CC BY
16
СТРУКТУРА И ЗАДАЧИ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ ПЕТРОПАВЛОВСКА-КАМЧАТСКОГО
С.Н. Алецкий1, Г.Я. Гудима2, И.Г. Проценко3
1-3 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
1e-mail: fx.banzai@mail.ru 2e-mail: Kapustko41@mail.ru 3e-mail: ip1954@list.ru
Формулируются основные задачи и структура геоинформационной системы сбора и анализа дорожных данных для выработки оптимальных решений по регулированию транспортных потоков.
Ключевые слова: дорожное движение, улично-дорожная сеть, транспортные потоки, моделирование, геоинформационная система.
Structure and tasks of the traffic geographical information system of Petropavlovsk-Kamchatsky. S.N. Aleckiy1, G.Ya. Gugima2, I.G. Protsenko3 (1-3 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatski, 683003)
Main tasks and structure of geographic information system of collection and analysis of traffic data were formulated to develop optimal solutions to regulate traffic flows.
Key words: traffic, road network, traffic flows, modeling, geographical information system.
Обстановка на дорогах Петропавловска-Камчатского ухудшается с каждым днем: постоянный рост числа машин в автопарке города затрудняет функционирование улично-дорожной сети (УДС), приводит к образованию дорожных заторов, а скопление транспортных средств на дороге существенно снижают ее пропускную способность. Большая интенсивность движения влечет за собой более быстрый износ дорожного покрытия. Дорожные заторы приводят к увеличению суммарных потерь времени и топлива, к ухудшению экологии воздуха, к увеличению психического напряжения водителей и пешеходов. Растет число нарушений правил дорожного движения, приводящих к дорожно-транспортным происшествиям - это свидетельствует о том, что безопасность на дорогах тесно связана с эффективностью работы УДС города.
Решение одной из главных проблем Петропавловска-Камчатского заключается в том числе и в эффективной организации работы УДС города, и в поддержании состояния дорожного покрытия на требуемом уровне. Для решения этих двух основных задач необходимо обладать соответствующей информацией: о транспортных потоках, состоянии дорожного покрытия, состоянии и качестве функционирования элементов УДС. При этом следует подчеркнуть тот факт, что для принятия эффективных решений в области организации оптимального и безопасного дорожного движения необходимо обладать по возможности всем комплексом необходимой информации.
В качестве инструмента решения транспортной проблемы города предлагается реализовать геоинформационую автоматизированную систему сбора, анализа дорожных данных и выработки оптимальных решений по оперативному и стратегическому регулированию дорожного движения (сокращенно ГИС ДД).
Прежде чем приступить к описанию проекта ГИС ДД, дадим основные определения, которые используются в данной работе. В рамках проекта будут применяться следующие сокращения и термины:
- ГИС - геоинформационная система - совокупность нормативных, информационных, программно-технических и других средств и обеспечения, предназначенных для сбора, обработки и выдачи пользователям информации об объектах и процессах с привязкой к географическим координатам;
- ДД - дорожное движение;
- ДС - дорожная сеть - сеть взаимосвязанных дорог общегородского и районного значения, соединяющих жилые и промышленные районы города, по которым осуществляется движение транспортных и пешеходных масс;
- ДТП - дорожно-транспортное происшествие;
- ОДД - организации дорожного движения;
- ПДД - правила дорожного движения;
- ПО - программное обеспечение;
- УДС - улично-дорожная сеть - совокупность улиц, площадей и дорог общегородского и районного значения, соединяющих жилые и промышленные районы города между собой, по которым осуществляется движение транспорта и пешеходов.
- ТСОД - технические средства организации дорожного движения - средства регулирования дорожного движения. По назначению делятся на средства информирования участников дорожного движения (светофоры, дорожные знаки, дорожная разметка, направляющие устройства) и устройства, обеспечивающие нормальное функционирование средств информации (контроллеры, детекторы, устройства обработки и передачи информации, диспетчерской связи и т. д.);
- Состояние дорожной сети - усредненная по участкам оценка пропускной способности дорожной сети, полученная на основе информации о скоростях, интенсивностях и плотностях движения, либо же на основе информации, поступающей от жителей города, в данный момент являющихся участниками дорожного движения в городе на этих участках;
- Транспортный поток - совокупность транспортных средств, одновременно участвующих в движении на определенном участке УДС.
