|
МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ
ХАРКІВСЬКИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ
АЛЕКСІЄВ ВОЛОДИМИР ОЛЕГОВИЧ
УДК 681.5.015
РОЗРОБКА ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
МОНІТОРИНГУ ТРАНСПОРТНИХ КОМУНІКАЦІЙ
Спеціальність 05.13.06- Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті, Міністерство освіти України
Науковий керівник:
- доктор технічних наук, доцент Богатиренко Костянтин Іванович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, завідувач кафедри автоматики.
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук, професор Бодянський Євген Володимирович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, професор кафедри технічної кібернетики;
- кандидат технічних наук, доцент Левтеров Андрій Іванович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, доцент кафедри інформатики.
Провідна установа:
Національний технічний університет “КПІ”, кафедра технічної кібернетики, Міністерство освіти України, м. Київ.
Захист відбудеться “ 26 ” лютого 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Харківському інституті пожежної безпеки МВС України за адресою: 310023, м. Харків, вул. Чернишевського 94.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського інституту пожежної безпеки МВС України.
Автореферат розісланий “ 23 ” січня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Автоматизація і удосконалення управління грунтуються на використанні інформаційних технологій в усіх сферах діяльності людини. Особливе значення інформаційні технології мають для вдосконалення промислових і транспортних систем. До них відносяться транспортні комунікації. Це – автомобільні дороги, залізниці, трубопроводи та інші об'єкти. В роботі процес догляду за їх станом розглядається як моніторинг.
В сучасних умовах є необхідним теоретичне обгрунтування створення інформаційних технологій, які спрямовані на підготовку керуючих рішень в різноманітних транспортних системах. Нині у кожному випадку розробляється нова структура і нові програмно-апаратні засоби. Тому є доцільним використання узагальненого підходу до їхньої розробки. Створивши універсальну інформаційну технологію моніторингу таких об'єктів, можна забезпечити одержання необхідного обсягу даних для підготовки керуючих рішень.
Особливе значення розв’язання проблеми створення нової інформаційної технології моніторингу транспортних комунікацій для України набуває у зв'язку з необхідністю її інтеграції в світову та європейську транспортні системи. Її наукове та теоретичне обгрунтування дозволить створювати мобільні українські засоби та використовувати вже створені зарубіжні технічні комплекси. За допомогою цих засобів та комплексів можна підготувати інформацію для глобальних систем визначення розташування транспортних засобів, інформувати учасників руху про їх координати, стан транспортних засобів та про стан відповідної транспортної комунікації.
Для того, щоб теорія не відставала від практики та відбувалася плідна взаємодія теоретичного і практичного спрямування створення нових перспективних інформаційних технологій, доцільно перейти від поодиноких питань до загальних. Для цього слід віднести об'єкти та системи, що досліджуються, до узагальненого класу об'єктів протяжного типу. Їх основною характеристикою є чимале перевищення геометричного розміру однієї з координат порівняно з іншими.
Оцінюючи стан досліджень в цій галузі науки, слід відзначити роботи Абрамова Ю.А., Гаврилова Е.В., Богатиренка К.І., Бодянського Є.В., Лігума Ю.С., Тирси В.Є. та інші.
Для розвитку транспортних систем України велике значення має створення інформаційної технології оцінки стану автомобільних доріг. Тому в роботі всі рішення розглянуті на прикладі пересувної мобільної системи, призначеної для обстеження автомобільних доріг.
ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ. Тематика дисертаційної роботи відповідає завданням Національної програми інформатизації України і спрямована на створення інформаційно-аналітичного забезпечення транспортного комплексу. Програмно-апаратні засоби моніторингу транспортних комунікацій створюються згідно Національної програми розвитку автомобілебудування України (Розділ 7. Електронне устаткування автотранспортних засобів). Її результати отримані під час виконання завдань тематики Міністерства освіти України з розробки теоретичних основ створення автомобільних мікропроцесорних систем для оцінки стану автомобільних доріг. Вона виконувалася згідно планів Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету, Північно-східного центру Транспортної академії України, спрямованих на створення інформаційної технології обстеження автомобільних доріг (договір на проведення роботи за державним замовленням № 15-53-96 та господарчий договір № 39-10-96).
МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ. Метою дослідження є підвищення продуктивності збору даних про стан транспортних комунікацій. Робота спрямована на створення нової інформаційної технології, що грунтується на застосуванні універсальних програмно-апаратних засобів.
