Стохастичне моделювання потоків транспортних систем для задоволення інформаційних потреб диспетчерського управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 519.876.2: 656.025.2

Стохастичне моделювання потоків транспортних систем для задоволення інформаційних потреб диспетчерського управління

Спеціальність 05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пилипенко Анна Іванівна

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі економічної кібернетики Луганського національного аграрного університету Міністерства аграрної політики України

Захист відбудеться 22 травня 2008 року о 9:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 03680, м. Київ-37, Повітрофлотський пр., 31, к. 446.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ-37, Повітрофлотський пр., 31.

Автореферат розіслано 21 квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор С.В. Цюцюра

АНОТАЦІЯ

Пилипенко А.І. Стохастичне моделювання потоків транспортних систем для задоволення інформаційних потреб диспетчерського управління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Київський національний університет будівництва і архітектури. - Київ, 2008.

Дисертацію присвячено задоволенню інформаційних потреб диспетчерського управління шляхом розробки та вдосконалення математичних моделей потоків транспортних систем. У дисертаційній роботі проаналізовано автоматизовані системи управління на автомобільному транспорті та математичні моделі, що використовуються в автоматизованих системах диспетчерського управління пасажирським транспортом. Здійснено дослідження найбільш значущих стохастичних чинників об'єкта дослідження.

Розроблено нову математичну модель функціонування маршруту з урахуванням впливу стохастичних чинників. Модель дозволяє в модулі автоматизованої системи управління пасажирськими перевезеннями оперативно розрахувати зміни графіку руху міських автобусів та маршрутних таксі з урахуванням змін параметрів швидкості. Елемент перетворення вхідної інформації у відповідну диспетчерську дію представлено у вигляді процесної моделі автоматизованої системи диспетчерського управління. Адекватність розробленої моделі перевірено експериментально. Розроблено алгоритм та комп'ютерну програму, яка реалізує модуль стохастичного моделювання із застосуванням технології Клієнт-Сервер. Реалізація програми при проектуванні АСУ міськими пасажирськими перевезеннями дозволяє підвищити ефективність функціонування автотранспортних підприємств.

Ключові слова: стохастичне моделювання, інформаційні системи, диспетчерське управління, транспортний потік, пасажиропотік.

АННОТАЦИЯ

Пилипенко А.И. Стохастическое моделирование потоков транспортных систем для обеспечения информационных потребностей диспетчерского управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры. - Киев, 2008.

Диссертация посвящена обеспечению информационных потребностей диспетчерского управления путем разработки и усовершенствования математических моделей потоков транспортных систем. В работе осуществлен анализ современных автоматизированных систем управления на пассажирском транспорте. Показано, что отправление автобусов в рейс проводится без должного обоснования, что в определенных условиях уменьшает перевозочную способность транспорта и ухудшает уровень обслуживания пассажиров.

Установлено, что детерминированные математические модели, использующиеся в системах управления транспортом, часто оказываются неадекватными реальным процессам перевозки пассажиров. Это объясняется, прежде всего, неточностью и недостоверным характером тех показателей и ограничений, которые вкладываются в модели работы перевозчиков. Для устранения этих недостатков в работе предложено использовать математические модели, разработанные на основе стохастических методов программирования. Это позволяет принимать оптимальное решение с учетом возможностей его последующей корректировки.

Установлено методом экспертных оценок, что основными факторами по уровню их влияния на эффективность процесса перевозок являются: наполнение подвижной единицы; частота плановых и неплановых остановок; состояние дорожного покрытия; квалификация водителей, стиль вождения; природно-климатические условия. Изучен характер вероятности случайных величин, которые характеризуют интенсивность пассажиропотока на остановке.

Разработана новая математическая модель функционирования маршрута с учетом влияния наиболее значимых стохастических факторов. Получена новая система уравнений, моделирующая функционирование маршрута. Временные характеристики движения подвижной единицы по маршруту и процесс пассажирообразования рассматривается как стохастический процесс, развивающийся во времени соответственно с вероятностными законами. Модель позволяет оперативно оценить влияние возмущающих действий (отклонение подвижной единицы от расписания, сход с линии, ухудшение условий движения, переполнение на маршруте) на показатели качества обслуживания пассажиров и составить оптимальное расписание движения транспорта. Элемент преобразования входной информации в соответствующее диспетчерское воздействие представлен в виде процессной модели автоматизированной системы диспетчерского управления. Как критерий оптимума предлагается минимум времени ожидания пассажиров на остановках.

Экспериментально проверена адекватность разработанной модели, которая оценивалась методом однофакторного дисперсионного анализа и полнофакторного эксперимента.

Разработана компьютерная программа «Bus Controller Automatic System», в которой реализован модуль математического моделирования движения подвижной единицы с учетом влияния стохастических факторов. Программа дает возможность пользователю оперативно рассчитывать изменения графика движения городских автобусов и маршрутных такси с учетом изменений параметров скорости. «Bus Controller Automatic System» разработана в среде визуального проектирования Delphi с применением технологии Клиент/Сервер и СУБД Firebird.

