Размещено на http://www.allbest.ru/

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 004.02

МЕТОДИ І МОДЕЛІ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ТРАНСПОРТНИМИ ПОТОКАМИ МІСТА

05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СЛАВИЧ В'ЯЧЕСЛАВ ПЕТРОВИЧ

Херсон - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Шеховцов Анатолій Вікторович, Херсонський національний технічний університет, професор кафедри інформаційних технологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шарко Олександр Володимирович, Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри загальної та прикладної фізики;

доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем.

Захист відбудеться « 4 » липня 2009 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корпус 3, аудиторія 320.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корпус 1.

Автореферат розісланий « 3 » червня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Н. В. Шаронова



АНОТАЦІЯ

Славич В.П. Методи і моделі системи автоматизованого управління транспортними потоками міста. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2009.

Дисертаційну роботу присвячено рішенню наукового завдання автоматизованого управління транспортним потоком міста, розробці відповідних методів, математичних моделей та алгоритмів з питань ефективної організації транспортного руху. Виконано аналіз методів та моделей процесу управління об'єктами транспортних потоків, зокрема існуючих автоматизованих систем управління дорожнім рухом; моделей утворення транспортних заторів та черг.

Запропоновано модель розрахунку локальних управляючих дій при виникненні транспортної черги. Встановлені умови насиченості перехрестя за заданими значеннями інтенсивностей потоків. Визначено параметри управляючих сигналів на перехресті для перерозподілу транспортних потоків, що забезпечують мінімум сумарної тривалості затримки транспортних засобів за час існування затору.

Розроблено модель утворення транспортної черги в системі взаємопов'язаних перехресть, що враховує можливості обгону транспортних засобів одне одним, та дозволяє визначити довжини черг об'єктів транспортних систем. Запропоновано модель режимів світлофорної сигналізації з використанням апарату нечіткої логіки.

Розроблено модель автоматизованої системи управління дорожнім рухом на основі запропонованих моделей, що дає можливість організувати ефективне управління потоком транспортних засобів міста шляхом вибору альтернативних варіантів управління світлофорною сигналізацією при наданні раціональних режимів регулювання, мінімізуючи час перебування транспортних засобів у системі перехресть; проведено її експериментальне дослідження. транспортний рух автоматизований управління

Ключові слова: автоматизована система управління, транспортний потік, метод, модель, нечітка логіка, інформаційні технології.



АННОТАЦИЯ

Славич В.П. Методы и модели системы автоматизированного управления транспортными потоками города. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2009.

Диссертационная работа посвящена решению научной задачи автоматизированного управления транспортным потоком города, разработке соответствующих методов, математических моделей и алгоритмов вопросов эффективной организации транспортного движения.

Выполнен анализ методов и моделей процесса управления объектами транспортных потоков, в частности существующих автоматизированных систем управления дорожным движением; моделей образования транспортных заторов и транспортных очередей и показана необходимость создания математических и информационных моделей и алгоритмов процессов управления объектами транспортных потоков на основе использования аппарата нечеткой логики.

Предложена модель расчета локальных управляющих действий при возникновении транспортной очереди. Показаны условия насыщенности перекрестка по заданным значениям интенсивностей потоков.

Определены параметры управляющих сигналов на перекрестке для перераспределения транспортных потоков, которые обеспечивают минимум суммарной длительности задержки транспортных средств за время существования затора.

Разработана модель образования транспортной очереди в системе взаимосвязанных перекрестков, которая отличается от аналогов учетом возможности обгона транспортных средств друг другом, и с помощью которой можно определить длины очередей объектов транспортных систем на каждой из полос каждого перекрестка системы улично-дорожной сети города.

Предложена модель режимов светофорной сигнализации, основанная на использовании аппарата нечеткой логики с методом дефаззификации по среднему центру. Разработана модель управления транспортными потоками на основе нечеткой логики, которая отличается от аналогов учетом параметров потоков транспортных средств, двигающихся по всем возможным направлениям движения определенного перекрестка.

Обоснованна и разработана модель автоматизированной системы управления дорожным движением, которая базируется на использовании предложенных моделей образования транспортных очередей и системы светофорного регулирования на основе нечеткой логики, которая позволяет организовать эффективное управление потоком транспортных средств города путем выбора альтернативных вариантов управления светофорной сигнализацией и предоставляет рациональные режимы регулирования, минимизируя время пребывания транспортных средств в системе перекрестков. Разработано алгоритмическое обеспечение предложенной автоматизированной системы управления дорожным движением.

