МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Енглезі Ірина Павлівна

УДК 656.13

ЕФЕКТИВНІСТЬ КООРДИНОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ТРАНСПОРТНИМИ ПОТОКАМИ

Спеціальність 05.22.01 “Транспортні системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Київ – 2004 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській національній академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

ДОЛЯ Віктор Костянтинович,

Харківська державна академія

міського господарства, завідувач кафедри “Транспортні системи і логістика”

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор

ПАНІШЕВ Анатолій Васильович, Житомирський державний технологічний університет, завідувач кафедри “Інформатикаі комп’ютерне моделювання”

кандидат технічних наук, доцент

ЄРЕСОВ Володимир Іванович, Національний транспортний університет, доцент кафедри “Транспортні системи і маркетинг”

Провідна установа: Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України, кафедра “Управління експлуатаційною роботою і міжнародними перевезеннями”, м. Харків.

Захист відбудеться “30” вересня 2004р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д.26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м.Київ-10, вул.Суворова,1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету (Україна, м.Київ, вул. Кіквідзе, 42)

Автореферат розісланий “28” серпня 2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої Ради

кандидат технічних наук, доцент О.П.Дзюба

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішими напрямками розв’язання задач безпеки дорожнього руху, екології та економіки є організація та управління транспортними потоками на вулично-дорожній мережі міста.

У зв’язку з економічним та соціальним розвитком країни зростає запит на перевезення вантажів та пасажирів. Внаслідок цього транспортна система країни стає більш насиченою, але одразу зменшується її ефективність, стає помітним недосконалість управління транспортними потоками, що наносить галузі значні економічні збитки.

Найбільш прогресивним та розповсюдженим методом управління транспортними потоками у великих містах є координоване управління на магістралях, яке дозволяє зменшити кількість зупинок транспортних засобів і, таким чином, знизити часові витрати на проїзд по транспортній мережі. Досвід створення і експлуатації процесу координованого управління переконливо свідчить про можливості підвищення ефективності транспортного процесу в умовах обмеженої пропускної здатності мережі. З цією метою дуже важливе значення має як застосування кібернетичних методів у безпосередньому процесі управління, так і удосконалення технічних засобів управління транспортними потоками.

До основних недоліків існуючого процесу координованого управління транспортними потоками відносяться: відсутність наукового підходу до розв’язання практичних задач координованого управління на магістралях міста; низький ступінь оснащення вулично-дорожньої мережі технічними засобами регулювання та використання морально-застарілих контролерів; застосування для розрахунку управляючих параметрів вхідних даних, отриманих методом натурних спостережень, які носять випадковий характер; відсутність можливості оперативно змінювати часові уставки і програми координації; створення графіків координації на інженерно-інтуїтивному рівні. Крім того, практично не використовуються методи оптимізації при перевірці ефективності координованого управління на магістралі.

Отримані в дисертації результати системних досліджень, які спрямовані на підвищення ефективності координованого управління транспортними потоками, використовуються при організації і проектуванні дорожнього руху, що підтверджує їх актуальність.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з Цільовою комплексною програмою розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, прийнятою розпорядженням Кабінету Міністрів України від 23.07.1993р. № 551-Р.

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є підвищення ефективності управління транспортними потоками на підставі удосконалення технології процесу координованого управління для практичного застосування на вулично-дорожній мережі міста.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні задачі:

- аналіз технології процесу управління транспортними потоками та його організації;

- формалізація зв’язків параметрів процесу координованого управління транспортними потоками;

- математичне моделювання транспортного потоку та процесу координованого управління;

- створення алгоритму координованого управління на підставі розроблених моделей.

Об’єкт дослідження - транспортні потоки. Предмет дослідження - процес координованого управління транспортними потоками.

Методи дослідження. Виходячи з того, що технологія координованого управління передбачає розв’язування задач не тільки аналізу і синтезу його організації, але й моделювання транспортних потоків, які мають суттєві особливості руху на вулично-дорожній мережі, в роботі були використані наступні методи дослідження: системний аналіз, теорія часових рядів, оптимізація, системотехніка, а також статистичні методи.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропонована системна модель процесу координованого управління транспортними потоками створена для удосконалення технології управління. На відміну від існуючих у даний час методик визначення управляючих параметрів координації, вона складається зі створених моделей транспортного потоку та розв’язування оптимізаційної задачі часових затримок транспортних засобів на магістралі. Це дозволило розробити алгоритм координованого управління, що значно підвищить ефективність процесу управління транспортними потоками.

