автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка средств автоматизированного проектирования транспортных систем и геометрии улично-дорожной сети населённых пунктов

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭТАПЫ РАБОТЫ С ГОРОДСКИМИ ТРАНСПОРТНЫМИ СИСТЕМАМИ.

1.1. Исходные и проектные материалы по городским транспортным системам.

1.2. Основные принципы проектирования транспортной сети.

1.3. Основные принципы проектирования маршрутных систем

1.4. Основные принципы проектирования элементов участков

1.5. Последовательность проектирования транспортных сетей, маршрутных систем и геометрии участков УДС.

1.6. Определение пассажирооборота транспортных районов города.

1.7. Математико-статистические методы определения пассажирооборота районов.

1.8. Методы расчёта межрайонных пассажирских корреспонденций.

1.9. Расчёты грузовых корреспонденций.:

1.10. Расчет и построение пассажиропотоков.

1.11. Применение картограмм пассажиропотоков и потоков транспорта.

1.12. Применение методов линейного программирования для моделирования задач внутригородского расселения.

1.13. Затраты времени на передвижения, средняя дальность поездки и объём работы пассажирского транспорта.

1.14. Автоматизированное построение изохронограмм.

1.15. Использование ЭВМ, технологий CALS, ГИС, САПР, основные принципы и существующие методы.

1.16. Основа единого информационного пространства - модель данных.

1.17. Графические данные и аналитические модели.

1.18. Оверлейные операции.

1.19. CALS, ГИС, САПР технологии как основа для построения единого информационного пространства транспортных систем.

1.20. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И СОДЕРЖАНИЯ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА ДЛЯ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Обоснование и разработка структуры системы для системы единого информационного пространства ТС.

2.2. Принимаемые для работы термины и их соответствие нормативным требованиям.

2.3. Исходные и конечные данные необходимые и полученные в результате работы с ТС. Способы их представления.

2.4. Графические примитивы и их представление.

2.5. Сетевые (графовые) базы данных. Представление и операции над ними.

2.6. Определение взаимосвязи улично-дорожной сети с ' прилегающими территориями.

2.7. Характеристики объектов представленные моделируемые) в БД.

2.8. Геометрические и атрибутивные характеристики участков улично-дорожной сети.

2.9. Этапность создания сетевых (графовых) баз данных.

2.10. Построение транспортной сети на основе существующей

УДС города.

2.11. Методика выбора рационального варианта траектории поездки на маршрутизированном городском транспорте.

2.12. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ ПРИЛОЖЕНИЙ СИСТЕМЫ.

3.1 Представление результатов.

3.2. Базы данных для хранения графической информации.

3.3. Базы данных характеристик объектов города.

3.4. Геометрические и атрибутивные характеристики участков улично-дорожной сети.

3.5. Алгоритм построения 3D модели участков УДС по данным из БД характеристик участков УДС.

3.6. Инструменты и методы заполнения баз данных и формы представления этих данных.

3.7. Реализованные программные приложения.

3.8. Выводы.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Научно-технический прогресс, всё растущие потребности человечества определили бурный рост промышленности, и сосредоточение большей части населения земли в городах. Невозможность расселять людей непосредственно в местах приложения труда определили необходимость решать проблемы поиска наиболее эффективных методов транспортного обслуживания населения. Таким образом транспортная система (ТС) является одним из важнейших структурных элементов современного города.

Стремительная автомобилизация населения России, совместно с хроническим недофинансированием городских транспортных структур поставили городские транспортные системы в тяжёлое положение [105]. Несовершенность транспортных систем, проявляющаяся в трудности достижения территорий города как на общественном транспорте (низкая скорость, большие интервалы движения, высокая стоимость, низкое качество обслуживания), так и на индивидуальном транспорте (пробки на улицах города, повреждения проезжей части), определяет: а) высокую транспортную усталость, особенно при трудовых передвижениях (в часы пик); б) ухудшение экологической ситуации в городе (загрязнение воздуха и транспортный шум); в) негативное влияние на безопасность движения, и т.д.