Проведен сбор информации о характеристиках транспортных потоков и условиях работы технических средств регулирования для участка транспортной сети г. Херсона (район ХБК), насчитывающего 31 перекресток. Собранны данные о следующих характеристиках сети: длина, ширина, количество полос и наличие дорожной разметки для прямых и обратных направлений каждого узла; получены значения интенсивностей движения по участкам сети; установлены значения параметров работы светофоров: количество фаз регулирования, время цикла, время промежуточных и основных тактов. Построена соответствующая топологическая схема исследуемого участка.

В результате проведенного исследования установлено, что предложенный метод позволяет улучшить комфортность движения транспортных средств по улично-дорожной сети за счет снижения величины задержек и уменьшения количества остановок в сравнении с традиционным методом светофорного регулирования. Обработка данных моделирования значений интенсивностей транспортных потоков на исследуемых участках сети показала улучшение следующих показателей: увеличение средней скорости проезда, уменьшения интенсивностей на ребрах и, как следствие, уменьшение длин очередей транспортных средств на перекрестках сети.

Ключевые слова: автоматизирована система управления, транспортный поток, метод, модель, нечеткая логика, информационные технологии.



SUMMARY

Slavich V.P. Methods and models of the traffic streams automated control system of city. - Manuscript.

The dissertation is on competition of a scientific degree of Candidate Technical Science on a speciality 05.13.06 - information technologies. Kherson National Technical University, Kherson, 2009.

The dissertation is devoted to research and development of scientific problem of the traffic streams automated management system of city, development of the proper methods, mathematical models, algorithms, information technologies of the problems of transport traffic effective organization.

The analysis of methods and models of traffic streams' objects management process, specifically of existing traffic automated control systems, models of formation of road traffic congestions and transport queues, is executed. The necessity of creation of mathematical and information models and algorithms of the traffic streams' objects management processes on basis of fuzzy logic is shown.

The management models of traffic-light signaling modes at crossing and system of crossings, based on the use of fuzzy-logic theory, allowing to control the streams of vehicles moving from all possible directions is offered.

The vehicular traffic automated control system, based on the use of combination of the offered models of transport queues formation and system of the traffic-light control on the basis of fuzzy logic, allowing to organize an effective management of the traffic stream in a city by the choice of alternative variants of management of the traffic-light signaling and providing the efficient control modes, minimizing stay time of vehicles in the system of crossings is offered, and its prototype is realized. Approbation of the offered models of traffic streams is executed and its practical efficiency is proved.

Keywords: the automated control system, traffic stream, method, model, fuzzy logic, information technologies.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вирішальна роль у стратегії розвитку транспортної системи як України, так і світу загалом, належить процесу інформатизації, що забезпечує необхідною і достовірною інформацією всі сфери управління транспортними системами. Для вирішення принципових наукових, технічних і організаційних проблем, що виникають в ході цього процесу, відповідні розроблення і реалізація в нових умовах повинні здійснюватись за допомогою інформаційних технологій, базовими і дійсно складними елементами яких є моделі, методи і алгоритми, на основі яких приймаються управляючі рішення.

Таким чином, необхідну інформатизацію транспортних систем, а отже і вирішення багатьох проблем транспортних мереж, неможливо здійснити без створення і вдосконалення прикладних методів, моделей і ефективних алгоритмів управління транспортними системами.

Проблеми моделювання транспортних потоків з кожним роком тільки набувають своєї важливості, адже кількість транспортних засобів (ТЗ) невпинно збільшується на дорогах, що неодмінно призводить до актуальності задач розв'язання таких важливих проблем, як транспортні затори та транспортні черги.

На сьогоднішній час у містах майже не існує громадян, у яких таким чи інакшим чином не виникає постійних та, що особливо важливо, кількісно динамічно зростаючих з часом труднощів від транспортних черг та заторів, оскільки з транспортом пов'язані майже усі сфери людської життєдіяльності. Існують методи моделювання процесів руху ТЗ, які пропонують певні розв'язки задач теорії транспортних потоків, спрямованих на подолання зазначених труднощів. Питаннями визначення управління ТП різного характеру присвячено роботи таких вчених, як Є.М. Лобанов, Б.І. Грановський, В.В. Петров, В.В. Семенов, В.Т. Капітанов, Д. Робертсон, Д. Уізем, І. Віндольф, І. Бертольд; роботи українських вчених: В.П. Поліщук, Ю.С. Лігум, А.М. Лучук, О.О. Бакуліч, В.М. Рябенький, В.К. Доля, В.Є. Ходаков, Е.Г. Петров, М.А. Нефьодов, О.В. Шарко, О.М. Дуднiков, O.I. Кічкіна.

