Основы функционирования интеллектуальных транспортных систем в организации движения и перевозок

Анализируя положение автомобильного транспорта в общей транспортной структуре отечественной и зарубежной экономики, следует отметить, что в ближайшем будущем основные тенденции его развитие выражаются в повышении качества перевозок и дорожного движения на основе современных техники и технологий. Это в первую очередь связано с универсальностью автомобильных перевозок призванных в наибольшей степени отвечать требованиям потребителей, как индивидуальных, так и общественных. Осуществляя более половины объема грузовых и пассажирских перевозок, автомобильный транспорт реализует свое главное преимущество — доставку грузов и пассажиров по принципу «от двери до две.

II ри .

Автомобильный парк России за последние десять лет увеличился на 82% и составил 24,7 млн. автомобилей. Уровень автомобилизации населения за этот же период вырос в два раза и на 1.01. 2001 г. составил 135 легковых автомобилей на 1000 человек населения. Прогноз на перспективу 10 и 20 — лет подтверждает существующую динамику. Рост парка автомобилей соответственно к 2010 году — 40 — 55, к 2020 году — 70 -120%. Уровень автомобилизации предположительно составит в 2010 году — 190−205 авт/1000 чел. К 2020 году уровень автомобилизации приблизится к показателю 320 — 350 авт/1000 чел.(один легковой автомобиль на семью)[107]. В основе интенсивного увеличения парка автомобилей, а следовательно и роста автомобильных перевозок заложены структурные изменения проходящие в транспортной системе России в связи с перестройкой экономики и социально-экономическим развитием общества.

К основным факторам, обуславливающим рост перевозок на автомобильном транспорте и увеличение интенсивности движения на автомобильных дорогах следует отнести: меньшие суммарные затраты на перевозку, перегрузку и хранение по сравнению с другими видами транспортаболее медленный темп роста тарифов на автомобильные перевозки, чем на других видах транспортавысокое качество услуг автомобильного транспорта привлекающее большую часть различных видов перевозок от общего их объемарост деловой активности и подвижности населения вследствие перехода к новым экономическим условиямувеличение количества мелкопартионных, ценных, срочных и скоропортящихся грузовпереселение части городских жителей в пригородные районы, развитие системы отдыха и туризмаразвитие отечественного автомобильного производства, улучшение транспортно-эксплуатационного состояния сети автомобильных дорог и придорожного сервиса.

Однако с ростом автомобилизации современного общества, наряду с повышением качества транспортных услуг, проявляется ряд существенных проблем: рост количества ДТПтоксичные выбросы, шумнизкие скорости движениязаторы в часы «пик» — большие потери времени для участников движенияперепробеги, высокий расход топливаувеличение суммарных эксплуатационных затрат на автомобильные перевозки.

В первую очередь указанные недостатки проявляются в местах концентрации транспортных потоков на участках сети, функционирующих в режимах близких к пропускной способности. Как правило это крупные города — мегаполисы с высоким уровнем автомобилизации. В данной работе эта ситуация рассматривается на примере центра Южного федерального округа и Ростовской области г. Ростова-на-Дону с количеством жителей около одного миллиона, общим числом автотранспорта — 250 тысяч, уровнем автомобилизации — 185 авт/1000 чел. Отметим, что число автомобилей в городе за последние 10 лет увеличилось более чем в 2,5 раза при практически неизменной протяженности улично-дорожной сети. При общем незначительном снижении аварийности на дорогах всей области возрастает удельный вес ДТП на магистралях г. Ростова-на-Дону. Интенсивность движения на магистралях города в часы пик превышает 5000 авт/ч, интенсивность движения маршрутных автобусов на основных магистралях достигает 240 ед/ч, скорость сообщения на наиболее загруженных перегонах падает до 8 — 12 км/ч, при средней скорости движения в центральном деловом районе города — 20±3 км/ч. Токсичные выбросы автомобилей в этом районе составляют около 130 кг — окиси углерода и 13 кг — окиси азота в год на один погонный метр магистральных автодорог. Аналогичная ситуация складывается и в других городах, как в России так и за рубежом.

Растет острота указанных проблем, а следовательно и актуальность их решения. За последние 20 -30 лет многие авторитетные отечественные и зарубежные ученые, специалисты в области прикладных и фундаментальных наук внесли большой вклад в развитие теории транспортных потоков с позиции ее активного использования для решения задач организации дорожного движения. Значительные работы в этой области проводятся учеными и научными школами МАДИ (ТУ), КАДИ, ХАДИ, СибАДИ, ТАДИ, НИЦ ГИБДД МВД России, НИИАТа, РОСДОРНИИ, и других организаций [2, 3, 6, 7, 9, 20, 23, 29−39, 42−49, 53−63, 65−70, 72−78, 86−91, 114−117, 121, 129, 130]. В процессе этих исследований накоплен большой объем научной информации о закономерностях дорожного движения и получены положительные практические результаты при организации автомобильных перевозок и дорожного движения.

