Системный анализ управления загрузкой транспортной сети при возникновении нештатных ситуаций

. модель должна быть сложноорганизованной: должны учитываться семантические и геоинформационные параметры транспортных потоков, транспортных процессов, нештатных ситуаций, как функций времени и геолокации транспортной сети [7, 8];

. модель должна описывать движение транспортных средств по ориентированному графу в рамках интерактивной карты в среде геоинформационной системы [9];

. модель, в полной мере учитывающая факторы взаимного влияния участников транспортных процессов, должна быть моделью, основанной на поиске равновесного распределения транспортных средств [10];

. модель должна иметь прогнозный характер [4];

. модель, определяющая загрузку транспорт- ной сети на основе расчета стратегий поведения участников транспортных процессов, должна быть моделью оптимальных стратегий [11].

МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЗАГРУЗКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ

Анализ загрузки ТрС является многокомпонентной задачей, решение которой требует построения математических моделей управления транспортными процессами (модель загрузки транспортной сети): модель транспортной сети, модель транспортного потока (ТрП), модель технических средств управления транспортной инфраструктурой, модель нештатной ситуации.

Для построения модели управления загрузкой транспортной сети введем следующие определения базовых понятий:

. Базовый участок – участок-перегон транспортной сети с непрерывным движением транспортного потока, не имеющий прилегающих участков въезда и выезда.

. Скорость свободного потока – средняя скорость движения транспортного потока на базовом участке без светофорного регулирования в условиях низкой плотности потока.

. Пропускная способность участка транспортной сети – максимальная интенсивность потока, которая достижима на базовом участке в текущих дорожных условиях; выражается отношением количества транспортных средств в приведённых единицах, движущихся по участку, к интервалу времени.

. Ёмкость участка транспортной сети – максимальная плотность потока, которая достижима на базовом участке; выражается отношением количества транспортных средств в приведённых единицах, движущихся по участку, к длине участка.

. Загрузка транспортной сети – количество транспортных средств, движущихся по участкам транспортной сети: перекрёсткам, перегонам, тоннелям, путепроводам.

Дескрипторами загрузки транспортной сети являются коэффициенты загрузки участка транспортной сети по интенсивности и плотности транспортного потока:

. Коэффициент загрузки участка транспортной сети по интенсивности транспортного потока определим, как отношение интенсивности к пропускной способности участка.

. Коэффициент загрузки участка транспортной сети по плотности транспортного потока определим, как отношение плотности к ёмкости участка.

. Перегруженный участок транспортной сети – участок, на котором коэффициент загрузки по плотности транспортного потока приближается к единице.

Модель загрузки транспортной сети – совокупность объектов, атрибутов и связей между ними, необходимых для решения задач:

. мониторинг и детектирование нештатных ситуаций, возникающих на транспортной сети;

. определение параметров транспортных потоков;

. управление транспортными процессами с позиций информационного, оперативного и инфраструктурного обеспечения с целью повышения эффективности и безопасности функционирования транспортной инфраструктуры;

. сбор и обработка статистических данных.

Фундаментальной особенностью анализа и построения модели загрузки транспортной сети, характеризующей сложность модели, является выявление взаимного влияния и итеративной зависимости выбора маршрутов движения транспортных средств от построения маршрутов другими транспортными средствами и возникающей в этой связи транспортной задержки. Математическая модель взаимного влияния строится на основе функции зависимости весовой характеристики (цены) дуги графа улично-дорожной сети от интенсивности транспортного потока на данной дуге [9, 12, 13].

Процесс формирования загрузки сети, состоящий из построения транспортных маршрутов, основан на сопоставлении весовых характеристик различных маршрутов. При этом весовые характеристики дуг графа улично-дорожной сети определяются существующей на текущий момент загрузкой транспортной сети [14].