Отримало подальший розвиток застосування теорії часових рядів для дослідження зміни інтенсивності транспортного потоку, а також прогнозування майбутніх значень часових рядів інтенсивності та управління їх поводженням. Це дозволяє реалізувати функції детекторів транспорту шляхом моделювання.

Удосконалена структура управляючої підсистеми управління шляхом введення додаткового рівня запропонованих світлофорних контролерів, розроблених на сучасній елементній базі. Це дозволить підвищити надійність і швидкодію процесу управління транспортними потоками.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані у дисертаційній роботі рішення були використані при розробці та впроваджені "Програми удосконалення та розвитку транспортного обслуговування населення на 2003-2008 роки в Донецькій області", що затверджена Розпорядженням голови Донецької облдержадміністрації від 10.02.03р. №58, "Програми забезпечення безпеки руху на автомобільних дорогах, вулицях міст, інших населених пунктів і залізничних переїздах Донецької області на 2003-2007 роки", затвердженої Розпорядженням голови Донецької облдержадміністрації від 22.08.03р. №535. Результати досліджень були використані в Обласному спеціалізованому науково-методичному центрі Донецького інституту автомобільного транспорту при проведені спеціального навчання фахівців виконкомів міських рад та райдержадміністрацій, які відповідають за організацію перевезень та безпеку руху.

Методика координованого управління транспортними потоками, що отримана в дисертаційній роботі та дозволяє розрахувати управляючі параметри координації починаючи від аналізу зміни інтенсивностей транспортного потоку до розрахунку критерію якості управління методом комп'ютерного моделювання, у дійсний час використовується при реконструкції автоматизованих систем управління дорожнім рухом у місті Донецьку.

Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає: у розв'язуванні задач перевезень у системі управління транспортними потоками [1,2]; у визначенні перспективних напрямків по підвищенню ефективності координованого управління транспортними потоками на підставі аналізу діючих АСУДР міста Донецька [3]; у визначенні необхідності модифікації структури процесу управління та технічних засобів регулювання транспортного потоку для підвищення надійності функціонування АСУДР [4,5]; у визначенні підходу до технічної реалізації процесу управління [6]; у формальному описі процесу координованого управління транспортними потоками на підставі системної моделі для створення алгоритму управління за принципом "Зелена хвиля" [7]; у виборі оптимізаційного критерію координованого управління транспортними потоками, як складової частини логістичної системи у цілому [8], у розробці математичних моделей зміни інтенсивності транспортного потоку протягом доби та методики прогнозування інтенсивності транспортного потоку [9].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на:

- 7-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації" (Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, 1-4 жовтня 2001 г.);

- науково-технічній конференції "Сталий розвиток міст" (Харківська державна академія міського господарства, березень, 2002 р.);

- Міжнародній конференції "Логістика-2002" (Харківський національний автомобільно-дорожній університет, травень 2002 г.);

- щорічних наукових сесіях Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 статей у наукових виданнях, затверджених ВАК, тези міжнародної конференції, тези науково-технічної конференції.

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, висновків, списку літературних джерел і додатка. Повний обсяг роботи складає 161 сторінку, з них 121 сторінка основного тексту, 8 сторінок списку літературних джерел і 31 сторінка додатків. Робота містить 24 рисунки і 9 таблиць. Список літературних джерел складається з 94 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи. У ньому обґрунтована актуальність обраної теми, узагальнені проблеми ефективності управління транспортними потоками, визначені мета, задачі і методологічні принципи дослідження, показана наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також наведені відомості про апробацію результатів дослідження та публікації.

Перший розділ присвячений аналізу стану організації процесу управління транспортними потоками та визначенню системних шляхів щодо його удосконалення. Для цього розглянуті існуючі методи управління транспортними потоками, які відрізняються двома ознаками: по-перше, засобами подання транспортних потоків у вигляді моделей мікро- та макроструктури і по-друге, способом їх організації, тобто існує розподіл на програмні та адаптивні методи управління. При цьому має сенс виділити окремий клас методів управління – програмно-адаптивні методи як найбільш перспективні у практичній реалізації. Наведена класифікація відображає різноманіття методів управління та безліч алгоритмів, які відрізняються видом цільового функціонала, способом і формою перетворення параметрів транспортних потоків.

На підставі проведеного аналізу було виявлено, що для координованого управління транспортними потоками необхідно реалізувати макромоделі транспортного потоку програмно-адаптивним методом управління. Також виявлено, що серйозною проблемою, яка не одержала дотепер необхідного рішення, є практична реалізація процесу управління транспортними потоками. Це припускає як розвиток наукових досліджень із застосуванням кібернетичних методів у безпосередньому управлінні транспортними потоками на вулично-дорожній мережі, так і удосконалення технічних засобів управління з позиції елементної бази і надійності функціонування.