Необходимость модернизации транспортных систем нашла своё отражение в подпрограммах "Реформирование пассажирского транспорта общего пользования"[94], и "Информатизация"[95] федеральной целевой программы "Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)". Целью указанных подпрограмм является соответственно: создание условий для улучшения транспортного обслуживания населения за счет повышения эффективности функционирования пассажирского транспорта общего пользования, а также создание единого информационного пространства для органов управления транспортным комплексом и участников транспортного процесса, создание систем оперативного контроля параметров работы транспорта, имеющих государственную и социальную значимость.

Эффективные решения по работе пассажирского транспорта можно принять только после тщательного анализа множества различных факторов. Это определяет, в первую очередь, необходимость создания единого информационного пространства, в которое должны войти не только характеристики транспортной системы, но и определённый набор данных из смежных областей - градостроительства, экономики, экологии и т.д. Подпрограмма "Информатизация" предполагает также создание системы сбора и обработки информации по транспортному комплексу - как информационной основы для системы логистических центров, с целью построения эффективных транспортных систем.

На сегодняшний день в России не используются инструменты для автоматизированного сбора, обработки информации и проектирования городских транспортных систем в полном объёме. Наиболее целесообразным является применение хорошо себя зарекомендовавших в различных областях промышленности CALS технологий, и в первую очередь их составляющих, автоматизированных справочно-информационных систем (АСИС) и систем автоматизированного проектирования (САПР). Основой любой САПР или АСИС системы является модель данных. Жесткая связь между проектированием транспортной сети (ТС), маршрутной системы города и проектированием геометрии участков улично-дорожной сети (УДС) является главным условием при формировании модели ТС. В настоящее время геометрические характеристики участков УДС, определяемые, по сути, на этапе проектирования транспортной системы города, тем не менее, выделяются в отдельную задачу. Правильность такого подхода при ручном проектировании не вызывает сомнения. При автоматизации процесса сбора исходных данных и проектирования очевидны преимущества сведения задач проектирования транспортных сетей, маршрутных систем и геометрии УДС, в единое информационное пространство. Единообразие используемых расчётных данных создаёт благоприятные условия для эффективного одновременного решения этих двух типов задач и, как следствие, экономию денежных средств, временных и прочих ресурсов проектных и эксплуатирующих организаций.

Отсутствие инструментов автоматизированного сбора исходных данных, проектирования и их основы - информационной модели данных по городским транспортным системам в совокупности с неспособностью последних отвечать реалиям сегодняшнего дня определили актуальность темы диссертации.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего диссертационного исследования является разработка геометрической и атрибутивной моделей данных информационной системы как основы для системы автоматизированного проектирования и управления, содержащей комплекс сведений о транспортной системе городов, предназначенной для эффективного многоцелевого использования предприятиями и организациями, занимающимися проектированием и модернизацией, строительством, эксплуатацией и управлением, как маршрутной системы, транспортной сети города, так и городской улично-дорожной сети. Основными задачами исследования являются:

- Определение источников и объёма информации (сущностей и характеристик сущностей), необходимой для проектирования транспортной сети, маршрутной системы города, по различным методам (экстраполяци-онным и вероятностным)

- Исследование геометрической структуры участков УДС с определением перечня данных, описывающих участок УДС, и созданием алгоритма создания ЗБ модели участка УДС по выделенным данным;

- Выявление информационных и логических связей между выделенными сущностями маршрутной системы, транспортной сети и улично-дорожной сети и их характеристиками;

- Разработка архитектуры информационной системы для проектирования и эксплуатации маршрутных систем, транспортных сетей и улично-дорожных сетей.

Предметом исследования является информатизация процесса проектирования, строительства, эксплуатации и управления транспортной инфраструктурой города.

Научная новизна работы состоит в:

• разработке единого информационного пространства, объединяющем данные о характеристиках городских зон, транспортной сети города и его маршрутной системе, совместно с геометрическими и атрибутивными данными об участках УДС.

