Національний університет “Львівська політехніка”

Сопільник Любомир Іванович

УДК 006.063:656.13.

Розвиток теорії та засад

формування нормативної бази

безпеки дорожнього руху

05. 01.02 – стандартизація та сертифікація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка"

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Столярчук Петро Гаврилович,

завідувач кафедри "Метрологія, стандартизація та

сертифікація" Національного університету "Львівська

політехніка"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Камінський Віктор Юлійович,

директор Українського науково-дослідного інституту

стандартизації, сертифікації та інформації Державного

комітету України з питань технічного регулювання та

споживчої політики, м.Київ.

доктор технічних наук, професор

Назаренко Леонід Андрійович, завідувач відділу Державного науково-виробничого об'єднання "Метрологія" Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики, м.Харків.

Доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович, завідувач кафедри метрології і промислової автоматики Вінницького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м.Вінниця.

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут метрології

вимірювальних систем ДНДІ "Система" Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики, науково-дослідний відділ стандартизації систем управління якістю і навколишнім середовищем, м.Львів.

Захист відбудеться 28 лютого 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою 79013, Львів, вул..Професорська,1.

Автореферат розісланий " 27 " лютого 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д-р техн. наук, проф. Луцик Я.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Від якості функціонування системи транспорту залежать умови існування як окремих громадян, так і суспільства загалом, а якість транспорту – це один з найважливіших показників якості життя. Сьогодні існує низка проблем, які виникають внаслідок неякісного функціонування системи транспорту. Задача зменшення кількості дорожньо-транспортних пригод (ДТП) та їх жертв – це одна з найважливіших проблем, і навіть проблема охорони навколишнього середовища відходить на задній план. Соціально-економічні прогнози Світової організації здоров'я свідчать, що ДТП, які зараз займають сьоме місце в списку найбільших загроз здоров'ю та життю людини, через 25 років будуть вже на другому місці.

Безпечне транспортування людей і товарів має стати в найближчому майбутньому одним з найважливіших завдань діяльності органів державного управління та органів самоуправління громадян.

Об'єднані зусилля щодо покращання безпеки дорожнього руху (БДР) в країнах Європейського Союзу (ЄС) базуються на висновках оцінки стану БДР, а також на результатах наукових досліджень. Вважається, що ДТП є надто складною проблемою, щоб розглядати її методом проб і помилок.

Отже, формулювання теоретичних засад опису та прогнозування ДТП і створення на цій підставі відповідних нормативних актів є вчасним і актуальним завданням та викликає науковий та практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в межах пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні відповідно до плану науково-дослідних робіт Національного університету “Львівська політехніка”, за тематикою “Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів метрологічного забезпечення випробувань і контролю фізико-механічних і хімічних властивостей сучасних матеріалів та діагностики виробів і складних систем з їх застосуванням”, затвердженою Міносвіти України від 13.02. 97 р., №37 “Про затвердження координаційних планів науково-дослідних робіт на 1997-1999 рр.” (№ держ. реєстр. 0198U002404); науково-дослідного центру з безпеки дорожнього руху МВС України у межах комплексної програми забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів на період до 2001 р. (Постанова Кабінету Міністрів України №456 від 6 квітня 1998 р.); програми “Організаційні та практичні заходи по розвитку та впровадженню новітніх технологій і технічних засобів в галузі забезпечення безпеки дорожнього руху в Україні “ЛАД-ІІІ” на період 2000-2005 рр.”, схвалених Колегією МВС України.

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розвиток теоретичних засад аналізу і прогнозування безпеки дорожнього руху та створення системи стандартів і нормативно-правових документів.

Для досягнення поставленої в роботі мети необхідно:

- розробити методологію безпеки дорожнього руху, яку буде покладено в основу першочергової розробки системи стандартів з безпеки дорожнього руху для середовища “водій-автомобіль-дорога-довкілля”;

- розробити математичні моделі ДТП у комплексі з параметрами, які характеризують безпеку дорожнього руху з врахуванням характерних особливостей автомобільних доріг і транспортних потоків;

- розробити нові та розвинути відомі теоретичні, інженерно-технічні, інформаційні основи контролю ДТП та їх комп'ютерного прогнозування ;

- синтезувати алгоритми для встановлення оптимального кореляційного зв'язку між динамічними характеристиками інтенсивності ДТП та відповідними параметрами системи “водій-автомобіль-дорога-довкілля”;

- сформулювати діагностичні ознаки для обчислення і прогнозування відповідних параметрів з метою ідентифікації їх достовірності;

- розробити алгоритм моделювання залежностей ДТП та встановлення кореляційних зв'язків між інтенсивностями геомагнітного поля та параметрами, що характеризують стан автомобільних шляхів;

- розробити стандарти та Програму забезпечення безпеки дорожнього руху.

Об'єкт дослідження – автодорожній рух.

Предмет дослідження – підвищення рівня безпеки дорожнього руху шляхом формування нормативної бази.

Методи дослідження. Методологічну основу наукових досліджень становить комплексний підхід до аналізу стандартів, нормативно-правових та нормативно-технічних актів забезпечення безпеки дорожнього руху в системі “водій-автомобіль-дорога-довкілля”. Дослідження та прогнозування ДТП здійснювалися із застосуванням статистичних математичних моделей і моделей, які оперують із змінами усереднених параметрів, обчислювального експерименту і сформованих на їх основі прогнозів.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримані та сформульовані такі нові наукові результати:

1. Розроблено методологію покращання безпеки дорожнього руху на основі створення системи стандартів та інших нормативних документів, яка дозволить проводити сертифікацію процесів в середовищі “водій-автомобіль-дорога-довкілля” та систематичний нагляд за сертифікованими процесами.

