автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему: Модели управления городскими транспортными потоками в условиях неопределенности внешней информационной среды
Автореферат диссертации по теме "Модели управления городскими транспортными потоками в условиях неопределенности внешней информационной среды"
На правах рукописи
СЕЛИВЕРСТОВ ЯРОСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ
МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ГОРОДСКИМИ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ВНЕШНЕЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ
Специальность 05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки «Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук» (ИПТ РАН)
Научный Стариченков Алексей Леонидович
руководитель доктор технических наук, доцент,
заведующий лабораторией «Проблем безопасности транспортных систем» ФГБУН «Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук»
Официальные Ларин Олег Николаевич
оппоненты: доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры «Логистика и управление транспортными системами» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)»
Феофилова Анастасия Александровна
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Организация перевозок и дорожного движения» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ)»
Защита состоится «11» июня 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 223.012.01 на базе Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации по адресу: 196210, г. Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте http://spbguga.ru/530-ob-yavleniya-o-zashchite-dissertatsij
Автореферат разослан «_» апреля 2015 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Повышение темпов экономического развития России, заявленное в Стратегии социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 года, в условиях глобальной конкуренции и геополитического соперничества, охватывающего не только традиционные рынки сырья, товаров, капиталов, технологий и рабочей силы, но и системы национального управления поддержки инноваций, невозможны без сбалансированного развития территориальных и социальных систем.
Устойчивая тенденция роста урбанизации населения в 2007 году перешагнула исторический рубеж - доля мирового населения, живущего в городах, превысила отметку в 50 %, о чем было засвидетельствовано на Шестой сессии всемирного форума городов в рамках программы ООН по населенным пунктам.
Значительные диспропорции в размещении мест проживания населения и приложения труда, характерные для большинства мегаполисов России, приводят к появлению маятниковых пассажирских и транспортных потоков, а существующий дефицит транспортных коммуникаций и отсутствие интеллектуальных систем управления дорожным движением в «часы пик» становятся основной причиной потерь времени, экологического ущерба, причиной стрессов участников транспортного процесса и возникновением чрезвычайных дорожных ситуаций.
Управление транспортной системой крупных городов с применением информационных технологий широко используется в мировой и отечественной практике организации дорожного движения. Фундаментальные проблемы транспортных систем решали О.В. Белый, А.Э. Горев, H.H. Громов, О.Г. Кокаев, и другие. Проблемы городского транспортного моделирования отражены в работах В.В Захарова, А.А.Замятина, В.В. Зырянова, В.Т. Капитанова, Г. И. Клинковштейна, А. В. Гасникова, В.В. Семенова, Е.А. Нурминского, Н.Б Шамрай, В.И. Швецова, и других. Решению проблем управления транспортом и логистикой в границах системного анализа посвящены работы B.C. Лукинского, О.Н.Ларина, Л.Б. Миротина, Д.А.Скороходова, И.М. Смирнова, В.В. Щербакова и других. Комплексные вопросы безопасности транспортных систем рассмотрены в трудах А.Л. Стариченкова, А.И. Рябчинского, М.Л. Маринова, Н.В. Шаталовой, Дж. Микульски и других.
В основе систем управления (СУ) городскими транспортными потоками (ГТП) лежат математические и программно-алгоритмические модели. К настоящему времени уже разработаны транспортные модели, которые с определенной степенью достоверности отображают реальные транспортные процессы. С их использованием вычисляются потоки и загрузка элементов сети, составляется расписание движений общественного транспорта, выполняется локальное управление активными элементами транспортной сети
с целью перераспределения транспортных потоков на особо загруженных участках. Основной проблемой создания достоверных моделей является получение статистической информации о поведении пользователей в сети. Эта информация представляется в виде матриц корреспонденции, точность которых, в виду отсутствия надлежащих систем мониторинга транспортной мобильности, не превышает 10%. Использование недостоверных данных, полученных посредством единичных опросов и локальных систем мониторинга транспортной мобильности, приводит к построению ложных транспортных моделей, сводит на нет эффективность принимаемых управленческих решений, делает невозможным построение достоверных матриц корреспонденций.
Устойчивая тенденция последовательного внедрения отдельных составляющих информационных систем управления дорожным движением в практику организации городского транспортного процесса в мегаполисах России не сумела повысить пропускную способность транспортных сетей, снизить количество дорожно-транспортных происшествий и качественно повысить безопасность дорожного движения. Несмотря на большое число существующих технических решений, современные модели управления городской транспортной системой (ГТС) не реализуют в полном объеме функции управления.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научная задача разработки достоверных моделей управления ГТП.
