Учебное пособие 1304

На правах рукописи

ВРУБЛЕВСКАЯ Светлана Семеновна

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ

ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ В НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТАХ

Специальность 05.13.10 – управление в социальных и

экономических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2012

3

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Подольский Владислав Петрович

Официальные оппоненты:

Самодурова Татьяна Васильевна, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» / кафедра проектирования автомобильных дорог и мостов, профессор

Азарнова Татьяна Васильевна, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет» / кафедра математических методов исследования операций, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится 25 мая 2012 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.033.03 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:

394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан « 24» мая 2012г.

4

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Бесперебойное функционирование дорожнотранспортного комплекса является базовым условием устойчивого развития экономики страны и социального благополучия населения. Автомобилизация, играя положительную роль в развитии экономики и общества, без соответствующего инфраструктурного подкрепления порождает ряд серьезных проблем в области дорожного движения, имеющих далеко идущие последствия для социальной и экономической сферы. К наиболее серьезной из таких проблем относится ограниченная пропускная способность сети автодорог, сложившихся еще в советское время и по старым стандартам. В связи с постоянным ростом населения городов данная проблема рано или поздно станет актуальной в большинстве населенных пунктов.

Взаимосвязь автодорог и города очевидна. Основными особенностями данных объектов является их большой срок службы и высокая стоимость, что органически приводит к положению о том, что данная проблема для настоящего времени может решаться при сохранении данных объектов в настоящем виде. Экономические расчеты показывают, что воздействие на дороги более предпочтительно, чем на строения, хотя тоже не безболезненно с экономической точки зрения. Опыт многих крупных мегаполисов мира показывает, что строительство новых и реконструкция существующих магистралей и дорог при постоянном росте количества транспортных средств не позволяют полностью сократить разницу между пропускной способностью уличнодорожной сети (УДС) и уровнем спроса на автомобильные перевозки.

Реальное решение транспортной проблемы заключается в достижении баланса между все возрастающим спросом на транспортные услуги с одной стороны и реальной перевозочной способностью транспортного комплекса с другой. Поэтому в техническую и организационную структуру регулирования дорожного движения надо закладывать не только управление транспортными потоками с целью увеличения пропускной способности отдельных видов транспорта или объектов транспортной инфраструктуры (например: отдельные маршруты автобусных перевозок или бессветофорное движение), а обеспечение пассажирских и грузовых перевозок в целом по транспортной сети города по требуемым маршрутам. В соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)» принимается значительный комплекс мер по решению транспортной проблемы: оснащение дорог объектами автоматизации, ремонт существующей инфраструктуры, изменение нормативной базы, повышение ответственности участников дорожного движения и многое другое.

Пока данные меры не привели к требуемому эффекту – повышению пропускной способности автодорог. Причина данного результата кроется не только в отсутствии должных средств и ресурсов, но и в слабой координации деятельности органами государственной власти и местного самоуправления в данной области, а зачастую и их демотивированности к этому виду деятельности (например: постоянные задержки сотрудников ГИБДД при прибытии к

3

месту ДТП и т.д.). Механизмы страхования при организации дорожного движения также используются не в полной форме. Необходимо создать органы управления и организации дорожного движения в городах, которые должны обеспечить координацию усилий всех структур к решению транспортной проблемы.

В работе использованы труды таких авторов, разрабатывающих теорию графов, как Ахо А., Басакер Р., Беллман Р., Беллмор М., Берж К., Гудман С., Евстигнеев В.А., Ерусалимский Я.М., Зыков А.А., Иванов Б.Н., Конвей Р.В., Литл Дж., Майника Э., Новиков Ф.А., Оре О., Рейнгольд Э., Романовский И.В., Свами М., Уилсон Р., Харари Ф. Организация эксплуатационной работы на транспорте рассмотрена в трудах Буянова В.А., Зубкова В.Н., Кочнева Ф.П., Мамаева Э.А., Осьминина А.Т., Прилепина Е.В., Сологуба Н.К., Смехова А.А., Тишкина Е.М., Угрюмова А.К., Шарова В.А., Эрлиха Н.В.

