автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление и оценка качества безопасного движения транспортных средств при их встрече

УДК- 629.7.017.1+519.852

На правее: рукотки

Чан Ван Туен

УПРАВЛЕНИЕ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА БЕЗОПАСНОГО ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ИХ ВСТРЕЧЕ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (информатика, управление и вычислительная техника)

005054107

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

- 1 КОЯ 2012

005054107

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматического и интеллектуального управления» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Лебедев Георгий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой МГУПИ Слепцов Владимир Владимирович

доктор технических наук, профессор, профессор МИРЭА Манько Сергей Викторович

Ведущая организация:

ФГУП «ГОСНИИАС»

Защита состоится «19» ноября 2012 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.125.11 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) «МАИ» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4., зал заседаний Ученого Совета МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан » вкТя й._2012 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета Д 212.125.11 канд. тех. наук, доцент

Горбачев Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При управлении подвижными объектами различного класса, такими как наземный городской транспорт, летательные аппараты при маловысотном полете, речные и морские суда, возникает проблема обеспечения безопасности движения при встрече с различными препятствиями. Существующие методы автоматического управления позволяют синтезировать структуры линейных регуляторов в аналитической форме, однако они не дают оценки степени риска при опасном сближении с препятствием.

Между тем при ручном управлении человек испытывает реальные ощущения нарастания тревоги в случае недопустимого снижения безопасности движения, что вызывает последующую перестройку способа обхода препятствий. Поэтому целью настоящей работы является воспроизведение поведения человека путем количественной оценки текущего риска в движении с помощью предложенной системы контроля и, главное, последующей перестройки системы управления на примере обхода препятствий при встречном движении.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности движения транспортных средств при их сближении путем непрерывной оценки прогнозируемого риска их возможного столкновения и принятия предупредительных мер при управлении движением.

Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:

1. Формулировка задачи оптимального управления безопасным движением и выбор метода ее решения на базе динамического программирования;

2. синтез оптимального управления обходом неподвижного препятствия наземным и речным транспортом;

3. решение задачи безопасного встречного движения двух транспортных средств;

4. формирование единой структуры одновременного контроля и управления безопасным движением транспортных средств;

5. моделирование на ЭВМ процессов встречного движения наземного

транспорта и речных судов.

Основными научными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. интегральный критерий оптимальности управления безопасным встречным движением транспортных средств;

2. представление функции риска столкновения транспортных средств с помощью правой части уравнения Беллмана;

3. зависимость оптимального управления и контролируемой функции риска от продольных и боковых скоростей сближающихся транспортных средств;

4. комплексирование процедур контроля и управления в виде двухуровневой структуры принятия решений по управлению боковым и продольным решением.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. В предложенный интегральный критерий введена переменная функция штрафов, оценивающая вероятную стоимость прогнозируемого ущерба от столкновения при встрече транспортов в зависимости от боковой и продольной дальности до препятствия;

2. С помощью динамического программирования найдена аналитическая форма контролируемой функции риска в виде правой части уравнения Беллмана;

3. Показано,что функция риска возрастает при сближении с препятствием и при увеличении как скорости сближения, так и боковой скорости встречного транспорта, что отвечает физическому смыслу решаемой задачи;

4. Доказано, что при увеличении боковой и продольной скоростей встречного движения минимальное расстояние между транспортами при встрече должно увеличиваться для большей безопасности. С этой целью найдена в квадратурах зависимость оптимального управления от этих скоростей;

5. Предложена двухуровневая структура интегрированного контроля и управления продольным и боковым движением. В случае недопустимо большого риска при управлении боковым движением для обхода препятствия сигнал предупредительной тревоги передается в другой канал продольного движения, в котором заданная скорость поступательного движения снижается, и прогнозируемый риск входит в норму.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем,что синтезированные алгоритмы контроля и управления получены с помощью научно-обоснованных методов динамического программирования и аналитического конструирования оптимальных регуляторов. Полученные результаты моделирования и найденные зависимости адекватны физическому смыслу процессов безопасного движения транспортных средств.

Практическая ценность результатов заключается в том, что включение в систему управления сигналов тревоги позволит существенно снизить риск, если с помощью специальных измерительных средств контролировать движение встречного транспорта. Такие средства на речном транспорте есть, и в этом случае предложенный подход применим в настоящее время.

Кроме того, весьма перспективна демонстрация прогнозируемой функции риска на различных тренажерах при обучении операторов по управлению, чтобы своевременно обратить внимание на возрастание опасности встречного движения.

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Международной научно-технической конференции «Проблема автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2011) и на конференции «Научная сессия ГУАП» (г. Санкт-Петербург, 2010).

Публикация. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 статьях и 2 докладах, среди которых 4 статьи включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы: Диссертация изложена на 96 стр., содержит 34 рисунков, список литературы из 64 наименований и состоит из 5-ти глав.

