автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов организации дорожного движения на основе геоинформационных систем города и области

На правах рукописи

Иванов Михаил Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ГОРОДА И ОБЛАСТИ

Специальность: 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Институте проблем транспорта Российской академии наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Белый О.В. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кокурин И.М. кандидат технических наук, доцент Гаврилов C.B.

Ведущая организация - Петербургский государственный университет путей сообщения

Защита диссертации состоится ^"^2005 г. в - часов на

заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 2005 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Яшин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена остротой проблем обеспечения необходимой пропускной способности автомобильных дорог и безопасности дорожного движения, которая является вызовом всему человечеству. На земном шаре ежедневно в дорожно-транспортных происшествиях погибает около 2700 человек, а глобальные экономические потери составляют 500 млрд. долларов в год.

В нашей стране ежедневно гибнет более 80 человек и около 500 получают ранения. Количество пострадавших в ДТП ежегодно увеличивается на 1 % и многократно превышает количество пострадавших на всех других видах транспорта вместе взятых. Количество погибших в пересчёте на численность автомобилей и суммарное расстояние их пробега в 5 - 10 раз больше, чем в странах Европы.

За последние 20 лет количество авюмобилей увеличилось в 5 раз, а сеть автомобильных дорог, обеспечивающих круглогодичное движение возросла только в 2 раза. Основные магистрали городов перегружены в 2-3 раза. Техническое состояние большинства автомобильных дорог не соответствует установленным нормам. Всё это обусловливает постоянные заторы на узлах дорожной сети, которые в часы пик создают транспортный паралич в городских районах и, особенно, - в городских центрах.

Чрезвычайная сложность обеспечения пропускной способности и безопасности дорожною движения обусловлена взаимодействием многочисленных факторов, должный учёт и управление которыми требует привлечения современных компьютерных технологий. Пространственное распределение дорожной сети обусловливает необходимость использования компьютерных геоинформационных систем.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методов организации дорожного движения и повышения его безопасности на основе использования современных гсоинформационных систем.

Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи:

• Постановка комплекса технологических задач по организации дорожного движения, эффективно решаемых средствами геоинформационных технологий.

• Разработка методов и алгоритмов решения комплекса задач по организации дорожного движения на основе геоипформационных техно-

• Обоснование технико-технологических требований к геоинформационным системам, предназначенным для решения указанных теоретических и практических задач.

• Выбор метода оценки эффективности инвестиций в мероприятия по организации и повышению безопасности дорожного движения.

Методы исследования включают приложения классических методов исследования операций, теории граф ~ гимальных ин-

логий.

вестиционных исследований к решению задач организации дорожного движения и обеспечения его безопасности в большом городе и его области.

На защиту выносятся:

1. Модель организации дорожного движения на основе графа улично-дорожной сети с информацией учитывающей существующие ограничения

2. Метод решения задачи коммивояжёра на основе сочетания точного и эвристического алгоритмов с использованием агрегирования.

3. Метод отбора прямых и поворотных дуг графа улично-дорожной сети, используемый для прокладки маршрутов перевозки негабаритных, тяжёлых и опасных грузов.

4. Метод полного финансового плана для использования при оценке и обосновании инвестиций в мероприятия по организации и повышению безопасности дорожною движения.

Научная новизна выполненной работы заключается в разработке алгоритмов автоматической корректировки баз данных при оперативных изменениях условий проезда перекрёстков и закрытии для движения улиц и участков дорожной сети, быстродействующих алгоритмов прокладки мар-шруюв по городским и областным дорогам, а также в выборе метода принятия инвестиционных решений при проведении мероприятий по организации движения.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в обосновании выбора геоинформационных систем для отображения состояния сети городских и областных дорог, в использовании разработанных алгоритмов для составления компьютерных программ автоматической корректировки баз данных при оперативных изменениях правил проезда перекрёстков и условий движения по участкам дорог, а также в составлении компьютерных программ быстрой прокладки маршрутов различных категорий и разработке методов принятия эффекшвных решений, повышающих безопасность дорожного движения, а также в методике оценки эффективности инвестиций.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на конференциях и семинарах по проблемам обеспечения дорожного движения, в том числе на двух международных конференциях «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (Санкт-Петербург, 2000 и 2002 годы), на международной конференции ТРАНСТЕК 2002 и внедрены в организациях ГУП «Пассажиравтотранс», АО «Матра-лен», филиал АСМАП по Северо-Западному Федеральному округу.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них - 3 статьи и тезисы к одному докладу на международной конференции.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из пяти глав, заклю-

чения и списка литературы, включающего 41 наименование. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста. Работа содержит 7 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обоснована необходимость применения современных компьютерных технологий и геоинформационных систем для отображения и анализа основных факторов, связанных с организацией дорожного движения и обеспечением его безопасности, с целью эффективного воздействия на эти факторы. Выполнен анализ существующих теоретических подходов и практического опыта использования геоинформационных систем и компьютерных технологий для решения транспортных задач и повышения безопасности дорожного движения. Сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, обоснованы цели и направления исследований.

Безопасность дорожного движения - это способность дорожно-транспортных систем перевозить грузы и пассажиров без ущерба для жизни и здоровья людей, состояния техники и грузов, среды обитания человека и объектов природы.

По данным Росавтодора, за последние шесть лет число автомобилей в нашей стране возросло в 1,6 раза, в том числе парк грузовых автомобилей увеличился на 15 %, количество легковых автомобилей на 76%, а автобусов - на 20%. Прогнозы показывают, что не позже 2003 - 2005 годов страна пройдёт ключевой рубеж автомобилизации - 170 автомобилей на 1000 жителей или 51 автомобиль на 100 семей. Это предельная, заложенная в действующих градостроительных нормах и в реальной градостроительной практике цифра насыщения автомобилями городов и групповых систем населённых мест.

