Автоматизация планирования перемещения транспортных колонн в чрезвычайных ситуациях на основе геоинформационной технологии Текст научной статьи по специальности «Математика»

Информатика и технологии информатики

99

ф ИНФОРМАТИКА И ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИКИ

УДК 65.011.56

С. В. Алышев, И. Б. Саенко

Военная академия связи им. С. М. Будённого

В. А. Кудряшов, Е. В. Опарин

Петербургский государственный университет путей сообщения

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ КОЛОНН В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В статье рассматриваются модель и методика автоматизированного планирования перемещения транспортных колон в чрезвычайных ситуациях, основанные на существующих методах поиска маршрутов. Предложенные методы поиска маршрутов базируются на применении теории графов, эвристических алгоритмов поиска кратчайших путей и генетических алгоритмов оптимизации.

геоинформационная технология, теория графов, алгоритм поиска кратчайшего пути, генетический алгоритм.

Введение

Проблема планирования перемещения автотранспорта особенно остра для чрезвычайных ситуаций (ЧС), под которыми понимаются обстоятельства, имеющие место при организации перемещения на автомобильном транспорте подразделений различных ведомств (МЧС, МВД, ОАО РЖД и т. д.), а также населения и имущества по автомобильным дорогам, - это угроза или возникновение природных катаклизмов, техногенных катастроф, наводнений и т. п.

Организация движения автотранспорта в ЧС обусловлена неукоснительным соблюдением следующих правил: перемещение автотранспорта осуществляется транспортными колоннами (ТК) в строгом соответствии с заданным маршрутом и расписанием; движение ТК регулируется на

протяжении всего маршрута; перемещение должно быть обеспечено за минимальное время; образование пробок и заторов не допускается.

В случае некорректной организации перемещения высока вероятность образования заторов (рис. 1), когда на перекресток (вершину графа дорожной сети) в одно время подходят более двух ТК. В связи с немалой длиной ТК и невысокой скоростью ее движения, особенно при выполнении поворота, время проезда перекрестка ТК может составлять до десяти минут. Следовательно, ТК, подъехавшей к перекрестку, занятому проездом другой ТК, необходимо совершить полную остановку и ожидать освобождения перекрестка для дальнейшего продолжения движения по заданному маршруту. Любые непредусмотренные остановки движения при перемещении в ЧС могут привести к

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

100

Информатика и технологии информатики

огромным человеческим жертвам и материальным потерям [1].

Все это свидетельствует об актуальности задачи автоматизации планирования перемещения (1111) ТК в ЧС, которая должна решаться в сжатые сроки и на должном уровне.

1 Постановка задачи

Анализ существующих методов 1111 ТК в ЧС, основанных на применении «ручного» способа обработки пространственных данных, получаемых с топографических карт, показал их несостоятельность в части удовлетворения современным требованиям по оперативности и обоснованности, предъявляемым к процессу 1111 ТК в ЧС.

Для решения указанной проблемы необходимо автоматизировать процесс 11 , применяя при этом возможности геоинформационной технологии (ГИТ) [2]. Однако анализ современных геоинформационных систем (ГИС) показал, что в них отсутству-

ют программно-математические средства, решающие задачи 11 ТК в органах управления. Поэтому для автоматизации ПП ТК в ЧС необходима разработка соответствующих методов поиска рациональных маршрутов и организации перемещения по ним колонн согласно заданным условиям перемещения. 1рограммы, реализующие данные методы, должны являться элементами геоинформационного обеспечения системы автоматизированного ИИ ТК в ЧС.

Формальная постановка задачи имеет следующий вид. Исходными данными являются: G = {A, B} - граф исследуемой дорожной сети (ДС), который построен посредством ГИТ на основе картографических данных, снимаемых с цифровой карты местности; K ={K,}, k=1, 2, ..., K - множество ТК, передвижение которых планируется по исследуемой ДС; икомпл = f{UQ} - коэффициент воздействия различных условий и факторов на скорость движения ТК и расход топлива транспортными средствами, зависящий от характеристик дорожного ресурса, климатических, метеорологических, се-

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Информатика и технологии информатики

101

зонных и оперативных факторов на момент планируемого перемещения.

