СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ДОСТУПНОСТИ РАЙОНОВ НАСЕЛЁННОГО ПУНКТА
METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING, VISUALIZING AND PREDICTING TRANSPORT ACCESSIBILITY OF AREAS OF SETTLEMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение «Способ и система для определения, визуализации и прогнозирования транспортной доступности районов населенного пункта» относится к навигационной системе для лиц, использующих городской или пригородный общественный транспорт для передвижения между различными районами и отдельными местами населенного пункта и его окрестностей.
Уровень техники
Для осуществления навигации пассажиры используют множество источников информации о маршрутах и расписаниях движения общественного транспорта. К самым консервативным из них можно отнести информационные таблички, устанавливаемые на остановочных пунктах, со списком проходящих маршрутов общественного транспорта и интервалами движения. Некоторые павильоны, в дополнение, содержат статическую карту, на которой можно увидеть схему движения маршрутов через близлежащие остановки (в пределах одного километра). В последнее годы в крупных городах появились электронные табло, информирующие пассажиров о прогнозном времени прибытия автобусов (троллейбусов, трамваев, маршрутных такси) на остановку.
Кроме этого, в настоящее время существует несколько мобильных приложений и веб-сервисов, целью которых является помочь пользователям добраться из одной точки города в другую с помощью общественного транспорта. К таким программам можно отнести «Яндекс.Транспорт» (от компании Яндекс), «Умный транспорт» (от одноименной компании), а также многочисленные веб-порталы. Как правило, данные системы отображают на экране пользовательского устройства метки общественного транспорта в режиме, близкому к реальному времени, и предсказывают время прибытия на ту или иную остановку.
Однако, при планировании своей поездки пассажира во многом интересует время, которое он реально потратит при перемещении в конечный пункт его маршрута. Обычно, в больших городах существует множество альтернативных маршрутов, которыми может воспользоваться житель, чтобы добраться из одной точки в другую. Оперативно оценить, какой именно маршрут будет для него наиболее выгодным и сколько времени он займет, остается для перечисленных выше источников нерешенной задачей. Ситуация усложняется тем, что зачастую во время поездки пассажир выполняет пересадку на одном или нескольких остановочных пунктах.
По сути, данные инструменты в той или иной степени бесполезны при планировании пассажиром своих перемещений, что особенно актуально в современных мегаполисах в условиях ускоренного ритма жизни. Особенно остро такая проблема может стоять перед лицами, не проживающими постоянно в данной местности. Туристам, транзитным пассажирам и командировочным лицам зачастую сложно оперативно сориентироваться в плане выбора нужного маршрута общественного транспорта и общей оценки доступности тех или иных мест в городе.
Косвенно оценить время поездки можно с помощью программ, выводящей на пользовательский экран текущую загруженность дорог (например, такую возможность предоставляет сервис «Яндекс.Карты» с включенным дополнительным слоем от сервиса «Яндекс.Пробки»). Однако, следует признать, что подобные приложения более актуальны для автомобилистов. Движение общественного транспорта в современном мегаполисе существенно отличается от движения других транспортных средств. В частности, в крупных городах на центральных улицах существуют выделенные полосы для движения общественного транспорта. По данным полосам автобусы и троллейбусы двигаются, как правило, быстрее, чем находящиеся в заторе транспортные средства в соседних полосах. Аналогично, трамвайные пути, проложенные рядом с основной транспортной магистралью, обеспечивают возможность более быстрого перемещения пассажира.
Существуют и обратные ситуации, когда выход из строя одного трамвая влечет за собой прекращение движения всех следующих за ним. Таким образом, зачастую парализуется движение на одном или нескольких маршрутах. Кроме этого, троллейбус в силу конструкционных ограничений не всегда может объехать возникшее препятствие в виде припаркованных или попавших в дорожно-транспортное происшествие автомобилей.
