-Fluss in Netzwerken- Analyse von Netzwerken

von Joachim Teusnervon Joachim Teusner

Gliederung

Wozu braucht man Fluss in NetzenWozu braucht man Fluss in Netzen Arten von NetzwerkenArten von Netzwerken Flusseigenschaften (Grundvoraussetzungen)Flusseigenschaften (Grundvoraussetzungen) Utility Network AnalystUtility Network Analyst Anzeigen der FliessrichtungAnzeigen der Fliessrichtung Aufgabe 1Aufgabe 1 Suche in Netzen (Tracing)Suche in Netzen (Tracing) GewichteGewichte Aufgabe 2Aufgabe 2

Motivation: Wozu benötigt man Netzwerkfluss?

- - Netzwerke simulieren z.B. Strassen, Netzwerke simulieren z.B. Strassen, Leitungen oder Eisenbahnlinien Leitungen oder Eisenbahnlinien

- Mit Hilfe von Gewichten und Fluss lassen sich Mit Hilfe von Gewichten und Fluss lassen sich komplexe Zusammenhänge gut verdeutlichenkomplexe Zusammenhänge gut verdeutlichen

- Anwendungsbereiche:Anwendungsbereiche:

- Bus- und Bahnfahrpläne- Bus- und Bahnfahrpläne- Wasserversorgungsnetze- Wasserversorgungsnetze- Stromleitungen - Stromleitungen - Berechnung des kürzesten- Berechnung des kürzesten Weges Weges - Störfallanalyse- Störfallanalyse

Die Topologie der abgebildeten Objekte bleibt erhalten mittels Generalisierung, Entfernung des Kontextes sowie Entzerrung

Wie arbeitet ArcInfo mit Netzwerken?

- ArcInfo verwendet für Berechnungen - ArcInfo verwendet für Berechnungen innerhalb des Netzwerkes (Trace operations) innerhalb des Netzwerkes (Trace operations) implementierte Algorithmen.implementierte Algorithmen.

- Dijkstra, Floyd- Dijkstra, Floyd

Man unterscheidet zwei Arten von Netzwerken mit Fluss:

11.) Transportnetze: .) Transportnetze: Innerhalb dieser Netze fließen die Objekte nicht Innerhalb dieser Netze fließen die Objekte nicht fremdbestimmt sondern haben ihren „eigenen fremdbestimmt sondern haben ihren „eigenen

Willen“ Willen“

Beispiele: Beispiele: -Ein Straßennetzwerk-Ein Straßennetzwerk -Bestimmung der kürzesten Wege-Bestimmung der kürzesten Wege -Schwierig: wie simuliert man z.B. Einbahnstraßen-Schwierig: wie simuliert man z.B. Einbahnstraßen

22.) Versorgungsnetze:.) Versorgungsnetze:

Hier ist die Fließrichtung durch die Topolgie Hier ist die Fließrichtung durch die Topolgie des des Netzes sowie die Lage der Sources und Sinks Netzes sowie die Lage der Sources und Sinks

bestimmt.bestimmt.

Beispiel:Beispiel:-Wasser fließt durch Leitungen, wobei die -Wasser fließt durch Leitungen, wobei die

Fließrichtung vom Source Fließrichtung vom Source (Wasserkraftwerk) (Wasserkraftwerk) bestimmt wird. bestimmt wird.

-Kann Versorgung von Haushalten auch bei -Kann Versorgung von Haushalten auch bei defekten Leitungen gewährleistet defekten Leitungen gewährleistet

werden?werden?

Flusseigenschaften I:

- Innerhalb eines Netzwerkes besitzt jeder Punkt - Innerhalb eines Netzwerkes besitzt jeder Punkt und jede Kante die Eigenschaft:und jede Kante die Eigenschaft:

=> Enable/Disable=> Enable/Disable !WICHTIG!

Nur wenn diese Eigenschaft auf ENABLE Nur wenn diese Eigenschaft auf ENABLE steht ist Fluss und Suchen in steht ist Fluss und Suchen in Netzwerken möglich.Netzwerken möglich.

