|
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ГРИГОРОВ МИХАЙЛО АНТОНОВИЧ
УДК 656.13.056.4.001.37:625.712
ІНФОРМАЦІЙНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ
ТА КЕРУВАННЯ ТРАНСПОРТНИМИ ПОТОКАМИ
У ВЕЛИКИХ МІСТАХ.
05.13.06—Автоматизовані системи управління і прогресивні
інформаційні технології
А в т о р е ф е р а т
Дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2005
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі „Комп’ютерних систем”
Науковий керівник: академік АПН, заслужений діяч науки і техніки, доктор технічних наук, професор Малахов Валерій Павлович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри, ректор.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Савенко В`ячеслав Якович,
Український транспортний університет
„Київський автодорожний інститут.”
завідувач кафедри Будівництва автомобільних доріг
Доктор технічних наук, доцент
Нестеренко Сергій Анатолійович,
Одеський національний політехнічний університет,
директор інституту комп`ютерних систем.
Провідна установа – Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України.
Захист відбудеться 29 вересня 2005 р о 13-30 годині на засіданні Спеціалізованої Вченої Ради Д 41.052.01 в в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: просп. Шевченка, 1, ауд 400-а, м. Одеса, 65044
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса просп. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 26 серпня 2005 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої Вченої Ради Ю.С.Ямпольський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
В сучасних умовах зростання інтенсивності автомобільного руху виникає багато проблем, більшість яких потребує найскорішого розв’язку. При цьому одна із першочергових задач в системі організації дорожнього руху, є управління транспортними потоками.
Організація та управління дорожним рухом неможливі без інформації про закономірності формування транспортних потоків та їх ропозділ на ділянках вулично-дорожньої мережі. Внаслідок цього, однією з головних сучасних проблем є визначення цих закономірностей. Тому, вирішення задачі розподілу транспортних потоків з урахуванням характеристик існуючих вулично-дорожних мереж є актуальною проблемою для України.
Дослідження, що проводились в області інформаційного забезпечення для побудови моделей транспортних потоків не враховували особливості автоматизованого управління дорожним рухом, та оптимізацію розподілу транспортних потоків.
З метою підвищення ефективності використання існуючих транспортних систем міста, необхідна розробка багатофункціональних систем керування дорожнім рухом.
Тому розробка інформаційної системи для моделювання та керування транспортними потоками є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими прграмами, планами ,темами.
Робота виконувалась відносно “Цільової комплексної програми розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, яка була прийнята розпорядженням Кабінету Міністрів України від 23. 07. 1993 № 551-Р;”Програма забезпечення безпеки дорожнього руху та економічної безпеки транспортних засобів” яка була прийнята постановою Кабінету Міністрів України від 06.04.1998 р. № 456, а також планів Міністерства освіти і науки України за напрямком “Проблеми формування раціональних транспортних логістичних систем та ефективне забезпечення їх складових”
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення закономірностей розподілу транспортних потоків на ділянках вулично-дорожної мережі та реалізація оптимального розподілу з використанням математичного моделювання елементів та структури дорожнього руху.
Для досягнення цієї мети в роботі були розв’язані наступні задачі:
- проведено аналіз сучасних методів визначення функцій розподілу транспортних потоків у містах , визначені проблемні питання , пов’язані з розподілом транспортних потоків;
- розроблено регресійні моделі, які описують параметри руху транспортних засобів по вулично-дорожній мережі міста;
- проведено імітаційне моделювання руху транспортних засобів на вулично-дорожних мережах міста;
- визначені закономірності розподілу транспортних потоків у містах;
- запропоновано оптимальний розподіл транспортних потоків в мережах міста.
Об’єкт дослідження— автоматизована система управління дорожнім рухом для складної міської вуличної мережі.
Предмет дослідження: моделі автоматизованого управління транспортними потоками міської вуличної мережі.
Методи дослідження базуються на теорії ймовірності та математичній аналітиці теорії графів, матричному численні, теорії апроксимації (часу руху); на імітаційному моделюванні на ЕОМ, лінійній алгебрі і обчислювальній математиці.
Достовірність отриманих результатів забезпечується коректним застосуванням загальновизначених теорій: загальної теорії системи і системного аналізу, застосуванням на етапі теоретичних досліджень методів імітаційного моделювання, адекватністю комп’ютерного моделювання експериментальним даним.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в подальшому розвитку і поглибленню теоретичних і методологічних основ для керування транспортними потоками у великих містах.
Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:
- одержано подальший розвиток моделювання транспортних потоків, шляхом визначення параметрів функціювання транспортної мережі таких як інтенсивність руху на всіх елементах мережі, середні швидкості руху, затримка та витрати часу;
- досліджені закономірності зміни швидкості руху транспортних засобів на ділянках маршрутів між перехрестями, а також під час перетину перехрестя без світлофорів з поворотами вліво, вправо;
- уперше розроблено математичну модель оптимального розподілу транспортних потоків по мережі з використанням графів та обмеження що мають місце для вуличних мереж із-за їх пропускної здатності;
- проведено ідентифікацію цільової функції АСУ дорожнім рухом за допомогою апроксимації часу проїзду по вулицях з максимально дозволеною швидкістю;
- дістав подальшого розвитку метод імітаційного моделювання рухом транспортних засобів по вулично-дорожній мережі з урахуванням типу дільниці, середньої швидкості руху на дільниці, часу руху, часу затримки на перехресті;
- досліджені закономірності вибору водієм шляху слідування, в залежності від розподілу транспортних кореспонденцій у містах.
Практичне значення одержаних результатів складається у тому, що моделювання транспортних потоків на вулично-дорожних мережах міста дозволяє оцінити вплив параметрів траси маршрутно-транспортного засобу на час руху, вибрати із черги альтернативних шляхів слідування той, що буде мінімальним за часом руху.
Узагальнена інформація, що стосується закономірностей формування параметрів транспортного потоку на вулично-дорожних мережах міста дозволяє створити відповідну інформаційну базу даних для подальшого керування рухом транспортних засобів з метою ліквідіції затримок біля регульованих та нерегульованих перехресть, заторів на магістралях, при проектуванні вуличних мереж та магістралей.
Результати досліджень були використані в ОНПУ при організації навчального процесу студентів, які навчаються за фахом: комп’ютерні інтелектуальні системи і мережі, автомобільний транспорт.
Особистий внесок здобувача. В публікаціях з соавторами особистий внесок здобувача полягає в наступному:
- у роботі [1] визначено вигляд функції тяжіння між вузлами вулично-дорожної мережі;
- у роботі [2] розроблена класифікація факторів, що впливають на час руху транспортних засобів;
- у роботі [3] створено модель, що враховує зміну параметрів руху транспортних засобів та законів їх розподілу;
- у роботі [4] проведено аналіз впливу шляхових умов на швидкість руху транспортних засобів;
- у роботі [5] без співавторства розгорнуті аспекти розподілу транспортних потоків у містах, запропонована імітаційна модель руху транспортних засобів по вулично-дорожній мережі.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на:
- Всеукраїнській науково-методичній конференції „ Логістика-2002”, „Проблемы научных исследований и подготовки специалистов логистического управления транспортными системами” (Харківський національний автомобільно-дорожній університет, 17-19 квітня 2002 р.)
- Міжнародній науковій конференції „Теория и техника приема и обработки информации” (Харківський національній університет радіоелектроніки, 7-10 жовтня 2003р.);
- Всеукраїнська наукова конференція „Проблемы создания новых машин и технологий” (Кременцузький державний політехнічний університет 21-22 травня 2003р.)
За темою дисертації опубліковано 5 статей у фахових виданнях, 2 монографії.
Структура дисертації. Дисертація включає вступ, 5 розділів, висновки по роботі, посилання на 151 літературне джерело і 2 додатки. Повний обсяг дисертації складає 159 сторінок, у тому числі: 16 рис., 54 табл., 2 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.
Вступ. Розкрито актуальність роботи, визначені об`єкт, предмет і мета дослідження, сформульовані задачі дослідження, методи їх досягнення. Визначено наукову новизну і практичну цінність роботи, наведені відомості про апробацію, публікації і впровадження.
У першому розділі на основі системного аналізу встановлені фактори, які впливають на розподіл транспортних потоків у містах.
Керування транспортними потоками руху є прикладом керування складною системою з присутніми їм властивостями: наявністю мети, великою кількістю виконавчих функцій, складною, ймовірною та динамічною поведінкою, яка проявляється в залежностях підсистем і потребує оберненого зв`язку при керуванні.
Об’єктом керування в системі є транспортний потік, що характеризується низкою ознак процесу руху: інтенсивність, швидкість, склад та інші показники. З точки зору різних споживачів системи керування дорожним рухом можна виділити різні цілі керування. Тож, з позиції спеціаліста по організації дорожного руху необхідно максимально використати пропускну здатність мережі. Для учасників дорожнього руху важливими характеристиками руху є: можливість руху з бажаною швидкістю, довжина поїздки та інше.