В последнее время ежегодный прирост автопарка Российской Федерации составляет 1,3 млн. единиц. Столь высокие темпы автомобилизации создают дополнительные проблемы в организации дорожного движения и в обеспечении безопасности на дорогах.

Среди многочисленных известных задач по организации дорожного движения, правильное решение которых повышает пропускную способность и безопасность, следует выделить следующие: разделение потоков пассажирского и грузового автомобильного транспорта; определение улиц с односторонним и двусторонним движением; размещение дорожных знаков и разметка проезжей части; выделение полос для автобусов и троллейбусов; организация дорожного движения при закрытии для ремонта мостов, тоннелей, путепроводов, улиц; организация работ по очистке улиц от снега и упавших деревьев; модернизация существующих и строительство новых инженерных сооружений (мостов, путепроводов, дорог, наземных и подземных пешеходных переходов и т. д.); прокладка маршрутов перевозки тяжёлых, негабаритных и опасных грузов; указание допустимой скорости движения в зависимости от состояния дорог.

Для решения перечисленных задач необходима разносторонняя информация о техническом состоянии участков сети дорог, а также об интенсив-

ности движения грузового и пассажирского автомобильного транспорта по этим участкам.

Дорожная сеть наилучшим образом отображается на географической карте города и его области. Поэтому наиболее наглядное и обобщающее представление и анализ указанной информации могут быть выполнены только с помощью современных компьютерных геоинформационных систем.

Исходной основой диссертационной работы являются теоретические и прикладные исследования по проблемам развития и улучшения сети автомобильных дорог, повышения безопасности дорожного движения и геоинформационных систем, изложенные в работах: Бабкова В.Ф., Батурина А.П., Беленького A.C., Васильева А.П., Великанова Д.П., Власова М.Ю., Водова М.А., Гольца Г.А., Горбачёва В.Г., Ермакова A.A., Евтюкова С.А., Кокурина И.М , Кравченко П.А., Лукинского В С., Машнина В.М., Попова А.И., Сильянова В.В., Тархова С.А.

Во второй главе изложены теоретические и методологические основы создания геоинформационной модели транспортной сети крупного города. Необходимость этого вызвана тем, что ГИС ГИБДД помимо информации об объектах собственной инфраструктуры, - графе улично-дорожной сети (УДС), схемах организации движения по УДС, дислокации дорожных знаков, дорожной разметки и светофорных постах, должна содержать самую разнообразную общегородскую информацию о придорожной инфраструктуре: различных инженерных сетях, люковом хозяйстве, мостах, тоннелях, путепроводах, сетях электротранспорта, железнодорожных путях и переездах, маршрутных сетях общественного и коммерческого пассажирского транспорта, строительных и ремонтных работах на магистралях города, придорожной рекламе, и т.п. Исторически сложилось так, что в крупных да. Исторически сложилось 1ак, что в крупных городах городские службы (земельная, архитектурная, дорожная, транспортная, строительная, коммунальная, тепловая, водная, энергетическая) разрабатывают собственные ведомственные ГИС и БД. Это приводит к тому, что необходимая для ГИС ГИБДД информация различается по способам представления - разномасштабные растровые и векторные картографические материалы самых разнообразных форматов. Базы данных, работают под управлением разных систем (СУБД). Расчетные алгоритмы написаны различными языковыми средствами Используются ведомственный, федеральный, региональный, городской, районный и временной уровни детализации. Поэтому систематизация материалов и приведение их к необходимому виду требуют четкого владения основами создания таких систем.

Поэтому в этой главе приведены основные геодезические понятия -геоида, квазигеоида, референц-эллипсоида, эллипсоида Красовского, общеземных и локальных эллипсоидов. Приведены и классифицированы по разным признакам, используемые в геодезии системы координат - геоцентрические и квазигеоцентрические, земные и звездные, декартовы (x,y,z), географические или сферические - (фД,Н) и геодезические или эллиптиче-

ские - (В,Ь,Н), взаимосвязь декартовых и геодезических координат в различных референцных и общеземных системах.

В транспортно-ориентированных ГИС-Т значительная часть тематических слоев электронных карт приобретается из различных источников. Карты имеют различные форматы представления цифровой информации, которые надо преобразовать во внутренний формат разрабатываемой или используемой системы. Задача эта решается включением в проектируемую геоинформационную систему средств экспорта-импорта данных из ряда обменных открытых форматов представления цифровых карт.

Возможности использования ГИС зависят от программного обеспечения и от вида электронных карт, которые бывают растровыми и векторными.

В векторной модели информация о линиях хранится в виде набора координат их вершин, причем информация о площадных объектах, типа водосборов или земельных участков, хранится в виде последовательности замкнутого набора координат.

Растр или растровое изображение - это вид графических данных, представляющий собой матрицу элементарных клеток изображения - пикселей, каждому из которых приписана определенная палитра. Фактически растр - это цифровая фотография. Поэтому, для изображения отрезка надо хранить информацию о палитре всех образующих его пикселей.

Процесс отображения векторной карты на экране компьютера сложнее, чем отображение растровой карты, но программное обеспечение легко справляется с этой задачей. Объем векторной карты на порядок или два порядка меньше растровой и процесс отображения векторной карты идет быстрее.

Технологический процесс получения векторной карты из бумажной или растровой - называется процессом векторизации или оцифровки карты. Программы векторизации растра называются векторизаторами, которые могут работать в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах.