Требуется разработать:

1) модель перемещения ТК в ЧС вида MP = <G, К , M, U >, где M = {M,} -множество рациональных маршрутов, по которым передвигаются ТК;

2) методику автоматизированного планирования перемещения ТК в ЧС, которая позволит спланировать перемещение всех ТК, удовлетворяющее следующим условиям:

" fs (Mk) ^ min;

<FT (Mk ) < TycT;

. Fr (Mk) < Rуст,

где FS (Mk ) = f {Sk } = X w(bj ) - функцио-

ЬуШк

нал, находящий длину маршрута Mk; Sk -длина маршрута Mk; Ь . - дуга графа ДС, принадлежащая маршруту Mk; FR(Mk) -функционал, определяющий расход топлива каждой k-й ТК при совершении марша по найденным маршрутам Mk; FT (Mk) - функционал, определяющий время совершения марша каждой k-й колонной по найденному маршруту Mk; Т/уст - время, которое отводится каждой k-й колонне на совершение марша; RkCT - норма расхода топлива, установленная для k-й колонны на совершение марша по найденному маршруту M

Ограничения и допущения: 1) перемещение по ДС осуществляется только посредством ТК; 2) через вершину ДС одновременно может проезжать не более одной ТК;

3) скорость движения ТК считается равномерной; 4) каждая элемент дорожной сети характеризуется собственной скоростью движения ТК по нему; 5) рассмотрение временных показателей перемещения ТК ограничивается их средними значениями.

2 Модель перемещения транспортных колонн в чрезвычайных ситуациях

Модель перемещения ТК в ЧС предназначена для составления расписания занятости вершин ДС, коррекции скорости движения ТК, вычисления времени прибытия

ТК к месту назначения и вычисления расхода топлива ТК на марше.

Исходные данные модели включают: множество ТК Ккол = {Kk} с указанными для них приоритетами Pr = {pr (Kk)}, pr (Kk) = 1, 2, ..., N и маршрутами M ={Mk}; заданные требования по времени прибытия колонн в пункты назначения Туст = {TycT} и расходу топлива на марше Е/ст = {RkycT}; граф дС G = {A, B}; зоны разрушений/заражений элементов ДС Z = {Zc} и возможного противодействия движению ZVP = {Zj/p}.

Основными параметрами ТК являются:

1) количество транспортных средств с прицепом пТСак и без прицепа nTCk; 2) их длина l и /ТСП соответственно; 3) предполагаемая дистанция между ними dk. Длина ТК вычисляется согласно следующему выражению:

Lk = dk (nTC,k + nTcn,k -1) +

+ n / + n / (2)

^ nTС,klT С ^ nTСП,ГT СП •

Каждой колонне присваивается уникальный приоритет, значение которого соответствует значимости каждой колонны относительно других. Маршрут поступает на вход модели в виде упорядоченной последовательности вершин графа ДС. Граф ДС -неориентированный, состоит из множества вершин и заключенных между ними ребер, соответствующих перекресткам и участкам дорог реальной местности.

Учет особенностей ДС, а также влияния различных внешних факторов и оперативных условий в модели осуществляется посредством коэффициента комплексного воздействия различных условий и факторов на скорость перемещения и расход топлива

Цкомпл = f{Ug}:

X> pQp

Uкомпл = p=5---, (3)

Xa p

p=1

где Qp e(qD , QS, qT , qA , qV) , коэффициент, который включает в себя: QD - коэффициент, обусловливающий характеристики

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

102

Информатика и технологии информатики

дорожного участка (тип дорожного покрытия); QS - коэффициент, обусловливающий сезонные и метеорологические условия (зима, весна, лето, осень, дождь, снег и т д.); QT - коэффициент, обусловливающий временной фактор (день, ночь); QA -коэффициент, обусловливающий топологию вершины (развилка, Т-образный перекресток и т. п.; значение данного коэффициента учитывается только при определении скорости движения по вершинам графа, при расчете же скорости движения ТК по дугам графа QA = 1); QV - коэффициент, обусловливающий различные факторы внешнего воздействия; ар - весовые коэффициенты, отображающие важность (вклад) каждого из Qp в показатель U , определяются экспертным путем и зависят от сложившихся оперативных условий.

Выражение 0 < Qp < 1 справедливо, поэтому выражение (3) гарантирует, что U лежит в диапазоне [0; 1].

Поскольку одновременный проезд по вершине разрешен только для одной ТК, модель учитывает взаимное влияние маршрутов перемещения ТК с более высокими приоритетами и ТК с низкими приоритетами. Для этого определяется время занятости каждой вершины графа ДС проездом ТК по нему в виде

= {[£; с]}. (4)

Затем его сравнивают с данными таблицы занятости TZ, хранящей временные интервалы занятости всех вершин графа проездом по ним ТК и имеющей следующий вид:

TZ

>вх. >вых

tiz ; tiz

(5)

где t ®x - время заезда z-й ТК на вершину а. (т. е. первое транспортное средство в ТК заехало на вершину); t ®ых - время съезда z-й ТК с вершины а. (т. е. последнее транспортное средство в ТК покинуло вершину); i = = 1, 2, ..., /; z = 1, 2, ..., Z.

Если интервал занятости проверяемой ТК пересекается с интервалом занятости таблицы занятости, то вычисляется время задержки тз по выражению:

Тз = сх - С. (6)

Далее осуществляется попытка коррекции скорости движения ТК на предыдущем ребре маршрута с целью предотвращения появления более одной ТК на вершине графа ДС.