Відповідно до поставленої мети вирішені такі задачі дослідження:
- порівняльний аналіз існуючих засобів інформаційних технологій моніторингу транспортних комунікацій, оцінка їх переваг і недоліків;
- визначення мережевої концепції та технології проектування універсальних програмно-апаратних комплексів для моніторингу транспортних комунікацій на основі використання локальної та глобальної обчислювальних мереж;
- узагальнений математичний опис та моделювання процесу моніторингу транспортних комунікацій засобами теорії операторів і системного аналізу;
- динамічний аналіз процесів передачі та обробки даних за допомогою інформаційної технології, що використовує мобільні програмно-апаратні комплекси на прикладі автомобільної інформаційно-вимірювальної мікропроцесорної системи;
- структурний аналіз програмного забезпечення процесу моніторингу, вибір засобів програмування задач керування процесом реєстрації даних, розробка рекомендацій до створення програмного комплексу, використання засобів структурного та модульного програмування задач управління складними об'єктами та системами;
- оцінка точності, надійності і ефективності нової інформаційної технології моніторингу транспортних комунікацій.
Для розв’язання поставлених завдань використовуються узагальнені методи системного аналізу, теорія операторів, теорія цифрової обробки сигналів, теорія імовірності і теорія надійності, структурне та модульне програмування.
НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ полягає в тому, що:
- обгрунтовано та виконано узагальнений опис, моделювання та динамічний аналіз процесу моніторингу транспортних комунікацій з використанням математичного апарату теорії операторів;
-запропонована нова мережева концепція та технологія проектування мобільних програмно-апаратних комплексів інформаційної технології, що досліджується;
-складено рекомендації щодо створення програмного забезпечення моніторингу транспортних комунікацій;
-створено засобами структурного та модульного програмування оригінальні алгоритми і програми інформаційної технології моніторингу транспортних комунікацій, які практично перевірені на мобільному інформаційно-обчислювальному комплексі, призначеному для оцінки стану автомобільних доріг.
ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ. Запропоновані рішення використані при розробці мобільних інформаційно-обчислювальних комплексів ІОК-ХАДІ-5 та ІОК-ХАДІ-6. За допомогою цих комплексів обстежено більш ніж 300 км автомобільних доріг. Досвід їх створення і експлуатації може використовуватися під час промислового виготовлення мобільних інформаційно-обчислювальних комплексів універсального призначення.
Результати досліджень по створенню інформаційної технології моніторингу транспортних комунікацій використані у навчальному процесі Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (ХДАДТУ). На їх основі створена навчальна база знань з автомобільних мікропроцесорних систем, розроблена мультимедійна лекція з комп'ютерної технології управління автотранспортними засобами. Ці результати використовуються у курсах “Автоматизовані системи для наукових досліджень“, “Технологічні вимірювання та прилади”. Їх втілено у науково-дослідну роботу студентів та магістрантів.
ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК здобувача в рішення проблеми полягає у розв’язанні завдань математичного опису, теоретичного обгрунтування та створення програмного забезпечення моніторингу транспортних комунікацій на прикладі інформаційно-обчислювального комплексу інформаційної технології оцінки стану автомобільних доріг. В роботі [1], що виконана з Абрамовим Ю. А., автор самостійно визначив проблеми моніторингу та теоретично обгрунтував алгоритми ідентифікації транспортних комунікацій. В роботі [4], що виконана спільно з Калмиковим А. В. і Калмиковим В. І., автор розробив алгоритми та програми вимірювального і обчислювального модуля, що підвищують точність вимірювання.
АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ. Основні результати дисертаційної роботи були апробовані та отримали позитивну оцінку:
-міжнародної науково-технічної конференції Національної академії наук України і Харківського військового університету у 1996 році;
-міжнародної науково-технічної конференції з інформаційних технологій Харківського державного політехнічного університету у 1997 році;
-Харківської першої міської науково-практичної конференції з актуальних проблем сучасної науки в дослідженнях молодих вчених у 1997 році;
-першого українського семінару по використанню комп'ютерної мережі internet у навчальному процесі в ХДАДТУ у 1997 році;
-міжнародної конференції з ергономіки в ХДАДТУ у 1997 році;
-науково-технічної та науково-методичної конференції Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури у 1998 році;
-науково-методичної конференції по підвищенню ефективності навчального процесу у технічному закладі на базі засобів multimedia в ХДАДТУ у 1998 році;
-науково-практичної конференції Транспортної академії України та Міністерства транспорту України з системотехніки на автомобільному транспорті в ХДАДТУ у 1998 році.
ПУБЛІКАЦІЇ. Основні наукові положення і результати роботи надруковані у 8 наукових статтях, 4 з яких - у виданнях, що рекомендовані ВАК України.
