автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Совершенствование локального модельного обеспечения компьютерных систем управления транспортными потоками

ЛАВА 1. АНАЛИЗ МОДЕЛЬНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ.8

ЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАКРО ПОДХОДА К МОДЕЛИРОВАНИЮ ГРАНСПОРТНОГО ПОТОКА.25

2.1 .Особенности компьютерных систем управления ТП.25

2.2.Макроскопические модели транспортного потока.28

2.3.Основные понятия и определения, касающиеся транспортного потока.29

2.4. Объект управления.32

2.5. Критерии качества. .34

ЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ПРИНЯТИЯ ЛОКАЛЬНЫХ /ПРАВЛЯЮЩИХ РЕШЕНИЙ.37

3.1. режимы работы пересечений.37

3.2. Оценка критериальных функций.39

3.3. Учет неоднородности состава потока.46

3.4.Расчет схем организации движения и управляющих воздействий . 49

3.5. Формализация оптимизационной задачи.50

3.6. Описание постановки задачи и алгоритмов решения.52

3.7. метод решения многокритериальной задачи.56

ЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ РАСЧЕТА /ПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОСНОВЕ НАТУРНЫХ И МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.59

4.1. Задачи, объект и методика проведения исследования.59

4.2. Стохастическая модель пересечения.60

4.3. Анализ аварийности на объекте исследования.63

ВВЕДЕНИЕ

Рост темпов автомобилизации сопровождается рядом негативных юследствий, характерных в первую очередь для крупных городских эбразований, такими, как перенасыщенность транспортными средствами ^лично-дорожных сетей, загрязнение атмосферы отработавшими газами, аварийность и др.

В развитых странах признано в качестве важнейшего условия нормализации ситуации в городах применение компьютерных систем для управления транспортными потоками. В большинстве крупных городов мира функционируют и постоянно развиваются подобные системы, :овершенствуется их программно-алгоритмическое обеспечение.

В Российской Федерации в 70-х, 80-х годах в рамках государственных научно-технических программ проводились работы по созданию подобных юмпьютерных систем в городах. Были введены в строй более 150 магистральных и несколько десятков общегородских систем, технические зредства некоторых из которых базировались на микропроцессорной технике 1 по существу представляли из себя распределенные вычислительные системы.

Однако в последнее десятилетие резко сократились как объемы исследований, так и объемы опытно-конструкторских и внедренческих работ, направленных на создание систем управления движением. Лишь в последнее зремя наблюдается некоторое оживление деятельности в этой области. Причем, поскольку стоимость систем весьма значительна, а ресурсы, соторые могут быть направлены в рассматриваемую область ограничены, эсобое внимание стало обращаться на отечественные изделия. В этой связи :ледует отметить разработки АОЗТ «Автоматика» (г. Омск), традиционно с fO-x годов ведущее предприятие по реализации информационных гехнологий в управлении движением. о

Особенно активно стали развиваться технические средства при существенном отставании в развитии от потребности практики модельного эбеспечения.

В связи с изложенным, как первоочередная, возникает задача совершенствования модельно-алгоритмического обеспечения компьютерных систем управления транспортными потоками (ТП) и, в частности, методов эасчета воздействий, обеспечивающих оптимизацию принятия решений.

Моделированием, а также методами управления ТП занимались в ЗССР, США, Великобритании, Японии и др. специалисты в различных эбластях знания. Однако вопросы моделирования и управления ТП на локальных пересечениях недостаточно исследованы и освещены в литературе. Поэтому необходимо, наряду с развитием моделей, разработать методы принятия управленческих решений. Изложенное явилось предметом исследования.

Научные основы исследования - фундаментальные работы Моисеева H.H., Растригина Л.А., Бусленко H.H., а также разработки Робертсона Д., Питтла Д., Хилажева Е.Б., Клинковштейна Г.И., Кременца Ю.А., Печерского VI.П. и др.

Работы этих и многих других авторов создали предпосылки дальнейшего совершенствования математического обеспечения <омпьютерных систем управления ТП.

Настоящее исследование базируется также на результатах разработок ^03 «Автоматика», «Мосгортрансниипроект», НИЦ ГИБДД МВД России, VI АД И, МГИЭМ.

Цель диссертационной работы - создание путем теоретического эбобщения моделей ТП, а также методов принятия на их основе локальных /правляющих решений.

Достижение этой цели связано с необходимостью решения следующих задач: разработка методов, математических моделей и алгоритмов )птимизации воздействий на ТП, включая распределение потоков на юкальном пересечении; разработка стохастической модели для оценки качества принятия юшений; анализ работоспособности методов и моделей.

Основным научным результатом диссертации является создание сомплекса моделей и алгоритмов, в совокупности составляющих методологию расчета воздействий на ТП на локальном пересечении.

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 управляющих решений на локальном пересечении.

2. Математические модели, методы решения.

3. Стохастическая модель оценки качества принятия решений.

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

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

Результаты диссертационной работы используются при чтении лекций .

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 работах. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1-Рост темпов автомобилизации, ограниченность ресурсов, аправляемых на совершенствование дорожных условий и технических эедств управления транспортными потоками, приводят к ряду негативных эследствий. В связи с этим стали предъявляться повышенные требования к оделям и методам принятия управляющих решений, эффективность эторых еще недостаточно высока.

2.Качество управляющих воздействий на транспортные потоки в эрожной сети характеризуется набором показателей, поэтому учитывая ногообразие требований к управлению его оптимизацию необходимо эоводить в рамках многокритериальной задачи, однозначное решение >торой может быть получено путем введения дополнительных ограничений, эмпоненты целевой функции (длительность задержки, число остановленных 3, расход топлива, масса отработавшего газа) являются линейной >мбинацией длительности задержки и числа остановленных ТС.