Ключевые слова: стохастическое моделирование, информационные системы, диспетчерское управление, транспортный поток, пассажиропоток.

ANNOTATION

Pilipenko A.I. Stochastic modeling of transport system flows for information providing the dispatching control. - Manuscript.

Thesis on competition for scientific degree of candidate of technical sciences іn speciality 05.13.06 - information technologies. - Kyiv national university of construction and architecture. - Kyiv, 2008.

Thesis is devoted to improvement the mathematical support of passenger transports AOS by means of stochastic modeling methods. Automobile transport AOSs and relevant mathematical models have been analyzed. The most essential stochastic factors of the searched object have been studied.

A new mathematical motion model of the moving unit taking into consideration stochastic factors has been generated. The model allows to calculate immediately changes in schedules of city buses and itinerary taxes connected with speed parameters' changes in module of passenger transports AOS. The adequacy of this model is revised by range of experiments. The algorithm and computer program have been developed, that realize the stochastic modeling module using Client-Server technology. The program realization when projecting city passenger transports allows to increase the efficacy of auto-transport enterprises.

Key words: stochastic modeling, information systems, dispatching control, transport flow, passenger flow.

пасажирський автоматизований управління транспорт

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Згідно з Законом України „Про Концепцію Національної програми інформатизації” (від 4 лютого 1998 року № 75/98-ВР, зміни внесено згідно із Законом № 3421-IV (3421-15) від 09 лютого 2006 року) інформаційні технології є складовими національної інформаційної інфраструктури й основними чинниками, що забезпечують економічне піднесення країни. Здійснення процесу інформатизації в період становлення України як незалежної держави в умовах кризового стану економіки й обмеженості ресурсів можливе лише шляхом визначення пріоритетних сфер та напрямів з концентрацією на них фінансових, матеріальних і трудових ресурсів. У Національній програмі інформатизації пріоритетною галуззю економіки визначено транспорт, підвищення ефективності функціонування якого потребує створення комплексу автоматизованих систем обробки даних та управління різного рівня й призначення. Тому автоматизація інформаційних систем управління транспортними потоками є перспективним напрямом у досягненні якісно нового рівня управління транспортом та інтеграції України у світовий інформаційний простір.

Однією з проблем, які стримують розвиток автотранспортної галузі, є неприпустимо низький рівень автоматизації та інформатизації процесу перевезень. Коло зацікавлених у вирішенні цієї проблеми сторін представлено по-перше, державою, яка в рамках концепції розвитку транспорно-дорожного комплексу проголосила про інтеграцію в Європейську та світову транспортну систему; по-друге, автотранспортними підприємствами, які зацікавлені в зростанні прибутків та стабільному фінансовому становищі; по-третє, населенням, яке очікує якісного транспортного обслуговування, насамперед, безпеки руху та зменшення часу очікування.

Вузькою групою процесів в управлінні транспортними потоками, яка потребує наукового обґрунтування, є оперативне диспетчерське управління. Недосконалий процес формування керівних дій щодо відновлення руху призводить до необґрунтованого відправлення та нескоординованої роботи міського пасажирського транспорту.

Ефективність оперативного диспетчерського управління значною мірою залежить від досконалості розробки математичного забезпечення, а саме від досконалості безпосередньо методів розв'язання функціональних завдань та досконалості засобів вибору тих з них, які забезпечують досягнення максимально ефективного результату.

Отже, удосконалення автоматизації управління рухом пасажирського транспорту методами математичного моделювання є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано згідно з планами науково-дослідної роботи Луганського національного аграрного університету за темами: „Автоматизація процесів управління складними технічними системами в умовах невизначеності” (№ держреєстрації 0104U005401, 2004-2006 рр.) та „Розробка програмного забезпечення для модулів АСУ підприємств з використанням об'єктно-орієнтованих мов програмування та технології Клієнт-Сервер” (№ держреєстрації 0107U006840, 2007 р.) за розділами „Прогнозування в управлінні складними технічними системами”, „Адаптивне управління складними технічними системами”, „Огляд та аналіз існуючих програмних модулів, які застосовуються в автоматизованих системах управління підприємств, у тому числі: промислових; агропромислових; транспортних та інших”. Внесок авторки полягає у визначенні найбільш значущих стохастичних чинників, що впливають на ефективність роботи міського пасажирського транспорту, розробці математичної моделі функціонування маршруту з урахуванням впливу найбільш значущих стохастичних чинників.

Метою дисертаційної роботи є розробка та вдосконалення математичних моделей транспортних потоків для задоволення інформаційних потреб диспетчерського управління.

Для досягнення поставленої мети визначено й вирішено такі основні задачі:

здійснити аналіз сучасних автоматизованих систем управління на транспорті, у тому числі пасажирському, та математичних моделей, які застосовуються в автоматизованих системах управління пасажирським транспортом;

виявити найбільш значущі стохастичні чинники, що впливають на ефективність роботи міського пасажирського транспорту;

розробити математичну модель функціонування маршруту з урахуванням впливу найбільш значущих стохастичних чинників;

експериментально перевірити адекватність розробленої моделі;

розробити модуль автоматизованої системи управління, у якому реалізовано математичну модель функціонування маршруту з урахуванням впливу стохастичних чинників.

