Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Систематизация понятий и методов исследования предметной области «организация дорожного движения» 14
1.1. Принципы управления 14
1.2. Основные понятия и определения, относящиеся к транспортному потоку 23
1.3. Макроскопический подход к описанию транспортного потока .27
1.4. Методы управления транспортными потоками 2 9
1.4.1. Общие сведения о методах управления 2 9
1.4.2. Координированное управление 32
1.5. Критерии качества 34
1.6. Обзор автоматизированных систем управления дорожным движением 37
1.6.1. Автоматизированная система управления дорожным движением «город» 37
1.6.2. Агрегатная система средств управления дорожным движением (ассудд) 38
1.6.3. Телеавтоматическая система управления движением транспорта «старт» 39
1.6.4. Автоматизированная система управления дорожным движением вср-** фирмы «сименс» (фрг) 40
1.6.5. Автоматизированная система управления дорожным движением в вашингтоне 41
1.6.6. Автоматизированная система управления дорожным движением в токио 42
1.7. Особенности имитационного моделирования транспортных потоков 4 3
1.8. Объектно-ориентированный анализ и проектирование асу дд .44 выводы и основные результаты 4 8
Глава 2. Проектирование систем управления дорожным движением на основе отношений наследования свойств 4 9
2.1. Объектно-ориентированные модели наследования 4 9
2.1.1. Таксономия 51
2.1.2. Модели программной таксономии 52
2.2. Стратифицированное конструирование 58
2.3. Декомпозиция предметной области «организация дорожного движения» на классы объектов 63
2.4. Конструирование объектов по «организация дорожного движения» 65
2.5. Инструментальные классы поддержки проектирования системы управления дорожным движением 68
2.6. Классы статических объектов предметной области «организация дорожного движения» 7 0
2.6.1. Построение таксономической модели транспортного потока.70
2.6.2. Построение таксономической модели улично-дорожной сети.74
2.6.3. Построение таксономической модели технических средств организации дорожного движения 77
2.7. Классы динамических объектов предметной области «организация дорожного движения» 85
2.7.1. Конструирование ассоциативной структуры «трасса» 85
2.7.2. Конструирование ассоциативной структуры «зеленая волна»87
Выводы и основные результаты 91
Глава 3. Методы управления транспортными потоками 92
3.1. Локальное управление 93
3.2. Оценка эффективности локального управления 97
3.3. Режимы работы управляемого перекрестка 98
3.4. Выбор критерия оценки эффективности управления 106
3.5. Метод расчета критерия эффективности 108
3.6. Оптимизация процесса локального управления 112
3.7. Расчет программ координации 114
3.8. Оценка эффективности программ координации 121
3.9. Моделирование макроструктуры транспортных потоков 123 выводы и основные результаты 131
Глава 4. Применение инструментальных средств проектирования АСУДД 133
4.1 назначение, возможности и структура сапр асудд 133
4.1.1. Организация работ отдела гибдд увд города 134
4.1.2. Принципы организации и функционирования асудд 137
4.2. Инструментальные средства проектирования АСУДД 141
4.2.1. Проектирование базы данных 142
4.2.2. Географическая информационная система 14 4
4.2.3. Подсистемы обработки оперативной информации 149
4.2.4. Экспертная система дислокации тсодд на удс города 162
4.2.5. Подсистема «зеленая волна» 166
4.3. Проверка адекватности модели 172
4.4. Натурные испытания и анализ результатов моделирования 175
4.4.1. Методика натурного эксперимента 175
4.4.2. Анализ результатов моделирования 177
4.4.3. Результаты испытаний 178
4.5. Характеристики инструментального и программного обеспечения 181
Выводы и основные результаты 184
Заключение 185
Список использованных источников
- Макроскопический подход к описанию транспортного потока
- Автоматизированная система управления дорожным движением «город»
- Декомпозиция предметной области «организация дорожного движения» на классы объектов
- Инструментальные средства проектирования АСУДД
Введение к работе
Решая те или иные задачи управления дорожным движением, инженеры и исследователи сталкиваются со следующими вопросами: как соизмерить значение, степень важности различных мероприятий, направленных на улучшение обслуживания транспортных и пешеходных потоков; как сопоставить эти мероприятия и дать им необходимую комплексную оценку. Ответы на эти вопросы могут дать только эксперименты - натурный и вычислительный [10, 23, 46].