- Jedes Netzwerk besteht aus simplen und - Jedes Netzwerk besteht aus simplen und komplexen Knoten und Kantenkomplexen Knoten und Kanten

Ändern der Darstellung Enable/ Disable

Rechtsklick auf den gewünschten Layer und Properties auswählen

Unter Symbology im Value Field die Eigenschaft Enable wählen

Flusseigenschaften II

Entscheidend für den Fluss sind die Sources und Sinks. Sie Entscheidend für den Fluss sind die Sources und Sinks. Sie definieren die Fließrichtung in einem Versorgungsnetzwerk. definieren die Fließrichtung in einem Versorgungsnetzwerk.

Nur Punkte können als Sources und Sinks definiert werden.Nur Punkte können als Sources und Sinks definiert werden.

Sink (Abfluss): Hier fließen Waren hin (z.B. Kanal)Sink (Abfluss): Hier fließen Waren hin (z.B. Kanal)

Source (Quelle): Von hier fließen Waren weg Source (Quelle): Von hier fließen Waren weg (z.B. Wasserkraftwerk)(z.B. Wasserkraftwerk)

Welche feature-Klassen im geöffneten Netzwerk als Sources und Sinks fungieren können wird beim Erstellen des Netzwerkes festgelegt.

Diese feature Klassen haben in ihrem Layer unter Properties Diese feature Klassen haben in ihrem Layer unter Properties - Symbology das wählbare Wertefeld:- Symbology das wählbare Wertefeld:

=> ANCILLARY ROLE=> ANCILLARY ROLE

Eine Domain der Datenbank in dem sich die Informationen über Sources und Sinks befinden

Mit Klick auf Add All Values werden alle Punkte der Domain zugefügt.

Anzahl der Sources und Sinks

Werte der S. und S.:

0 = None

1 = Source

2 = Sink

Ändern von Symbolen

Zum ändern von Symbolen gibt es zwei Möglichkeiten:

1: Mit Doppelklick auf das zu ändernde Symbol

2: Mit Rechtsklick auf den Layer dann unter Properties - Symbology

Hier lassen sich die gewünschten Symbole auswählen und deren Farbe, Winkel, Größe,.......ändern.

Ändern einzelner Punkt-/Kanten -Attribute

Objekt mit Editorpfeil anwählen

Mit Klick auf Arttribute table öffnet sich die Attribut Liste des Objektes

Gewünschte Aktion durchführen und mit save edits Änderungen wirksam machen

jteusner:

Soweit die Grundvoraussetzungen für Fluss in Netzwerken und dessen Darstellung

Zur Bestimmung des Flusses und dessen Analyse in Netzwerken muss eine neue Toolbar eingeführt werden.

=> UTILITY NETWORK ANALYST TOOLBAR

Diese Toolbar ist in zwei Teile aufgeteilt:Diese Toolbar ist in zwei Teile aufgeteilt:

Das Flow MenueDas Flow Menue Trace MenueTrace Menue

Das Flow Menue

Wahl des Netzwerkes

Für welche Layer Flusspfeile angezeigt werden

Anzeigen der Flusspfeile An / Aus

Flow - Properties

Auf dieser Karteikarte können die Pfeilsymbole der drei Fliessarten geändert werden

Einstellungen für die Darstellung der Flusspfeile.

Die drei Flussarten

Determinate flow:Determinate flow:Der Fluss ist durch die Topologie des Netzwerkes sowie Der Fluss ist durch die Topologie des Netzwerkes sowie die Lage der Sources und Sinks eindeutig bestimmt.die Lage der Sources und Sinks eindeutig bestimmt.

Indeterminate flow:Indeterminate flow:Die Fließrichtung ist nicht eindeutig festgelegt.Die Fließrichtung ist nicht eindeutig festgelegt.

Unitialized flow:Unitialized flow:Uninitialisierter Fluss entsteht wenn ein Punkt bzw. eine Uninitialisierter Fluss entsteht wenn ein Punkt bzw. eine Kante defekt ist und somit den Fluss blockiert. Kante defekt ist und somit den Fluss blockiert.