ГИС ДД предназначена для информационной поддержки эффективного управления дорожным движением в Петропавловске-Камчатском. Особенностью системы является то, что для анализа дорожной обстановки привлекается информация о транспортных потоках, состоянии дорожного движения и дорожного покрытия на всех участках УДС города, поступающая от:
- технических средств (датчиков и т. д.);
- специалистов дорожных фирм, осуществляющих сбор данных в рамках решения задач ремонта и модернизации дорог;
- государственных экспертов;
- активных горожан, использующих систему модульно-рейтинговой оценки ГИС ДД.
Помимо этого, при непосредственном участии горожан проводится сбор сведений о точках
аттракции - бизнес-центров, торговых и развлекательных центров, то есть притягательных центров скопления людей и транспортных средств. Сбор данных оценки качества дорог и других сведений от горожан проводится в on-line режиме в виде круглосуточного опроса. Каждый житель города (пользователь ГИС ДД) может оценить качество каждого участка сети и обозначить наиболее часто посещаемые места, места работы и т. д. Такая оценка позволит определять либо же корректировать стратегии организации дорожно-ремонтных работ, а также проекты по организации эффективной работы УДС города.
ГИС ДД предоставляет комплексную оценку состояния УДС, возможность прогнозировать развитие ситуации на дорогах города, рассчитывать затраты на дорожно-ремонтные работы и оценивать проектные решения.
Таким образом, функционирование ГИС ДД позволит обеспечить пользователей аналитической информацией:
- о структуре и состоянии дорог;
- состоянии дорожного транспорта и его эксплуатационных характеристиках;
- транспортных потоках;
- точках аттракции.
Для этого в системе реализованы соответствующие функции:
- сбор и анализ данных о структуре и состоянии участков дорожной сети Петропавловска-Камчатского при участии экспертов и горожан;
- сбор и анализ данных о транспортных потоках;
- сбор оценочных данных о состоянии дорожного покрытия на всех участках УДС Петропавловска-Камчатского;
- сбор и анализ сведений о точках аттракции транспортных и пешеходных масс в г. Петропавловске-Камчатском;
- интерактивное, цветографическое отображение карт состояния дорог, загруженности участков УДС и размещения точек аттракции;
- прогнозирование изменений в состоянии дорожного покрытия и отображение прогностических данных на интерактивной карте города;
- прогнозирование состояния УДС при изменении характеристик транспортных потоков и режимов работы светофора;
- моделирование движения транспортных средств по УДС города при планировании проектов по улучшению качества работы УДС;
- ведение актуальных справочников стоимости строительных работ и материалов, применяемых при укладке и ремонте дорожного покрытия;
- расчет стоимости ремонта участков дорожной сети на основании длины выбранного участка, набора ремонтно-укладочных работ и стоимости материалов и работ;
- компьютерное обеспечение планирования ремонтно-укладочных работ в рамках дорожной сети Петропавловска-Камчатского.
ГИС ДД должна работать в режиме круглосуточного мониторинга дорог и предоставлять все собранные данные и их анализ в виде отчетов.
В силу того что на данный момент мониторинг дорог и дорожного движения ведется в форме выездных проверок экспертов из управленческих структур, введенная система ГИС ДД позволит значительно повысить эффективность работы специалистов, занимающихся вопросами транспортного планирования и оценки состояния дорог и дорожного движения, а следовательно, повысится и оперативность реагирования специалистов на изменяющуюся ситуацию на дорогах города.
В связи с тем что в собираемые сведения входят данные о точках аттракции населения, программа может быть использована для расчета и организации проектов по рассредоточению основных притягательных центров по свободным участкам УДС города. Реализация такого рода проектов может положительно повлиять на дорожное движение в городе.
В соответствии с целями создания системы ГИС ДД разбивается на несколько подсистем. Ядро информационной системы - основная неизменная часть ПО обеспечения (рабочая среда взаимодействия подсистем и пользователей) позволяет работать со всеми разделами ГИС ДД как с цельным программным продуктом. Разбивка ПО на модули позволяет упростить процесс модернизации и обновления программ: процедур представления и обработки данных, а также организовать гибкую политику безопасности системы. При этом система будет работоспособна в случае, если не будет доставать некоторых технических компонентов. Например, если в системе не будет реализован сбор данных о транспортных потоках на основе детекторов транспорта, программный модуль не будет учитывать этих данных, но в то же время позволит вводить необходимые данные вручную и будет работать только с ними; в случае если будут подключены детекторы транспорта, отличные от ожидаемых, то модуль можно будет изменить и обеспечить поддержку взаимодействия с детекторами транспорта данного типа, не нарушая при этом работоспособность системы.