Таким образом, предлагаемая модель, в отличие от ранее известных, обладает следующими возможностями: учитывается взаимное влияние маршрутов перемещения ТК по графу ДС; учитываются данные о качестве дорожного покрытия и сложности дорожного рельефа, получаемые из ГИС, а также возможное воздействие различных внешних факторов на параметры движения и ДС; для оценки параметров движения ТК применяется обобщенный критерий, взаимоувязывающий время прохождения маршрутов и расход топлива на маршруте.

3 Методика автоматизированного планирования перемещения транспортных колонн в чрезвычайных ситуациях

Анализ существующих алгоритмов и методов поиска кратчайших путей ТК в ЧС показал, что для поиска маршрутов перемещения множества ТК в пределах ограниченной дорожной сети с четко регламентированным графиком перемещения данные приемы и методы не подходят. В связи с этим разработаны два метода поиска маршрутов перемещения ТК в ЧС: последовательный (ПОМ) и параллельный (ПАМ). Предлагаемая методика автоматизированного ПП ТК в ЧС основана на совместном использовании данных методов и рассмотренной выше модели.

3.1 Метод последовательного поиска маршрутов перемещения транспортных колонн

При ПОМ поиск маршрутов производится с учетом взаимного влияния ТК. Проезд ТК по маршруту «модифицирует» граф ДС,

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Информатика и технологии информатики

103

делая вершины, входящие в маршрут, занятыми на конкретных временных интервалах для проезда по ним других ТК. Поиск осуществляется последовательно, согласно заранее заданной очередности, определенной приоритетами ТК. Критерии поиска представлены следующим выражением:

' *

M1 = arg min FTR (M1);

Mj

M2 = arg min FTR (M2 | M* ); (7)

< M 2

M*K = argminFtr(Mk |M*,M*, ..., M*K_j),

L mk

где Ftr - функционал, определяющий время движения ТК по маршруту и расход топлива ТК на заданном маршруте Mk, M* - найденный рациональный маршрут движения для k-й ТК.

В качестве алгоритма поиска кратчайшего пути в ПОМ используется модифицированный алгоритм эвристического поиска, разработанный на базе известного алгоритма А* [3]. Модификация заключается в том, что к вычислению априорной оценки вершины добавлена функция дополнительных издержек:

f (at) = g (аг) + h(at) + FS (atX (8)

где f(a) - оценка, назначенная вершине а. (см. рис. 1); g (a) - наименьшая стоимость (длина пути) прибытия в вершину a из точки старта a^^, равная сумме длин w (b j) предыдущих дуг маршрута; h (a) - эвристическое приближение стоимости (длины) пути к цели a k от вершины a t, являющееся расстоянием напрямую от текущей вершины a t до требуемого места назначения k-й ТК a k; FS (a) - функция дополнительных издержек, отображающая зависимость значения оценки вершины от наличия занятости вершины проездом ТК, а также от нахождения вершины и инцидентных ребер в зонах поражения.

Практическая реализация усовершенствованного алгоритма А * показала, что для получения более обоснованных результатов

на графах, представляющих реальные дорожные сети, поиск необходимо осуществлять одновременно в трех направлениях: прямом, обратном, двунаправленном.

Цель ПОМ - поиск рациональных маршрутов для всего заданного множества ТК с учетом их взаимного влияния. Однако в случае значительного количества ТК и ограниченного ресурса ДС рациональные маршруты, найденные для ТК с низкими приоритетами, будут оптимальными по времени исключительно для сложившихся условий поиска, но не для конкретного маршрута. Поэтому недостатком ПОМ, ограничивающим область его применения, является тот факт, что ПОМ не всегда позволяет спланировать перемещение всего заданного множества ТК при соблюдении требований по времени прибытия каждой ТК к месту назначения. Для этого случая разработан и предлагается к использованию параллельный метод поиска.

3.2 Метод параллельного поиска маршрутов перемещения транспортных колонн

ПАМ можно отнести к методам условной оптимизации, так как он направлен на определение маршрутов при соблюдении требований времени прибытия каждой ТК в пункт назначения, при этом протяженность маршрутов близка к минимально возможным длинам маршрутов. Взаимное влияние ТК на поиск маршрутов учитывается, но параметры графа ДС не модифицируются. Критерии поиска представлены в следующем выражении:

' Ftr (Mi) < TT;

, Ftr(M*|Mi) < TT; (9)

lFtr(Mk |Mj,M2,...Mk-i) < TT,

где Ту^ - требуемое время прибытия для k-й ТК к месту назначения.