Разом з тим, аналіз сучасних умов функціонування транспорту показує, що виникає ряд нових проблем, для яких розроблений раніше методологічний комплекс виявився погано пристосованим і потрібне створення нових моделей і методів управління транспортними системами. Очевидно, що реалізація управляючих рішень, прийнятих на основі неадекватних моделей і методів, може привести до тяжких наслідків, а виниклу проблему управлінням не можна вирішити, навіть за рахунок великої кількості інформації, поки не будуть розроблені адекватні моделі і методи.

Актуальність запропонованої роботи зумовлена необхідністю створення нових математичних і інформаційних моделей та алгоритмів процесів управління об'єктами транспортних потоків, що спрямовані на зменшення часу простою автомобілів на перехрестях, зменшення черг ТЗ та зменшення кількості дорожніх пробок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі інформаційних технологій Херсонського національного технічного університету відповідно до плану науково-дослідних робіт та Херсонського факультету Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Дана робота також виконувалась в рамках тем наступних договорів про науково-технічне співробітництво: „Моделювання транспортних потоків з використанням інформаційних технологій” (ДР №010U0010535); „Підвищення ефективності управління транспортним рухом у місті” (ДР № 010U0010536). У зазначених НДР автор брав участь як виконавець та розробник наведених моделей і АСУДР.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності управління потоком транспортних засобів шляхом розробки математичного і алгоритмічного забезпечення автоматизованої системи управління дорожнім рухом у вигляді математичних та інформаційних моделей і алгоритмів управління.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання:

- систематизація теоретичного апарату та математичних моделей вирішення задач оптимального планування транспортними потоками і автоматизованих систем управління дорожнім рухом (АСУДР);

- розробка моделі визначення утворення транспортної черги (модель УТЧ) у перехрестя та у системі перехресть, що дозволить визначити довжини черг транспортних засобів та буде враховувати можливість обгону транспортних засобів одне одним на перегонах між перехрестями;

- розробка алгоритмів та інформаційних моделей розв'язання проблем утворення транспортних заторів та черг. Створення моделі управління світлофорною сигналізацією на основі апарату нечіткої логіки (модель СУНЛ);

- розробка структури АСУДР, що включає моделі УТЧ та СУНЛ;

- експериментальне дослідження запропонованої АСУДР.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є процес управління транспортною мережею міста.

Предметом дослідження є методи і моделі управління інформаційним потоком у транспортній мережі.

Методи дослідження. При розв'язанні конкретних задач використовувались наступні методи: системний аналіз - при формалізації предметної області; моделювання з використанням теорії нечіткої логіки - для розробки системи світлофорного управління транспортними потоками; теорія імовірностей - для розрахунку можливостей обгонів об'єктів транспортних потоків; масове обслуговування, алгебра матриць - для визначення довжин черг транспортних засобів у перехресть; статистичний аналіз - при експериментальному дослідженні результатів роботи; моделювання і алгоритмізація транспортних систем - для розробки моделі управляючих дій при виникненні транспортної черги; елементи теорії графів - при побудові топологічної схеми досліджуваного району.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

1. Вперше розроблено модель утворення транспортної черги в системі взаємопов'язаних перехресть, що відрізняється від аналогів урахуванням можливості обгону транспортних засобів одне одним, та за допомогою якої можна визначити довжини черг об'єктів транспортних систем на кожній зі смуг кожного перехрестя системи вулично-дорожньої мережі міста.

2. Вперше запропоновано структуру автоматизованої системи управління дорожнім рухом, заснованої на використанні моделей УТЧ та СУНЛ, що дає можливість організувати ефективне управління потоком ТЗ міста.

3. Удосконалено систематизацію методів та моделей процесу управління об'єктами транспортних потоків, зокрема існуючих АСУДР; моделей утворення транспортних заторів та транспортних черг.

4. Удосконалено математичні та інформаційні моделі аналізу альтернативних варіантів управління світлофорною сигналізацією, що спроможні обирати оптимальні режими регулювання та мінімізувати час перебування ТЗ у системі перехресть.

5. Дістало подальший розвиток моделювання режимів світлофорної сигналізації перехрестя та системи перехресть, що базується на використанні апарату нечіткої логіки, яка дозволяє контролювати потоки ТЗ з усіх можливих напрямків руху певного перехрестя. Вперше розроблено модель управління транспортними потоками, яку відрізняє використання методу дефазифікації за середнім центром, що дає більшу практичну ефективність.