Таким образом, актуальность исследования обусловлена необходимостью изыскание нового научного подхода к задаче повышения обоснованности и эффективности решений, принимаемых в процессе управления и организации дорожного движения в крупных городах и обеспечивающих снижение временных затрат должностных лиц при организации взаимодействия с органами государственной власти и местного самоуправления при существующем управленческом персонале для повышения пропускной способности, является актуальным в научном и практическом плане.

Основные исследования, получившие отражение в диссертации, выполнялись по плану инициативного гранта Российского фонда фундаментальных исследований: 10-07-00463 «Разработка математических моделей, синтез методов и алгоритмов при управлении бизнес-процессами в системах организационного управления».

Цель исследования заключается в разработке и экспериментальной проверке эффективности системы управления дорожным движением в городских условиях, обеспечивающей сокращение временных затрат должностных лиц при организации взаимодействия с органами государственной власти и местного самоуправления за счет интеллектуализации их деятельности при заданных критериях качества.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основ-

ных задач:

проанализировать существующие системы управления и организации дорожного движения крупных городов России и за рубежом и выявить основные проблемы их функционирования;

разработать модель для оценки загруженности автомагистралей города по критерию скорости движения транспортных средств (ТС) и пропускной способности;

сформировать модель взаимодействия органов государственной власти и местного самоуправления с подрядчиками и страховыми компаниями с целью повышения мотивированности при управлении и организации дорожного движения;

4

синтезировать комбинированный метод страхования ответственности организаций обеспечивающих управление дорожным движением за результаты;

разработать механизм классификации показателей организации дорожного движения позволяющий на основе методов численной таксономии определять степень их важности и значимости при осуществлении мероприятий по контролю дорожного движения;

разработать алгоритм функционирования системы управления и организации дорожного движения в городах, позволяющий повысить пропускную способность УДС за счет улучшения качества принимаемых решений;

провести экспериментальные исследования предложенной структуры системы управления и организации дорожного движения в городах для аналитического сравнения с существующими, 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:

1.Разработана модель для оценки загруженности автомагистралей города по критерию скорости движения транспортных средств и пропускной способности позволяющая проводить оценку в динамике функционирования за счет использования модифицированного алгоритма для определения максимального потока;

2.Сформирован механизм классификации показателей организации дорожного движения позволяющий на основе методов численной таксономии определять степень их важности и значимости при осуществлении мероприятий по контролю дорожного движения;

3.Синтезирована модель взаимодействия органов государственной власти и местного самоуправления с подрядчиками и страховыми компаниями, позволяющая повысить их заинтересованность к выполняемым мероприятиям за счет нахождения Парето - оптимального равновесия;

4.Разработать механизм анализа дорожных ситуаций, обеспечивающий минимизацию времени реакции диспетчеров на возникающие дорожные ситуации за счет использования аппарата искусственного интеллекта.

5.Получен алгоритм функционирования системы управления и организации дорожного движения в городах, позволяющий повысить пропускную способность УДС за счет улучшения качества принимаемых решений.

Достоверность научных результатов. Научные положения, теорети-

ческие выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, обоснованы математическими доказательствами. Они подтверждены расчетами на примерах, производственными экспериментами и многократной проверкой при внедрении в практику управления.

5

Практическая значимость и результаты внедрения. На основании выполненных исследований синтезированы методы, модели и алгоритмы обеспечивающие управление и организацию дорожного движения в городских условиях с существенным сокращением временных затрат должностных лиц при организации взаимодействия с органами государственной власти и местного самоуправления за счет интеллектуализации их деятельности при заданных критериях качества.

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 следующих предприятий: ГУ «Межрегиональная дирекция по дорожному строительству ДСД Центр» (Воронежский филиал).

Методы, алгоритмы и модели включены в состав учебного курса «Организация, планирование и управление дорожным комплексом», в Воронежском государственном архитектурно–строительном университете.