Глава 1 содержит общую постановку задачи. Глава 2 посвящена синтезу оптимального управления транспорта при встрече с неподвижным препятствием. В главе 3 рассмотрены процессы контроля безопасности встречного движения и его в реконфигурации процесса обхода препятствия. В главе 4 найден закон управления движением при встрече двух транспортных средств. В главе 5 представлены результаты моделирования движения транспортных средств,подтвердившие эффективность предложенного подхода.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена область исследований, сформулированы цель и задачи диссертации, изложены основные результаты, выносимые на защиту, их теоретическая и практическая значимость, отражены сведения о реализации и апробации работы.

Первая глава посвящена анализу систем управления и контроля речного и наземного транспорта. Установлено, что в существующих системах сигналы предупредительных тревог носят альтернативный характер и не используются непосредственно для плавного регулирования. Система кон-

троля безопасности движения функционирует в основном отдельно от систем управления движением. Система управления в свою очередь, в том числе при использовании оптимального управления, работает без непрерывного учета безопасности движения.

Показано, что среди методов оптимального управления наиболее подходящим методом синтеза регуляторов является динамическое программирование, в частности известный метод аналитического конструирования оптимальных регуляторов. При этом подходе кроме структуры регулятора определяется также прогнозируемая функция риска,что весьма важ-но.Поэтому был сделан вывод о поэтапном решении задачи обеспечения безопасного встречного движения транспортных средств. На первом этапе формируется оптимальное управление в предположении, что движение транспортных средств при их встрече безопасно, и поэтому минимизируется интегральный штраф отклонения от заданной линии пути. На втором этапе решается задачи контроля безопасности, и при появлении сигнала предупредительной тревоги осуществляется коррекция оптимального управления, в частности, снижается скорость движения транспорта.

Также в главе 1 приведена постановка задачи с учетом постоянного штрафа за столкновение с препятствием.

Дано:

1. Заданы дифференциальные уравнения движения транспорта, описываемого динамической системой второго порядка

х2 = -ох2 + Ъи

где - координата бокового отклонения транспорта от заданной траектории (фарватер), х2 - координата боковой скорости транспорта.

2. Поступательное движение транспорта происходит с заданной постоянной скоростью у 1 , в результате чего меняется длина у пройденного пути.

3. Задан интегральный критерий качества У = | /0(5~, (2)

о

и2 х2 х2 (х + С -И)2 где /0 = г0-+г]—+г2-^-+г}——^-— (3)- подынтегральное выражение функционала I, учитывающего постоянный штраф г, за отклонение от фарватера, штраф г, за боковую скорость, главный штраф г, за столкновения и штраф г0 за потраченную мощность при

управлении; худаление от фарватера или боковой путь ;х2- боковая скорость транспорта; а,Ь- параметры объекта управления;С,- боковая скорость течения; С0- расстояние от фарватера до острова ;£>-заданная минимальная дистанция от управляемого объекта до препятствия;

4. Заданы уравнения встречного движения (бокового и поступательного) другого объекта, который может быть в частности неподвижным, подвижным, неуправляемым и управляемым средствами

\е= -И. (4)

[2 = г2 -аг2

- при у2 = О,аг = О,IV = 0 имеем неподвижное препятствие;

- при у2 * О,аг = 0,^*0 имеем подвижное неуправляемое препятствие;

- при у2 = 0,а2 * 0 в этой диссертации не рассматривается;

Требуется решить две задачи:

1) осуществить синтез оптимального управления безопасным движением транспорта;

2) сформировать сигнал контроля безопасности движения, чтобы в необходимых случаях внести коррекцию синтезированного управления.

Предложенным подходом к решению поставленной задачи является динамическое программирование.

Во второй главе рассматривается наиболее простой случай движения транспорта при встрече с неподвижным препятствием. В этом случае исследуется два варианта : встречи с протяженным неподвижным препятствием и с малоразмерным препятствием.

В случае обхода протяженного препятствия подынтегральное выра-

и2 х2 х2 (х +С - й)2 жение критерия имеет вид /0 = г0—+ г, +г2 -у-+Гъ ——° ' (5)

С помощью функции Беллмана е = р^+у^+у/х^+Рл+у^ и уравнения Беллмана

5е г? х,2 х\ (х,+С0-О)2 ,а

а 0 2 1 2 2 2 3 2 ^ 1 было

-КД +у2х2 +6«)

найдено управление =>«„„„ = ~—{р2 + +у/х,) (6) и коэффициенты этого

'Ь

управления р2,уг,ц/.

Проведенное моделирование этого управления показало, что обход препятствия осуществляется на безопасную дистанцию О, но затем при использовании критерия в виде (5) не происходит удачного возвращения на форватер.