Векторизатор позволяет выполнить сканирование, фильтрацию растра, устранить возникший при сканировании перекос, компенсировать трапецеидальные и проекционные искажения, векторизовать растровую графику, создавать и редактировать векторные объекты, печатать готовый чертеж, а также задавать и изменять структуру данных цифровой векторной карты: перечень слоев, типы объектов для каждого слоя, параметры их отображения, условия трассировки и т.п.

Векторизатор может использоваться и для редактирования существующих цифровых векторных карт, для чего должна быть предусмотрена возможность импорта данных из файлов разного формата разных ГИС.

Большинство современных ГИС хранит информацию в реляционных базах данных, т.е. - в таблицах. Явный недостаток реляционных СУБД -невозможность расширения номенклатуры типов данных и отсутствие ме-

ханизма наследования отношений, явился основанием для разработки гибридных СУБД, обладающих свойствами реляционных и объектно-ориентированных.

Большинство ГИС в описании территорий использует послойное описание картографической информации; раздельное хранение картографических и атрибутивных данных; хранение картографической информации в системе файлов, и атрибутивных данных в БД; хранение атрибутивных данных в реляционных БД, нередко тоже послойных.

Однако широкое использование ГИС в крупных городских управленческих системах выявило недостаточность традиционного описательного подхода к их построению. Городская среда характеризуется большим числом однотипных объектов, рассредоточенных по большому числу предметных областей, имеющих еще и свои относительно независимые классификационные системы.

Объектный подход обеспечивает естественное решение интеграции растровых и векторных изображений, в нем нет различий между геометрическими и атрибутивными данными. В центре моделирования не геометрия, а объект, который может поддерживать множественные геометрии.

Например, когда появился новый объект, который нужно встроить в существующую топологическую сеть объектов, или был уничтожен старый объект, и необходимо установить новые топологические связи между оставшимися объектами, или же объект изменил свою форму путем добавления новых узлов или рёбер, - тогда нужно связать вновь появившиеся узлы с соседними объектами. Приведенная выше концепция топологических отношений упрощает работу пользователей ГИС и является более дружественной и надежной, поскольку работа идёт с целым объектом.

Итогом второй главы является анализ теоретических и методологических основ создания геоинформационной модели транспортной сети крупного города, в результате которого определено содержание информации о графе у лично-дорожной сети и придорожной инфраструктуре.

Показано, что эта информация различается по способам представления (разномасштабные растровые и векторные карты разных масштабов), базы данных работают под управлением различных систем, расчётные алгоритмы пишутся на различных языках программирования, при этом используются различные уровни детализации от федерального до районного.

Всё это обусловливает сложность владения основами создания этих систем и поэтому здесь рассматриваются основные геодезические понятия, системы координат и их взаимосвязь, даются рекомендации по использованию растровых и векторных моделей хранения информации, а также по применению объектного подхода при создании баз данных, который обеспечивает простое объединение растровых и векторных изображений картографической информации.

Третья глава содержит описание технологии использования геоинформационной модели транспортной сети.

Как и в любой инженерной системе, в ГИС можно выделить техническое, организационное и кадровое обеспечение Техническое обеспечение ГИС включает в себя аппаратные средства, программное обеспечение и исходные данные. Организационное обеспечение - это методы работы и иерархия взаимоотношений пользователей, системы обмена информацией и финансового обеспечения функционирования ГИС. Кадровое обеспечение - это требования к профессиональной подготовке и системе обучения пользователей ГИС.

Наглядность и эффективность работы с БД обеспечивает повсеместное внедрение ГИС при реализации учетных, поисковых задач и задач паспортизации и мониторинга всех объектов городской транспортной инфраструктуры.

Содержание, ремонт, развитие и планирование системы УДС, требуют комплексного подхода, что возможно только при организации системы мониторинга с помощью геоинформационных технологий. При этом целями мониторинга являются создание, хранение, получение, корректировка и анализ информации. Помимо информационных задач, мониторинг УДС должен обеспечивать данными решение различных задач планирования и проектирования.

Задача существенно усложняется, когда необходимо обеспечить непрерывное слежение за состоянием элементов ГИС: системами управления дорожным движением; информационной системой загрузки магистралей; диспетчерскими системы слежения на автотранспорте, сопровождения ценных и опасных грузов, охраны автомобилей, автомобильными системы навигации на основе GPS/GSM.

Классическая постановка задачи нахождения кратчайшего пути между парой вершин графа УДС , в крупном городе оказывается недостаточной, поскольку, наряду с односторонностью и разными запретами движения на участках улиц, существуют многочисленные ограничения допустимых поворотов на перекрестках. Поэтому, для нахождения пути в крупном городе необходимо дополнить граф УДС информацией о допустимых поворотах на перекрестках. Это можно сделать двумя способами.

Для классического описания перекрестка достаточно 5-ти вершин 1={1,2,3,4,5} и 8-ми ориентированных дуг (рис. 1)

А={(1,2),(2,1),(1,3),(3,1),(1,4),(4,1),(1,5),(5,1)}. Тот же перекресток, но с дугами поворотов содержит 16 вершин 1={1,2,3,...,15,16} (рис. 2) и 24 ориентированные дуги А= {(1,10),( 10,16),( 16,2),( 11,3),( 14,11 ),(4,14), (6,12),( 12,9), (9,5),(7,15),(15,13), (13,8), (10,9),(10,11),(12,11),(12,13), (14,13), (14,16),(15,16),(15,9), (14, 9),(10,13), (15,11),(12,16)}.

