Теоретические основы построения автоматической системы диспетчерского управления движением общественного транспорта

Перестроечные процессы в экономике ужесточают требования к качеству транспортного обслуживания населения. В этих условиях уровень организации и эксплуатации городского пассажирского транспорта оказывает все большее влияние на ход общественного производства.

Еще одна причина необходимости повышения уровня управления общественным транспортом заключается в постоянном увеличении численности последнего, обуславливаемом стремлением повысить чистоту воздуха в городах за счет возрастания доли пассажирских перевозок на общественном транспорте. Соотношение между различными видами транспорта в городах Европы прежде всего диктуется экологическими требованиями. Так, например, в Швейцарии проведенные плановые мероприятия дали весомые результаты за счет повышения степени использования общественного транспорта при определенном сокращении числа индивидуальных транспортных средств.

Для повышения привлекательности пассажирских поездок на городском транспорте разрабатывается целый комплекс мер. Осуществляется переход на троллейбусное движение в городах Цюрих, Аргау, Базель, Санкт-Галлен и других, поскольку поездки на электрическом транспорте пользуются у пассажиров большей популярностью.

В последнее время трамвай, благодаря своей экономичности, получает сейчас очень широкое распространение в городах Европы, Америки и Азии. Даже в Лондоне опять появляются трамваи, которые к 2000 году начнут курсировать вдоль берегов Темзы.

Трамвай становится все более комфортабельным. Появляются образцы вагонов с низким полом, кондиционером и так далее. Начало эксплуатации в июле 1995 года на улицах Лиссабона первого сочлененного трамвая знаменует новый этап в модернизации трамвайного движения в столице Португалии. Сочлененные вагоны могут перевозить до 210 пассажиров.

С целью улучшения транспортного обслуживания населения и оздоровления экологической обстановки в городе департамент науки и промышленной политики, департамент экономической политики и развития г. Москвы, Управление транспорта и связи и АО «Московский комитет по науке и технологиям» объявили конкурс по созданию унифицированного троллейбуса особо большой пассажировместимости для города Москвы (распоряжение премьера правительства Москвы от 7 апреля 1997 г. N 351-РП).

Однако увеличение доли пассажирских перевозок на электрическом транспорте и рост его весогабаритных характеристик еще больше ужесточают требования к диспетчерскому управлению. Во-первых, регулирование движения троллейбусов и трамваев, которые не могут совершать обгон идущего впереди однотипного транспортного средства, нужно производить таким образом, чтобы уменьшить взаимные помехи, создаваемые участниками перевозочного процесса. Особенно остро эта проблема возникает на тех участках транспортной сети, по которым пролегает несколько маршрутов общественного транспорта. Во-вторых, непреднамеренное скопление электрических транспортных средств может вызвать перегрузку подстанции, питающей контактную сеть силовой энергией-, и полную остановку пассажирских перевозок.

Управление общественным транспортом и контроль за его движением осуществляется за рубежом автоматизированными системами, которые повышают уровень соблюдения графиков движения, согласовывают взаимодействие различных видов транспорта на узловых пунктах, улучшают информационное обслуживание пассажиров на остановочных пунктах [120] и создают информационную базу для планирования перевозок и диспетчерского’управления. Все чаще стали внедряться новые виды оплаты проезда на городском транспорте, которая производится с помощью пластиковых или магнитных карточек [111].

Перечисленные меры повышают качество предоставляемых транспортных услуг, что заставляет население часто отказываться от поездок на своем автомобиле и использовать для передвижения городской транспорт.

Техническая политика, проводимая у нас в отрасли транспорта, направлена на создание автоматизированных рабочих мест с персональными компьютерами, а также — автоматизированных систем диспетчерского управления движением городского транспорта. В последнее время предпринимаются попытки применения для этих целей навигационных систем типа ГЛОНАСС или НАВСТАР [45], которые могут с высокой точностью определять местонахождение транспортных средств на дорожной сети. Однако какова бы ни была точность этой системы, она не сможет сколь-нибудь существенно повысить качество управления городским транспортом по следующим причинам.