Однако решение отмеченных ранее проблем остается до настоящего времени актуальным. Учитывая стохастическую природу дорожного движения, динамичность изменения его характеристик во времени, по прежнему большую сложность представляет процесс качественной оценки и прогнозирования изменений дорожно-транспортных ситуаций на сети автомобильных дорог. Для реализации различных стратегий управления дорожным движением необходимо в реальном режиме времени собрать достоверную информацию о движении автомобилей на сети с учетом вероятностных свойств транспортного потока. От уровня решения этих задач в большой степени зависит правильность и своевременность выбора большой степени зависит правильность и своевременность выбора оптимальных управленческих решений, адекватных реальному состоянию системы «водитель — автомобильдорога — среда» (ВАДС).

Кроме этого, при разработке существующих стратегий управления дорожным движением принято считать, что маршруты индивидуальных автомобилей определяются свободным желанием водителей и, что управление движением осуществляется только с помощью сигналов светофоров, дорожных знаков и указателей. При этом существует возможность предотвратить заторы, рекомендуя водителям или даже вынуждая их изменять маршруты движения, поскольку в принципе возможны наиболее эффективные варианты использования пропускной способности дорожной сети. Это достигается путем исследования и анализа распределения транспортных потоков и своевременного информирования участников движения о наиболее приемлемых маршрутах [53]. Решение задачи в такой постановке затруднялось тем, что до недавнего времени процесс сбора, передачи и обработки информации о состоянии дорожного движения, сети автодорог, транспортном спросе и назначения оптимальных маршрутов отдельным транспортным средствам в реальном масштабе времени не представлялся возможным в силу отсутствия материально-технической, экономической и научной базы [65].

В последние годы в этом направлении произошло ряд существенных изменений. Активно развиваются научные исследования в области развития теории транспортных потоков, их моделирования на макро и микро уровне позволяющие с высокой степенью достоверности решать широкий спектр задач по прогнозированию характеристик транспортных потоков. Разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение оптимизации транспортных сетей и решения транспортных задач с учетом характеристик улично-дорожных сетей [50, 109, 114, 122].

Произошел качественный скачок в разработке и выпуске мощных информационных компьютерных систем, развитии различных, современных видов связи, эффективных навигационных систем, технических средств сбора и обработки информации о характеристиках транспортных потоков и дорожной сети, технических средств организации дорожного движения [19, 24, 25, 31−33, 125].

Это позволяет ставить вопрос о решении проблем организации перевозок и управления движением, как для отдельных автомобилей, так и транспортных потоков на дорожной сети в целом, на качественно новом, более высоком уровне.

Развитые страны мира при организации и управлении движением и перевозками на сети автомобильных дорог все активнее используют технологии интеллектуальных транспортных систем (ИТС) [80, 156, 157, 173, 179]. Отдельные элементы ИТС реализованы и эффективно используются в отечественной практике. Укрепилась устойчивая тенденция дальнейшего совершенствования и внедрения таких систем при организации перевозок и движения [24, 25, 106, 111]. Анализ зарубежного опыта построения и развития ИТС, принципы их интеграции, использования при осуществлении грузовых и пассажирских перевозок, при управлении дорожным движением позволяет сделать вывод о высокой их эффективности, технической возможности и целесообразности использования на автомобильном транспорте.

Термин «Интеллектуальные транспортные системы» в настоящее время характеризует комплекс интегрированных средств управления дорожным движением и перевозками, применяемых для решения всех видов транспортных задач на основе высоких технологий, методов моделирования транспортных процессов, программного обеспечения, организации информационных потоков в реальном режиме времени.

Анализ функционирования таких систем показывает, что концепция их развития включает изучение функций существующих систем управления перевозками и движением, оценку степени влияния различных подсистем ИТС на развитие транспортной системы, создание архитектуры системы и согласование стандартов для развития ИТС, как интегрированных систем.

Технологии ИТС имеют в настоящее время около 60 подсистем различных направлений применения, но при реализации своих функций в отдельности не могут быть в полной мере использованы потенциальные возможности каждой подсистемы как части системы. Максимальный эффект от их использования может быть получен только при общей интеграции отдельных подсистем в единую систему.

