Введение к работе
Актуальность темы. Сегодня в России прирост числа автомашин значительно опережает темпы строительства новых дорог, причем показатель 100 автомобилей на тысячу человек в среднем по стране был превышен уже в 1998 году, а дорожно-транспортная инфраструктура городов по прежнему обеспечивает уровень не более 60-100 автомобилей на тысячу жителей. Данные маркетинговых исследований автомобильных дилеров и органов ГИБДД позволяют прогнозировать к 2010 году количество машин на дорогах городов примерно 230-300 на тысячу человек, а годовые продажи легковых автомобилей перешагнут отметку 3 миллиона, что может повлечь просто катастрофические последствия для существующих улич но-дорожных систем городов, т.к. при чрезмерно высокой плотности транспортных средств скорость движения снижается настолько, что автомобиль полностью утрачивает одно из важнейших своих достоинств - динамичность.
В ряде крупных городов скорость движения транспортных потоков в часы пик составляет 10-15 км/ч, при этом повышается количество дорожно-транспортных происшествий, существенно увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу и наконец, практически полностью парализуется жизнедеятельность города (люди опаздывают на работу, грузы не доставляются вовремя, т.е. налицо существенный экономический ущерб от возникающих заторов. Вышеперечисленные негативные факты наносят экономике России ущерб по оценкам независимых экспертов в размере 2,2-2,6% ВВП. Поэтому в начале 2006 года Правительством РФ утверждена Федеральная целевая программа «Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 гг.», одним из важнейших задач которой является минимизация заторов автотранспорта в городах.
Решение подобной задачи требует применения комплекса мероприятий архитектурно-планировочного и организационного характера. Первые требуют значительных капиталовложений, не могут быть реализованы в быстрые сроки, а порой просто неосуществимы. Организационные мероприятия способствуют упорядочению движения на уже существующей улично-дорожной сети. При реализации таких мероприятий особая роль принадлежит внедрению технических средств регулирования с применением ЭВМ, средств автоматики, телемеханики, диспетчерской связи и телевидения для управления движением в масштабах крупного района или целого города. В настоящее время в городах России на базе диспетчерских центров управления дорожным движением действуют автоматизированные системы управления дорожным движением (АСУДД). Однако, из-за отсутствия надежных методов прогнозирования распределения транспортных потоков в зоне обслуживания при наличии значительного количества вариантов проектных решений и большого числа факторов, существенно влияющих на интенсивность движения транспорта эффективность подобных систем управления довольно низка.
В свою очередь управленческие решения, принимаемые должностными лицами носят точечный, разрозненный характер направленный на ликвидацию уже возникших заторов а не на их предупреждение, причем взаимодействие с другими службами, отвечающими за организацию и безопасность дорожного движения, крайне неоперативное. Все это не позволяет использовать потенциал регулирования транспортных потоков на основе светофорных объектов в полном объеме.
Таким образом, актуальность исследования обусловлена необходимостью изыскание нового научного подхода к задаче повышения обоснованности и эффективности решений, принимаемых в процессе управления транспортными потоками городов на основе светофорных объектов и обеспечивающих снижение временных затрат при существующем управленческом персонале для минимизации задержек транспорта, является актуальным в научном и практическом плане.
Основные исследования, получившие отражение в диссертации, выполнялись по планам научно-исследовательской работы:
- федеральная комплексная программа «Исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения».