Об'єкт дослідження - автоматизація інформаційних систем управління транспортними потоками.

Предмет дослідження - математичне моделювання диспетчерського управління потоками транспортної системи міста.

Методи дослідження. Теоретичне підґрунтя досліджень склали праці провідних зарубіжних та вітчизняних учених у галузях автоматизованих систем управління та інформаційних технологій.

У роботі використано методи наукового аналізу та синтезу (для виявлення проблемних аспектів математичного моделювання автоматизованого управління пасажирським транспортом); системний підхід (у моделюванні процесу автоматизації управління пасажирським транспортом); метод апріорного ранжирування (для виявлення найбільш значущих стохастичних чинників); методи імітаційного та стохастичного моделювання (у розробці математичної моделі функціонування маршруту); метод апроксимації щільності розподілу імовірності (для розробки алгоритму визначення виду статистичного розподілу); теорію повнофакторного експерименту (для перевірки адекватності математичної моделі); принципи та методи об'єктно-орієнтованого програмування й візуального проектування (для створення прикладної програми).

Наукова новизна одержаних результатів. Основний науковий результат дисертації полягає в розвитку математичного моделювання транспортних потоків в інформаційній системі диспетчерського управління.

Наукова новизна найбільш суттєвих результатів дослідження полягає в такому:

уперше:

виявлено та обґрунтовано шляхом апріорного ранжирування сукупність стохастичних параметрів, які мають значущий вплив на процес диспетчерського управління та повинні бути враховані під час моделювання руху пасажирського транспорту;

побудовано математичну модель функціонування маршруту, в якій враховано вплив стохастичних чинників, що дозволяє обґрунтувати вибір оптимальної диспетчерської дії з множини наявних альтернатив;

удосконалено:

системне представлення диспетчерського управління як елементу більшої системи, до якої входять транспортний потік та пасажиропотік й зовнішнє середовище. Це дало змогу виділити інформаційні потоки, які необхідно враховувати при моделюванні автоматизованої системи диспетчерського управління;

модель автоматизованої системи диспетчерського управління шляхом представлення елементу перетворення вхідної інформації у відповідну диспетчерську дію у вигляді процесної моделі, у якій формування керівної дії здійснюється за результатами розрахунків за розробленою математичною моделлю. Це дозволяє виявити причинно-наслідкові зв'язки між вхідною інформацією з контрольного пункту, до складу якої входять виявлені стохастичні параметрами, та обраною керуючою дією;

набули подальшого розвитку стохастичні моделі за рахунок включення імовірнісних характеристик транспортних потоків для задоволення потреб диспетчерського управління пасажирським транспортом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному.

Розроблено стохастичну модель програмно реалізовано в модулі автоматизованої системи управління пасажирськими перевезеннями для оперативного розрахунку зміни графіку руху міських автобусів та маршрутних таксі з урахуванням змін параметрів швидкості.

Складено рекомендації щодо використання програмного забезпечення автоматизованих систем управління міським пасажирським транспортом.

Одержані результати дослідження підготовлено до практичного використання у формі комп'ютерної програми, у якій реалізовано модуль математичного моделювання руху рухомої одиниці з урахуванням впливу стохастичних чинників. Практичне впровадження комп'ютерної програми підтверджено відповідними документами, які містяться в додатку: на базі ВАТ „Старобільське АТП-10907” (акт упровадження від 28.08.2007 р), ТОВ „Лугавтотранс” (акт упровадження від 30.03.2007 р.) та ТОВ „РЕДРЕЙТРАНС” (акт упровадження від 27.04.2007 р.).

Результати досліджень також упроваджено в навчальний процес ЛНАУ під час вивчення дисципліни „Системи автоматизованої обробки інформації”.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, розробки та висновки дисертаційної роботи є результатом самостійно проведеного авторкою дослідження в галузі автоматизованих систем управління та інформаційних технологій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на конференціях: VII Міжнародній науково-технічній конференції „Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы” (Севастополь, 2004); IV Міжнародній науково-технічній конференції „Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств” (Пенза, 2006); VII Міжнародній науково-технічній конференції „Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы” (Кацівелі, 2006); Всеукраїнській науково-практичній конференції „Сучасні тенденції розвитку інформаційних технологій у науці, освіті та економіці” (Луганськ, 2006); IV Міжнародній науково-технічній конференції „Информационная техника и электромеханика” (Луганськ, 2007); XX Міжнародній науково-технічній конференції „Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте” (Алушта, 2007).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено в 10 статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць, внесених до переліку ВАК України, серед яких 6 - у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації - 176 сторінки, у тому числі 17 сторінок займають 40 рисунків, 5 сторінок - 11 таблиць, 14 сторінок - 7 додатків. Список використаних літературних джерел (164 найменування) уміщено на 15 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У дисертаційній роботі на основі проведених авторкою досліджень захищаються такі основні положення.

