ZASTOSOWANIE DANYCH GIS O ZAGOSPODAROWANIU PRZESTRZENNYM W MIKROSKOPOWEJ SYMULACJI RUCHU

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 95 Transport 2013 Bart omiej Pi tkowski Politechnika Pozna ska, Wydzia Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Micha Maciejewski Politechnika Pozna ska, Wydzia Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Transport Systems Planning and Telematics (VSP), Institute for Land and Sea Transport Systems, Technische Universität Berlin ZASTOSOWANIE DANYCH GIS O ZAGOSPODAROWANIU PRZESTRZENNYM W MIKROSKOPOWEJ SYMULACJI RUCHU R kopis dostarczono, maj 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono algorytm wyboru miejsc aktywno ci z wykorzystaniem danych GIS na temat zagospodarowania przestrzennego. W pierwszej cz ci omówiono zagadnienie podzia u obszaru na rejony komunikacyjne i niedok adno ci zwi zane z tym podej ciem. Odpowiedzi na cz problemów jest rezygnacja ze stosowania centroid i równomierne rozmieszczenie miejsc aktywno ci w ramach rejonu. Niestety w przypadku niehomogenicznych rejonów ta równomierno tak e prowadzi do niedok adno ci. Rozwi zaniem tego problemu jest zaproponowana w dalszej cz ci pracy metoda wyboru miejsc aktywno ci w oparciu o dane GIS o zagospodarowaniu przestrzennym. Nast pnie zobrazowano dzia anie tej metody na przyk adzie generacji miejsc aktywno ci dla modelu ruchu aglomeracji pozna skiej. W celu zilustrowania efektów proponowanego podej cia przedstawiono wizualizacj rozmieszczenia miejsc aktywno ci w wariancie bez i z wykorzystaniem informacji o zagospodarowaniu przestrzennym. S owa kluczowe: zagospodarowanie przestrzenne, mikroskopowa symulacja ruchu, wybór miejsc aktywno ci 1.WST P Jednym z etapów budowy modelu transportowego jest rozk ad ruchu na sie. Popyt w postaci macierzy OD lub a cuchów aktywno ci opisuj cych przemieszczenie pomi dzy rejonami przypisuje si do osób podró uj cych, które umieszcza si w sieci w celu jej obci enia. W klasycznym czterostadiowym podej ciu modelowania podró y[2,10] punktami, które skupiaj w sobie potencja y generowania i/lub absorbowania podró y s