Система должна обеспечивать выполнение следующих функций:
Функция авторизации пользователей. В зависимости от уровня доступа системой выделяется несколько функциональных ролей пользователей:
1) анонимный пользователь,
2) зарегистрированный пользователь,
3) веб-администратор,
4) эксперт-аналитик,
5) эксперт-расчетчик,
6) руководитель,
7) администратор.
Для каждого из перечисленных функциональных ролей предоставлен следующий уровень доступа (рис. 1):
Первый уровень «Открытый»
( Анонимный пользователь }
у- .
Второй уровень \
«Авторизированный пользователь»
С
Зарегистрированный
пользователь
j
Г Веб-администратор j
vv
С
с
с
с
Третий уровень «Закрытый»
Эксперт-аналитик
Руководитель
Л
Эксперт-расчетчик
Администратор
3
3
3
3
у
Рис. 1. Функциональные уровни и уровни доступа к системе
Первые два уровня разрешают пользователям работать только с внешним информационным ресурсом. Все пользователи, входящие в эти два уровня, не имеют доступа к внутренней сети системы.
Открытый уровень доступа разрешает только анонимное участие горожан в on-line опросе с целью оценки объектов мониторинга. Он соответственно может быть предоставлен любому пользователю, находящемуся в пределах Петропавловска-Камчатского (Камчатского края), посещающему web-ресурс системы.
В уровень «Авторизированный пользователь» могут быть включены веб-администраторы, осуществляющие администрирование сайта системы, а также авторизированные пользователи, желающие получить дополнительные возможности в работе с web-ресурсом. И пользователи, и web-администраторы заносятся в соответствующую базу данных авторизированных пользователей.
Третий уровень доступа позволяет работать непосредственно с самим программным продуктом внутри локальной сети. Пользователю при входе в систему в зависимости от его полномочий предоставляются различные компоненты. Они представляют собой доступный набор модулей, необходимых для работы авторизированного специалиста.
В программе предусмотрены следующие компоненты:
- «Анализ и прогнозирование»;
- «Планирование и расчет стоимости»;
- «Управление дорожной инфраструктурой»;
- «Администратор».
Таким образом, каждому пользователю доступны только необходимые для него компоненты:
- пользователи с функциональной ролью «Эксперт-аналитик» (4) должны иметь доступ только к компоненте «Анализ и прогнозирование»;
- пользователи с функциональной ролью «Эксперт-расчетчик» (5) должны иметь доступ только к компоненте «Планирование и расчет стоимости»;
- пользователи с функциональной ролью «Руководитель» (6) должны иметь доступ к компоненте «Управление дорожной инфраструктурой»;
- пользователи с функциональной ролью «Администратор» (7) должны иметь доступ к системным настройкам и журналам событий.
Модуль, обеспечивающий необходимый уровень безопасности системы за счет организации функциональных ролей, включается в основную часть системы (Ядро).
Соответственно локальная сеть, в которой функционирует ГИС ДД, должна быть защищена с применением стандартных средств обеспечения сетевой безопасности. В локальной сети должен быть настроен межсетевой брандмауэр, блокирующий попытки извне просканировать порты серверных и клиентских станций и отбрасывающий потенциально опасные типы сетевых пакетов и соединений.
Аутентификация и авторизация пользователей в системе должны происходить с использованием протоколов и алгоритмов шифрования достаточно высокого уровня криптозащиты. Успешные и неуспешные попытки входа в систему должны регистрироваться в журнале безопасности ГИС ДД.
Система должна противостоять попыткам подбора пароля методом «грубой силы»,
ограничивая число попыток входа в единицу времени.
Функция формирования электронных карт. Данная функция системы направлена на то, чтобы в наиболее удобном для пользователя виде представлять все собранные и обработанные данные по трем основным составляющим:
- загрузка дорог транспортными массами;
- качество дорожного покрытия;
- распределение аттракции в городе.
На основе таблиц, состоящих из собранных данных, система формирует в цветографическом виде электронные карты загрузки дорог города, качества дорожного покрытия и основных точек аттракции.
Функция хранения расчетных формул основных показателей. Программой поддерживаются расчетные формулы основных показателей, которые являются установленными «по умолчанию». Эти формулы описаны в пользовательской документации. В программе организован выбор этих формул и ввод необходимых расчетных единиц (например, поправочных коэффициентов).
