автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Моделирование транспортных потоков в городах при сетевых воздействиях

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МОДЕЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮ-ТЕРНЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРО-ВАНИЮ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ В ГОРОДАХ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Структура оптимизационных задач.

2.3. Подходы к построению модели.

2.4. Уровни моделирования.

2.5. Типы моделей.

2.6. Пути реализации модели.

2.7. Объект управления.

2.8. Макро модели транспортного потока.

2.9. Основные понятия и определения, касающиеся транспортного потока.

2.10. Классификация пересечений.

2.11. Взаимосвязь управляющих воздействий.

2.12. Преобразование характеристик потока на элементах сети.

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ТРАНСПОРТНЫЕ ПОТОКИ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Формализация оптимизационной задачи.

3.3. Формирование целевой функции.

3.4. Управляемый перекресток.

3.5. Неуправляемый перекресток.

3.6. Перегон.

3.7. Построение операторов преобразования характеристик потоков.

3.8. Критерии качества.

3.9. Оценка критериальных функций.

3.10. Модели и методы принятия управляющих решений.

3.11. Анализ характера зависимости критериальных функций от управляющих воздействий.

3.12. Формирование критериальных функций.

3.13. Имитационное моделирование.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ РАСЧЕТА УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Задачи, объект и методика проведения исследования.

4.3. Порядок проведения исследования.

4.4. Особенности проведения моделирования.

Для большинства развитых стран мира, включая и Россию, во второй половине XX и начала XXI веков характерен значительный рост автомобильного парка. Если в 1970 г. автомобилей в мире было около 250 млн. единиц, то к 2004 г. - свыше 500 млн. единиц.

Сосредоточение основной массы автомобилей в пределах городских территорий вызывает огромные трудности в организации дорожного движения и обеспечении его безопасности.

Резкое снижение скоростей движения, острый дефицит городских площадей для организации кратковременной и длительной стоянки автомобилей, загрязнение окружающей среды, транспортный шум и, наконец, рост количества дорожно-транспортных происшествий (ДТП) -являются основными негативными последствиями автомобилизации, характерными для многих зарубежных городов. При этом необходимо отметить, что научно-технические прогнозы указывают на сохранение ведущей роли автомобильного транспорта в городах.

Отсюда следует, что автомобиль на ближайшие годы сохранит и усилит свое значение в качестве транспортного средства, а это еще более увеличит отрицательные последствия автомобилизации, если не будут предприняты соответствующие меры.

В г. Москве автомобильный парк за последнее десятилетие увеличился в несколько раз и в настоящее время составляет более 3 млн. автомашин.

При сложившемся дефиците протяженности магистралей в 250-300 км их плотность в 1,6 раза ниже нормативной. При этом 80% улиц, особенно в центральной части и срединной зонах города, практически исчерпали пропускную способность или работают на ее пределе, а кольцевые и поперечные связи, разгружающие центр составляют лишь 35-40% от потребности.

При таких показателях наиболее острой в дорожном движении стали проблемы участившихся заторов и автомобильных пробок.

Изучение зарубежного опыта показывает, что для управления транспортными потоками (ТП) на улично-дорожной сети (УДС) города прежде всего должна быть создана единая комплексная общегородская система управления, включающая оперативную связь с городскими службами, теленаблюдение, датчики контроля автотранспорта, электронные информационные табло и дорожные знаки с меняющейся информацией, указывающие водителям о возможных путях объезда сложных участков. В настоящее время г. Москва имеет лишь отдельные фрагменты такой общегородской системы, а регулирование дорожного движения остается прерогативой ГИБДД. С этой проблемой ГИБДД уже столкнулась при управлении транспортом на таких современных скоростных магистралях как МКАД и 3-е транспортное кольцо, где перераспределение транспортных потоков при осложнении обстановки осуществляется в основном «милицейскими» методами оперативного влияния, а не за счет полного использования технических средств регулирования.

В Советском Союзе первая экспериментальная система подобного назначения, имеющая в своем составе ЭВМ, была введена в действие в 1967г. в одном из районов Москвы. В 1975 году в г. Алма-Ате начала функционировать автоматизированная система управления дорожным движением, выполненная на базе ЭВМ и серийных технических средств, выпускаемых отечественной промышленностью.