У першому розділі проаналізовано сучасні автоматизовані системи управління на автомобільному транспорті. Установлено, що інформатизація транспортної галузі - це сукупність взаємопов'язаних організаційних, правових, політичних, соціально-економічних, науково-технічних, виробничих процесів, спрямованих на створення умов для задоволення інформаційних потреб, реалізації прав громадян на якісне транспортне обслуговування на основі використання інформаційних систем, мереж, ресурсів та інформаційних технологій, розроблених на основі застосування сучасної обчислювальної та комунікаційної техніки.

Існує три покоління технічних засобів інформаційних систем: індуктивний метод зняття інформації з транспортної одиниці, передача її в обчислювальний комплекс і реалізація голосового зв'язку каналами „водій - диспетчер” або „диспетчер - водій”; застосування радіоканалу й установлення на транспортній одиниці МІКРОЕОМ і пересувної радіостанції; супутникові технології - GPS-приймача, МІКРОЕОМ і пересувні радіостанції. Останній технічний комплекс дозволяє здійснювати не тільки контроль, але й аналіз використання розкладу руху з передачею результатів водієві транспортної одиниці.

Аналіз наявних методів диспетчерського управління показав, що якісні зміни характеристик транспортних потоків зумовлюють зміни організації руху, що в певних умовах зменшує перевізну здатність транспорту й погіршує рівень обслуговування пасажирів. У зв'язку з цим виникає необхідність удосконалення наявних і розробки нових методів управління транспортними потоками з урахуванням оперативної інформації.

Аналіз наявного стану інформаційних технологій моніторингу транспортних комунікацій виявив, що засобом удосконалення процесу моніторингу транспортної комунікації є інформаційна технологія, що ґрунтується на застосуванні мобільного інформаційно-обчислювального комплексу. Універсальні апаратні засоби для створення таких комплексів практично існують, але спеціальних досліджень щодо створення їх програмного забезпечення не проведено.

У результаті здійсненого аналізу було сформульовано такі основні завдання дослідження:

виявити методом апріорного ранжирування найбільш значущі стохастичні чинники, що впливають на процес диспетчерського управління;

розробити математичну модель функціонування маршруту для автоматизованої системи управління пасажирським транспортом з урахуванням недоліків наявних моделей;

розробити алгоритм і комп'ютерну програму, яка реалізує модуль математичного моделювання руху міських пасажирських автобусів і маршрутних таксі із застосуванням стохастичних методів;

реалізувати програмно із застосуванням технології Клієнт/Сервер розроблену математичну модель у проектуванні автоматизованих систем управління міськими пасажирськими.

Другий розділ. Проаналізовано наявні математичні моделі, які використовуються в автоматизованих системах управління пасажирським транспортом, виявлено стохастичні чинники, що впливають на ефективність пасажирських перевезень, та досліджено їхні імовірнісні характеристики.

Аналіз методів моделювання вулично-дорожнього руху в містах показав, що найчастіше використовуються динамічне моделювання й теорія масового обслуговування. У зв'язку з тим, що рух транспортних засобів важко підлягає формалізації, доцільно для задач управління використовувати імітаційне моделювання. Багато дослідників розглядали ймовірні моделі для визначення часу руху. При цьому в моделях використовувалися такі закони розподілу часу руху, як нормальний, логнормальний, гамма-розподіл.

Диспетчерське управління пасажирськими перевезеннями повинне розглядатися як система, елементами якої є планування, реалізація та контроль функціонування транспортних потоків, та як елемент більшої надсистеми, до якої входять транспортний потік, пасажиропотік і зовнішнє середовище. Розроблена модель системного представлення диспетчерського управління дозволила виявити інформаційні потоки, які мають бути враховані в моделі функціонування маршруту завдяки визначенню відповідних параметрів, що забезпечить досягнення фіксованого корисного результату, а саме: забезпечення виконання розкладу руху з мінімальними відхиленнями від запланованого (рис. 1).



Рис. 1. Модель системного представлення диспетчерського управління

Для виявлення найбільш значущих стохастичних чинників, що впливають на ефективність управління автобусними пасажирськими перевезеннями, наприклад, у м. Луганськ, було використано методики експертних оцінок й апріорного ранжирування. Анкети було розіслано експертам в Національний транспортний університет, Харківську національну академію міського господарства, Східноукраїнський національний університет імені В. Даля (кафедра „Автомобілі”) і фахівцям транспортних систем ТОВ „РЕДРЕЙТРАНС”, ТОВ „Лугавтотранс” та ВАТ „Старобільське АТП-10907”.

З достатньо високим ступенем узгодженості думок експертів (коефіцієнт конкордації дорівнює 0,768) було виявлено найбільш значущі стохастичні чинники: наповнення рухомої одиниці; частоту планових і непланових зупинок; стан дорожнього покриття; кваліфікацію водіїв, стиль водіння; природнокліматичні умови.