Практичне значення одержаних результатів. Елементи теоретичних результатів знайшли своє застосування при роботі в рамках договорів про науково-технічне співробітництво з наступними організаціями:

1. Державним комунальним підприємством „Херсонелектротранс”;

2. Територіальним управлінням Головної державної інспекції на автомобільному транспорті в Херсонській області.

Розроблені методи, моделі та програмні алгоритми забезпечують підвищення ефективності роботи транспортної мережі міста, мінімізуючи час перебування транспортних засобів у системі перехресть. Запропоновані розробки було застосовано для дослідження й оптимізації ділянки транспортної мережі м. Херсона - району ХБК, що налічує 31 транспортний вузол.

Результати роботи та розробки застосовуються в Херсонському факультеті Харківського національного автомобільно-дорожнього університету при Херсонському національному технічному університеті в організації навчального процесу для студентів, що навчаються за спеціальностями 7.100402 «Транспортні системи», 7.100403 «Організація перевезень та управління на транспорті».

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, висновки і рекомендації дисертаційної роботи отримано автором особисто. З праць, опублікованих в співавторстві, використані лише ті положення та ідеї, що є результатом особистих досліджень здобувача. Конкретний внесок здобувача в цих роботах зазначений у переліку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації, результати дослідження доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях: V Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених „Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 2003); П'ята міжнародна науково-практична конференція „ІНТЕРНЕТ-ОСВІТА-НАУКА-2006” (Вінниця, 2006); Перша міжнародна науково-технічна конференція „Інтелектуальні системи в промисловості і освіті - 2007” (Суми, 2007); IX науково-практичній конференції „Інформаційні технології в освіті і науці” (Н. Каховка, 2007 р.); на наукових семінарах факультету кібернетики Херсонського національного технічного університету; Херсонського факультету Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, у тому числі 8 статей у виданнях, які внесені до переліку видань ВАК України, де можуть публікуватися результати дисертаційних робіт, та 3 тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 196 сторінок, у тому числі 168 сторінок основного тексту, ілюстрованих 40 рисунками, 10 таблиць, додатки містять 12 сторінок. Список використаних джерел налічує 142 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ роботи містить: обгрунтування актуальності теми і наукових задач; інформацію про зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету й завдання дослідження; одержані наукові результати і їх практичне значення; відомості про апробацію й публікацію результатів.

У першому розділі „Використання інформаційних технологій в моделюванні транспортних потоків” виконано аналіз стану проблеми управління транспортними потоками міста, ступінь його інформатизації, проведено дослідження стану та перспективи розвитку автоматизованих систем управління дорожнім рухом.

Встановлено, що сучасний стан використання інформаційних технологій в процесах управління потоками транспортних засобів є недостатнім, що не дозволяє вирішенню багатьох наявних проблем транспортних систем, зокрема таких найважливіших з них - транспортних черг і заторів.

Визначено, що затори поділяють на регулярні та нерегулярні. Перші обумовлені недостатньою видимістю, крутими підйомами, зменшенням кількості смуг руху, горизонтальними кривими малого радіусу та іншими утрудненнями дорожніх умов, другі - включенням до потоку тихохідних автомобілів, випадковими ДТП та ін. За ділянкою затору інтенсивність руху стає близькою до пропускної спроможності.

Розглядається оцінка існуючих методів координованого управління рухом транспортних потоків міста з регульованими перетинами.

Встановлено, що в нашій країні і закордоном існує ряд методів розрахунку програм координації, які дозволяють керувати транспортними потоками (ТП) в міських мережах, але виявлено, що загальноприйняті методики рішення питань координованого управління рухом на практиці недостатньо ефективні.

Розглядається і обгрунтовується необхідність розробки та реалізації автоматизованого управління транспортними потоками, що базується на використанні апарату нечіткої логіки, спрямованого на боротьбу з транспортними чергами, заторами.

У результаті проведеного аналізу сформульовано мету та завдання дослідження.

Другий розділ „Модель утворення транспортних черг” присвячено розробці моделі УТЧ, що є частиною узагальненої моделі управління транспортними потоками і відповідає за знаходження середньої довжини черги ТЗ на перехресті, враховуючи при цьому можливість обгону ТЗ одне одним.

Розглянемо перехрестя з багатофазним управлінням. Нехай - інтенсивність i-го потоку у k-ій фазі, - потік насичення, який відповідає i-му потоку, - тривалість зеленої фази, - втрачений час у циклі, яке відноситься до потоку з інтенсивністю , n - кількість фаз.