Рядом научно-исследовательских институтов и проектно-конст-рукторских организаций страны в 70-е годы велась разработка и внедрение в городах России агрегатной системы средств управления дорожным движением (АСС-УД), которая представляет собой комплекс технических средств и программного обеспечения, позволяющих проектировать системы различной мощности и в широком диапазоне функциональных возможностей.

В комплексе мероприятий, направленных на решение задачи обеспечения нормального функционирования современного города в условиях повышенной автомобилизации, автоматизация управления дорожным движением занимает одно из ведущих мест. Работы по данной проблеме проводятся как в нашей стране, так и в целом ряде наиболее развитых зарубежных стран: США, Японии, ФРГ, Великобритании, Франции, Сингапуре, Канаде и др. В последние годы происходит процесс интенсивного внедрения автоматизированных систем управления движением транспортных потоков. Накопленный опыт эксплуатации таких систем убедительно свидетельствует о том, что они действительно являются эффективным средством сокращения задержек на городском транспорте, повышения скоростей движения, увеличения пропускной способности городских магистралей и уровня безопасности движения.

Широкое внедрение средств автоматизации управления дорожным движением, значительные затраты на внедрение и эксплуатацию АСУД определяют необходимость разработки моделей и методов расчета управляющих воздействий на транспортные потоки.

Цель диссертационной работы - разработка путем теоретического обобщения моделей ТП, а также методов принятия на их основе сетевых управляющих решений.

Достижение этой цели связано с необходимостью решения следующих задач: разработка методов, математических моделей и алгоритмов оптимизации сетевых воздействий на ТП; разработка стохастической модели для оценки качества принятия решений; анализ работоспособности методов и моделей.

Основным научным результатом диссертации является создание комплекса моделей и алгоритмов, в совокупности составляющих методологию расчета сетевых воздействий на ТП.

Новизна работы заключается в постановке, формализации и решении задачи расчета воздействий на ТП по комплексу показателей, а также в стохастической модели анализа качества принятия решений.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Постановка и формализация задачи принятия сетевых управляющих решений.

2. Математические модели, методы решения.

3. Стохастическая модель оценки качества принятия решений.

Достоверность результатов работы подтверждается апробированием научных основ исследования, базированием на фундаментальных трудах отечественных и зарубежных ученых, внедрением в практику.

Основной практический результат исследования - внедрение разработанных методов, математических моделей и алгоритмов в практику проектирования и функционирования компьютерных систем управления дорожным движением в городах.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе МИЭМ и МАДИ (ГТУ).

Основные результаты диссертации опубликованы в Г работах.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.

1. Автодороги. Рос. дор. агентство. Эксперт, № 6, 14.02.2000

2. Воздействие транспортного комплекса на окружающую среду. Инф.-справ. Материалы. ИПК МАДИ (ТУ), 1999.

3. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М., Наука, 1966,432

4. Дегтярев Ю.И. Исследование операций. М., Высшая школа, 1986, 320

5. Иносэ X., Хамада Т. Управление дорожным движением. М., "Транспорт", 1983,247.

6. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. М., Высшая школа, 1982,256.

7. Капитанов В.Т., Хилажев Е.Б. Управление транспортными потоками в городах. М., "Транспорт", 1985, 94.

8. Капитанов Д.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., МГИЭМ, 1999.

9. Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б. Организация дорожного движения. М., "Транспорт", 1985,224.

10. Кременец Ю.А., Печерский М.П. Инженерные расчеты в регулировании дорожного движения. М., МАДИ

11. Кунда Н.Т. Укр. трансп. ун-т., Киев, 1997, 13 с.

12. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта. Итоги науки и техники. ВИНИТИ, Автомобильный транспорт, 1996, 340.

13. Петров Е. А. «Совершенствование координированного управления движением транспортных потоков высокой интенсивности». Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Сибирская Государственная автомобильно-дорожная академия. 2004., 1977, 110

14. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М., 1982.

15. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами. М., Советское радио, 1980, 232

16. Расход топлива автомобилями. М., МАДИ, 1979, Отчет по НИР - номер гос. регистрации 79025963

17. Редкозубов А. Статистические методы прогнозирования в АСУ. М., Энергоиздат, 1981, 152.