Объект исследования - транспортная система города.
Предмет исследования - модели управления городскими транспортными потоками, элементы городской транспортной сети и системы транспортного мониторинга.
Цель исследования состоит в решении задачи повышения качества управления ГТС в условиях неопределенности внешней информационной среды за счет разработки новых и совершенствования существующих моделей управления ГТП.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
1. Проведен анализ существующих систем управления городскими транспортными потоками.
2. Проведен анализ способов местоопределения, классификации, идентификации, аутентификации и бесконтактной диагностики состояния подвижных транспортных объектов.
3. Выполнен анализ моделей построения и оценки матриц корреспонденций.
4. Разработана структурная схема системы городского транспортно-логистического мониторинга и предложено ее согласованное включение в модель управления ГТС.
5. Разработана логико-алгебраическая модель представления исходных данных, лежащая в основе модели управления городскими транспортными потоками.
6. Разработана агентная модель ГТС.
7. Разработана графо-аналитическая модель городской транспортной сети.
8. Разработана модель управления городскими транспортными потоками.
9. Разработана модель классификации межагентных отношений в ГТС.
10. Разработана модель распределения городских транспортных потоков и проверена ее адекватность.
Методы исследования - методы построения и оценки матриц корреспонденции, методы дискретной математики и теории графов, методы и алгоритмы реляционной алгебры, методы местоопределения, идентификации и аутентификации на транспорте, методы решения задач маршрутизации транспорта на графах, методы обработки статистической информации, методы имитационного моделирования.
Результатами диссертационного исследования, выносимыми на защиту являются:
1. Структурная схема системы городского транспортно-логистического мониторинга;
2. Модель управления городскими транспортными потоками.
3. Модель классификации межагентных отношений в ГТС.
4. Модель распределения городских транспортных потоков.
Научная новизна результатов работы.
Новизна первого научного результата заключается в том, что в отличие от существующих решений, предложена структурная схема системы городского транспортно-логистического мониторинга (СГТЛМ) в составе модели управления ГТС. Предложена ее интеграция с системой Федеральной службы государственной статистики в границах единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации. Система, построенная по предлагаемому принципу, позволит осуществлять сбор данных о положении и состоянии транспортных объектов, а также передавать эти данные по каналам связи на устройства обработки информации и диспетчерские центры, сравнивать, анализировать и архивировать информацию. Внедрение предложенного решения позволит повысить управляемость поведением ГТС, включая возникновение опасных ситуаций на транспорте посредством информационного упреждения.
Новизна второго научного результата заключается в том, что предложена модель управления городскими транспортными потоками, в основу которой, в отличии от известных решений, положены принципы рациональной самоорганизации, включающие целевые ориентиры пользователя и целевые ориентиры системы. В целевые ориентиры пользователя укладывается первый принцип Вардропа и принцип безопасного следования, в целевые ориентиры городской транспортной системы укладывается второй принцип Вардропа и принцип надежного функционирования. Информационное наполнение модели производится на основе достоверной информации, поступающей с СГТЛМ. Внедрение предложенной модели системы управления способно повысить пропускную способность ГТС за счет устранения нерационального
распределения транспортных потоков, а также повысить надежность и управляемость за счет информирования участников транспортного процесса.
Новизна третьего научного результата заключается в том, что, в отличие от известных решений, предложена модель классификации межагентных отношений в ГТС. В основу модели положена формальная интерпретация социально-экономической активности городского населения через потребительскую активность, информационно-сетевую активность и транспортную активность городского населения. Предлагается подход к построению расширенной системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации. Таким образом, формальную классификацию отношений социально-экономической активности городского населения в системах управления городской транспортной системой предлагается производить с использованием расширенной системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации.
Новизна четвертого научного результата заключается в том, что в отличие от известных моделей, предложена модель распределения городских транспортных потоков, в основу которой были положены временные модели цепочек дневной активности городского населения, привязанные к достоверным матрицам корреспонденции. Предложенная модель позволила сбалансировать распределение городских транспортных потоков в связи с вводом в Санкт-Петербурге новых станций метрополитена: «Обводный канал», «Международная», «Бухарестская» и «Адмиралтейская», а также повысить эффективность управления ГТС и улучшить точность прогноза распределения транспортных потоков в мегаполисе.
Практическая значимость работы и полученных результатов определяется необходимостью перехода городской транспортной системы на новый уровень управления. Внедрение разработанных моделей управления ГТП в систему городского транспортного управления будет способствовать повышению: эффективности пассажирских, грузовых и специальных перевозок; эффективности реагирования на дорожно-транспортные происшествия и другие нештатные ситуации на улично-дорожной сети; безопасности дорожного движения; пропускной способности дорожной сети и, как следствие, росту инвестиционной привлекательности городской экономики за счет оптимизации транспортных перевозок.