Позначимо через індекс - характеристики потоків в i-ій фазі, для яких виконується рівність при фіксованих значеннях i.

Умови насиченості перехрестя (знаходження ТЗ в черзі протягом часу, що перевищує довжину циклу) визначаються наступними залежностями. Система управління транспортним потоком повинна забезпечувати запобігання утворення черг. Але це не завжди може бути реалізовано. Існують такі перехрестя, які регулярно працюють в умовах затору і не існує можливості для його усунення за рахунок змін схем організації дорожнього руху. Крім того, в певних випадках постає задача забезпечення нормальних умов для функціонування окремих ділянок дорожньої мережі.

Розглянемо задачу забезпечення роботи у стаціонарному режимі без заторів ділянки мережі за рахунок обмеження в'їзду до нього. Введемо наступні коефіцієнти, що будуть характеризувати кожне перехрестя показуючи, яка частина транспорту, що прибуває, рухається через нього прямо, направо, вліво та розгортається. Позначимо їх відповідно через . Тоді у відповідності до системи (2) перехрестя у мережі працюють без заторів, якщо для кожного з них виконуються умови:

Якщо позначити потоки на входах ділянки через , де r - кількість входів, то для будь-якого j всі інтенсивності .

Оскільки за припущенням деякі перехрестя працюють в умовах затору, то для усунення заторів необхідно зменшити інтенсивності (4) транспортних потоків на усіх входах, тобто знайти максимальні значення параметрів , д_n та які задовольняють умовам (3). Отже, знаючи значення усіх інтенсивностей, можна визначити управляючі дії на вхідних перехрестях, що забезпечують отримання необхідних потоків.

Отримання розв'язку відносного зменшення інтенсивностей усіх входів буде визначатися залежністю при умові (5), де - коефіцієнт, що характеризує відносне зменшення інтенсивностей входів.

Тоді розв'язавши задачу для певної ділянки транспортної мережі, можна усунути затори із зони, що досліджується. Поява ТЗ у заданому інтервалі часу t розподілена за наступним законом:

Тоді обгін швидкохідним автомобілем тихохідного буде можливий, якщо будуть виконано наступні три умови:

1) виникла необхідність обгону, тобто перед першим автомобілем в інтервалі часу ф з'явився принаймні один тихохідний автомобіль;

2) на зустрічній смузі руху у відповідному тимчасовому інтервалі ф немає жодного автомобіля;

3) у даному тимчасовому інтервалі ф не з'явиться жоден швидкохідний автомобіль.

Повна відсутність автомобілів на зустрічній смузі при обгоні першим автомобілем тихохідного можлива, якщо на зустрічній смузі не з'явиться жоден автомобіль в інтервалі часу t. Якщо на зустрічній смузі у часовому інтервалі t знаходиться автомобіль, то, очевидно, що маневр обгону неможливий. Розглянемо процес обгону з проходженням за тихохідним автомобілем. Імовірність того, що на зустрічній смузі присутній принаймні один автомобіль.

Тоді імовірність можливості обгону з проходженням протягом часу nt запишеться, враховуючи (7).

Імовірність появи швидкохідного автомобіля визначимо із закону розподілу:

де л_Б - інтенсивність швидкохідних автомобілів у потоці. Імовірність появи швидкохідного автомобіля визначається вмістом таких автомобілів у потоці. Якщо

де л_П - інтенсивність руху у прямому напрямку, тоді імовірність появи швидкохідного автомобіля.

Реалізувати маневр обгону можна у тому випадку, якщо одночасно виникає необхідність в обгоні і можливість обгону. Імовірність необхідності обгону визначається появою у прямому напрямі принаймні одного тихохідного автомобіля, імовірність такої появи визначається виразом:

де л_Т - інтенсивність тихохідних автомобілів у потоці. Аналогічно, імовірність появи тихохідного автомобіля визначається вмістом таких автомобілів у потоці

.

Для визначення довжин черг ТЗ викладено побудову моделі утворення черги ТЗ на регульованому перехресті. Розглянемо перетин двох доріг як систему, в яку поступають автомобілі. Вони можуть або перетнути перехрестя на зелений сигнал світлофора, тобто отримують обслуговування як запити, або становляться у чергу. Якщо (m₁; m₂) - максимальна кількість автомобілів, що спроможна розміститися на дорозі відповідно на кожній зі смуг, = (₁; ₂) - середня довжина черги, t₀ - тривалість горіння зеленого світла, - час, який необхідно витратити на переїзд через перехрестя одним транспортним засобом, тоді пропускна спроможність перехрестя під час горіння зеленого сигналу дорівнює .