Несмотря на различие принципов построения автоматизированных систем диспетчерского управления и задач, решаемых ими, все они имеют один общий существенный недостаток — выполнение самых сложных и ответственных операций анализа поступающей на диспетчерский пункт информации и выработки управляющих воздействий ложится на долю диспетчерского аппарата. Можно считать давно доказанным — человек способен за рабочий день выполнить ограниченное число элементарных логических и вычислительных операций, и если принять еще во внимание то обстоятельство, что работа диспетчера, связанная с анализом и управлением, является творческой, то он сможет сделать гораздо меньшее число элементарных. операций по принятию решений. Вследствие сложности и многообразия объектов управления, взаимосвязей между ними, влияния дестабилизирующих факторов среды, в которой функционируют эти объекты, а также ограниченной возможности мозга человека по объемам переработки информации, диспетчер не может охватить и осмыслить весь поток сведений, поступающий к нему, оценить сложившуюся обстановку, найти и принять оптимальный вариант решения.

Совершенствованием технических средств автоматизированной системы нельзя постоянно добиваться повышения эффективности управления движением транспортных средств. Наоборот, с каждым этапом модернизации технической базы относительный уровень эффективности управления будет падать, поскольку существует некий предел, при достижении которого дальнейшее повышение качества автоматизированной системы невозможно. В связи с этим возникает необходимость внедрения новых информационных и управленческих технологий, которые позволят повысить степень автоматизации существующих систем, то есть совершить переход к автоматическим системам диспетчерского управления общественным транспортом.

Переход на автоматизацию всего технологического процесса диспетчерского управления, включая анализ поступающей информации и выработку управляющих воздействий, сопряжен с рядом объективных трудностей.

Для создания автоматической системы необходимо, в первую очередь, разработать методы, которые обеспечивали бы переработку поступающей информации и управление транспортными средствами с учетом динамики перевозочного процесса, в целях максимального улучшения качества удовлетворения потребности городского населения в поездках на городском транспорте. После этого определяются структура и состав средств реализации этих методов.

Очевидно, чтобы анализировать поступающую информацию и вырабатывать решения, системе необходимо иметь математические модели и правила переработки информации, благодаря которым последняя преобразуется в управляющие параметры, создание моделей в конечном счете производится для того, чтобы с их помощью можно было бы предвидеть развитие явлений, и в этом смысле динамическим моделям должно быть отдано предпочтение. Однако существующие в области передвижения населения модели в большинстве своем являются статическими по существу, поскольку в них в явном виде не входит параметр времени [27]. Такой подход оправдывает себя, когда надо решать задачи по развитию транспортной сети в городе, но он неприемлем для оперативного управления движением городского пассажирского транспорта.

Рассмотрение модели [75] простейшего цикла движения в отрыве от реально протекающих на дорожной сети процессов лишь очень приближенно отражает действительность. Более того, математические модели должны отражать динамику хода перевозочного процесса в целом, а не только движение отдельных транспортных единиц, участвующих в пассажирских перевозках.

Существующие в настоящее время методы (талонный, счетно-глазомерный и другие) не позволяют выявить динамику формирования пассажиропотоков и получить необходимые данные для вычисления параметров математических моделей. Поэтому требуется создание новых методов исследования пассажиропотоков с учетом динамики их формирования во времени и по направлениям транспортной сети города, которые обеспечили бы исчерпывающей информацией процесс создания математических моделей.

Для предоставления картины циркуляции информации в системе необходимо создание информационной модели, отражающей структуру этой системы. Построение модели предполагает определение прежде всего состава входных данных, необходимого и достаточного для последующей переработки в целях управления, путей и последовательности переработки получаемой информации, функций блоков переработки информации и содержательности информационных массивов.

При управлении ходом перевозочного процесса следует учитывать то обстоятельство, что отрицательные последствия, связанные с отклонениями от нормального протекания этого процесса, нельзя, как правило, быстро устранить, поэтому необходимо постоянное моделирование картины пассажирских перевозок, обеспечивающее прогнозирование результатов управления. Поскольку непосредственно сам процесс диспетчерского управления представляет собой очень сложный механизм, то моделирование его с помощью математических выражений существенно затруднено. Поэтому представления о диспетчерском управлении больше укладываются в идею использования нечеткой логики, которая дает возможность создать хорошую качественную модель системы.

