Проектирование инструментариев моделирования транспортных потоков промышленных предприятий и механизма их интеграции в систему поддержки проектных решений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Аристов, Антон Олегович

• Аристов, Антон Олегович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аристов, Антон Олегович

Введение

Глава 1. Моделирование в системах поддержки принятия решений как способ исследования подходов к организации с^-мых потоков

-о ' :ть проблем дорожного движения 9 именения компьютерных систем поддержки принятия решений

1.3. Модели транспортных потоков

1.4. Имитационное и геометрическое моделирование 25 ■ : мый опыт

Г - с- ч - „^озание инструментариев " , : ов^а задачи разработки и исследования - „ ;

Глаза г * - ;/>е" аспекты построения компьютерных систем г„.^д.илк принятия решений и их инструментариев с,.,, г.г^ия разработки системы к гальное моделирование

-^.зание на микроуровне

2.3.1. имитационное моделирование

2.3.2. Модели дорожной сети

2.3.3. Модели движения

2.4. Геометрические модели

2.4.1. Модели визуализации

2.4.2. Окружение и рельеф

2.4.3. Построение интерактивного наблюдателя

2.5. Моделирование на макроуровне

2.5.1. Потоки в сетях

2.5.2. Пропускная способность 79 9 5 Я Модели косвенных воздействий „я с^злчзация отдельных

- , I ¿»чзтерной е^сте|уы поддержки пс1/ ьг :> 1бЧ г' 92 5 ' ?э|6оо средств и языков для программной реализации

3.2. Информационное обеспечение

3.2.1. Модель обработки данных

3.2.2. Модель структуры данных

3.3. Объекты системы

3.4. Модели работы инструментария имитационного и геометрического моделирования : ЮЗ

3.5. г1 л'"знатное и программное обеспечение

3.6. г' »-о^хшная реализация геометрических моделей Динамика в геометрических моделях о.2. Модели транспортных средств

3.7. Программная реализация виртуальной реальности

3.8. Выводы 125 ' ^ «■« ^ ррмзнения инструментариев

- ^ - х поддержки принятия решений цы к разработки инструментариев г -с

4.2. Примеры построения инструментариев

4.2.1. Пример инструментария: моделирование и визуализация перехода

4.2.2. Инструментарии трёхмерной визуализации оазвития предложенного подхода „ ' '

С г е .: 6 -V »з с , - ' -к ев1 едрении результатов у, - - > гзпедования в ООО «ИНЭМДорТранс» - ^ъльство о государственной для ЭВМ «Система автоматизации греческого ¡моделирования зо.:^ ^^ г^! я > г . -. я иг.ельства о регистрации электронных гртационного исследования в с ьг хс^ференции и выставок, на злены разработки по теме

1@дования

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

Аристов Антон Олегович инструментариев моделирования транспортных г ^ енныж иреднриятнй и механизма их А „ г ему поддержки проектных решений

Е ГЯ л I. ¿и

I 1 'р.-2 и

Специальность 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования промышл енно сть)» диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Горбатов А.В.

Москва

Введение

Актуальность работы. Актуальность проблем применения информационных технологий в области исследования динамики транспортных потоков затрагивает два аспекта - современное состояние дорожно-транспортного движения и вопросы применения разработок в области информационных технологий при принятии проектных решений по организации движения транспортных потоков. По данным исследований британского агентства Кеертоу

§, проблема снижения средней скорости движения транспортных средств стала актуальна как для мегаполисов, так и для городов с населением менее 1 млн. человек. Возникновение транспортных потоков связано с деятельностью промышленных предприятий. Агентство Кеерто¥

§ приводит различные подходы, связанные с организацией движения транспортных потоков — установку знаков, строительство новых дорог, запрет въезда грузовых автомобилей в центр города и т.п. Каждый предложенный подход может быть использован в конкретной ситуации. Очевидно, что задача выбора конкретного пути решения по управлению транспортными потоками является трудноформализуемой, зависит от многих факторов и требует комплексных исследований, поэтому применение компьютерных средств в этой области предполагает разработку не отдельных программных продуктов, для которых можно однозначно определить входные и выходные данные, а сложных организационно-технических решений, предполагающих тесное человеко-машинное взаимодействие в процессе выработки проектных решений. Примером такой организационно-технической системы можно считать компьютерную систему поддержки принятия проектных решений, обеспечивающую комплексное исследование проблем движения транспортных потоков на основе различных инструментариев, позволяющих исследовать как формализуемые, так и трудноформализуемые и неформализуемые аспекты.