В натурном эксперименте информацию о процессе или системе собирают путем измерений в реальных условиях. По мере развития средств и методов управления дорожным движением возрастает число оцениваемых параметров, повышаются требования к качеству информации, значительно увеличивается цена решений. В этих условиях натурный эксперимент очень дорог, а порою и невыполним. Это определяет проблему разработки методов и средств, которые были бы сопряжены с минимальными ресурсными затратами [31, 34].
Вычислительный эксперимент, реализованный на компьютере, приемлем для решения ряда задач, возникающих при проектировании систем управления транспортными потоками (ТП) . Основные задачи вычислительного эксперимента - сравнительная оценка различных алгоритмов управления, определение эффективных областей их применения, а также нахождение оптимальных значений параметров управления. Недостаток вычислительного эксперимента состоит в том, что применимость его результатов ограничена рамками принятой математической модели, построенной на основе закономерностей, выявляемых при помощи натурного эксперимента [25, 64].
Математическое моделирование в вычислительном эксперименте целесообразно разделить на аналитическое и имитационное [27, 111] . Учитывая сложность процессов управления дорожным движением при аналитическом моделировании, приходится прибегать к жестким ограничениям с целью упрощения. Поэтому аналитическая модель позволяет находить только приближенное решение задачи, делающее во многих случаях невозможным получение конструктивных результатов
исследования, которые могут быть использованы в практике проектирования систем управления дорожным движением [8, 83, 84].
В отличие от аналитической, имитационная модель позволяет воспроизводить управление транспортным потоком любой сложности с необходимым уровнем детализации, что ограничивается лишь ресурсами компьютера.
Для повышения эффективности применения имитационного моделирования в процессе управления транспортными потоками необходимо предоставить в распоряжение пользователя методы проектирования моделей, средства автоматизации программирования моделей и методы проведения эксперимента на имитационных моделях. Необходимость решения перечисленных выше задач определяет проблему создания гибкой технологии, обеспечивающей проведение компьютерных экспериментов в предметной области (ПО) «Организация дорожного движения», имеющей эффективную реализацию в современной вычислительной среде и легко адаптирующейся к задачам проектирования и исследования автоматизированных систем управления дорожным движением (АСУ ДД). Эта проблема связана с использованием методов и инструментальных средств, позволяющих разрабатывать технологии автоматизированного проектирования и компьютерного исследования с полным учетом свойств ПО и профессионального кругозора исследователя.
Такая технология должна обладать следующими качествами:
гибкий предметно-ориентированный языковый интерфейс проектировщика;
единый стиль представления информации;
гибкая среда проектирования, обеспечивающая спецификацию моделей, простоту их модификации;
гибкая имитационная среда, допускающая расширение спектра исследовательских задач;
обеспечение адаптивного характера процесса управления.
В конечном счете, предметно-ориентированное конструирование позволяет создавать развивающиеся (эволюционные) технологии автоматизированного проектирования и исследования, которые в отличие
от существующих позволяют не только получать в имитационном эксперименте новые знания о предметной области, но и использовать их для развития технологии исследований путем уточнения и расширения понятийных основ ПО.
Кроме того, использование универсальной инструментальной основы объектно-ориентированного проектирования позволяет сократить сроки создания новых технологий компьютерного проектирования, что обеспечивается средствами автоматизации конструирования проектной среды [14, 55 69].
Вопросам разработки и исследования эффективности различных методов управления ТП, закономерностям поведения ТП на улично-дорожной сети (УДС) города посвящены работы А. Страментова, Е. Лобанова, В. Сильянова, Ф. Хейта, Т. Мэтсона, У. Смита, Ф. Харда, Д. Дрю [32, 98, 99, 106] . В теорию регулирования большой вклад внесли Ф. Вебстер и А. Миллер [133, 144], в работах которых решена задача оптимизации управления по алгоритму фиксированных длительностей тактов. В последние десятилетия в отечественной и зарубежной практике управления дорожным движением на УДС города накоплен значительный опыт, научные и методологические основы которого обобщены в работах Клинковштейна Г.И., Кременца Ю.А., Капи-танова В.Т., Печерского М.П., Иносе X., Хамада Т. и др. [10, 11, 23, 43, 46, 50, 65, 128].