Останні три чинники мають некерований характер, тому в основу математичної моделі автоматизованої системи управління пасажирськими перевезеннями й математичного планування експериментальних досліджень повинні бути включені чинники, що характеризують інтенсивність транспортного руху та пасажиропотоку.

Для того, щоб статистичні дані відхилення часу прибуття на контрольний пункт рухомої одиниці від запланованого , розглядати як випадкову вибірку з деякого розподілу, тобто вважати компоненти вектора даних незалежними й однаково розподіленими випадковими величинами, було висунуто й перевірено гіпотезу випадковості.

За критерієм з рівнем значущості визначено, що гіпотеза незалежності й однакового розподілу спостережень за відхиленням часу прибуття на контрольний пункт узгоджується з дослідженими даними. Це припущення виправдовується також фізичним смислом випадковості процесу роботи міського транспорту.

Для виключення максимального й мінімального спостереження було застосовано критерій Смірнова-Граббса. Грубими помилками виявлено такі відхилення: прибуття раніше на 20 хвилин і затримка на півгодини.

Під час згладжування розподілу емпіричних даних відхилення часу прибуття на контрольний пункт рухомої одиниці було використано розподіли Пірсона. Для визначення розподілу Пірсона, що апроксимує дані спостережень, обчислено перші чотири моменти, знайдено оцінки параметрів та відповідно до таблиці кривих Пірсона визначено тип розподілу й межі зміни випадкової величини.

Перевірено гіпотезу про нормальний розподіл (розподіл Пірсона XI типу) генеральної сукупності при заданому рівні значущості , використовуючи критерій Пірсона. Оскільки , емпіричні та теоретичні частоти різняться несуттєво.

При рівні значущості 0,05 відхилено основну гіпотезу про рівність вибіркового середнього гіпотетичному генеральному середньому : (рухома одиниця прибула на контрольний пункт вчасно) при конкуруючій гіпотезі : . Це дозволяє підкреслити необхідність автоматизованого управління рухом міського транспорту та контролю за виконанням розкладу руху.

У третьому розділі розроблено математичну модель функціонування маршруту, яка описується системою рівнянь. Система моделює часові характеристики руху рухомої одиниці (РО) на маршруті й процес пасажиротворення.

Для моделювання часових характеристик руху РО необхідно задати такі величини: - кількість РО;

- кількість пунктів зупинки (ПЗ), де - кількість планових зупинок,

- кількість непланових зупинок; - відстань між -м і -м ПЗ, ; - час початку -го кругорейсу (початковий розклад),

,

де - кількість рейсів, яку виконує -а РО, .

Вхідною інформацією для моделювання процесу пасажиротворення є величини: - місткість -ї РО, ; - випадкова величина, що характеризує інтенсивність посадки й висадки для -ї РО, ; - випадкова величина, що характеризує щільність пасажиропотоку на -у ПЗ, . При заданих управлінням величинах швидкості і часу затримки у процесі функціонування моделі рекурсивно обчислюються величини: - час прибуття -ї РО на -й ПЗ; , - кількість пасажирів, які ввійшли й вийшли, відповідно.

, (1)

де - час руху між -ю і -ю РО після проходження -го ПЗ, ;

- кількість пасажирів, які ввійшли в -у РО на -у ПЗ;

- кількість пасажирів, які вийшли з -ї РО на -у ПЗ;

- наповнення -ї РО після обслуговування -го ПЗ;

- резерв місць у -й РО на -у ПЗ;

- кількість пасажирів, які прийшли на -й ПЗ за час між прибуттям -ї і -ї РО;

- кількість пасажирів, які не отримали обслуговування -ї РО -го ПЗ;

- потреба в перевезенні з -го ПЗ у момент прибуття -ї РО.

Випадкову величину визначено в результаті проведення обстеження пасажиропотоків. Характеристики щільності пасажиропотоку формуються на підставі добових обсягів перевезень на маршруті і відомих загальних закономірностей розподілу перевезень за годинами доби, заданих у вигляді вагових оцінок , таких, що , , , де - кількість можливих варіантів розподілу перевезень. Закономірності розподілу за годинами доби пасажиропотоків на маршруті вичерпуються двома видами: трудові й культурно-побутові поїздки, . Час роботи міського пасажирського транспорту протягом доби складає 18 - 20 годин, .

Аналіз зміни потреби в поїздках за годинами доби наведено на рис. 2.

Рис. 2 Інтенсивність пасажиропотоку за годинами доби

Вхідною інформацією для моделі автоматизованої системи диспетчерського управління є плановий розклад руху, а також інформація, що надходить з моделі маршруту: момент проходу рухомою одиницею контрольного пункту, коефіцієнти наповнення РО, повідомлення про схід РО з лінії. З виходу моделі диспетчерського управління конкретні диспетчерські дії надходять на модель маршруту у вигляді ознак управління, що впливають на швидкість руху РО, тривалість відстоїв і т. ін. (рис. 3).