18. Руководство по проектированию и внедрению АСУД на базе микропроцессорной техники: Практическое пособие. - М.: ВНИЦБД МВД СССР, 1991.-264 с.

19. Стефанов Микропроцессоры для светофорного движения. "План и орган", 1985, 15, №1,78-79.

20. Токтаров И., Шварцман И. Действует система "Город". "Автомобильный транспорт Казахстана», 1984, № 10, 34-35.

21. Хилажев Е.В., Соколовский B.C., Гурулев В.М., Зайденберг Я.И. Системы и средства автоматизированного управления дорожным движением в городах. М., "Транспорт", 1984, 184.

22. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М., Мир, 1973, 958.

23. Юров А.П., Якушин Л.А. Совершенствование организации и повышение безопасности перевозок на основе применения современных систем управления дорожным движением. Сб. AT, серий 1. М., ЦБНТИ, 1983, 24.

24. Якушин Л.А. Назначение, функциональные возможности и перспективы развития АСУД. Сб. докладов "Автоматизированные системы регулирования дорожного движения". Новосибирск, 1987.

25. Bikowitz Edward W., Ross Scott P. Evaluation and improvement of inductive loop traffic detectors. "Transp. Res. Rec", № 1010, 76-80.

26. Bolduc D., Bonin S., Model Boyesien generalise, pour I'identification des sifes ronfiers dangereux., Actual.econ., 1997,73, № 1-3, 81-98.

27. Bowyer D.P., Akcelik R., Biggs D.C., Bayley С Fuel consumption savings from traffic management: findings from a scientific audit. "Austral. Road Res.", 1984, 14, 95-96.

28. Brandt J., Hoclud M. Der Einsatz Automatischer Verhehrszahlperate aut Bandstra en und Autoba nen. "Strasse", 1985, 25, № 12, 354-358.

29. Brown G.T., Vincent R.A. Street-wise scoot moves traffic that other systems can't reach. "Surveyor", 1986, № 4875, 165, 8-9.

30. Cohen S.L. Concurrent use of maxband and transyt signal optimization. Transp. Res. Rec, 1983, N906,81-84

31. Cronje W.B. Derivation of equation for queen length, stops and delay for fixed- time traffic signals. "Transp. Res. Rec", 1983, № 905, 93-95.

32. Culpepper Т.Н., Day M.D., Jen K.M. Investigation of energy-effectiveness criteria for selecting intersection control system. "Model. And Simul", 1984, 11 Proc. ll^'^Ann. Pitssburg.

33. Drouin M., Abou-Kandil H., Dib G., Bertrand P. A new approach for real-time control of urban traffic networks. "Contr. Transp. Syst. Proc. 4^ *^ IFACЯFIPЛFORS. Conf, Baden-Baden, 20-22 Apr. 1983, Oxford E.A.", 1984, 237-241.

34. Ebrajiho Rev. Introduction on the EMNIX system., 1998, № 179, 45-51.

35. Findler S., Surender S., Ma Z., Catrava S., Distributed intelligent control of street and highway ramp traffic signals., Eng.Appl.Artif.IntelL, 1997, 10, №3, 281-292.

36. Foulds L.R. Transyt traffic engineering program efficiency improvement via fibonacci search. Transp. Res., 1986, N4, A20, 331-335

37. Ganfreda J., Surf 2000: Urmouveau poumon pour la cirlulation parisienne.. Route actual., 1996, № 60, 29.

38. Gartner N.H. Lect. notes. "Contr. And Int. Sci", 1984, 59, 166-174.

39. Gartner N.H. Development and testing of a demand responsive strategy for traffic signal control. "American Control Conf", 1982.

40. Gartner N.H. Demand-responsive traffic signal control research. "Transp. Res.", 1985, № 5-6., A19,369-373.

41. Geantier L. Influence de la regulation du traffic urbain sur la con sommation des vehicules en villa. Regul. Trafic et Signal Routiere 1984. Joumees a Tec, Paris, 16-17 may, 1984. C.R. Paris, S.A.