На сегодняшний день существуют различные разрозненные модели и инструментарии, не дающие возможности комплексной поддержки принятия и выработки проектных решений по организации движения" транспортных потоков.

Таким образом, целесообразно решить задачу проектирования инструментариев моделирования транспортных потоков, а также обеспечить их интегра-цию в единую организационно-техническую систему, обеспечивающую поддержку выработки и принятия проектных решений и обладающую возможностью расширения функционала для решения широкого круга задач, связанных с исследованием движения транспортных потоков.

Цель работы состоит в проектировании комплекса математических и программных инструментариев моделирования различных аспектов движения транспортных потоков, связанных с промышленными предприятиями, а также разработки механизма их интеграции в систему поддержки проектных решений.

I. и. заключается в разработке модели процесса вырботки и принят : решений, описывающей комплексное использование матем&т Л } , г р^анизационных и программных и н стру м е нт ар ие в при управлении транспортными потоками промышленных предприятий. Для поддержки принятия проектных решений, разработаны расширяемые математические и программные инструментарии моделирования транспортных потоков на микро- и макроуровне.

Задачи исследования В соответствии с целью и идеей работы, в рамках диссертации осуществлены следующие этапы исследования:

1. Анализ современных проблем организации движения транспортных потоков промышленных предприятий и инструментариев, направленных на решение данной проблемы.

2. Разработка модели логической организации процесса выработки и принятия проектных решений в области управления транспортными потоками ппомышленных предприятий, и анализ требований к ш ч их моделирования в системе поддержки проектных решений.

3. Разработка математического обеспечения моделирования транспортных потоков промышленных предприятий на микро- и макроуровне.

4. Проектирование и разработка программной реализации инструментариев моделирования транспортных потоков промышленных предприятийна микро- и макроуровне.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

1. Функциональная модель логической организации процесса принятия проектных решений по управлению транспортными потоками промышленных предприятий, отличающаяся от существующих механизмом интеграции математических и программных инструментариев в единую организационно-техническую систему

2. Комплекс математических и программных инструментариев моделирования на микро- и макроуровнях, отличающийся от существующих возможностью гибкой интеграции в систему поддержки проектных решений по организации движения транспортных потоков промышленных предприятий.

3. Модели отображения ряда неформализуемых характеристик динамики транспортных потоков на основе их трёхмерного моделирования и визуализации окружения, что позволяет в наглядной форме представить вырабатываемое проектное решение.

4. Впервые предложенный инструментарий моделирования транспортных потоков промышленных предприятий путём перераспределения их рабочего времени, основанный на дискретных структурах, который позволяет вырабатывать решения по воздействию на потокообразующие факторы, связанные с организацией работы этих предприятий.

Научная значимость работы заключается в разработке новой модели выработки и принятия проектных решений, позволяющей интегрировать различные инструментарии моделирования динамики транспортных потоков и потокообразующкх факторов промышленных предприятий на микро- и макроуровне в единую организационно-техническую систему принятия проектных решения.

Практическая значимость работы состоит в разработке комплекса расширяемых к гибко интегрируемых программных инструментариев моделирования и трёхмерной визуализации при выработке проектных решений по управлению транспортными потоками промышленных предприятий

Обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

1. Корректным применением теории автоматизированного проектирования

I ^ ] [стем, теории графов и мографов, дискретной

1\ аз данных, теории компьютерных систем поддержки

Г] 1 г теории моделирования.

2. I о ж и те ль н ы м и »езультатами внедрения в учебный процесс разработанных подходов к комплексному анализу и проектированию организационно-технических систем, а также предложенных подходов к разработке геометрических моделей.

3. Положительными результатами внедрения программных инструментариев в ООО «ИНЭМДорТранс» при разработке систем поддержки принятия решений.

4. Результатами экспертиз, проведённых при регистрации разработок в ФГУ ФМПС и ОФЭРКиО ИМИМ МО.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на: э Международной экологической конференции «Горное дело и окружающая среда» (2005,2009,2011). I Московской научно-практической конференции «Студенческая наука»

2006). в Неделе студенческой науки МГГУ (2007-2009). ® Международном симпозиуме «Неделя Горняка» (2008,2010,2011). Международной научно-практической конференции "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях"

2010,2011). Всероссийской конференции «Нейрокомпьютеры и их применение» (2011).

• Научных семинарах кафедры САПР МГГУ (2008-2011).

Также разработки представлены на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2009» и «НТТМ-2011».

