close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

(705.6 КБ) - Тихоокеанский государственный университет

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Маркелов Геннадий Яковлевич
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СЦЕНАРИЕВ ДЛЯ АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ
В ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЕ
( НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА ХАБАРОВСКА )
05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации
(техника и технология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Хабаровск – 2014
21
1
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский
государственный университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук,
Бурков Сергей Михайлович
Официальные оппоненты: Нурминский Евгений Алексеевич, доктор физикоматематических наук, профессор, ФГАОУ ВПО
«Дальневосточный
федеральный
университет»,
ведущий научный сотрудник
Саксонов Евгений Александрович, доктор технических
наук,
профессор,
ФГБОУ
ВПО
«Институт
инновационных технологий и предпринимательства
МГУТУ им. К.Г. Разумовского», профессор кафедры
«Прикладная информатика»
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Московский
автомобильно-дорожный
государственный
технический университет (МАДИ)»
Защита состоится « 26 » ноября 2014 г. в 14.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.294.05 при федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального
образования «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035,
г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136, ауд. 315л.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО
«Тихоокеанский государственный университет» www.pnu.edu.ru.
Автореферат разослан « 20 » сентября 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Бурдинский Игорь Николаевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Развитие транспортной системы Российской Федерации и, в частности,
автомобильного транспорта, делает все более актуальными задачи управления его
движением, особенно в условиях городов, где концентрация различных видов
автотранспорта особенно высока.
Специфика задач управления транспортной системой города состоит в
разнообразии
целей
управления
(общественный,
грузовой,
частный
автотранспорт), необходимости согласования различных управляющих указаний,
поступающих от органов власти и администрации различного уровня и органов
управления дорожным движением, учета всевозможных климатических явлений,
состояния дорожной сети и т.д. Существенное влияние оказывают также большая
размерность объекта управления, работа в режиме реального времени,
нестационарность параметров транспортной сети и маршрутов движения
автотранспорта.
В связи с этим классическое решение задачи управления транспортными
потоками в условиях города с использованием моделей транспортных потоков
часто невозможно и нецелесообразно. Поэтому, к настоящему времени и на
обозримую перспективу, актуальными являются решения, связанные с
разработкой новых подходов к управлению транспортными потоками,
обеспечивающих достаточный уровень качества управления, сочетающих
современные технологии сбора и обработки информации и ориентированных на
применение в интеллектуальных транспортных системах.
Одним из таких подходов является ситуационное управление, когда в
зависимости от складывающихся ситуаций возможно применение многих
возможных решений, которые могут быть эффективными при определенных
условиях, что позволяет создать методику применения этих решений в рамках
одной системы управления.
В диссертационной работе предлагается нетрадиционный подход к
решению задач управления транспортными потоками (базовых задач управления
транспортной системой), основанный на сокращении пространства состояний
объекта управления путем кластеризации множества состояний или
декомпозиции объекта управления и применении заранее рассчитанных
сценариев управления для каждого кластера или состояния (ситуации).
Предлагаемый подход позволяет значительно сократить вычислительную
трудоемкость задач управления, снизить требования к вычислительным ресурсам,
и повысить скорость реакции системы управления.
Таким образом, тематика исследований, проведенных в диссертационной
работе, и полученные результаты актуальны и имеют важное практическое
значение.
4
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов
управления транспортными потоками, позволяющих в реальном времени решать
задачи управления большой размерности, разработка принципов построения и
конкретных решений для интеллектуальной транспортной системы управления
транспортной сетью города.
Объект исследования - транспортная сеть, являющаяся средой, где
формируются и существуют транспортные потоки, в связи с чем, изменение
состояний транспортной сети приводит к изменению характеристик
транспортных потоков;
предмет исследования – методы и алгоритмы
управления транспортной сетью и, соответственно, транспортными потоками в
этой сети.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе
сформулированы и решены следующие задачи:
1. Системный анализ транспортного комплекса, методов и принципов
построения и управления (транспортным комплексом), позволивший
выделить основных участников процесса управления, особенности
управления, перспективные методы и средства управления.
2. Исследование возможностей современных технологий и принципов
создания интеллектуальных систем управления транспортной системой,
определение специфики управления, в условиях неопределенности,
многокритериальности и зависимости от большого числа факторов.
3. Разработка комплексного подхода к решению задач управления,
основанного на применении сценариев управления и пошаговой
оптимизации.
4. Разработка методов и моделей для сокращения пространства состояний
объекта управления путем кластеризации множества состояний и
декомпозиции объекта управления.
5. Создание методических рекомендаций по применению разработанных
методов и моделей при построении элементов интеллектуальной
системы управления автотранспортной системой города Хабаровска.
Методы исследований. При проведении исследований и решении
поставленных в диссертации задач применялись методы системного анализа,
теории управления, теории графов, а также современные методы создания систем
управления.