2 412 Bart omiej Pi tkowski, Micha Maciejewski centroidy, a osoby odbywaj ce podró dostaj si do sieci z okre lonych rejonów komunikacyjnych za pomoc konektorów o okre lonych kosztach (np. czas, dystans) jakie nale y ponie, aby dosta si do sieci transportowej[2]. Odpowiednie rozmieszczenie centroid ma kluczowe znaczenie, poniewa punkty te maj wp yw na rozk ad ruchu w sieci. Na podstawie do wiadcze p yn cych z licznych bada Ortuzar i Willumsen zaproponowali nast puj ce kryteria tworzenia rejonów komunikacyjnych przy za o eniu stosowania centroid[1,2]: 1. Wielko rejonów powinna by taka, aby b d agregacji spowodowany za o eniem, e wszystkie podró e rozpoczynaj si i ko cz w centroidzie nie by zbyt du y. 2. Uk ad rejonów powinien pokrywa si z rejonami, w których przeprowadzono badania ankietowe. 3. Rejony powinny by mo liwie jak najbardziej homogeniczne pod wzgl dem zagospodarowania przestrzennego i/lub populacji. 4. Wskazane jest, aby granic rejonów prowadzi wzd u przeszkód naturalnych (rzeki, jeziora), granic podzia u administracyjnego oraz zgodnie z kordonami i ekranami pomiarowymi. 5. Kszta t rejonów powinien u atwia okre lenie konektorów i centroid. 6. Rejony nie musz mie identycznego kszta tu. Niestety powy sze regu y ci ko zastosowa do podzia u miasta, w którym wyst puj g sta sie drogowa i zró nicowana, niejednorodna zabudowa, a naturalne przeszkody wyst puj rzadko lub wcale. W takiej sytuacji podzia obszaru na rejony komunikacyjne g ównie zale y od do wiadczenia osoby buduj cej model. Idealnym wariantem by oby miasto na wzór modelu Ernesta Burgessa[3], które charakteryzuje si koncentrycznym uk adem stref wokó centralnej dzielnicy biznesu (Rys. 1a). Dzi ki czemu podzia obszaru na rejony komunikacyjne by by zadaniem trywialnym i polega jedynie na okre leniu odpowiednich promieni ka dego z pier cienia. Innym modelem opisuj cym podzia miasta na strefy jest model Holeya[4], w którym za o ono, e miasto rozwija si wzd u g ównych szlaków transportowych tworz c klinowe sektory (Rys. 1b). Niestety, na podstawie obserwacji wielu o rodków miejskich Harris i Ullman doszli do wniosku, e wcze niej wymienione modele nie znajduj odzwierciedlenia w rzeczywisto ci i zaprezentowali model wieloj drowy[5]. W modelu tym nie negowali istnienia centralnego rejonu przemys owego, jednak uwa ali, e ma e podmiejskie obszary przekszta caj si w pe noprawne rejony biznesowe na wzór centralnego. Rys. 1. Przyk adowe modele zagospodarowania przestrzennego [10]: a) Burgessa, b) Holeya. Oznaczenia: CBD dzielnica biznesowa, I rejon przemys owy, L, M, H domostwa klasy niskiej, redniej, wysokiej, C rejon podmiejski

3 Zastosowanie danych GIS o zagospodarowaniu przestrzennym w mikroskopowej 413 Zaproponowany podzia miasta na rejony z uwzgl dnieniem zagospodarowania przestrzennego spe nia zasad homogeniczno ci rejonów (pod warunkiem, e dany o rodek miejski rozwija si zgodnie z jednym z przedstawionych modeli). W ka dym z obszarów wyst puj jeden rodzaj zabudowy (np. niska, rednia, wysoka) i/lub przeznaczenia (np. przemys owe, us ugowe), zgodnie z zasad nr 3. Niestety bezpo rednie zastosowanie takich modeli zagospodarowania wi e si z podzia em na rejony o znacznej powierzchni. To z kolei, przy za o eniu, e wszystkie podró e rozpoczynaj si i ko cz w rodku ci enia tego rejonu mo e spowodowa niedoszacowanie nat e na odcinkach oddalonych od centroidy i znaczne przeszacowanie w jej pobli u, a zatem stoi w sprzeczno ci z zasad nr 1. Rozwi zaniem powy szych problemów jest rezygnacja z centroid i zastosowanie jednorodnego rozk adu miejsc aktywno ci (w ramach ca odobowego a cucha aktywno ci) w okre lonym rejonie komunikacyjnym[6] z za o eniem, e rejony komunikacyjne tak e s jednorodne. Podej cie te, z rozbiciem na trzy etapy, przedstawiono na Rys.2. W pierwszej kolejno ci nast puje wybór rejonu, w ramach którego nast pnie losowane jest miejsce aktywno ci. W trzecim kroku wyznaczany jest odcinek, który znajduje si najbli ej wylosowanego miejsca. Odcinek ten jest miejscem doprowadzaj cym i odprowadzaj cym ruch z/do sieci. W efekcie rozproszonego rozk adu miejsc aktywno ci ruch samochodowy rozk ada si bardziej równomiernie po ca ym rejonie, a nie tylko w pobli u centroidy. Jest to idealne rozwi zanie dla obszarów, gdzie wyst puj g sta zabudowa, a stworzone rejony komunikacyjne s ma e i homogeniczne. S jednak przypadki w których dany rejon oprócz zabudowy posiada tak e obszar terenów zielonych lub punktowy generator/absorber podró y np. szko a, du y sklep, a nie ma mo liwo ci podzia u rejonu na mniejsze. W takim przypadku równomierny rozk ad miejsc aktywno ci w ca ym obszarze nie do ko ca odzwierciedla stan rzeczywisty. Aby zwi kszy dok adno generacji miejsc aktywno ci mo na wykorzysta informacje o zagospodarowaniu przestrzennym. Zatem wybieraj c miejsca aktywno ci nale y uwzgl dni rodzaj aktywno ci i ograniczy obszar ca ego rejonu komunikacyjnego do tych podobszarów, w którym dana czynno mo e zosta wykonana (np. chc c jecha na zakupy, celem b dzie sklep a nie szko a). Rys. 2. Etapy wyznaczania miejsc aktywno ci[6]: a) wybór rejonu komunikacyjnego, b) losowy wybór miejsca aktywno ci w rejonie, c) przypisanie miejscom aktywno ci najbli szych odcinków