СТРУКТУРА ТА ОБСЯГ РОБОТИ. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та додатка. Повний обсяг дисертації охоплює 159 сторінок, 51 малюнок, 15 таблиць та 120 найменувань списку використаних джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У ВСТУПІ обгрунтовується актуальність теми, сформульована мета роботи, визначене завдання дослідження та алгоритм його реалізації, наведений перелік основних наукових результатів. Показана практична цінність результатів роботи та те, що вони запроваджені у розробці інформаційної технології моніторингу для підготовки керуючих рішень з ремонту, реконструкції та експлуатації автомобільних доріг.
У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ розглянуто стан проблеми з розробки інформаційних технологій моніторингу транспортних комунікацій. Проведено аналіз джерел та існуючого стану досліджень в цій області досліджень. Показано, що найбільш характерним прикладом транспортної комунікації є автомобільна дорога. Засобом вдосконалення процесу моніторингу такої транспортної комунікації є інформаційна технологія, що грунтується на застосуванні пересувного програмно-апаратного комплексу (мобільного інформаційно-обчислювального комплексу – ІОК).
Слід відзначити, що універсальні апаратні засоби для створення таких комплексів практично існують. Проте спеціальних досліджень щодо створення їх програмного забезпечення немає. Тому основна увага приділяється завданням проектування програмного забезпечення процесу управління моніторингом транспортних комунікацій. Засобами системного аналізу, теорії операторів пропонується виконати математичний опис і моделювання процесу моніторингу. Визначена задача динамічного аналізу процесів реєстрації даних в умовах мобільного інформаційно-обчислювального комплексу. Результати моделювання і аналізу є вихідними даними для створення програмно-апаратного комплексу інформаційної технології моніторингу.
Поставлена мета підвищення продуктивності збору та обробки даних досягається в тому випадку, якщо вимірювання і реєстрація даних здійснюються безпосередньо в умовах руху транспортного засобу. Тому основною задачею обстеження є визначення параметрів, що характеризують цей рух.
В загальному одновимірному випадку задача зводиться до визначення змінної α(l), якій відповідає множина значень, що вимірюються,
α(l)={a1,a2,… , ai, …, an }, (1)
де α(l) - зміна кута, що характеризує спрямованість руху транспортного засобу;
ai - вимір кута у точці i;
l - відстань від початку траси.
Точність  вимірювання ai визначається фізичною та споживчою розрізненістю процесу вимірювання ai. Кількісно розрізненість оцінюється фізичним  та споживчим  порогами у значенні, що визначено в інформаційній теорії управління.
Фізичний поріг розрізненості визначає інтервал між двома суміжними значеннями  та аi+1, в середині якого значення ai або не визначене, або втрачає фізичне значення. Так, якщо моніторинг здійснюється за допомогою колісного транспортного засобу, то  , де сК- довжина кола колеса, протягом оберту якого здійснюється цикл вимірів. Споживчий поріг розрізненості визначається, виходячи з умов прийняття рішень. Так, для дороги він часто приймається рівним 1-му пікету (100 м).
Якщо процес моніторингу віднести до деякого метричного простору, то математично можна записати
 (2)
де  - "відстань" між двома суміжними вимірами ai.
Згідно співвідношення (2) точність вимірів ξ призначається, виходячи з принципів необхідності і достатності.
В загальному вигляді задачу моніторингу можна визначити як оцінку значень змінної x (l) щодо y (t). Це таке операторне співвідношення:
y (t) =Y [x (l), t], (3)
де Y- оператор моніторингу, що визначає перетворення прообразу оператора x (l) в образ оператора y (t), t - час.
Формально розробка інформаційної технології – це визначення оператора Y як процесу перетворення результатів реєстрації даних за допомогою рухомого транспортного засобу, що обладнаний ІОК. Згідно завдань узагальнення цього перетворення та уніфікації його засобів визначено алгоритм дослідження, що наведений на рис.1.
Рис. 1 - Алгоритм дослідження
У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ РОБОТИ розглядаються методи та засоби аналізу і синтезу інформаційної технології моніторингу транспортних комунікацій. Формулюється концепція мережевої технології розробки складних систем та мережевої організації структури мобільного ІОК.
Мережева технологія базується на застосуванні локальних обчислювальних мереж (ЛМ) та глобальної мережі Internet (ГМ). Припускається, що в організації (розробник) у безпосередніх виконавців є автоматизовані робочі місця (АРМ), які є достатньо потужними робочими станціями, працюють у ЛМ та мають вихід до Internet. При цьому абоненти мережі працюють як з зовнішнім сервером, так і мають особистий сервер згідно Intranet – технології. На рис. 2 наведена схема, що пояснює використання комп'ютерних засобів такої технології розробки складних систем.