Построение моделей сложных многокомпонентных систем базируется на применении методов и подходов системного анализа [11, 15, 16]. На начальном этапе решения поставленных задач производится декомпозиция предметной области управления загрузкой ТрС при возникновении нештатных ситуаций. Выявление входящих в неё сущностей и структурирование характеризующих их данных и взаимосвязей является базисом системного анализа [16]. Результат декомпозиции предметной области «Загрузка транспортной сети» представлен на рисунке 1. В основе данной декомпозиции лежит модель предметной области «Организация дорожного движения», описанная в [17], в которую добавлены классы, необходимые для описания модели нештатных ситуаций ТрС, технических средств управления транспортной инфраструктурой, реализующих адаптивное управление и информационное обеспечение участников дорожного движения.

Модель предметной области (ПрО) «Загрузка транспортной сети» опишем как (1):

M SubjecArea = M RN , M . , M , M es^ , (1) где M_SubjectArea – модель предметной области «Загрузка ТрС»;

M_RN – модель транспортной сети;

M_TFlow – модель транспортного потока;

M_TIM – модель технических средств управления транспортной инфраструктурой ;

M_ES – модель нештатной ситуации .

Модель транспортной сети M_RN определяется классами: Участок, Граф_ТрС . Участок представляет собой полигональный элемент электронной карты геоинформационной системы, позволяющий синтезировать транспортную сеть любой конфигурации, структуры с различными характеристиками. Варианты движения транспортных средств, направление движения и различные параметры ТрП на участке ТрС описываются с помощью графа и весовых характеристик его элементов.

Модель транспортного потока M_TFlow определяется классами: Скорость, Интенсивность, Плотность, Состав [17]. Модель M_TFlow рассматривается с позиций микромодели, в которой каждое транспортное средство выделено в отдельную модель с персонифицированными характеристиками, и макромодели, в которой определены групповые макрохарактеристики ТрП.

Модель технических средств управления транспортной инфраструктурой M_TIM определяется классами Светофорный_объект, Дорожный_ знак, Дорожная_разметка, Дорожное_ограждение, Средство_мониторинга_состояния_объектов_ ТрИ, Средство_информирования_участников_ движения .

Модель MTIM включает в себя стандартные технические средства организации дорожного движения, такие как дорожные знаки, светофоры и разметка. Процесс мониторинга состояния объектов ТрИ включает в себя сбор и обработку данных о транспортных процессах и объектах с помощью технических средств, таких как датчики движения, камеры наблюдения, спутниковые системы навигации и т.д. Информирование участников движения осуществляется с помощью специализированных табло, средств передачи информации через различные каналы связи.

Модель нештатной ситуации M_ES определяется классами: Тип, Время, Геозона_влияния. Тип нештатной ситуации характеризуется её местоположением, т.е. её координатами на электронной карте, либо причиной возникновения НС. Время нештатной ситуации рассматривается с различных позиций, таких как время возникновения НС, нормативное и фактическое время устранения НС и т.д. Геозоны влияния нештатной ситуации делятся на зоны непосредственного и опосредованного влияния НС на транспортные процессы и объекты ТрИ [18].

МОДЕЛЬ НЕШТАТНОЙ СИТУАЦИИ

Дорожно-транспортную ситуацию s _j определим как событие или особое состояние транспортной сети, информация о возникновении которых получена соответствующими службами. Наиболее распространёнными событиями являются дорожно-транспортное происшествие, отключение устройств управления транспортными потоками, повреждение подземных коммуникаций с выбросом на проезжую часть и т.д. К особым состояниям отнесём чрезвычай-

Рис. 1. Декомпозиция предметной области «Загрузка транспортной сети»

ные природные явления, такие как туман, гололёд, ливень, метель, штормовые явления и др. К снижению пропускной способности дороги приводят дефекты дорожного покрытия, плановые или аварийные работы, ведущиеся на проезжей части.

Суть подхода к рассмотрению ситуации заключается в изучении дорожно-транспортной ситуации и отнесении её к классу нештатных ситуаций в случае, если событие обладает признаками влияния на транспортные потоки или пропускную способность транспортной сети. Элементом рассмотрения ситуации является подтверждение достоверности информации о событии или особом состоянии транспортной сети. Если информация достоверна, производится определение параметров ситуации (атрибутов соответствующих объектов), её анализ и обработка статистических данных.