3.Общая задача оптимизации, обеспечивающая возможность :;новременного нахождения всего комплекса величин требует привлечения шчительных ресурсных средств, что не всегда представляется возможным, связи с этим обобщенная формализованная постановка задачи расчета 1равляющих воздействий на локальном пересечении решается путем ее экомпозиции (распределение потоков по полосам, разделение потоков во )емени и пространстве, расчет сигналов).

4. Поскольку объект исследования является распределенным и 1намично меняющимся, то провести натурно-модельные исследования не :егда удается, поэтому предложена стохастическая модель пересечения >еспечивающая совпадение результатов с известными аналитическими »отношениями (например, Вебстера) при моделировании в рамках 1ботоспособности традиционных методов и позволяющая оценить (эфективность аналитических решений. у-1

5.Разработанные методы позволяют обеспечить оптимизацию принятия правляющих решений, компьютеризировать некоторые ранее еформализованные задачи.

6.Основные разработанные методы программно реализованы и спользуются при проектировании компьютерных систем (НИЦ ГИБДД МВД оссии; ГОССМЭП МВД России; ООО «Росби Информ, г. Санкт-Петербург).

1. Ван дер Варден Б.Л. Математическая статистика. М., Иностранная литература, 1960,436.

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

3. Кременец Ю.А., Печерский М.П. Инженерные расчеты в регулировании дорожного движения. М., МАДИ, 1977, 110

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

5. Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории массового обслуживания. Машиностроение, 1969, 324

6. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М., Наука, 1982, 254

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

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

9. Сорока А.С. Проблемы уменьшения вредного воздействия автотранспорта в программе. "Окружающая среда г. Киева". Э/И "Современное состояние и тенденции развития больших городов в СССР и за рубежом". М., МГЦНТИ, вып.7, 1985.

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

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

12. Э. 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.

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

14. Юров А.П., Якушин J1.A. Совершенствование организации и повышение безопасности перевозок на основеприменения современных систем управления дорожным движением. Сб. AT, серий 1. М., ЦБНТИ, 1983, 24.

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

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

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

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

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

20. Brown G.T., Vincent R.A. Street-wise scoot moves traffic that other systems cant rearch. "Surveyor", 1986, № 4875, 165, 8-9.

21. Cronje W.B. Derivation of eguation for guen lenght, stops and delay for fixed-time traffic signals. "Transp. Res. Rec.", 1983, № 905, 93-95.

22. Culpepper T.H., Day M.D., Jen K.M. Investigation of energi-effectivenes criteria for selecting intersection control sistem. "Model. And Simul", 1984, 11 Proc. 11th Ann. Pitssburg.

23. Drouin M., Abou-Kandil H., Dib G., Bertrand P. A new approach for realtime control of urban traffic networks. "Contr. Transp. Syst. Proc. 4Th IFAC/IFIP/IFORS. Conf., Baden-Baden, 20-22 Apr. 1983, Oxford E.A.", 1984, 237-241.

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

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

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

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

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

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

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

31. Greenberg P., Trabelsi a., Tabak D. Distributed mikrocomputer-based control of multiple signalized traffic intersections. "Contr. Transp. Syst. Proc. 4Th IFAC/IFIP/lFORS. Conf., Baden-Baden, 20-24 Apr. 1983, Oxford C.A.", 1984, 237-241.

32. HaKaMypa Pe, MiviaHara Cmha30. Eizo joho., 1995, 27, № 7, 45 50.na

33. Hall T.J., Schwartz M.A., Hammer S.M. Minnesota Minig and Munufacturing Co., № 515933.

34. Hall T.J., Schwartz M.A., Hammer S.M.; GPS based traffic control preemption system.¡Minnesota Mining and Munufacturing Co., № 515933

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

36. Hoppe L., Brzozowsky A. Koneepcja zinteyrowanego systemi sterowania ruchem w trojmiescie. "Zesz. Nomk. Pgdan: Bud. Ladowe", 1984, № 39, 149162.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

47. B. Lux.J., Hatherell P.J. Traffic light control system.,Traffic control Ltd, №96105358.1.k J.Y.K., Steward R.W. Saturn, transyt/8 and Netsim. "Austral. Road Res.", № 2, 14, 82-87.

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

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

50. Miller A.J. A computer control system for traffic network. 2nd Int Sumposium on Traffic Flow, London, 1963.

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

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

53. D. Powell M., Modelling the behaviour of motorcycles at traffic signals., Traffic Eng., 1997, 38, №10, 521-539.

54. Renaud D.J.GEC Traffic Autonation Ltd. № 91025809, 1991

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

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

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

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

59. Sidorowich J. Przurzady do pomidrow ruchi. "Pr.lnst. Bad. Drog i Most", 1985, №4, 167-172.400

60. Singh M.G. Hierachical strategies for on line controlof urban road traffic signals. 5th IFIP Symposium, Rome, 1973.

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

62. Takaba Sadato, Sekine Tomiyoshi, Tori Katsura. Imporovement of a traffic flow measuring sysem using a solidstate image sensor. "CacaH kshkk), Mon Y. Inst. Sei., Univ. Tokyo", 1985, №4, 37, 151-154.

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

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

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

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

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

68. Zhang Xiaogin. A new algorithm for real time controlof oversaturated city traffic networks. "Contr. Theory and Appl.", 1986, 3, 124-125.101