На підставі кібернетичного підходу задачу координованого управління транспортними потоками можна вважати сформульованою математично, якщо виконані наступні умови: сформульовано мету управління, виражену через критерій якості управління; визначені обмеження, що відображають діапазон зміни параметрів об'єкту управління, тобто транспортних потоків; визначені обмеження, які забезпечують і не порушують можливі стани процесу управління.

Особливості процесу управління пов'язані з функціональними елементами, які реалізують обрані методи координованого управління транспортними потоками. До них належать первинні сенсори - транспортні детектори, дорожні контролери, пристрої місцевого управління та управляючий центр, який здійснює переробку інформації за обраним алгоритмом управління і виробку управляючих впливів на транспортні потоки.

Але у сучасних економічних умовах неможливо забезпечити постійну присутність детекторів транспорту на вулично-дорожній мережі.

На підставі проведеного аналізу стану процесу управління, визначено, що досягнення поставленої мети і розв'язання задач дисертаційної роботи може бути здійснено шляхом удосконалення технології координованого управління та розробки алгоритму програмно-адаптивного методу координованого управління транспортними потоками (ТП). Алгоритм досліджень наведений на рис. .

У другому розділі роботи проведена формалізація зв'язків процесу координованого управління транспортними потоками методами системного аналізу, які дозволяють розглядати процес управління як інтегроване ціле, метою якого є досягнення максимальної ефективності усієї системи з урахуванням складності транспортних потоків, багатопараметричності критеріїв ефективності та чисельності цілей координованого управління.

Отже, згідно засад системного аналізу, дослідження координованого управління транспортними потоками можливо реалізувати по запропонованому алгоритму (рис. 2).

Найважливіші етапи системного аналізу при дослідженні процесу управління полягають у наступному:

- процес прийняття рішень необхідно починати з виявлення і формулювання кінцевих цілей, а також критеріїв щодо їх досягнення;

- необхідно розглянути проблему управління як ціле, тобто як єдину систему з метою виявлення взаємозалежності кожного часткового рішення;

- необхідно виявити та проаналізувати альтернативні шляхи досягнення кінцевої мети, при цьому цілі окремих підсистем не повинні вступати до конфлікту з цілями системи у цілому;

- необхідно побудувати системну модель, яка об'єднає рішення суміжних задач, необхідних для досягнення основної мети.

У відповідності з сучасними системними дослідженнями при вивченні складних об'єктів, до яких відноситься координоване управління транспортними потоками, було отримано чотири види опису:

1. Морфологічний - аналіз внутрішньої побудови системи;

2. Функціональний – аналіз роботоспроможності системи, який відображає взаємодію з середовищем, а також взаємодію між основними частинами системи.

3. Інформаційний - аналіз ступеню невизначеності стану системи та її зміни.

4. Побудова дерева цілей координованого управління.

Запропонований вибір об'єктного підходу при декомпозиції морфологічного опису процесу управління пояснюється тим, що підсистема технічного забезпечення має складну структуру при невеликій різноманітності складових елементів.

З метою усунення виявлених недоліків ієрархічної структури процесу управління, пропонується використання на першому рівні системи управління просту і високонадійну підсистему взаємозалежного управління мережної архітектури, складовими частинами якої є: дорожні контролери (КД), світлофорні контролери (КСФ) та виконавчі пристрої (ВП). Основою мережної архітектури є мережна зв'язка КД-КСФ-ВП (рис. 3).

Найважливішими пристроями підсистеми взаємозалежного управління є запропоновані КСФ, що фактично являють собою пристрої місцевого управління для безпосереднього управління лампами світлофорів. Реалізований на мікропроцесорній елементній базі, КСФ може управляти складним перехрестям по індивідуальному алгоритму, або у системі взаємозалежного управління. При цьому КСФ має свою адресу, використовуючи яку, до нього можуть звертатися інші пристрої. Контролер дорожній керує світлофорним контролером. Запропонований КД на основі отриманої в режимі реального часу інформації про стан транспортних потоків на керованих перехрестях, або використовуючи математичні моделі, що настроюються періодично, розраховує параметри світлофорного регулювання по алгоритму координованого управління і по мережі встановлює ці параметри у відповідних КСФ. Параметри світлофорного регулювання на КСФ можуть передаватися також з персонального комп'ютера (ПЕОМ) через блок погодження інтерфейсів (RS). ПЕОМ може бути зв'язана з комп'ютером центрального пункту управління міста. Розглянута підсистема взаємозалежного управління може бути розширена за рахунок ретрансляторів (КТР). За допомогою ретранслятора можуть підключатися до 32 нових контролерів системи КД-КСФ-ВП на додаткову відстань у 1,5 км. Загальне число контролерів пропонованої підсистеми не повинно перевищувати 256 одиниць.