з

б

в-

2

4

э

9

15

2

4

5

/Ч

5 7

Перекрест« с дугами возможных поворотов

Перекресток

рис. 1

рис. 2

Граф УДС можно записать в виде четверки 01~(Г,А,Р,П), где множест ва I, А и О - в точности совпадают с множествами в описании графа в, а множество Р=(Ц,к) - содержит тройки описания допустимых поворотов, где О,],к) - допустимый поворот с дуги (у) на дугу 0,к) В этом случае граф УДС содержит информацию о допустимых поворотах на перекрестках, но самих поворотных дуг - не содержит.

В случае если поворотные дуги явно включены в граф УДС, то он так же записывается в виде четверки 02=(1,А,Р,0), где множества I и А аналогичны предыдущим, Р=(у,к) - поворотные дуги с дуги (1,]) на дугу (],к), О -множество длин дуг - участков УДС - <1(1,]) и поворотных дуг с1(1,],к). И хотя граф 02 подобен графу в или С1, но очевидно, что в этом случае множества I и А, - не совпадают с аналогичными - в О или 01.

Описание графа УДС - наиболее компактное и может быть полезным при анализе его различных свойств. Описание 02 - резко увеличивает размерность исходного графа УДС, но при этом позволяет свести решения различных задач к стандартным алгоритмам. Например, как уже отмечалось, обычный ориентированный граф УДС Санкт-Петербурга - О или 01, -карты масштаба 1:2000 содержит около 26 тысяч дуг, а граф УДС со всеми дугами поворотов - 02, - около 120 тысяч дуг.

Именно такой подход позволяет составлять оптимальный во времени план поездок по любому крупному городу на легковых и грузовых автомобилях, учитывающий следующие свойства реального графа магистралей города и типа поездок:

- структуру одностороннего движения,

- ограничения движения грузового транспорта,

- разную скорость движения на отдельных участках улиц,

- разную скорость движения по улицам в прямом и обратном направлениях,

- различную скорость движения по улицам в разное время суток,

- структуру допустимых передвижений на перекрестках,

- средние временные задержки проезда перекрестков в прямом и обратном направлениях,

- средние временные задержки на перекрестках для разворотов, правых

и левых поворотов,

- план произвольного числа пунктов посещения.

Учет поворотных дуг позволяет эффективно решать на графе УДС классические задачи коммивояжера и почтальона, построения осювного дерева. Алгоритмы решения этих задач предлагается положить в основу прокладки маршрутов перевозки по городу негабаритных, тяжелых и опасных грузов, дорожного патрулирования, нанесения дорожной разметки, полива улиц, уборки мусора и сне1 а с магистралей города, а так же различных курьерских задач.

Итогом третьей главы являются следующие результаты:

• Дополнение графа улич но-дорожной сети информацией о допустимых поворотах на перекрёстках позволяет свести решение задач по организации дорожного движения к стандартным алгоритмам.

• На основе графа улично-дорожной сети с информацией о допустимых поворотах реализован алгоритм определения оптимального по затратам времени маршрута поездок по крупному городу, полностью учшывающий существующие ограничения.

• Предложен метод решения задачи коммивояжёра на основе сочетания точного и эвристического алгоритмов с использованием агрегирования.

• Метод отбора прямых и поворотных дуг графа улично-дорожной сети предла1ается использовать для прокладки маршрутов перевозки негабаритных, тяжёлых и опасных грузов.

• Рекомендован метод решения задачи, связанной с посещением заданного множества дуг на графе улично-дорожной сети, в качестве основы организации работы на городских магистралях.

В четвёртой главе определяются технологические требования к компьютерной геоинформационной модели сети областных дорог и её использованию.

База данных о сети областных автомобильных дорог должна содержать информацию об узлах и рёбрах графа, соответствующего этой сети.

Узлом сети может быть населённый пункт, пограничный переход, разветвление или пересечение дорог в одном уровне, выход из магистральной дороги к населённому пункту или на другую дорогу, пересекаемую в разных уровнях. Узел должен иметь название или удобное обозначение, позволяющее однозначно определять его место расположения Названия населённых пунктов могут полностью совпадать, что создаёт проблему выбора пользователем требуемого пункта. Поэтому наилучшим обозначением населённого пункта являются указания его почтового индекса, названия и рай-

она (страны Обозначение пограничного перехода должно включать наименования соседних стран и номер дороги, на которой он расположен.

Обозначения пересечений и разветвлений дорог, а также выходов из магистральных дорог должны содержать номера дорог и наименование страны их нахождения.

Для исключения наложения надписей на компьютерной карте при изменении её масштаба, чю сделало бы их нечитаемыми, в геоинформационной системе должно предусматриваться автоматическое уменьшение количества отображаемых населённых пунктов, номеров дорог и других надписей на карте по мере уменьшения масштаба карты и увеличения их количества при укрупнении масштаба.

База данных о каждом ребре графа транспортной сети должна содержать информацию о наименованиях соединяемых ребром узлов, а также о длине ребра в принятых единицах измерения с требуемой технологией точностью.

Кроме того, каждое ребро графа сети дорог должно содержать данные о номерах соответствующей доро!и в отечественной и европейской нумерациях, а также сведения о категории дороги, начиная с самых лучших дорог государственного значения до местных.

Для создания базы данных указанного содержания и свойств необходима информация, которую можно получить только с цифровых географических карт. Как бы ни была разнообразна и полна эта информация, разработчику базы данных геоинформационной модели транспортных сетей должна быть предоставлена возможность внесения изменений в информацию, получаемую из цифровой карты.

