Белов Александр Владимирович. Повышение эффективности использования улично-дорожных сетей на основе управления формированием транспортных потоков

Краткое описание

Белов Александр Владимирович. Повышение эффективности использования улично-дорожных сетей на основе управления формированием транспортных потоков: диссертация ... кандидата технических наук: 05.22.01 / Белов Александр Владимирович;[Место защиты: Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет "МАДИ"].- Москва, 2014.- 134 с.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
04201458455
На правах рукописи

Белов Александр Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛИЧНО-
ДОРОЖНЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ
ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ
Специальность 05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические
системы страны, ее регионов и городов, организация производства на
транспорте
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор экон. наук, профессор Андрей Эдливич Горев
Санкт-Петербург - 2014

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА
УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ 10
1Л. Развитие автомобильного транспорта и связанных с этим проблем 10
1.2. Развитие методов организации движения и борьбы с заторами 14
1.3. Анализ транспортного потока как объекта управления 21
1.4. Перспективные способы организации транспортных систем городов и
постановка задач исследования 26
1.5. Гипотеза исследования 32
1.6. Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ВЫБОРА ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ УЛИЧНО-ДОРОЖНОЙ СЕТИ НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ 35
2.1. Рассмотрение транспортной системы с позиций системного анализа 35
2.2. Исследование различий распределения транспортных потоков по первому
и второму принципам Уордропа 39
2.3. Подходы к оценке влияния распределения потоков по времени поездки на
эффективность функционирования УДС 46
2.4 Описание математической модели оценки эффекта от управления формированием транспортного потока 53
2.5. Подходы к повышению эффективности работы УДС 58
2.6. Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ 61
3.1. Разработка структурной схемы системы управления формированием
транспортных потоков 61
3.1.1. Модель для использования в системе управления 63
3.1.2. Оценка целевой функции 64

з
3.1.3. Выработка управляющих воздействий 71
3.1.4. Оценка текущего состояния объекта управления 73
3.1.5. Блок-схема алгоритма работы системы управления формированием
транспортных потоков 73
3.2. Экспериментальная оценка работы системы управления формированием транспортных потоков на основе имитационного моделирования 75
3.2.1. Описание программного комплекса для проведения эксперимента 75
3.2.2. Разработка модуля подпрограммы для реализации логики управления 77
3.2.3. Оценка допустимой плотности потока 77
3.2.4. Реализация основного алгоритма работы системы управления
формированием транспортных потоков в AIMSUN 78
3.3. Выводы по главе 3 86
ГЛАВА 4. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ВНЕДРЕНИЮ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ 88
4.1. Технология работы системы 88
4.2. Обеспечение устойчивой работы системы 89
4.3. Состав технических средств 91
4.4. Интеграция предлагаемой системы в структуру ИТС 95
4.5. Автоматическое управление единицами подвижного состава 98
4.6. Оценка экономической эффективности 101
4.7. Предложения по дальнейшим исследованиям 104
4.8. Выводы по главе 4 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе рассмотрены вопросы возможности масштабирования принципа управления формированием транспортных потоков на УДС любого размера и создания специальной системы управления с директивным регулированием доступа на УДС и предписанием системно-оптимального маршрута на уровне отдельного ТС.
Для исследования эффекта от внедрения такой системы и проработки теоретических основ ее функционирования в рамках данной работы был поставлен ряд задач, решение которых, позволяет сделать следующие выводы.
1. В текущих условиях стихийного формирования транспортных потоков эффективность использования УДС существенно ниже возможной, что несет огромные издержки для общества. Основное влияние оказывает эффект снижения пропускной способности в состоянии затора, а также неоптимальное распределение потоков по маршрутам следования.
2. Анализ традиционных подходов показывает, что как бы ни была развита и проработана система управления транспортными потоками, она является всего лишь инструментом повышения пропускной способности имеющейся УДС посредством качественного управления. Это повышение имеет определенный предел, и при нагрузке превышающей этот предел заторы все равно возникнут.
3. Достигнуть повышения эффективности использования УДС возможно за счет упорядочения доступа к ней с целью недопущения таких состояний потока, при которых высока вероятность образования затора. Для такого упорядочения возможно применение двух методов: директивного и косвенного, которые могут реализовываться посредством экономического воздействия и административного ограничения. Косвенные методы носят в основном характер рекомендаций и экономических мер общего действия, что не может полностью предотвратить образование заторов. Директивные методы, например принудительное регулирование доступа на магистраль, показывают

