracování v dalších modulech. V závislosti na vstupních podmínkách může přidat do datových struktur jednotlivých geoprvků čtyři až šest položek (tab. 1). Je však nutno upozornit, že takovou úpravu lze provádět jen u geoprvků, které mají síťovou topologii, tzn., že u geoprvků typu plocha takovou úpravu provádět nelze.
• Vytvoření sítě - jak je již z názvu patrné, tento modul vás provede samotnou tvorbou síťových struktur zvoleného dopravního systému, tj. dojde k vytvoření incidenčních matic vrcholů a hran, a dalších pomocných tabulek. Lze jej použít i k mazání síťových struktur.
• Správce sítě - tento modul nám určuje s kterou ze sítí (síťových struktur) vytvořených v minulém kroku chceme pracovat. Je možno pracovat s několika sítěmi současně.
• Správce uzlů - slouží k vytváření a mazání tabulek (seznamů) uzlů. Tabulky (seznamy) uzlů se používají k uchování potřebných informací pro jednotlivá místa v síti , jenž budou použity v průběhu provádění analýz. Tato tabulka má zvláštní strukturu a každý záznam představuje místo na mapě, který bude použit při analýze. Do této tabulky můžeme např. zadat všechny body, kterým bude procházet námi hledaná trasa. Každá záznam v tabulce musí obsahovat minimálně souřadnice, jméno a identifikátor uzlu.
• Analýza sítě - umožňuje provádět různé síťové analýzy, založené na výše definovaných tabulkách uzlů. Tedy lze tímto modulem provádět např. nalezení optimální trasy mezi uzly
  (min. vzdálenost, min. náklady, min. čas), nalézt nejlepší pořadí jednotlivých uzlů (úloha obchodního cestujícího), nalezení obslužných oblastí, a v neposlední řadě i vykreslení trasy do mapy.

Obr č. 1 Menu

Aplikace nadstavby

Ukažme si nyní využití programové nadstavby na jednoduchém příkladu. Jedná se o využití technologie GIS při optimalizaci sběru a svozu komunálního odpadu. Předpokládejme, že jsou splněny následující podmínky:

• firma zabývající se svozem odpadu disponuje homogenním vozovým parkem, tj. disponuje vozidly o konstantní svozové kapacitě
• Z důvodu zjednodušení tohoto jinak poměrně složitého problému dále uvažujme model neorientované dopravní sítě, což v praxi znamená, že dopravní síť je tvořena oboustrannými komunikacemi
• Dále v modelu uvažujme, situaci jednoho svozového místa, jenž je totožné se sídlem firmy (např. firma disponuje vlastní skládkou, příp. spalovnou komunálního odpadu),
• V modelu byla použita, z důvodu nedostupnosti reálných dat nasimulovaná geografická data

Dále předpokládejme, že si simulovaná "firma" vytýčila cíl vyřešit efektivnost sběru a svozu odpadu, za účelem získání zakázky na svoz komunálního odpadu. Výsledkem řešení tohoto problému je optimalizace personálních a technických zdrojů, což v praxi vede zejména ke snížení počtu pracovníků, snížení počtu svozových vozidel, příp. snížení opotřebení vozidel a úspory pohonných hmot. Možné výstupy z vytvořené programové nadstavby prezentují obrázky 2 až 4.

Protože v průběhu zpracování tohoto článku nebylo možné získat relevantní data potřebné k ekonomickému zhodnocení použitého řešení, nebylo možno realizovat numerické ekonomické vyhodnocení zavádění technologie geografických informačních systému. Bylo tudíž přistoupeno pouze k simulaci optimálních tras svozu odpadu z důvodu ověření funkčnosti programové nadstavby.

Obr č. 2 Úloha obchodního cestujícího

Obr č. 3 Nalezení nejkratší cesty mezi pobočkami

Obr č. 4 Nalezení nejkratší trasy mezi střediskem a pobočkami

Závěr

Řešený problém spadá do široké oblasti optimalizačních úloh, které slouží např. k úspoře energie, snížení opotřebení, a to jak vozidel, tak i pozemních komunikací, k úspoře pracovních sil, dále pak jistým způsobem k ochraně životního prostředí snižováním výfukových exhalací atd.

Navržený systém umožňuje organizovat svoz komunálního odpadu v závislosti na vytíženi dopravních tras, dále pak umožňuje dynamicky reagovat na požadavky zákazníků, případné poruchy svozných prostředků atd.

Literatura

1. Skýva L., Janaček J, Cenek P.: Energeticky optimální řízení dopravních systémů, NADAS, 1987
2. Smutný J.: Using GIS in Urban Transport Services, Safety the Environment in the 21st Century, 23-27 November 1997, Tel Aviv Israel,str. 496-501

Publikované výsledky byly získány s podporou výzkumného záměru CEZ J22/98:261100007.

Recenzoval: prof. Ing. Petr Cenek, CSc. (Žilinská univerzita)