• разработке метода хранения данных о геометрии участков УДС, и алгоритме построения ЗБ модели на основе их осевых линий, направляющих и точек привязки.

• разработке алгоритма построения аналитической модели транспортной сети и метода эффективного хранения аналитических моделей городских транспортных связей.

• разработке архитектуры информационной системы, для решения широкого спектра задач проектирования, строительства, эксплуатации и управления транспортными системами. ,

• разработке алгоритма определения рациональной траектории движения населения в городе с использованием городского маршрутизированного транспорта.

Практическая значимость диссертационного исследования выполненного в рамках Фундаментальной НИР «Разработка теоретических основ алгоритмов и программ геометрии и графики для параллельных технологий проектирования» (ГР № 01970004538, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет), состоит в том, что его основные положения и результаты могут быть использованы эксплуатационными и проектными организациями, работающими с транспортными системами населенных пунктов на этапах сбора исходных данных (предлагается модель данных), проектирования (приводится сравнительный анализ методов для этапов проектирования, предлагаются алгоритмы построения модели УДС, работы с маршрутной системой и т.д.) или эксплуатации.

Материалы диссертации использованы при подготовке студентов ННГАСУ по специальности 290500 "Городское строительство и хозяйсгоо"[ 13] На защиту выносятся:

- модель данных для системы сбора исходных данных, проектирования, и эксплуатации транспортных систем;

- алгоритм построения и принцип хранения аналитической модели транспортной сети;

- алгоритм определения рациональной траектории передвижения населения города с использованием массового пассажирского транспорта;

- метод хранения данных о геометрии участков УДС;

- метод формирования ЗО-геометрических моделей участков УДС.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были опубликованы в 7 научных работах и доложены на второй межрегиональной конференции «Новейшие информационные технологии -инструмент повышения эффективности управления» (Н.Новгород, 10-11 апреля 2002г.), а также на конференции преподавателей и аспирантов ННГАСУ «Архитектура и строительство» в 2000 году, семинарах кафедры «Начертательной геометрии, машинной графики и основ САПР».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения, общим объемом 189 страниц, в том числе 159 страниц основного текста, 37 рисунка, 54 таблиц. Список использованных литературных источников включает в себя 107 позиций.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Моделирование работы транспортных систем может быть эффективно только при совместной работе транспортных предприятий, градостроительных организаций и организаций по сбору статистических данных, развития и стратегического планирования. Наличие большого количества данных и привлекаемых организаций требует создания единого информационного пространства. Разработку единого информационного пространства необходимо проводить в рамках CALS-технологий, которые успешно зарекомендовали себя в различных отраслях промышленности.

2. Создание единого информационного пространства основывается на создании электронной модели транспортной системы, включающей в себя следующие компоненты: улично-дорожную сеть, транспортную сеть, маршрутную систему, данные о населении, его расселении и пунктах тяготения городского населения.

3. Основой расчёта ТС является аналитическая расчётная модель. В работе представлены алгоритмы автоматического построения и разработаны методы компактного хранения этой модели. Взаимосвязь аналитической модели и модели данных характеристик ТС позволяют автоматически производить различные эксперименты, определяя время достижения различных территорий города, пропускную способность и слабые места транспортной сети и т.д.

4. Одной из важных характеристик городских территорий является качество транспортного обслуживания этих территорий. Наиболее эффективным инструментом оценки является метод построения изохронограмм. В работе представлен алгоритм, способный повысить эффективность метода, за счёт определения рациональных траекторий поездки в городе. Взаимосвязь аналитической модели и модели данных характеристик ТС создают благоприятную почву для широкого применения автоматизированной версии этого метода.