Во втором случае рассмотрен случай обхода малоразмерного препятствия. При этом штрафная функция уже учитывает переменную функцию в

ч О2

зависимости от удаления у. от препятствия М(у.) = к--—-.

1 + (дг,+С0) + у,

Решение задачи с помощью уравнения Беллмана позволило найти новые коэффициенты оптимального регулятора, учитывающие заданную безопасную дистанцию Б и размер С0 самого препятствия

b к M(Q-D) r0 q Го У V »d

b\r2 d . rn 2a a

2a a J

a b 2a a /¡+M 2я a

Результат моделирования обхода препятствия показан на рис.

х, м ■ 40

20

-40

, 1 1 і

ч \

"Ч Чч \ « xl

!\ !

; \ ;

! і \ і і •V і

1,С

Рис.2 Процесс маневрирования для бокового движения судна при обходе малоразмерного препятствия для у 1(0)= Ют Полученные результаты моделирования показали, что судно после обхода препятствия возвращается на фарватер и оптимальное управление боковым движением при отсутствии контроля безопасности движения снижает риск столкновения с препятствием, однако в случае его обнаружения на малых дальностях жесткое соблюдение закона управления поступательным движением приведет к аварии.

Третья глава посвящена непрерывной оценке контроля прогнозируемой безопасности встречного движения транспортов. Результаты моделирования процессов обхода препятствий привели к идее использования для цели контроля функции риска F(x) в виде правой части уравнения Беллмана

ді »1 0 2 1 2 2 2 2 1

+(Д + ГЛ + УЛЛ + + у^у + ру2х2)(сІх2 +С,)+ (8)

+(А + Уіхі + + + ду2+ ру2х{ )(-ш:2 +Ьи1)~

До сих пор не было уделено достаточного внимания процессу изменения этой функции риска. Поэтому была проанализирована зависимость правой части уравнения Беллмана от начальной дистанции у,(0) маневрирования до препятствия.

Во- первых, эта функция растет и максимальна в момент обхода препятствия, а затем величина ожидаемого риска снижается и стремится к нулю.

Во-вторых, при увеличении начальной дистанции маневрирования величина ожидаемого риска снижается из-за увеличения распологаемого ресурса времени на маневрирование.

Также была проанализирована зависимость функции риска от скорости сближения с препятствием. Рис.4 показано изменение функции риска по скоростям сближения с препятствием

Рис.4 Зависимость функции риска от скорости движения

Видно,что функция риска растет при увеличении скорости сближения с препятствием,что соответствует физическому смыслу : чем «быстрее» движение,тем это «опаснее».

Для того чтобы повысить безопасность встречного движения, предлагается понизить скорость продольного движения транспортов при недопустимом повышении функции риска Р. Для этого предложена двухуровневая структура контроля и управления безопасным движением. Эта структура показана на рис.5. С помощью этой структуры можно осуществить регулирование скоростей движения транспортов и контроль функции риска, и в случае недопустимого снижения безопасности необходимо дополнительно предпринять аварийное снижение скорости вплоть до полного торможения.

Для этого нужно сравнить контролируемую текущую функцию риска Р с некоторым порогом /гй„„, при котором экспериментально доказано успешность обхода препятствия на высокой скорости ушх . Тогда разность = Дает нужную команду на управление поступательным движением. Если д^ положительна, то нужно снизить скорость хода судна до значения ут1П, если разность АР отрицательна, то - увеличить до заданного значения у„,.

Этот способ повышения безопасности можно реализовать с помощью следующей динамической модели:

У,

VI =;[0Ду„, +упм)+0.5(уга1 -Од^-^У,]'

(9)

Рис.5 Двухуровневая структура контроля и управления безопасным встречным движением

В заключении главы 3 сделан вывод, что найденный объединенный способ контроля и управления объектом при встречном движении и неподвижном препятствии использует в качестве входных сигналов координаты бокового и поступательного движения х, , хг и у,, а также меняющуюся скорость V, поступательного движения.

В четвертой главе говорится о синтезе оптимального управления безопасным встречным движением двух транспортных средств.

Общая динамическая модель движения примет вид: х\ = с1х2 4- С, хг - ~а\х1 + Ьи

У ' = -(V, + IV) г = V, -а,г

где и» - скорость попутного движения встречного транспорта;

у, - скорость бокового движения первого транспорта; у2 - скорость бокового движения второго встречного транспорта. Задан переменный штраф за сближение с препятствием

дг^М'-д)]2 (п)

2

Решение задачи синтеза регулятора методом динамического программирования использует следующую функцию Беллмана .которая записывается таким образом:

л? х? у2 г2

^ЯУ+УхЖ+у/^+уг^ср+у/^уг+в/ь +р/х1х2 +(ру"г (12)

Добавление новых слагаемых более высокого порядка в степенном полиноме для е необходимо, чтобы учесть члены разложения функции штрафа с коэффициентом г„ имеющем вид дробной функции.