Достоверность основных положений исследования обеспечена корректной постановкой задач и проведением натурных исследований, применением системного подхода при анализе предметной области, использованием современных расчетных методов и согласованностью полученных результатов с результатами работ других исследователей. Достоверность научных результатов подтверждается апробацией основных положений диссертации.
Обоснованность научных результатов определяется строгой аргументацией разработанных моделей, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследования.
Реализация. В рамках диссертационного исследования был выполнен научно-исследовательский проект «Моделирование и оценка изменения динамики транспортных потоков с вводом метрополитеном станций «Обводный канал», «Адмиралтейская», «Бухарестская», «Международная». Научное направление: Транспорт. Диплом: серия ПСП №10605. Проект стал лауреатом конкурсного отбора среди молодых ученых, молодых кандидатов наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2010 году и был поддержан Комитетом по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы «Моделирование и оценка изменения динамики транспортных потоков с вводом метрополитеном станций «Обводный канал», «Адмиралтейская», «Бухарестская», «Международная» были использованы Российско-Немецкой компанией «А+С Консалт» при разработке транспортной модели городского общественного пассажирского транспорта Санкт-Петербурга о чем свидетельствует Акт о внедрении результатов работы № А01-07-10.
Результаты диссертационного исследования были использованы в ФГБУН Институте проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук (ИПТ РАН) при выполнении следующих государственных научно-исследовательских работ 2011- 2014 годов:
1. НИР «Разработка методологии имитационного моделирования процесса интегрального обслуживания мультимодальных транспортных потоков», № государственной регистрации: 1-121-09.
2. НИР «Разработка научных основ построения интеллектуальных транспортных систем, на примере мегаполиса», № государственной регистрации: 114080450059.
Апробация работы. Научные результаты диссертационного исследования докладывались на семинарах в ИПТ РАН, в Доме ученых им. М. Горького Российской академии наук, а также на XII Международной научно-практической конференции: «Логистика: современные тенденции развития» , X Международной научно-практической конференции «Логистика: современные тенденции развития» , III Научно - практической конференции молодых ученых РАН «Фундаментальная и прикладная наука глазами молодых ученых. Успехи, перспективы, проблемы и пути их решения», Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы 2011», Международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы-2014».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых журналах перечня ВАК, 6
публикаций в материалах научных конференций, научных журналах и сборниках научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, включающего 172 источника и приложения. Общий объем работы 179 страниц, 67 рисунков, 8 таблиц.
II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введение обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформулированы основные задачи исследования, определены предмет и объект исследования, раскрыта научная новизна и значимость результатов работы.
В первой главе проведен анализ существующих систем управления городскими транспортными потоками с выявлением недостатков, не позволяющих производить сбор разнородных данных для построения достоверных матриц корреспонденции.
В отличие от существующих схем транспортного мониторинга предложено построение структурной схемы городского транспортно-логистического мониторинга (ССГТЛМ), обеспечивающей комплексное наблюдение за транспортными объектами и их состоянием. Формальное наполнение ССГТЛМ опирается на аналитически выведенные условия достоверной мобильности, обуславливающие наличие функций идентификации, аутентификации, местоопределения и распознавания состояний подвижных и стационарных объектов городской транспортной системы, при этом ГТС задается множеством элементов:
где ТБ- городская транспортная система; - элементы ГТС. Условия достоверной мобильности трактуются в следующей интерпретации:
1) каждый объект, входящий в городскую транспортную сеть или находящийся внутри нее, должен иметь идентификатор;
Процесс идентификационной нумерации элементного множества ГТС реализован посредством отображения которое каждому объекту из
ТЕ ставит уникальный номер из I, т.е.
где / = |(£/7> - множество уникальных номеров.
2) состояния транспортных объектов в ГТС должны быть распознаваемы;
Процесс параметризации, обуславливающий процедуру аутентификации
и распознавания состояния элементного множества ТБ, задан оператором который каждому объекту в сети ставит в соответствие набор характеристик, присущих данному объекту, т.е.
где СН = ,r = 1. Р; / = l. jVj - множество характеристик элементов ГТС,chj' = (name,)- кортеж, пате - имя г-й характеристики, -область допустимых значений.
3) процесс идентификации объектов в ГТС должен быть самоорганизован.