Рис. 3 Модель автоматизованої системи диспетчерського управління

Основним критерієм якості обслуговування пасажирів прийнято час очікування пасажирами транспорту. Структура моделі дозволяє безпосередньо оцінювати сумарні витрати часу на -у ПЗ за інтервал між прибуттям -ї і -ї РО:

, , . (2)

Установлено взаємну відповідність між видами порушень руху й управляючими діями, які можуть бути спрямовані на відновлення руху. Ті самі порушення можуть бути усунені різними управляючими діями. Тому в роботі визначено умови формування тієї або іншої управляючої дії при різноманітних порушеннях руху.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено експериментальній перевірці адекватності розробленої моделі (1), реалізації та впровадженню модуля автоматизованої системи управління, у якому реалізовано математичну модель функціонування маршруту з урахуванням впливу стохастичних чинників, та обґрунтуванню її використання.

З метою отримання максимального обсягу інформації про досліджувану систему в кожному досліді проведено повний факторний експеримент.

Досліджується - час руху між -ю та -ю рухомими одиницями після проходження -го пункту зупинки залежно від зміни двох чинників: - загальна кількість пасажирів, які вийшли та ввійшли на -му пункті зупинки; - час, що затрачено на рух перегоном маршруту між -м та -м пунктом зупинки.

За допомогою однофакторного дисперсійного аналізу перевірено ідентичність генеральних сукупностей даних, які характеризують час руху між -ю та -ю рухомими одиницями після проходження -го пункту зупинки, отриманими за допомогою спостереження та моделі функціонування маршруту з урахуванням впливу найбільш значущих стохастичних чинників (1). Порівняння розрахованого значення -статистики з критичним значенням дало такий результат .

Таким чином, підтвердилися альтернативна гіпотеза, що свідчить про статистично значущу різницю середнього часу руху між -ю та -ю рухомими одиницями після проходження -го пункту зупинки між даними спостереження та моделювання цього показника. Це дає можливість ще раз підкреслити актуальність питання та необхідність своєчасного вирішення проблеми диспетчерського управління пасажирським транспортом для забезпечення ефективних перевезень пасажирів у межах міста.

Значення кодованих змінних для проведення повнофакторного експерименту розраховано за формулами:

; . (3)

Для проведення експерименту складено робочу таблицю планування й відповідно до неї проведено експеримент, результати якого наведено в табл. 1.

Таблиця 1 Результати експерименту

№ досліду
1	-1	-1	1	1	3,30	0,02	3,28
2	+1	-1	14	1	13,79	17,07	3,28
3	-1	+1	1	11	9,88	13,16	3,28
4	+1	+1	14	11	33,50	30,22	3,28
5	0	0	7,5	6	8,10	15,12	7,02

З урахуванням використаної властивості ортогональності визначено коефіцієнти рівняння регресії (лінійного полінома), яке набуває такого вигляду:

. (4)

Перевірка значущості коефіцієнтів побудованого рівняння за критерієм Стьюдента при рівні значущості 0,05 свідчить, що коефіцієнт рівняння регресії < , тобто є незначущим і ним можна знехтувати.

Таким чином, поліном у натуральних значеннях факторів має вигляд:

. (5)

Одержане рівняння лінійної регресії перевірено за критерієм Фішера. Експериментальне значення критерію Фішера при .

Це свідчить про адекватність побудованого рівняння регресії (5), яке є спрощенням розробленої стохастичної моделі. Цей факт дає можливість обґрунтовано стверджувати, що стохастична імітаційна модель є базою для впровадження управлінських дій на основі запропонованого модуля автоматизованої системи управління пасажирським транспортом.

Зіставлення теоретичних положень з результатами спостережень за таксомоторними маршрутами - прибутковими та збитковими, так званими „соціальними”, маршрутами в м. Луганськ свідчить про високий ступінь адекватності моделі (рис. 4). Коефіцієнт кореляції між розрахунковими й спостереженими даними становить у середньому 0,92.

Застосування математичного модуля автоматизованої системи управління пасажирськими перевезеннями в комп'ютерній програмі та її впровадження в містах Красний Луч і Старобільськ також засвідчило адекватність моделі. Коефіцієнт кореляції між розрахунковими даними та тими, що спостерігалися, становить 0,88, і 0,86 відповідно.

Розроблена модель функціонування маршруту дозволяє оцінити ефективність упровадження заходів щодо вдосконалення роботи транспорту на маршрутах на основі результатів перших днів роботи та визначати раціональну організацію впровадження нововведень. Установлено, що зміна обсягу перевезень на маршруті суттєво залежить від початкових умов експерименту. Розробка раціональної організації транспортного процесу під час упровадження нововведень можлива на основі зіставлення витрат на функціонування транспорту та прибутків, які надходять.

На основі отриманої математичної моделі розроблено комп'ютерну програму „Bus Controller Automatic System” (свідоцтво про реєстрацію авторського права № 19924 від 1.03.2007 р.), яку було впроваджено в модулі автоматизованої системи управління пасажирським транспортом. Ця програма реалізована в середовищі візуального проектування Delphi із застосуванням технології Клієнт/Сервер та СУБД Firebird, що дає можливість запропонувати користувачеві дружній інтерфейс із зрозумілими компонентами управління й представленням результуючої інформації.