2. Вперше створено теоретичні засади аналізу параметрів, що поєднують ДТП і систему “водій-автомобіль-дорога-довкілля”. Розроблено узагальнену математичну модель засобів перевірки кореляційних зв'язків між елементами цієї системи.

3. Сформульовано, обґрунтовано і побудовано алгоритм оптимізації процесу зменшення аварійності дорожнього руху, в якому використовано параметри, що характеризують процес дорожнього руху, з використанням функції мети. Обґрунтовано алгоритм одержання стійкої статистичної моделі для опису ДТП, що базується на даних пасивного експерименту, які одержані в умовах невизначеності у досліджуваних факторних просторах параметрів.

4. Встановлено кореляційні звўязки між факторами ДТП (інтенсивність потоку автомобілів, інтенсивність геомагнітного поля, якість покриття доріг тощо). З допомогою цих факторів, приймаючи відповідні вагові коефіцієнти, достатньо точно описуються зв'язки ДТП з інтенсивністю геомагнітного поля, техногенних електромагнітних полів, інтенсивністю потоку автомобілів, часом доби, якістю покриття доріг тощо.

5. Розроблено алгоритм проведення діагностичних досліджень параметрів транспортних засобів для оцінки їх технічного стану, встановлення причин виникнення аварійних ситуацій.

6. Створено алгоритм та розроблено принципи опису характеристик дорожньо-транспортної ситуації, за допомогою яких розв'язуються задачі прогнозування дорожньо-транспортних пригод.

7. Створено новий метод дослідження виникнення дорожньо-транспортних пригод з використанням ймовірнісно-статистичного підходу та регресійного аналізу.

8. Встановлено кореляції між змінами сонячної активності, інтенсивності геомагнітного поля та дорожньо-транспортної ситуації.

9. Розвўязано обернені задачі прогнозу розподілу ДТП за годинами доби і пори року.

10. Розроблено нові та розвинуті відомі теоретичні, інженерно-технічні, інформаційні основи контролю ДТП та їх компўютерного прогнозування.

11. Проведено достандартизаційні дослідження, на основі яких розроблено три Державні стандарти України.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблено математичні моделі, методики, алгоритми, які дозволили на 11,1% зменшити показники аварійності на дорогах Львівської області в місцях, визначених як особливо небезпечні.

2. Розроблено пакет прикладних програм, які дозволяють проводити обчислювальний експеримент для аналізу ситуацій, які відповідають ДТП для різних проміжків часу (тижнів, місяців, пір року, років тощо).

3. Розроблено програми компўютерної діагностики та прогнозування ДТП, інформаційне забезпечення яких поєднує розширений набір параметрів ситуації в системі “водій-автомобіль-дорога-довкілля”.

4. Розроблений Державний стандарт з БДР системи “водій-автомобіль-дорога-довкілля” дозволить проводити сертифікацію технологічних процесів та державний нагляд за функціонуванням системи “водій-автомобіль-дорога-довкілля”.

5. На основі проведених наукових досліджень розроблено проекти Державних стандартів України: “Система стандартів безпеки праці. Електромагнітні поля. Допустимі рівні для водіїв автотранспорту”; “Система стандартів безпеки праці. Електромагнітні поля та випромінювання в частотному діапазоні 0Гц-300ГГц”, які відповідають вимогам європейських стандартів і визначають гранично-допустимі рівні ЕМП.

6. Розроблена і затверджена “Державна програма підвищення безпеки дорожнього руху на автомобільних дорогах, вулицях міст та інших населених пунктів і залізничних переїздах на 2003-2007 рр.” дозволить значно підвищити безпеку дорожнього руху.