Для того чтобы была возможность включения иных расчетных формул, в программе реализована функция добавления новых расчетных формул. Также есть возможность корректировки специалистом уже существующих формул расчета основных показателей. Это гарантирует пригодность системы в случае, если используемые программой формулы станут непригодны (перестанут давать состоятельную оценку) для развивающихся особенностей дорожного движения. Например, в формулы, наряду со стандартными, могут вноситься поправочные коэффициенты, дополнительные функции, расчеты, таблицы, что позволит использовать программу даже в случае, если применяемые ранее расчеты будут неточны. Соответственно любые открытия и разработки в области оценки основных показателей движения могут быть учтены.
Функция формирования и хранения таблиц данных. Необходимые данные поступают в систему от разных источников (таблицы ручной обработки, данные соцопроса, данные с детекторов, оценки экспертов и т. д.). Для того чтобы все они могли быть обработаны и представлены в виде графиков и диаграмм, а также могли быть отображены на электронной карте города, необходимо их согласованное представление в удобном для дальнейшей обработки виде. Данная функция позволяет сформировать все данные в виде таблиц. В итоге одни и те же таблицы могут быть преобразованы в цветографическое представление на электронной карте, преобразованы в графики и диаграммы, а также проанализированы и преобразованы в таблицы статистических данных. Данные таблицы сохраняются в специальной БД и могут быть сохранены в отдельный файл, использованы в имитационной модели для воспроизведения реальной обстановки в городе.
Функция формирования и просмотра отчетности. Данная функция направлена на составление всех необходимых отчетов и вывода этих отчетов на печать. Все дневные отчеты записываются в архивы. К данным отчетам можно обратиться в любое время, имея на то специальный доступ. Дневные отчеты могут быть преобразованы в недельные, месячные, отчеты за квартал и годовые. Отчеты могут отражать как текущее состояние объектов мониторинга, так и прогнозы, и проектные решения. В отчеты могут быть включены любые графики и диаграммы как предлагаемые «по умолчанию», так и составленные пользователем. Таким образом, необязательно пользоваться стандартными отчетами, можно отображать в удобном виде любые зависимости. В итоге пользователю предоставляется достаточно гибкая система формирования отчетов. Все отчеты хранятся в архивах системы и могут быть сохранены в отдельные файлы.
Функция анализа. Функция направлена на расчет по выбранным формулам основных показателей качества дорожного движения и дорожного покрытия и проведения сравнительного анализа изменения рассматриваемых показателей. Функция позволяет осуществлять основные расчеты по строительным/ремонтным/монтажным работам, рассчитывает основные показатели дорожного движения. Данная функция также позволяет создавать нормирующие шкалы, по которым может быть оценена ситуация в терминах «хорошо/плохо». Также присутствует возможность составления оценки влияния различных показателей на связанные с ними процессы (например, влияние состояния дорожного покрытия на качество движения по городу). В рамках функции анализа происходит формирование диаграмм и графиков на основе собранных данных, необходимых для анализа.
Функция экспериментирования и прогнозирования. Данная функция поддерживает возможность прогнозирования ситуаций и дальнейшего состояния объектов мониторинга. Для
16
с
Карта
аттракции
(Карта Л состояния J
Формирование электронных карт
Карта загруженности
Модуль администрирования
осуществления прогнозов и проведения экспериментов используются математические, в том числе и имитационные, модели. Соответственно существует возможность моделирования работы светофоров, транспортных единиц и дополнительных интересующих элементов, моделирования проектных решений и проведения иных различных экспериментов.
Функция опроса населения. Поддержка on-line опросов населения о качестве объектов мониторинга, а также о наиболее часто посещаемых местах. Web-ресурс связан с ядром программного обеспечения системы. На сайте формируются таблицы опросов, после чего они
могут быть загружены в базы данных системы, далее возможна их обработка и проведение анализа.
Каждая из перечисленных выше функций представляет собой отдельный модуль, связанный с ядром системы. Ядро системы связано с базой данных и обеспечивает слаженную работу всех модулей подсистем. Web-ресурс имеет свой аппарат формирования электронных карт, а также свой модуль авторизации. С web-ресурса поступают только таблицы оценок. Таким образом, получить доступ к системе, подключившись к web-ресурсу, невозможно.
Все описанное можно представить следующей функциональной схемой (рис. 2).