Рис. 4. Динаміка обсягу перевезень на маршрутах у містах Луганськ, Старобільськ і Красний Луч

---- - статистичні дані;

------ - теоретичний розрахунок

Однією з переваг програмного продукту є можливість оперативного розрахунку оператором диспетчерського пункту змін графіка руху міських автобусів і маршрутних таксі з урахуванням змін швидкісних параметрів кожної з рухомих одиниць.

Система „Automatic bus Controller systems” складається з окремих вікон, кожне з яких призначене для виконання певного функціонального завдання - перегляду й редагування вмісту бази даних, розрахунку інтервалів руху рухомих одиниць та ін.

База даних програми містить чотири вікна-довідники: „Довідник відео-зображень”, довідник „Маршрут руху РО”, „Довідник зупинок”, довідник „Графік руху”.

Передбачено вікно, яке дозволяє операторові диспетчерського пункту виконувати розрахунки графіків руху для кожної рухомої одиниці, що працює на відповідному маршруті (рис. 5). При цьому в разі потреби, наприклад, при зміні дорожньої ситуації, зміні кількості рухомих одиниць на маршруті, зміні інтенсивності пасажиропотоку й інших чинників, оператор, задаючи кількість рухомих одиниць, інтервал руху маршруту, інтервал між рухомими одиницями, може виконати перерахунок графіка руху окремих рухомих одиниць і тим самим нормалізувати ситуацію.

Упровадження одержаних результатів досліджень дало можливість значно підвищити якість транспортного обслуговування. На ТОВ „РЕДРЕЙТРАНС” економічний ефект склав 3728,28 грн на місяць, продуктивність праці зросла на 7,1%; на ТОВ „Лугавтотранс” економічний ефект склав 3264,17 грн на місяць, а продуктивність праці зросла на 8,3%; на ВАТ „Старобільське АТП-10907” економічний ефект склав 1681,25 грн на місяць, а продуктивність праці зросла на 5,1% Одержані результати моделювання основних показників функціонування виробничих процесів АТП забезпечують науково-обґрунтовану постановку нових завдань і розробку відповідних методів і механізмів організаційного управління й на цій підставі - підвищення ефективності роботи АТП у цілому.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі одержано нові теоретичні та практичні результати, сукупність яких є суттєвою для вирішення наукового завдання, що полягає в розвитку автоматизованих систем управління пасажирським транспортом через упровадження математичного моделювання й установлення залежності кінцевого результату від різноманітних чинників, у тому числі стохастичних.

Узагальнення одержаних у ході проведеного дослідження результатів, досягнута мета та вирішені завдання дають можливість зробити такі основні висновки та висловити пропозиції:

Проведено аналіз сучасних автоматизованих систем управління на пасажирському транспорті. Показано, що детерміновані математичні моделі, які використовуються в системах управління транспортом, часто виявляються неадекватними реальним процесам перевезення пасажирів. Це пояснюється, перш за все, вірогідним характером тих показників і обмежень, які вкладаються в моделі роботи перевізників. Для усунення цих недоліків у роботі запропоновано застосовувати математичні моделі, які використовують стохастичні методи програмування. Це дозволяє прийняти оптимальне рішення з урахуванням можливості його подальшого коригування.

За допомогою системного представлення диспетчерського управління як елементу більшої системи, до якого входять транспортний потік та пасажиропотік і зовнішнє середовище, виділено інформаційні потоки, які необхідно враховувати при моделюванні автоматизованої системи диспетчерського управління.

Методом експертних оцінок установлено, що основними чинниками за рівнем їхнього впливу на ефективність процесу перевезень є наповнення рухомої одиниці, частота планових і непланових зупинок, стан дорожнього покриття, кваліфікація водіїв і стиль водіння, природнокліматичні умови. Вивчено характер імовірності випадкових величин, що характеризують інтенсивність посадки й висадки для рухомої одиниці та щільність пасажиропотоку на пункті зупинки.

Розроблено математичну модель функціонування маршруту з урахуванням впливу найбільш значущих стохастичних чинників. Отримано систему рівнянь, яка моделює функціонування маршруту. Часові характеристики руху рухомої одиниці на маршруті й процес пасажиротворення розглядається як стохастичний процес, що розвивається в часі відповідно до вірогідних законів. Модель дозволяє оперативно оцінити вплив обурливих впливів (відхилення рухомої одиниці від розкладу, схід з лінії, погіршення умов руху, переповнення на маршруті) на показники якості обслуговування пасажирів і скласти оптимальний розклад руху транспорту. Елемент перетворення вхідної інформації у відповідну диспетчерську дію представлено у вигляді процесної моделі автоматизованої системи диспетчерського управління. За критерій оптимальності пропонується прийняти мінімум часу очікування пасажирів на зупинках.