Для автоматической системы диспетчерского управления движением городского пассажирского транспорта характерна большая пространственная разнесенность, поэтому для согласованного функционирования необходима синхронизация работы всех ее звеньев.

Следует заметить, что для оперативного вмешательства в существующий план пассажирских перевозок автоматическая система должна постоянно осуществлять активный контроль за ходом перевозочного процесса, позволяющего заранее обнаружить развитие нежелательной ситуации и принять необходимые меры к ее устранению.

В условиях работы автоматической системы диспетчерского управления пассажирам, ожидающим на остановочных пунктах транспортные средства, может быть передан весь необходимый состав данных о ходе перевозочного процесса, что является дополнительной услугой, улучшающей качество их обслуживания.

Таким образом, только полная автоматизация функций диспетчеризации может поднять уровень работы городского пассажирского транспорта, что улучшит качество предоставления транспортных услуг населению. Речь идет о создании по существу системы диспетчерского управления нового поколения, которую можно назвать дискурсивной (лат. сЦБсигБиз рассуждение) системой транспортной диспетчеризации (ДСТД).

Настоящая диссертация посвящена разработке теоретических основ построения автоматической системы диспетчерского управления движением городского пассажирского транспорта.

В связи с этим была сформулирована следующая научная проблемавыявить основные закономерности случайных явлений перевозочного процесса и главные критерии его качества и на их основе разработать теорию построения автоматической системы диспетчерского управления движением общественного транспорта.

Решение сформулированной проблемы предполагает выполнение следующих задач:

1. Провести анализ современных методов и средств контроля и управления движением городского пассажирского транспорта.

2. Разработать концепцию построения автоматической системы диспетчерского управления движением ГПТ, новые технологические методы, управления перевозочным процессом и его главные критерии качества.

3. Разработать структуру и состав параметрических связей автоматической системы диспетчерского управления движением ГПТ, 9 произвести синтез образующих ее систем и выбор технических средств автоматизации.

4. Разработать метод к методику статистического исследования пассажиропотоков с учетом динамики их формирования во времени и по направлениям транспортной сети города.

5. Разработать метод и методику статистического исследования транспортной сети города, а также классификацию маршрутов, основанную на видах моделей движения транспортных единиц по участкам дорожной сети.

6. Разработать математические модели (математическое обеспечение автоматической системы диспетчерского управления), описывающие динамику перевозочного процесса, оценить прогнозируемые параметры.

7. Разработать информационную модель автоматической системы диспетчерского управления ГПТ. Определить необходимый и достаточный для последующей переработки состав входных информационных данных, функции блоков переработки информации и содержательность информационных массивов.

8. Разработать модель нечеткого управления ходом перевозочного процесса на основе метода нечеткого управления с прогнозированием и правила (алгоритмы) составления графиков движения транспортных единиц, а также правила контроля и управления высокого и низкого уровней.

I. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГОРОДСКОГО ПАССАЖИРСКОГО ТРАНСПОРТА.

Выводы к шестой главе.

1. Показана целесообразность применения метода нечетного управления с прогнозированием для выполнения операций анализа поступающей с транспортной сети информации и выработки управляющих воздействий.

2. Разработана модель автоматического управления ходом перевозочного процесса. Показано, что определение величины времени выработки управляющих воздействий, которое зависит от темпа движения транспортных единиц, их количества и числа остановочных пунктов, для объекта управления сводится к одной из задач систем массового обслуживания.

3. Определен вид функции степени достижения цели управления, представленной обобщенным критерием эффективности поездки. Дан физический смысл этого критерия и показаны пути нахождения производящих его частных функций.

4. Разработан метод составления графиков движения, обеспечивающий на участках дорожной сети движение транспортных единиц в режиме «следование за лидером» или «свободное движение». Получено выражение (6.15), обозначающее границу перехода движения из режима «следование за лидером» в режим «свободное движение».