Ответственным моментом в обеспечении безопасности функционирования сложных объектов, т.е. безопасности дорожного движения, является повышение эффективности принимаемых решений в условиях неопределенности информации о критических ситуациях, дефицита времени. В этой связи задача проектирования системы управления дорожным движением с использованием современных объектно-ориентированных технологий становится весьма актуальной. Рассмотрению теоретических и практических вопросов, связанных с использованием объектно-ориентированных (таксономических) моделей, уделяется достаточно большое внимание в работах Вирта Н., Замули-на А.В., Кораблина М.А., Лискова Б. и др. [19, 39, 53, 58, 89] в связи с развитием концепций объектно-ориентированного конструиро-
вания программных комплексов. Параллельно ведутся исследования в области структурирования информации, отраженные в работах Бадда Т., Буча Г., Annevelink I., Gohen А. и др. [7, 14, 115, 123].
В качестве методологической основы предметно-ориентированного проектирования компьютерной технологии управления транспортными потоками в диссертации используется расслоение свойств ПО. Подобное расслоение базируется на использовании таксономических моделей, которые с одной стороны органично связаны с иерархической декомпозицией ПО, а с другой - имеют адекватную реализацию в виде механизмов наследования свойств, характерного для объектно-ориентированных систем проектирования и моделирования.
Основной целью диссертационной работы является создание компьютерной технологии автоматизированного проектирования систем управления дорожным движением на декомпозиционной основе таксономического расслоения свойств предметной области. Такая технология предоставляет пользователю-непрограммисту предметно-ориентированные средства спецификации моделей, обеспечивает снижение трудоемкости и улучшение качества построения систем управления дорожным движением, проведение имитационных экспериментов и анализ их результатов.
Задачи исследования обусловлены поставленной целью и включают в себя:
систематизацию принципов и методов управления транспортными потоками;
разработку унифицированной модели ПО «Организация дорожного движения» и наполняющих ее таксономических моделей классов;
построение моделей инструментальных программных средств объектно-ориентированного проектирования АСУДД на основе таксономической спецификации межклассовых отношений ПО;
программную реализацию классов ПО «Организация дорожного движения» на основе использования универсальных алгоритмов и методов стратифицированного конструирования объектов и их ассоциаций по регламенту таксономических моделей, а также разработку CASE-инструментов поддержки среды проектирования;
разработку методики проведения имитационных экспериментов с использованием компьютерной технологии управления транспортными потоками.
Развиваемые в работе методы автоматизированного проектирования систем управления ТП связаны с концепциями объектно-ориентированного программирования, расслоения программных систем. Эти концепции распространяются на весь круг задач, связанных с разработкой CASE-инструментов предметно-ориентированного проектирования АСУДД. Адекватность такого подхода к созданию систем обусловлена представлением о реальном мире как совокупности взаимосвязанных объектов и базируется на строгих математических построениях программной таксономии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
В качестве методологической и информационной основы предметно-ориентированного проектирования автоматизированных систем управления дорожным движением впервые используются модели программной таксономии.
Разработанная в диссертации технология проектирования позволила на основе унифицированной модели предметной области специфицировать задачи управления транспортными- потоками, имеющими различные характеристики.
В отличие от существующих компьютерная технология предметно-ориентированного проектирования систем управления дорожным движением является эволюционной технологией проектирования, позволившей не только получать в имитационном эксперименте новые знания о предметной области, но и использовать их для развития технологии проектирования путем уточнения и расширения понятийных основ ПО.
Разработанная технология проектирования систем управления дорожным движением отличается от существующих наличием развитых средств поддержки среды проектирования, обеспечивающих простоту модификации и расширение спектра исследовательских задач.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработана компьютерная технология проектирования АСУ
дорожным движением, обеспечивающая процесс проектирования и исследования в естественных категориях предметно-ориентированного лексикона пользователя без знания технологических аспектов программирования, позволяющая снизить трудоемкость и сроки разработки моделей предметной области, сделать процесс проектирования более гибким эффективным.
Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы внедрены в систему служебной подготовки и используется в отделе ГИБДД УВД г. Самары, отделении ГИБДД Жигулевского ГОВД, девяти отделениях РО-РУВД г. Самары, отделении ГИБДД Волжского РОВД Самарской области, в учебный процесс специальности 220200 - «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Самарского государственного аэрокосмического университета.