Поэтому для создания базы данных геоинформационной модели транспортных сетей требуется специальная компьютерная программа, получившая название «Редактор транспортных сетей». От параметров и функциональных возможностей этой программы зависит качество создаваемой базы данных о транспортных сетях и работающей на её основе геоинформационной модели, а также затраты труда на её создание и поддержание в актуальном состоянии. Этот процесс предусматривает выполнение ряда предопределенных действий для каждого из узлов и ребер графа сети с последующей проверкой всей транспортной сети.

При вводе данных необходимо учитывать ряд ограничений, принятых в используемой транспортной модели и обусловленных требованиями уменьшения размера графа транспортной сети, что обеспечивает ускорение выполняемых расчетов; минимизации объема базы данных; особенностями расчетных алгоритмов построения дерева кратчайших маршрутов и формирования итоговых отчетов.

Для повышения качества формируемой транспортной сети в редактор включены функции контроля параметров сети и автоматизированной коррекции ошибок.

Компьютерная программа маршрутизатора геоинформационной модели транспортной сети прокладывает маршрут заданной пользователем

категории (практических и кратчайших маршрутов, а также маршрутов с минимальным использованием платных дорог) между указанными им пунктами отправления и назначения, а также указанными промежуточными пунктами, отображает его на компьютерной карте и рассчитывает параметры этого маршрута.

Необходимость проследования промежуточных пунктов маршрута в последовательности минимизирующей дальность пробега («задача коммивояжёра») должна решаться при условии свободного выбора последовательности промежуточных пунктов маршрута или при закреплении последнего пункта из первоначального списка в качестве конечного пункта.

Для планирования развоза пассажиров или груза из одного пункта во множество других должна быть предусмотрена возможность одновременной прокладки и расчёта параметров маршрутов из одного пункта во множество других пунктов (режим узла).

Четвёртая глава заканчивается рекомендациями по выбору ГИС на основе сравнительного анализа функциональных возможностей и качества геоинформационной модели транспортных сетей КМТС ИПТ РАН, разработанной с участием автора диссертации и геоинформационной модели АВТОРУТ, разработанной фирмой «Майкрософт».

Пятая глава содержит рекомендации по оценке экономической эффективности реконструктивных мероприятий, направленных на повышение безопасности дорожного движения, которую можно определить только на основе оценки количества сокращаемых дорожно-транспортных происшествий. Здесь возможна только вероятностная оценка, полученная на основе статистических данных, причём статистические данные, полученные в условиях широких обобщений, приходится применять для частных случаев. Различия могут быть в интенсивностях движения автомобилей и пешеходов, в местных особенностях и т.д.

В таких условиях предлагается использовать байесовский подход в теории статистических решений.

Анализ результатов работы персонала показывает, что на первом этапе обучения принятию решений на основе оценки рисков предпочтение отдаётся решениям с возможными наименьшими потерями, то есть используется минимаксная стратегия, гарантирующая отсутствие больших потерь. По мере приобретения опыта в действиях персонала начинает преобладать байесовская стратегия, обеспечивающая минимум средних потерь.

Таким образом, реализация байесовской стратегии обеспечивает минимальную величину потерь, возможную при реализации реконструктивных мероприятий.

Сравнение разности средних байесовских рисков при отсутствии и проведении реконструктивного мероприятия со стоимостью мероприятия позволяет сделать вывод о его целесообразности.

Инвестиции в реализацию мероприятий, повышающих безопасность дорожного движения, возможны только при условии их эффективности.

Наиболее трудоёмким разделом инвестиционного проекта является финансовый анализ, который включает в себя: анализ финансового состояния предприятия в течение предыдущих лет его работы и в период подготовки инвестиционного проекта; анализ безубыточности производства; прогноз прибылей и денежных потоков в процессе реализации инвестиционного проекта; оценка эффективности инвестиционного проекта.

Метод полного финансового плана инвестиционных действий инвестора является видом динамических методов оценки реальных инвестиций. Он основан на совмещении финансового планирования предприятия с анализом инвестиционных решений инвестора.

Задача оценки основного проекта этим методом по критерию максимизации конечного состояния инвестора заключается в подборе для каждого основного инвестиционного проекта множества проектов дополнительного инвестирования и кредитования таким образом, чтобы сальдо баланса его доходов и расходов за каждый год планового периода, кроме последнего, было равно нулю, и определении такого проекта, реализация которого совместно с выбранными проектами дополнительного инвестирования и кредитования обеспечивала бы данному инвестору максимизацию его конечного состояния.

План формируется по каждому подпериоду планового периода инвестора, для которых составляется баланс доходов и расходов. При этом учитываются денежные потоки: базисных и независимых платежей, объём которых не зависит от рассматриваемого проекта; анализируемого инвестиционного проекта; проектов дополнительного инвестирования; проектов кредитования; выплат собственникам капитала в форме дивидендов или предпринимательского дохода.

Рассмотрим итерационный алгоритм построения полного финансового плана предприятия для случая, когда дефицит денежных средств за период погашается кредитом, взятым на этот период, возвращается с процентами в следующем периоде. Избыток денежных средств инвестируется и возвращается с процентами также через определенный период. В частном случае под периодом можно понимать год.

Обозначения:

г - индекс для г-того периода времени г = О ; где Г - плановый период инвестора.

М, - независимые от рассматриваемого проекта платежи инвестора в период Л

СР, - платежи по рассматриваемому инвестиционному проекту в период ^ СР0< 0.

с/0 - базовый уровень выплат собственникам капитала в период / = 0.

^ - компонента вектора структуры выплат собственникам капитала в период V, /„ = 1; /,</ы.

/,<10- доход, используемый для выплат собственникам капитала в период t.