Розглянемо накопичення автомобілів у системі за час одного циклу світлофора. Розіб'ємо пряму часу на відрізки довжини та дослідимо поведінку системи у кожній з точок , де , де - величини кількостей транспортних засобів, що відповідають кожній смузі, . Позначимо через - імовірності того, що в n-ий момент часу довжина черги на першій смузі буде складати k автомобілів, де . Позначимо через - імовірність того, що за час t в систему додасться s автомобілів.

Залежності для імовірностей будуть записані у вигляді системи рівнянь, що конструктивно буде складатися з двох частин.

Розв'язавши системи (13), (14), отримаємо значення середніх довжин черг для кожної смуги, що запишуться у вигляді де - імовірності того, що в n-ий момент часу довжина черги на другій смузі буде складати r автомобілів, .

У третьому розділі „Інформаційно-математична модель управління світлофорною сигналізацією” наведено розробку моделі управління світлофорною сигналізацією, що базується на використанні апарату нечіткої логіки. Необхідність використання теорії нечіткої логіки обумовлено невизначеністю інформації на перехресті про потік транспортних засобів. Розробка моделі управління режимами роботи світлофорної сигналізації на основі апарату нечіткої логіки дозволяє вибирати оптимальні варіанти регулювання з найменшим перебуванням транспортних засобів у системі.

1. База правил представляє множину нечітких правил R^(k), k=1, …, N, вигляду:

де N - кількість нечітких правил, - нечіткі множини () - нечіткі множини (), х₁, х₂, …, х_n - вхідні змінні лінгвістичної моделі, причому (х₁, х₂, …, х_n)^Т = хХ₁Х₂…Х_n, у₁, у₂, …, у_m - вихідні змінні лінгвістичної моделі, причому (у₁, у₂,…,у_m)^Т = уY₁Y₂…Y_m.

Символами Х_i, і=1, …, n, та Y_i, j=1, …, m, позначаються відповідно вхідні та вихідні данні.

Змінні х=(х₁, х₂, …, х_n)^Т та у приймають відповідні лінгвістичні або числові значення. При використанні наступних виразів:

Х=Х₁Х₂…Х_n, ,

правила бази запишуться у вигляді нечіткої імплікації:

. (15)

Правила (15) визначаються на множині XY, тоді - нечіткі множини з функціями належності

.

2. Блок фазифікації для кожного значенню вхідного сигналу модуля управління ставить у відповідність нечітку множину . В задачі управління потоками ТЗ використовується операція фазифікації типу синглетон:



3. На вході даного блоку прийняття рішення подано нечіткі множини , на виході у відповідності до узагальненого правила modus ponens отримаємо N нечітких множин

Нечітка множина визначається комбінацією нечіткої множини А та відношення R^(k), тобто: Тоді функція належності нечіткої множини буде мати вигляд:

4. Блок дефазифікації визначає кількісне значення управляючої дії для даних вхідних сигналів (x₁, x₂) та використовує спосіб дефазифікації за середнім центром:

,

де - центром нечіткої множини В^k, причому .

Нехай задано систему перехресть (рис.4). Для синхронної роботи світлофорів необхідно, щоб тривалості циклу кожного з них були однакові. Проміжки часу між початками циклів світлофорів двох прилеглих перехресть є час синхронізації t_с.

Система управління потоком транспортних засобів буде регулювати управління t_с так, щоб мінімізувати наступну суму часу очікування автомобілів:



де t_ij - час очікування автомобілів потоку P_ij, .

В запропонованій СУНЛ в якості вхідних лінгвістичних змінних є наступні:

1) t_о - поточний час синхронізації (16);

2) k_ij - кількість автомобілів, що проїде на зелений сигнал у напрямку P_ij, .

Вихідною лінгвістичною змінною буде t_с - зміна часу синхронізації t_с. Система має для певного набору значень величин k_ij видавати таке значення t_с, яке змінює t_с, наближаючи його до оптимального значення t_опт. База правил заповнюється наступним чином:

1. Для заданих значень k_ij визначається таке значення t_опт, при якому t_о приймає найменше значення.

2. Визначається, при якому t_с значення виразу

буде ближче до оптимального t_опт за допомогою наступної системи:

де t_ц - тривалість циклу світлофора.

Визначимо мінімальне значення t_о. Нехай задано величини t_с, k_ij,.