Апробация работы. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на конференциях: международной научно-практической конференции «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, СТИ МИСиС, 2006 г.) и международной научной конференции «Сложные системы управления и менеджмент качества» (Старый Оскол, СТИ МИСиС, 2007 г.), четвертой международная научнопрактической конференции «Системы управления эволюцией организации» (Санья, Китайская Народная республика, 2007 г.), международной научно - технической конференции «Наука и технологии актуальные проблемы (9-14 апреля Ставрополь, 2007), «62 – 64 научно – технические конференции ВГАСУ» (г. Воронеж 2007 – 2010 гг.); межд. науч.- практич. конференция «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» (22 сентября 2010, г. Воронеж); 65-й всероссийской научно-практической конференции «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий», Пенза, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ общим объемом 63 страницы (лично автором выполнено 23 с).

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: в работах [2], [4], [6], [9] автором разработана модель для оценки загруженности автомагистралей города; в работах [5], [15] автору принадлежит механизм классификации возникающих дорожных ситуаций; в работах [8], [13], [14] автор разработал модель взаимодействия органов государственной власти и местного самоуправления с подрядчиками и страховыми компаниями; в работах [3], [12] автором предложен алгоритм извлечения знаний для машины вывода; в работах [7], [10], [11] автору принадлежит алгоритм функционирования системы управления и организации дорожного движения в городах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит

6

134 страниц основного текста, 28 рисунков, 19 таблиц и приложения. Библиография включает 148 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, описываются цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проанализированы существующие варианты центров управления дорожным движением городов и функционирующих на их базе автоматизированных систем управления дорожным движением: АСУДД «КС» (Екатеринбург, Тамбов, Тюмень, Томск), «Агат» (Санкт-Петербург), «КОМКОН – АСУ ДД 2.2» (Москва), «Город-М1» (Минск), «SITRAFIC P2» (фирма Siemens), рассматриваются схемы управленческой деятельности сотрудников центров управления дорожным движением, определены основные объекты в структуре управления транспортными потоками улично-дорожной сети города. Типовой вариант ЦУДД представлен на рис.1.

Рис.1. Типовой вариант ЦУДД

Рассмотрим существующую модель системы организации и управления дорожным движением. Тогда, объектом управления является транспортный поток M, перемещающийся по УДС L. Задача управления формулируется следующим образом: необходимо организовать движение транспортного потока M так, чтобы обеспечить максимальную пропускную способность перекрестков. Имея поток Mi на участке схемы Li и воздействуя на него управляющим органом (центром организации дорожного движения) U, получим другой поток Mj на следующем участке Li+1.

7

Решение данной задачи проводится на основе теории графов путем сопоставления множества сегментов улиц города графу Х, вершинами которого являются точки пересечения/соединения сегментов улиц города. Ребра графа Х задаются по следующему правилу (матрица смежности): Хij= 1, существует участок дороги, соединяющий перекрестки i и j (длинной в 1 квартал), пригодный для проезда транспорта. Хij= 0, не существует таких участков дорог. Далее для нахождения кратчайшего пути используется один из алгоритмов теории графов, например алгоритм Дейкестры. При наличии отрицательных значений фактора можно использовать алгоритм Форда: Мура и Беллмана. Однако применение данного аппарата имеет ряд недостатков: граф Х- ориентированный по способу построения возможно определение пропускной способности на улицах с односторонним движением; возможные варианты задания весов дуг, что не позволит гарантировать увеличение пропускной способности УДС.

Таким образом, существующие модели управления транспортными потоками городов не могут помочь центрам управления дорожным движением решить главную задачу – минимизацию заторов на перекрестках УДС, а рассмотренные варианты АСУДД в силу локальности применения и трудностями обусловленными отсутствием надежных методов прогнозирования распределения транспортных потоков при различных вариантах проектных решений и большого количества факторов, влияющих на интенсивность автомобильного транспорта имеют многовекторный характер. Необходимо решение следующих задач: разработать и обосновать модель интеллектуальной системы управления транспортными потоками города позволяющую выявлять «узкие» места в ее функционировании; сформировать модель классификации автомагистралей и перекрестков города позволяющую определять степень их важности и значимости при осуществлении мероприятий по управлению транспортными потоками; синтезировать механизм прогнозирования состояний автомагистралей и перекрестков, который позволяет определить оптимальные режимы работы светофорных объектов для любого времени суток и года; разработать механизм анализа состояния загруженности автомагистралей обеспечивающий минимизацию времени реакции диспетчеров на вероятности возникновения заторов.

