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Text und Graphiken der Seite sind einem Poster des Instituts für Kartographie der TU Dresden entnommen. Bearbeiter: Dr. Nikolas Prechtel, Mario Pollack
Zeitbedarf in Verkehrsnetzen - Beispiel ÖPNV Dresden
Datenaufbereitung, Modellierung, kartographische Umsetzung mit ARC/INFO
Lehr- und Forschungsprojekt (1997 - 2000)
Leitung und Vorstudie: Dr. Nikolas Prechtel
Bearbeitung und Implementierung: Mario Pollack
Zielstellung
Die Analyse des Zeitaufwandes für periodisch und aperiodisch zurückzulegende Wegstrecken ist höchst planungsrelevant. Seit Beginn einer systematischen Siedlungs- und Verkehrsplanung wird der Versuch unternommen, die Standorte der wichtigsten menschlichen Daseinsfunktionen effektiv zu verknüpfen, bzw. bestehende Strukturen im Sinne einer volkswirtschaftlich, betriebswirtschaftlich und nicht zuletzt ökologischen Optimierung aufeinander abzustimmen.
Die Analyse wie auch kartographische Umsetzung von Verkehrsströmen sollen im Dienst einer Objektivierung, Beschleunigung und Transparenz der Verkehrsplanung stehen. Der Individualverkehr wird dabei stark durch privatwirtschaftliche Aktivitäten und Produktentwicklungen bedient, wie die operationellen Instrumente zur Routenplanung und Navigationshilfe von Fahrzeugen beweisen. Im vorliegenden Projekt gilt das Augenmerk daher dem öffentlichen Personennahverkehr. Als Beispiel wird das Verkehrsnetz der Dresdner Verkehrsbetriebe gewählt.
Folgende Primärziele wurden verfolgt:
1) Realitätsnahe, räumlich wie zeitlich hochaufgelöste Modellierung des Zeitbedarfs:
Quellgebiet beliebig (gewähltes Beispiel Stadtgebiet Dresden)
Zielgebiet erfasste Gesamtfläche
Nutzung von beliebigen Verkehrsträgern einschließlich mehrfachen Umsteigens
Haltestellenzugang durch Geschwindigkeitsmodellierung beliebig (z.B. zu Fuß oder mit Rad)
frei wählbarer Zeitkorridor.
2) Streng parametrisierte Erfassungs- und Modellierungsvorschriften
3) Weitestgehene Automatisierung der Zeitberechnung durch Kombination existenter Daten: digitaler Fahrplan der Dresdner Verkehrsbetriebe sowie topologischer und attributierter Vektordatensatz aller Dresdner Verkehrswege
4) Schaffung eines generischen Datenmodells und Implementierung aller wesentlichen Schritte einschließlich grafischer Menues innerhalb der GIS-Software ARC/INFO
5) Ergebnisvisualisierung über allgemein nutzbaren Zeichenschlüssel für die Kombination von Lage- und Zeitkomponenten
6) Automatisierte Kartenerzeugung mit verschiedenen Gestaltungsvarianten.
Lag in der Vorstudie 1997/98 noch der Schwerpunkt in der kartographischen Signaturierung und Gestaltung bei gleichzeitig eingeschränkter Automatisierung der Zeitberechnungen und Nutzung mehrerer Softwarepakete, so liegt als Ergebnis der Entwicklungsarbeiten nunmehr eine geschlossene, semi-operationelle Lösung vor, die weder an einen konkreten Fahrplan (Aktualisierungsproblem), noch an den Ort der Studie (Dresden) gebunden ist. Voraussetzungen sind einzig der Zugriff auf gleichgeartete Datenmodelle bei Fahrplan und Verkehrswegenetz, während die eigentlichen Zeitmodellierungsmodule generisch sind. Diese Anforderungen bedingten umfangreiche Programmierung und Anpassungen innerhalb der GIS-Software ARC/INFO. Dabei sollte und mußte auf im Programm implementierte Routenoptimierungsalgorithmen zurückgegriffen werden. Jedoch werden die Randbedingungen aus komplexen relationalen Datenstrukturen ermittelt, und die Optimierung läuft iterativ ab.
Eingangsdaten und Vorverarbeitung
Als Eingangsdaten für die Zeitmodellierung wurden die digitalen Fahrplandaten der Dresdner Verkehrsbetriebe AG (EPON) als ASCII-Tabellendumps genutzt. Die Originaldaten liegen in 18 Einzeltabellen vor, welche zahlreiche für das Betriebsmanagement relevante Informationen liefern und nur in Teilen ("FRT", "LIN" und "ORT") für die Fragestellung relevant sind. Ein Ortsbezug der Fahrplandaten ist nur indirekt über die Haltestellennamen und Ortsnummern gewährleistet. Numerische Lagekoordinaten liefert ein digitales Straßen-, Wege- und Liniennetz des Dresdner Stadtgebietes, welches am Institut für Kartographie in ARC/INFO aufgebaut wurde und damit bereits die Sachdatenstruktur einer "Linecoverage" ("NAT", "AAT") aufweist. Das Zusammenspiel gibt schematisch Abbildung 1 wieder.