С, - наличие или дефицит финансовых средств инвестора в период!.

С, - конечное состояние инвестора в период Т.

к, - ставка процента по кредиту в период / = 1.7'.

/г, - ставка процента по вложениям капитала в банк в период / = \,Т.

Ь - лимит внешнего финансирования.

Введём переменную /,, г = 0,7", для определения остатка из лимита внешнего финансирования I и на момент времени г = 0: /„ = I.

Описание модели:

Сальдо баланса доходов и расходов инвестора в период I = 0: С0 =М0 + СР0 -/0с/0. Если С0 < 0 и |С0| < /„, то берётся кредит в размере СГ|:

с, =д/1+ся;+(1 + *1Х,о-Ми /, =/0-|с0|, иначе если С0 < 0, то проект отвергается. Ьсли С0 > 0, то инвестируем в размере С0: С, = М, +СР, +(1 + к,)с0 -/,с/0 и

г, = /0.

Если С0 = 0, то очевидно С, = А/, + Г/7, - /¡¿„ и /, = /0.

Сальдо баланса доходов и расходов инвестора в период / = и +1; ? < Т : Если С„ < 0 и \(\\ < /„, то берётся кредит в размере

С.: С„, = М„ + СТ„ + (1 + )С„ - /„, с10 и = /„ - |С, |, иначе если С„ < 0, то проект отвергается. Если Сп > 0, то инвестируем в размере С„: = М„ + + (1 + )с„ - и

Если С„ = 0, то очевидно =М„ + - и /п+, = /„.

Величина С; представляет собой конечное состояние инвестора при реализации рассмотренного проекта.

Критерий С, -> шах позволяет выбрать проект из предложенных альтернатив по конечному состоянию инвесюра. Полученные таким образом для различных основных инвестиционных проектов полные финансовые планы представляют собой сопоставимые взаимоисключающие альтернативы.

Сопоставимость полных финансовых планов осуществления каждого такого основного инвестиционного проекта обеспечивается тем, что задаваемые заранее параметры, также как объём авансированного капитала, поток доходов собственников капитала и плановый период инвестиционной деятельности, одинаковы для каждого из них.

Если предположить совершенство рынка ссудного капитала, то: к, = к, = г.

Тогда сальдо баланса доходов и расходов инвестора в периоды:

/ = i с, = м, + cf, + (1 + г)г0 -/£/„= л/, + гт, - + (1 + гХм0 + cf0 - /д,).

? = 2. C2=M2+CF2 +(l + r)T| - f2d0= M2+CF2 ^ f2d0+{\ +r^M, + CF, -f,du) + + (1 + r)!(M0+CF0-/0rf0). t = l ■

»-о V i-o i-o 7

= (1 + ^¿(w, -/ЛXl + 0 ' + NPVif j.

To сеть, чем больше npv(, , тем больше с,. Или, чем больше чистая настоящая стоимость основного инвестиционного проекта, тем больше конечное состояние инвестора при фиксированных дивидендах. С другой стороны:

£м,(1+гу--ст

i=0 i-o

To есть, чем больше NPVU , тем больше d„. Или, чем больше чистая настоящая стоимость основного инвестиционного проекта, тем больше инвестор получит средств для личного потребления в виде дивидендов при фиксированном своём конечном состоянии.

Эти выводы позволяют предложить практические рекомендации по инвестированию:

Менеджерам, принимающим инвестиционные решения для увеличения их конечного благосостояния необходимо реализовывать проекты с максимальной чистой настоящей стоимостью.

Рассматриваемая модель полного финансового плана может быть использована:

■ как метод сравнительной оценки рассматриваемых программ, включающих в себя основной инвестиционный проект и проекты дополнительного инвестирования и кредитования, выбранные по критерию максимизации конечного состояния инвестора, который путём перебора позволяет найти наилучший вариант по этому критерию;

■ для расчётов эффективности использования основных проектов и групп проектов дополнительного инвестирования и кредитования;

■ для формирования плана финансирования инвестиций, позволяющего достичь расчётного значения конечного состояния инвестора.

Преимущества использования метода полного финансового плана для оценки и обоснования инвестиционных проектов по сравнению с методом чистой настоящей стоимости заключаются в следующем:

■ метод позволяет получить комплексную оценку анализируемой программы инвестирования и финансирования и определить соответствую-

щее ей значение конечного состояния инвестора с учётом всех инвестиционных и финансовых возможностей;

в процессе его формирования выявляются необходимые проекты дополнительного инвестирования и кредитования;

дисконтирование разновремённо поступающих поступлений и платежей в явном виде не используется, так как составляется их баланс непосредственно по каждому периоду проекта;

метод снимает требование совершенства рынка капитала, делая модель более реалистичной.

Выводы:

1. Разработана модель организации дорожного движения на основе графа улично-дорожной сети с информацией учитывающей существующие ограничения.

2. Предложен метод решения задачи коммивояжёра на основе сочетания точного и эвристического алгоритмов с использованием агрегирования

3. Предложен метод отбора прямых и поворотных дуг графа улично-дорожной сети, используемый для прокладки маршрутов перевозки негабаритных, тяжёлых и опасных грузов.

4. Предложен метод полного финансового плана для использования при оценке и обосновании инвестиций в мероприятия по организации и повышению безопасности дорожного движения.

5. Обоснованы требования к выбору геоинформационных систем, предназначенных для улучшения организации и повышения безопасности дорожного движения.

Публикации по теме диссертации

1. Иванов М.В. Оценка эффективности реконструктивных мероприятий на основе теории байесовских статистических решений, - Сб. тезисов международной конференции ТРАНСТЕК 2002, 24 - 27 сентября 2002 года. -СПб, с. 96 - 97.