Одною з важливіших задач розподілу транспортних потоків є визначення величини кореспонденцій між районами міста. Існуючі методи визначення матриці кореспонденцій базуються на використанні функції тяготіння населення між районами міста. Водії транспортних засобів, які рухаються по встановленому маршруту слідування, не можуть самостійно змінювати його, незалежно від реальної транспортної ситуації. На думку дослідників цієї проблеми, наявність маршрутизованого транспорту в мережі, тільки додає нагрузку на перегони.
Таким чином, визначивши маршрути руху немаршрутизованого транспорту, можливо визначити інтенсивність руху транспортних засобів на ділянках вулично-дорожної мережі. Тому фактори, що впливають на вибір можливого маршруту руху, будуть визначати розподіл потоків транспортних засобів у містах.
До факторів, що впливають на вибір водієм шляху слідування належать параметри, які характеризують якість обслуговування та безліч інших випадкових факторів. Внаслідок цього, модель вибору можна будувати за ймовірним принципом. При деяких умовах критерієм ефективності розподілу транспортних потоків в мережі використовується сумарний час проїзду по мережі з деякими допущеннями.
Положення транспортних засобів у просторі та часі розглядається як стохастичний процес. При цьому головним чинником, що впливає на вибір можливого маршруту слідування є час руху. Він визначається довжиною маршруту та швидкістю руху. Не завжди шлях, який за відстаню є коротшим, за часом внаслідок різних швидкостей руху може бути не раціональним.
В зв’язку з цим виникає необхідність в аналізі факторів, які впливають на швидкість руху транспортних засобів у потоці. До цих факторів слід віднести кількість смуг руху, склад потоку, динамічні якості груп транспортних засобів.
З фактором часу руху транспортних засобів пов’язуються не тільки задачі організації дорожнього руху, але і задачі оптимізації перевізного процесу транспортними засобами різних типів.
Швидкість руху транспортних засобів залежить також від інтенсивності руху.
Аналіз методів моделювання вулично-дорожнього руху у містах показав, що частіше всього використовуються імітаційне моделювання, теорія масового обслуговування. В зв’язку з тим, що рух транспортних засобів погано формалізується, доцільно для задач управління використовувати імітаційне моделювання. Незважаючи на це, багато дослідників розглядали ймовірні моделі для визначення часу руху. При цьому, в моделі інсталірувалися такі закони розподілу часу руху як нормальний,логнормальний,гамма-розподіл.
Завдяки тому, що параметри транспортних потоків визначаються великою кількістю факторів, аналізувалася можливість використання апроксимації. Це особливо актуально при моделюванні великомасштабних транспортних мереж.
В цьому випадку значна деталізація приводить до істотного ускладнення моделі та системного аналізу функціонування транспортних потоків.
В залежності від підходу до моделювання транспортних потоків відомі моделі поділяють на дві групи: детерміновані та ймовірно-стохастичні.
При макро- і мікроскопічному моделюванні потік розглядають як стаціонарне явище, що характеризується середньою інтенсивністю, швидкістю, густиною. Такий підхід дозволяє зв`язати з допомогою апроксимації вказані характеристики потоку.
Аналіз фізичних аналогій при моделюванні транспортних потоків показав, що найбільш вдалими є аналогії руху потоку рідини, або потоку тепла. Використовуючи рівняння нерозривності руху та моменту кількості руху разом із законом збереження енергії, було одержано вираз для оптимальної інтенсивності швидкості та густини транспортного потоку.
Макромоделювання транспортних потоків на вулицях з урахуванням перехресть найбільш ефективне за допомогою імітаційного моделювання.
Таким чином, найбільш ефективне вирішення поставлених задач можливо на основі гравітаційного моделювання в зв`язку з незначною ємністю збору даних та одержання більш точних оцінок.
Моделювання транспортних потоків на основі матриці кореспонденції потребує суцільного обстеження транспортної мережі міста, тому що кінцевими даними мають бути існуюча інтенсивність на всіх ділянках транспортної мережі.
Аналіз методів визначення функцій розподілу транспортних потоків дозволив сформулювати основні етапи дослідження, які графічно можна представити у вигляді наступної структурної схеми (рис.1).
Другий розділ. „Дослідження взаємозв’язку умов та параметрів руху транспортних засобів” включає методику проведення досліджень та обробки даних, експерементальне дослідження законів розподілу параметрів руху транспортних засобів.
Аналіз експериментальних залежностей транспортних засобів від умов їх руху проводився методами кореляційного та регресійного аналізу.
Одержані моделі мають високу інформаційну здатність . Так, на основі цих моделей випливає, що швидкість руху транспортних засобів збільшується, якщо зростає інтенсивність руху. Кількість смуг проїздної частини в напрямку слідування транспортних засобів також впливає на інтенсивність руху. Фактором, який збільшує кількість руху є також довжина ділянки.