В сервисе «Яндекс.Пробки» на основе информации о текущей загруженности дорог вычисляется единый балл (от 0 до 10), который характеризует степень общей загруженности дорожно-уличной сети отдельного населенного пункта. Данный показатель удобен для информационного восприятия общей дорожной ситуации, однако, по перечисленным выше причинам слабо подходит для пассажиров общественного транспорта. К факторам, которые формируют балл автомобильных пробок (метеоусловия, сезонность, ремонтные работы на дорогах, наличие дорожно-транспортных происшествий и пр.), сюда можно добавить наличие или отсутствие на линии подвижного состава, разветвленность и сбалансированность маршрутной сети общественного транспорта, расписание движения.
Следует отметить, что общее число пользователей общественного транспорта в городе не меньше числа автомобилистов. Однако, при поездке на общественном транспорте пассажир, в отличие от автомобилиста, ограничен существующими маршрутами и вынужден тратить время на ожидание нужного автобуса, трамвая или троллейбуса.
Сущность изобретения
Система определения, визуализации и прогнозирования транспортной доступности призвана упростить получение информации и общее восприятие текущей транспортной доступности районов и отдельных мест в мегаполисе. При планировании поездки на общественном транспорте система позволяет оперативно оценить время, которое будет затрачено на перемещение из одной точки в другую с учетом ожидания транспортного средства необходимого маршрута, проезда, пересадок, а также движения пешком от остановок до пунктов назначения. При этом, при наличии нескольких альтернативных маршрутов перемещения из одной точки в другую система позволяет предложить наилучший вариант.
Побочным применением предлагаемого способа определения транспортной доступности можно считать возможность оценки влияния некоторых изменений на общую картину работы общественного транспорта. Эта возможность использует математическое моделирование и основано на сравнении реально зафиксированной ситуации с гипотетическими, которые соответствуют различным сценариям развития событий.
Суть данного изобретения заключается в следующем. Вся территория города и близлежащие окрестности условно разбиваются на набор неперекрывающихся ячеек, образующих, таким образом, регулярную или нерегулярную координатную сетку. С целью удобства визуального восприятия информации размер ячеек определяется таким образом, чтобы расстояние между их центрами соответствовало пути, проходимого пешеходом за одну минуту. При средней скорости движения 5 км/ч это расстояние составляет около 83 метров. Следует заметить, что в ряде случаев размер ячейки можно выбрать другим - как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.
Внутри некоторых ячеек координатной сетки находятся остановки общественного транспорта. Если, кроме самой, в соседних ячейках также присутствуют остановки, то такой кластер ячеек можно рассматривать как пересадочный пункт - пассажир за относительно короткое время может пройти пешком между остановки и, таким образом, пересесть с одного маршрута на другой.
Собираемые с двигающихся по установленным маршрутам транспортных средств данные об их перемещениях (координаты, скорость, направление движения и т.д.) с использованием коммуникационных сетей (например, через сеть Интернет) передаются в единый центр обработки данных, где производится вычисление времен прибытий на каждые остановочные пункты. Таким образом, для каждого остановочного пункта на каждом маршруте определяются времена прибытий каждой единицы подвижного состава. Путем сравнения времен прибытия различных транспортных средств на одну остановку моделируется пересадка пассажира с одного маршрута на другой. Это существенно расширяет территориальный охват доступных друг другу пар остановочных пунктов. В типовом варианте время ожидания транспортного средства при пересадке составляет 15 минут. Однако, в качестве времени ожидания возможно установление любого другого разумного значения. Для полученных таким образом значений времен поездок между парами остановочных пунктов вычисляются различные статистики, например, средние значения, стандартные отклонения, медианы, перцентили. Полученная квадратная матрица размером N×N, где N - общее число остановочных пунктов в населенном пункте и окрестностях, описывает транспортную доступность между остановками общественного транспорта. Данная матрица называется матрицей доступности.
Рассмотрим пример. В следующей таблице в строках содержатся времена прибытий отдельных рейсов на каждую остановку по маршруту движения, в колонках - времена прибытий на отдельную остановку. Пустая ячейка таблицы означает, что через данную остановку рассматриваемый маршрут движения не проходит.