109
высокую эффективность и имеют значительный потенциал в повышении эффективности использования имеющихся УДС городов.
4. Меры экономического характера, такие как повышение налогов, пошлин, плата за парковку, фиксированная и динамически изменяемая плата за проезд в определенные зоны, являются достаточно эффективными с точки зрения снижения нагрузки на УДС, но крайне непопулярными и подчеркивающими социальное неравенство населения. Меры административных ограничений лишены этого недостатка, и при соответствующем обосновании могут быть адекватно восприняты обществом и использованы более широко.
5. Для обеспечения максимальной эффективности работы УДС может быть разработана система управления с директивным регулированием доступа на УДС и предписанием системно-оптимального маршрута на уровне отдельного ТС. Для реализации такой системы необходимо законодательно обязать каждого водителя перед совершением поездки подавать заявку с указанием пункта назначения. При поступлении заявки в центр управления она обрабатывается и водителю предписывается время выезда на УДС и маршрут движения. Таким образом, можно сказать, что у каждого водителя появляется «индивидуальный светофор». За нарушение запрета на выезд и не согласованного отклонения от маршрута должна быть предусмотрена административная ответственность. По описанному принципу организации системы управления дорожным движением получен патент на изобретение (патент РФ №2507583 «Способ организации системы навигации и управления дорожным движением», заявка от 27.04.2012 г., получен 20.02 2014 г.)
6. Эффект от введения директивного управления временем начала поездки может быть описан с помощью предложенной математической модели, основанной на понятии сетевой основной (фундаментальной) диаграммы.
7. По результатам анализа современных подходов к моделированию крупных насыщенных транспортных сетей, а также методов управления сложными системами, в качестве принципа построения системы управления формированием транспортных потоков выбран метод управления на основе

110
прогнозирующей модели. Исходя из этого была разработана структурная схема работы системы включающая следующие основные блоки:
- модель транспортных потоков на подконтрольной УДС;
- блок оценки целевой функции;
- блок выработки управляющих воздействий;
- блок оценки текущего состояния.
8. В качестве критерия оценки эффективности работы УДС в предлагаемой системе был выбран показатель производительности (автомобиле-километров в час) не применявшийся ранее на практике в силу трудностей в получении данных для расчета. На основе данного критерия предложена новая целевая функция работы системы управления дорожным движением.
9. Разработанные алгоритмы работы системы управления формированием транспортных потоков апробированы на основе имитационного моделирования в программном комплексе AIMSUN.
10. Полученные результаты экспериментов на основе имитационного моделирования показывают существенный положительный эффект и совместно с теоретическим обоснованием могут служить убедительным подтверждением эффективности предлагаемой системы управления.
11. Анализ аспектов внедрения предлагаемой системы управления формированием транспортных потоков позволяет сделать вывод о том, что с технической стороны нет никаких препятствий для развертывания предлагаемой системы. Все требуемые компоненты, такие как вычислительная возможность прогнозирования ситуации на УДС большого размера, непрерывное отслеживание каждого ТС, обеспечение быстрой и надежной двухсторонней связи реализуемы уже при сегодняшнем уровне развития технологий, не говоря уже о перспективных разработках.
12. На основе анализа тенденций развития технологий автоматического управления автомобилями можно сказать, что рано или поздно города придут к полностью автоматической транспортной системе. Вполне логично предположить, что единая система с автоматическим движением транспортных

Ill
единиц должна контролировать общее состояние и не будет сама создавать заторов. Таким образом, предлагаемую систему управления формированием транспортных потоков можно рассматривать как переходный этап к автоматической транспортной системе будущего, на котором некоторые параметры движения автомобиля (ускорение, замедление, выбор полосы и т.д.) могут оставаться под контролем человека, автоматизируется выбор маршрута и времени начала движения.
13. Для дальнейшей проработки вариантов внедрения необходимо построение четкой методологической базы функционирования такой системы и проведение ряда дополнительных исследований. Такие исследования в основном должны затронуть вопросы оценки полного экономического эффекта от внедрения системы, вопросы ее надежности и устойчивости, и вопросы алгоритмического обеспечения.