С помощью найденных выше частных производных запишем уравнение Беллмана таким образом:

де и2 (х,-т)2 х] 1 гЛх,-г + й)г

--= шт{/-„ — + г. -—+—^-=——+

д1 «. 0 2 1 2 2 2 2 ) : у1

+ (А + ГЛ + 4>п*г + Уп У + РУ2* 2 + + С1) +

+{Рг+у1х1 + у/пх1+11/11у + угА2 + ву1 + ругх1){-ах2+Ьи)- (13)

~(Рг + ГзУ + + + Сз42 + 2вУхг + 2РУХЛ + 2<Р>")(У, + + +(А + У*2 + + Уихг + ^34У + <РУг)(Уг ~ аг

Решая задачу синтеза для установившегося состояния,можно получить систему алгебраических уравнений относительно коэффициентов функции Беллмана, которые равны

---г-. (14) (у|4 = ^„(о, + а2 + —у2) .

/ о ч о

а,(а, + а2 + —г2) + —

С 24 =

дг>У 3

где Л =

2г,

2г0(у,+м>) 2 г0

вг0

Ч

2 Ь2в'

'М^. -?!1я+г3О+^,|уг-20(у1 + и-)2

+ г3£> + (</,4у2

ЪгР2Ч>п

Это позволило найти управление в синтезированном виде, содержащем дробную функцию:

(15)

и =--(уЛ + + 2 )

'о

А

Полученные результаты позволяют промоделировать движение двух транспортов, которое показывает, что после обхода препятствия наш объект возвращается на линию движения (см.на рис.6)

Рис.6 Процесс маневрирования для бокового движения судна при начальных условиях у2 =0т/с,,И' = 2т/с,у0 = 50т,г0 = \0т

Также в главе 4 установлена зависимость оптимального регулятора от скоростей попутного и бокового движения транспортов. Показано,что с увеличением этих скоростей минимальная дистанция между транспортами в момент их встречи должна быть увеличена.

В заключении главы 4 показано, что вычисляемая функция риска растет при увеличении скоростей движения транспортов. Сделан вывод о том,что управление и функция риска в первом приближении линейно зависят от скоростей движения транспортов.

В пятой главе проведено моделирование речного транспорта, как показано на рис.7

Довевитк модель;}

3

Система безопасности движения Выкл.

і • •ив» ^

| Старт/Сто^

| Выход I

Рис.7 Моделирование встречного движения речных судов

Моделирование показало,что в случае опасного сближения судов их скорость снижается,что позволяет избежать их столкновения и обеспечить при встрече нужную дистанцию.

Сделан вывод о высокой эффективности предложенного подхода, реализующего прогнозируемый контроль безопасного движения и снижения скорости движения в необходимых случаях.

Также было проведено моделирование встречного движения наземного автомобильного транспорта, как показано на рис.8

Рис.8 Моделирование встречного движения наземных транспортов

При этом очевидно значение функции риска будет меньше, чем у предыдущих ситуаций, так как дистанция при встрече транспортов будет меньше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Сформулирована и решена задача синтеза оптимального управления боковым движением транспорта при обходе неподвижных препятствий.

2. С помощью динамического программирования найдена аналитическая форма контролируемой функции риска безопасности встречного движения в виде непрерывного сигнала предупредительной тревоги.

3. Предложенная единая двухуровневая структура контроля и управления продольным и боковым движением транспортных средств. В случае недопустимо большого риска в боковом движении сигнал тревоги передается в другой канал управления продольным движением, чтобы снизить попутную скорость и привести значение риска в норму.

4. Установлена зависимость параметров оптимального регулятора и функции риска от скоростей продольного и бокового движения транспорт-

ных средств. Показано,что с ростом этих скоростей минимальная дистанция при встрече должна быть увеличена.

5. Результаты моделирования на ЭВМ подтвердили эффективность предложенного подхода как одной из мер повышения безопасности встречного движения транспортных средств.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Лебедев Г.Н , Чан Ван Туен, Китаев А.Н, «Совместное управление и контроль безопасности полета воздушных судов при их сближении» // Вестник МАИ ,Том 18, № 3,- М.: МАИ, 2011 , стр. 29-35.

2. Лебедев Г.Н, Чан Ван Туен, «Система управления безопасным движением транспортных средств при их сближении» // Известия Тульского Государственного Университета, ТулГУ в 2011 году, стр.14-19.

3. Лебедев Г.Н, Тин Пхон Чжо, Чан Ван Туен , «Решение динамического программирования при безопасном попутном движении воздушных судов» // Труды МАИ, № 54, в апреле 2012 года.