Видно, что у маршрутов №43 и №76 есть две общие остановки (D и X), где пассажиры с одного маршрута могут пересесть на другой. Таким образом, пассажиры из пункта А могут добраться в пункты С, D, X и Z (без пересадок на маршруте №43), а также в пункты W (с пересадкой на остановке D и дальнейшей поездкой по маршруту №76) и Y (с пересадкой на остановках D или X и дальнейшей поездкой по маршруту №76). Аналогично, пассажиры с остановки В могут доехать до пунктов D, W, X, Y (без пересадок на транспортном средстве, двигающемся по маршруту 76) и до пункта Z (с пересадкой на остановках D или X и дальнейшей поездкой по маршруту №43). Здесь для упрощения рассматриваются маршруты в одну сторону. Времена поездок от остановочного пункта А до других пунктов, таким образом, составляют:
Аналогично для остановочного пункта В:
Подобные вычисления необходимо произвести для всех остановок и маршрутов за интересующий интервал времени. Группируя полученные значения по парам «пункт отправления-пункт прибытия», вычисляются статистики, например, минимальное время движения, среднее значение, медиана и т.д. Например, для пары остановок «А-Х» (времена движения 35, 32, 34 и 36 минут) минимальное время составляет 32 минуты, а среднее - приблизительно 34 минуты. Полученная величина записывается в соответствующую ячейку матрицы доступности.
Для визуального восприятия информации на основе полученной матрицы доступности генерируются «тепловые карты». В каждой из них центр соответствует предполагаемой отправной точке - некоторой ячейке. Остальные ячейки «раскрашиваются» в соответствии с тем, насколько быстро в каждую из них можно добраться с использованием общественного транспорта. Ячейки, в которые вошли остановочные пункты, раскрашиваются непосредственно исходя из значений матрицы доступности. Остальные ячейки раскрашиваются и помечаются соответствующим образом из расчета движения пешком до близлежащей остановки. При этом, такое моделирование должно учитывать существующие физические ограничения на возможность перемещения между ячейками - реки, заборы, железные дороги, крупные транспортные магистрали и т.д.
Таким образом, соответствующая текущему местоположению пассажира «тепловая карта» позволяет ему оперативно получить информацию о транспортной доступности любых других мест города в рассматриваемый период времени. Выбрав на карте предполагаемую конечную цель путешествия, пользователь получит совет относительно выбора оптимального варианта - поездки на общественном транспорте и пешком. В случае выбора варианта с использованием общественного транспорта может быть предложен маршрут движения, который, вероятно, является наименее затратным по времени.
Предполагается, что применяемая цветовая схема визуально выделяет те районы и места города, которые являются труднодоступными. Например, светло-зеленым цветом отображаются близлежащие области населенного пункта (пользователь может попасть туда пешком, то есть независимо от работы общественного транспорта), а темно-красный цвет используется для областей, в которые пассажир попадет не раньше, чем, скажем, через один час. Возможно также применение других цветовых схем.
Интервал времени, который берется в расчет, может различаться для разных населенных пунктов и решаемых задач. Для оперативного контроля за текущей транспортной ситуацией такой интервал может не превышать одного часа. При создании статической карты, размещаемой на остановочных павильонах, исходные данные могут браться за несколько месяцев наблюдений.
Единый показатель транспортной доступности районов для всего города рассчитывается на основе матрицы доступности по некоторым заранее выбранным маршрутам, связывающим ключевые узлы мегаполиса (вокзалы, аэропорты, больницы, площади, крупные предприятия, жилые микрорайоны). Данные точки и маршруты выбираются на основе экспертного мнения и, естественно, уникальны для каждого населенного пункта. В зависимости от времени года и дня недели могут выбираться различные маршруты движения общественного транспорта. Например, в выходные дни из рассмотрения могут быть исключены маршруты, которые проходят рядом с крупными предприятиями, и дополнительно включены места массового скопления людей (торговые центры, парки отдыха и т.д.). Единая оценка транспортной доступности представляет собой целое число в некотором диапазоне (например, от 0 до 10). В отличие от балла о загруженности дорог, здесь меньшее значение соответствует низкой доступности. В частности, в ночное время, когда общественный транспорт в городе не функционирует, оценка будет равна нулю. Наибольшая оценка будет соответствовать случаю, когда перемещение по эталонным маршрутам будет максимально быстрым.