5. Геометрические характеристики участков УДС определяют пропускную способность УДС, транспортную обслуживаемость, уровень шума и загазованности на прилегающих территориях. Разработанная система электронного представления значимых характеристик элементов участка УДС позволяет иметь полный перечень данных о геометрии УДС и иметь к ним доступ как к элементам участка УДС (проезжая часть, газоны, тротуары.), а не как к элементам чертежа, а также строить и анализировать ЗБ модель объекта.

6. ЗВ модели участков УДС в рамках разработанного единого информационного пространства позволяют эффективно решать целый комплекс различных задач, от утилитарных, таких как оценка с позиции участника движения, видимости устройств регулирования движения и других участников движения, до эстетических, таких как визуальная оценка городской планировки. С архитектурной и строительной точки зрения ЗБ модели обладают наибольшей степенью информативности и наглядности, что позволяет эффективней решать поставленные задачи и оценивать принимаемые варианты решений на виртуальных объектах, что также повышает качество принимаемых решений.

7. Предложенные в диссертации методы проектирования ТС и реализованные программные инструменты могут применяться при обучении студентов и при работе над реальными ТС городов. На кафедре градостроительства Нижегородского Государственного Архитектурно-Строительного Университета используется программа автоматизированного построения изохроно-грамм, производится расчёт пассажиропотоков по методам и алгоритмам, описанным в диссертации. Выполнена работа по модернизации транспортной сети и маршрутной системы г. Лукоянова с применением программы построения изохронограмм. В МУП Нижегородэлектротранс переданы описанные в диссертации разработки, в частности программа определения рациональной траектории поездки населения в городе с использованием маршрутизированного транспорта.

1. Авдотьин, Л.Н. Применение вычислительной техники и моделирования в архитектурном проектировании / Л.Н Авдотьин. М.: Стройиздат, 1978. -255 с.

2. Аксёнов, И.Я. Единая транспортная система / И.Я. Аксёнов. М.: Высшая школа, 1991.-384 с.

3. Андрианов, В. ГИС на транспорте / В. Андрианов // ARCREVIEW: Современные геоинформационные технологии. 2003. - №1. - С. 1 - 3.

4. Андриевская, В. Муниципальная ГИС г. Тольятти: рецепты выживания / В. Андриевская // ARCREVIEW: Современные геоинформационные технологии. -2003. -№2. С. 10 -11.

5. Аникеев, В.В. Кадрам градостроительства информационные технологии / В.В. Аникеев // Градостроительство в век информатизации. - М., 2002. - С. 183 - 188.

6. Антонов, A.B. Структуры данных и способы представления информации о территории в компьютерных информационных системах в процессе градостроительного проектирования / A.B. Антонов // Градостроительство в век информатизации. М., 2002. - С. 74 - 80.

7. Бабков, В.Ф. Проектирование автомобильных дорог / В.Ф. Бабков, О.В. Андреев. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987. -т.1 - 367 е., т.2415 с.

8. Бабков, В.Ф. Автомобильные дороги / В.Ф. Бабков. 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1983. 279 с.

9. Бабков, В.Ф. Дорожные условия и организация движения / В.Ф. Бабков М.: Транспорт, 1974. - 240 с.

10. Васин, Ю.Г. Автоматическое планирование оптимального маршрута по дорожной сети / Ю.Г. Васин, Н.И. Городецкая.// Автоматизация обработки сложной графической информации: Межвуз. сб. науч. тр. -Горький., 1987. -С.153 162.

11. Вербовецкий, A.A. Основы проектирования баз данных / A.A. Вербовецкий.- М.: Радио связь, 2000. 88 с.

12. Володин, Е.В. Организация и планирование перевозок пассажиров автомобильным транспортом / Е.В. Володин, H.H. Громов. М.: Транспорт, 1982.-222 с.

13. Иванов, В.П. Трёхмерная компьютерная графика / В.П. Иванов, A.C. Батраков. М.: Радио и связь, 1995. - 223 с.

14. Калверт, Ч. Borland С++ Builder 3. Энциклопедия пользователя / Ч. Кальверт.- Киев.: ДиаСофт, 1998. 800 с.