Введемо наступні позначення:

t_ср - середній час проїзду між перехрестями;

t_р - час розгону автомобіля;

t_г - час гальмування автомобіля;

t_ч - тривалість горіння червоного сигналу світлофора;

t_з - тривалість горіння зеленого сигналу світлофора;

t - проміжок між двома автомобілями, що їдуть.

Тоді час синхронізації та загальний час очікування в залежності від одного з випадків визначаються наступними умовами:

1. Якщо всі автомобілі залишаються на червоне світло та чекають однаковий час, то відповідні параметри (17), (18) знаходяться з виразів:

де s₁₂ - кількість автомобілів потоку P₁₂, що залишились перед червоним світлом.

2. Якщо частина транспортних засобів проїжджає на зелений сигнал, а решта очікує при червоному світлі, то відповідні параметри (19)мають вигляд:

3. Якщо усі автомобілі проїжджають на зелений сигнал, то відповідні значення параметрів часу дорівнюють:

Четвертий розділ „Розробка та дослідження автоматизованої системи управління транспортним потоком міста” присвячено практичній реалізації результатів роботи, в зв'язку з чим розглядається питання оцінки ефективності запропонованих методів моделювання транспортних потоків.

Для практичного дослідження було обрано ділянку транспортної мережі м. Херсона - район ХБК, що налічує 31 перехрестя, схему якого наведено для якого експериментально отримано значення параметрів руху ТЗ.

Зібрано дані про наступні характеристики ланок мережі: довжина, ширина, кількість смуг та наявність дорожньої розмітки для прямих та зворотних напрямків кожного вузла; отримано значення інтенсивностей руху на ділянках мережі; встановлені значення параметрів роботи світлофорів: кількість фаз регулювання, часи циклу, часи проміжних та основних тактів.

Результати досліджень, методи та математичні моделі були використані в автоматизованій системі управління транспортним потоком міста, загальну структуру.

Практично встановлено, що запропонований метод дозволяє покращити комфортність руху транспортних засобів на вулично-дорожній мережі за рахунок зниження величини затримок та зменшення кількості зупинок у порівнянні з традиційним методом світлофорного регулювання.

Обробка експериментальних даних моделювання значень інтенсивностей транспортних потоків на досліджуваних ділянках мережі показала покращення наступних показників: збільшення середньої швидкості проїзду, зменшення інтенсивностей на перегонах та, як наслідок, зменшення довжин черг транспортних засобів на перехрестях мережі.

У додатках наведені: таблиці значень характеристик ланок досліджуваного району транспортної мережі міста, супровідна документація.



ВИСНОВКИ

У процесі проведення досліджень отримано наступні результати:

1. Проведено порівняльний аналіз методів та моделей процесу управління об'єктами транспортних потоків, в тому числі існуючих автоматизованих систем управління дорожнім рухом; моделей утворення транспортних заторів та транспортних черг та визначена необхідність створення математичних і інформаційних моделей та алгоритмів процесів управління об'єктами транспортних потоків на основі підходу, що засновано на використанні апарату нечіткої логіки, яка здатна вирішувати елементарні завдання в умовах невизначеності.

2. Запропоновано модель розрахунку локальних управляючих дій при виникненні транспортної черги. Виведено умови насиченості перехрестя за заданими значеннями інтенсивностей потоків. Визначено параметри управляючих сигналів на перехресті для перерозподілу транспортних потоків, що забезпечують мінімум сумарної тривалості затримки транспортних засобів за час існування затору.

3. Розроблено модель утворення транспортної черги в системі взаємопов'язаних перехресть, що відрізняється від аналогів урахуванням можливості обгону транспортних засобів одне одним, та за допомогою якої можна визначити довжини черг об'єктів транспортних систем на кожній зі смуг кожного перехрестя системи вулично-дорожньої мережі міста.

4. Запропоновано модель режимів світлофорної сигналізації перехрестя та системи перехресть, що базується на використанні апарату нечіткої логіки з методом дефазифікації за середнім центром, що дає більшу ефективність.

5. Обгрунтовано та розроблено модель автоматизованої системи управління дорожнім рухом, заснованої на використанні запропонованих моделей утворення транспортних черг та системи регулювання світлофорною сигналізацією на основі нечіткої логіки, що дає можливість організувати ефективне управління потоком транспортних засобів міста шляхом вибору альтернативних варіантів управління світлофорною сигналізацією та надає раціональні режими регулювання, мінімізуючи час перебування транспортних засобів у системі перехресть. Модель відрізняється від аналогів урахуванням параметрів потоків транспортних засобів, що рухаються за усіма можливими напрямками руху певного перехрестя.