Обозначим S = { s . } как множество дорожно-транспортных ситуаций, о которых поступила информация.

Множество нештатных (критических) ситуаций на транспортной сети B = { b i } - совокупность таких ситуаций, которые оказывают влияние на транспортные потоки, и возникновение которых могут носить случайный или плановый характер. Нештатные ситуации характеризуются тем, что они не учитываются при разработке постоянной схемы организации дорожного движения [18].

Любая нештатная ситуация b_i является дорожно-транспортной ситуацией s _j , при этом не каждая дорожно-транспортная ситуация s_j является нештатной ситуацией b _i .

V b , e B | 3 _Sj G S , b , = _Sj , (2) V s j g S | ( 3 b i g B, s j = b i ) v (! 3 b i g B, s j = b i ) .(3)

Определение. Нештатное изменение графа ТрС – изменение атрибутивных параметров дуг, узлов или участков ТрС, вызванное нештатной ситуацией.

Вид нештатной ситуации w i e W . Множество W представляет собой набор всех возможных видов нештатных ситуаций. Примерами входящих в него элементов являются ДТП, туман, упавшее дерево, ремонтные работы, открытый канализационный люк и пр.

Модель нештатной ситуации определим как (4):

М= MT , Mr , M7 ,{, (4) ES Type , Time , Zone ,/ , где МES - модель нештатной ситуации;

M

^Type – модель типа нештатной ситуации;

^Time – модель временных характеристик нештатной ситуации;

^{M Zone} – модель геозоны влияния нештатной ситуации.

ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ НЕШТАТНОЙ СИТУАЦИИ

Модель типа нештатной ситуации M _Type включает в себя типы нештатных ситуаций по местоположению и по источнику возникновения. На рисунке 2 приведена классификация типов нештатных ситуаций.

Местоположение – геопозиция нештатной ситуации на карте определена перечнем возможных типов нештатных ситуаций по пространственному расположению и позицией наблюдения нештатной ситуации.

Тип геопозиции нештатной ситуации type ^Т : точечная, линейная, полигональная :

type ^т g T ^т = {' точечная ',' линейная ',' полигональная '}. (5)

Позицией наблюдения P_b нештатной ситуации b _i является источник информации о нештатной ситуации. В случае, если источником является техническое средство мониторинга транспортных процессов, расположенное на ТрС, производится привязка к его координатам ⁽ Х , У ) .

Определение . Множество нештатных ситуаций Т = ^jX } , визуализированных на карте, где каждый элемент у}¹ e Т связан с соответствующим элементом b i e B .

Множество Т содержит в себе следующие подмножества:

Т D с Т - множество нештатных ситуаций точечного вида;

Т L сТ - множество нештатных ситуаций линейного вида;

Т A сТ - множество нештатных ситуаций полигонального вида.

Определение. Нештатную ситуацию назовем точечной , если её геометрические размеры пренебрежительно малы. Будем считать нештатную ситуацию точечной, если радиус окружности r , описывающей участок проезжей части, затронутый нештатной ситуацией, не превышает £ .

Точечная нештатная ситуация определена типом расположения на участках ТрС:

typeт g Tт = {'перегон','стандартный перекрёсток','путепровод', 'перекрёсток с круговым движением','железнодорожный переезд','тоннель'}, т.е. тип точечной НС: typeТ e TТ ={1,2,..., n} ; где каждому типу соответствует число: «перегон» – 1, «стандартный перекрёсток» – 2, «путепровод» – 3, «перекрёсток с круговым движением» – 4, «железнодорожный переезд» – 5, «тоннель» – 6.

Множество дислоцированных точечных нештатных ситуаций определим как: Т ^D = { y iD } , i = 1,2,..., n . Класс точечных нештатных ситуаций порождает подклассы в зависимости от дислокации не-

Рис. 2. Классификация типов нештатных ситуаций

штатной ситуации на разных участках ТрС:

у D = у D1 и у D 2 и у D 3 и у D 4 и у D 5 и у D 6.

