Интеллектуальные методы управления транспортными системами

А.С. Сысоев, С.А. Ляпин, А.В. Галкин, Ю.Н. Ризаева, Д.А. Кадасев, Е.Л. Хабибуллина





ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ СИСТЕМАМИ



Монография



3-е издание








Москва

Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°»

2023

УДК 656.13:004.89
ББК 32.813.5+39.1
      И73


Рецензенты:
А.Н. Новиков - д-р техн. наук, проф., директор Политехнического института им. Н.Н. Поликарпова ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева»;
М.Л. Лапшина - д-р техн. наук, проф. кафедры вычислительной техники и информационных систем ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова».



И73 Интеллектуальные методы управления транспортными системами : монография / А.С. Сысоев, С. А. Ляпин, А.В. Галкин, Ю.Н. Ризаева, Д.А. Кадасев, Е.Л. Хабибуллина. - 3-е изд. -Москва : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2023. -192 с. : цв. ил.
          ISBN 978-5-394-05235-4.
          В монографии рассмотрен комплекс вопросов, связанных с развитием региональных транспортно-логистических систем. Приведен анализ состояния и описаны перспективы развития интеллектуальных транспортнологистических систем, приведены методы интеллектуального управления параметрами транспортных систем.
          Материалы монографии могут представлять интерес для научных сотрудников, занимающихся проблемами моделирования и интеллектуализации транспортных систем, для преподавателей и студентов, а также для всех, кто интересуется данной проблематикой.
                                                        УДК 004.89:656.13
                                                        ББК 32.813.5+39.1




Издание осуществлено при финансовой поддержке РНФ, проект № 18-71-10034 «Создание проекта регионального модуля интеллектуальной транспортно-логистической системы».


© Сысоев А.С., Ляпин С.А., Галкин А.В.,
                                       Ризаева Ю.Н., Кадасев Д.А., Хабибуллина Е.Л., 2021
ISBN 978-5-394-05235-4               © ООО «ИТК «Дашков и К°», 2021

                СОДЕРЖАНИЕ





Предисловие..................................................5
Глава 1. Анализ состояния и перспективы развития интеллектуальных транспортно-логистических систем............7
1.1. Создание и развития интеллектуальной транспортно-логистической системы...........................8
1.2. Методологические основы интеллектуализации региональных транспортно-логистических систем............................13
1.3. Нормативно-правовое регулирование использования и хранения данных транспортного процесса....................21
1.4. Концептуальная схема регионального модуля интеллектуальной транспортно-логистической системы региона...................32
Глава 2. Моделирование, анализ и управление основными параметрами транспортных систем на глобальном уровне........39
1.2. Методика анализа формирования спроса на использование транспортно-логистической сети региона......................39
2.2. Анализ и моделирование пропускной способности участков транспортных коридоров......................................56
    2.2.1. Стохастическая природа пропускной способности участка транспортного коридора...........................56
    2.2.2. Ремоделирование пропускной способности участка транспортного коридора...................................60
2.3. Графоструктурное моделирование транспортных систем и управление ими............................................61
    2.3.1. Критерии качества функционирования интеллектуальных транспортных систем.....................................63
    2.3.2. Алгоритм перераспределения транспортных потоков..69
Глава 3. Методы интеллектуального управления параметрами транспортных систем на локальном уровне.....................73
3.1. Исследование пропускной способности методом анализа чувствительности............................................73

3

3.2. Разработка методологии автоматизированного построения знаний для управления параметрами транспортных систем.......82
3.3. Разработка подхода к управлению доступом транспортных средств к участку транспортного коридора....................87
3.4. Проактивное интеллектуальное управление транспортными потоками на въездах в транспортные коридоры.................98
3.5. Теоретические основы оценки вероятности возникновения ДТП в интеллектуальных транспортнологистических системах.....................................108
3.6. Повышение эффективности служб ликвидации последствий ДТП в интеллектуальных транспортнологистических системах.....................................121
3.7. Модели обеспечения минимального времени прибытия служб ликвидации последствий ДТП в интеллектуальных транспортно-логистических системах..........................135
Глава 4. Информационное обеспечение интеллектуального управления параметрами транспортных систем.................149
4.1. Концептуальная модель хранилища данных параметров транспортных систем........................................149
4.2. Модуль детектирования параметров транспортного потока на основе видеоданных из открытых источников................156
4.3. Система моделирования улично-дорожной сети и перераспределения потоков................................163
4.4. Модуль автоматизированного формирования продукционных правил экспертной системы управления транспортными потоками...................................................166
Заключение.................................................170
Библиография...............................................177