В заключение первой главы приводятся критерии эффективности разрабатываемой системы организации и управления дорожным движением основными из которых являются: допустимое изменение абсолютных показателей количества заторов УДС; сокращение транзакционных издержек -

i l

WТИ i Zi Ni , определяющий долю снижения затрат диспетчеров цен-

i 1

тра управления дорожным движением на выполнение своих основных функций.

Во второй главе рассматриваются методы организации и управления дорожным движением в населенных пунктах.

8

В первом параграфе описывается модель для оценки загруженности автомагистралей города по критерию скорости движения транспортных средств и пропускной способности. Необходимо определить общее состояние системы управления для любого рассматриваемого момента времени.

Представим УДС, как ориентированную сеть с параметрами G=(N, А) - ориентированная сеть, где N={1, 2,... ...,n} — множество перекрестков, А - множество автомагистралей. Будем использовать специальный граф, вершины которого соответствуют перекресткам, а атрибуты этих вершин – конкретным направлениям движения ТС, стоп-линиям на подходах к перекресткам, на пешеходном переходе и железнодорожном переезде – являются границами участка, дуга – направления движения и пропускная способность Vij (рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент представления УДС в виде атрибутивной ориентированной сети для перекрестка 1

На рис.3 дано представление данного графа в виде списка смежных вершин.

Рис. 3. Представление графа УДС с помощью списков смежных вершин

Тогда при организации и управлении дорожным движением возникнет задача определения пропускной способности дуг графа, как между перекрестками, таки между атрибутами сети в динамике. Рассмотрим ребро (i, j) – направления движения между атрибутами вершин графа с пропускной способностью (Vij, Vji), тогда - (vij, vji) – остаточные пропускные способности.

9

Для перекрестка j, получающего транспортный поток от перекрестка i, определим метку [i, aj], где aj – величина потока, протекающего от узла j к узлу i.

Рассмотрим алгоритм нахождения пропускной способности в атрибутивном графе УДС.

Шаг 1. Для всех ребер (i, j) положим остаточную пропускную способность равной первоначальной пропускной способности, т.е. приравняем: (vij, vji) = (Vij, Vji). Назначим a1 = ∞ и пометим узел 1 меткой [-, ∞]. Отсюда i = 1.

Шаг 2. Определяем множество Qi как множество узлов j, в которые можно перейти из узла i по ребру с положительной остаточной пропускной способностью (т.е. vij > 0 для всех j Qi). Если Qi ≠ Ø, выполняем третий шаг, в противном случае переходим к шагу 4.

Шаг 3. Во множестве Qi находим узел k, такой, что

vik = max {vij} (при j Qi)

Пусть ak = cik, тогда пометим узел k меткой [i, ak]. Если последней меткой помечен узел стока (т.е. если k = n), сквозной путь найден, и мы переходим к пятому шагу. В противном случае берем i = k и возвращаемся ко второму шагу.

Шаг 4. Если i = 1, сквозной путь невозможен, и мы переходим к шагу 6. Если i ≠ 1, находим помеченный узел r, непосредственно предшествующий узлу i, и удаляем узел i из множества узлов, смежных с узлом r. Полагаем i = r и возвращаемся ко второму шагу.

Шаг 5. Обозначим через Np = {1, k1, k2, …, n} множество узлов, через которые проходит p–й найденный сквозной путь от узла источника (узел 1) до узла стока (узел n). Тогда максимальный поток, проходящий по этому пути, вычисляется так:

способностей ребра (i, j), можно вычислить оптимальный поток через это

ребро следующим образом. Положим (α, β) = (Vij - vij, Vji - vji). Если α > 0, поток, проходящий через ребро (i, j) равен α. Если же β > 0, поток равен β.

(Случай, когда одновременно α > 0 и β > 0, невозможен).

10