Апробация работы . Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXV, XXVI Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва,1999г.,2000г.); II Международной молодежной школе-семинаре «БИКАМП-99» (Санкт-Петербург, 1999г.); Второй Международной конференции «Интернет.Общество. Личность» (Санкт-Петербург,2000г.); VII, VIII, X Международных научных конференциях «Математика.Компьютер.Образование» (Дубна, 2000г., Пущино,2001г., Пущино,2003г.) ; Всероссийской студенческой научной конференции «V Королевские чтения» (Самара, 1999г.); Всероссийской научно-методической конференции «Управление качеством инженерного образования» (Казань,2002г.); VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2002г. ) ; V Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (Таганрог,2003г.); XXVI, XXVII Самарских областных студенческих научных конференциях (Самара,2000г., 2001г.); 50-й студенческой научно-технической конференции (Самара,2000г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 9 статей, 17 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы 186 страниц основного текста, включая 63 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 14 4 наименования.
Основные положения, выносимые на защиту и развиваемые в диссертационной работе:
Объектно-ориентированные компьютерные технологии проектирования обеспечили процесс создания АСУДД в естественных категориях предметно—ориентированного лексикона пользователя-разработчика систем в этой области без знания технологических аспектов программирования .
Решение проблемы объектно-ориентированного проектирования позволило создать новые имитационные технологии, отличающиеся от существующих следующими качествами:
гибкая инструментальная среда, допускающая простую модификацию и расширение спектра исследовательских задач;
наличие адаптивного управления транспортными потоками.
Объектно-ориентированный анализ и проектирование позволили создать развивающуюся (эволюционную) АСУДД, которая в отличие от существующих имеет возможность не только получать в имитационном эксперименте новые знания о предметной области, но и использовать их для развития технологии проектирования и исследования путем уточнения и расширения понятийных основ ПО.
Инструментальную основу объектно-ориентированного проектирования АСУДД составили модели расслоения свойств предметной области на основе отношений наследования, позволяющие синтезировать универсальные алгоритмы, основанные на формальных манипуляциях с объектами, и разработать универсальные инструментальные программные средства, инвариантные к предметной ориентации моделей.
Использование универсальной инструментальной основы объектно-ориентированного проектирования на основе таксономических моделей позволило сократить сроки создания новой АСУДД, что обеспечивается средствами автоматизации проектирования.
Макроскопический подход к описанию транспортного потока
Транспортный поток, движущийся по УДС, состоит из множества автомобилей, которые управляются по более или менее свободному желанию водителя, маневры каждого автомобиля могут быть расценены как вероятностные события. Однако в случаях, часто наблюдаемых в большом городе или на скоростной дороге, когда много автомобилей движутся в группе, ТП может быть рассмотрен как детерминированный и непрерывный.
При обсуждении условий, влияющих на безопасность движения на дороге, или стартовых характеристик автомобилей, начинающих движение от регулируемого перекрестка, используется вероятностная -микроскопическая модель, которая представляет движение отдельных автомобилей. С другой стороны, имея дело с транспортным потоком, движущемся по УДС, оборудованной множеством регулируемых перекрестков, выгоднее пользоваться, макроскопической моделью, которая отображает транспортный поток как стационарное явление, представляемое общей средней скоростью, плотностью потока и интенсивностью движения, поскольку микроскопическая модель слишком детальна для представления потоков с высокой плотностью [43, 124] .
Классификация методов управления ТП приведена на рис. 1.4. Различают локальное и системное управления. Локальное заключается в выработке воздействий (в зоне одного перекрестка) на основе статистически оцененных микро- или макрохарактеристик ТП. Целевая функция локального управления обеспечивает получение оценки эффективности функционирования ТП на одном перекрестке без учета соседних.
Системное управление обеспечивает оптимизацию функционирования ТП в зоне, включающей в себя множество перекрестков и, как правило, производится с учетом макрохарактеристик потоков. Причем изменение управляющих воздействий на одном перекрестке неизбежно вызывает изменение характеристик ТП на соседних.