7. Наукові положення і висновки дисертації лягли в основу лекційних курсів “Основи сертифікації”, “Стандартизація”, які читаються у Національному університеті “Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. Із публікацій, написаних у співавторстві, здобувачу належить: [18, 20, 22] – математична модель, в якій повўязано ДТП з характеристиками зовнішніх впливів; [10, 12] – алгоритми, за якими проведено аналіз ДТП з врахуванням наявності електромагнітного поля зовнішнього середовища; [24] – алгоритм оптимізації безпеки дорожнього руху та його обґрунтування; [25, 29] – розробка і аналіз методу вимірювання характеристик електромагнітного поля в дорожньо-транспортному середовищі; [2, 30] – сенсори і відповідні методики для аналізу аварійно небезпечних ситуацій в дорожньо-транспортному середовищі; [3, 26] – методика стандартизації і сертифікації сенсорів та режимів їх функціонування в умовах аварійно небезпечних ситуацій дорожньо-транспортного середовища; [4,17,21] - рекомендації водіям і працівникам ДАІ стосовно покращання безпеки дорожнього руху.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідались та пройшли апробацію на 33 міжнародних, республіканських та регіональних науково-технічних конференціях, семінарах та колоквіумах, зокрема таких, як: 2-га Міжнародна науково-технічна конференція "Mетрологія-99", -Xарків, 1999р.; ХХ науково-технічна конференція “Моделювання”. –Київ, 2000р.; Конференція “Автомобіль і навколишнє середовище. Проблеми безпеки”. - Київ, 2001; 5th International symposium on Functionally graded materials. -New Town Hall, Dresden Germany, 1998; 2-nd International Symposium on Microelectronics technologies and microsystems. -Lviv, 1998; IMAPS-Poland conference. -Zakopane, 1998; The 5-th International symposium for design and technology of electronic modules SIITME-99. 1999, Bucharest, Romania; 3-nd International Symposium on Microelectronics technologies and microsystems. –Koshice, 1999; VI Konferencja Naukowa. Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne. COE. –Gliwice 2000; Interdisciplinary Conference on Electrical, Electronics & Computer Engineering Education in the Third Milenium (ICEECEE). Davos, Switzeriand, 2000; International Conference on Optoelectronic Information Technologies “Photonics- ODS 2000” -Vinnytsia, 2000; VI krajowe sympozjum pomiaru magnetycznych. Kielce, 2000; 4-th International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems. -Zwickau, 2000; 8th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science. “Tempmeko-2001”. -Berlin, Germany 2001; X International Symposium on Electromagnetic Fields in Electrical Engineering. ISEF -Cracow 2001., Poland. 2001; VI International Conference Measurement and Control in Complex Systems (MCCS-2001). -Vinnytsia, 2001; MS'2001-Lviv International Conference on Modeling & Simulation. Proceedings. -Lviv-Ukraine 2001; VI Міжнародна конференція ”Контроль і управління в складних системах (КУСС-2001)”, -Вінниця 2001 р; Krajowy kongres metrologii. Metrologia u progu trezeciego millenium. -Warszawa 2001; XII Sympozjum њrodowiskowe PTZI. Zastosowania elektromagnetyzmu w nowoczesnych technikach s informatyce.-Biaіowieџa, 2002; Sixteenth Internatoinal Wrocіaw Symposium and Exibition on Electromagnetic Compatibility. -2002; 7-th Internаtional Modeling School of AMSE-UAPL -Cremea, Alushta, 2002; VII Konferencijne., Сhujniki optoelektroniczne i ektroniczne. -Rzeszуw 2002; 47.Internationales Wissenschaftliches Kolloquium. -Ilmenau 2002; International Carpathion Conference. Protection of Computer Systems against Electromagnetic Disturbances. -Rzeszуw-Јaсcut, Poland, 2002; X Miкdzynarodowe Seminarium metrologуw. -Rzeszуw 2002; Міжнародний симпозіум “NTO -2002”, -Варшава 2002.

Публікації. За тематикою дисертаційної роботи опубліковано 78 наукових праць, серед яких 26 статей у фахових виданнях, з них 17 авторських, 50 в збірниках матеріалів та тезах конференцій, отримано 2 патенти України на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 298 сторінках друкованого тексту, містить 99 рисунків, 35 таблиць, перелік цитованої літератури з 186 найменувань та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено актуальність проблеми, мету і задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів та їх практична цінність, а також апробацію результатів роботи.

У першому розділі проаналізовано діючу в Україні нормативну і правову документацію щодо забезпечення безпеки дорожнього руху та виявлення основних причин і структури дорожньо-транспортної аварійності. Показано основні причини аварійності в умовах невизначеності розвитку дорожньо-транспортних ситуацій, якими є надзвичайний динамізм процесу управління, різноманітність сполучень характеристик транспортних засобів і вулично-дорожньої сітки, погодно-кліматичних умов, а основне, необхідність прогнозування поведінки людей. Для регулювання дорожнього руху і створення відповідних умов для його безпечного здійснення в Україні частково створено систему законодавчого регулювання та прийнято відповідні постанови Кабінету міністрів. Аналіз діючих в Україні Державних стандартів показав, що вони в основному регламентують технічний бік (транспортні засоби, дорожня огорожа, розмітка та ін.) при відсутності стандартів на встановлення вимог до взаємодії елементів системи “водій-автомобіль-дорога-довкілля”. Для розроблення системи нових стандартів необхідно створити наукове підґрунтя, яке здатне взаємно повўязати характеристики кожного елемента системи. Створення стандартів для системи “водій-автомобіль-дорога-довкілля” дасть змогу сформувати комплексні вимоги для запровадження сертифікації елементів системи, починаючи від водія і закінчуючи довкіллям, що сприятиме підвищенню безпеки дорожнього руху, а також стимулюватиме впровадження і використання сучасних інформаційних технологій під час транспортного обслуговування, застосування прогресивних технологій, безпечних для довкілля, здоровўя та життя людей, встановлення вимог щодо якості транспортного обслуговування населення, підготовку фахівців з управління якістю транспортного обслуговування на рівні міжнародних вимог. З аналізу науково-технічної інформації про вплив психофізіологічного стану водія на безпеку дорожнього руху випливає, що сьогодні немає оптимальних критеріїв для його оцінки (електрокардіограми, електроенцефалограми, електроокулограми та інші; показник безпеки; показник продуктивності; швидкісний режим), а тому фактор водія і надалі залишається нерегульованим. Дослідження причин неадекватної реакції водія в реальній ситуації та усунення їх може бути ефективною мірою підвищення безпеки дорожнього руху. Аналіз аварійності з врахуванням стану дорожньої мережі та інтенсивності дорожнього руху дозволив зробити висновок, що рівень аварійності залежить від дорожніх умов, невідповідності плану і профілю дороги швидкості руху. Хоч в Україні існують стандартні вимоги до автомобільних доріг, але їх стан залишається незадовільним. Тільки впровадження сертифікації елементів дорожнього руху дасть змогу покращати стан справ. Встановлено основні фактори впливу довкілля на дорожньо-транспортні пригоди: погодно-кліматичні фактори, видимість (обзорність) та фактори, що впливають на реакцію водія. Аналізом наукових джерел виявлено, що зміни геомагнітного поля приводять до порушення професійних навичок водія, тобто при аналізі дорожньо-транспортних пригод потрібно враховувати рівень магнітного та електромагнітного полів. Аналіз сучасного стану теоретичних засад та моделювання безпеки дорожнього руху свідчить, що сьогодні немає комплексної теорії з безпеки дорожнього руху, за допомогою якої можна було б виявляти та усувати небезпечні місця доріг. Для вирішення цієї проблеми в першу чергу необхідно сформувати нормативно-правову і нормативно-технічну бази для безпечного функціонування автомобільного транспорту і дорожнього господарства, розробити пакет державних і галузевих стандартів та внести зміни в застарілі стандарти, вдосконалити вітчизняну систему сертифікації з врахуванням розвитку нормативної бази Женевської угоди “Глобальні угоди 2000”.