Основой для создания ИТС являются существующие автоматизированные системы управления дорожным движением, системы управления движением маршрутного транспорта, автоматизированные системы обнаружения дорожно-транспортных происшествий, системы маршрутной навигации, информационных системы управления дорожной сетью и другие подсистем управления дорожным движением и перевозками. Указанные системы и децентрализованные информационные базы данных объединяются для функционирования в общей ИТС по следующим структурным направлениям:

— объединение по функциональным признакам использования информационных потоков для выполнения различных функций в транспортных системах (управление движением и перевозками, информационное сопровождение водителей, пассажиров и грузов, выявление аварийных ситуаций, электронная оплата проезда и парковки и т. д.);

— объединение по институциональным признакам использования информации различными организационными структурами (органы государственной власти, органы местного самоуправления., частные фирмы и т. д.);

— интеграция баз данных от множества источников получения и обработки информации о транспортных процессах;

— интеграция во времени для отражения характеристик транспортных процессов, моделирования и анализа ситуации в реальном режиме времени.

Современные тенденции развития ИТС показывают, что одной из основных целей их функционирования является предоставление мульти-модальной информации не только для управленческих структур, но и персонально участникам движения. Эта информация должна соответствовать ожиданиям водителей и пассажиров с точки зрения качества поездки — оптимальности маршрута, безопасности, надежности, комфорте и стоимостных параметров.

Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений ИТС является маршрутная навигация [80]. Расширенная концепция навигации в ИТС предусматривает обязательное выполнение таких функции, как мониторинг характеристик транспортных потоков и показателей качества функционирования улично-дорожной сети, определение местоположения транспортного средства с заданной точностью, динамический выбор маршрута движения и информационное обеспечение в реальном режиме времени при прохождении маршрута. Все эти функции по сути дела направлены на повышение эффективности реализации главного преимущества автомобильного транспорта — организацию перевозок по принципу «от двери до двери» .

Однако в реальных условиях на уровень развития ИТС влияет ряд факторов сдерживающих активное использование их технологий при организации и управлении дорожным движением и перевозками. К ним в первую очередь следует отнести:

— недостаточная разработка методов оценки эффективности функционирования ИТС, необходимых для привлечения инвестиций;

— слабая информационная инфраструктура автомобильного транспорта;

— отсутствие современных, экспресс методов снятия характеристик дорожного движения для расчета параметров моделей транспортных потоков;

— отсутствие способов оценки и прогнозирования качества дорожного движения на сетевом уровне.

Кроме этого необходимы развитие и разработка методов, моделей, алгоритмов и программного обеспечения для решения задач оптимизации маршрутов движения, как для отдельных автомобилей, так и распределения транспортных потоков на сети автодорог в условиях применения технологий ИТС.

Таким образом, на основании анализа состояния и перспектив развития стратегий управления дорожным движением и перевозками, с учетом современных научных разработок в этой области и уровня развития техники, четко проявляется противоречие. Суть его заключается в следующем. Новейшие достижения в области информационных технологий, компьютерной техники, современных видов связи, эффективных навигационных систем, технических средств сбора, обработки информации и регулирования дорожным движением не находят широкого применения при управлении автомобильными перевозками и движением из-за недостаточных научных знаний для использования всего спектра функциональных возможностей указанных разработок в условиях ИТС.

В связи с этим дальнейшие исследования по организации перевозок и дорожного движения с использованием технологий ИТС являются весьма актуальными.

Целью исследований является повышение эффективности функционирования интеллектуальных транспортных систем на основе разработки теоретических методов оценки и прогнозирования параметров дорожного движения на регулируемой сети в реальном масштабе времени.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— проведен анализ технологий и функций интеллектуальных транспортных систем, сформулированы принципы интеграции интеллектуальных транспортных систем, выполнена классификация функциональных возможностей ИТС при организации перевозок и движения, произведена прогнозная оценка их эффективности;

— разработаны теоретические основы оценки и прогнозирования качества дорожного движения с использованием моделирования и специфической фактической информации о характеристиках транспортных потоков, которая может быть получена в условиях интеллектуальных транспортных систем;

— исследованы свойства моделей кинетической теории транспортного потока и произведена их адаптация к использованию на сетевом уровне, для условий движения на регулируемой транспортной сети;

— разработаны методы оценки качества движения в реальном масштабе времени на основе информации совокупности «плавающих» автомобилей в сети, участвующих в информационном обмене в ИТС;

— разработаны методы и модели оптимизации маршрутов движения и распределения транспортных потоков в сети с учетом корректировки в реальном масштабе времени;

— разработаны методы, модели и программное обеспечение для реализации динамического руководства маршрутами движения и оптимизации распределения транспортных потоков с использованием технологий интеллектуальных транспортных систем.