Рис.2- Засоби мережевої технології розробки складних систем
Аналіз автомобільних електронних комплексів і перспектив їх розвитку, виконаний у рамках створення нової технології, дозволяє однозначно визначити мережеву концепцію розробки автомобільних мікропроцесорних систем на базі декількох мікроконтроллерів з виходом на ЕОМ за протоколом RS-232 (рис.3).
Рис. 3- Трьохрівнева структура мереж
Таким чином, мережева концепція розробки мобільного ІОК припускає, що для організації проектування використовуються можливості ГМ, для управління – ЛМ, а структура ІОК є мережею, в якій обчислювальні модулі об'єднані згідно стандартних мережевих протоколів.
Поряд з цим розглянуто узагальнений математичний опис моніторингу. Він базується на використанні теорії операторів та математичному апараті функціональних похідних. Згідно співвідношення (3) та ствердження, що основною характеристикою процесу моніторингу є відстань від умовного початку траси l, що належить метричному простору L, можна визначити оператор перетворення Q результатів виміру y(t). Це перетворення виконується у часовому просторі T. На рис. 4 наведено графічну інтерпретацію процесів перетворення.
Рис. 4- Графічна інтерпретація процесів перетворення даних
LQ⊂ L та LX⊂ L. Однак, LQ та LX, незважаючи на те, що вони належать одному метричному простору L, є множинами LQ∩LX=0, що не перехрещуються. Це пояснюється різною фізичною природою множини функцій x (l) та множини функцій Q (l). Для дослідження цих перетворень найбільш ефективним є використання математичного апарату функціональних похідних. Вони обчислюються за подвійною границею наступного виду для оператора y(t)=Y[x(l),t]:
 (4)
де  - функціональна похідна образу оператора y (t) з прообразу x (l);
Δx- приріст прообразу оператора y;
Δу- приріст образу оператора y.
В результаті розрахунку (4) визначається зміна образу оператора не тільки в залежності від зміни аргументу Δt, але і Δx прообразу x (l).
Можна виконати для реального прикладу руху транспортного засобу ІОК розрахунок подвійної границі  , обчислюючи значення  для оператора перетворення напрямку руху (кут α) та часу t у відстань l. У такому випадку образ оператора - довжина l ділянки транспортної комунікації. Прообраз і образ оператора визначені на одному метричному просторі: часовій вісі множини вимірів {ti}∈T. Це дає можливість уявити функцію l (t) на інтервалі [ t0, tn ] як наступну систему співвідношень, що мають такий вигляд:
 (5)
Уявимо Δli як аналітичну залежність, що отримана в результаті практичних вимірів відстані Δl=li+1-li проміжок часу Δt внаслідок зміни кута Δα.
Для цього визначимо пороги розрізненості довжини, часу та кута ξl , ξt , ξα. Тоді можна вирахувати дійсне значення  довжини в точці t=ti під час виконання вимірів з кроком, що визначаються ξt i ξα.
 , (6)
де Кt та Kα-коефіцієнти, що враховують різні розмірності t і α.
Формули (5), (6) є аналітичним записом залежності, що визначає взаємозв'язок між граничними характеристиками процесу моніторингу та оцінки довжини конкретного об'єкта (реєстрація параметрів геометричних елементів транспортних комунікацій).
На підставі розглянутих операторних співвідношень в розділі розглянута модель оцінки радіуса повороту довжиною 180 м, кутом повороту 83°. На рис. 5 наведені вихідні дані реалізації моделі, що призначена для розрахунку величини коефіцієнту осереднення S та порогів розрізненості ξl.
Рис. 5 – Результати моделювання
На основі отриманих результатів моделювання можна зробити висновок, що для розглянутого прикладу S=25 величина споживчого порога розрізненості ξl приблизно рівна 50 м.
Аналогічно працює модель моніторингу за таким параметром, як ухил. Однак, для нього величина ξl рівна 100 м тому, що найбільш вірогідні результати виміру ухилу відповідають S=55. Треба додати, що ефект згладжування для ухилу підвищується при збільшенні S.
Для визначення алгоритму прийняття рішень на підставі розробленої інформаційної технології моніторингу у розділі розглянуто імітаційну модель вибору ділянок транспортних комунікацій, що потребують поновлення.
Нехай оцінювана транспортна комунікація подає собою сукупність об'єктів i. Тоді ефективність вибору можна розрахувати згідно формули:
 , (7)
де  
ri – потрібні для відновлення ресурси;
wi – така функція ваги, що
| 