Обычным является конфликт целей локального и системного управлений. Поэтому, если в сети применяются совместно оба метода управлений, они разделяются по времени действия. Время, отводимое для локального управления, выбирается таким образом, чтобы ограничить воздействие на ТП на соседних перекрестках.
Разделение методов управления на программные (off-line) и адаптивные (on-line) часто применяется как второй способ классификации.
Программное управление базируется на статистической устойчивости характеристик ТП и заключается в расчете управляющих воздействий - программ координации (ПК) для заранее выявленных типовых ситуаций и дальнейшем введении в действие соответствующих воздействий при появлении на объекте ситуаций, близких к типовым.
Суть адаптивных методов заключается в оперативном расчете или коррекции управляющих сигналов (в реальном масштабе времени) в соответствии с результатами измерения и анализа характеристик ТП. В существующей практике предусматривается отдельное и совместное применение программных и адаптивных (программно-адаптивных) методов управления.
Приведенная классификация не отражает всего многообразия методов управления. В каждом из них имеются алгоритмы, отличающиеся видом целевой функции, описанием характеристик ТП [32, 43].
Рассмотрим основные методы управления ТП на перекрестках.
Программное управление со сменой программ координации по времени. На основании эпизодических измерений характеристик потоков и показателей качества производятся анализ эффективности действующих программ координации и сравнение их с контрольными значениями. Если эффективность недостаточна, то перерассчитывается «библиотека» управляющих воздействий и контрольных значений времени их действия. Ввод в действие программы координации происходит в определенные, заранее установленные моменты времени.
Программное управление со сменой программ координации по характеристикам ТП. Этот способ отличается от рассмотренного тем, что смена программ координации происходит автоматически на основе информации, получаемой в течение заданного периода времени. При принятии решения о смене программы координации учитывается наличие переходного интервала, которым характеризуется режим работы светофора. В течение переходного интервала эффективность управления резко снижается.
Автоматизированная система управления дорожным движением «город»
Управляющий комплекс системы «Старт» состоит из трех равнозначных модулей: двух рабочих, обеспечивающих непосредственно управление, и одного резервного, который автоматически вводится в действие при отказе любого из рабочих модулей.
Каналами передачи информации между центром управления и периферийными пунктами системы являются выделенные линии в кабелях городской телефонной сети. На стратегическом уровне управления в системе используется алгоритм выбора базовой ПК светофорных сигналов из библиотеки по результатам анализа транспортной ситуации на УДС, а на тактическом и локальном уровнях - корректировка этих программ по алгоритму поиска разрывов в ТП. Для определения заторового или предзаторового состояния движения используются алгоритмы, основанные на оценке занятости участков проезжей части у перекрестков, расположенных в потенциально опасной по условиям возникновения заторов зоне.
В системе имеется развитый комплекс средств диспетчерского управления. Операторы осуществляют контроль и управление движением и отдельных районах УДС, диспетчеры - ответственные дежурные по городу - координируют действия операторов и принимают решения по наиболее важным вопросам организации управления на общегородском уровне. Ответственный дежурный имеет возможность выбора для воспроизведения на своем пульте любого изображения, просматриваемого на экране компьютера, для более детального исследования заинтересовавшей его дорожной ситуации. При необходимости он может записать это изображение на видеомагнитофон. Предусмотрена возможность подключения магнитофона для записи речевого обмена информацией.
Основным разработчиком и поставщиком аппаратуры для АСУДД в ФРГ является фирма «Сименс», которая освоила серийное изготовление комплекса технических средств типа ВСР- . Обмен информацией между центром управления системы и периферийными устройствами организуется по специальным каналам. На центральный процессор возложено выполнение функций, которые не могут быть заданы заранее в жесткой логической последовательности на длительный период, а должны подвергаться частым изменениям и свободно программироваться в процессе самой работы системы. Сканирующий процессор служит для непосредственного управления периферийными устройствами системы. Базовые программы работы светофорной сигнализации хранятся в библиотеке программ сканирующего процессора. В системе ВСР- применен принцип централизованного управления не фазами светофорной сигнализации, а отдельными сигнальными группами транспортных и пешеходных светофоров. Под сигнальной группой понимается совокупность сигналов, принимающих во всех режимах работы светофорного объекта одинаковое состояние. Этот принцип позволяет весьма гибко изменять непосредственно в центре управления структуру светофорного цикла и особенно оправдывает себя при сложных схемах организации движения.