Programmablauf
Die Implementierung erfolgte mit der ArcMacroLanguage, einer Metasprache in ARC/INFO. Alle Schritte können aus grafischen Oberflächen angestoßen werden und laufen vollautomatisch ab. Eine Ausnahme bildet Schritt 1.2, die Erstellung des geometrischen Lagebezugs, der aus den Eingangsdaten nicht abgeleitet werden und bei dem das Programm die Interaktion nur unterstützen kann.
Folgende Hauptschritte werden durchlaufen:
1. Datenvorverarbeitung
Wandlung der EPON-Fahrplantabellen unter Reduktion auf notwendige Attribute (Items) in INFO-Tabellen
Verknüpfung der Fahrplandaten mit der Streckengeometrie
Überführung relativer in absolute Zeitangaben für die Gesamtheit aller Kanten des Streckennetzes
2. Zeitbedarfsberechnung
Zeitberechnung innerhalb des Streckennetzes
Abbildung der Zeitbedarfswerte auf Knoten des digitalen Straßen- und Wegenetzes
Berechnung des Zeitbedarfs außerhalb des Streckennetzes
3. Extrapolation auf die gesamte Stadtfläche
"lückenlose" Zeitberechnung durch Extrapolation über Pufferbildung von den Knoten aus
4. Automatische Kartenerzeugung
Situationsaufbau (evt. auch weiterer nicht-thematischer Ebenen)
ÖPNV-Streckennetzüberlagerung
Einblenden der Fahrzeiten zu jeder Haltestelle
Isochronengenerierung
Aufbau der Kartenrahmeninhalte
Ausblick
Die Einbindung von Fahrplaninformation in ein GIS ist naheliegend. Das Betriebsmanagement von Verkehrsbetrieben, aber auch die Schnittstelle zum Kunden (z.B. Fahrplanaushänge, Streckennetzinformation) laufen auf der Basis digitaler Daten und Softwaretools. Gleichzeitig sind digitale topographische Karten oder - für große Maßstäbe - digitale Stadtkarten in hoher Qualität und Aktualität verfügbar. Mit vertretbarem Aufwand lassen sich diese Primärdaten in leistungsfähigen GISes koppeln und hierbei neue Qualitäten erzielen. Da Softwareentwicklungen auf standardisierten Datenmodellen basieren, ist ein gewisser Aufwand zur Anpassung an das verwandte Datenmodell gegeben. Diesem Aufwand, der in der Regel nur einmal (und im Falle veränderter Ortsbezüge bei einer Fahrplanumstellung) anfällt, steht ein hohes Modellierungspotential gegenüber. Stellvertretend seien hierzu Anmerkungen über die dargestellten Beispiele hinaus gegeben:
flächendeckende Analyse der Qualität der ÖPNV-Erschließung durch Abweichungen zwischen durchschnittlichen oder angestrebten Zeitbedarf als Funktion der Entfernung und realem Zeitbedarf.
flächendeckende Analyse der Veränderungen im Zuge von Fahrplanänderungen.
Defizite bei der vorgestellten Zeitbedarfsmodellierung unter Nutzung der Software ARC/INFO und damit der Zwang zu relativ aufwendigen "work-arounds" bei der Implementierung sind vor allem durch zwei Punkte gegeben:
Fehlen einer 3D-Topologie (automatische Knotenbildung bei Linienschnitt in der Kartenebene)
keine direkte Eingriffsmöglichkeit in den Optimierungsalgorithmus (keine Veränderungsmöglichkeit der Eingangsparameter im Zuge der Optimierung).
Danksagung
Für Anregungen zur Kartengestaltung danken wir den Studenten der Lehrveranstaltung "Thematische Kartographie" im Sommersemester 1997, für die Überlassung von und freundliche Erläuterungen zu den Fahrplandaten den beteiligten Mitarbeitern der Dresdner Verkehrsbetriebe.
Kartenbeispiele
Zeitbedarf vom Startpunkt "Postplatz" um 6:00 Uhr (2.11.1999), Farbskala: Modifizierte Spektralfarben
Zeitbedarf vom Startpunkt "Bühlau" um 6:00 Uhr (2.11.1999), Farbskala: Chromostereoskopisch
Zeitbedarf vom Startpunkt "Trachenberger Platz" um 6:00 Uhr (2.11.1999), Farbskala: Höhenschichten
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