Научная новизна:

— в результате проведенных исследований разработаны теоретические и методологические основы оценки качества и прогнозирования свойств дорожного движения на сетевом уровне в реальном масштабе времени для условий функционирования интеллектуальных транспортных систем;

— выявлены закономерности поведения моделей кинетической теории транспортного потока, исследованы их свойства в различных ситуациях, сформулированы условия применения комплекса моделей кинетической теории для прогнозирования движения в ИТС;

— установлены зависимости между параметрами моделей кинетической теории, критериями оценки качества дорожного движения и на этой основе разработаны методы применения совокупности «плавающих» автомобилей для оценки качества функционирования транспортной сети с учетом информационного обмена в ИТС;

— разработаны модели движения транспортных потоков при автоматической идентификации местоположения транспортных средств в сети и определены параметры адаптивного управления с применением навигационных систем, обеспечивающие минимальные общие задержки участников движения;

— разработана классификация методов маршрутного ориентирования, предложены методы маршрутной навигации и информационного обеспечения участников дорожного движения, структур управления перевозками и движением;

— сформулирован методологический подход к применению оптимизации маршрутов движения автомобилей и распределения транспортных потоков на сети автомобильных дорог в условиях ИТС;

— разработаны методика динамического руководства маршрутами автомобилей и оптимизации распределения транспортных потоков на сети автодорог с использованием навигационных систем ориентирования.

Практическая значимость работы:

— на основе проведенных исследований разработан комплекс программ для решения практических задач организации дорожного движения и перевозок;

— разработаны методика, алгоритмы и программное обеспечение построения динамических моделей улично-дорожных сетей с учетом реальных характеристик транспортных потоков, позволяющие проводить модельные исследования по оценке решений организации дорожного движения и развития сети автомобильных дорог;

— предложены практические рекомендации поэтапного развертывания подсистем ИТС на автомобильном транспорте с последующей их интеграцией с единую систему;

— разработана методика оценки качества и прогнозирования условий движения на сети автомобильных дорог с использованием информации «плавающих автомобилей» ;

Получены также частные результаты, имеющие практическую ценность: на основе разработанных методов моделирования созданы динамические модели улично-дорожных сетей г. Ростова-на-Дону и Ростовской области, сформированы базы данных по нимполучен значительный объем экспериментальных данных о характеристиках транспортных потоковпроведены модельные исследования по оценке управленческих решений организации движения, строительства и реконструкции автодорог.

Результаты исследований вошли в учебное пособие «Интеллектуальные транспортные системы в дорожном движении» рекомендованное УМО вузов РФ по автотранспортному и дорожному образованию для межвузовского использования при проведении занятий со студентами специальностей 240 100 «Организация перевозок и управление на транспорте», 240 400 «Организация и безопасность движения» .

Достоверность результатов теоретических и экспериментальных исследований обеспечивается математической строгостью и обоснованностью применения методов теории транспортных потоков, теории вероятности и статистики, сопоставимостью полученных показателей в итоге независимых расчетов по различным моделям в зоне пересечения областей их применения, а также сходимостью теоретических и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на коллегиях Администрации г. Ростова-на-Дону (1997 и 1998 г. г.), семинарах кафедры «Автомобильные перевозки» МАДИ (ТУ) (1998 и 2001 г. г.), Международной научно-технической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса» (Ростов-на-Дону, 1998 г.), 2-й Международной научно-технической конференции «Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, 1998 г.), Международных научно-технических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 1999 г., 2000 г., 2001 г.), научно-технических конференциях МАДИ (ТУ) — 57-ой, (1999г.), 58-ой, (2000 г.), Международной научно-технической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 1999 г.), Международной научно-технической конференции «Логистика: стратегия и тактика антикризисного управления» (Ростов-на-Дону, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса» (Краснодар, 1999 г.), IV Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно-педагогические технологии» (Омск, 2000 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений» (Краснодар, 2000 г.), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (Ставрополь, 2000 г.), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и проблемы экологической безопасности» (Ростов-на-Дону, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития» (Москва, МАДИ (ТУ), 2000 г.), 2-м Европейском конгрессе «Intelligent Transportation System in Europe» (Бильбао, 2001 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 32 печатные работы, в т. ч. монография и учебное пособие с грифом УМО вузов РФ по автотранспортному и дорожному образованию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и 4 приложений. Работа изложена на 335 страницах машинописного текста, включает 101 рисунок, 38 таблиц, список литературы из 192 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Анализ состояния и перспектив развития стратегий управления дорожным движением и перевозками показал, что применение новейших разработок информационных технологий, компьютерной техники, современных видов связи, эффективных навигационных систем, технических средств сбора, обработки информации и регулирования дорожного движения сдерживается недостаточными научными знаниями в области теории транспортных потоков для использования всего спектра функциональных возможностей указанных разработок в условиях ИТС.

2. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные основы оценки качества и прогнозирования свойств дорожного движения на сетевом уровне в условиях функционирования ИТС. Создана принципиально новая методология мониторинга характеристик транспортных потоков на основе развития кинетических моделей транспортных потоков и разработанного метода получения оперативной информации о параметрах движения с применением «плавающих» автомобилей.

3. Исследования проектов развития интеллектуальных транспортных систем показали высокую эффективность их использования при решении проблем организации дорожного движения и перевозок на автомобильном транспорте. На их основе выработаны единая терминология, формы и принципы интеграции, предложена общая архитектура построения ИТС на государственном уровне. Выполнена классификация методов маршрутного ориентирования, предложены методы маршрутной навигации и информационного обеспечения участников дорожного движения, структур управления перевозками и движением. Определены дальнейшие направления научных исследований в этой области, связанные с расширением функциональных возможностей ИТС на основе: разработки методов оперативной оценки качества дорожного движения на сетевом уровне с использованием информации «плавающих» автомобилейисследований и адаптации для новых условий применения кинетических моделей транспортных потоков и разработки новых методов, моделей и программного обеспечения для решения комплекса оптимизационных задач управления движением и перевозками в ИТС.

4. На основе проведенного многомерного анализа параметров кинетических моделей транспортных потоков сформированы классификационные признаки их применения для прогнозирования свойств дорожного движения в различных конкретных условиях. Проведена адаптация моделей кинетической теории транспортных потоков для городской улично-дорожной сети. Разработаны методы получения экспериментальных параметров этих моделей на сетевом уровне. Исследованы закономерности изменения и свойства такого важного параметра, как доля одновременно остановившихся автомобилей в сети. Разработаны прогнозные модели имеющие высокую степень адекватности с экспериментальными данными. Получены зависимости между параметрами кинетических моделей и характеристиками транспортных потоков по которым можно осуществлять прогнозирование изменения условий движения на улично-дорожной сети с различным уровнем организации дорожного движения.

5. Разработаны эффективные для условий ИТС методы оперативного сбора достоверной информации о характеристиках дорожного движения с помощью «плавающих» автомобилей. Методами кластерного и дисперсионного анализа обоснована дискретность снятия информации «плавающего» автомобиля для получения достоверных данных о доле одновременно остановившихся автомобилей в сети. Анализ сопоставимости оценки условий движения на сетевом уровне при различных схемах движения «плавающих» автомобилей показал возможность получения достоверной информации о параметрах транспортных потоков при случайной схеме движения, что существенно важно для применения технологий ИТС. В связи с этим получили развитие двухкомпонентные модели кинетической теории транспортных потоков путем их адаптации к сетевым условиям работы в реальном масштабе времени. Выявлены зависимости между основными параметрами указанных моделей и определены области их применения для оценки качества и прогнозирования свойств дорожного движения.

6. В результате модельных исследований определены условия идентификации маршрутного транспорта оборудованного навигационными системами с учетом интенсивности его движения на сети с целью снижения задержек на регулируемых пересечениях. Полученная на основе моделей теории катастроф микромодель движения автомобилей на сети позволяет учитывать специфику решения задач в условиях ИТС связанную с применением переменной дискретности и имитационного моделирования параметров модели с учетом стохастических свойств дорожного движения в условиях использования автомобильных систем маршрутной навигации.

7. Разработанные с учетом особенностей функционирования ИТС методы, модели, алгоритмы и программное обеспечение позволяют решать широкий спектр практических задач по оптимизации распределения транспортных потоков на сети и динамическому руководству маршрутами отдельных автомобилей. Они учитывают требования к экологическим показателям, безопасности движения и условиям поездки, а так же реальное состояние улично-дорожной сети. Полученные динамические модели позволяют проводить имитационные исследования по оценке качества и прогнозированию характеристик движения, оценивать эффективность стратегий организации дорожного движения, вариантов развития сети автомобильных дорог и планирования расходов на ее эксплуатацию.