Точечная нештатная ситуация на перегоне ψ _i ^{D 1} ∈ Ψ ^D (рисунок 3) характеризуется координатами ( x_i , y_i ) и снижает пропускную способность дуги или противоположно направленных дуг графа ТрС, относящихся к одному перегону.

Точечная нештатная ситуация на стандартном перекрёстке ψ _i ^{D 2} ∈ Ψ ^D (рисунок 4) характеризуется координатами ( x_i , y_i ) и снижает пропускную способность I ^C для n направлений движения ТрС на перекрестке ТрС.

Рис. 3. Точечная нештатная ситуация на перегоне

Точечная нештатная ситуация на перекрёстке с круговым движением ψ _i ^{D 3} ∈ Ψ ^D (рисунок 5) в зависимости от расположения представляется либо точечной нештатной ситуацией на перегоне, либо точечной нештатной ситуацией на стандартном перекрёстке.

Рис. 4. Точечная нештатная ситуация

Рис. 5. Варианты нештатных ситуаций на перекрёстке с круговым движением

Точечная нештатная ситуация на железнодорожном переезде ψiD4 ∈ ΨD , на мосту, путепроводе ψiD5 ∈ ΨD или в тоннеле ψiD6 ∈ ΨD определяется также, как точечная ситуация на перегоне.

Определение. Нештатную ситуацию назовем линейной , если она непосредственно воздействует на один или несколько смежных участков ТрС, при этом отсутствуют точки разделения и слияния транспортных потоков на этих участках. Множество дислоцированных линейных нештатных ситуаций определим как: y L = ^ L } , i = 1, 2,..., n . Линейная нештатная ситуация отличается от точечной значительной протяжённостью (рисунок6),характеризуется географическими координатами граничных точек ( x , i , y 1 i ), ( x 2i , У ₂ i ). Опционально указываются координаты эпицентра линейной нештатной ситуации

Рис. 6. Линейная нештатная ситуация

Определение. Нештатную ситуацию назовем полигональной , если она оказывает воздействие на n смежных или несмежных участков ТрС, вне зависимости от наличия точек разветвления и слияния транспортных потоков (рисунок 7). Множество дислоцированных полигональных нештатных ситуаций определим как: Y A = ^ A } , Y D = { ^ iD } , i = 1, 2, •••, n . Для указания дислокации полигональной нештатной ситуации используются координаты вершин полигона ( x , , , y , , ), ( x 2 , , y ₂ i ),...( x_ni,y_n). Вариантом указания дислокации является привязка к графу ТрС с помощью указания зоны непосредственного воздействия. Опционально указываются координаты эпицентра линейной нештатной ситуации ( x e ,y_ei ).

Тип источника возникновения нештатной ситуации type® : окружающая среда, транспортная сеть, технические средства управления транспортной инфраструктурой, транспортный поток :

type B е T B = {' окружающая _ среда "транспортная _ сеть ', ' технические _ средства _ управления _ транспортной _ инфраструктурой ', (6) ' транспортный _ поток ')

Множество B нештатных ситуаций разделим на следующие подмножества B ^X [18,19]:

Рис. 7. Полигональная нештатная ситуация

B^E с B - множество нештатных ситуаций, вызванных окружающей средой;

B N с B - множество нештатных ситуаций, вызванных изменениями транспортной сети;

B^s с B - множество нештатных ситуаций, вызванных техническими средствами управления транспортной инфраструктурой;

B F с B - множество нештатных ситуаций, вызванных транспортным потоком.

Определение. Нештатная ситуация b® е B ^E вызвана окружающей средой , если её возникновение обусловлено чрезвычайными природными явлениями (туман, гололёд и т.п.)