У другому розділі сформовано теоретичні засади безпеки дорожнього руху. Розглянуто методи та засоби вдосконалення математичного моделювання характерних особливостей автомобільних доріг та транспортних потоків на них.

Наведено результати даних про характерні особливості дорожньо-транспортного середовища, а також ДТП за даними Державної автоінспекції Львівської області протягом останніх десяти років. Запропоновано принципи математичного моделювання ДТП з урахуванням параметрів, які характеризують інтенсивність потоку автомобілів, інтенсивність геомагнітного поля, час доби, якість покриття доріг. На підставі математичних співвідношень, які зв'язують параметри моделей, запропоновано підходи для оцінки критичних (у деяких випадках аварійних) ситуацій. Розроблено методи для аналізу дорожньо-транспортного середовища, а також для прогнозу небезпечних ситуацій, що становлять основу для розробки відповідних нормативних документів, за допомогою яких формують перелік рекомендацій водіям транспортних засобів.

До основних задач розв'язання проблеми зменшення аварійності дорожнього руху віднесено:–

удосконалення методів реєстрації ДТП (дорожньо-транспортних пригод), підвищення оперативності та якості відповідних процедур;–

розробка експертних систем для аналізу аварійності дорожнього руху та удосконалення його організації;–

розробка математичної моделі для оптимізації процесу зменшення аварійності дорожнього руху;

- вивчення стану шляхів, умов руху на них і використання отриманої інформації для аналізу математичної моделі, формування прогнозів, а також планування відповідних заходів і нормативних документів;–

розробка методики розв'язування обернених задач для оцінки і прогнозу розподілу ДТП за годинами доби, за віком водіїв, які спричинили ДТП тощо.–

моніторинг та оцінка впливу автотранспорту на підвищення рівня забруднення довкілля.

Встановлено кількісні співвідношення між інтенсивністю автомобільних потоків на дорогах та інтенсивністю аварійних ситуацій у розрахунку на одиницю часу.

Ці дані дозволили встановити залежність між кількістю ДТП на дорогах Y (загалом для вибраного мікрорайону) і значенням інтенсивності руху транспорту:

Y = ax + b, (1)

де а, b – емпіричні коефіцієнти регресійних залежностей; х – інтенсивність автомобілів у мікрорайоні.

Запропоновано розвивати три важливі чинники для забезпечення якості дорожньо–транспортних зв'язків: а) якість автомобільних доріг; б) відповідний технічний стан автомобільного транспорту; в) суворий якісний контроль автомобільних потоків працівниками ДАІ.

Важливий метод оцінки якості ділянки дороги ґрунтується на експертних оцінках, які включають: 1) думку користувачів (водіїв); 2) думку замовників, 3) висновки спеціалістів стосовно якості; 4) інформаційне забезпечення; 5) побажання користувачів.

Якість дорожньо–транспортних зв'язків контролюється на основі інформації відносно того, як реагують на стан доріг і аварійні ситуації водії та працівники ДАІ. Метод експертних оцінок реалізовано за допомогою анкетування.

Питання якості мають відношення до відбору та передачі інформації у системах інформаційного забезпечення дорожньо-транспортного середовища. Розроблено варіант методики інформаційного моделювання предметної області об'єктів дорожньо-транспортного середовища на основі оцінки якості інформації з використанням баз знань. Новизна даної методики полягає в тому, що враховано кореляційні зв'язки між характеристиками дорожньо-транспортного середовища (інтенсивність ДТП, інтенсивність потоку автомобілів), інтенсивністю геомагнітного поля (ІГМП) протягом різних проміжків часу (тиждень, місяць, пора року, півріччя, рік) та напруженостю техногенних електромагнітних полів.

Для інформаційної системи дорожньо-транспортного середовища встановлено відповідний мінімальний обсяг даних (інтенсивність потоку автомобілів, інтенсивність ДТП у різні періоди доби та стан покриття дороги при ДТП), які забезпечують користувачів (водіїв транспортних засобів, служби ДАІ) об'єктивно необхідною інформацією для прийняття ефективних керуючих рішень.

Для оцінки зміни кількості автомобілів (інтенсивності потоку) в різні проміжки часу й на різних ділянках автомобільних доріг використано співвідношення для балансу інтенсивності потоку автомобілів (Іс) на даній ділянці шляху

dІс/dt + divЧJc = , (2)

де Jc – додатковий потік автомобілів;

– потужність джерела виникнення і зникнення автомобілів.