15. З.Козлов, Т.И. Пропускная способность транспортных систем / Т.И. Козлов. -М.: Транспорт, 1985.-216 с.

16. Кондрашкин, О.Б. Оценка безопасности движения трамваев в рамках моделирования СТЭР / О.Б. Кондрашкин // Архитектура и строительство -2000: Тезисы докл. Ч.З.-Н.Новгород., 2000 С. 31-33.

17. Коссой, Ю.М. Городской транспорт: Ч. I / Ю.М. Коссой. Н. Новгород: НГУ, 1993. - 43 е.; Ч. II. - Н. Новгород: НГАСА. 1998. - 104 с.

18. Коссой, Ю.М. Особенности оценки инвестиционной эффективности на городском пассажирском транспорте / Ю.М. Коссой // Архитектура и строительство 2000: Тезисы докл. Ч.З. - Н.Новгород., 2000 - С. 33-34.

19. Кристофидес, Н. Теория графов: Алгоритмический подход / Н. Кристофидес.- М.: Мир, 1978.-432 с.

20. Кувшинникова, Т. ГИС для регистрации и учёта протяжённых объектов недвижимости / Т. Кувшинникова // ARCREVIEW: Современные геоинформационные технологии. 2003. - №1. - С. 9.

21. Кузиковский, С.А. Проблемы управления движением виртуальных автомобилей на сети дорог./ С.А Кузиковский, М.М. Лаврентьев, И.В. Белаго, B.C. Бартош //Graphicon 2002. С. 279 - 284.

22. Мазаев, Г.В. Типы реконструкции города / Г.В. Мазаев //

23. Градостроительство в век информатизации. М., 2002. - С. 132 - 135.

24. М.Мейер, М. Теория реляционных баз данных / М. Мейер. М.: Мир, 1987. -608 с.

25. Мер кул ов, Е.А. Городские дороги / Е.А. Меркулов. -М.: Высшая школа, 1973. 456 с.

26. Меркулов, Е.А. Проектирование дорог и сетей пассажирского транспорта в городах / Е.А. Меркулов, Э.Я. Турчихин. -М.: Стройиздат, 1980. 386с.

27. Моделирование пассажиропотоков в транспортной системе: Оценка вариантов развития транспортной системы и анализ чувствительности модели / П.У. Бонсалл, А.Ф. Чемперноун, А.К. Мейсон, А.Г. Уилсон. -М.: Транспорт, 1982. 207 с.

28. Мюллер, Дж. Visual С++5: пер. с англ. / Дж. Мюллер. СПб.: BHV- Санкт-Петербург, 1998.-720 с.

29. Новиков, Ф.А. Дискретная математика для программистов / Ф.А. Новиков. -СПб.: Питер, 2001.-304 с.

30. Ope,О Теория графов / О. Ope M.: Наука, 1980. - 336 с.

31. Орлов, A.B. Модель транспортных данных для ArcGIS Desktop / A.B. Орлов // ARCREVIEW: Современные геоинформационные технологии. -2003. -№1. С. 7.

32. Орлов, A.B. Транспортная ГИС штата Нью-Йорк / A.B. Орлов //

33. ARCREVIEW: Современные геоинформационные технологии. 2003. -№1. -С. 3.

34. Основы проектирования реляционных баз данных. Режим доступа : http:// citmgu.ru.

35. Государственное издательство по строительству и архитектуре, 1953. -251 с. )З.Порев, В.Н. Компьютерная графика / В.Н. Порев. СПб.: БХВ-Петербург, 2002.-432 с.

36. Порожняков, B.C. Автомобильные дороги: Примеры проектирования / B.C.

37. Рекомендации по проектированию улиц и дорог городов и сельских поселений. -М: ЦНИИП градостроительства, 1994. 88 с.

38. Рекомендации по стандартизации. CALS-технологии Терминологический словарь // 4.1. -М.: ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 2000. 58 с.