Работы отмечены дипломами конференций, почётной грамотой РАЕН «За лучшую научную работу, представленную на конференции «Нейрокомпьютеры и их применение-2011»». Разработка «Компьютерная система поддержки принятия решений», представленная на выставке «НТТМ-2011» отмечена премией для поддержки талантливой молодёжи. результатов исследований. Результаты диссертации приняты к использованию:

I. При разработке компьютерных систем поддержки принятия решений по управлению автомобильными дорогами в ООО «ИНЭМДорТранс».

2, При разработке учебных курсов «Геометрическое моделирование САПР», «Компьютерная графика», «Компьютерные системы поддержки принятия решений» для студентов специальности САПР кафедры Систем автоматизированного проектирования Московского государственного горного университета.

Публикации

Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 работах, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 программа для ЭВМ и 3 электронных ресурса, зарегистрированые как объекты интеллектуальной собственности в ФГУ ФИПС и ОФЭРЫиО ИМИМ PAD.

Структура и объём диссертации, Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; включает в себя 3 таблицы, 44 рисунка, список использованной литературы из 94 наименований и 3 приложения.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю проф. А.В.Горбатову, сотрудникам ООО «ИНЭМДорТранс» проф. В.М.Ерёмину и доц. Бадаляну A.M. за активную помощь в подготовке диссертационной работы. Моделирование в системах поддержки принятия решений как способ исследования подходов к организации движения транспортных потоков

1,1 Актуальность проблем дорожного движения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование инструментариев моделирования транспортных потоков промышленных предприятий и механизма их интеграции в систему поддержки проектных решений»

Если раньше от пробок страдали только города, численность населения которых составляет 5-12 миллионов жителей, то теперь эта проблема стала актуальна и для городов, в которых проживает около 1 миллиона жителей. Наблюдается рост численности автомобильного транспорта. При этом движение по городу и на подъездах к нему затрудняется. В результате время проезда и перевозок по городу возрастает; расход топлива растёт, скорость движения падает. Вследствие сложившейся ситуации. люди не попадают во время на работу, задерживается доставка грузов, многие предприятия терпят убытки. Также, автодорожный транспорт в большей или меньшей степени влияет к на другие виды городского и пригородного транспорта. Таким образом, проблемы перегруженности транспортных влияют практически на всю деятельность предприятий в городе.

Проблема дорожного движения уже не первый год стала одной из самых острых для крупных городов по всему миру. Основной показатель загруженности улиц - средняя скорость движения.

Исследования британской компании Кеертоуй^ [1,2] показали: самый медленный европейский город - Лондон, Средняя скорость - 19 км/ч. На втором месте немецкий Берлин. Третье место у Варшавы. В десятку самых медленных городов вошли также Рим и Париж. Если бы в исследованиях участвовала российская столица, то смогла бы прочно закрепиться на втором месте. В Москве, как и в Берлине, автомобили едут не более 24 км/ч. В Европе борьба с заторами ведется десятилетиями. Правда с переменным успехом. Власти крупнейших городов тратят огромные средства на внедрение современных систем контроля движения. В Риме около 5 миллионов горожан получают информацию о дорожной ситуации на мобильный телефон. Власти британской столицы пошли по пути денежных ограничений. Владельцу частного автомобиля въезд в центральные районы обойдется в 8 фунтов стерлингов. Это 400 рублей. Внедорожник или грузовик заплатит уже 1200 рублей. Похожие меры для борьбы с пробками в центре рассматриваются и в Москве[2,3],

К таким мерам водители относятся неоднозначно. Есть как сторонники, так и противники такого подхода к решению проблем. Зарубежный опыт показывает - есть десятки способов уменьшить заторы[3]. Это ограничение въезда в город грузовиков и внедорожников, внедрение одностороннего движения, перехватывающие парковки и направление людских потоков в общественный транспорт. Некоторые меры экзотичны, по крайней мере, для России. Использовать мотоциклы и велосипеды у нас не позвог ~ .~г /¡ет Эетать по воздуху дорого и технически сложно. В России основном передвигается по земле. Можно задействовать внутридворовые проезды или разрешить правый поворот на красный свет, как в США. Но в этом случае повышается аварийность движения, и возникает фактор низкой дорожной дисциплины российских водителей. В разных стоанах та или иная мера по борьбе с заторами имеет разную эффективность. Например, в Германии удалось снизить пиковую интенсивность движения за счет перераспределения трудового графика [2]. Рабочий день во многих организациях начинается в 5 утра и заканчивается чуть позже полудня. Эти и другие меры в России вполне могут пригодиться.

Из-за резкого увеличения количества транспортных средств, возникают следующие проблемы[4]: обостряется отставание дорожной инфраструктуры от роста парка транспортных средств; увеличиваются задержки в перемещении пассажиров и грузов; ® ухудшается работа городского пассажирского транспорта; © обостряется проблема дорожной аварийности, загрязнения окружающей среды.