2. Иванов М.В. Обоснование технологических требований к компьютерной геоинформационной модели сети областных автомобильных дорог, -

% Сборник трудов первой Всероссийской научно-технической конференции

«Мехатроника, Автоматизация, Управление» 2004 год, Москва с. 359 - 361.

3. Иванов М.В. Основы разработки геоинформационной системы транспортной сети крупного города, - Сборник докладов в двух томах второй Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии УИТ - 2004», Пятигорск 2004 год, том II с. 136 - 140.

4. Иванов М.В. Разработка методов управления дорожным движением на основе геоиформационных систем города и области, Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Автоматизация и управление. Выпуск 1/2005. СПб: издательство СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. с.58 - 60.

Подписано в печать 23 05 05 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 40

4

Отпечатано с готового орш инал-макета в шпографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭ7И"

Издательство СП6ГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С-Петербург, ул Проф Попова, 5

»U591

РНБ Русский фонд

2006-4 11301

Глава 1. Современное состояние проблемы, актуальность, цели и задачи диссертационной работы.

1.1. Состояние безопасности дорожного движения в крупном городе и его области.

1.2. Пути повышения безопасности дорожного движения с помощью современных компьютерных технологий.

Глава 2.Обоснование выбора основы создания геоинформационной модели дорожной сети крупного города и области.

2.1. Требования к картографической основе.

2.1.1. Модели физической поверхности Земли.

2.1.2. Системы координат.'.

2.1.3. Картографические проекции.

2.1.4. Масштабы карт.

2.2. Технология создания компьютерной карты крупного города.

2.2.1. Растровые и векторные карты.

2.2.2. Векторизаторы.

2.2.3. Атрибутивная информация.

2.4.0бъектно-ориентированные геоинформационные системы.

Глава 3. . Теоретические основы создания геоинформационной модели транспортной сети.

3.1. Особенности геоинформационных систем транспортной инфраструктуры .:.бз

3.2. Мониторинг улично-дорожной сети и придорожной инфраструктуры.

3.3. Мониторинг транспортных потоков.

3.4. Геоинформационные системы и математическое моделирование транспортных задач.

3.4.1. Расчет кратчайших путей.

3.4.2. Задача коммивояжера.

3.4.3.Прокладка маршрутов перевозки негабаритных, тяжелых и опасных грузов.

3.4.4.0рганизация работ на городских магистралях - патрулирование, нанесение дорожной разметки, уборка мусора и снега.

Глава 4. Обоснование технологических требований к компьютерной геоинформационной модели сети областных дорог и к её использованию.

4.1. Требования к содержанию базы данных.

4.2. Требования к картографической основе.

4.3. Требования к редактору транспортных сетей.

4.4. Требования к маршрутизатору геоинформационных моделей транспортных сетей.

4.5. Анализ функциональных возможностей и качества существующих геоинформационных моделей транспортных сетей.

4.6. Особенности маршрутизатора AutoRoute фирмы Microsoft.

Глава 5. Оценка экономической эффективности инвестиций, направленных на улучшение организации и повышение безопасности дорожного движения.

5.1. ^Оценка эффективности реконструктивных мероприятий на основе теории байесовских статистических решений.

5.2 Оценка эффективности инвестиций

Основные научные и практические результаты работы.

Эти выводы позволяют предложить практические рекомендации по инвестированию:

Рассматриваемая модель полного финансового плана может быть использована: как метод сравнительной оценки рассматриваемых программ, включающих в себя основной инвестиционный проект и проекты дополнительного инвестирования и кредитования, выбранные по критерию максимизации конечного состояния инвестора, который путём перебора позволяет найти наилучший вариант по этому критерию; для расчётов эффективности использования основных проектов и групп проектов дополнительного инвестирования и кредитования; для формирования плана финансирования инвестиций, позволяющего достичь расчётного значения конечного состояния инвестора.

Преимущества использования метода полного финансового плана для оценки и обоснования инвестиционных проектов по сравнению с методом чистой настоящей стоимости заключаются в следующем: метод позволяет получить комплексную оценку анализируемой программы инвестирования и финансирования и определить соответствующее ей значение конечного состояния инвестора с учётом всех инвестиционных и финансовых возможностей; в процессе его формирования выявляются необходимые проекты дополнительного инвестирования и кредитования; дисконтирование разновремённо поступающих поступлений и платежей в явном виде не используется, так как составляется их баланс непосредственно по каждому периоду проекта; метод снимает требование совершенства рынка капитала, делая модель более реалистичной.

Основные научные и практические результаты работы

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Предложенное дополнение графа улично-дорожной сети информацией о допустимых поворотах на перекрёстках позволяет свести решение задач по организации дорожного движения к стандартным алгоритмам.

2. На основе графа улично-дорожной сети с информацией о допустимых поворотах реализован алгоритм определения оптимального по затратам времени маршрута поездок по крупному городу, полностью учитывающий существующие ограничения.

3. Предложен метод решения задачи коммивояжёра на основе сочетания точного и эвристического алгоритмов с использованием агрегирования.

4. Метод отбора прямых и поворотных дуг графа улично-дорожной сети предлагается использовать для прокладки маршрутов перевозки негабаритных, тяжёлых и опасных грузов.

5. Рекомендован метод решения задачи, связанной с посещением заданного множества дуг на графе улично-дорожной сети, в качестве основы организации работы на городских магистралях.