Експериментально перевірено адекватність розробленої математичної моделі. Отримано підтвердження альтернативної гіпотези, що свідчить про статистично значущу різницю середнього часу руху рухомими одиницями після проходження пункту зупинки між даними спостереження та моделювання цього показника. Проведено повнофакторний експеримент, у результаті якого побудовано рівняння регресії, що є спрощенням розробленої математичної моделі. Виконано перевірку адекватності математичної моделі за критерієм Фішера. Установлено співвідношення між розрахунковим значенням та табличним для 95% довірчої вірогідності .

Розроблено комп'ютерну програму „Bus Controller Automatic System”, у якій реалізовано модуль математичного моделювання функціонування маршруту з урахуванням впливу стохастичних чинників. Програма дає можливість користувачеві оперативно розраховувати зміни графіка руху міських автобусів та маршрутних таксі з урахуванням змін параметрів швидкості. „Bus Controller Automatic System” розроблено в середовищі візуального проектування Delphi із застосуванням технології Клієнт/Сервер та СУБД Firebird.

Розрахунок економічної ефективності показав, що програмний продукт, розроблений за алгоритмом, наданим у роботі, має реальний економічний ефект. На підприємствах ТОВ „РЕДРЕЙТРАНС”, ТОВ „Лугавтотранс”, ВАТ „Старобільське АТП-10907” економічний ефект склав у середньому 3,4 тис. грн на місяць, а продуктивність праці зросла на 6,2%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лахно В.А., Пилипенко А.И. Применение методов стохастического программирования в системах управления на пассажирском транспорте // Зб. наук. пр. ЛНАУ / За ред. В.Г. Ткаченко. - Луганськ: Вид-во ЛНАУ, 2004. - № 38. - С. 98 - 101.

2. Авторка особисто проаналізувала використання стохастичних методів програмування в системах управління на пасажирському транспорті.

3. Лахно В.А., Пилипенко А.И. Перспективы развития АСУ пассажирскими перевозками на автомобильном транспорте // Вестник ВНУ. - 2004. - № 7. - С. 91 - 98.

4. Авторка особисто розробила класифікацію факторів, що впливають на час руху транспортних засобів.

5. Лахно В.А., Пилипенко А.И. Использование метода априорного ранжирования для выявления стохастических факторов, учитываемых в АСУ транспортными перевозками // Зб. наук. пр. ЛНАУ / За ред. В.Г. Ткаченко. - Луганськ: Вид-во ЛНАУ, 2005. - № 51. - С. 412 - 416.

6. Авторка особисто виявила найбільш значущі стохастичні фактори за допомогою методу апріорного ранжирування.

7. Пилипенко А.И. Моделирование диспетчерского управления движением пассажирского автотранспорта // Зб. наук. пр. ЛНАУ / За ред. В.Г. Ткаченко. - Луганськ: Вид-во ЛНАУ, 2006. - № 60. - С. 324 - 327.

8. Лахно В.А., Пилипенко А.И. Использование объектно-ориентированных языков программирования для проектирования АСУ пассажирскими перевозками // Искусственный интеллект. - 2006. - № 4. - С. 201 - 210.

9. Авторка особисто розробила модуль автоматизованих систем управління пасажирськими перевезеннями з використанням математичної моделі, заснованої на стохастичному програмуванні.

10. Лахно В.А., Пилипенко А.И. Программная реализация модуля АСУ пассажирскими перевозками с использованием стохастического моделирования в среде Delphi // Праці Луганськ. від-ня Міжнар. акад. інформатизації - 2007. - № 1. - С. 33 - 37.

11. Авторка особисто програмно реалізувала модуль АСУ пасажирськими перевезеннями в середовищі Delphi і СУБД Firebird.

12. Лахно В.А., Пилипенко А.И. Использование технологии Клиент-Сервер и среды программирования Delphi для разработки модуля АСУ пассажирскими перевозками // Вестник ВНУ им. В. Даля. - 2007. - № 4. - Ч. 2. - С. 124 - 130.

13. Авторка особисто розробила комп'ютерну програму моделювання руху міських пасажирських автобусів для платформи Клієнт-Сервер.

14. Пилипенко А.І. Деякі аспекти експериментального дослідження модуля АСУ транспортними перевезеннями // Зб. наук. пр. ЛНАУ / За ред. В.Г. Ткаченко. - Луганськ: Вид-во ЛНАУ, 2007. - № 73. - С. 346 - 350.

15. Пилипенко А.І., Лахно В.А. Особливості застосування модуля АСУ пасажирськими перевезеннями у містах Луганської області // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2007. - № 4. - С. 96 - 99.

16. Авторка особисто встановила адекватність математичної моделі руху міського пасажирського транспорту реальним процесам перевезень у містах Луганської області.

17. Пилипенко А.І. Експериментальні дослідження стохастичної моделі АСУ пасажирським транспортом // Вісн. Донецьк. ун-ту. - Сер. А: Природничі науки. Вип. 1. - 2007. - № 1. - С. 367 - 372.

Размещено на Allbest.ru

...