39. Реконструкция автомобильных дорог / В.Ф. Бабков, В.М. Могилевич, В.К. Некрасов и др. М.: Транспорт, 1978. - 264 с.

40. Роджерс, Д. Алгоритмические основы машинной графики / Д. Роджерс. М.:Мир, 1989.-512 с.

41. Руководство по проектированию городских улиц и дорог. М.: Стройиздат, 1980.-222 с.

42. Самойлов, Д.С. Городской транспорт / Д.С. Самойлов. -М.: Стройиздат. -1983.-384 с.

43. Свод знаний и база знаний в городском транспорте. Режим доступа : http://www.waksman.by.ru/Russian/Systems/Svod.htm.

44. Сигаев, A.B. Проектирование улично-дорожной сети / A.B. Сигаев. -М.: -1978.-263 с.

45. Сильянов, В.В Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения / В.В. Сильянов. М.: Транспорт. 1977. - 303 с.

46. Системы обработки информации язык баз данных SQL со средствами поддержания целостности. - Режим доступа : http://citmgu.ru.

47. Смоляр, И.М. Информация как основа градостроительного проектирования в XXI веке / И.М. Смоляр // Градостроительство в век информатизации. М., 2002.-С. 9- 12.

48. СНиП 2.05.02-85 Автомобильные дороги.

49. Ю.СНиП 2.05.09-90. Трамвайные и троллейбусные линии.

50. Ц.СНиП 2.07.01-89 (1994). Градостроительство.

51. Страментов, А.Е. Городское движение / А.Е. Страментов, М.С. Фишельсон. -М.: Госуд. изд. по строит., архитект. и строит, мат., 1963. 294 с.

52. Стрелкова, Н.Б. Анализ пакета программ машинной графики / Н.Б.

53. М.: Инст. географии АН СССР, 1989. 221 с. М.Тихомиров, Ю. Программирование трёхмерной графики / Ю. Тихомиров. BHV - Санкт-Петербург, 1998. -256 с.

54. Томпсон, Н. Секреты программирования трёхмерной графики для Windows 95. Перев. с англ./ Н. Томпсон. СПб.: Питер, 1997. - 352 с.

55. Томчинская, Т.Н. Развитие графического интерфейса и топологических задач AutoCAD Map и Land Development Desktop для инженерной геоинформационной системы предприятия / Т.Н. Томчинская, C.B. Голубь,

56. B.Е. Турлапов // Graphicon 2002. С. 305-308.

57. Трехмерное моделирование и фотореалистическая визуализация городских территорий / А. Гречищев, В. Бараниченко, С. Монастырев, А. Шпильман // ARCREVIEW: Современные геоинформационные технологии. -2003. -№2.1. C. 12-13.

58. Ульман, Дж. Базы данных на Паскале/ Дж. Ульман. М.: Машиностроение, 1990.-386 с.

59. Ухлин, А.Е. Проблемы и перспективы городской информационной системы / А.Е. Ухлин // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. -Н.Новгород., 2002.-С. 168- 172.

60. Фролов, Г.А. Фролов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1994. - 288 с. >9.Цветков, В.Я. Геоинформационные системы и технологии / В.Я Цветков.

61. ОЗ.Чечин, А.В. Требования к геоинформационной системе крупного региона/ А.В. Чечин // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. -Н.Новгород.,2002.-С. 146- 149.

62. Шевяков, А.П. Организация движения на автомобильных магистралях / А.П. Шевяков. М.: Транспорт, 1985. - 96 с.

63. Шершевский, Ю. О развитии городских транспортных коммуникаций / Ю. Шершевский // Градостроительство в век информатизации. М., 2002. - С. 111 - 114.

64. Шештокас, В.В Конфликтные ситуации и безопасность движения в городах / В.В. Шештокас, Д.С. Самойлов. М.: Транспорт, 1987. 208 с.

65. Эсти Мэп Геоинформационные системы. - Режим доступа : http://www.esti-map.ru/magellan.htm.