Для каждой ТК по алгоритму Йена [4] производится поиск некоторого априори

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

104

Информатика и технологии информатики

заданного числа кратчайших маршрутов q независимо от условий перемещения других ТК, которые получают статус допустимых для каждой ТК. Затем осуществляется перебор всех возможных комбинаторных сочетаний R найденных допустимых маршрутов Mqqk и заданных допустимых значений времени начала движения ТК . Для каждого сочетания, состоящего из K пар {мЦ; ?нач^) , с учетом приоритетности Тк, определяется время прибытия ТК 7^н& на конечные вершины маршрутов. В качестве требуемого решения задачи допустимые маршруты выбираются из сочетаний, для которых рассчитанное время прибытия удовлетворяет требованиям (9).

Для перебора всех сочетаний предлагается использовать алгоритм генетического оптимизации, который позволяет за приемлемое время найти оптимальное или близкое к оптимальному решение задачи, осуществляя стохастический поиск решения одновременно по многим направлениям за счет применения свойственных естественному миру операций размножения, мутации и селекции (естественного отбора) [5]. Вид хромосомы Chr[Rq ] и функции пригодности генетического алгоритма представлены следующими выражениями:

Chr

Rq

М1,

Tqi

^1 нач,Ч ч

МЦ;

Т^к

•’ ^нач,^к

(10)

F„p = £ TLt +100 х £ (TL* - TT). (11)

k=q k=q

3.3 Содержание методики

автоматизированного планирования перемещения транспортных колонн в чрезвычайных ситуациях

Предлагаемая методика автоматизируемого ПП ТК в ЧС заключается в последовательном выполнении следующих этапов: подготовка и ввод исходных данных; поиск маршрутов перемещения ТК с помощью ПОМ или ПАМ; проверка получены результатов; варьирование допустимыми параметрами, влияющими на результаты поиска; выдача результатов ПП в ГИС и оформление результатов на цифровой карте. Схема практической реализации данной методики представлена на рис. 2.

Заключение

Программная реализация методики автоматизированного ПП ТК в ЧС и ее дальнейшая интеграция с современными ГИС позволяют значительно повысить оперативность и обоснованность принимаемых решений по поиску маршрутов перемещения ТК и расписания движения по ним в ЧС и в других случаях. Результаты автоматизированного

пом ПАМ

МОДЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ™ в

_________ЧС__________ I

f

Маршруты и расписание перемещения по ним ТК в ЧС

Рис. 2. Схема реализации методики автоматизированного ПП ТК в ЧС

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Информатика и технологии информатики

105

1111 целесообразно использовать для спланированного перемещения ТК в ЧС.

Библиографический список

1. Эвакуация и поведение людей при пожаре : учеб. пособие / В. В. Холщевников, Д. А. Самошин. - М. : Академия ГПС МЧС России, 2009.

2. ГОСТ 28441-99. Геоинформационное картографирование. Пространственные дан-

ные, цифровые и электронные карты. Термины и определения. - М., 1990.

3. Представление и использование знаний / Под ред. Х. Уэно, М. Исудзука ; пер. с япон. - М. : Мир, 1989. - 220 с. - ISBN 5-03-000685-0.

4. Алгоритмы: построение и анализ / Т. Кор -мен, Ч. Лейзерсон, Р. Ривест. - М. : МЦНМО, 2000.

5. Теория и практика эволюционного моделирования / В. В. Емельянов, В. В. Курейчик,

В. М. Курейчик. - М. : Физматлит, 2003. - 432 с.

УДК 656.25

П. Е. Булавский, М. Н. Василенко, А. А. Корниенко, А. Д. Хомоненко

Петербургский государственный университет путей сообщения

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РУКОВОДИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА

Описаны принципы обеспечения автоматизации доступа к информации, содержащейся в технической документации по системам железнодорожной автоматики и телемеханики, с помощью автоматизированных рабочих мест информационного обеспечения руководителей железнодорожного транспорта (АРМ ИОТД). Показан порядок обеспечения доступа к графическим изображениям, параметрам устройств и свойствам объектов, описанных в технической документации. Приведены примеры отображения маршрутных передвижений, систематизации свойств объектов и установления связей между поездными ситуациями и электронной моделью технической документации.

электронная техническая документация, автоматизированное рабочее место, отраслевой формат, информационное обеспечение, задание маршрута, графическое изображение.

Введение

Для представления информации, хранящейся в базах данных технической документации дорог, в диалоговом режиме необходимо создание автоматизированных рабочих мест, позволяющих просматривать и систематизировать всю электронную техническую документацию по системам СЦБ.

Для выполнения этой задачи на кафедре «Автоматика и телемеханика на ж. д.» разработаны автоматизированные рабочие места информационного обеспечения руководителей железнодорожного транспорта на основе технической документации (АРМ ИОТД). АРМ ИОТД позволяет просматривать файлы в отраслевом формате технической документации на устройствах СЦБ

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2