4 414 Bart omiej Pi tkowski, Micha Maciejewski 3.WYZNACZANIE MIEJSC AKTYWNO CI NA PODSTAWIE ZAGOSPODAROWANIA PRZESTRZENNEGO Pierwszym krokiem procedury jest okre lenie jakiego rodzaju aktywno ci b d mo liwe do wykonania przez agentów, a wi c motywacje odbycia podró y. W przypadku aglomeracji pozna skiej zdecydowano si na pi podstawowych aktywno ci/motywacji: dom, praca, nauka, zakupy, inne, gdzie aktywno inne to zbiór czynno ci, których nie mo na przypisa do adnej z pozosta ych aktywno ci. Na podstawie motywacji mo na okre li cel podró y wynikaj cy z planowanej aktywno ci, a tak e mo liwy obszar wykonywania tej aktywno ci, np. nauka odbywa si na terenie szkó. Dla aglomeracji pozna skiej wyró niono pi g ównych rodzajów zagospodarowania przestrzennego, które by y pó niej wykorzystywane podczas generacji miejsc aktywno ci: zabudowa mieszkaniowa, zabudowa przemys owa (np. warsztaty, fabryki, magazyny), lasy i tereny zielone (w tym parki, cmentarze itp.), zabudowa us ugowa (g ównie centra handlowe i markety du o powierzchniowe), szko y gimnazja, licea i szko y wy sze. Dane o zagospodarowaniu przestrzennym dla aglomeracji pozna skiej pozyskano z map cyfrowych OpenStreetMap (OSM)[7,8]. Rys.3 przedstawia mapk pogl dow podzia u aglomeracji pozna skiej na powy sze pi typów zagospodarowania przestrzennego. Kolorem bia ym oznaczone s obszary poza zdefiniowanymi kategoriami. Rys. 3. Podzia aglomeracji pozna skiej na obszary zagospodarowania przestrzennego