42. Greenberg P., Trabelsi a., Tabak D. Distributed mikrocomputer-based control of multiple signalized traffic intersections. "Contr. Transp. Syst. Proc. 4^ *^ 1РАСЛР1РЯРОЯ8. Conf., Baden-Baden, 20-24 Apr. 1983, Oxford C.A.", 1984, 237-241.

43. Накамура Ре, Иманага Синдзо. Eizo joho., 1995, 27, № 7, 45 - 50,

44. Hall T.J., Schwartz M.A., Hammer S.M. Minnesota Mining and Manufacturing Co., №515933.

45. Hall T.J., Schwartz M.A., Hammer S.M.; GPS - based traffic control preemption system.; Minnesota Mining and Manufacturing Co., № 515933

46. Hemeth Z.A., Mekemsson J.R. Comparison of soap and netsim: pretimed and actuated signal control. Transp. Res. Rec, 1983, N905, 84-89

47. Hoffman G., Nielsen S., Beschreibung von Verkehrsablaufen on signalisierten ICnotenpunkten., Forsch. Strassenbau und Straes., 1997, № 693, 1-75.

48. Hoppe L., Brzozowsky A. Koneepcja zinteyrowanego systemi sterowania ruchem w trojmiescie. "Zesz. Nomk. Pgdan: Bud. Ladowe", 1984, № 39, 149-162.

49. Hundson N.A.G. Pemote monitoring system helps keep under control. "Microprocess. And Microsystems", 1985, № 3, 9, 133-137.

50. Hunt P.B., Holland T.R. The effect of an incident in a scoot system in simulation and on-street. "Traffic. Eng. And Contr.", 1985, № 2, 26, 55-58.

51. Hunt P.B. Scoot - A traffic responsive method of coordinating signals. - "TRRL 1.aboratory Report", 1981,1-111.

52. Inigo R.M. Traffic monitoring and control using machine vision: a survey. "IEEE Trans. Ind. Electron.", № 3,32, 177-185.

53. Jourdain Susan. Intergeen timings. "Traffic Eng. And Contr.", 1986, № 4, 27, 179-182.

54. Keibavieius A. Koordinierte Hichtsignal-Steuerung, eine Wirksame. Mapnahme gegen Verkerslarm. "Strasse", 1985, № 6, 25, 161-162.

55. La determinazioni sperimentale del flusso di saturazioni semaforizzate con 11 metodo dei conteggi. "Vie e Transp", 1985, 54, 522-523.

56. Lapierre R. Die Begeutung der Integrierten Verkehrssteuerung beim Verkehrssystem-management in Stadten. "Strassenverkehrstechnik", 1986, № 1, 30, 9-12.

57. Lesort J.B. The zelt operation: a site for traffic control experiments "Traffic Eng. And Contr.", 1985, № 4, 26, 223-225.

58. Lin Feng-Bor. Efficiency and information availability in adaptive control of individual intersections. "Traffic Eng. And Contr.", 1985, № 9, 26, 434-436, 438-439.

59. Lux.J,, Hatherell P.J. Traffic light control system.. Traffic control Ltd, №96105358.

60. Luk J.Y.K., Steward R.W. Saturn, transyt/8 and Netsim. "Austral. Road Res.", № 2, 14, 82-87.

61. Luk J.Y.K., Two traffic responsive area traffic control methods: scat and scoot. Traffic Eng. And Contr., 1984, N1, 25, 14-15, 17-18, 22

62. Lyles R.W., Wyman J.H. Traffic data collection systems: current problems and future promise. "Transp. Res. Rec, 1983, № 905, 69-72.

63. Mc Coy P.T., Balderson E.A. Hsueh R.T., Mohaddes A.K. Calibration of transyt platoon dispersion model flow conditions. "Transp. Res. Rec", 1983, № 905, 48-52.

64. Miller A.J. A computer control system for traffic network. 2"^ * Int. Symposium on Traffic Flow, London, 1963.

65. Paquin R., Henry J.J., Leglise M. Strategies de Commande des Reseaux urbains satures 2 IFAC/IFIP/IFORS Sump. Of traffic control and transportation systems Monte-Carlo, 1974.

66. Popovici D., Boloc V. Study of traffic rate of the approaches signalized street intersections., Bui. Inst, politehn. lasi. Sec.6., 1997,43, № 1-2, 95 - 99.