У даному випадку залежить від притоку і відтоку автомобілів із бокових доріг на даній ділянці шляху. Параметр набуває від'ємного значення, якщо бокова дорога є стоком автомобілів, у протилежному випадку значення додатне.

За допомогою описової статистики проведено аналітичний опис, узагальнення та зведення до бажаного вигляду властивостей масиву даних про інтенсивність руху автомобілів на дорогах протягом вибраного періоду (зокрема, а) 1992–2002 рр.; б) 01.10.2000 р. – 01.06.2002 р.).

Для аналізу ситуацій і процесів у дорожньо-транспортному середовищі сформульовано функцію компромісу (відгуку) M:

M = kaЧM1 + kbЧM2, (3)

Тут M1 – кількість аварій, яке потрібно мінімізувати; M2 – кількість працівників ДАІ, які контролюють безпеку руху; ka, kb – постійні параметри (вагові коефіцієнти), які визначаються на основі обчислювального експерименту. Оскільки число M2 строго регламентовано, то під M2 розуміємо оптимальну кількість працівників ДАІ в даний проміжок часу на вибраній ділянці області (району, міста). Зміни DM2 сприймаємо як передислокацію працівників ДАІ з метою найбільш ефективного контролю і регулювання транспортних потоків.

Розглянуто загальний випадок, коли функції відгуку досліджуються при неповному знанні і неповному поданні механізму досліджуваних явищ. На основі аналізу функції відгуку сформовано масив інформації про параметри стану (ситуації), їх відхилення і характеристики ситуації у дорожньо-транспортному середовищі.

Розраховано параметри відхилень (похибок), які характеризують дорожньо-транспортні пригоди за місяцями року. Для цього розглянуто співвідношення моделі оптимізаційного типу для двох цільових функцій:

Mwi = fw(Dwi), Mzi = fz(wi), і =1, 2, 3, 4, (4)

Тут Mwi – відхилення від середнього числа аварій Mwс (похибка, яку отримаємо у процесі спостереження); wi , Dwi, – параметри стану та їх відносні відхилення відповідно; Mzi – число аварій (ДТП), які зареєстровані у процесі спостереження; w1 – вік водія, який спричинив ДТП; w2 – стаж водія, який спричинив ДТП; w3 – час, який провів водій за кермом автомобіля перед тим, як спричинив ДТП; w4 – параметр, який характеризує інтенсивність геомагнітного поля.

Аналіз на основі обчислювального експерименту співвідношень (4) показав, що порівняно з першим співвідношенням із (4) більш обґрунтованим і точним для моделювання ДТП у дорожньо-транспортному середовищі є друге співвідношення, тобто Mzi = fz(wi).

На основі відповідних даних Державної автоінспекції Львівської області досліджено коефіцієнт кореляції Kk між числом дорожньо-транспортних пригод та інтенсивністю геомагнітного поля (протягом періоду з 01.1999 р. по 06.2002) за допомогою співвідношення:

Kk = S(zi –ћ )(yi – y)/(S(zi –ћ )2S(yi – y)2)0,5, (5)

Тут zi = z1, z2, z3, z4 – кількість дорожньо-транспортних пригод за конкретний проміжок часу; ћ = (z1 + z2 + z3 + z4)/4 – середнє значення числа ДТП; yi = y1, y2, y3, y4 – ІГМП у балах за даними геомагнітної обсерваторії Львівської області; y = (y1 + y2 + y3 + y4)/4 – середнє значення ІГМП; i – порядковий номер проміжку часу (наприклад, тижня даного місяця року (i = 1, 2, 3, 4)).

Започатковано нові та розвинуто відомі теоретичні, інженерно–технічні, інформаційні основи контролю ДТП, завдяки чому вирішено науково-прикладну проблему, що має важливе народногосподарське значення і полягає у створенні нового класу задач комп'ютерної діагностики та прогнозування ДТП, інформаційне забезпечення яких поєднує розширений набір параметрів ситуації у системі “водій – автомобіль – дорога – довкілля”.

Розроблено теоретичні засади прогнозування ДТП для створення бази даних, які включають узагальнену математичну модель прогнозування ДТП і параметрів ситуації у системі “водій – автомобіль – дорога – довкілля”, методи неперервного й покрокового прогнозування зв'язку числа ДТП з інтенсивністю потоку автомобілів, інтенсивністю геомагнітного поля, часом доби, якістю покриття доріг.

Розв'язано важливу науково-технічну задачу синтезу нових алгоритмів оптимізаційного типу для встановлення оптимального кореляційного зв'язку між динамічними характеристиками інтенсивності ДТП та відповідними параметрами системи “водій – автомобіль – дорога – довкілля”.

Розроблено пакет прикладних програм, який дозволяє проводити обчислювальний експеримент для аналізу ситуацій, які відповідають ДТП для різних проміжків часу (тижнів, місяців, пір року, років тощо).