Сбор данных для осуществления стратегического управления производится от детекторов транспорта, установленных в таких точках УДС контролируемого системой района, условия движения в которых являются определяющими для всего района в целом. Продолжительность периода действия выбранной базовой программы ta, в конце которого производится анализ поступившей информации об условиях движения и принимается решение о выборе программы на следующий такой период с учетом обеспечения стабильности регулирования. В конце каждого периода іб производится операция выбора конце каждого периода t6 производится операция выбора очередной базовой программы. При этом совокупность усредненных величин параметров ТП по всем пунктам изменения, которая соответствует моменту принятия решения, сравнивается в соответствии с заложенной в центральном процессоре процедурой с заранее установленными пороговыми значениями этих величин. Корректировка базовых программ на тактическом и локальном уровнях управления осуществляется с использованием алгоритмов поиска разрыва в ТП, а также введением светофорных фаз, работающих по вызову.
Система имеет своей целью отработку наиболее эффективных методов управления дорожным движением в городах страны.
Система охватывает УДС с более чем 200 перекрестков, имеет централизованную структуру. Управляющий комплекс системы выполнен по двухпроцессорной схеме. На экран выводится информация об основных фазах регулирования, режиме работы светофорных контроллеров и об угрозе возникновения заторов на отдельных участках сети. Основным стратегическим алгоритмом в системе является выбор одной из базовых ПК из библиотеки на основании оценки сложившихся условий движения. Общее число таких программ может доходить до 40. При этом в процессе работы производится вне реального масштаба времени непрерывная оптимизация уже имеющихся ПК на основании анализа информации, поступающей от детекторов транспорта. Кроме того, для ряда перекрестков с наиболее тяжелыми условиями движения предусматривается возможность перехода на режим управления из центра по алгоритму распределения длительности фаз внутри цикла пропорционально длинам транспортных очередей на конфликтующих направлениях движения.
Декомпозиция предметной области «организация дорожного движения» на классы объектов
Рассмотренные в п.2.1-2.2 методы и средства обеспечивают построение таксономических моделей классов предметной области. Использование таких моделей позволяет произвести декомпозицию ПО на классы объектов и установить регламент межклассовых отношений, на базе которых может быть построена унифицированная иерархическая модель классов ПО.
В основе любой декомпозиции лежит задача классификации - определения иерархии понятий ПО и реализующих эти понятия классов объектов, из которых будут конструироваться модели для исследования этой области.
Использование моделей наследования позволяет произвести иерархическую декомпозицию ПО, т.е. произвести упорядочение абстракций, расположив их по уровням, и установить регламент межклассовых отношений. Основными абстракциями ПО «Организация дорожного движения» являются следующие [А5, А32, А42]: S модель транспортного потока определяется классами: Скорость, Интенсивность, Плотность; S модель улично-дорожной сети определяется классами: Участок, Узел, Ребро; модель технических средств организации дорожного движения определяется классами: Светофор, Дорожный_Знак, Разметка; S модель управления транспортным потоком определяется классами : Расстановка_Технических_Средств_Организации_Дорожного_-Движения, Жесткое_Координирование, Оптимизация_Управления. Модель предметной области представляется тетрадой Модц = Мхп і Мудс , Мхсодд і Мутп / где Модд - модель АСУ ДД (организация дорожного движения), Мтп - модель транспортного потока, Мудс - модель улично-дорожной сети, Мтсодд - модель технических средств организации дорожного движения, Мул - модель управления транспортным потоком. Руководствуясь этими принципами декомпозиции, можно построить унифицированную модель ПО «Организация дорожного движения» и наполнить ее классами объектов, реализующих основные понятия этой ПО. Декомпозиция ПО «Организация дорожного движения» приведена на рисунке 2.8.
Систематизация понятий ПО, основанная на использовании моделей наследования свойств и определяющая иерархию объектно ориентированного проектирования классов ПО, позволяет выделить базовые классы, содержащие универсальные свойства ПО, и специализированные классы, содержащие предметно-ориентированные свойства этой области.
Построенная таксономическая модель характеризуется наличием двух родовых классов (ОУ, УЧ), четырех единичных (ТР, СО, ПП, ПРК) наследников и двух множественных (ОПП, ППП).