67. Powell M., Modeling the behavior of motorcycles at traffic signals.. Traffic Eng., 1997, 38, №10, 521-539.

68. Renaud D.J.,GEC Traffic Automation Ltd. № 91025809, 1991

69. Robertson D.I. The TRANSYT method of coordinating traffic signals.. Traffic Eng. + Contr., 1997, 38, №2, 76-77.

70. Robertson G.D. Handling congestion with scoot "Traffic Engineering and Control", 1987, № 4, 28, 228-230.

71. Sargious M. Padmanabhan balakrishnan reducing delay, stops and fuel consumption in urban networks using a modified transyt model, "Civ. Eng. Praet, and Eng.", 1984, № 6, 3, 587-603.

72. Sibley Scott W. Netsim for Microcomputers. "Public Roads", 1985, № 2, 49, 54- 59.

73. Sidorowich J. Przurzady do pomidrow ruchi. "Pr.Inst. Bad. Drog i Most", 1985, №4,167-172.

74. Singh M.G. Hierachical strategies for on line control of urban road traffic signals. 5^*" IFIP Symposium, Rome, 1973.

75. Skabardonis A., May A.D. Comparatier analysis of computer models for arterial signal timing. Transp. Res. Rec, 1985, N1021,45-52

76. Stadelmann H.,Riedle Т., Vollenweider M. Einfuhrung in das Verkehrsregelkonzept der Stadt Zurich., Strassenverkehrstechnik., 1996, 40, № 8, 350-355.

77. Takaba Sadato, Sekine Tomiyoshi, Tori Katsura. Improvement of a traffic flow measuring system using a solid-state image sensor. "Сэсан кэнкю, Mon Y. Inst. Sci., Univ. Tokyo", 1985, № 4, 37, 151-154.

78. Van Vuren Т., Routledge I., Smith. Mulsic: Putting the 'M' into UTMC, Traffic Eng., 1998, 39, № 4, 222-229.

79. Vincent R.A. and Co. User Quide to Transyt Version 8, "TRRL Labor. Repiit. Berkshire", 1980, 1-85.

80. Webster F.V. and Cobbe B.M. Traffic Signals. Road Research Technical Paper N56, London, 1966

81. Webster F.V. Traffic Signals Research Technical Paper, N39, London, 1958

82. Wilbur T. A survey if transyt-7f applications. Traffic Eng. And Control, 1985, N10,26,498-501

83. Wirbitzky G. Ali-ein aitomobil-leitund fuhrungssustem. "Nahverkehrsprax", 1984, №11, 32, 421-425.

84. Zhang Xiaogin. A new algorithm for real time control of over saturated city traffic networks. "Contr. Theory and Appl.", 1986, 3, 124-125.

85. Капитанов B.T., Стеценко Ю.П., Рыжков И.П., «Моделирование информационной системы». (Proceedings of international conference "Information and telecommunication technologies in intelligent systems". Barcelona, Spain, May 24-31,2003).

86. Капитанов Д.В., Петрунин В.П., Рыжков И.П., «Моделирование потоков на пересечении». (Proceedings of international conference "Information and telecommunication technologies in intelligent systems". Barcelona, Spain, May 24-31,2003).

87. Капитанов B.T., Рыжков И.П., Бадулин В.И. «Моделирование транспортного потока в дорожной сети». (Proceedings of international conference "Information and telecommunication technologies in intelligent systems". Barcelona, Spain, May 22-29, 2004).

88. Капитанов B.T., Рыжков И.П., Стеценко Ю.П. «Сетевая задача управления потоками». (Proceedings of international conference "Information and telecommunication technologies in intelligent systems". Barcelona, Spain, May 22-29, 2004).

89. Рыжков И.П., Капитанов B.T., Стеценко Ю.П. «Моделирование транспортных потоков в городах при сетевых воздействиях». Препринт МГИЭМ, М., 2004.

90. Капитанов В.Т., Рыжков И.П., Жданов B.C., Стеценко Ю.П. «Исследование имитационных моделей транспортного потока для обеспечения качества городской среды». Журнал «Качество и ИЛИ (CALS) - технологии», № 1, 2005.