На защиту выносятся:
- результаты анализа современных и перспективных методов и технологий
управления транспортными потоками, основанных на управлении транспортной
сетью;
5
- комплекс математических моделей для решения задач управления
транспортной сетью, на основе сценариев разработанных для базовых состояний
объекта управления;
- математическое обоснование метода кластеризации пространства
состояний, позволяющего выделять множества базовых состояний;
- результаты анализа метода декомпозиции объекта управления,
позволяющего выделять локальные и глобальные управления и применять метод
сценариев при глобальном управлении взаимодействием между подсистемами
объекта;
- результаты практического применения разработанных методов и моделей
при создании интеллектуальной системы управления транспортной системой
города Хабаровск.
Научная новизна результатов диссертации состоит в применении метода
сценариев, как одного из видов ситуационного управления, и пошаговой
оптимизации при управлении сложным объектом большой размерности в режиме
реального времени и заключается:
- в разработке методики применения сценариев основанной на выделении
базовых состояний объекта управления путем декомпозиции пространства
состояний или объекта управления;
- в формировании кластеров, для всех состояний которых применяются
одинаковые сценарии управления,
- в получении оценок погрешности предложенного метода управления и
доказательстве сходимости алгоритмов кластеризации на основе введенных
понятий монотонности управлений и метрики пространства состояний.
Следует отметить также предложенный подход к решению задачи
управления транспортными потоками через управление транспортной сетью.
Практическая значимость результатов диссертации обусловлена
возможностью значительного сокращения вычислительной сложности задач
управления за счет использования каталога готовых сценариев для сокращенного
пространства базовых состояний объекта управления и применения для их
решения более дешевых средств вычислительной техники.
Результаты работы использовались при разработке концепции
интеллектуальной системы управления дорожно-транспортным комплексом
города Хабаровска, ситуационных центров организации движения транспортных
средств города Хабаровска, подсистемы наблюдения за транспортными потоками
центра космических технологий Тихоокеанского государственного университета,
спутниковых навигационно-информационных систем.
6
Реализация результатов осуществлена при выполнении муниципальных
контрактов с Администрацией города Хабаровска: №81 от 13-08-2012 года
«Разработка проекта долгосрочной целевой программы «Развитие уличнодорожной сети города Хабаровска на период 2012-2020 годы и на перспективу до
2025 года»; №34 от 09-04-2013 года «Проведение аналитических исследований,
разработка концепции и технического задания на проектирование
«Интеллектуальной системы управления дорожно-транспортным комплексом».
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертации
основаны на соответствии предложенных методов и моделей реальным целям
управления и процессам, происходящим в транспортной системе, возможностям
средств управления транспортными потоками, а также согласованностью с
известными результатами других авторов, опубликованными в печати по данному
направлению исследований.
Работа является результатом систематизации и обобщения исследований,
проведенных автором в период с 2008 года по настоящее время. При этом
основные результаты получены в ходе выполнения работ по Программам
«Инновационного развития ТОГУ» (2011-2012 гг.), «Стратегического развития
ТОГУ» (2012-2014 гг.).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на
четвертой межрегиональной научно-практической конференции «Автомобильный
транспорт Дальнего Востока» (Хабаровск, 2008 г.), ХVIII международной
научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы
развития и функционирования транспортных систем городов и зон их влияния».
(Екатеринбург, 2012 г.), V международной конференции «Геоинформационные
технологии и космический мониторинг» (Ростов-на-Дону, 2012 г.),
Х международной конференции "Организация и безопасность дорожного
движения в крупных городах. Инновации: Ресурс и возможности" (СанктПетербург, 2012 г.), региональной научно-практической конференции «Дальний
Восток: проблемы развития строительного и дорожно-транспортного комплекса»
(Хабаровск, 2012 г.), всероссийской научно-практической конференции
«Информационные технологии и высокопроизводительные вычисления»
(Хабаровск, 2013 г.).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной
работы отражены в 25 опубликованных печатных работах, в том числе в 5
рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора:
Все результаты, составляющие основное содержание диссертации,
получены автором самостоятельно.
Работы [4, 16, 23] выполнены автором без соавторов.
7
В работах [1, 14, 15] автором разработана архитектура интеллектуальной
системы управления дорожно-транспортным комплексом, определены функции и
задачи подсистем. В работах [2, 11] автором разработаны задачи и структура
проекта программы комплексного развития городского транспорта. В работах [3,
24, 25] автором проведен анализ компонентов системы навигационного
мониторинга, предложены варианты использования. В работах [5, 12, 18, 22]
автором разработаны схемы уровней информационного обеспечения, проведен
анализ развития систем. В работе [6] автором подготовлены главы 1, 2, 8,
отражающие характеристики, принципы управления и инновационные
технологии на автомобильном транспорте. В работе [7] автором подготовлена
глава 1, проведен анализ существующей системы управления. В работе [8]
автором подготовлена глава 9, рассмотрены принципы спутниковой
диспетчеризации автомобильного транспорта. В работе [9] автор принял
комплексное участие в подготовке материала глав 1, 2, провел анализ
существующих методов, предложил использование возможностей спутниковой
диспетчеризации в управлении движением п.1.1.2. В работе [10] автор подготовил
главы 7, 8 по теме применения космических технологий и интеллектуальных
систем в управлении автомобильными перевозками. В работе [13] автор
предложил кластерный подход и применение инновационных технологий в
управлении транспортным комплексом. В работе [17] автором разработана
принципиальная схема предлагаемой системы управления. В работах [19, 20, 21]
автор проанализировал задачи внедрения спутниковых технологий в системы
управления и определил основные целевые кластеры.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и
приложения, содержащего копии документов о применении результатов
исследований. Объем диссертации 171 страница.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы
цели и решаемые в работе задачи, показаны научная новизна и практическая
значимость полученных результатов.
