Fluss in Netzwerken - Analyse von Netzwerken

1. Fluss in Netzwerken- Analyse von Netzwerken von Joachim Teusner

2. Gliederung • Wozu braucht man Fluss in Netzen • Arten von Netzwerken • Flusseigenschaften (Grundvoraussetzungen) • Utility Network Analyst • Anzeigen der Fliessrichtung • Aufgabe 1 • Suche in Netzen (Tracing) • Gewichte • Aufgabe 2

3. Motivation: Wozu benötigt man Netzwerkfluss? - Netzwerke simulieren z.B. Strassen, Leitungen oder Eisenbahnlinien • Mit Hilfe von Gewichten und Fluss lassen sich komplexe Zusammenhänge gut verdeutlichen • Anwendungsbereiche: - Bus- und Bahnfahrpläne - Wasserversorgungsnetze - Stromleitungen - Berechnung des kürzesten Weges - Störfallanalyse

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

5. Wie arbeitet ArcInfo mit Netzwerken? - ArcInfo verwendet für Berechnungen innerhalb des Netzwerkes (Trace operations) implementierte Algorithmen. - Dijkstra, Floyd

6. Man unterscheidet zwei Arten von Netzwerken mit Fluss: 1.) Transportnetze: Innerhalb dieser Netze fließen die Objekte nicht fremdbestimmt sondern haben ihren „eigenen Willen“ Beispiele: -Ein Straßennetzwerk -Bestimmung der kürzesten Wege -Schwierig: wie simuliert man z.B. Einbahnstraßen

7. 2.) Versorgungsnetze: Hier ist die Fließrichtung durch die Topolgie des Netzes sowie die Lage der Sources und Sinks bestimmt. Beispiel: -Wasser fließt durch Leitungen, wobei die Fließrichtung vom Source (Wasserkraftwerk) bestimmt wird. -Kann Versorgung von Haushalten auch bei defekten Leitungen gewährleistet werden?

8. Flusseigenschaften I: - Jedes Netzwerk besteht aus simplen und komplexen Knoten und Kanten - Innerhalb eines Netzwerkes besitzt jeder Punkt und jede Kante die Eigenschaft: => Enable/Disable !WICHTIG! • Nur wenn diese Eigenschaft auf ENABLE steht ist Fluss und Suchen in Netzwerken möglich.

9. Ändern der Darstellung Enable/ Disable Rechtsklick auf den gewünschten Layer und Properties auswählen Unter Symbology im Value Field die Eigenschaft Enable wählen

10. Flusseigenschaften II • Entscheidend für den Fluss sind die Sources und Sinks. Sie definieren die Fließrichtung in einem Versorgungsnetzwerk. • Nur Punkte können als Sources und Sinks definiert werden. Source (Quelle): Von hier fließen Waren weg (z.B. Wasserkraftwerk) Sink (Abfluss): Hier fließen Waren hin (z.B. Kanal)

11. 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 - Symbology das wählbare Wertefeld: => ANCILLARY ROLE Eine Domain der Datenbank in dem sich die Informationen über Sources und Sinks befinden

12. 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

13. 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.

14. Ändern einzelner Punkt-/Kanten -Attribute Objekt mit Editorpfeil anwählen jteusner: Soweit die Grundvoraussetzungen für Fluss in Netzwerken und dessen Darstellung Mit Klick auf Arttribute table öffnet sich die Attribut Liste des Objektes Gewünschte Aktion durchführen und mit save edits Änderungen wirksam machen

15. 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: Das Flow Menue Trace Menue

16. Das Flow Menue Für welche Layer Flusspfeile angezeigt werden Wahl des Netzwerkes Anzeigen der Flusspfeile An / Aus

17. Flow - Properties Auf dieser Karteikarte können die Pfeilsymbole der drei Fliessarten geändert werden Einstellungen für die Darstellung der Flusspfeile.

18. Die drei Flussarten Determinate flow: Der Fluss ist durch die Topologie des Netzwerkes sowie die Lage der Sources und Sinks eindeutig bestimmt. Indeterminate flow: Die Fließrichtung ist nicht eindeutig festgelegt. Unitialized flow: Uninitialisierter Fluss entsteht wenn ein Punkt bzw. eine Kante defekt ist und somit den Fluss blockiert.

19. Anzeigen der Fließrichtung Der Set Flow direction Button berechnet den Fluss automatisch • Wichtig!!! alle Änderungen am Netz müssen mit geöffnetem Editor erfolgen • Probleme: Viele Details müssen beachtet werden Wenn die Lage der Sources und Sinks richtig gewählt wurde und der Status aller Layer enabled ist, sollte Fluss möglich sein.