4

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Актуальность создания интеллектуальной системы управления потоками автотранспортных средств в транспортных коридорах обусловлена вступлением РФ в ВТО, интеграцией в мировое транспортнокоммуникационное пространство и реализацией транзитного потенциала страны, используемого сегодня только на 20%.
     Европейский союз планирует обеспечить функционирование мультимодальной трансъевропейской транспортной сети TEN-T на территории всей Европы, что потребует приведения технических и технологических параметров транспортного комплекса России к уровню параметров, которым отвечают международные транспортные коридоры, что в свою очередь позволит обеспечить его конкурентоспособность на уровне мировых аналогов. Основной тенденцией развития мирового автомобилестроения является разработка и внедрение беспилотных транспортных средств, что потребует создания соответствующей организационно-технической и информационной инфраструктуры для их эксплуатации.
     В мировой практике интеллектуальные транспортные системы признаны как общетранспортная идеология интеграции достижений телематики во все виды транспортной деятельности для решения проблем экономического и социального характера - сокращения аварийности, повышения эффективности перевозок, обеспечения общей транспортной безопасности, улучшения экологических показателей.
     Разработки и развертывание таких систем - это потенциально эффективный конкурентоспособный инновационный бизнес и стимул развития нового высокотехнологичного сектора промышленности, что является важным антикризисным фактором.
     Опыт стран Евросоюза, США, Японии, Китая, Сингапура и других государств показывает, что в условиях рыночной экономики только единая государственная политика позволяет объединить усилия государства, субъектов Федерации, бизнеса всех уровней и секторов экономики в решении общенациональных целей в транспортном комплексе.
     Механизмы реализации отличаются в разных странах, однако ключевые компоненты одинаковы.

5

     Существующие в Российской Федерации интеллектуальные транспортные системы представляют собой слабоструктурированный набор прикладных программ для решения частных возникающих проблем управления потоками пилотируемых транспортных средств на отдельных участках транспортной сети (например, системы информирования участников дорожного движения о состоянии внешней среды, рекомендации по выбору скоростного режима и т.п.).
     Разработка региональных интеллектуальных транспортнологистических модулей и объединение их в единую систему носит стратегический характер, определяет в целом конкурентоспособность России на мировом рынке транспортно-логистических услуг.
     Авторы выражают глубокую благодарность Российскому научному фонду, без поддержки которого эта книга не была бы завершена и опубликована.

6

Глава 1




                АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ЛОГИСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ




    В главе содержатся результаты анализа состояния и перспектив развития интеллектуальных транспортно-логистических систем (ИТЛС), методологии научных исследований в сфере разработки концепции регионального модуля ИТЛС страны. Был проведен SWOT-анализ по нескольким направлениям: анализ текущего состояния региональных интеллектуальных транспортно-логистических систем (РИТЛС) в России, анализ влияния создания и развития РИТЛС на все целевые группы пользователей услуг и сервисов, предоставляемых такими системами, анализ влияния создания и развития РИТЛС на развитие региона и экономику страны в целом.
    Разработаны методологические основы решения проблем синтеза РИТЛС как модулей системы, интеграция которых позволит сформировать национальную ИТЛС с дальнейшим вхождением ее в европейско-азиатскую транспортную сеть. Это повысит эффективность функционирования транспортно-дорожного комплекса страны за счет интеллектуализации системы управления движением потоков автотранспортных средств, грузов и пассажиров по транспортным коридорам в едином информационном пространстве.
    Рассмотрена нормативно-правовая база для регулирования функционирования РИТЛС в РФ, использования и хранения данных транспортного процесса и его участников, отвечающая требованиям действующего законодательства РФ, государственной политики в области международной информационной безопасности, Транспортной стратегии.
    Приведена построенная концептуальная модель РИТЛС, модуля управления транспортными потоками пилотируемых и беспилотных автотранспортных средств, при движении в транспортных коридорах в соответствии с требованиями к организационно-технической и информационно-функциональной структуре модулей ИТЛС. Разработанная концептуальная модель РИТЛС позволяет управлять транспортными потоками, сформированными из пилотируемых и беспилотных транспортных средств.