Прогнозирование транспортной доступности представляет собой оценку развития текущей ситуации в ближайшем будущем и осуществляется путем сравнения данных, соответствующих настоящему моменту времени, с накопленными ранее аналогичными данными за достаточно длинный период времени. Эффективным средством для решения подобной задачи является использование алгоритмов машинного обучения. При этом, может быть учтено множество дополнительных факторов, такие как, сезонность, текущие метеоусловия, прогноз погоды на ближайшее время, информация о пробках, дорожно-транспортных происшествиях и т.д. С одной стороны, увеличение количества таких факторов может повысить точность прогноза, но, с другой стороны, это потребует накопления и обработки большего количества исторических наблюдений.
Для визуализации информации может быть использованы:
- Экран мобильного пользовательского устройства (смартфона), ноутбука или стационарного персонального компьютера. Вывод осуществляется с привязкой к текущему или любому другому, выбранному пользователем, местоположению. Информация по запросу пользователя или с некоторой периодичностью обновляется по мере получения новых данных о движении транспортных средств по маршруту и их обработки.
- Мониторы, установленные в пассажирском салоне подвижного состава (автобуса, трамвая, троллейбуса). Данные мониторы отображают ситуацию с привязкой к текущему положению транспортных средств, в котором данный монитор установлен, и периодически обновляют ее по мере движения по маршруту, получения новых данных и их обработки. Вывод информации на монитор в салоне маршрутного транспортного средства позволяет пассажирам, не имеющим мобильного пользовательского устройства, получить полезную для них информацию относительно времени прибытия в пункт назначения.
- Остановочные павильоны с размещенной на них стационарной или электронной картой доступности. Стационарная, выполненная на бумажном носителе, карта получается на основе расчета усредненных за фиксированный период времени (например, за шесть месяцев) показателей доступности. В отличие от бумажной, электронная карта оперативно обновляется по мере поступления данных от транспортных средств и их обработки. Такие карты позволяют жителям и гостям города, ожидающим прибытия маршрутного транспортного средства, быстро оценить доступность других районов населенного пункта.
- Голосовые и иные информационные сообщения в средствах массовой информации (на радиостанциях и в телевизионных передачах). Подобные сообщения могут звучать следующим образом: «На данный момент времени работа общественного транспорта в городе оценивается в 7 баллов. Из-за возникшего дорожно-транспортного происшествия зафиксировано прекращение движения трамваев маршрутов 5 и 19».
Рассмотренный способ определения качества транспортной доступности отдельных районов населенного пункта создает основу для моделирования работы общественного транспорта в целом. Подобное моделирование позволяет оценить влияние различного рода изменений и может быть направлено:
- на оптимизацию количества единиц подвижного состава, находящегося на том или ином маршруте;
- на обоснование необходимости открытия нового, а также изменения или закрытия существующих маршрутов общественного транспорта;
- оценку действующих или планируемых расписаний движения;
Подобное моделирование осуществляется путем пересчета матрицы доступности, генерации «тепловых карт» и вычисления единой оценки транспортной доступности с использованием исходных данных, в которые искусственно вносятся изменения. К таким изменениям можно отнести:
- добавление на маршрут одной или нескольких единиц подвижного состава;
- исключение с маршрута одной или нескольких единиц подвижного состава;
- добавление одного или нескольких новых маршрутов движения;
- изменение одного или нескольких существующих маршрутов движения;
- удаление одного или нескольких существующих маршрутов движения;
Следует заметить, что изменения в данные могут быть внесены вручную (например, моделирование поломки автобуса в середине рабочего дня) или в автоматическом режиме программой (например, путем перебора всех возможных сценариев с целью поиска оптимального решения).
В целом, предложенная система может быть полезна:
- Пассажирам, пользующимся общественным транспортом. Пользователи в наглядной форме могут оценить время прибытия в пункт назначения с учетом всех этапов - ожидания транспортного средства, поездки, пересадок, а также движения пешком от остановок до пунктов назначения. Кроме этого, путем подсказок система поможет выбрать оптимальный маршрут, актуальный в настоящее время.
- Лицам, ответственным за организацию пассажирских перевозок. Данные лица могут использовать систему для мониторинга качества осуществляемых пассажирских перевозок, обоснования существующих или предлагаемых маршрутов и расписания движения.