Запропонована структуризація генеральної цілі процесу координованого управління, що займає нульовий рівень, проводиться поетапно.

Перший рівень займають стратегічні, найбільш стійкі і постійні в часі цілі, що мають фундаментальну, першорядну важливість при визначенні величини ефективності управління транспортними потоками як самостійної системи. Стратегічні цілі були визначені за принципом координованого управління транспортними потоками. Цілі другого рівня – тактичні, піддаються більшій динаміці і визначаються варіантністю науково-технічних рішень. Тактичні цілі були сформульовані на підставі аналізу умов координованого управління транспортними потоками. Третій рівень цілей представлений повним набором конкретних цілей і зв'язків між рівнями, що відображають способи досягнення генеральної цілі. Для дослідження інформативних та управляючих параметрів процесу управління, отриманих при побудові дерева цілей, були розроблені математичні моделі, які описують процес координованого управління на підставі виявлених параметрів.

Об'єднання в єдину систему окремих моделей означає побудову системної моделі процесу координованого управління. Структурні зв'язки окремих моделей дозволяють враховувати в загальному алгоритмі координації реальні взаємозв'язки параметрів і підвищити достовірність опису об'єкта управління - транспортних потоків. Комплексність моделі забезпечує реалізація системного аналізу, а її трансформованість дає універсальність використання при одночасному обліку можливостей транспортного потоку і конкретних задач, які вирішуються на різних етапах координованого управління.

Запропонована системна модель управління транспортними потоками (рис. 4) складається з універсальних детермінованих моделей розрахунку основних параметрів процесу координованого управління ( - цикл світлофорного регулювання; - рекомендована швидкість руху транспортних засобів; - зрушення фаз включення зеленого сигналу світлофору), блоку перенастройки початкових моделей, а також стохастичних моделей, що оцінюють поведінку транспортного потоку по визначенню закону руху транспортних засобів за допомогою ентропії () як міри не упорядкованості сформованих груп транспортних засобів при координації. До складу системної моделі входить розв'язання оптимізаційної задачі по критерію мінімізації часових затримок транспортних засобів на магістралі.

Надана у такому вигляді системна математична модель координованого управління транспортними потоками являється гнучким інструментом дослідження і проектування, який дозволяє реалізувати комплексний опис процесу координованого управління у відповідності з отриманим деревом цілей.

Третій розділ присвячений розробці математичної моделі зміни інтенсивності транспортного потоку протягом доби та методики прогнозування інтенсивності транспортного потоку.

Для рішення цього питання був застосований аналіз часових рядів, який дозволяє не тільки отримати опис характерних рис ряду, а і забезпечує можливість прогнозувати майбутні значення інтенсивності з поступовим управлінням його поводженням.

У процесі аналізу часових рядів інтенсивності транспортного потоку можна виділити наступні етапи:

- виділення закономірних складових (тренда);

- дослідження випадкової складової;

- дослідження взаємодій між різними часовими рядами,

- побудова моделі для прогнозування значень часового ряду.

На підставі досліджень методів аналізу часових рядів для отримання моделі зміни інтенсивності транспортного потоку було обрано метод авторегресії і ковзкого середнього, а для побудови прогнозу змін інтенсивності - прогноз експоненціального зваженого ковзкого середнього, які реалізовані методом комп'ютерного моделювання.

Для побудови математичної моделі заданої кривої використана універсальна інтегрована система комп'ютерної математики MATLAB, яка має спеціальні можливості для цього. Для апроксимації експериментальних даних була використана поліноміальна форма апроксимації методом найменших квадратів у формі поліноміальної регресії.

Застосований метод дозволяє наблизити експериментальні дані за допомогою моделі найкращим у визначеній області шляхом. При цьому для оцінки якості апроксимації використовується спеціальний параметр - норма відхилень .

Відповідно до загального запису норми відхилень вектора , можна представити, як:

Norm(А,р)= при 1р, (1)

у випадку оцінки результатів поліноміальної регресії

Norm(,2)= , (2)

де - вектор залишків, який визначається як різностей , де - величина, що спостерігається, а - прогнозна величина, отримана за допомогою регресійної моделі.

Значення норми відхилень

Norm= (3)

дає статистичну оцінку середньоквадратичної погрішності.