В числе других транспортных проблем города наблюдаются: © отсутствие комплексности в управлении развитием и функционированием транспортной системы; незавершенность структурных преобразований на транспорте; старение основных фондов и их неэффективное использование; низкий технологический уровень транспортных объектов и систем; отсутствие информационного обеспечения чёткой организации задач по оптимизации загрузки дорожной сети в городе.

Характеризуя созданную к настоящему времени транспортную инфраструктуру города, отметим следующие недостатки[4]: дефицит сети магистральных улиц (в пределах городской черты) составляет 250-300 км; сильное отставание дорожно-мостового строительства от реальных потребностей; низкая плотность в районах массовой жилой застройки уличной сети местного значения; дефицит машиномест для хранения легковых автомобилей жителей города (превышает 1 млн. единиц); обострение проблемы массового выезда населения на загородный отдых в выходные и праздничные дни; низкое качество существующих дорог по многим показателям.

Таковы основные особенности автомобильных дорог в условиях крупных городов. Стоит также отметить, что если в 2000 году проблемы касались только Москвы и Санкт-Петербурга, то в 2008 году это стало актуально и для городов поменьше - Омска, Новосибирска, Екатеринбурга и других. К 2009 году эта проблема особенно остро встала в Сочи и Туапсе [5].

Следствием низкого уровня развития дорожного хозяйства являются проблемы наземного транспорта[4]: увеличение затрат времени на по ездки населения по городу; ® увеличение удельного наполнения на всех видах пассажирского транспорта; снижение скорости движения на маршрутах до 13-14 км/ч, рост числа срывов графиков движения (более 1 часа) по причине заторов; отсутствие нормативно-правовой базы по обеспечению взаимодействия операторов различных форм собственности и допуска их к работе на маршрутной сети; высокая текучесть кадров (обеспеченность водителями составляет по автобусу 75%, троллейбусу и трамваю —95% от норматива).

Но наиболее опасна современная дорожная ситуация для грузовых перевозок, поскольку это связано не только с деятельностью промышленных предприятий и обеспечением их сырьём, но и с поставкой продовольственных товаров и товаров первой необходимости.

Для грузового автомобильного транспорта возникаю следующие проблемы [4]: отсутствие цивилизованного рынка транспортно-экспедиционных услуг и расширение сферы теневого автотранспортного бизнеса; высокий уровень аварийности и загрязнения окружающей среды; ® низкий уровень менеджмента хозяйствующих субъектов; отсутствие эффективного организационно-экономического механизма регулирования таможенно-скл адского бизнеса, въезда и пребывания в Москве иногороднего большегрузного автотранспорта; э высокий износ и сокращение численности парка специализированного подвижного состава.

По данным экспертов, если процесс неконтролируемой автомобилизации при росте плотности городской застройки сохранится, то к 2020 году в Москве удельная плотность автомобилей на 1 кв. км городской территории может превысить 5200 ед. Для обеспечения широкого использования личного автомобиля при передвижении по городу потребуется увеличить пропускную способность улиц в 10, а количество машиномест для поете г д- его гранения и парковок машин — в 20 раз [1,2].

Природные экосистемы на городских территориях в таких условиях сохраг г-тъ те удастся, потребуются огромные средства для формирования и поддержания искусственных биоценозов.

1.2 Вопросы применения компьютерных систем поддержки принятия решений

Исходя из рассмотренных материалов и опыта зарубежных стран, очевидно, что проблема исследования транспортных потоков является задачей многоаспектной, предполагающей применение различных способов воздействия на транспортные потоки. Каждый из предложенных способов

1,3] в тех или иных случаях можно рассматривать как путь решения транспортных проблем.

Принятие решений по управлению транспортными потоками предполагает рассмотрение дороги с разных точек зрения — с позиции водителей, жителей населённого пункта, инвесторов и т.д. Решения по управлению автомобильными дорогами чаще всего принимаются не одним человеком, а группой лиц — лицами, принимающими решение (ЛПР). Обычно в группу ЛПР входят специалисты из разных отраслей — строители, автомобилисты, чиновники, сотрудники ГИБДД и т.п. Каждый из числа ЛПР руководствуется некоторыми критериями, по которым решение кажется ему оптимальным. Каждый из них руководствуется своими критериями эффективности принимаемого решения[6].