В первой главе проведен системный анализ транспортного комплекса, и
исследованы перспективные направления создания систем управления
транспортным комплексом.
Определена роль транспортного комплекса как одной из главных
составляющих в экономике Российской Федерации. Исследована структура
комплекса и связи между ее элементами, а также особенности управления
комплексом и типовые показатели качества управления. Проведенный анализ
8
позволил сделать вывод, что управление транспортным комплексом может быть
основано на его декомпозиции по видам транспортных систем и решении задач
управления его подсистемами.
Показана ведущая роль автотранспортной подсистемы в транспортном
комплексе по объемам осуществляемых перевозок грузов и пассажиров,
исследована его структура. Проведена классификация типов перевозок, условий
функционирования и сложившиеся формы управления, установлены связи между
условиями и качеством перевозок. Анализ особенностей построения и
функционирования автотранспортного комплекса позволил выделить наиболее
значимые факторы, оказывающие влияние на его работу и возможности
управления, к которым относятся: территориальная распределенность (масштаб),
уровень принадлежности (федеральный, региональный, муниципальный),
назначение, нормативно-правовая база и регламентирующие документы
различного уровня, условия эксплуатации автотранспорта. Показано, что данные
факторы в совокупности определяют работу транспортного комплекса в условиях
неопределенности, что требует адаптации управления к различным ситуациям, в
том числе и к нештатным, связанным, например, с природными катаклизмами.
По результатам проведенного анализа сделан вывод, задача управления
автотранспортной системой любого уровня, есть многокритериальная задача
управления в режиме реального времени, отличающаяся большой размерностью,
нестационарностью параметров и сложностью точного определения конкретных
состояний. Решение такой задачи требует привлечения современных методов
управления, технических и программных средств решения задач управления,
средств сбора и обработки информации.
Проведен анализ перспективного направления в создании систем
управления транспортом – интеллектуальных транспортных систем (ИТС).
Обоснована потребность в подобных системах, связанная с необходимостью
расширения спектра и повышения качества транспортных услуг и связь их
появления с развитием современных информационных и телекоммуникационных
технологий, внедрением их в практику управления транспортными системами.
Показано состояние и перспективы развития ИТС за рубежом и в Российской
Федерации.
Системный анализ ИТС показал, что ИТС можно рассматривать как
совокупность подсистем управления. При этом декомпозиция должна
обеспечивать снижение размерности задач управления и согласованность работы
отдельных подсистем в рамках единого (глобального) критерия качества.
Структура ИТС может быть иерархической, что упрощает связи между
подсистемами и согласование целей управления.
9
Показано, что при создании ИТС требуется учитывать необходимость сбора
и обработки большого количества информации, передачи управлений различным
территориально распределенным элементам системы и возможность адаптации к
изменяющимся условиям эксплуатации транспортной системы, когда невозможно
однозначное определение состояния системы.
Для решения задач управления при наличии различных, иногда
противоречивых, критериев качества работы транспортной системы, в условиях
неопределенности состояний и параметров системы, предлагается применить
принципы ситуационного управления с пошаговой оптимизацией принимаемых
решений, когда вычисляется оптимальное управление для конкретного текущего
состояния (ситуации), в котором находится транспортная система.
Результаты, полученные в данной главе, позволили определить объект
исследований (транспортная сеть, как основной компонент транспортной
системы) и направления исследований (управление транспортными потоками),
проводимых в диссертации, выделить цели и основные задачи исследований.
Во второй главе исследована транспортная сеть как объект управления,
определены состояния сети, цели управления, сформулирована в общем виде
задача управления транспортными потоками в сети. Поскольку состояние
транспортной сети оказывает непосредственное влияние на характеристики
транспортных потоков, формирующихся в сети, управление сетью можно
рассматривать и как управление транспортными потоками в этой сети.
Разработан метод описания транспортной сети, позволяющий задавать ее
структуру в виде графа, ребра которого соответствуют транспортным
магистралям, а вершины транспортным узлам.
Определены пространство состояний сети и показатели качества работы
сети.
Разработаны структура, состав и назначение элементов системы управления
транспортными потоками, использующей в качестве объекта управления
транспортную сеть. Исследованы возможности применения централизованной и
распределенной структуры системы управления.
Выявленные особенности функционирования транспортной сети и
построения системы управления транспортными потоками, позволили
сформулировать подход к решению задачи управления в условиях
неопределенности, основанный на пошаговой оптимизации принимаемых
управленческих решений.