7

        1.1. Создание и развития интеллектуальной транспортно-логистической системы


     Разработка интеллектуальных транспортно-логистических модулей региона и объединение их в единую систему является стратегическим направлением повышения конкурентоспособности России на мировом рынке транспортно-логистических услуг. Поставленная задача предполагает концептуальный подход к использованию транспортной сети региона в качестве модуля глобальной трансконтинентальной сети. Последний должен встраиваться в эту сеть с минимальными инвестициями, при этом обеспечивая развитие транспортно-логистической инфраструктуры региона и страны в целом, совместимой с мировыми системами управления транспортными потоками, а также с учетом экологического воздействия транспортного процесса на окружающую среду. Другими словами, региональные модули, объединенные в единую интеллектуальную транспортно-логистическую систему, которая будет интегрирована в европейскую и азиатскую интеллектуальную транспортную систему (ИТС), будут использоваться для координации физической инфраструктуры и «мягкой инфраструктуры».
     Создание ИТС является перспективной для РФ задачей, определенной в Стратегии научно-технологического развития России на долгосрочный период. Программа Национальной технологической инициативы определяет ряд рынков, где Россия должна занять лидирующие позиции в ближайшие 15-20 лет. Одним из таких рынков является «Ав-тонет», рынок беспилотных автотранспортных средств¹, что потребует создания соответствующей организационно-технической и информационной инфраструктуры для их эксплуатации.
     До начала полномасштабных научных работ по созданию и развитию модуля региональной интеллектуальной транспортно-логистической системы был проведен SWOT-анализ по нескольким направлениям:
   1) анализ текущего состояния РИТЛС в России;
   2) анализ влияния создания и развития РИТЛС на все целевые группы пользователей услуг и сервисов РИТЛС: участники дорожного движения; частные и государственные грузоперевозчики, грузоот

¹ План мероприятий («Дорожная карта») «Автонет» НТИ.

8

     правители и грузополучатели; службы дорожного строительства и эксплуатации; провайдеры информационных услуг; проектные организации, представители бизнеса; органы управления автомобильных дорог и государственные службы; государственные службы; государственные автоперевозчики;
  3)  анализ влияние создания и развития РИТЛС на развитие региона и экономику страны в целом.
    Выполненный SWOT-анализ позволяет сделать вывод о необходимости использования научного инструментария¹,².
    Необходимо систематическое и последовательное внедрение и непрерывное усовершенствование подсистем (сервисов) РИТЛС. Отсутствие совместимости и стандартизации региональных модулей приведет к фрагментированным, сложным и дорогостоящим системам.
    Комплексные результаты проведенного SWOT-анализа по трем направлениям следующие.
  • Сильные стороны создания и развития РИТЛС
     Сильные стороны текущего состояния РИТЛС:
  1. Разработаны государственные стандарты в области интеллектуальных транспортных систем (ГОСТ Р 56294-2014; ГОСТ Р ИСО 14813-1-2011 и другие)³,⁴.
  2. Реализация Национальной технологической       инициативы.
     Агентство стратегических инициатив сформировало рабочую группу AutoNet (распределенная сеть управления автотранспортом без водителя).
  3. Прошли/проходят тестирование проекты по развитию ИТС.

—
¹ Lyapin S., Rizaeva Y., Sysoev A., Kadasev D., Khabibullina E. Stages to create and develop module of regional intelligent transportation and logistics system // Transportation Research Procedia. - 2020. - Vol. 45. - P. 939-946.
² Ризаева Ю.Н., Мактамкулова Г.А., Чиликина И.А. Организационно-функциональная структура интеллектуальной транспортно-экологистической системы // Вестник Липецкого государственного технического университета. - 2018. -№ 3 (37). - С. 73-77.
³ ГОСТ Р 56294-2014. Интеллектуальные транспортные системы. Требования к функциональной и физической архитектурам интеллектуальных транспортных систем». - Москва: Стандартинформ, 2015. - 8 с.
⁴ ГОСТ Р ИСО 14813-1-2011 «Интеллектуальные транспортные системы. Схема построения архитектуры интеллектуальных транспортных систем. Часть 1. Сервисные домены в области интеллектуальных транспортных систем, сервисные группы и сервисы». - Москва: Стандартинформ, 2018 . - 26 с.