Математично описана зміна часу прослідування перехресть в залежності від умов руху. Закономірності зміни швидкості руху транспортних засобів на ділянках маршрутів між перехрестями з двустороннім рухом можуть бути описані рівнянням:
 (1)
де L-довжина ділянки маршруту, V-швидкість транспортного потоку, K-кількість смуг в напрямку транспортного потоку, Bв-вік водія,  -питома потужність двигуна.
Швидкість транспортного потоку позитивно впливає на швидкість транспортного засобу, який слідує у даному потоці, тому що йому необхідно підтримувати параметри та закономірності інших транспортних засобів.
Питома потужність двигуна транспортного засобу також позитивно впливає на швидкість руху.
Оцінка адекватності побудованих моделей проводилась за показником середньої помилки апроксимації.
Аналітичні дослідження проводились для ділянок з одностороннім рухом (табл. 1).
У третьому розділі розв’язана задача оптимального розподілу транспортних потоків по мережі.
Одним із допущень при складанні алгоритмів керування дорожнім рухом є те, що маршрути індивідуальних автомобілей визначаються вільним побажанням їх водіїв.
Для моделювання транспортних потоків на базі цільової функції використано довільно спрямований граф з n вершинами та n дугами.
Критерієм ефективності розподілу транспортних потоків по мережі використано сумарний час переміщення F, який визначається формулою:
 (2)
де  -час проїзду по дузі I при інтенсивності руху на ній q;  -інтенсивність потоку, рух якого починається у вершині j. Представимо qk – частину транспортного потоку на дузі j з вершиною k (точкою призначення) і gk – відповідно інтенсивність потоку в ній формулами
 (3)
Тоді в разі множини точок призначення і матриці інциденцій А розподіл транспортних потоків можно записати у вигляді.
Аqk = gk,  (4)
Отже, проблему розподілу транспортних потоків по мережі можна звести до проблеми мінімізації і сумарного часу проїзду  ,  ,  ,  при обмеженнях (4) для усіх j,k i qi≤Cj , де Cj – пропускна здатність дуги j.
Розглянуто метод оптимізації у випадку постійного часу проїзду, тобто,  для  . Це припущення означає, що середня швидкість автомобіля постійна, незалежно від інтенсивності руху, яка дорівнює пропускній можливості дуги Cj.
Рис. 1 Структурна схема досліджень по визначенню закономірностей розподілу транспортних
потоків в містах.
Цільова функція F (рис. 2) для цього випадку є лінійною функцією від gkj:
 (5)
а) б)
Рис. 2 Апроксимація часу проїзду з постійним значенням (а), і її лінійна
апроксимація(б).
Обмеження запишуться у вигляді: (6)
Звідси використовуючи техніку лінійного програмування можна одержати оптимальний розподіл транспортних потоків відповідно мінімуму F.
В роботі розглядається і загальний випадок максимізації функції F = f (х1, х2,..., хn) при обмеженнях  ,  - довільне). Методом множників Лагранжа розв`язуються одночасно п рівнянь
 (7)
та (т1 + т2) рівнянь і нерівностей (6) з обмеженнями:
 (8)
Рівняння (8) визначають такі умови: якщо h1 > 0 , то  , або при hi = 0, то .
У точці х = (х1, х2, ...хn) умовного максимуму функції f досить мале заміщення δx у довільному напрямку, якщо воно не порушує обмежень (8), сприяє зміні f.
Розглянута задача оптимального розподілу транспортних потоків для випадку, коли час проїзду по кожній дузі можна апроксимувати за допомогою лінійної функції, яка зображена на рис. 2(б):
 (9)
 (10)
де βj – час проїзду, коли має місце нульова інтенсивність руху, дорівнює довжині дуги j, поділеній на максимально допустиму швидкість. Цільова функція для цього випадку має вигляд:
 (11)
Умови нев’язки qjN+l сумісно з (10) можна перетворити до вигляду:
 (12)
Звідси, поєднуючи рівняння (4) та (12) одержимо:
 (13)
де Е – l-мірна одинична матриця,  . Рівняння (13) відповідає прийнятим обмеженням при gi = 0. Розв`язок цього рівняння відповідає оптимальним (qjk). На рис.3 показана візуалізація роз`язку для вуличної мережі. Числа над і під кожною дугою на рис. 3 представляють відповідно пропускну здатність Сj та мінімальні значення часу проїзду βj. На рис 4 зображено транспортний попит.
| 