Проведен анализ технических средств системы управления и их
соответствия задачам управления, показавший, что в современных условиях
10
наиболее перспективными средствами сбора данных, особенно для ИТС,
являются спутниковые системы наблюдения. Такие системы дают возможность
получать как детальную информацию о состоянии элементов сети и отдельных
транспортных средств, так и обобщенную о состоянии всей сети, что является
принципиальным отличием от применяемых сегодня локальных средств
наблюдения.
Проведен анализ конкретной транспортной системы Хабаровска,
показавший, что все результаты и выводы, приведенные в главах 1 и 2,
соответствуют реальной системе и обоснованно могут применяться при создании
и анализе системы управления транспортной сетью Хабаровска.
Полученные в главе результаты позволили выделить задачи управления,
определить подходы к их решению и сформулировать требования к системе
управления транспортными потоками, необходимые для ее практической
реализации.
В третьей главе приведены результаты разработки и анализа метода
управления с использованием множества сценариев, как возможного развития
ситуационного управления, использующего пошаговую оптимизацию. Метод дает
возможность повысить скорость выработки управляющих воздействий
(управлений), что важно для систем, работающих в реальном времени.
Схема системы управления представлена на рисунке 1.
Объектом управления является транспортная сеть. Состояние объекта в
дискретные моменты времени t0 , t1 ,..., tn ,... , такие, что t m  t n если m > n, задается
вектором s(tk )  (s1 (tk ), s2 (tk ),..., sR (tk )) . Управление в момент t k задается вектором
u(tk )  (u1 (tk ), u2 (tk ),..., uR (tk )) , если объект в этот момент находится в состоянии
s(t k ) ,
так,
что
u(tk )  u(s(tk )) .
Заданы
конечные
множества
S  (s1 , s 2 ,..., s N ) S и управлений - U  (u1 , u2 ,..., u M ) для объекта.
Определено
расстояние
между
двумя
состояниями
s m (t k )  S, s n (t k )  S , (m ≠ n; m, n = 1, 2,…, N ):
ai
(0  ai  ) - весовые коэффициенты, при этом
Функция
состояний
объекта
R
r (s m , s n )   ai | smi  sni | , где
i 1
R
a
i 1
i
 0.
изменения состояния объекта к моменту tk 1 при нахождении его
в момент t k в состоянии s(tk ) S и воздействии на него управления u(s(tk ))  U
(функция переходов между состояниями за шаг управления) имеет вид:
s(tk 1 )  W (s(tk ), u(tk ), tk ) , где s(tk 1 ) S , k = 0, 1,2,… .
11
Предварительная
разработка множества
оптимальных
управлений для кластеров
U0
Управления
u(t
k+1
…
u(S01) u(S02) u(S03)
S01
Предварительная
кластеризация
пространства состояний
S=US0i
S02
ut
k+1
Объект управления
)
Состояние объекта –
stk+1=W(stk,utk)
)=U(S0i)
u(S0i)
…
u(S0N)
… S0i … S0N
S03
st
k+1
Є S0i
Кластеры состояний
st
k+1
Рис. 1 Обобщенная схема системы управления
В случае, когда состояния объекта являются случайными величинами,
функция изменения состояний задает вероятности перехода из одного состояния в
другое при воздействии (или отсутствии) управления за один шаг управления:
W (s(tk ), u(tk ), tk )  p(s(tk 1 ) | s(tk ), u(tk ), tk ) , k = 0, 1, 2,… .
Функционал, позволяющий количественно оценивать эффективность
управления на заданном интервале времени (t0 , tn ) в общем случае имеет вид:
n 1
L(t 0 , t n , U(t 0 , t n ))   G[u(t k ), s(t k ), pk 1 (s(t k 1 ) | s(t k ), u(t k ))] , где pk 1 (s(tk 1 ) | s(tk ), u(tk )
k 0
вероятность нахождения объекта в состоянии s(t k 1 ) на шаге управления k+1;
s(tk ) S , u(tk ) U, (k  0,2,..., n) ; G(u(tk ), s(tk ), s(tk 1 ), tk ) - функция эффективности
управления u(s(tk ) при нахождении объекта в состоянии s(t k ) в момент t k .
Введено понятие h-эквивалентности управлений: управления u j  U и
u m  U (j ≠ m; j, m = 1, 2,…, M) называются h-эквивалентными для состояния
s(tk ) S , если | G(u j (t k ), s(t k ), s(t k 1 ), t k )  G(u m (t k ), s(t k ), s(t k 1 ), t k ) | h , (0 < h < ∞).
Определено свойство монотонности управления. Управление u(s(tk ))  U
является монотонным, на множестве состояний объекта S, если для любого
момента t k , любых состояний s m (tk )  S, s n (tk )  S, s r (tk )  S , при выполнении
условия r (s m (tk ), s n (tk ))  r (s m (tk ), s r (tk )) , следует:
12
| G (u(t k ), s m (t k ), s(t k 1 ), t k )  G (u(t k ), s n (t k ), s(t k 1 ), t k ) |
| G (u(t k ), s m (t k ), s(t k 1 ), t k )  G (u(t k ), s r (t k ), s(t k 1 ), t k ) |
.