6. Метод полного финансового плана предлагается использовать для оценки и обоснований инвестиций в мероприятия по организации и повышению безопасности дорожного движения

Практические результаты работы:

1. Обоснованы требования к выбору геоинформационных систем, предназначенных для улучшения организации и повышения безопасности дорожного движения, а также для отображения параметров сетей городских и областных дорог.

2. Разработанные методы и алгоритмы использованы при создании геоинформационных транспортных систем КМТС ИПТ РАН и МАКСИМИН.

3. Предложенный подход к определению эффективности инвестиций в развитие автодорожной инфраструктуры может служить основой соответствующей методики.

1. Сильянов В.В. Глобальный аспект в проблеме обеспечения безопасности дорожного движения. Сб. докладов пятой международной конференции «Организация дорожного движения в крупных городах. СПб, 19-20 сентября 2002 года, СПбГАСУ, 2002. Стр. 8-13.

2. Автомобильные дороги России на рубеже веков. (Цифры и факты). Выпуск Росавтодора.

3. Makarov O.N., Konoplev V.M., Rastoskuev V.V. Environmental information system for rational management in the St. Petersburg region // The International Conference "Index-97". St. Petersburg, Russia, July 7-11, 1997, p.34

4. Баранов B.H., Бойко Е.Г. и др. "Космическая геодезия". М., Недра, 1989

5. Бугаевский JI.M. "Математическая картография". М., Златоуст, 1998

6. Молоденский М.С., Еремеев В.Ф., Юркина М.И. "Методы изучения внешнего гравитационного поля Земли". М., Геодезиздат, 1960

7. Мориц Г. "Современная физическая геодезия". М., Недра, 1983

8. Основные положения о государственной геодезической сети России. М., 1997

9. Пеллинен Л.П. "Высшая геодезия". М., Недра, 1978

10. Киселев В.П., Токарчук Д.Н. Технология конвертирования данных из формата F1M в обменный формат Maplnfo. Материалы второго семинара "Проблемы ввода и обновления пространственной информации" (Москва, 24-27 февраля 1997 г.)

11. Власов М.Ю., Горбачев В.Г. Геоинформационные системы. «Byte Россия» №6 - 1999.

12. GIS by ESRI. User's Guide. : 1. Understanding GIS. The ARC/INFO Method. 2. PC ARC/INFO. 3. PC ARCPLOT. 4. PC ARCEDIT. 5. SML. USA, Redlans: Environmental System Research Institute, 1994.

13. ARC/INFO Версии 8: Объектно-компонентная ГИС (по статье Дэвида Дж. Магвайера в ARC News, Vol. 20 № 4) // ARCREVIEW -№3(10).- 1999.

14. Гераськин С., Назаренко Н. Публикация геоданных в Интернете // PC Magazine/RE. N3. - 1999.

15. Андреев A.M., Березкин Д.В., Куликов Ю.В., Смагин А.Ю., Смелов А.В. Геоинформационные системы, объектно-ориентированный подход к проектированию. Объектные ГИС // «Геодезия и картография» №9 - 1995.

16. Горбачев В.Г. Какая ГИС нужна городу? Информационный бюллетень ГИС-ассоциации, 1997.

17. КИБЕРСО, http://www.kiberso.ru/

18. ДИАС База данных: Компьютерная карта-схема города Екатеринбурга ("Екатеринбург на блюдечке 3"). Свидетельство РосАПО № 2002620039 от 26.02.2002.

19. Белый О.В., Кокурин И.М. Решение проблем логистики на основе геоинформационных технологий. Сб. материалов Международной конференции «Логистика: современные тенденции развития», 25 26 апреля 2002 года. СПбГИЭУ - СПб.: 2002.- с.З - 14.

20. Печерский М., Буданов А. Система управления движением транспорта, Открытые системы, № 11-12, 1999 год // Издательство "Открытые Системы" (http://www.osp.ru/).

21. Галазин В.Ф., Базлов Ю.А. и др. "Совместное использование GPS и "Глонасс". Доклад. Май, 1997г.

22. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978.

23. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир, 1981.

24. Зыков А.А. Основы теории графов. М.: Наука, 1987.

25. Балашов В.В. О состоянии работ по ведению градостроительного кадастра в РФ. // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. -1996.-№4 (6).- С.37-38.

26. The Digital Chart of the World for use with ARC/INFO. ESRI.- 1993.89 p.

27. Водов M.A., Пухов Г.Г., Жданов C.H. и др. Безопасность жизнедеятельности Санкт-Петербурга и ГИС технологии. ARCREVIEW, Спецвыпуск, 2003, Изд-во ООО Data+, С. 2-3, + www.dataplus.ru

28. Пухов Г.Г., Водов М.А., Бабуров В.И. и др. Система обеспечения безопасности полётов самолётов «Пулковские авиалинии» на основе геоинформационных технологий. ARCREVIEW, Спецвыпуск, 2003, Изд-во ООО Data +, С. 8, + www.dataplus.ru

29. М. Де Гроот. Оптимальные статистические решения. -М.: Мир, 1974.-496 с.

30. Воронцовский А.В. Инвестиции и финансирование: Методы оценки и обоснования. СПб: Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 1998.

31. Завлин П.Н., Васильев А.В. Оценка эффективности инноваций. СПб, Издательский дом «Бизнес-пресса», 1998.

32. Идрисов А.Б., Картышев С.В., Постников А.В. Стратегическое планирование и анализ эффективности инвестиций. Издание 2-е, стереотипное М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1998.

33. Крушвиц JI. Инвестиционные расчёты. Пер. с нем. под общей редакцией В.В. Ковалёва и З.А. Сабова: Издательство «Питер», 2001.