5 Zastosowanie danych GIS o zagospodarowaniu przestrzennym w mikroskopowej 415 Nast pnie zdefiniowano funkcj mo liwo ci wykonywania czynno ci danego typu w obszarze danego rodzaju (Tab.1). W celu wyznaczania miejsc odbywania aktywno ci przyj to nast puj cy zestaw regu : Gdy dany typ aktywno ci mo e odbywa si na terenach o ró nym zagospodarowaniu przestrzennym (np. praca), przyj to odpowiednie wagi (zale ne od typu zagospodarowania) przeliczaj ce powierzchni danego obszaru na prawdopodobie stwo odbycia aktywno ci w granicach tego obszaru. Aktywno ci typu inne mog odbywa si w dowolnym miejscu, tak e poza skategoryzowanymi obszarami. Je li w danym rejonie nie ma obszaru o typie wymaganym dla odbycia danego rodzaju aktywno ci (np. nie ma zabudowy mieszkaniowej i us ugowej dla aktywno ci zakupy), wtedy poluzowywane s ograniczenia przestrzenne co do miejsca aktywno ci i zak ada si, e mo e si ona odby w dowolnym miejscu danego rejonu. Tablica 1 Mo liwo odbycia czynno ci w zale no ci od motywacji i zagospodarowania przestrzennego dom praca nauka zakupy inne mieszkaniowa przemys owa + + lasy + us ugi szko y Do zamodelowania popytu wykorzystano wyniki bada ankietowych przeprowadzonych w Poznaniu w 2000 r.[11], które zosta y zaktualizowane w 2008 r.[12]. Wykorzystano zale no ci opisuj ce podró e w okre lonych motywacjach, w których wyst puj takie zmienne obja niaj ce jak: liczba mieszka ców, miejsca pracy, liczba uczniów, miejsc nauki itp. Na ich podstawie oszacowano potencja y produkcji i atrakcji w okre lonych motywacjach dla ka dego rejonu. Nast pnie na podstawie funkcji grawitacji okre lono wi b ruchu opisuj c podró e pomi dzy rejonami komunikacyjnymi. W kolejnym kroku ponownie wykorzystano wyniki bada ankietowych i na ich podstawie dokonano podzia u podró y na te wykonywane transportem zbiorowym oraz prywatnym. W efekcie dla ca ej doby uzyskano 216 (tj. 9 x 24) godzinnych macierzy OD podzielonych ze wzgl du na dziewi nast puj cych motywacji: 1. dom inne, 2. dom nauka, 3. dom praca, 4. dom zakupy, 5. inne dom, 6. nauka dom, 7. praca dom, 8. zakupy dom, 9. nie zwi zane z domem. Do przeprowadzenia analiz wykorzystano wcze niej stworzony przez autorów model sieci drogowej opisany w [9], zawieraj cy uk ad drogowy z rozró nieniem typów dróg,

6 416 Bart omiej Pi tkowski, Micha Maciejewski liczb pasów, pr dko ciami w ruchu swobodnym na odcinkach, a tak e ich przepustowo ci. Wykorzystano tak e podzia na rejony komunikacyjne ze wspomnianego modelu. 4. WYNIKI W celu zaprezentowania efektów zastosowania danych o zagospodarowaniu przestrzennym przygotowano dwa zestawy a cuchów aktywno ci. W pierwszym z nich za o ono brak informacji o zagospodarowaniu przestrzennym, w efekcie czego wybór miejsca aktywno ci w ramach danego rejonu komunikacyjnego odbywa si zgodnie z jednorodnym rozk adem losowym. Efekt tego podej cia zosta zobrazowany na Rys.4, gdzie wida równomierne rozmieszczenie wszystkich aktywno ci (czerwone punkty) w ramach poszczególnych rejonów ( ó te granice). W rezultacie wiele z podró y rozpoczyna si w np. w lesie tylko dlatego, e w tym samym rejonie s te np. osiedla czy zak ady przemys owe). Inaczej sytuacja wygl da w przypadku uwzgl dnienia informacji na temat zagospodarowania przestrzennego. Na Rys.5 przedstawiono rozmieszczenie miejsc aktywno ci zwi zanych z motywacj dom. Podró e, które odbywaj si w tej motywacji mog rozpoczyna si lub ko czy w okre lonym rejonie komunikacyjnym, ale tylko w okre lonym podobszarze, w którym wyst puje zabudowa mieszkaniowa, a nie wspomniany wcze niej las. Rys. 4. Rozk ad miejsc aktywno ci bez uwzgl dnienia zagospodarowania przestrzennego.

7 Zastosowanie danych GIS o zagospodarowaniu przestrzennym w mikroskopowej 417 Rys. 5. Rozk ad miejsc aktywno ci dom z uwzgl dnieniem zagospodarowania przestrzennego. Rys. 6. Rozk ad miejsc aktywno ci nauka z uwzgl dnieniem zagospodarowania przestrzennego.