На використання регресійної поліноміальної моделі, що відображає характер поводження експериментальних даних у всій області їхньої реалізації, існують певні обмеження. По-перше, ця модель наближає всі крапки даних, використовуючи модель у вигляді одного поліному, що не дає гарні результати, коли вони насправді не зв'язані єдиною поліноміальною залежністю. По друге, загальна поліноміальна модель зайве громіздка, щоб працювати з нею у реальному алгоритму управління транспортними потоками і здійснювати прогнозування з максимальною точністю.

Для усунення цих недоліків використовуємо метод розбивки функції на інтервали та її поінтервальне моделювання.

Розбивку функції на інтервали у даному випадку здійснено виходячи з розуміння поведінки транспортного процесу на магістралі. Поділяємо добу на 4 інтервали: 1) годин, 2) годин, 3) 15-18 годин, 4) 18-24 годин.

У першому інтервалі функція описується по моделях апроксимуючим поліномом порядку n=8:

Y1 =р1*х8 + р2*х7 + р3*х6 + р4*х5 + р5*х4 + р6*х3 + р7*х2+ р8*х+р9 (4)

де р1=1.0986, р2=0.68771, р3=-4.9219, р4=-4.1721, р5=7.0898, р6=12.11, р7=9.6396,

р8 = 12.151, р9=34.7, при значенні Norm = 4.0663e-14.

У наступних інтервалах спостерігаються лінійні залежності, відповідно

Y2 = -5x+145; (5)

Y3 = 10x-80; (6)

Y4 = -13x+334. (7)

Задача пошуку найкращої поліноміальної моделі для прогнозування фактично є оптимізаційною: мінімізувати ступінь апроксимуючого полінома за умовами не перевищення заданого значення помилки моделювання:

n min (8)

Norm (,2) Norm0,

де Norm0 – мінімальне значення помилки моделювання.

Алгоритм розрахунку експоненціально згладжених значень у будь-якій -й крапці ряду заснований на трьох величинах: значенні, що спостерігається, () у даній крапці ряду, розрахованому згладженому значенні для попередньої крапки ряду і деякому заздалегідь заданому коефіцієнті згладжування постійному по всьому ряду. Ясно, що в першій крапці ряду немає згладженого значення для попередньої крапки (немає самої такої крапки), і згладженим значенням вважається сама величина відгуку, що спостерігається в цій крапці, .

Для всіх наступних крапок діє правило обчислень:

(9)

Отриманий графік прогнозу наведено на рис.5.

При рівному ступені згладжування з використанням методу експонентного згладжування і МКС коефіцієнт зв'язаний з інтервалом вимірювань наступним співвідношенням

: так згладжування за 5-крапковою схемою еквівалентно по своєму впливу на вихідні дані експонентному згладжуванню з коефіцієнтом . Хоча може приймати будь-яке значення з діапазону , звичайно обмежуються інтервалом від 0.2 до 0.5. При високих значеннях , у більшому ступені, враховуються миттєві поточні спостереження відгуку і, навпаки, при низьких його значеннях згладжена величина визначається в більшому ступені минулою тенденцією розвитку, ніж поточним станом відгуку системи.

Метод комп'ютерного моделювання дає можливість наблизити теоретичні моделі до практичних часових змін інтенсивності з великим ступенем адекватності. Узагальнений алгоритм прогнозу зміни часового ряду інтенсивності транспортного потоку наведено на рис. 6.

На підставі отриманих результатів можна стверджувати, що багаторазовий вимір інтенсивності транспортного потоку методом натурних спостережень треба довести до чотирьох разів на рік, тобто по одній добі на сезон. Обробка отриманих результатів повністю автоматизована й доведена до впровадження у процес управління транспортними потоками, а саме до алгоритму координації транспортних потоків.

Четвертий розділ дисертації присвячений розробці математичних моделей і алгоритму координованого управління транспортними потоками.

При дослідженні кількісних і якісних змін параметрів транспортного потоку при координованому управлінні були розглянуті процеси, що відбуваються на ділянці магістралі "перехрестя-перегін" (рис. 7).

Визначимо параметри запропонованої моделі: - потоки насичення напрямів на під'їздах на -му перехресті з -го напряму в -ий; - інтенсивність потоків по напрямам на -му перехресті з -го напряму в -ий; - швидкість руху транспортних засобів при підході до перехрестя; - уповільнення транспортного засобу перед перехрестям; - довжина екіпажу переважного типу транспортного засобу на магістралі; - відстань від стоп-лінії до крайньої конфліктної точці на перехресті; - довжина перегону, наступного за перехрестям; - запропонована швидкість руху транспортного потоку.