Встановлено кореляційний зв'язок (типу Kk (5)) між інтенсивністю геомагнітного поля у балах Yk і розподілом Zk із врахуванням розподілів Zа , Zn , Zс :

Yk = Yk(yi);

Zk = Z0(pi) + taЧ'Zа(ai) + tnЧ'Zn(ni) + tсЧ'Zс(ci). (6)

Тут Zk – модифікована нормована інтенсивність ДТП; Z0(pi) – початкова нормована інтенсивність ДТП; Zа(ai) – нормована інтенсивність потоку автомобілів; Zn(ni) – нормовані коефіцієнти, які дорівнюють відношенню ДТП, здійснених ввечері (уночі), до загального числа ДТП, зафіксованих даного тижня (коефіцієнти, які характеризують час доби); Zс(ci) – нормовані коефіцієнти, які характеризують стан покриття дороги при ДТП; i – порядковий номер тижня; ta , tn , tс – числові параметри, які відповідають максимальному значенню коефіцієнта кореляції. Zс відповідають розподілу за тижнями місяця параметра, який визначається відношенням ДТП, здійснених на дорогах, в яких покриття не асфальтобетонне, до загального числа ДТП, зафіксованих даного тижня. Під нормованою інтенсивністю (наприклад, ДТП) розуміємо набір чотирьох параметрів (у вигляді стовпця-матриці), які дорівнюють відношенню кількості ДТП за даний тиждень до максимальної кількості ДТП, що відповідає одному з чотирьох тижнів.

Для оцінки внеску доданків Z0, taЧ'Zа, tnЧ'Zn, tсЧ'Zс у виразі

Zk* = |Z0| + |taЧ'Zа| + |tnЧ'Zn| + |tсЧ'Zс| розглянуто відношення:

Woj = Z0/Zk*; Waj = |taЧ'Zа|/Zk*; Wnj = |tnЧ'Zn|/Zk*; Wсj = |tсЧ'Zс|/Zk*. (7)

Тут (j = 1, 2, 3, 4 – номер тижнів).

Встановлено, що від місяця, сезону, року Zа залежить незначно і у першому наближенні Zа можна прийняти сталим (для Львівської області на період січень 1999 р. – червень 2002 р. – Zа = const).

Результати обчислювального експерименту і сформовані на їх основі прогнози дозволили підтвердити коректність постановки конкретних задач.

Виявлено, що на сучасному етапі розвитку теорії та методики аналізу ДТП недостатньо розвинуто математичні моделі з ефективними властивостями прогнозу інтенсивності ДТП на перспективу, із допомогою яких можна було би формувати багатофакторні рекомендації щодо зменшення ДТП.

Уперше створено теоретичні засади контролю параметрів, що характеризують поєднання ДТП і системи “водій – автомобіль – дорога – довкілля”, які включають узагальнену математичну модель засобів перевірки кореляційних зв'язків між елементами системи.

Сформульовано й обґрунтовано алгоритм оптимізації процесу зменшення аварійності дорожнього руху з використанням функцій мети, які сформовано на основі набору відповідних процесам нових параметрів.

Установлено, що на ДТП впливають такі фактори: зміни інтенсивності геомагнітного поля, інтенсивність потоку автомобілів, час доби, якість покриття доріг. За допомогою факторів, що характеризують перераховані причини, беручи до уваги відповідні вагові коефіцієнти, можна достатньо точно описати кореляційні зв'язки між інтенсивністю геомагнітного поля і ДТП, інтенсивністю потоку автомобілів, часом доби, якістю покриття доріг. При цьому усереднений за останні 10 років коефіцієнт кореляції становить Кі = 0,96.

На рис. 1, 2 подано приклади кореляційних зв'язків між інтенсивністю ДТП (Za, Zb) та геомагнітною активністю (Ya,Yb) для вересня й грудня 1999 р. У цих двох випадках початкові значення коефіцієнтів кореляції достатньо великі:

Кk10 = 0,829; Кk10 = 0,808. Тут Zk1, Zk2 – нормована інтенсивність ДТП; Za2 – інтенсивність потоку автомобілів; Zn2 – розподіли, які враховують час доби при здійсненні ДТП; ; x = 1,2,3,4 – номери тижнів.

Рис. 1. Залежності Zk1 = f(x) і Yk1 = f(x) для вересня 1999 р. Коефіцієнт кореляції між Zk1 і Yk1 – Кk10 = 0,829 Рис. 2. Залежності Zk2 , Za2, Zn2 і Yk2 для грудня 1999 р. Коефіцієнт кореляції між Zk2 і Yk2 – Кk20 = 0,808

Коефіцієнт кореляції Кk між Zk та Yk змінюється, якщо врахувати лінійну залежність між Zk та інтенсивністю потоку автомобілів Za і часом доби Zn:

Zk = Zk0 + taЧZa + tnЧZn , (8)

і при ta = – 1,088, tn = – 1,262 набуває максимального значення Кk* = 0,999. Тут ta, tn – числові параметри, які знайдено на основі обчислювального експерименту.

При цьому зміна коефіцієнта кореляції становить:

D* = 2Ч|Кk2 – Кk20|/(Кk2 + Кk20) = 0,211. (9)

Співвідношення між коефіцієнтами Кk20 і Кk2 змінилось на 21,1 % у бік покращення числового значення Кb. Своєрідність цього прикладу в тому, що екстремальному значенню Кk2 відповідають від'ємні значення ta = – 1,088,

tn = – 1,262 на відміну, наприклад, від січня 1999 р., де ta = 2,91, tn = 1,12 і

Кks = 0,9913.

На рис.3 подано приклад залежностей для встановлення кореляційного зв'язку між інтенсивністю ДТП (Zk3) та інтенсивністю геомагнітного поля (Yk3) при від'ємному початковому значенні коефіцієнта кореляції Кk30 = – 0,975.