5. Введено понятие корреляционного графика движения. Показано, что состав указанных графиков на остановочных пунктах является различным, поэтому при планировании графика движения целесообразно брать состав прежде всего на том остановочном пункте маршрута, на котором находится наибольшее число пассажирских корреспонденций.

6 Разработаны правила планирования графиков движения транспортных единиц, определяющие порядок действий при автоматическом составлении плана движения. Показано, что нечеткие выводы о закреплении за транспортной единицей графика дви.

203 жения построены на основе качественных соотношений между предполагаемой оценкой степени достижения цели управления планируемого графика и оценочным уровнем хода перевозочного процесса в данный момент времени.

7. Разработаны правила высокого уровня, определяющие порядок работы центральной части системы при выполнении операций контроля и управления движением. Показано, что для правил контроля характерна их двухэтапность, позволяющая проводить оперативное вмешательство при неожиданных сбоях в ходе перевозочного процесса и предотвращать возникновение нежелательных ситуаций, ухудшающих качество пассажирских перевозок. Получено выражение (6.23), определяющее продолжительность контроля движения на остановочном пункте.

8. Разработаны правила низкого уровня, определяющие порядок работы периферийной части системы при выполнении функций локального управления.

9. Разработано содержание диалога и схема его проведения между системой и объектом управления.

10. Разработан способ получения состава данных и правила их доведения до сведения пассажиров. Показано, что оптимальный для пассажиров состав данных должен содержать значение времени, оставшегося до предполагаемого момента прихода на остановочный пункт транспортной единицы по каждому проходящему через этот пункт маршруту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе анализа современных отечественных и зарубежных методов и средств контроля и управления движением городского пассажирского транспорта сформулировались основные задачи исследований: выявить закономерности в стохастике пассажирских перевозок и главные критерии качества перевозочного процесса, определить структуру и состав параметрических связей автоматической системы диспетчерского управления движением ГПТ, разработать математическую и информационную модели этой системы, а также дать правила контроля и управления ходом перевозочного процесса.

2. В работе определены цели автоматического управления, разработаны концепция построения автоматической системы диспетчерского управления движением ГПТ и методы достижения целей управления, проведено ее морфологическое описание. Показаны структурные и функциональные схемы основных систем, совокупность которых обеспечивает автоматизацию управления ходом перевозочного процесса. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системе, повышающие надежность ее работы и способствующие улучшению ее качественных показателей.

3. Разработан метод статистического исследования пассажиропотоков с учетом динамики их формирования во времени и по направлениям транспортной сети, позволяющий получить необходимые исходные данные для оперативного управления. Дана единая математическая модель, описывающая распределения времени прохождения транспортными единицами всех участков дорожной сети, дающая возможность определять отклонение времени момента прибытия транспортной единицы на любой остановочный пункт маршрута. Модель позволяет также судить о качестве дорожной сети, прослеживать (по деформации модели) изменение этого качества во времени и выявлять неблагоприятные для движения участки пути, а также получать параметры, используемые для автоматического управления. Основанная на видах моделей классификация маршрутов предполагает использование классификационных признаков для планирования графиков движения транспортных средств, контроля качества их исполнения, выработки системой управляющих воздействий, учета психофизиологических затрат водителя, определяющих организацию режима его работы и оплату труда, а также для прогнозирования системой выбора пассажиром пути следования.

4. В работе уделено значительное внимание построению математических моделей, описывающих ход перевозочного процесса. Показано, что эмоциональное напряжение побуждает к активизации различных функций организма человека, выражающейся волевыми актами, а именно, в готовности пассажира нести определенные энергетические затраты при посадке в общественный транспорт и проезд в нем. Поэтому моделирование роста эмоционального напряжения у пассажира, ожидающего на остановочном пункте общественный транспорт, позволяет прогнозировать посадку в транспортную единицу, наполненность ее салона и виды пассажирских корреспонденций в нем.

Введение

понятия класса пассажирских корреспонденций помогает унифицировать эту математическую модель для определенной группы пассажирских корреспонденций. Разработка моделей определения времени, отводимого пассажиром для поездки, и времени ожидания пассажиром посадки в транспортное средство, дает возможность прогнозировать системой выбор пассажиром маршрута поездки, что, в конечном счете, определяет не только нагрузку на конкретный маршрут, но и качество предоставляемых транспортных услуг. Поскольку все полученные модели являются динамическими, то с их помощью можно моделировать пассажирские перевозки в текущее время и предвидеть развитие нежелательных ситуаций, складывающихся в ходе перевозочного процесса, а следовательно, оперативно управлять им.

5. Был определен необходимый и достаточный состав информационных данных, получаемых системой с транспортной сети. Указанный первичный состав (информационное ядро) посредством формализованных правил переработки информации преобразуется в управляющие параметры. Вид и порядок действий над этой информацией определяется разработанной информационной моделью системы. Определены информационные характеристики внешних и внутренних массивов этой модели и функции находящихся в ней блоков переработки информации. Дано описание картины циркуляции информации, показано функционирование модели в условиях возникновения различных ситуаций в ходе перевозочного процесса, в том числе, и в случае перехода последнего в нештатное состояние.

6. Показана целесообразность применения метода нечеткого управления с прогнозированием для выполнения операций анализа поступающей с транспортной сети информации и выработки управляющих воздействий. Разработана модель автоматического управления ходом перевозочного процесса. Показано, что определение величины времени выработки управляющих воздействий, которое зависит от темпа движения транспортных единиц, их количества и числа остановочных пунктов, для объекта управления сводится к одной из задач систем массового обслуживания.

7. Определен вид функции степени достижения цели автоматического управления, представленной обобщенным критерием эффективности поездки. Дан физический смысл этого критерия и показаны пути нахождения производящих его функций. Показано, что главная цель управления — безопасность также достигается, хотя параметры влияющих на нее факторов не входят в явном виде в аргументы обобщенной функции. Отмечено, что весь применяемый при управлении комплекс мер отвечает требованиям Федерального Закона Российской Федерации «О безопасности дорожного движения», что способствует безаварийной работе городского пассажирского транспорта.

8. Разработан метод составления графиков движения, обеспечивающий на участках дорожной сети движение транспортных единиц в режиме «следование за лидером» или «свободное движение». Получено выражение, обозначающее границу перехода движения из режима «следование за лидером» в режим «свободное движение». Введено понятие корреляционного графика движения. Показано, что состав корреляционных графиков на остановочных пунктах является различным, поэтому при планировании графика движения целесообразно брать состав прежде всего на том остановочном пункте маршрута, на котором находится наибольшее число пассажирских корреспонденций.

9. Разработаны правила планирования графиков движения транспортных единиц, определяющие порядок действий при автоматическом составлении плана движения, которое позволяет более эффективно распределять имеющийся подвижной состав в процессе хода перевозочного процесса. Показано, что нечеткие выводы о закреплении за транспортной единицей графика движения построены на основе качественных соотношений между предполагаемой оценкой степени достижения цели управления.

207 по планируемому графику и оценочным уровнем хода перевозочного процесса в данный момент времени.

10. Разработаны правила высокого уровня, определяющие порядок работы центральной части системы при выполнении операций контроля и управления движением. Показано, что для правил контроля характерна их двухэтапность, позволяющая проводить оперативное вмешательство при неожиданных сбоях в ходе перевозочного процесса и предотвращать возникновение нежелательных ситуаций, ухудшающих качество пассажирских перевозок. Получено выражение, определяющее продолжительность контроля движения на остановочном пункте.

11. Разработаны правила низкого уровня, определяющие порядок работы периферийной части системы при выполнении функций локального управления. Показано, что распределенный принцип управления повышает гибкость автоматической системы и сводит до минимума необходимый обмен информацией.

12. Разработано содержание диалога и схема его проведения между системой и объектом управления. Предложен новый способ получения состава данных для пассажиров, даны правила доведения информационных данных до пассажиров, ожидающих на остановочном пункте транспортное средство. Показано, что оптимальный для пассажиров состав должен содержать значение времени, оставшегося до предполагаемого момента прихода на остановочный пункт транспортной единицы по каждому проходящему через этот пункт маршруту.