У випадку координованого управління транспортний потік здобуває характер рівномірного потоку, в якому всі автомобілі рухаються з однаковою швидкістю і знаходяться на однаковій відстані один від одного. Рух автомобілів здійснюється групами.

Якщо при русі по перегону група розпадається, то потік перетворюється у квазістаціонарний і ефект від координації загублюється, тому що не виконуються умови координованого управління.

Розпад групи транспортних засобів може відбутися внаслідок процесів, що відбуваються усередині групи, а може відбутися в результаті злиття з групою поворотних потоків у дозволену фазу руху на перехресті.

Процес якісних змін параметрів транспортного потоку був приведений при дослідженні поводження транспортних засобів на магістралі за допомогою комп'ютерного моделювання на мові Pascal 7.0. При варіюванні значенням швидкості "Зеленої хвилі" у діапазоні 47 –58 км/год була визначена відстань між групами транспортних засобів, що не збиває координації ( при ). Кількісні зміни параметрів транспортного потоку стосуються виявлення обмежень на інтенсивність транспортного потоку другорядних перетинань на перехресті. Отримані умови обмежень для потоку транспортних засобів у вигляді залежності часової довжини () групи і кількості транспортних засобів () у ній:

, (10)

, (11)

де , ;

- часова довжина потоків, що попадають на перегін з усіх напрямків;

, - часова різниця між 1 і 2, 2 і 3 потоками;

- доля поворотних потоків, що попадають на основну магістраль.

Формальна постановка задачі оптимізації складається з двох етапів: визначення цільової функції і вибору граничних умов. Формулу транспортних затримок можемо представити у наступному вигляді:

, , (12)

Цільова функція задачі оптимізації залежить від параметрів світлофорного регулювання перехресть магістралі - параметрів оптимізації.

Граничні умови параметрів оптимізації вибираємо відповідно до реальних розрахункових даних по кожному перехрестю. За нижню границю () оптимізаційної задачі приймаємо значення параметрів світлофорного регулювання, що отримані в програмі координації руху транспортних засобів на магістралі. Верхня границя () визначається по обмеженням, що накладаються на параметри світлофорного регулювання, а саме с.

При цьому область допустимих рішень можна представити у вигляді:

. (13)

Використовуючи представлений загальний вид цільової функції покажемо її аналітичний вираз у параметрах моделі часових затримок транспортних засобів на магістралі.

, (14)

де i – кількість перехресть; m – кількість фаз регулювання перехрестя; – час горіння основного сигналу; – зсув фаз регулювання перехрестя; - довжина транспортного засобу; - уповільнення транспортного засобу на перехресті; - швидкість руху транспортного засобу; .- відстань між транспортними засобами.

На підставі визначених обмежень і сформульованої цільової функції обрано метод розв'язання задачі оптимізації - пошуковий градієнтний метод багатомірної умовної оптимізації найшвидшого спуску.

На підставі отриманих моделей розроблено алгоритм координованого управління транспортними потоками (ТП) з урахуванням особливостей процесу координованого управління, блок схема якого представлена на рис. 8.

Для перевірки статистичної надійності запропонованої моделі оптимізації були проведені експериментальні дослідження.

Для програмної реалізації поставленої задачі керування транспортними потоками на магістральних дорогах міста використана мова програмування Borland Delphi 7.0.

Таким чином, розроблений алгоритм координованого управління транспортними потоками може бути застосований у діючих АСУДР міст.

виСНОВКИ

1. У дисертації набуло подальшого розвитку рішення науково-технічної проблеми підвищення ефективності процесу координованого управління транспортними потоками. Проведений аналіз дозволив виявити найбільш перспективний напрямок рішення даної проблеми - реалізація програмно-адаптивного методу координованого управління транспортними потоками за критерієм мінімізації часових затримок транспортних засобів на магістралі міста.

2. Виконано опис формалізованих зв'язків інформаційних та управляючих параметрів координованого управління засобами системного аналізу, який дозволяє розглянути процес управління транспортними потоками як інтегроване ціле складових частин.

3. Розроблено системну модель, яка поєднує окремі моделі транспортного потоку у систему одночасно з розв'язанням оптимізаційної задачі по критерію мінімізації часових затримок транспортних засобів на магістралі, що дає можливість виявити обмеження на основні параметри координованого управління та розробити вимоги до інформативних параметрів транспортного потоку.

4. Удосконалено ієрархічну структуру управління транспортними потоками на підставі шинної архітектури, що дозволить усунути недоліки існуючої структури в області надійності шляхом введення рівня додаткових світлофорних контролерів одночасно з дорожніми і забезпечить відмовостійкість управління транспортними потоками у практичній реалізації на вулично-дорожній мережі міста.