Определено оптимальное управление для состояния s(tk ) S .
Сформулирована задача управления объектом.
Во многих случаях, когда реальное число возможных состояний объекта
управления - N очень велико, либо отведенное для принятия управленческого
решения время (длительность шага управления) достаточно мало, предъявляются
высокие требования к быстродействию системы управления (управляющего
вычислительного комплекса), что значительно повышает стоимость системы.
Одним из возможных выходов из создавшейся ситуации является
уменьшение пространства состояний объекта управления путем создания
кластеров состояний и предварительного вычисления управлений для каждого
кластера, создание каталога управлений (сценариев). Каждое из этих управлений
применяется ко всем состояниям своего кластера.
Особенность данного подхода заключается в том, что каждому состоянию
объекта управления по определенным правилам ставится в соответствие одно из
базовых состояний и управление, соответствующее этому базовому состоянию.
Пусть имеется конечное пространство (множество) базовых состояний
объекта - S 0 , содержащее N состояний, так что S0  S . Базовое состояние - s 0 ,
где s 0 S0 и s 0  S .
Для каждого базового состояния s 0i определяется оптимальное управление
(сценарий) u0 (s 0i )  U0 . Таким образом, формируется множество оптимальных
управлений
(сценариев)
для
всех
базовых
состояний
U0  (u0 (s 01 ), u0 (s 02 ),..., u0 (s 0 N )) , где U0  U 0 . На интервале (t0 , t n )
-
U0 (t0 , tn )  (u0 (s 0 (t0 )), u0 (s 0 (t1 )),..., u0 (s 0 (tn ))) .
Функция изменения состояния объекта при воздействии на него
управления: s 0 (tk 1 )  W (s0 (tk ), u0 (s 0 (tk )), tk )) , здесь s 0 (tk )  S0 и s 0 (tk 1 )  S0 .
Функция должна переводить одно базовое состояние в другое. Метод
формирования множества базовых состояний должен
гарантировать
существование функции W (s 0 (t k ), u0 (s 0 (t k ), t k )) .
В данном случае задача управления на заданном интервале (t0 , tn ) решается
как задача выбора множества оптимальных управлений для множества базовых
состояний объекта на интервале - S 0 (t0 , t n ) из известного множества сценариев -
13
U0  (u0 (s 01 ), u0 (s 02 ),..., u0 (s 0 N )) . Эффективность метода управления вычисляется
n
по формуле: L(t0 , tn , U (t0 , tn ))   G(u0 (s0 (tk )),s0 (tk ), tk ) .

0
k 0
Решены следующие задачи:
1.
Формирование конечного множества базовых состояний объекта
управления - S0  (s 01 , s 02 ,..., s 0 N ) . Кластеризация пространства состояний, когда
каждому кластеру соответствует одно базовое состояние.
2.
Формирование множества - U0  (u0 (s 01 ), u0 (s 02 ),..., u0 (s 0 N )) . При этом
каждому кластеру соответствует одно оптимальное управление, которое
применяется для любого состояния, входящего в состав кластера.
3.
Определение величины погрешности управления по сравнению с
управлением на всем множестве состояний объекта управления.
Сформулированы условия формирования множества S 0 :
1.
Любое состояние из исходного множества S должно быть отнесено к
одному и только одному состоянию из множества базовых состояний S 0 , т.е.
входить в состав только одного подмножества (кластера) S 0 j , где j = 1, 2,…, N.
Любое состояние из множества базовых состояний S 0 должно быть
одним из состояний исходного множества S .
Доказано следующее утверждение, которое обосновывает необходимость
выполнения условий формирования множества S 0 .
2.
Утверждение. При выполнении условий формирования множества
базовых состояний функция W (s 0 (t k ), u0 (s 0 (t k )), tk ) всегда переводит одно базовое
состояние в другое базовое состояние.
Разработан алгоритм формирования подмножества базовых состояний
(алгоритм кластеризации).
Доказано также утверждение, обосновывающее применение разработанного
алгоритма кластеризации.
Утверждение. Если оптимальные управления монотонны, то для любого
заданного числа
коэффициентов ( bi
кластеризации
N ) и любого набора весовых
N ≤
(0  ai  ) , i = 1, 2,…,R) всегда существует набор констант
удовлетворяющих
условиям:
( H 01 , H 02 ,..., H 0 N ) ,
N
(1≤
0  H 0 j   ( j  1,2,..., N ) , при котором возможно провести разбиение множества
состояний S на N кластеров, применяя алгоритм кластеризации.