4. Лебедев Г.Н, Чан Ван Туен, Ву Суан Хьюнг, «Контроль и управление безопасным движением транспорта при встречном движении» // Мехатроника, автоматизация, управление , №8,2011, стр. 56-61.

В других изданиях:

1. Канушкин C.B., Лебедев Г.Н., Чан Ван Туен, Швыдченко К.И, «Подготовка операторов безотказного управления сложными подвижными объектами при регулируемом регламенте проведения проверок» // Труды «Научная сессия ГУАП». - САНКТ-ПЕТЕРБУРГ , 2010. - С. 59-65.

2. Г.Н. Лебедев, Чан Ван Туен, А.Н. Китаев, «Управление и контроль безопасности движения транспортных средств при их сближении»// Проблемы автоматизации в технических системах - Международная научно-техническая конфереция Том 2,- г. Пенза : изд. ПГУ, 2011, стр.103-106.

3. Нгуен Куанг Тхыонг, Чан Ван Туен, «О методе адаптивных схем управления для совершенствования элемента авиационных катапультных устройств (АКУ)» // Фундаментальные проблемы системной безопасности, Москва «Вузовская книга» 2010, стр.309-313.

X

Множительный центр МАИ (НИУ) Заказ от/ £ /£> 2012. г. Тираж S О экз.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИЗВЕСТНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТА. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Анализ функционирования известных систем контроля и управления транспорта

1.2 Анализ известных методов оптимального управления.

1.2.1 Динамическое программирование.

1.2.2 Аналитическое конструирование регуляторов и применение для их синтеза динамического программирования.

1.3 Общая постановка задачи.

1.4 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 . СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ТРАНСПОРТА ПРИ ВСТРЕЧЕ С НЕПОДВИЖНЫМ ПРЕПЯТСТВИЕМ.

2.1 Синтез оптимального линейного регулятора для стабилизации бокового движения без встречи с препятствием при постоянной функции штрафов.

2.2 Синтез оптимального линейного регулятора при постоянной функции штрафов без контроля безопасности движения при встрече с протяженным неподвижным препятствием.

2.3 Синтез оптимального линейного регулятора при переменной функции штрафов с малоразмерным препятствием.

2.3.1 Синтез регулятора без учета динамики сближения с препятствием в математической модели объекта.

2.3.2 Синтез регулятора с учетом динамики сближения с препятствием как в функции штрафов, так и в модели объекта.

2.4 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. КОНТРОЛЬ БЕЗОПАСНОСТИ ВСТРЕЧНОГО И ЕГО МЕСТО В РЕКОНФИГУРИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ОБХОДА ПРЕПЯТСТВИЯ.

3.1 Вычисление спрогнозированной функции риска с помощью уравнений Беллмана.

3.2 Зависимость функции текущего риска от удаления препятствия.

3.3 Зависимость текущей функции риска от скорости сближения с препятствием.

3.4 Двухуровневая структура контроля и управления безопасным движением.

3.5 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНЫМ ВСТРЕЧНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Синтез оптимального регулятора с учетом условий встречного движения.

4.3 Зависимость оптимального регулятора от скорости попутного и бокового движения встречного транспорта.

4.4 Вычисление функции риска при встречном движении.

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВСТРЕЧНОГО ДВИЖЕНИЯ.

5.1 Моделирование движения транспорта, управляемого без контроля безопасности.

5.2 Моделирование движения с контролем безопасности, но без регулирования скорости движения.

5.3 Моделирование системы с регулированием попутной скорости движения транспорта, но без учета боковой скорости встречного транспорта.

5.4 Моделирование системы с учетом всех скоростей движения встречного транспорта.

5.5 Выводы по главе 5.

Актуальность задачи контроля безопасности движения транспорта

При управлении подвижными объектами различного класса, такими как наземный городской транспорт,маловысотные летательные аппараты, речные и морские суда, возникает проблема обеспечения безопасности движения при встрече с различными препятствиями. Существующие методы автоматического управления позволяют синтезировать структуры линейных регуляторов в аналитической форме, однако они не дают оценки степени риска при опасном сближении с препятствием [1-6].

Между тем при ручном управлении человек испытывает реальные ощущения нарастания тревоги в случае недопустимого снижения безопасности движения, что вызывает последующую перестройку способа обхода препятствий. Поэтому целыо настоящей работы являет воспроизведения поведения человека путем количественной оценки текущего риска в движении с помощью предложенной системы контроля и, главное, последующей перестройки системы управления на примере обхода препятствий при встречном движении [7-17].

Целыо диссертационной работы является повышение безопасности движения транспортных средств при их сближении путем непрерывной оценки прогнозируемого риска их возможного столкновения и принятия предупредительных мер при управлении движением.

Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи: постановка задачи оптимального управления безопасным движением и выбор метода ее решения на базе динамического программирования; синтез оптимального управления обходом неподвижного препятствия наземным и речным транспортом; решение задачи безопасного встречного движения двух транспортных средств; формирование единой структуры одновременного контроля и управления безопасным движением транспортных средств; моделирование на ЭВМ процессов встречного движения наземного транспорта и речных судов.

Основными научными положениями, выносимыми на защиту, являются: интегральный критерий оптимальности управления безопасным встречным движением транспортных средств; представление функции риска столкновения транспортных средств с помощью правой части уравения Беллмана; зависимость оптимального управления и контролируемой функции риска от продольных и боковых скоростей сближающихся транспортных средств; комплексирование пр приоцедур контроля и управления в виде двухуровневой структуры принятия решений по управлению боковым продольным решением.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. В предложенный интегральный критерий введена переменная функция штрафов, оценивающая вероятную стоимость прогнозируемого ущерба от столкновения при встрече в зависимости от боковой и продольной дальности до препятствия;

2. С помощью расчета коэффициентов функции Беллмана найдена аналитическая форма контролируемой функции риска в виде правой части уравнения Беллмана;

3. Функция риска возрастает при сближении с препятствием и при увеличении как скорости сближения, так и боковой скорости встречного транспорта, что отвечает физическому смыслу решаемой задачи;

4. Показано, что при увеличении боковой и продольной скоростей встречного движения минимальное расстояние между транспортами при встрече должно увеличиваться для большей безопасности. С этой целью найдена в квадратурах зависимость оптимального управления от этих скоростей;

5. Предложена двухуровневая структура интегрированного контроля и управления продольным и боковым движением. В случае недопустимо большого риска при управлении боковым движением для обхода препятствия сигнал предупредительной тревоги передается в другой канал продольного движения, в котором скорость поступательного движения снижается, и прогнозируемый риск входит в норму.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем,что синтезированные алгоритмы контроля и управления получены с помощью научно обоснованных методов динамического программирования и аналитического конструирования оптимальных регуляторов. Полученные результаты моделирования и найденные зависимости адекватны физическому смыслу процессов безопасного движения транспортных средств.

Практическая ценность результатов заключается в том, что включение в систему управления сигналов тревоги позволит существенно снизить риск, если с помощью специальных измерительных средств контролировать движение встречного транспорта. Такие средства на речном транспорте есть, и в этом случае предложенный подход применим в настоящее время.

Кроме того, весьма перспективна демонстрация прогнозируемой функции риска на различных тренажерах при обучении операторов по управлению, чтобы своевременно обратить внимание на возрастание опасности встречного движения.

Структура диссертации: Диссертация изложена на 96 стр., содержит 34 рисунков, список литературы из 64 наименований и состоит из 5-ти глав.

Выход

Рис.5.5 Пример движения управляемого объекта с регулированием скорости движения у,, но без учета боковой скорости встречного транспорта у2 Видно, что сначала наш управляемый объект движется с большой скро-стью, но при встрече с другим транспортом,наш объект замедляет свою скорость, чтобы увеличить дистанцию безопасно™.

5.4 Моделирование системы с учетом всех скоростей движения встречного транспорта

Препятствие является подвижным объектом, который управляется по двум каналам продольного и бокового направлений, как показано на рис.5.6

Рис.5.6 Пример движения управляемого объекта в случае встречный транспорт учитывает все скорости движения Окончательно видно, что если встречный транспорт движется со всеми скоростями (у2и и»), то при встрече с ним управляемый объект будет двигаться по двум направлениям, чтобы обеспечить дистанцию безопасности между ними. При этом очевидно значение функции риска будет меньше, чем у предыдущих ситуаций, так как дистанция при встрече транспортов будет меньше.

Также было проведено моделирование речного транспорта, как показано на рис. 5.7

Дистанция

15000'!

Рис.5.7 Моделирование встречного движения речных судов 5.5 Выводы по главе 5

На основании результатов моделирования можно сделать следующие выводы:

1. При обходе неподвижного препятствия важно его своевременное обнаружение, а это зависит от дальности до препятствия и от скорости движения.

2. При встрече с подвижным препятствием наибольший положительный эффект вызывает регулирование продольной скорости наряду с управлением боковым движением.

3. Наибольшой эффект в повышении безопасности возникает при оценке риска с учетом всех скоростей двух транспортов - попутных скоростей у,и » и боковых скоростей г2и v2. В этом случае оптимальное управление осуществляет встречное движение при увеличенной дистанции между транспортами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Сформулирована и решена задача синтеза оптимального управления боковым движением транспорта при обходе неподвижных препятствий.

2. С помощью динамического программирования найдена аналитическая форма контролируемой функции риска безопасности встречного движения в виде непрерывного сигнала предупредительной тревоги.