Цель и задачи исследования Целью диссертации является исследование и экспериментальная проверка эффективности системы управления транспортными потоками в городских условиях, обеспечивающей сокращение временных затрат диспетчеров службы управления дорожным движением для минимизации задержек транспорта за счет интеллектуализации режимов регулирования светофорных объектов.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
проанализировать существующие системы управления дорожным движением крупных городов России, в том числе автоматизированные (АСУДД);
разработать и обосновать модель интеллектуальной системы управления транспортными потоками города с возможностью выявления «узких» мест в ее функционировании;
сформировать модель классификации автомагистралей и перекрестков города для определения степени важности и значимости при осуществлении мероприятий по управлению транспортными потоками;
синтезировать механизм прогнозирования состояний автомагистралей и перекрестков на основе имитационной модели для любого времени суток и года позволяющую определить оптимальные режимы работы светофорных объектов;
разработать механизм анализа состояния загруженности автомагистралей на основе семантической модели и машину вывода, обеспечивающие минимизацию времени реакции диспетчеров на вероятности возникновения заторов;
разработать и обосновать концептуальную и логическую модели информационной системы управления транспортными потоками в городах;
разработать модель и алгоритм функционирования интеллектуальной системы управления транспортными потоками в городе позволяющие существенно снизить вероятность возникновения заторов на магистралях города и время для организации взаимодействия дорожных служб при корректировке нежелательных ситуаций;
провести экспериментальные исследования предложенной структуры интеллектуальной системы управления транспортными потоками для аналитического сравнения с существующими АСУДД, проанализировать результаты и получить оптимальный вариант.
Методы исследования. В работе использованы методы моделирования организационных систем управления, распознавания объектов, системного анализа, теории игр, теории графов, теории вероятности, теории принятия решений, искусственного интеллекта.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
модель интеллектуальной системы управления транспортными потоками города позволяющая в отличие от известных выявлять «узкие» места в ее функционировании за счет использования процедур расстановки пометок алгоритма Форда и Фалкерсона; доказано, что максимальная величина транспортного потока будет ограничена величинами пропускной способности УДС
модель классификации автомагистралей и перекрестков города позволяющая на основе методов численной таксономии определять степень их важности и значимости при осуществлении мероприятий по управлению транспортными потоками;
механизм прогнозирования состояний автомагистралей и перекрестков, который на основе аппарата имитационного моделирования позволяет определить оптимальные режимы работы светофорных объектов для любого времени суток и года;
механизм анализа состояния загруженности автомагистралей обеспечивающий минимизацию времени реакции диспетчеров на вероятности возникновения заторов за счет использования аппарата искусственного интеллекта.
Практическая значимость и результаты внедрения. На основании выполненных исследований синтезированы модели и механизмы обеспечивающие управление дорожными потоками города на основе предупреждения заторовых ситуаций а также минимизацию реакции диспетчерских служб на исправление возникающих нежелательных ситуаций за счет интеллектуальной поддержки их деятельности.
Использование разработанных в диссертации моделей и механизмов позволяет многократно применять разработки, тиражировать их и осуществлять их массовое внедрение с существенным сокращением продолжительности трудозатрат и средств.
Разработанные модели используются в практической деятельности до-рожно-строительного предприятия ООО «Лакдей» (г. Москва).
Модели, алгоритмы и механизмы включены в состав учебного курса «Исследования операций», читаемого в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.
Апробация работы. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на конференциях: всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые - науке и производству» (Старый Оскол, СТИ МИСиС, 2008 г.) и всероссийской научной конференции «Управление в организационных системах» (Воронеж, ВГАСУ, 2008 г.), четвертой международная научно-практической конференции «Системы управления эволюцией организации» (Санья, Китайская Народная республика, 2007 г.), международной научно - технической конференции «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, СТИ МИСиС, 2008 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 - в изданиях определенных ВАК РФ.
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: в работах [1], [2], [6], [10] автором разработана модель интеллектуальной системы управления транспортными потоками города; в работе [5] автору принадлежит механизм классификации автомагистралей и перекрестков города; в работе [8] автор рассчитывает интенсивность загрузки автомагистралей и перекрестков города в разное время суток и года интенсивность загрузки дорожной сети мегаполиса; в работе [3], [9] автором предложен алгоритм извлечения знаний для машины вывода; в работах [4], [7] автору принадлежит модель функционирования интеллектуальной системы управления транспортными потоками.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 162 наименований приложений. Основная часть изложена на 149 страницах, содержит 24 рисунка и 13 таблиц.