Выполнение 3-го условия определяется наличием в элементах ССГТЛМ блока потребительских функций, которые способствуют процессу внедрения подобных систем на принципах самоорганизации.
Для решения проблемы позиционирования Rdef=U< транспортных объектов в ССГТЛМ предложено комбинированное решение, совмещающее технологии глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), систем сотовой связи и локальных беспроводных радионавигационных сетей. Произведено построение ССГТЛМ и обоснована ее пригодность в осуществлении непрерывного транспортного мониторинга с целью информационного наполнения системы управления ГТП .
Во второй главе произведено формальное построение логико-
алгебраической модели исходных данных с учетом (1). Разбиение
множества TS на непересекающиеся совокупности подмножеств осуществляется следующим образом:
классов разбиения; с1 л - мощность класса разбиения (количество элементов в
Далее вводится процесс идентификационной нумерации элементного множества ТБ (2) и параметризации ТБ (3), обуславливающий процедуру аутентификации и распознавания состояния элементного множества ТБ. Динамика процессов в ГТС задана временным оператором /т, который каждому объекту из вставит в соответствие определенный момент или интервал времени из Т, т.е.
/г : ТБ —> [г^ V (гт; гт+1)], (5)
где Т- множество моментов или интервалов времени, на котором задано отношение строгого порядка, тх <г2. гт <гт+1; г^еГ - определенный момент времени, а (гт;гт+|) е Т - определенный интервал времени.
Элементы реальной ГТС в модели управления ГТП - это агенты А = , заданные отображением /Т5
А, которое каждому элементу из ТБ ставит в соответствие агента из А с выполнением условий равномощности, т.е.:
классы разбиения; q -номер разбиения; d -глубина
На базе логико-алгебраической модели исходных данных строится модель операторного базиса ГТС, содержащая операторы измерения - /м, регулирования - /Ли планирования - /я, вида:
где /м = >= /лг и /сн и /г и : Уэ,- е 3 : [/;е3/ (/>э, ]-> (ф,, (*)], 5. (г) = / х /г/, х а, х с/г^' - состояние ОУ ГТС; е ([) = (х idj х а^ х с/г
7 -воздействие на ОУ; /д = (/£'' )= // и /ЛГС: Уэ, е 75,* е 7Н /лэ/ : л(75) -> (*л);
/я - оператор регулирования состояний ОУ ГТС; множество
регулирующих воздействий СУ ГТС; гэ,(ел)- регулирующее воздействие, поданное на ОУ э, е ТБ в момент /^еГ;///- оператор регулирования состояний для пользователя ГТС; с- оператор регулирования состояний для
оператор планирования состояний ОУ ГТС; ¿//ц' ситуация, в которой
находится ОУ ГТС в момент времени геГ; Яр (//>)- целевое состояние ОУ ГТС в момент ¡Р еТ- оператор планирования состояний для пользователя ГТС; /п8'н- оператор планирования состояний для объектов ГТС кроме пользователей.
Оценка соответствия текущего состояния ГТС требуемому реализуется через оператор контроля состояний /С5, который для каждого э, объекта ГТС,
находящегося в состоянии (?) в момент времени изТ, вычисляет величину
отклонения (гд) от требуемого состояния Л'/.' (//)), т.е.
где Е^ е 715- множество элементов ГТС, оказывающих влияние на объект э,.
Операторный базис ГТС реализует функционал управления на режимах оптимального и допустимого управления, т.е.:
Уэ, е ТБ,/т,/сн; = с1е/ 3/с,£/(ге):
где /с, /с", /¿Ь'/с ' операторы: текущего управления, оптимального управления, допустимого управления и потери управления ГТС, соответственно; ^>, ^¡И?11- значения нижней и верхней границы множества параметров оптимального управления; \ск"т1'>- множество значений I— ых параметров; СН-1- область допустимого управления; вектор
состояния ГТС; <У(ГС) , , и(ТБ)Р - состояния ГТС, соответствующие
оптимальному, допустимому и потери управления;
Поведение В,(ТБ) элементов ГТС в модельной интерпретации задается динамическим агентным графом ГТС следующего вида:
В,(ТБ) = Г, (V- Е) = Г, (гИ (А- /?>, т)Г= Г, (Г, (А; Л) Т), (12)
где граф-регистратор отношений, задающий вершины
динамического агентного графа Г,(Г,(А;ЯУ,Т)-, А = - агентное множество
элементов ГТС, задающее множество вершин графа Я- множество
регистрируемых отношений между агентами, задающее множество дуг графа ,г|г](Л;Л); /с=>- оператор транзитивности отношений; О - знак свойства квазитранзитивности; Г¡