3. Предложенная единая двухуровневая структура контроля и управления продольным и боковым движением транспортных средств. В случае недопустимо большого риска в боковом движении сигнал тревоги передается в другой канал управления продольным движением, чтобы снизить попутную скорость и привести значение риска в норму.

4. Установлена зависимость параметров оптимального регулятора и функции риска от скоростей продольного и бокового движения транспортных средств. Показано,что с ростом этих скоростей минимальная дистанция при встрече должна быть увеличена.

5. Результаты моделирования на ЭВМ подтвердили эффективность предложенного подхода как одной из мер повышения безопасности встречного движения транспортных средств.

1. Ю.С. Гришанин, Г.Н Лебедев, А.В Липатов, Г.А Степаньянц "Теорияоптимальных сисетем "- изд-во МАИ 1999. -320 е.: ил.

2. Беллман Р. Динамическое программирование. Издательство иностранной литературы, i960.- 161 с.

3. Лебедев Г.Н. Интеллектуальные системы управления и их обучение с помощью методов оптимизации. М.: МАИ, 2002.

4. Лебедев Г.Н. Методы принятия оперативных решений в задачах управления и контроля. М.: Изд. МАИ, 1992. - 120 с.

5. Гасс С. Линейное программирование. -М.: Физматгиз, 1961. 303 с.

6. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации: Учеб. Пособие для вузов М.: Сов. Радио, 1980,- 272 е.,ил.

7. Баскии A.C. Москвин Г.И., Береговые системы управления движеиием судов,- М.: Транспорт, 1986.- 159 с.

8. Лебедев Г.Н. Чан Ван Туен, Китаев А.Н., «Совместное управление и контроль безопасности полета воздушных судов при их сближении».-Вестник МАИ Дом 18, № 3, 2011, стр. 29-35.

9. Лебедев Г.Н. Чан Ван Туен, «Система управления безопасным движением транспортных средств при их сближении».- Известия Тульского Государственного Университета, ТулГУ, 2011, стр. 14-19.

10. Лебедев Г.Н., Тин Пхон Чжо, Чан Ван Туен , «Решение динамического программирования при безопасном попутном движении воздушных судов»,- Труды МАИ, № 54,в апрель 2012 года.

11. Лебедев Г.Н., Чан Ван Туен, Ву Суан Хьюнг, «Контроль и управление безопасным движением транспорта при встречном движении». -Мехатроника, автоматизация, управление , №8, 2011, стр. 56-61.

12. Канушкин C.B., Лебедев Г.Н., Чан Ван Туен, Швыдченко К.И, «Подготовка операторов безотказного управления сложными подвижнымиобъектами при регулируемом регламенте проведения проверок». -Труды «Научная сессия ГУАП». САНКТ-ПЕТЕРБУРГ , 2010. - С. 59-65.

13. Нгуен Куанг Тхыонг, Чан Ван Туен, «о Методе адаптивных схем управления для совершенствования элемента авиационных катапультных устройств (АКУ)». Фундаментальные проблемы системной безопасности, Москва «Вузовская книга» 2010, стр.309-313.

14. Белова Е.С., Войнич Г.В., Новиков А.Н. Оптимальное управление (Сборник задач по курсу «Теория оптимальных систем управления»): Учебное пособие -М.: МАИ, 1993. -40 е.: ил.

15. Комаров В.М., Заличев II.II. Системы обеспечения безопасности судовождения. -Л.: Судостроение, 1987. -176 е.,ил.

16. Коноплянко В.И., Рыжков C.B., Воробьев Ю.В. Основы управления автомобилем и безопасности движения. М.: ДОСААФ, 1989, -224 е.: ил.

17. Бервелл Ф.Т. Автоматика и управление на транспорте: пер. с англ.-2-е изд., испр,- М: Транспорт, 1990, 367 с.

18. Севрюгип Э.В. Анализ функционально-следящей системы автоматического управления поезда- Автореферат. М. 1973

19. Зурабов Ю.Г., Черняев Р.П., Якшевич Е.В.,Явовенко В.Я. Судовые средства автоматизации предупреждения столкновений судов. М. 1985

20. Вагущенко Л.Л., Цымбал H.H. Системы автоматического управления движением судна. Одесса ЛАТСТАР . 2002

21. Авен О.И. Методы и модели управления морским транспортом. М. 1986

22. Бакаев A.A. Применение информационных систем на транспорте. -М. 1992

23. Вагущенко JI.JI. , Стафеев A.M. Судовые автоматизированные. Основы теории автоматического регулирования и управления. Учеб. пособие для вузов. М., «Высшая школа», 1977. - 519 с.

24. Атманов С.А. Линейное программирование. — М.: Наука, Физ-матгиз, 1981.

25. Кузин JI.T. Основы кибернетики.— Т. 1 и 2. — М.; Энергия, 1973.

26. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с.

27. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 464 с.

28. A.B. Аттетков, C.B. Галкин, B.C. Зарубин. Методы оптимизации: Учеб. для вузов. 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-440 с.

29. Венцель Е.С. Теория вероятностей. Издательство «Наука», 1969.

30. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Наука, 1966.

31. Автоматизированные обучающие системы профессиональной подготовки операторов летательных аппаратов // Л.С.Дамин, Ю. Г. Жуковский, А.П.Семенив и др.; Под ред. Б.Е.Шукшунова. М.: Машиностроение, 1986.- 240 с.

32. Артемов А.Г., Анисимов Д.Н. Профессиональный психологический отбор специалистов по эксплуатации сложных технических систем // Материалы 29 Всероссийской НТК 2010, Серпухов, 2010.- С. 38-40.

33. Чаки Ф. Современная теория управления. Нелинейные, оптимальныеадаптивные системы,- М.: Мир. 1975.

34. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы.- Энегоатомиздат, 1987.

35. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Автоматика и упр. в техн. системах».- М: Высш.шк., 1989. 263 е.: ил.

36. Калитин Б.С. Качественная теория устойчивости движения динамических систем. Ми.: БГУ, 2002,- 198 с.

37. Ларин P.M., Плясунов A.B., Пяткин A.B. Методы оптимизации. Примеры и задачи: Учеб. пособие. Новосиб. Ун-т Новосибириск

38. Иванов В.А., Фалдин Н.В. Теория оптимальных систем автоматического управления. М.: Наука , 1981, 336 с.

39. Ацеров Ю.С., Зурабов Ю.Г. Развитие технических средств судовождения и связи,- М.: Знание, 1979, 64 с.

40. Баскин A.C. Проблема организации движения судов в морских портах и пути ее решение.- Судовождение и связь: Экспресс- информ. ЦБНТИ ММФ, 1970, № 3(29), с. 29-39.

41. Баскин A.C., Москвин Г.И. Некоторые воросы создания систем управления движения судов. Методическое пособие для проектантов СУДС.Л.: ГП ММФ, 1979, 139 с.

42. Гуженко Т.Б. Морской транспорт СССР в период развитого социализма. -М.: Транспорт, 1981. 104 с.

43. Зурабов Ю.Г., Москвин Г.И., Богданов В.А. Новые технические средства судовождения. Судовождение и связь: Экспресс- информ. ЦБНТИ ММФ, 1970, № 3(29), с. 1-12.

44. Венцель Е.С. Исследование операций.М.,«Советское ра-дио»Москва,1972

45. Зуховицкий С.И, Авдеева Л.И. Линейное выпуклое программирование. Изд-во « Наука» 1964.

46. Карпелевич Ф.И., Садовский Jl. Е Элементы линейной алгебры и линейного программирования. Изд-во « Наука» 1967.

47. Юдин Д Б., Голынтейн Е.Г Линейное программирование. Физматгиз.1963.

48. И.М Соболь , Р. Б Статников « Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями »2-е изд-во перераб и доп- М: Дрофа , 2006-175.

49. Винер Н. Кибернетика.- М.: Сов. Радио, 1968.

50. Болтянский В.Г, Математик и оптимальное управление.- М.:3нание 1968.

51. Коршунов Ю. М. Математические основы кибенетики: Учеб. Пособие для вузов.- М: Энергия, 1980.

52. Коици Г. П., Крелле В. Нелинейное программирование М. : Сов. радио, 1965.

53. Gribbens А.Н., Giles L.J. The Inverness Wick radio scheme. Raylways in the Electronic Age.I.E.E. Conference Publication No.203, P.11 (1981).

54. Allsop R.E. Effects of errors in lost times on the delay to traffic at an isolated road junction controlled by signals. Transport Pesearch, vol.7,p. 145, Pergamon Press, 1973.

55. Rach L.S. The Development and Evaluation of Metropolitan Toron-tos'real- time programme for computerized traffic control devices. Proc. IFAC/IFIP/IFORS. Third International Symposium on Control in Transportation Symtems, p.349 (1976).

56. Boura J., Savage M.J., Allinson J.S., Willison W.E. The role of computers in train regulation. Proc. ler Symposium Int. sur la Regulation du Trafic, Versailles, p.59. Preprint no.4, 1970.

57. Short R.C. The impact of micro-clectronics on railway signaling. I.E.E. Conference Publication No.203. Railways in the Electronic Age, n. 6 (1981).

58. Cribbens A.H., Furniss M.J., Ryland H.A. The solid state inter-locking project. Ibid., p. 1 (1981).

59. Carling D.R. Locomotive testing stations. Trans. Newcomen Society, vol. XLV, p. 105 (1972-1973).61. http://www.novate.ru62.http://infuture.ru