- Предпринимателям, планирующим открыть новый маршрут, добавить новую транспортную единицу, изменить расписание или интервалы движения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 описывает основные этапы вычислений от построения координатной сетки до генерации «тепловых карт» и вычисления единой оценки транспортной доступности. На фиг. 2 показана схема взаимодействия компонентов системы на всех этапах от сбора «сырых» данных до визуализации конечного результата. Фиг. 3 описывает взаимодействие компонентов системы при решении задачи моделирования работы общественного транспорта.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Установленные в каждой единице подвижного состава (автобусе, трамвае, троллейбусе) оборудование спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС через глобальную коммуникационную сеть передают данные о текущих координатах, скорости и направлении движения транспортного средства. Эти данные поступают в подсистему обработки информации (стадия 1 на фиг. 2), которая сохраняет их в подсистему хранения маршрутных графов и исторических данных (стадия 2). Маршрутные графы вносятся единожды и модифицируются при необходимости в случае изменения маршрутов общественного транспорта.
Вычислительная подсистема периодически запрашивает данные из подсистемы хранения (стадия 3). Подсистема хранения возвращает действующие маршрутные графы и «сырые» данные о перемещениях транспортных средств (стадия 4). Вычислительная подсистема выполняет необходимые расчеты в соответствии с описанной выше методикой и получает сведения о транспортной доступности, включая единую оценку и прогноз.
Результаты выполненных расчетов сохраняются в базе данных (стадия 5), откуда извлекаются подсистемой визуализации (стадии 6 и 7). Сохранение в базе результатов отдельных расчетов необходимо для быстрого доступа к историческим данным без необходимости повторного перерасчета в вычислительной подсистеме.
Подсистема визуализации преобразует данные в формат, необходимый для доставки по тому или иному каналу коммуникации с жителями города. Информация в различных форматах передается подсистеме обработки информации (стадия 8), откуда через глобальную или другую коммуникационную сеть (стадия 9) поступает потребителям:
- на электронные табло, находящиеся на остановочных пунктах (стадия 10);
- на мониторы, расположенные в пассажирских салонах единиц подвижного состава (стадия 11);
- через средства массовой информации (радиопередачи и телевизионные программы) (стадия 12);
- в стационарные и мобильные пользовательские устройства (стадия 13).
При моделировании работы общественного транспорта дополнительно используется подсистема моделирования и отдельная программ, установленная на стационарное и мобильное пользовательское устройство. Следует заметить, что моделирование осуществляется с использованием архивных данных, без необходимости сбора текущих данных с работающих на линии транспортных средств. Кроме этого, в силу ограниченности круга лиц, проводящих такое моделирование, отсутствует необходимость в передаче результатов по приведенным выше каналам коммуникации. Как правило, для взаимодействия с подсистемой моделирования (вводом параметров, управляющих команд и просмотром результатов моделирования) достаточно стационарного персонального компьютера с установленным специализированным программным обеспечением. Вышесказанное обосновывает, что подсистема обработки информации исключена из цепочки взаимодействующих компонентов (см. фиг. 3).
С использованием графического интерфейса программы моделирования подсистеме моделирования передаются управляющие команды и параметры (стадия 14 на фиг. 3). Подсистема моделирования запрашивает действующие маршрутные графы и архивные данные, соответствующие переданным параметрам моделирования (стадия 15). Полученные от подсистемы хранения «сырые» данные (стадия 16) передаются в вычислительную подсистему (стадия 17). Вычислительная подсистема выполняет необходимые расчеты в соответствии с описанной выше методикой и получает матрицу доступности, которая соответствует заданному сценарию моделирования. Результат моделирования сохраняется в базе данных расчетов (стадия 18), откуда передается в пользовательский интерфейс программы моделирования (стадия 19). С целью визуального сравнения «тепловых карт», соответствующих различным сценариям моделирования, матрицы доступности передаются в подсистему визуализации (стадия 20), откуда сгенерированные «тепловые карты» возвращаются в программу моделирования (стадия 21). Пользователь сравнивает «тепловые карты» и единые оценки транспортной доступности и делает вывод о влиянии предложенного в сценарии моделирования изменения на картину транспортной доступности в целом.