Любой шаг в процессе конструирования объекта а связан с включением предшествующей (обобщающей) основы Р(Аі) в формируемую Р (A±+i) . Уникальность объекта - носителя определяющих свойств заключается в том, что все его слои-страты индивидуальны. Например (см. рис. 2.10), конструирование объектов по спецификации УЧ ) ПП, ПК приводит к тому, что в любом объекте пп is_a ПП как и в любом объекте прк is_a ПРК будет собственная страта для хранения свойств Р(УЧ):
Конструирование объектов на основе множественного наследования связано с созданием агрегатов, в которых количество страт превышает количество уровней в соответствующей модели (см. рис. 2.11).
В этой структуре оппі con_of (col, ППІ , ОПП1 1) (col is_a СО) & (плі is_a ПП) & (опп 1 is_a ОПП / Р (ОП)) ; опп2 con_of (со2,пп2,опп 2) \ (со2 is_a СО) & (пп2 is_a ПП) & (опп 2 is_a ОПП / Р (ОПП)).
Таксономическая модель единично-множественного наследования всегда (см. рис. 2.12) приводит к определению неминимальных объ ектов. Создание таких объектов связано с введением дополнительных правил, определяющих доступ к стратам. В модели единично-множественного наследования существует как минимум два различных обобщающих пути вида УЧ ) . . . ) ППП. Сводя промежуточные уровни обобщения в один класс, получим: (УЧ ) ПП,ПРК) & (ПП,ПРК ) ППП). Единичное наследование УЧ ) ПП,ПРК определяет объекты пп и прк, в структурах которых присутствуют различные страты для хранения родовых свойств Р(УЧ). Естественно, что они войдут и в структуру объектов класса ПП, ПРК ) ППП:
В состав инструментальных классов поддержки хронологических отношений входят классы TIMER, TIME, образующие родовую ветвь единичного наследования. Описываемое ниже расслоение имманентных свойств этих классов позволяет проектировать различные схемы поддержки хронологических отношений.
КЛАСС «ТАЙМЕР». В роли таймеров (часов модельного времени) используются объекты класса «Таймер» (TIMER). Структура временной шкалы и методы ее проектирования являются имманентными свойствами этого класса. Упорядоченная совокупность единиц размерности времени (частей шкалы) определяет шкалу времени, например, ЧАС:МИН:СЕК (часы-минуты-секунды), ГОД:МЕС:СУТ (год-месяц-сутки) . Любая шкала времени определяется длиной шкалы (количеством используемых частей (SIZE_SCALE)) и методами пересчета из одной размерности (части) в другую (RECOUNT) . Так для шкалы ЧАС: МИН: СЕК такие модули определяются значениями: Мі,2=МСЄк,мин=60; М2,з=Ммин,час=бО; для шкалы ГОД:МЕС:СУТ: Мі,2=28-ь31; М2,з=12. Методы определения шкалы - это методы задания значений количества частей шкалы (MET_SIZE_SCALE) и модулей пересчета (МЕТ_ RECOUNT).
Имманентные свойства класса «Таймер»: Р (Таймер) = (SCALE, SIZE_SCALE, RECOUNT, MET_SIZE_SCALE, MET_RECOUNT) . КЛАСС «ВРЕМЯ». Класс «Время» (TIME) определим как подкласс класса Таймер: TIMER ) TIME, объектами этого класса t is_a TIME являются моменты времени (показания таймера, мгновения), в которые возможны изменения состояния исследуемой системы. Имманентные свойства класса TIME включают в себя представление показаний таймера, методы пересчета таких показаний из одной временной шкалы в другую, методы создания/уничтожения объектов-мгновений.
Представление показаний таймера (SHOW_TIME) определяет структуру объекта-мгновения, например: V time time is_a TIME = time con_of (timel I timel is_a Word, time2 time2 is_a Word, time3 time3 is_a Word)
Такое представление связано с использованием временной шкалы, состоящей из 3 частей, каждая из которых интерпретируется в соответствии с типом Word. Класс TIME определяет алгебру времени, - для этого примера множество триад {timel, time2, time3) и действий над ними: определение значения {INIT TIME), методы пере счета показаний таймера из одной временной шкалы в другую (RECOUNT_TIME) , сравнение (EQ_TIME) , преобразование к базовым машинным типам (TIME__TO_REAL) и т.п.