9

     Сильные стороны создания и развития РИТЛС для всех целевых групп пользователей услуг и сервисов:
   1. Транспортная доступность регионов страны на транспорте в условиях существующей пропускной способности автомагистралей.
   2. Более высокая социальная и деловая активность населения за счет использования информационных сервисов РИТЛС.
   3. Повышение системной безопасности функционирования транспорта.
   4. Обеспечение автоматизированной передачи информации в режиме реального времени всем участникам транспортного процесса.
     Сильные стороны создания и развития РИТЛС для развития региона и экономики страны в целом:
   1. Совершенствование планирования производственной деятельности промышленных предприятий региона/страны.
   2. Уменьшения вреда, наносимого окружающей среде.
   3. Развитие систем управления транспортными коридорами.
   4. Повышение качества планирования и управления транспортными потоками пилотируемых и беспилотных ТС.
   5. Контроль транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.
   6. Повышение транспортной доступности населенных пунктов в условиях ЧС.
   7. Совершенствование работы по ликвидации ЧС и их последствий.
   8. Полномасштабное внедрение РИТЛС позволит осуществить переход от раздельного управления различными транспортными системами регионов к централизованному управлению транспортной сетью страны.
   • Слабые стороны создания и развития РИТЛС
     Слабые стороны текущего состояния РИТЛС:
   1. Отсутствует государственная организационная структура, ответственная за развитие РИТЛС.
   2. Отсутствует нормативно-правовая база в области РИТЛС.
   3. Разрозненные научные исследования, отсутствие разработанных стратегических и программных документов, сформированной единой национальной политики и других атрибутов технически грамотного процесса развертывания РИТЛС в целом в России.

10

   4. Ограниченное число специалистов в области РИТЛС.
   5. Малое количество научных заведений, работающих над данной тематикой.
   6. Слабая организация взаимодействия заинтересованных сторон, многие системы дублируют друг друга.
   7. Слабо развиты V2V системы (связь между транспортными средствами) и V2I системы (связь транспортного средства и интеллектуальными доменами инфраструктуры).
     Слабые стороны создания и развития РИТЛС на все целевые группы пользователей услуг и сервисов - практически не выявлено.
     Слабые стороны создания и развития РИТЛС для развития региона и экономики страны в целом: большая протяженность транспортных путей в РФ требует дорогого насыщения интеллектуальными системами наблюдения и связи.
   • Возможности при создании и развитии РИТЛС
     Возможности текущего состояния РИТЛС: развитие систем V2V и V2I, парковочных зон, беспроводной оплаты проезда.
     Возможности создания и развития РИТЛС на все целевые группы пользователей услуг и сервисов:
   1. Создание новых рабочих мест.
   2. Увеличение количества заказов технологического сектора на формирование и совершенствование РИТЛС.
   3. Повышение квалификации работников транспортной отрасли за счет изучения российского и зарубежного опыта по развитию интеллектуальных транспортно-логистических систем.
   4.   Создание единой системы для взаимодействия государственных институтов, бизнеса, научной общественности и развитие общего подхода к управлению транспортным комплексом за счет формирования единой открытой архитектуры системы, протоколов информационного обмена, форм перевозочных документов и т.д. Возможности создания и развития РИТЛС для развития региона и экономики страны в целом:
   1. Возможность сформировать национальную интеллектуальную транспортно-логистическую систему с дальнейшим вхождением ее в европейско-азиатскую транспортную сеть для повышения эффективности функционирования транспортно-дорожного комплекса страны.

11

  2. Повышение уровня безопасности при высокоскоростном движении.
  3. Возможность перехода к управлению пилотируемыми и беспилотными транспортными потоками в масштабах страны в онлайн-режиме.
  4. Обеспечение развития транспортной инфраструктуры, совершенствование организации дорожного движения, пересмотр градостроительных приоритетов развития в направлении снижения селитебно-трудовой несбалансированности в границах планировочных зон города, формирование условий для приоритетного развития общественного транспорта.
  5. Обеспечение связности регионов РФ.
  6. Оптимизация транспортных потоков для повышения пропускной способности и снижения риска возникновения дорожнотранспортных происшествий.
  7. Общее увеличение эффективности экономики.
  • Опасности создания и развития РИТЛС
     Опасности создания и развития модуля РИТЛС для рассмотренных направлений:
  1. Профессии уходят в прошлое.
  2. Возможность аварий и диверсий.
  3. Высокая зависимость организации и протекания транспортнологистического процесса от электроники.
  4. Вероятность выхода из строя участков организационнотехнической и информационно-функциональной инфраструктуры из-за аппаратных сбоев.
     Создание концептуального проекта регионального модуля интеллектуальной системы управления движением потоков автотранспортных средств по транспортным коридорам в едином информационном пространстве способно оптимизировать транспортно-логистические процессы и повысить системную безопасность транспортного процесса. Разработка и внедрение концепции модуля РИТЛС, встраиваемой в глобальные Европейскую и Азиатскую транспортные системы, способствует повышению эффективности функционирования транспортнодорожного комплекса региона, реализации его транзитного потенциала в глобальной системе международных управляемых транспортных коридоров (Integrated Corridor Management).

12