Получены оценки погрешности управления при кластеризации, основанные
на использовании понятия h-эквивалентности управлений. Показано, что для
любого состояния s k  S из подмножества S 0 j , такого, что s k  s 0 j выполняется
14
неравенство: | G(u (s 0 j ), s 0 j )  G(u (s k ), s k ) | H 0 j . При этом оценка погрешности
управления:
E (S, S 0 , N , U 0 , U * )  max{H oj } . На интервале управления (t0 , tn ) :
j
n
E (S, S 0 , N , U0 , U* , (t0 , t n ))   H 0 k (ti ) , где H 0 k (ti ) - константа кластеризации.
i 0
i
i
Если погрешность управления не удовлетворяет требованиям задания, то
число кластеров увеличивается.
Доказано утверждение: Пусть множество управлений монотонно, тогда:
R
1. Если состояние s k отнесено к подмножеству S 0 j и r (s 0 k , s k )  | s0 k r  skr | , то
j
r 1
j
к S 0 j относится любое состояние s m для которого r (s k j , s m )  r (s 0 k j , s k ) .
0
2. Если состояние s n не отнесено к подмножеству S 0 j и, то к подмножеству
S 0 j не относится любое состояние s m для которого r (s 0 k , s m )  r (s 0 k , s n ) .
j
j
Этот результат позволяет достаточно просто формировать подмножества,
поскольку не нужно вычислять величину h-эквивалентности для всех
проверяемых состояний объекта.
Доказано, что при монотонности управлений справедливо условие:
E(S, S0 , N 2 , U0 , U* )  E(S, S0 , N1 , U0 , U* ) если N2  N1 .
Однако, при больших значениях N, близких к N , увеличивается каталог
сценариев и, соответственно, время на выбор управления и составление каталога.
Отмечено,
что
метод
кластеризации
пространства
состояний
предусматривает разбиение пространства состояний на кластеры по формально
установленным правилам (использование эквивалентности управлений).
Результаты такой кластеризации могут не совпадать с физической структурой
объекта управления, и каждый из разработанных в этом случае сценариев
управления может затрагивать состояния объекта, входящие в другие кластеры.
Это не позволяет рассматривать кластеры как независимые друг от друга
подпространства состояний. В этом случае нужно создавать централизованную
систему управления.
Для снижения влияния указанных недостатков предлагается метод
декомпозиции пространства состояний не по формальным правилам, а по
результатам декомпозиции объекта управления. В результате такой декомпозиции
можно получить отдельные, слабо зависимые подсистемы управления. При этом
выделяются управление внутри каждой подсистемы (локальное управление) и
управление на уровне подсистем (глобальное управление). Такой подход дает
возможность строить распределенную систему управления объектом, в отличие
от управления при кластеризации.
15
Разработан алгоритм декомпозиции, основанный на выделении локальных и
глобальных параметров состояния. Разработаны также методы выделения
локальных и глобальных управлений, основанные на использовании локальных и
глобальных параметров состояний системы.
Состояния, изменяемые глобальными управлениями рассматриваются как
базовые состояния. Для этих состояний создается множество сценариев.
Предлагаемый подход позволяет параллельно управлять подсистемами, на
уровне локальных управлений.
Проведен анализ положительных и отрицательных сторон применения двух
методов декомпозиции, который дает возможность обоснованно выбирать один из
методов в зависимости от специфики задачи управления и объекта управления.
В четвертой главе приводятся примеры использования разработанных
методов и описание разработок и систем, где применяются результаты,
полученные в диссертационной работе:
- пример использования разработанных методов для управления элементом
транспортной сети города Хабаровска;
- пример использования разработанных методов для декомпозиции системы
и управления на глобальном уровне;
- методика управления принята для реализации в концепции
интеллектуальной системы управления дорожно-транспортным комплексом
города Хабаровска;
- структурные решения по системе управления используются при развитии
ситуационных центров в города Хабаровске;
- рекомендации по применению технологии использования глобальных
навигационных спутниковых систем в интересах транспортных потребителей в
транспортных
комплексах
крупных
городов
Российской
Федерации
отрабатываются в центре космических технологий ТОГУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Проведен анализ транспортного комплекса Российской Федерации,
позволивший установить принципы его организации, особенности управления и
основные направления по совершенствованию управления транспортными
системами на базе современных и перспективных технологий, связанных с
интеллектуальными транспортными системами. Анализ показал, что основную
роль в транспортной системе играет подсистема автотранспорта, управление
которой в условиях городов приобретает все большее значение.
16
2. Системный анализ автотранспортного комплекса, как объекта
управления, позволил разработать метод формального описания транспортной
сети, сформулировать в общем виде задачу управления, разработать принципы
создания и структуру системы управления транспортной сетью, основанную на
централизованном или распределенном управлении. Проведенный анализ
технических средств системы управления показал, что наиболее перспективными
являются спутниковые системы наблюдения, дающие возможность получать как
детальную информацию о состоянии элементов транспортной системы, так и всей
системы в целом.