/ ' Модуль Web-авторизации
Модуль взаимодействия с
ДТ J
\-\—\ Web-ресурс (
я
I V
Карта загруженности
Модуль взаимодействия с Web-ресурсом
Модуль
анализа
Модуль
прогнозирования
Модуль формирования электронных ^ карт ^ Модуль формирования таблиц данных
а
Карта ] аттракции )
Карта
состояния
J
Библиотека
расчетных
формул
Модуль
авторизации
Рис. 2. Взаимосвязь модулей системы
ГИС ДД состоит из четырех подсистем:
- подсистемы сбора данных;
- подсистемы опроса населения;
- подсистемы расчета;
- подсистемы анализа и прогнозирования.
Подсистема сбора данных реализует следующие функции:
- сбор и запись в БД системы сведений о состоянии дорожного покрытия, предоставляемых специалистами;
- сбор и запись в БД системы сведений о состоянии дорожного движения и основных его показателях, также предоставляемых специалистами.
Подсистема опроса населения необходима для реализации следующих функций:
- опрос населения, посвященный оценке состояния дорожного покрытия;
- опрос населения с целью выявления основных точек аттракции и определения величин скопления транспортных и пешеходных потоков в городе в течение дня;
- формирование электронных карт, иллюстрирующих оценки населения, формируемые непосредственно на сайте;
- передача собранных сведений в систему анализа и прогнозирования, а также сохранение данных в базе данных системы.
Подсистема расчета реализует следующие функции:
- расчет затрат на дорожно-ремонтные работы на основе сведений о ценах на сырье и количестве сырья на единицу площади;
- расчет необходимых показателей транспортных потоков на основе сведений об интенсивностях движения, режимах работы светофоров, количестве транспортных единиц в очередях перед светофорами, о транспортных задержках на светофорах, временных интервалах между транспортными средствами;
- запись всех расчетов в БД.
Подсистема прогноза и анализа реализует следующие функции:
- анализ способов проведения дорожно-ремонтных работ и выбор оптимального по заданным пользователем критериям;
- предоставление информации об участках дорог, на которых необходим тот или иной ремонт и информации о наиболее приемлемом способе их проведения;
- предоставление информации об основных точках аттракции и анализ их состояния (например, точка скапливает слишком большое число транспортных и пешеходных масс - большая вероятность возникновения заторов в этом районе в данное время недели, в данное время дня);
- анализ работы УДС города: предоставление информации о точках возникновения затора, о точках ДТП, об интенсивностях движения на участках дорог, о загруженности движения и об относительной скорости движения на этих участках;
- анализ влияния различных факторов (погодных условий, качества и состояния дорожного покрытия) на качество дорожного движения;
- прогнозирование работы УДС на основе математических, в том числе имитационных, моделей;
- анализ и прогнозирование влияний проектных и организационных решений (изменение циклов и длительности фаз работы светофоров, изменение правил движения, измерения структуры дорожной сети и т. п.) на процесс движения по городу и качество работы УДС города;
- проведение сравнительного анализа по дням/месяцам/годам по интересующим показателям;
- формирование электронных карт;
- формирование аналитических отчетов.
Литература
1. Оптимальное управление движением / В.В. Александров, В.Г. Болтянский, С.С. Лемак, НА. Парусников, В.Н. Тихомиров. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 376 с.
2. Основные положения концепции создания автоматической системы сбора и анализа дорожных данных для выработки оптимальных решений по оперативному и стратегическому регулированию транспортных потоков на основе математической модели // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Второй Всерос. научн.-практ. конф. (25-28 апреля 2011 г.). Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2011. - С. 5-7.
3. Википедия [Электронный ресурс]: Всемирная энциклопедия. Детекторы транспорта. -Режим доступа: http://ru.science.wikia.com/wiki.
4. Википедия [Электронный ресурс]: Всемирная энциклопедия. ОР8'^кх - Режим доступа: http://wiki.gps-club.ru/index.php.
5. Гудима Г.Я. Анализ возможных реализаций системы мониторинга подвижных средств дорожно-транспортной сети // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Второй Всерос. научн.-практ. конф. (25-28 апреля 2011 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2011. - С. 25-27.
6. Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б. Организация дорожного движения: Учеб. для вузов. -5-е изд., перераб. и доп. - М: Транспорт, 2001. - 247 с.
7. Хейт Ф. Теория транспортных потоков и управление ими. - М.: Мир, 1966. - 288 с.