На основі обчислювального експерименту при ta = 6,5, tn = –22,1, tс = 9,9 отримано досить велике значення коефіцієнта Кk3 = 0,941.

Рис. 3. Залежності Zk3 = f(x) і Yk3 = f(x) для серпня 2000 р.

(x = 1,2,3,4 – номер тижня), (Кk30 = – 0,975)

Виявлено, що протягом останніх десяти років кореляційний зв'язок між ІГМП та початковим числом ДТП, інтенсивністю потоку автомобілів, часом доби, а також якістю покриття доріг в основному визначається інтенсивністю потоку автомобілів (45,8 %). Іншим розподілам відповідають такі процентні внески: початкові значення ДТП (21,6 %), час доби (19,5 %), якість покриття доріг (13,1 %).

Для ситуацій на дорогах, які характеризуються доволі великим значенням коефіцієнта кореляції Кі між розподілом ДТП за тижнями місяця (Zі; і = 1,2, ...; і – порядковий номер аварійної ситуації) та інтенсивністю геомагнітного поля (Yі) “0,81 > Кі > 0,45” встановлено, що коефіцієнти ta, tn, які враховують інтенсивність потоку автомобілів, а також час доби відповідно, можуть мати додатні та відўємні значення 3,54 > ta > – 6,92, 2,1 > tn > – 1,87. Визначено, що найбільше значення коефіцієнта кореляції між інтенсивністю геомагнітного поля і ДТП із врахуванням інтенсивності потоку автомобілів, часу доби і якості покриття дороги має зимою, а найменше - весною.

Частину результуючих розподілів за тижнями, місяцями, порами року, отриманих на основі обчислювального експерименту, подано на рис. 4 – 5.

На рис. 4 Wn – внесок розподілу, зв'язаного з часом доби, в коефіцієнт кореляції Кі між ДТП і ІГМП; Ww – розподіли типу Wn для зими; Ws – розподіли типу Wn для весни; Wl – розподіли типу Wn для літа; Wz – розподіли типу Wn для осені. Тут розподіли відповідають усередненим даним за період 1987 – 2001 рр.

На рис. 5 Wc – внесок розподілу, зв'язаного з якістю покриття доріг, в Кі ; Wo – внесок початкового розподілу ДТП у коефіцієнт кореляції Кі між ДТП та ІГМП; Wа – внесок розподілу, зв'язаного з інтенсивністю потоку автомобілів, в Кі .

У третьому розділі розглядаються можливості застосування діагностичних моделей для аналізу критичних ситуацій у дорожньо-транспортній системі. Основна увага приділяється передумовам ДТП. Аварію ототожнюємо з ДТП, яким відповідають власні й транспортні параметри. Розроблено методику встановлення умов перевищення допустимих меж параметрами дорожньо-транспортного середовища, в результаті чого запропоновано критеріальні співвідношення для формування системи безпеки.

Інформацію про аварійність та умови виникнення ДТП упорядковано з допомогою формальних засобів функціональних моделей дорожньо-транспортного середовища.

Для побудови математичних моделей діагностики аварійних ситуацій в дорожньо-транспортному середовищі використано апарат математичної логіки. Модель аварії записано у вигляді структурованої сукупності логічних формул:

(10)

де F – опис структури між компонентами А1,..., Аn, що може використовувати логічні засоби; А1 – опис системи взаємозв'язків між окремими локальними функціями з точки зору сукупності можливих аварій, їхніх взаємозв'язків, ступенів аварійної критичності, характерних для деякого регіону, або конкретних місця і умов.

Математичні моделі дорожньо-транспортного середовища будуються для створення систем безпеки. Базовим елементом системи безпеки дорожньо-транспортного середовища є діагностична модель. Діагностична модель забезпечує розв'язання задачі діагностики дорожньо-транспортного середовища і допомагає сформувати рекомендації для функціонування системи безпеки дорожньо-транспортного середовища. Розв'язання діагностичної задачі полягає в реалізації процесу виявлення, локалізації й ідентифікації передумов виникнення ДТП.

У загальному вигляді трикомпонентну діагностичну модель записуємо так:

С ® Б ® Н, (11)

де С – модель передумов аварії, А – модель безпосередньої аварії, Н – модель наслідків аварії для фрагмента дорожньо-транспортного середовища.

Розрахунки параметрів стану і ситуації дорожньо-транспортного середовища досить складні та громіздкі. Для їх вдосконалення використано принципи і методи автоматизації математичних обчислень на основі алгебри алгоритмів із використанням програм символьної математики: Derive, MathCad, MathLab, Maple, Mathematica.

Покращені на основі алгебри алгоритмів алгоритми обробки інформації стосовно дорожньо-транспортного середовища і відповідні способи автоматизації математичних обчислень є в основі інтелектуального інтерфейсу, нової інформаційної технології та бази знань.

Розглядаються результати розрахунків коефіцієнта кореляцій між змінами інтенсивності геомагнітного поля та параметрами, що характеризують ДТП. Кількісно методи таких досліджень недостатньо розвинуті, і тому в даній роботі розроблено відповідну ефективну методику їх реалізації, що у кінцевому варіанті привело до розв'язання класу обернених задач і задач інтерполяції (прогнозів ДТП) у сфері дорожньо-транспортного середовища.

Запропоновано ефективну методику моделювання закономірностей, що характеризують вплив геомагнітних збурень на ДТП, що у кінцевому варіанті приводяться до розв'язання інтерполяційної задачі прогнозу розподілу числа ДТП за годинами доби. Відповідна інформація частково наведена на рис.6 і 7.