Определение. Нештатная ситуация b iN е B N вызвана изменениями транспортной сети , если причиной её возникновения является разрушение дорожного покрытия, посторонний объект на проезжей части (например, упавшее на проезжую часть дерево), ремонтные и строительные работы, затрагивающие проезжую часть.

Определение. Нештатная ситуация b ,^s е B^s вызвана техническими средствами управления транспортной инфраструктурой, если её возникновение обусловлено неработающим светофором, нечитаемым дорожным знаком.

Определение. Нештатная ситуация b i е B F вызвана транспортным потоком, если её возникновение обусловлено дорожно-транспортным происшествием.

МОДЕЛЬ ВРЕМЕННЫХ АТРИБУТОВ НЕШТАТНОЙ СИТУАЦИИ

Динамическая нештатная ситуация - событие, привязанное ко времени. Модель М_Т1те определена следующими параметрами (атрибутами):

t_D - время поступления информации о нештатной ситуации;

tA - время возникновения нештатной ситуации, определяется для каждого экземпляра класса «Нештатная ситуация» во время его создания, если данное время известно;

t _N

–

нормативное время устранения не-

штатной ситуации , показывает максимально допустимый период времени, отведённый на устранение нештатной ситуации нормативными документами;

t _R – время фактического устранения нештатной ситуации, определяется для каждого экземпляра класса «Нештатная ситуация» в момент устранения нештатной ситуации;

t _P ^s – запланированное время возникновения нештатной ситуации, определяется для каждого экземпляра класса «Нештатная ситуация» в случае, если НС заранее запланирована;

f tP – запланированное время устранения нештатной ситуации, определяется для каждого экземпляра класса «Нештатная ситуация» в случае, если НС заранее запланирована;

t _P ^e – ожидаемое время устранения нештатной ситуации, определяется в момент возникновения нештатной ситуации путём обработки статистических данных о НС, устраненных ранее.

Нештатная ситуация b_i ^X ∈ B может находиться в одном из следующих состояний:

b_i ^I ∈ B – получена информация, требующая проверки;

b_i^C ∈ B – активна;

M b_i b ^R

I ^bi ^P b ^B

∈ B ∈ B ∈ B ∈ B

– в процессе устранения;

– устранена;

– запланирована;

– запланированная нештатная ситу-

Z ₂ - зона опосредованного влияния.

Определение. Зона непосредственного влияния Z 1 нештатной ситуации b - совокупность дуг е. е E графа ТрС G, на которые нештатная ситуация оказывает влияние в виде изменения таких характеристик, как скорость свободного движения vej, пропускная способность 1^ , ко-~ личество полос движения n j . Зона непосредственного влияния Z1 определяет дислокацию нештатной ситуации на транспортной сети, она статична на протяжении всего времени существования нештатной ситуации.

Модель зоны непосредственного влияния нештатной ситуации определим фор мулой:

Z , = {( Z_d Ef { E j }, E” })}, г = i;m , j = l? n j , (7) где m – количество дуг графа ТрС G , на которые нештатная ситуация оказывает воздействие; n _B ^ei – количество полос движения на участке, соответствующем i -й дуге, на которые нештатная ситуация оказывает воздействие, E _i ^B – вектор параметров нештатной ситуации, независимых от полосы движения на i -й дуге, E _ij ^L – вектор параметров нештатной ситуации, актуальных для j -й полосы i -й дуги, E _i ^SO – вектор параметров, характеризующих возможность объезда нештатной ситуации по обочине и полосам встречного движения.

Коэффициент изменения пропускной способности k _I ^{e i} показывает изменение пропускной способности дуги e ^~ _i при возникновении нештатной ситуации.

^kI^e Cⁱ

I ei

C

ация произошла раньше времени;

b_i^H ∈ B – возникновение запланированной нештатной ситуации отложено;

b _i ^T ∈ B – запланированный срок устранения нештатной ситуации истёк, нештатная ситуация не устранена;

b_i^U ∈ B – нормативный срок устранения нештатной ситуации истёк, нештатная ситуация не устранена;

b_i^Q ∈ B – устранена раньше запланированного срока;

b_i^W ∈ B – возникновение запланированной нештатной ситуации отменено.