Anzeigen der FließrichtungAnzeigen der Fließrichtung

Wichtig!!! alle Änderungen am Netz müssen mit geöffnetem Editor erfolgenWichtig!!! alle Änderungen am Netz müssen mit geöffnetem Editor erfolgen Probleme: Viele Details müssen beachtet werdenProbleme: Viele Details müssen beachtet werden

Der Set Flow direction Button berechnet den Fluss automatisch

Wenn die Lage der Sources und Sinks richtig gewählt wurde und der Status aller Layer enabled ist, sollte Fluss möglich sein.

Aufgabe 1

-- Kopiert Kopiert den Ordner V:\Joachim\Übung Nr.1 auf euer den Ordner V:\Joachim\Übung Nr.1 auf euer Verzeichniss auf Verzeichniss auf U:\U:\ (anschl. ArcCatalog schließen) (anschl. ArcCatalog schließen)

Öffnet nun in ArcMap das Wassernetz:Öffnet nun in ArcMap das Wassernetz:Montgomery Database\water\Montgomery Database\water\

Ändert im Layer Wassertanks die Punkte 5, 7 und 12 Ändert im Layer Wassertanks die Punkte 5, 7 und 12 in Sources und den Punkt 6 als Sink (stellt die in Sources und den Punkt 6 als Sink (stellt die Ancillary Role dar)Ancillary Role dar)

Der „Flusspfeil“ (determinate Flow) soll in Farbe blau Der „Flusspfeil“ (determinate Flow) soll in Farbe blau und Größe 10 geändert werden.und Größe 10 geändert werden.

Für den enable-Status der Kanten (distrib mains) soll Für den enable-Status der Kanten (distrib mains) soll zudem die Farbe grün, für disable die Farbe rot zudem die Farbe grün, für disable die Farbe rot gewählt werdengewählt werden

Stellt nun den Fluss im Netzwerk dar.Stellt nun den Fluss im Netzwerk dar.

Suche in Netzwerken (Tracing)

- Die rechte Seite des Network Analyst dient zur Analyse von Netzwerken.

- Hierzu werden 9 verschiedene Suchalgorithmen in ArcMap angeboten.

- Die wichtigsten:

- shortest path

- find connected

- find common ancestors

Fahnen und Barrieren

Fahnen:Fahnen:Sie definieren Start und Endpunkte von Sie definieren Start und Endpunkte von Suchvorgängen (Trace operations)Suchvorgängen (Trace operations)

Barrieren:Barrieren:Barrieren sind Objekte die Kanten oder Barrieren sind Objekte die Kanten oder

Punkte für Punkte für Suchvorgänge blockierenSuchvorgänge blockieren

=> Gut geeignet für Simulation von Störfällen=> Gut geeignet für Simulation von Störfällen

Setzen von Fahnen und Barrieren

Art von Fahnen und Barrieren werden hier ausgewählt.

Fahne kann nur auf Punkte gesetzt werden.

Fahne kann auf einer Kante plaziert werden.

Barriere kann nur auf Punkte gesetzt werden.

Barriere kann auf einer Kante plaziert werden.

Das gewählte Objekt kann nun mit Klick auf die gewünschte Position plaziert werden.

Die Analyse Schaltfläche

Fahnen, Barrieren bzw. die Resultate der Suche werden hier gelöscht.

Auf dieser Schaltfläche lassen sich einzelne Layer für Trace Operations blockieren.-

Analyse Optionen- Erlaubt es eine Suche (Analyse) genau Erlaubt es eine Suche (Analyse) genau

abzustimmenabzustimmen

Besteht aus: Besteht aus: -Allgemein-Allgemein-Gewichte-Gewichte-Gewichtfilter-Gewichtfilter-Ergebnisse-Ergebnisse

Allgemeine Einstellungen

Welche faetures bei der Suche genutzt werden

Snapping tolerance für Fahnen und Barrieren

Gewichte

Gewichte für Knoten

Gewichte für Kanten

-z.B.: Reduzierer

Ventile

Zu unterscheiden:

Von–Zu-Gewicht

Zu-Von-Gewicht

In ArcGIS verwenden nur die find path, find path upstream und find upstream accumulation Gewichte für Suchoperationen.

Gewichtfilter

Ein Gewichtfilter limitiert die Suche und beschleunigt sie somit

Kantenwerte die von der Suche ausgeschlossen sind.