Любой объект-мгновение создается на основе объекта-таймера, при этом на основе одного таймера может быть создано множество мгновений (т.е. объект-таймер является разделяемым объектом). Имманентные свойства класса «Время»: Р (Время) = (TIMER, SHOW_TIME, INIT_TIME, EQ_TIME, RECOUNT_TIME, TIME_TO_REAL).
Инструментальные средства проектирования АСУДД
Технология компьютерного исследования методов координированного управления транспортным потоком базируется на использовании специализированных инструментальных средств, позволяющих описывать модели ПО, производить имитацию, анализировать ее результаты. В набор таких инструментов входят средства: S мониторинга УДС; S организации имитационных экспериментов с моделями УДС и ТП и мониторные средства управления динамическими процессами в модельном времени; S автоматизированного изменения управляемых параметров модели ТП в процессе ее параметрического синтеза с использованием средств реконструкции; S регистрации результатов, получаемых в процессе имитационного эксперимента, и особых ситуаций в динамике работы модели, оформления протокола моделирования; S визуализации статических данных и динамических процессов. Все инструменты собраны в единую функциональную оболочку и имеют общий пользовательский интерфейс АСУДД.
Все разрабатываемые программные средства реализуют объектно-ориентрованное представление компонентов ПО и поддерживают их интерпретацию в инструментальной компьютерной среде.
Редактор УДС отвечает за редактирование информации поступающей в ядро: объекты, характеризующие УДС, основные справочники и др. Данная подсистема требует высококвалифицированного пользователя, с глубоким уровнем понимания принципов функционирования АСУДД в целом (уровень администратора системы).
Модуль репликации данных отвечает за процедуру обмена информацией с территориально удаленными БД, не имеющими доступ к центральной системе (например, репликация изменений пространственных данных). С целью упрощения процедуры репликации каждому объекту создаваемому системой присваивается глобальный уникальный идентификатор (GUID) . Он с высокой вероятностью сохраняет свойство уникальности, даже если одновременно несколько идентификаторов генерируются на различных машинах, не имеющие возможность обмениваться информацией.
Административный модуль отвечает за настройку конфигурации системы, управление системой авторизации (добавление, удаление пользователя, изменения уровня доступа), обеспечения доступа к служебно-технической информации (система регистрации досту-па\изменения критических данных).
Основу информационного обеспечения подсистем САПР составляет совокупность данных, необходимых для выполнения процесса проек тирования. При проектировании БД использовалась трехуровневая архитектура: инфологический, даталогический и физический уровни.
Реляционная модель системы затрагивает те объекты, состояние которых требуется фиксировать в БД. Это картографические данные о геообъектах, их семантические атрибуты, справочники и некоторые дополнительные данные, необходимые для функционирования системы.
При построении реляционной модели использованы объекты и классы объектов ПО, выявлены информационные и технические требования потенциальных пользователей к функционированию информационной части АСУДД. В результате была построена концептуальная модель БД, которая гарантирует непротиворечивость и целостность данных [А37]. При проектировании модели БД CASE-средство ErWin было ориентировано на СУБД Microsoft SQL Server.
На рис. 4.5 представлена сокращенная ER-модель атрибутивных данных АСУДД (полное и подробное описание модели приведено в Приложении 2).
Для обеспечения целостности БД каждая вводимая в таблицу запись проверяется на уникальность путем поиска в базе записи с соответствующими значениями, чтобы в таблицах не было повторяющихся строк. При изменении данных в справочниках, если в таблице сообщений есть записи с такими справочными значениями, выводится запрос на изменение всех этих значений на новые. При попытке удалить запись из справочника, в том случае, если в таблице сообщений есть записи с такими справочными значениями, удаление запрещается, пока не будут удалены записи из таблицы сообщений.
Защита информации из БД от доступа к ней посторонних лиц организована двумя способами. Файлы БД защищены паролем от их возможного просмотра с помощью различных средств (например, Database Desktop). Внутри системы ограничение доступа к той или иной информации реализовано посредством идентификации пользователей через указание имени пользователя и пароля при входе в систему и разграничение прав пользователей при работе с системой.