5. Розроблено математичну модель зміни інтенсивності транспортного потоку протягом доби у аналітичній формі з урахуванням необхідної точності управління й імовірних складових транспортного потоку, яка є підставою запропонованої методики прогнозування інтенсивності транспортного потоку. Проведенні експериментальні виміри підтверджують коректність теоретичних досліджень стосовно моделювання зміни інтенсивності транспортного потоку і розробки прогнозу на наступну добу.

6. Проведено дослідження кількісних і якісних змін транспортного потоку при координованому управлінні на підставі запропонованої моделі "перехрестя-перегін", які дозволяють виявити систему обмежень на основні параметри транспортного потоку другорядних перетинань перехрестя з метою збереження ефекту координації по головній магістралі. Отримані результати дозволяють управляти інтенсивністю транспортного потоку у процесі координації при моделюванні швидкості руху транспортних засобів.

7. Практична реалізація розв'язання оптимізаційної задачі часових затримок транспортних засобів дозволяє виявити мінімальне значення цільової функції затримок транспортних засобів в умовах отриманих обмежень на управляючі параметри світлофорного регулювання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Доля В.К., Кардаш И.П. Информационное обеспечение принятия решений при проектировании параметров маршрутов городского пассажирского транспорта. Сборник научных трудов по материалам 7-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков: 2001. - с.426-427.

2. Доля В.К., Давидич Ю.А., Кардаш И.П. К вопросу оценки влияния длины маршрута городского пассажирского транспорта на параметры перевозки пассажиров. Автомобильный транспорт. Сборник научных трудов, выпуск 4, Харьков: ХГАДТУ, 2000. -с.83-85.

3. Кардаш І.П. Аналіз функціонування автоматизованих систем координованого управління дорожнім рухом на прикладі м.Донецька.// Науково-технічний вісник НДЦ БДР, Безпека дорожнього руху України, випуск 3 (14), Київ: 2002.

4. Доля В.К., Кардаш И.П. Модификация структуры автоматизированных систем управления транспортними потоками.. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, выпуск 3 (14), Кременчуг: 2002. - с.53-55.

5. Доля В.К., Кардаш И.П. Контролер для управления светофором. Научно-технический сборник НДЦ БДР, Безпека дорожнього руху України, выпуск №1 (12), Киев: 2002 с.81-83.

6. Доля В.К., Кардаш И.П. К применению открытых систем. Научно-технический сборник ХГАГХ “Коммунальное хозяйство городов”, выпуск 36, 2002. с.443-445.

7. Кардаш И.П., Доля В.К. Системная модель координированного управления транспортными потоками. Научно-технический сборник ХГАГХ “Коммунальное хозяйство городов”, выпуск 49, 2003. с.211-216.

8. Абрамова Л.С., Кардаш И.П. Логистическое управление транспортными потоками// Науково технічний журнал "Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті", випуск 6. - Харків: ХДАЗТ, 2002. - с 45-50.

9. Абрамова Л.С., Кардаш И.П. Прогнозування інтенсивності транспортного потоку. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета, випуск 22.- Харків: с.96-98.

АНОТАЦІЯ

Енглезі І.П. Ефективність координованого управління транспортними потоками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.01 - транспортні системи. – Національний транспортний університет, Київ, 2004р.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі удосконалення організації управління транспортними потоками за рахунок підвищення рівня технології координованого управління, який передбачає розв'язання задач не тільки аналізу і синтезу його організації, а і моделювання транспортних потоків. Зроблено формалізований опис процесу координованого управління на основі системного аналізу та побудовано його системну модель. Удосконалена структура управляючої підсистеми шляхом введення запропонованих світлофорних контролерів для підвищення надійності та швидкодії процесу управління.

Розроблена математична модель зміни інтенсивності транспортного потоку протягом доби у аналітичній формі з урахуванням необхідної точності управління й імовірних складових транспортного потоку методом дослідження часових рядів.

Сформульована та розв'язана задача оптимізації часових затримок транспортних засобів на магістралі координованого управління, що сприяє підвищенню ефективності координованого управління. Реалізація цього рішення надається у вигляді зворотного зв'язку по управлінню у алгоритмі координації тривалістю основного такту циклу світлофорного регулювання на перехресті.

Запропоновано алгоритм координованого управління транспортними потоками та розроблено програмне забезпечення для практичного застосування у діючих системах управління рухом у містах.