Ergebnisse

Das Suchergebniss kann entweder als Zeichnung oder als Auswahl ausgegeben werden

Auswahl welche Ergebnisse ausgegeben werden

Kanten und Punkte sind an Suche beteiligt

Ausgabe der Suchergebnisse 1:

Hier wird das Ergebniss der Suche als Zeichnung ausgegeben

ArcInfo zeichnet eine neue Linie über die bestehenden Netzwerkelemente

Ausgabe der Suchergebnisse 2:Ausgabeart: Selection

ArcInfo zeigt im Attribut-table dann die beteiligten Punkte bzw. Kanten an.

Die 9 Suchverfahren

Hier werden die Suchverfahren ausgewählt

Mit dem Solve Button wird die Suche gestartet

Trace downstream:Trace downstream: Zeigt alle Objekte, ab dem markierten Punkt an, die Zeigt alle Objekte, ab dem markierten Punkt an, die

der Fliessrichtung folgen. der Fliessrichtung folgen.

Trace upstream:Trace upstream: Zeigt alle Objekte, ab dem markierten Punkt an, Zeigt alle Objekte, ab dem markierten Punkt an, die entgegen der Fliessrichtung liegen. die entgegen der Fliessrichtung liegen.

Find path upstream:Find path upstream:Sucht den schnellsten Weg vom markierten Punkt bis Sucht den schnellsten Weg vom markierten Punkt bis hin zur Quelle.hin zur Quelle.

Find common ancestors:Find common ancestors:Gibt die gemeinsamen Vorgänger bis hin zur Gibt die gemeinsamen Vorgänger bis hin zur Quelle an. Quelle an.

Find connected/ disconectedFind connected/ disconected

Zeigt alle Knoten und Kanten an, die mit einer Zeigt alle Knoten und Kanten an, die mit einer markierten Fahne (nicht) verbunden sindmarkierten Fahne (nicht) verbunden sind

Find loops:Find loops:Sucht alle Wege von einem Punkt A wieder zu diesem Sucht alle Wege von einem Punkt A wieder zu diesem Punkt. Punkt. Ein Weg von A nach A heißt ZyklusEin Weg von A nach A heißt Zyklus (GiS 1) (GiS 1)

A

Find path:

Hier sucht das Programm den kürzesten Weg von Hier sucht das Programm den kürzesten Weg von einem Punkt A zum Punkt B => siehe Dijkstraeinem Punkt A zum Punkt B => siehe Dijkstra

Wenn die Ausgabe der Suchergebnisse auf Settings Wenn die Ausgabe der Suchergebnisse auf Settings steht können mittels des Attribut-tables die Gewichte steht können mittels des Attribut-tables die Gewichte angezeigt werden angezeigt werden

Aufgabe Nr. 2

-- Kopiert den Ordner V:\Joachim\Übung Nr.2 auf euerer Kopiert den Ordner V:\Joachim\Übung Nr.2 auf euerer Verzeichnis U:\Verzeichnis U:\

- Öffnet in ArcMap das geometrische NetzwerkÖffnet in ArcMap das geometrische Netzwerk- Aufgrund starker Verunreinigung kann die Leitung 564 die Aufgrund starker Verunreinigung kann die Leitung 564 die

nächsten zwei Monate nicht mehr genutzt werden.nächsten zwei Monate nicht mehr genutzt werden.- Konstruiert eine neue Verbindung zwischen der Quelle Konstruiert eine neue Verbindung zwischen der Quelle

und den Verbrauchern der Südstadt (Fluss anschl. neu und den Verbrauchern der Südstadt (Fluss anschl. neu berechnen)berechnen)

- Überprüfe anschließend die Richtigkeit der neuen Überprüfe anschließend die Richtigkeit der neuen Verbindung mittels Tracing zur neuen Quelle (z.B.find Verbindung mittels Tracing zur neuen Quelle (z.B.find path upstream, find connected, find path )path upstream, find connected, find path )

- Blockiert anschließend die neue Verbindung mit Hilfe von Blockiert anschließend die neue Verbindung mit Hilfe von Barrieren oder ausschalten einzelner Layer und modelliert Barrieren oder ausschalten einzelner Layer und modelliert mögliche Ersatzversorgungen. mögliche Ersatzversorgungen.