6. Для реалізації запропонованої автоматизованої системи управління дорожнім рухом мережі міста розроблено алгоритмічне забезпечення, що мінімізує час перебування транспортних засобів в системі перехресть.

7. Проведено збір інформації про характеристики транспортних потоків та умови праці технічних засобів регулювання для ділянки транспортної мережі м. Херсона - району ХБК, до якого увійшло 31 перехрестя. Побудовано відповідну топологічну схему досліджуваної ділянки.

8. Проведено експериментальне дослідження запропонованої моделі автоматизованої системи управління транспортними потоками та практичну ефективність у порівнянні з традиційним методом світлофорного регулювання. Виконано обробку даних моделювання значень інтенсивностей досліджуваної ділянки, яка показала покращення наступних показників: збільшення середньої швидкості проїзду, зменшення інтенсивностей та довжин черг транспортних засобів на перехрестях мережі.

Обгрунтування висновків і рекомендацій, наведених у роботі, підтверджуються практичним використанням результатів дисертаційних досліджень.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Славич В.П. Моделювання транспортних потоків міста з використанням нейронних мереж / В.П. Славич // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2007. - № 3 (29). - С. 213 - 217.

2. Славич В.П. Модель автоматизованої системи управління потоками транспортних засобів / В.П. Славич // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2008. - № 1 (21). - С. 20 - 21.

3. Цивильский Ф.Н. Тестирование психофункционального состояния оператора АСУ / Ф.Н. Цивильский, В.П. Славич // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2006. - № 1 (24). - С. 237 - 239. Здобувачем запропоновано кількісні і якісні параметри при побудові моделі АСУ та її практичне використання.

4. Лубяний В.З. Вероятностное моделирование функции отказа / В.З. Лубяний, В.П. Славич // Проблеми інформаційних технологій - 2007. - № 1. - С. 58 - 60. Здобувачем розроблено модель функції відмови при організації міських транспортних перевезень та запропоновано її дослідження на ділянці вулично-дорожьої мережі м. Херсона.

5. Шеховцов А.В. Стохастическая модель процесса обгона на однополосной проезжей части / А.В. Шеховцов, В.П. Славич // Вісті автомобільно-дорожнього інституту. - 2007. - № 1 (4). - С. 52 - 55. Здобувачем розроблено математичну модель процесу обгону та вивід формули розрахунку імовірності обгону групи транспортних засобів.

6. Шеховцов А.В. Моделювання процесу утворення транспортних черг / А.В. Шеховцов, В.П. Славич // Проблеми інформаційних технологій - 2007. - № 2. - С. 41 - 44. Здобувачем розроблено модель утворення черги транспортних засобів на регульованому перехресті та виведено формули розрахунку середньої довжини черги.

7. Шеховцов А.В. Когнитивный анализ социально-экономических показателей / А.В. Шеховцов, В.П. Славич, В.В. Крючковський // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2007. - № 1 (19). - С. 183 - 187. Здобувачем виконано статистичний аналіз досліджуваних даних.

8. Рогальский Ф.Б. Оптимізація руху транспортних потоків міста за допомогою моделі системи управління світлофорної сигналізації / Ф.Б. Рогальский, В.П. Славич, А.В. Шеховцов // Проблеми інформаційних технологій - 2008. - № 1. - С. 92 - 96. Здобувачем розроблено модель управління режимами роботи світлофорної сигналізації на основі нечіткої логіки та виконано її дослідження на ділянці транспортної мережі м. Херсона.

9. Славич В.П. Применение метода функциональных уравнений динамического программирования к решению экономической задачи о замене транспорта / В.П. Славич // Тези доповідей учасників V Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених „Системний аналіз та інформаційні технології - 2003”. - С. 100-101.

10. Шеховцов А.В. Нелинейная регрессия когнитивного выбора / А.В. Шеховцов, В.П. Славич // Збірник матеріалів П'ятої міжнародної науково-пратичної конференції „ІНТЕРНЕТ-ОСВІТА-НАУКА-2006”. - Т.2. - С. 727 - 729. Здобувачем запропоновано принципи практичного аналізу параметрів моделі.

11. Славич В.П. Аналіз моделей процесу утворення транспорних заторів / В.П. Славич, А.В. Шеховцов, В.В. Крючковський // Тези доповідей Першої міжнародної науково-технічної конференції „Інтелектуальні системи в промисловості і освіті - 2007”. - С. 169 - 170. Здобувачем проведено порівняльний аналіз моделей виникнення транспортних заторів із зазначенням їх недоліків.

Размещено на Allbest.ru

...