Ключові слова: процес управління, інтенсивність транспортного потоку, управляюча підсистема, контролери, системна модель, алгоритм координованого управління, оптимізаційна задача, програмне забезпечення.

ANNOTATION

Englezi I. An efficacy of transport streams coordination management. -Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.22.01. - transport system. - National Transport University, Kyiv, 2004.

Thesis is devoted to the solution of an actual technological problem of improvement of transport streams organization management on the basis of increase of level of coordination management technology, which including problem solutions not only analysis and synthesis of its organization, but also transport streams modeling. The format description of the coordination management process is made on the basis of the system analysis and its system model is constructed.

The mathematical model of changes in transport streams intensiveness during twenty four hours is created in analytic form with taking into account essential management exactness and possible components in transport streams by method of time rows research.

An optimization task of time delay of vehicle on the highway with coordination management is formulated and solved.

An organization of transport streams coordination management is proposed and program utility for practical use in real traffic management system in cities is created.

Key words: management process, intensiveness of transport streams, managerial subsystem, controllers, system model, algorithm of coordination management, optimization task, program utility.

АННОТАЦИЯ

Энглези И.П. Эффективность координированного управления транспортными потоками. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.01 - транспортные системы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2004 г.

В диссертации приведено решение научно-технической проблемы повышения эффективности процесса координированного управления транспортными потоками, что позволит усовершенствовать организацию дорожного движения на улично-дорожной сети города. Проведенный анализ проблемы, позволил выявить наиболее перспективное направление решения этой задачи, способом реализации программно-адаптивного метода координированного управления по критерию минимизации временных задержек автотранспортных средств на магистрали. Такой подход позволит реализовать процесс координированного управления в системе реального времени. В работе поставлена цель повышения эффективности управления транспортными потоками на основании усовершенствования технологии координированного управления для практической реализации в автоматизированных системах управления дорожным движением на улично-дорожной сети города. При реализации программно-адаптивного метода управления, в настоящее время возникают определенные трудности; связанные с отсутствием детекторов транспорта, применением морально- и технически устаревшего оборудования, построением графиков координации на инженерно-интуитивном уровне. В связи с этим предложены способы устранения выявленных недостатков. Методами системного анализа в работе получено морфологическое и функциональное описание процесса координированного управления транспортными потоками, которое позволяет формализовать внутренние связи объекта управления - транспортного потока и управляющей подсистемы. На основании декомпозиции материальной структуры процесса управления, усовершенствована структура управляющей подсистемы с целью повышения надежности системы в целом, а также быстродействия и точности определения управляющих параметров координированного управления, таких как рекомендуемая скорость движения, длительность основной фазы светофорного регулирования и сдвиг фаз их включения на перекрестках магистрали. С этой целью в структуру введен дополнительный уровень разработанных светофорных контроллеров на современной элементной базе, что позволит организовать автоматизированную систему управления дорожным движением по принципу открытых систем.

Разработанная системная модель координированного управления транспортными потоками обеспечивает связь выявленных информативных и управляющих параметров процесса координированного управления. В ее состав входит решение оптимизационной задачи по критерию временных задержек автотранспортных средств на магистрали. Данный подход позволяет “провести испытание готовой продукции” на стадии проектирования системы управления, а не после его внедрения на улично-дорожную сеть. Предложенная в работе методика прогнозирования интенсивности транспортного потока, основу которой составляют аналитические модели изменения интенсивности транспортных потоков, с учетом необходимой точности управления и особенностей транспортного потока, позволит компенсировать отсутствие детекторов транспорта и приблизить управление к реальному масштабу времени. Для ее реализации были применены методы анализа временных рядов, при помощи компьютерного моделирования в программной среде MathLab.

В работе проведены исследования количественных и качественных изменений параметров транспортного потока, которые позволяют определить систему ограничений на основные параметры транспортного потока второстепенных направлений перекрестков магистрали. Полученные результаты дают возможность управлять интенсивностью транспортного потока при моделировании допустимой скорости автотранспортных средств по алгоритму координированного управления транспортными потоками.

На основании результатов моделирования предложен алгоритм координированного управления транспортными потоками, реализующий процесс управления от прогнозов изменения интенсивности транспортного потока до расчетов управляющих параметров координации. Разработано программное обеспечение методики координированного управления в программной среде Delphi.

Результаты диссертационной работы могут быть применены при проектировании автоматизированных систем управления дорожным движением, что позволит повысить эффективность координированного управления транспортными потоками.

Ключевые слова: процесс управления, интенсивность транспортного потока, управляющая подсистема, контроллеры, системная модель, алгоритм координированного управления, оптимизационная задача, программное обеспечение.