20. Aufgabe 1 - Kopiert den Ordner V:\Joachim\Übung Nr.1 auf euer Verzeichniss auf U:\ (anschl. ArcCatalog schließen) Öffnet nun in ArcMap das Wassernetz: Montgomery Database\water\ • Ändert im Layer Wassertanks die Punkte 5, 7 und 12 in Sources und den Punkt 6 als Sink (stellt die Ancillary Role dar) • Der „Flusspfeil“ (determinate Flow) soll in Farbe blau und Größe 10 geändert werden. • Für den enable-Status der Kanten (distrib mains) soll zudem die Farbe grün, für disable die Farbe rot gewählt werden • Stellt nun den Fluss im Netzwerk dar.

21. 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

22. Fahnen und Barrieren Fahnen: Sie definieren Start und Endpunkte von Suchvorgängen (Trace operations) Barrieren: Barrieren sind Objekte die Kanten oder Punkte für Suchvorgänge blockieren => Gut geeignet für Simulation von Störfällen

23. Setzen von Fahnen und Barrieren Fahne kann nur auf Punkte gesetzt werden. Fahne kann auf einer Kante plaziert werden. Barriere kann nur auf Punkte gesetzt werden. Art von Fahnen und Barrieren werden hier ausgewählt. Barriere kann auf einer Kante plaziert werden. Das gewählte Objekt kann nun mit Klick auf die gewünschte Position plaziert werden.

24. Die Analyse Schaltfläche Fahnen, Barrieren bzw. die Resultate der Suche werden hier gelöscht. Auf dieser Schaltfläche lassen sich einzelne Layer für Trace Operations blockieren.-

25. Analyse Optionen • Erlaubt es eine Suche (Analyse) genau abzustimmen • Besteht aus: • -Allgemein • -Gewichte • -Gewichtfilter • -Ergebnisse

26. Allgemeine Einstellungen Welche faetures bei der Suche genutzt werden Snapping tolerance für Fahnen und Barrieren

27. Gewichte Gewichte für Knoten • z.B.: Reduzierer • Ventile Gewichte für Kanten 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.

28. Gewichtfilter Ein Gewichtfilter limitiert die Suche und beschleunigt sie somit Kantenwerte die von der Suche ausgeschlossen sind.

29. Ergebnisse Das Suchergebniss kann entweder als Zeichnung oder als Auswahl ausgegeben werden Auswahl welche Ergebnisse ausgegeben werden Kanten und Punkte sind an Suche beteiligt

30. Ausgabe der Suchergebnisse 1: Hier wird das Ergebniss der Suche als Zeichnung ausgegeben ArcInfo zeichnet eine neue Linie über die bestehenden Netzwerkelemente

31. Ausgabe der Suchergebnisse 2: Ausgabeart: Selection ArcInfo zeigt im Attribut-table dann die beteiligten Punkte bzw. Kanten an.

32. Die 9 Suchverfahren Hier werden die Suchverfahren ausgewählt Mit dem Solve Button wird die Suche gestartet

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

34. Find path upstream: Sucht den schnellsten Weg vom markierten Punkt bis hin zur Quelle. Find common ancestors: Gibt die gemeinsamen Vorgänger bis hin zur Quelle an.

35. Find connected/ disconected Zeigt alle Knoten und Kanten an, die mit einer markierten Fahne (nicht) verbunden sind Find loops: Sucht alle Wege von einem Punkt A wieder zu diesem Punkt. Ein Weg von A nach A heißt Zyklus (GiS 1) A

36. Find path: Hier sucht das Programm den kürzesten Weg von einem Punkt A zum Punkt B => siehe Dijkstra Wenn die Ausgabe der Suchergebnisse auf Settings steht können mittels des Attribut-tables die Gewichte angezeigt werden

37. Aufgabe Nr. 2 -Kopiert den Ordner V:\Joachim\Übung Nr.2 auf euerer Verzeichnis U:\ • Öffnet in ArcMap das geometrische Netzwerk • Aufgrund starker Verunreinigung kann die Leitung 564 die nächsten zwei Monate nicht mehr genutzt werden. • Konstruiert eine neue Verbindung zwischen der Quelle und den Verbrauchern der Südstadt (Fluss anschl. neu berechnen) • Überprüfe anschließend die Richtigkeit der neuen Verbindung mittels Tracing zur neuen Quelle (z.B.find path upstream, find connected, find path ) • Blockiert anschließend die neue Verbindung mit Hilfe von Barrieren oder ausschalten einzelner Layer und modelliert mögliche Ersatzversorgungen.