- I C^{Be i}

I ~

C

МОДЕЛЬ ГЕОЗОНЫ ВЛИЯНИЯ

Каждой нештатной ситуации b_i необходимо сопоставить изменения, вносимые ею на ТрС. Данные изменения определяются моделью геозоны влияния M _Zone , определяемой как:

M₇ = ( Z ,, Z V

Zone 1 ’ 2 / , где Zj - зона непосредственного влияния;

где I_C^{e i} – номинальная пропускная способность дуги e i ■;

I B - пропускная способность дуги в условиях нештатной ситуации на ней.

Аналогично определяется коэффициент k ^j изменения пропускной способности j -й полосы дуги e i . В случае отсутствия воздействия НС на j -ю полосу k^ j = 1. Если j -я полоса перекрывается полностью, то k^v = 0.

Определение. Зона опосредованного влияния Z ₂( t ) нештатной ситуации b i в момент времени t - совокупность дуг ^ е E графа ТрС G, на которых нештатная ситуация оказывает влияние на характеристики транспортных потоков.

Зона опосредованного влияния нештатного изменения на ТрП динамична – она меняется в зависимости от меняющихся с течением времени характеристик ТрП.

Зона опосредованного влияния зависит от характеристик нештатной ситуации, структуры графа ТрС и весовых характеристик его дуг.

Распространение влияния нештатной ситуации на микроуровне осуществляется из-за форми-

рования очереди транспортных средств в случае превышения транспортного спроса над пропускной способностью дуги при изначально свободном движении, либо из-за снижения скорости.

Зона Z ₂( t ) опционально делится на несколько подзон с разной степенью влияния на транспортные потоки: Z ₂( t ) = Z 1 ( t ) и Z ₂²( t ) и ... и Z *m ( t ) , где m – количество подзон.

Большое количество исследований загрузки ТрС в среде интеллектуальной транспортной геоинформационной системы «ITSGIS» направлено на разработку алгоритмов автоматического детектирования нештатных ситуаций и заторов [20]. ITSGIS для сбора характеристик транспортных потоков рассматривает использование следующих типов аппаратных средств: индукционные петли, магнитометры, активные и пассивные инфракрасные датчики, пассивные акустические и ультразвуковые датчики, камеры, частотно-модулированные радары с непрерывным излучением и доплеровские радары, импульсные лазерные излучатели. Измеренные значения почасовой интенсивности транспортных потоков на одном и том же участке транспортной сети в разные будние дни при штатном функционировании транспортной сети образуют массив данных, из которых путём нахождения средних или медианных значений интенсивности формируется паттерн штатных почасовых интенсивностей. Значительное отклонение измеряемой в режиме реального времени интенсивности от найденного паттерна означает вероятность присутствия нештатной ситуации. Аналогичные паттерны генерируются для скорости и плотности транспортных потоков. В случае невозможности непосредственного измерения характеристик транспортных потоков используются методы прогнозирования.

Подводя итоги решения задачи проведения системного анализа управления загрузкой транспортной сети при возникновении нештатных ситуаций и построения модели нештатных ситуаций, сделаем следующие выводы:

. выполнена декомпозиция предметной области «Загрузка транспортной сети» на классы объектов, разработана модель предметной области;

. разработаны модели объектов транспортной инфраструктуры, входящих в предметную область, выявлены атрибутивные характеристики объектов;

. выполнена параметризация модели нештатной ситуации, представлена классификация нештатных ситуаций по типам, выявлены временные характеристики и геозоны непосредственного влияния на транспортную сеть и опосредованного влияния на транспортные потоки.

На основе построенных моделей разработаны методы управления загрузкой транспортной сети и анализа возникших нештатных ситуаций, включающие в себя сбор и обработку исходных данных, детерминацию нештатных ситуаций и их характеристик, выбор оптимальной стратегии реагирования, выполнение функций управления.