На рис.7 Yk є Yk – комплексний коефіцієнт кореляції розподілів ДТП та інтенсивності потоку автомобілів за годинами доби; Yi є Yi – коефіцієнт кореляції розподілу інтенсивності потоку автомобілів за годинами доби відносно середнього значення в розрахунку на півріччя.

З рис. 6 можна зробити висновок, що суттєва кількість ДТП припадає на години доби від t1 = 16 год. до t2 = 23 год. і цей же діапазон годин відповідає залежностям на рис. 7. Подану на рис. 7 числову інформацію, а також співвідношення (6) використано для розробки методики прогнозу розподілу ДТП за годинами доби для першого півріччя 2002 р. YT7 = f(t) (t = 16, 17, ... , 23; i =7).

Порівняємо залежності KtT = f(T) і Ym = f(T). Для цього визначимо між ними коефіцієнт кореляції KTm = – 0,014. Кореляції фактично немає. Врахуємо інтенсивність потоку автомобілів, тобто залежність Yij = Yi = f(T):

Yk = KtTj + tpЧYij = Ykj. (12)

Тут KtTj, Yij, Ykj, (матриці –стовпці 1ґ7, j = 1,2,...7) – значення параметрів ситуації в регіоні (зокрема, у Львівській області) для залежностей KtT = f(T), Yi = f(T), Yk = f(T) відповідно; tp – числовий параметр, який визначено на основі обчислювального експерименту (tp – коефіцієнт, який характеризує вплив інтенсивності потоку автомобілів на кількість ДТП).

Для періоду 1999 ё 2002 рр. (t = 16, 17, ... , 23; j = 7) вважаємо, що KtT7 невідоме. Розрахунки KtT7 можна проводити, якщо задано відповідний критерій. Критерій установлено емпірично на основі обчислювального експерименту, при якому проводився почергово пошук значень KtT1, KtT2, KtT3, KtT4, KtT5, KtT6, а також розглядалась інформація для діапазону 1989 ё 1998 рр. (для t = 16, 17, ... , 23).

Критерій для визначення KtT7 = KtT7 (якщо Kkm задане) встановлено у вигляді:

Dkm = |KtT7 – Kkm| ® min. (13)

Коефіцієнт кореляції між реальним розподілом і відповідним отриманим розв'язком KtT7 (розподілом ДТП за годинами доби) (13) набуває значення KtT7 = 0,834, що свідчить про достатню точність та ефективність методики знаходження розв'язку інтерполяційної задачі.

Розподіли ДТП за годинами доби моделюємо гамма-розподілом fg(t) і логарифмічно нормальним (логнормальним) розподілом fs(t):

fg(t) = aЧtaЧexp(-bЧtg), fs(t) = , (14)

Тут tm – середньогеометричний радіус (lntm=); S – стандартне відхилення для lnt; fg(t) залежно від значень a та g характеризуються цілим сімейством розподілів.

На основі обчислювального експерименту виявлено, що логнормальний розподіл для моделювання розподілу ДТП за годинами доби підходить і розв'язок інтерполяційної задачі fs(t) знайдено з достатньою точністю.

Розглянуто кореляційні зв'язки між розподілом за віком водіїв (які спричинили ДТП) із врахуванням інтенсивності дорожньо-транспортних пригод, інтенсивності потоку автомобілів та інтенсивності геомагнітного поля. Результати розрахунків подано на рис.8 і 9.

На рис 8 нормована інтенсивність ДТП V14 = V14 = f(w) – для літа 1999 р., V15 = V15 = f(w) – для літа 2000 р., V16 = V16 = f(w) – для літа 2001 р.; К4v = 0,908 – коефіцієнт кореляції між V14 і Vc; К5v = 0,889 – коефіцієнт кореляції між V15 і Vc; К6v = 0,824 – коефіцієнт кореляції між V16 і Vc . На рис 9 V7w = V7w = f(w) – розподіл ДТП за віком водіїв, що відповідає першій половині 2002 року (розподіл, побудований на основі нової моделі); V8w = V8w = f(w) – реальний розподіл ДТП за віком водіїв, для першої половині 2002 року; К7w = 0,802 – коефіцієнт кореляції між V7w і Vc; К8w = 0,853 – коефіцієнт кореляції між V8w і Vc; Кww = 0,836 – коефіцієнт кореляції між V7w і V8w.

На рис. 8 і 9 Vc = f(w) – усереднена інтенсивність ДТП.

Відому методику розв'язування обернених задач використано для прогнозу розподілу ДТП за віком водіїв V7w (які спричинили аварійну ситуацію у Львівській області) V7w = f(w) (w = [18; 46]) для першого півріччя 2002 рр. (рис. 9).

Розподіл V7w і є розв'язком спрощеного варіанта оберненої задачі. Коефіцієнт кореляції між отриманим розв'язком V7w і реальним розподілом V8w становить Kw* = 0,888, а відхилення Dw* = 1 – Kw* = 0,112. Числове значення відхилення Dw* дозволяє стверджувати, що розв'язок оберненої задачі знайдено з достатньою точністю. Проведено дослідження впливу зміни параметра q = tz на коефіцієнт кореляції між побудованим розподілом Yxt і усередненим Za. Змінювали множник q = tz і при q = 0,9495 отримано Yxt = Yz , для якого коефіцієнт кореляції порівняно з