3. Проведен
анализ
современных
технологий
управления
транспортными потоками. Показано, что управление транспортными потоками
возможно осуществлять через управление транспортной сетью, являющейся
средой, где формируются и существуют транспортные потоки. Анализ показал,
что в существующих условиях большой неопределенности и размерности объекта
управления, наличия внешних влияний на состояние транспортной системы,
целесообразно для управления в реальном времени применять методы
ситуационного управления, основанные на пошаговой оптимизации, снижении
размерности пространства состояний объекта управления (транспортная сеть) и
применении готовых сценариев управления. Разработаны методы формального
описания транспортной сети и принципы построения системы управления
транспортными потоками.
4. Разработан метод управления транспортной сетью на основе заранее
подготовленных сценариев, предусматривающий кластеризацию пространства
состояний или декомпозицию объекта управления, что позволяет выделить
множество базовых состояний, для которых рассчитываются сценарии
управления.
5. Разработан алгоритм кластеризации и математические модели, на
основе которых определены достаточные условия сходимости алгоритма при
заданных параметрах. Условия основаны на введенных в работе определениях
метрики пространства состояний, монотонности и эквивалентности управлений.
6. Разработан метод декомпозиции объекта управления, позволяющий
выделить множества локальных и глобальных управлений и построить
распределенную систему управления, где для глобального управления
применяется метод сценариев.
7. Результаты работы нашли практическое применение в концепции
развития интеллектуальной транспортной системы города Хабаровска, проектах
конкретных систем, спутниковых систем наблюдения и при создании центра
космических технологий ТОГУ.
17
Результаты работы могут быть полезны разработчикам и администраторам
систем управления транспортными системами, при выборе стратегий и методов
управления, а также могут использоваться при создании методических
документов для разрабатываемых систем управления транспортными потоками.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Материалы, опубликованные в рецензируемых изданиях, вошедших в
перечень высшей аттестационной комиссии:
1. Маркелов, Г. Я. Задачи системного анализа и методология
формирования интеллектуальной системы управления транспортным комплексом
города / Г. Я. Маркелов, С. М. Бурков, И. Н. Пугачёв // Вестник Тихоокеанского
государственного университета. - Хабаровск, 2013. - № 4. - С. 83-90.
2. Маркелов, Г. Я. Инновационные подходы в решении проблем развития
городского транспорта (на примере г. Хабаровска) / Г. Я. Маркелов,
Ю.И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Грузовое и пассажирское автохозяйство. - 2013. № 11. - С. 38-43.
3. Маркелов, Г. Я. Использование навигационных спутниковых систем в
управлении автомобильными перевозками / Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов,
И. Н. Пугачёв // Грузовое и пассажирское автохозяйство. - 2011. - № 4. - С. 64-69.
4. Маркелов, Г. Я. Метод сценариев при управлении в реальном времени.
/ Г. Я. Маркелов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика.
Телекоммуникации. Управление. - СПб., 2013. - № 5 (181). - С. 23-27.
5. Маркелов, Г. Я. Особенности формирования транспортно-логистических
кластеров на Дальнем Востоке / Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв //
Транспорт Российской федерации. - 2012. - № 5(42). - С. 20-23.
Монографии:
6.
Маркелов, Г. Я. Инновационная доктрина развития автомобильного
транспорта : монография / Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2013. - 365 с.
7.
Маркелов, Г. Я. Формирование ИТС. Методика исследования
инфраструктуры на примере города Хабаровска : монография / Г. Я. Маркелов,
С. М. Бурков, И. Н. Пугачёв. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2013. - 126 с.
8.
Маркелов, Г. Я. Организация управления автомобильным
транспортом : монография / Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв,
В. Н. Шпаков, Л. Б. Миротин, В. М. Курганов, Е. В. Кривко. - Владивосток :
Дальнаука, 2011. - 400 с.
9.
Маркелов, Г. Я. Стратегия развития интеллектуальных транспортных
систем в управлении городским движением : монография / Г. Я. Маркелов, С. М.
Бурков, И. Н. Пугачёв, А. В. Олейник. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2013. - 141 с.
18
Другие издания:
10. Маркелов, Г. Я. Автомобильные перевозки : учеб. пособие
/ Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв. - Хабаровск : Изд-во
ТОГУ, 2010. – 281 с.
11. Маркелов, Г. Я. Город и транспорт в сфере инновационного развития /
Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Дальний Восток: проблемы
развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплекса :
материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2013. Вып. 13. - С. 29-35.
12. Маркелов, Г. Я. Дальний Восток и интеллектуальные системы
управления / Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Направление Дальний Восток. - 2012. - № 10(38). - С. 12-16.
13. Маркелов, Г. Я. Индикаторы качественного и количественного
развития транспортной инфраструктуры Дальнего Востока / Г. Я. Маркелов,
Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Проблемы транспорта Дальнего Востока :
материалы юбил. десятой междунар. науч.-практ. конф., посв. 200-летию
адмирала Г. И. Невельского, 2-4 окт. 2013 г. - Владивосток : ДВО Рос. акад.
транспорта, 2013. - С. 68-70.
14. Маркелов, Г. Я. Интеллектуальная система управления дорожнотранспортным комплексом города / Г. Я. Маркелов, С. М. Бурков, И. Н. Пугачёв //
Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного и дорожнотранспортного комплекса : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Хабаровск :
Изд-во ТОГУ, 2013. - Вып. 13. - С. 8-15.