8 418 Bart omiej Pi tkowski, Micha Maciejewski Kolejnym przyk adem mog by aktywno ci zwi zane z nauk (Rys. 6.), które (zazwyczaj) powinny mie miejsce w ci le okre lonym budynku szko y/uczelni. Mo na zauwa y, e niemal wszystkie aktywno ci nauka s skoncentrowane w budynkach o wiaty (mocno czerwone obszary). Tylko w niektórych rejonach mamy do czynienia z rozproszeniem du ej liczby aktywno ci tego typu, co jest spowodowane brakiem odpowiedniego budynku w rejonie. Jedn z potencjalnych przyczyn jest niezewidencjonowanie budynku szkolnego w bazie danych GIS. Innym powodem jest rozbie no mi dzy danymi o popycie (dane KBR z roku 2000 zaktualizowane w roku 2008) a danymi GIS o zagospodarowaniu przestrzennym (z roku 2013). 5. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono sposób generowania miejsc aktywno ci z wykorzystaniem danych o zagospodarowaniu przestrzennym. Pozwoli o to na dok adniejsze okre lenie miejsc ród owych i docelowych podró y zale nych od ich motywacji. Najlepszym tego przyk adem s podró e zwi zane z nauk, której celem/ ród em s szko y. Zajmuj one ma przestrze rejonu komunikacyjnego, jednak s kluczowym absorberem/generatorem podró y w tej motywacji. Tego typu rozwi zanie tworzenia róde /celów podró y z wykorzystaniem informacji o zagospodarowaniu przestrzennym i zabudowie mo e znale zastosowanie w przypadku bada wp ywu konkretnej inwestycji budowlanej (nowa szko a, centrum handlowe) na warunki ruchowe w sieci, zw aszcza w okolicach planowanej inwestycji. Bibliografia 1. Podoski J.: Transport w miastach. Wydawnictwo WK, Warszawa, Ortuzar J. D., Willumsen L.: Modelling Transport. Wiley, Burgess W.E.: The growth of the city. The City, University of Chicago Press, Hoyt H.: The Structure and Growth of Residential Neighborhoods in American Cities. Landmark Publication Housing, Harris D. Ch., Ullman L. E.: The nature of cities. Annals of the American Academy of Political and Social Science 242/1945, s Rieser M., Nagel K., Beuck U., Balmer M., Rümenapp J.: Truly agent- oriented coupling of an activitybased demand generation aith a multi- agent traffic simulation. Transportation Research Record 2021, 2007, s Pi tkowski B., Maciejewski M.: Zastosowanie map OSM w budowie modelu sieci dla aglomeracji pozna skiej. Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzyszenia In ynierów i Techników Komunikacji Rzeczypospolitej Polskiej, Oddzia w Krakowie, 2(98)/2012, s Maerivoet S., Moor B.: Transportation Planning and Traffic Flow Models, arxiv: [physics.soc-ph]. 11. Krych A. i in.: KBR Pozna 2000 diagnoza i wnioski, Biuro In ynierii Transportu BIT, Pozna, Szarata A.: Aktualizacja modelu symulacyjnego aglomeracji pozna skiej wraz z prognozami, raport niepublikowany, Kraków, 2009.

9 Zastosowanie danych GIS o zagospodarowaniu przestrzennym w mikroskopowej 419 APPLICATION OF GIS LAND USE DATA IN MICROSCOPIC TRAFFIC SIMULATION Summary: The paper presents an algorithm for activity location choice based on GIS land use data. In the first part, the issue of dividing a study area into zones and its drawbacks are discussed. To solve the problems related to the use of centroids, one may apply uniform location distribution within each zone. Unfortunately, in the case of non-homogeneous zones, this approach leads also to some inaccuracies. The solution is a land-use-based location choice method, which is described in the paper. The idea of the method is explained with an example of a traffic model of the Poznan agglomeration. To show the effects of using land use data, visualizations of activity location distribution are presented, obtained both with and without land use data. Keywords: land use, microscopic traffic simulation, activity location choice