Например, решение проблемы перегруженного участка дороги возможно несколькими способами — расширением существующего участка дороги, строительством объездных путей, переносом некоторых объектов инфраструктуры с целью снижения транспортного потока через рассматриваемый участок. Данный участок дороги для каждого из группы лиц, принимающих решение представляется по-разному. Например, расширение дороги может не устраивать жителей близлежащих домов. Строительство объезда может не устраивать жителей части населённого пункта, где будет проходить объезд. Для городского бюджета дешевле всего расширить дорогу.

Для строительной организации выгодно будет получить от администрации населённого пункта выгодный заказ на строительство нового транспортного узла.

Из этого примера видно многообразие критериев, задающих некоторое управленческое решение. Таким образом, можно поставить задачу поиска оптимального решения, определяемого набором значений рассмотренных критериев. Чаще всего большое внимание уделяется экономическому критерию.

В общем случае, критериями, характеризующими эффективность функционирования участка дороги, можно считать[7,8,9]: пропускную способность; затраты времени на проезд/доставку грузов; скорость транспортного потока; в уровень загруженности дорожной сети;

Значения перечисленных критериев зависят от многих факторов, в том числе состава движения, геометрии дороги, расстановки дорожных знаков и др. Задача управления транспортными потоками сводится к достижению определённого уровня функционирования дорожной сети и отдельных её участков, характеризуемого рассмотренными выше критериями[8].

Сложность решения рассмотренной задачи связана с тем, что далеко не все характеристики исследуемого участка дороги можно однозначно представить математически. Вообще, задача принятия решений по управлению автомобильной дорогой является трудно формализуемой. Кроме того, зависимости между критериями нетривиальны.

Для принятия решений в условиях слабо структурированных и неструктурированных задач целесообразно применять ЭВМ в качестве инструмента для рассмотрения и исследования множества решений, определяемых различными значениями критериев. В таких случаях используются компьютерные системы поддержки принятия решений[7,10].

Компьютерные системы поддержки принятия решений (Decision Support System, DSS) — особый класс автоматизированных систем, обеспечивающих оказание человеку помощи в принятии решений в сложных условиях, путём объективного исследования предметной области. Важно отметить, что компьютерные системы поддержки принятия решений не заменяют человека, а лишь помогают ему проанализировать предметную область и выявить множество возможных решений задачи. Что же касается выбора решения — это остаётся за человеком [7,10,11].

Компьютерные системы поддержки принятия решений обеспечивают исследование предметной области различными методами: в оптимизация некоторой целевой функции (нахождением её экстремумов), определяемой некоторым множеством критериев; а поиск в базе знаний, содержащей некоторые оценки экспертов; s поиск в базе данных; ® моделирование.

Также компьютерные системы поддержки принятия решений, могут использовать и другие методы. Например, элементы искусственного интеллекта, нейронные сети и т.д.[ 10,11 ]

Современные системы поддержки принятия решений по управлению автомобильными дорогами позволяют исследовать систему ВАДС (Водитель — Автомобиль — Дорога — Среда ) [8,11]. Данная система может быть исследована с различных точек и по различным критериям. Благодаря использованию компьютерных систем поддержки принятия решений могут быть получены различные оценки дорожного движения, помогающие принимать управленческие решения. Наиболее существенным элементом системы компьютерной поддержки принятия решений по управлению автомобильными дорогами является подсистема моделирования [11,12].

Учитывая основное назначение систем поддержки принятия решений, моделирование можно рассматривать как способ исследования транспортных потоков, предполагающий замену исследуемого объекта некоторым другим объектом (моделью), отражающим принципиально важные свойства исследуемого объекта. В данном случае объектом исследования являются транспортные потоки. Тоща задачу поддержки принятия решений по управлению транспортными потоками можно рассматривать как комплекс исследований различных моделей транспортных потоков. Цели исследования зависят от того, какие модели используются. В одних случаях модели можно рассматривать как инструментарий выработки проектных решений по организации движения транспортных потоков, в другом - как способ проверки адекватности принимаемых решений.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Аристов, Антон Олегович

4.4. Выводы

1. Выработаны общие принципы построения инструментариев моделирования в КСППР. Построение инструментариев предполагает расширение и дополнение базовых моделей, рассмотренных в главах

2,3.

2. Представлен пример инструментария моделирования и визуализации транспортных потоков на пешеходном переходе на основе базовых программных и математических моделей, разработанных в главах 2,3 работы.

3. Рассмотрены перспективы развития подхода, основанного на применении КСППР. Предложенные подходы могут применяться как при разработке новых и расширении существующих инструментариев КСППР по управлению транспортными потоками, так и при разработке других подобных организационно-технических 1Т-решений.