15. Маркелов, Г. Я. Интеллектуальное управление транспортными
системами городов / Г. Я. Маркелов, И. Н. Пугачёв // Транспорт и сервис :
сб. науч. тр. : в 2-х вып. Вып. 2. : Функционирование устойчивых городских
транспортных систем. - Калининград : Изд-во БФУ им. И. Канта, 2014. - С. 58-66.
16. Маркелов, Г. Я. Современные методы и системы интеллектуального
управления транспортными потоками / Г. Я. Маркелов // Информационные
технологии и высокопроизводительные вычисления : материалы Всерос. науч.практ. конф., Хабаровск, 25-27 июня 2013 г. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2013. С. 226-231.
17. Маркелов, Г. Я. К вопросу создания Хабаровского краевого
ситуационного центра по организации движения транспортных средств
/ Г. Я. Маркелов, И. Н. Пугачёв // Дальний Восток: проблемы развития
строительного и дорожно-транспортного комплекса : материалы регион. науч.практ. конф., 15-19 окт. 2012 г. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2012. - Вып. 12. С. 346-350.
19
18. Маркелов, Г. Я. Комплексный подход к решению проблем
строительного и дорожно-транспортного комплексов ДФО / Г. Я. Маркелов,
Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Дальний Восток: проблемы развития
строительного и дорожно-транспортного комплекса : материалы регион. науч.практ. конф., 15-19 окт. 2012 г. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2012. - Вып. 12. С. 8-14.
19. Маркелов, Г. Я. Об инновационном потенциале применения
навигационных ГЛОНАСС-технологий в системах организации дорожного
движения и обеспечения дорожной безопасности / Г. Я. Маркелов, И. Н. Пугачёв
// Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах : сб. докл.
десятой междунар. конф. «Организация и безопасность дорожного движения в
крупных городах. Инновации: ресурс и возможности», 20-22 сент. 2012 г. - СПб. :
Изд-во СПбГАСУ. - С. 135-138.
20. Маркелов, Г. Я. Развитие центра космических технологий ТОГУ /
Г. Я. Маркелов, С. М. Бурков, С. А. Тютрин // Геоинформационные технологии и
космический мониторинг. Всероссийское совещание «Университетские
геопорталы - УНИГЕО» : материалы V междунар. конф., 2-6 сент. 2012 г. - Ростов
н/Д. : Изд-во ЮФУ, 2012 - С. 240-249.
21. Маркелов, Г. Я. Структура и кластеры центра космических
технологий ТОГУ / Г. Я. Маркелов, С. М. Бурков, С. А. Тютрин // Научное
обеспечение технического и социального развития Дальневосточного региона :
сб. науч. ст. к 55-летию Тихоокеан. гос. ун-та. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2013. С. 395-397.
22. Маркелов, Г. Я. Основные аспекты инновационного развития
транспортного комплекса городов в условиях Дальнего Востока / Г. Я. Маркелов,
Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Дальний Восток. Автомобильные дороги и
безопасность движения : междунар. сб. науч. тр. / Тихоокеан. гос. ун-т. Хабаровск, 2012. - № 12. - С. 94-101.
23. Маркелов, Г. Я. Применение технологий ГЛОНАСС в транспортной
отрасли. Эффекты внедрения / Г. Я. Маркелов // Автомобильный транспорт
Дальнего Востока - 2008 : материалы четвертой межрегион. науч.-практ. конф.,
Хабаровск, 23-26 сент. 2008 г. / под общ. ред. проф. В. Д. Басаргина. - Хабаровск :
Изд-во ТОГУ, 2008. - С. 348-355.
24. Маркелов, Г. Я. Принципы работы и возможности современного
программного обеспечения при использовании навигационных спутниковых
систем в управлении автомобильными перевозками / Г. Я. Маркелов,
Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв // Актуальные проблемы автотранспортного
комплекса : межвуз. сб. науч. ст. - Самара : Изд-во СамГТУ, 2010. - С. 222-237.
20
25. Маркелов, Г. Я. Спутниковая система мониторинга и управления
движением маршрутного городского пассажирского транспорта (на примере г.
Хабаровска) / Г. Я. Маркелов, Ю. И. Куликов, И. Н. Пугачёв, О. А. Петрова //
Социально-экономические
проблемы
развития
и
функционирования
транспортных систем городов и зон их влияния : материалы ХVIII Междунар.
(двадцать первой Екатеринбургской) науч.-практ. конф. (16-17 июня 2012 г.) /
науч. ред. С. А. Ваксман. - Екатеринбург : Изд-во АМБ, 2012. - С. 355-366.
Маркелов Геннадий Яковлевич
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СЦЕНАРИЕВ ДЛЯ АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ
В ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЕ
( НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА ХАБАРОВСКА )
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 10.09.2014 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага писчая. Гарнитура Times New Roman. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 263.
Отдел оперативной полиграфии издательства
Тихоокеанского государственного университета
680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа