CC BY
18
Алина Александровна Зайцева Alina A. Zaitseva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал, Кумертау, Россия
Николай Олегович Дудаев Nikolai O. Dudayev
студент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал, Кумертау, Россия
Евгений Артемович Зайцев Evgeny A. Zaitsev
студент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал, Кумертау, Россия
Дмитрий Константинович Кильмаков Dmitry K. Kilmakov
студент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал, Кумертау, Россия
УДК 629.3.07:629.1.05 DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-2-107-120
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
Актуальность
Актуальность данного исследовательского проекта заключается в разработке алгоритмического обеспечения маршрутов в транспортных системах, которое позволит эффективно, оперативно и рационально управлять транспортным комплексом.
Развитие современного автотранспорта уже немыслимо без применения интеллектуальных транспортных систем (ИТС).
ИТС - это интеллектуальные системы, использующие инновационные разработки в моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков, предоставляющие конечным потребителям большую информативность и безопас-
-107
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, v. 18, 2022
ность, а также качественно повышающие уровень взаимодействия участников движения по сравнению с обычными транспортными системами.
ИТС, основанные на взаимодействии одного транспортного средства с другим и транспортного средства с дорожной инфраструктурой, должны обеспечить высокую эффективность и безопасность дорожного движения. ИТС реально увеличивают «временной горизонт», качество и достоверность информации о непосредственной обстановке на дороге, о местоположении других транспортных средств и участниках дорожного движения для обеспечения большей безопасности и мобильности.
Интеллектуальные системы предоставляют информацию о машинах и их расположении на дороге, информацию о дорожных условиях, позволяют оптимизировать и обезопасить движение в дорожной сети, а также ускорить реакцию на дорожные инциденты и аварии.
Цель исследования
Цель исследования заключается в анализе и изучении современных тенденций в развитии интеллектуальных транспортных систем, а также принципов и форм сбора и передачи информации с последующей её переработкой для использования конечным потребителем.
Задачи исследовательского проекта заключаются в следующем.
1. Анализ основных принципов построения высокопроизводительных вычислительных комплексов для интеллектуальной транспортной системы на базе вычислительных и телекоммуникационных компонентов массового применения.
2. Разработка архитектуры высокопроизводительного вычислительного комплекса для ИТС.
3. Разработка алгоритмического обеспечения маршрутов в транспортных системах.
Методы исследования
Метод исследования заключается в проведении анализа основных принципов построения высокопроизводительных вычислительных комплексов для интеллектуальной транспортной системы на базе вычислительных и телекоммуникационных компонентов массового применения.
Результаты
В ходе данного исследовательского проекта разработана системная модель информационно-вычислительного комплекса интеллектуальных транспортных систем, включающая в себя функциональную и информационную модели информационно-вычислительного комплекса интеллектуальной транспортной системы, а также разработано алгоритмическое обеспечение интеллектуальных транспортных систем, включающее в себя алгоритм поиска безопасных маршрутов в транспортных системах и алгоритм маршрутизации на основе оптимизации векторного критерия.
Ключевые слова: интеллектуальные транспортные системы, алгоритмическое обеспечение маршрутов, транспортные средства, высокопроизводительный вычислительный комплекс
HIGH-PERFORMANCE COMPUTING COMPLEX FOR INTELLIGENT TRANSPORT SYSTEM
Relevance
The relevance of this research project lies in the development of algorithmic support for routes in transport systems, which will allow efficient, efficient and rational management of the transport complex.
The development of modern motor transport is already unthinkable without the use of intelligent transport systems (ITS). ITS is an intelligent system that uses innovative developments in the modeling of transport systems and regulation of traffic flows, providing end
users with greater information content and safety, as well as qualitatively increasing the level of interaction of traffic participants compared to conventional transport systems.
ITS, based on the interaction of one vehicle with another and the vehicle with the road infrastructure, should ensure high efficiency and safety of road traffic. ITS really increases the «time horizon», the quality and reliability of information about the immediate situation on the road, the location of other vehicles and road users, to ensure greater safety and mobility.
Intelligent systems provide information about cars and their location on the road, information about road conditions, allow you to optimize and secure traffic on the road network, as well as speed up response to traffic incidents and accidents.
Aim of research
The aim of the study is to analyze and study current trends in the development of intelligent transport systems, as well as to review and study the principles and forms of collecting and transmitting information with its subsequent processing for use by the end user.
The objectives of the research project are as follows.
1. Analysis of the basic principles of building high-performance computing systems for an intelligent transport system based on computing and telecommunication components for mass use;
2. Development of the architecture of a high-performance computing complex for ITS;
3. Development of algorithmic support for routes in transport systems.
Research methods
The research method is to analyze the basic principles of building high-performance computing systems for an intelligent transport system based on computing and telecommunications components for mass use.
Results
In the course of this research project, a system model of the information and computer complex of intelligent transport systems was developed, which includes functional and information models of the information and computer complex of the intelligent transport system, and algorithmic support for intelligent transport systems was developed, including: routes in transport systems, a routing algorithm based on vector criterion optimization.
Keywords: intelligent transport systems, algorithmic provision of routes, vehicles, highperformance computer system
Современные тенденции в области создания интеллектуальных транспортных систем
Анализ современного состояния транспортной системы позволяет выделить три базовые тенденции, определяющие перспективные направления ее развития как интеллектуальной системы [1-4]:
— интеллектуализация самого транспортного средства, преобразующая его в максимально автоматизированную и адаптивную автономную систему;
— введение функций информационного обмена — взаимодействия между отдельными транспортными средствами с целью координации и оптимизации их
группового поведения как отдельных взаимосвязанных подсистем сложной системы, наделяющее транспортную систему свойствами единой информационной среды.
— синергетический эффект самоорганизации и развития транспортной системы, возникающий в результате взаимодействия отдельных когнитивных (накапливающих знание) подсистем в единой системе и подчиненных единой стратегической цели и взаимодействующих по законам коалиционного поведения.
Каждая из сформулированных тенденций представляет собой важную научную
задачу, решение которой позволит получить большие преимущества в развитии и повышении эффективности, надежности и безопасности транспортной системы. Особый интерес среди перечисленных тенденций, согласно теории интеллектуального управления, представляет третья тенденция — самоорганизация и развитие системы, возникающие в результате создания новых моделей группового поведения и коалиционного взаимодействия между отдельными транспортными средствами в решении групповых логистических задач. Разрабатываемые в настоящее время в лабораториях ведущих научных центров модели группового взаимодействия командного поведения интеллектуальных роботов подтверждают уникальные возможности создания принципиально новых автоматизированных систем управления сложными распределенными транспортными потоками.
Разработка системной модели информационно-вычислительного комплекса интеллектуальной транспортной системы
Функциональная модель Методология IDEF0 предписывает построение иерархической системы диаграмм — единичных описаний фрагментов системы. Сначала проводится описание системы в целом и ее взаимодействия с окружающим миром (контекстная диаграмма), после чего проводится функциональная декомпозиция: система разбивается на подсистемы, и каждая подсистема описывается отдельно (диаграммы декомпозиции). Затем каждая подсистема разбивается на более мелкие и так далее до достижения нужной степени подробности.
Каждая IDEF0-диаграмма содержит блоки и дуги. Блоки изображают функ-
ции моделируемой системы. Дуги связывают блоки вместе и отображают взаимодействия и взаимосвязи между ними.
Каждая сторона блока имеет особое, вполне определенное назначение. Левая сторона блока предназначена для входов, верхняя — для управления, правая — для выходов, нижняя — для механизмов. Такое обозначение отражает определенные системные принципы: входы преобразуются в выходы, управление ограничивает или предписывает условия выполнения преобразований, механизмы показывают, что и как выполняет функция.
Контекстная диаграмма интеллектуальной транспортной системы (рисунок 1) содержит один блок (Интеллектуальная транспортная система) имеющий входы, выходы, управления и механизмы.
К входным сигналам (объекты, используемые и преобразуемые работой для получения результата) относятся: «Информация, поступающая от оборудования, установленного на транспортном средстве», «Информация, поступающая от устройств дорожной инфраструктуры», «Информация, поступающая от служб дорожного движения, экстренных служб и т.д.», «Информация от GPS (средств космической навигации)». Данная информация позволяет интеллектуальной транспортной системе регулировать транспортные потоки с большой эффективностью, а также делает дорожно-транспортную инфраструктуру более безопасной.
К механизмам (ресурсы, выполняющие работу) относятся основные методы и виды регулирования, технические устройства и стандарты, которые позволяют интеллектуальной транспортной системе осуществлять контроль за дорожной обстановкой и регулировать транспортные потоки. К основным механизмам относятся: «Алгоритмическое и про-
Техн ическое регулирование в сфере ИТС
Региональное
Нормативно-правовое регулирование деятельности ИТС
М еждун а родн ое
Информация, поступ ающая от обо рудования, установленного на ТС
Информация, поступающая от устройств дорожной инфраструктуры
Информация, поступающая от служ б дор ожн ого движения, экстренных служб и т.д.
Информация отСРБ
(средствкосмической навигации)
Алгоритмическое и
программное
обеспечение
управления
транспортной
системой
Объекты тра нс портн ой инфраструктуры, подлежащие оснащению средствами производства измерений, передачи, ретрансляции и приема сигналов и средства дистанционного мониторинга и производства измерений
Науч но -методичес ко е обеспечение деятельности ИТС
Упр авлен ие движением транспортного средства (ТС)
Управление перевозками
Управление транспортной средой
Элементы
ин формационн о-телекоммуника цио нной ин фраструктур ы трансп ортно го комплекса
Рисунок 1. Контекстная диаграмма «Интеллектуальная транспортная система (ИТС)»
Figure 1. Context diagram «Intelligent transport system (ITS)»
граммное обеспечение управления транспортной системой», «Объекты транспортной инфраструктуры, подлежащие оснащению средствами производства измерений, передачи, ретрансляции и приёма сигналов, и средства дистанционного мониторинга и производства измерений» и «Элементы информационно-телекоммуникационной инфраструктуры транспортного комплекса».
Управление (информация, управляющая действиями работы) содержит основные методики, эксплуатационную документацию, нормативные правовые акты, регулирующие функционирование ИТС, к ним относятся: «Техническое регулирование в сфере ИТС (международное, региональное, национальное)», «Нормативное правовое регулирование деятельности ИТС», «Научно-методическое обеспечение деятельности ИТС».
К выходам (объекты, в которые преобразуются входы) относятся основные функциональные задачи, которые решает
интеллектуальная транспортная система: «Управление движением транспортного средства (ТС)», «Управление перевозками», «Управление транспортной средой».
Одним из основных понятием стандартов IDEF0 является декомпозиция. Принцип декомпозиции применяется при разбиении сложного процесса на составляющие его функции.
Декомпозиция позволяет постепенно и структурированно представлять модель системы в виде иерархической структуры отдельных диаграмм, что делает ее менее перегруженной и легко усваиваемой.
В данной работе предлагается подход, позволяющий создать унифицированную многоуровневую архитектуру ИТС (рисунок 2).
Верхний уровень этой системы, представленной на рисунке 2, образует интегрированная информационная среда интеллектуального управления эксплуатацией транспорта.
-111
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, v. 18, 2022
У|>оъеиъ IT'I T!'i" |: il 1111 m П>'П'ТР
Рисунок 2. Архитектура информационно-вычислительного комплекса (ИВК) интеллектуальной транспортной системы
Figure 2. Architecture of the information and computing complex of the intelligent transport system
Построение верхнего уровня ИТС (рисунок 3) на базе оптоволоконной индустриальной Е&егпе^сети позволяет получить высоко надежную структуру, не подверженную воздействию транспортных и электрических помех, а также влиянию внешней среды.
Второй уровень ИТС включает в свой состав вычислительные системы, предназначенные для решения основных функциональных задач. К их числу относятся [5-7]:
Нормативно-правове регулирование деятельности ИТС[ ]
Данные из функциональной систем!
Данные из функциональной
— системы управления движением транспортных средств на основе спутниковой навигации и радиолокационного зондирования;
— системы мониторинга подвижных объектов и эксплуатационного персонала с их автоматической идентификацией;
— центры ситуационного контроля и прогнозирования критических ситуаций;
— системы финансового мониторинга и оптимизации расходов.
Центр обработки данных (ЦОД)
Данные из функционально
] Национальное техническое регулирование в сфере ИТС
Управляющие сигналы в ФС1 г
Локальная сеть ЭВМ
Гигабитный интерфейс 100BASE-TX
-»Г
Передача данных
Управляющие сигналы в ФС2
/
Модеь
Dp. 5
Стандарт Стандарт связи для
телекоммуникационной коммуникации а беспроводной
J [ ] технологии WiMAX IEEE локальной сетевой зоне IEEE [
802.16 802.11р (Wi-Fi)
Рисунок 3. Верхний уровень архитектуры ИВК ИТС
Figure 3. The upper level of the architecture of the measuring and computing complex ITS
112-
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 18, 2022
Системы второго уровня могут быть реализованы на базе ЕШете^колец на коммутаторах со скоростями 100 Мб/с с использованием систем цифровой радиосвязи со всеми объектами транспортной инфраструктуры и спутниковых систем мониторинга объектов радиолокационного зондирования.
Третий уровень ИТС составляют следующие пассивные и активные элементы:
— объекты транспортной инфраструктуры, подлежащие оснащению средствами производства измерений, передачи, ретрансляции и приема сигналов;
— средства дистанционного мониторинга и производства измерений;
— элементы информационно-телекоммуникационной инфраструктуры транспортного комплекса;
— транспортные средства и грузы, подлежащие оснащению средствами связи, дистанционного мониторинга и телеметрических измерений;
— дистанционно управляемые исполнительные и индикационные устройства: приборы, узлы и агрегаты.
Большая часть перечисленных выше систем и средств используется для создания информационной картины дорожной ситуации и оптимизация движения транспортных средств, в частности, за счет синхронизации работы светофоров в зависимости от интенсивности потока, а также для предотвращения дорожно-транспортных происшествий (ДТП) с помощью своевременного выявления потенциально опасных ситуаций. С этой целью в рамках дорожной инфраструктуры формируются информационные узлы, которые собирают, хранят и обмениваются информацией с водителями о состоянии дорожной обстановки. Ядром каждого такого информационного узла служит дорожный контроллер, в функции которого входят обработка оперативной информации, поступающей от устройств
дистанционного мониторинга, а также регулирование дорожного движения за счет переключения светофоров по заданному алгоритму и передачи данных о наиболее оптимальных маршрутах объезда. Синхронизация работы всей совокупности информационных узлов осуществляется на верхних уровнях ИТС.
Таким образом, представленная в данной работе концепция интегральной телематической платформы ИТС позволяет унифицировать программно-аппаратную среду при реализации широкого класса проектов, имеющих региональную и ведомственную специфику. Использование стандартных открытых архитектур информационно-вычислительных систем создает широкие возможности для их расширяемости, мобильности и инте-роперабельности, что обеспечивает хорошие предпосылки для дальнейшего развития интеллектуальной системы [8-12].
Информационная модель
Модель представляет собой совокупность сущностей и ее атрибутов и является прообразом базы данных (БД) в третьей нормальной форме.
Нашей задачей является разработка информационной модели процессов сбора и обработки информации о состоянии транспортной среды от различных источников. Информационные модели являются прообразом баз данных (БД), которые будут заполняться и использоваться на всех уровнях иерархии интеллектуальной транспортной среды. Информационные модели необходимы для упорядочивания информационных потоков, определения логической структуры БД, определения и учета требуемого объема, хранимых данных, разграничения прав доступа к данным и удобства выборки и обработки данных.
База данных обработанной информации является «информационным ядром» всего процесса построения маршрута,
-113
она содержит наиболее полную информацию как обо всем процессе регулирования транспортного потока, так и о самом объекте слежения.
Информационная модель процесса сбора и анализа данных ИТС представлена на рисунке 4. Данная модель содержит 6 сущностей:
— оповещатели;
— тип оповещателя;
— дорожная обстановка;
— ДТП;
— фактическое ДТП;
— главная.
В данной модели 5 сущностей-родителей: оповещатели, тип оповещателя, дорожная обстановка, ДТП, фактическое ДТП и 1 сущность потомка: главная. Сущность «обозначение» содержит информацию обо всех источниках информации, где каждому источнику присвоен свой идентификационный номер («ГО_ оповещателя). Сущность «обозначение» является родителем сущности «главная», в которой содержится полный список всех имеющихся источников информации о дорожной обстановке.
Сущность «фактическое ДТП» также является родителем, поскольку связана с сущностью «главная» неидентифициру-ющей связью, следовательно, данные из сущности «фактическое ДТП» могут при-
сутствовать в «главная» неоднократно, что и характеризует периодичность и многократность запросов информации от источников и её анализа. Сущность «фактическое ДТП» является одной из важнейших частей работы всей ИТС и позволяет регулировать транспортную обстановку, исходя из полученных данных о дорожно-транспортных происшествиях и ремонтных работах на определённых участках дорог, что выражено в ее атрибутах: «ГО_Событие ДТП», «Количество участников», «Номера машин», «ГО_ ДТП», «ГО_Обстановка». Приведенные атрибуты позволяют точно идентифицировать аварийную ситуацию (по типу, по количеству участников).
Разработка алгоритмического обеспечения интеллектуальных транспортных систем
Алгоритм поиска безопасных маршрутов в транспортных системах
Одной из важнейших функций ИТС, определяющей ее прагматическую ценность, являются выбор оптимального маршрута, оперативное отображения текущего положения транспортного средства на географической карте и сопровождение последнего при следовании по
Рисунок 4. Информационная модель базы данных сбора и обработки информации Figure 4. Information model of the database for collecting and processing information
маршруту. В существующих автомобильных навигационных системах при выборе маршрута движения используется единственный критерий — расстояние между начальной и конечной точками маршрута. При всей универсальности этого показателя он не учитывает всей совокупности условий, влияющих на эффективность выполнения транспортных операций. В связи с этим в данной работе предлагается дополнительно использовать комплекс показателей, учитывающих уровень безопасности движения по выбранному маршруту.
Принципы формирования векторного критерия оценки маршрутов
При формировании векторного критерия необходимо исходить из того, что оценочные функции должны иметь конкретную количественную шкалу, и должна существовать объективная исходная информация, на основе которой количественные оценки могут быть рассчитаны.
С учетом этого требования в число оценочных функций были включены следующие показатели:
— оценка качества состояния автомобильных дорог (е1);
— оценка аварийности на участках дорог (е2);
— оценка условий дорожного движения (е3).
Оценка качества состояния автомобильных дорог В качестве основного критерия оценки качества состояния дорог принимается количество дефектов содержания. В «Руководстве по оценке уровня содержания автомобильных дорог», утвержденном распоряжением Государственной службы дорожного хозяйства, принято три нормативных уровня содержания дорог (таблица 1): допустимый, средний,
высокий, и один не нормативный уровень — недопустимый, при котором не выполняются требования, предъявляемые к обеспечению безопасности движения.
При оценке фактического уровня содержания дорог определяются уровень содержания каждого километра дороги, соотношения количества на дороге километров с недопустимым, допустимым, средним и высоким уровнем содержания и усредненный показатель уровня содержания дороги в целом и сети дорог. После обработки данных обследования по каждому километру путем группировки зафиксированных дефектов, подсчета в необходимых случаях объемов дефектов, их оценки устанавливается, какому уровню содержания соответствует факт наличия и величина обнаруженного дефекта.
При этом, как это показано в таблице 2, выявленным дефектам присваивается оценка в баллах:
— 2 (два) — недопустимый уровень содержания;
— 3 (три) — допустимый уровень содержания;
— 4 (четыре) — средний уровень содержания;
— 5 (пять) — высокий уровень содержания.
Чтобы получить оценку фактического уровня качества состояния дорог, рекомендуется поступать следующим образом:
формируются следующие данные:
— количество обследованных километров — К;
— количество километров, на которых зафиксирован недопустимый уровень содержания, (оценка 2) — N2;
— количество километров, на которых зафиксирован допустимый уровень содержания, (оценка 3) — N3;
— количество километров, на которых зафиксирован средний уровень содержания, (оценка 4) — N4;
-115
и системы. № 2, v. 18, 2022
Таблица 1. Уровни и характеристики содержания дорог
Table 1. Levels and characteristics of road maintenance
Уровень Характеристика уровня содержания дорог
Допустимый Содержание дороги обеспечивает допустимый уровень безопасности движения в соответствии с ГОСТ Р 50597-93 «Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям безопасности дорожного движения». Допускаются факты временного ограничение движения автотранспортных средств на отдельных участках по условиям их содержания. ДТП с сопутствующими неудовлетворительными дорожными условиями, зависящими от дефектов содержания дорог, отсутствуют. Допускается наличие не более 15 % (по протяженности) участков с не допустимым уровнем содержания.
Средний Содержание дороги обеспечивает поддержание потребительских свойств автомобильной дороги на среднем уровне. Состояние конструктивных элементов зависящие от содержания не вызывают необходимость временного ограничения движения автотранспортных средств. ДТП с сопутствующими неудовлетворительными дорожными условиями, зависящими от дефектов содержания дорог, отсутствуют. Допускается наличие не более 10 % (по протяженности) участков с не допустимым уровнем содержания.
Высокий Содержание дороги обеспечивает поддержание потребительских свойств автомобильной дороги на максимально возможном уровне, для фактически сложившегося транспортно-эксплуатационного состояния дороги. Автомобильная дорога и каждый ее конструктивный элемент содержится в состоянии, обеспечивающем круглосуточное, бесперебойное и безопасное движение автотранспортных средств. ДТП с сопутствующими неудовлетворительными дорожными условиями, зависящими от дефектов содержания дорог, отсутствуют. Не допускается наличие участков с не допустимым уровнем содержания.
— количество километров, на которых зафиксирован высокий уровень содержания, (оценка 5) — N5; при этом N5 = N1 - N2 - N3 - N4;
определяется средняя оценка уровня качества состояния автомобильной дороги или участка дороги:
_N2x2 + NъxЗ + N4x4 + N5x5
ср~ лГ
Оценка фактического уровня качества состояния сети дорог производится аналогичным образом.
Оценка аварийности на участках дорог может производиться на основе анализа данных о количестве дорожно-транспортных происшествий.
Оценка условий дорожного движения включает такие показатели, как интенсивность транспортного потока, наличие линий общественного транспорта (трамвай, троллейбус, автобус), особенности инфраструктуры дорожного движения.
На основе полученной совокупности оценочных функций можно сформировать комплексный показатель, определя-
ющий уровень безопасности движения по выбранному маршруту. Для этого необходимо осуществить аддитивную свертку предварительно нормированных оценочных функций:
= С1 • е1 + с2 - е2 + с3 ' е3 > здесь весовые коэффициенты назначаются в результате экспертного ранжирования важности перечисленных отдельных составляющих с точки зрения безопасности дорожного движения.
Алгоритмы маршрутизации
на основе оптимизации векторного
критерия
Процедура поиска оптимального маршрута для заданного участка дорожной сети предусматривает построение ориентированного графа с весами двух видов: в виде расстояний и в виде оценок опасности. В качестве вершин этого графа принимаем всевозможные пересечения транспортных магистралей — дорог, улиц, по которым разрешено движение транспорта, а в качестве ветвей — соответствующие участки транспортных
Таблица 2. Оценка дефектов содержания дорог
Table 2. Assessment of road maintenance defects
Элемент дороги Перечень дефектов, допускаемых при выставлении оценок
Оценка (5) (4) (3) (0)
1. Дорожная дефектов шелушение, отдельные сдвиги, выбоины,
одежда с покры- нет неровности покрытия, колейность, проломы; на
тием усовершен- отдельные разрушение проезжей части
ствованного типа незаполненные кромок проезжей застой воды, грязь,
мастикой швы и части, граней создающие
трещины плит и бордюров, аварийную
трещины, мусор обстановку при
на проезжей части отсутствии
соответствующих
дорожных знаков
2. Земляное дефектов незначительные выбоины, размывы обочин и
полотно и нет нарушения поперечных колейность откосов,
водоотвод уклонов обочин; обочин; заиливание и
отдельные несоблюдение застой воды в
незаполненные поперечных водоотводных
мастикой трещины на уклонов обочин; лотках; кустарник
обочинах с загрязнение на обочинах;
усовершенствованным полосы отвода разрушение
покрытием водоотводных
лотков
3. Искусственные содержание проезжей части мостов и путепроводов оценивается аналогично
сооружения: п. 1
мосты, путепро-
воды, трубы
4. Обстановка дефектов незначительное установка знаков отсутствие в
дороги (организа- нет загрязнение или и ограждений с необходимых
ция и безопас- повреждение нарушениями местах или
ность движения) дорожных знаков и ГОСТ. значительное
разметок, Загрязнение и разрушение
затрудняющие их повреждение, дорожных
видимость затрудняющие ограждений при
видимость отсутствии
дорожных соответствующих
ограждений, знаков. Отсутствие
знаков, (согласно
направляющих дислокации),
устройств. загрязнение или
Наличие повреждение
неорганизованных дорожных знаков,
съездов, исключающее их
недостаточная видимость
освещенность
подземных
пешеходных
переходов
5. Благо- дефектов незначительная мелкие антисанитарное
устройство нет загрязненность повреждения и состояние,
и озеленение элементов отсутствие разрушения
благоустройства скамеек, урн в элементов
необходимых благоустройства
местах
магистралей. На рисунке 5 показан пример участка дорожной сети с нанесенным на него ориентированный графом, при этом улицы с двусторонним движением обозначены как неориентированные ветви.
Lp = Xe4 (xi ;xj)
(xi ; xj
Аналогично безопасностью пути Р назовем величину:
vp = , (xi;xj).
(xi ; xj
Рисунок 5. Граф дорожной сети Figure 5. Graph of the road network
Обозначим X = {jq, ,..., хм } множе ство вершин графа, а Y = {уъу2,...,ум} — множество ветвей. При этом каждая ветвь задается парой вершин графа, которые она соединяет уг(х{;х^. На графе введено отображение со:7->Е, которое каждой ветви yr(xi;xj) ставит в соответствие значение векторного критерия
|ег (xi,xj^£r (х(,Xj)|
Путем или маршрутом из вершины ха в вершину хь назовем простую ориентированную цепь, соединяющую последовательность вершин xq+b • • •»xq+g' хь }. Отклонением Pi от пути Р в точке xt назовем путь, совпадающий с Р от вершины ха до вершины хг, а затем идущий к вершине, отличной от вершины xi+1 прежнего пути Р. Часть пути Р, проходящая через (i+1) его первых вершин {ха,х\,х2,..., Xi}, называется i-м корнем этого пути — R, а путь из вершины xi+1 в вершину xb, не совпадающий с соответствующей частью {xi+\,xi+2,...,xi,} пути Р, называется его i-м ответвлением — S.
Длиной пути Р назовем величину:
Кратчайшим путем или путем минимальной длины назовем путь Р(ха;хь) из вершины ха в вершину хъ, длина которого удовлетворяет условию:
ЬР = тт ЬР(х . х,) Р Р (*а; хъ) Р (Ха'ХЪ ).
В свою очередь, кратчайшим путем с 5-уступкой назовем путь Р(ха;хь), длина которого удовлетворяет условию:
Ьр < р тт )Ьр(Ха;хъ ) + 5.
Р(ха;ХЪ )
Алгоритм поиска маршрута базируется на методе последовательных уступок, алгоритмах Дейкстры и Йена поиска кратчайших путей в графе. Суть метода последовательных уступок заключается в том, что вначале находится маршрут, оптимальный с точки зрения дальности еА. Затем назначается допустимое увеличение (уступка) по дальности и находятся все маршруты, дальность которых не превышает дальности кратчайшего маршрута более, чем на величину принятой уступки. Оптимальным по векторному критерию признается тот из найденных маршрутов, которому соответствует максимальная величина критерия безопасности еБ.
При описании алгоритма мы будем использовать следующую совокупность массивов:
Ь5 — массив кратчайших путей с 5-уступкой;
ЬТ — временной массив кратчайших путей;
Мт = М*г-)]1хЛГ — массив текущих меток вершин графа;
р = [/(*г )]ъ<лг — массив флагов для вершин графа;
Г(х) — массив вершин графа, смежных с х;
V
П(х) — массив посещенных вершин графа.
Шаг 1. Присвоение начальных значений k = 1, 8, S (здесь S — большое число, удовлетворяющее условию
М . ,
s>
r=1
Шаг 2. Найти кратчайший путь Рк(х; хь).
Шаг 2.1. Присвоить т(ха) = 0; f(xa) = l; m(xi) = S; /(jCj) = 0 для всех xt Фха; добавить ха в массив П(х ).
Шаг 2.2. Присвоить хр =ха.
Шаг 2.3. Для всех xt е г(.*р), для которых f(xj) = 0, присвоить
т (xi) = min т (хг-), т (jcр) + {хр; хг-)]
Шаг 2.4. Среди всех вершин, для которых /(*,-) = 0, найти вершину с минимальной меткой xt = arg[min(m(jCj))].
Шаг 2.5. Присвоить хр =х*; /(jc*)=1. Добавить xt в массив П(х).
Шаг 2.6. Если хр ф х^, то идти к шагу 2.3, иначе массив П(х) содержит вершины кратчайшего пути Рк(ха; хь), длина которого равна I* = т{хъ), идти к шагу 3.
Шаг 3. Включить кратчайший путь Рк(ха; хь) в массив Ld.
Шаг 4. Присвоить к=к+1.
Шаг 5. Найти все отклонения Рк
1
(к-1)-го кратчайшего пути Рк-1 для всех 1=1, 2, ..., gk1, выполняя для каждого 1 шаги с 6-го по 9-й.
Шаг 6. Проверить, совпадает ли 1-й корень пути Рк-1 с аналогичными 1-ми корнями Rf любого из Р путей (/=1, 2, ..., к-1). Если да, то присвоить e;?(xf_1;jc/+1)=,S; иначе ничего не изменять.
Шаг 7. Найти кратчайшие ответвления s\ от вершины х\~х к х исключая из рас-
к-1 v к-1 х к-1
смотрения вершины х,, х^, х ,
Шаг 7.1. Присвоить т(^_1)=0; /(¡с*_1)=1; т{х1) = 5; /(х{) = 0, для всех хх ф добавить в массив П(х.).
Шаг 7.3. Для всех х{ е Г^), не принадлежащих к множеству х, х1к-1, хк-],..., хк-], для которых /(*,) = О, присвоить
т(хг-) = тт[и(^), т{хр)+ е^ [хр; хх)]
Шаг 7.4. Среди всех вершин, для которых /(*,) = О, найти вершину с минимальной меткой х* - аг§[тт(»г(хг ))].
Шаг 7.5. Присвоить хр=х*; /(**)= 1. Добавить х* в массив П(хг).
Шаг 7.6. Если хр фхь, то идти к шагу 7.3, иначе массив П(хг) содержит вершины кратчайшего ответвления длина которого равна т(хь).
Шаг 7.7. Если массив П(хг) не пустой, то идти к шагу 8, иначе шаг 12.
Шаг 8. Построить отклонение Рк, соединяя 1-й корень с кратчайшим ответвлением я* и поместить Рк в массив МТ.
Шаг 9. Восстановить прежние значения ег(;кг*_1;х/+1), идти к шагу 6.
Шаг 10. Найти кратчайший путь в массиве МТ. Если длина этого пути удовлетворяет условию 1р <1*+Ъ, то обозначить этот путь Рк и поместить его в массив Ьъ.
Шаг 11. Идти к шагу 4.
Шаг 12. Для всех Рк е L& рассчитать показатель безопасности пути:
V'Рк = У £ i (х, ;xj)
(Xi Рк
Шаг 13. Найти путь с максимальным уровнем безопасности
(рк L
= arg
max V к
Рк Р
Шаг 7.2. Присвоить хр = х\
к-1
Шаг 14. Путь {рк\р1 является искомым маршрутом, оптимальным по введенному векторному критерию.
Выводы
В ходе данного исследовательского проекта разработана системная модель информационно-вычислительного комплекса интеллектуальных транспортных систем, включающая в себя функциональную и информационную модели информационно-вычислительного ком-
плекса интеллектуальной транспортной системы, а также разработано алгоритмическое обеспечение интеллектуальных транспортных систем, включающее в
Список источников
1. Bossom R. D31 European ITS Communication Architecture — Overall Framework, COM-eSafety System Architecture. 2012. 257 p.
2. Ramirez-Iniguez R. National ITS Architecture Version 6.1. Iteris Inc., 2012. 180 p.
3. Интеллектуальная транспортная система [Электронный ресурс]. URL: https:// ru.wikipedia.org/wiki/Интеллектуальная_ транспортная_система (дата обращения: 05.08.2021).
4. Назначение и структура современных ИТС [Электронный ресурс]. URL: http:// www.techportal.ru/review/security-on-transport/its/#naznachenie-i-struktura-sovremennykh-its-kakie-informatsionnye-i-kommunikatsionnye-tekhnologii-i-resh (дата обращения: 20.04.2022).
5. Задера В.И. Современные датчики на дорогах // Автомобильные дороги. 2013. № 4. С. 56-59.
6. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз. 2011. 270 с.
7. Бек Ю.М. Современные автомобильные навигационные приборы и системы. М.: Мир, 2011. 464 с.
8. Brodji A. The TerraMax Autonomous Vehicle // Journal of Field Robotics. 2012. No. 7. P. 62.
9. Сергеев С.Л. Архитектуры вычислительных систем. М.-СПб.: БХВ-Петербург,
2011. 240 с.
10. Смирнова Е.В. Технологии современных сетей Ethernet. СПб.: БХВ-Петербург,
2012. 272 с.
11. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. М.: Мир, 2011. 500 с.
12. Богданов А.В. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. М.: Энергоатомиздат, 2010. 288 с.
References
1. Bossom R. D31 European ITS Communication Architecture — Overall Framework, COM-eSafety System Architecture. 2012. 257 p.
себя алгоритм поиска безопасных маршрутов в транспортных системах и алгоритм маршрутизации на основе оптимизации векторного критерия.
2. Ramirez-Iniguez R. National ITS Architecture Version 6.1. Iteris Inc., 2012. 180 p.
3. Intellektual'naya transportnaya sistema [Intellectual transport system]. [Electronic Resource]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Intellektual'naya_transportnaya_sistema (accessed 05.08.2021). [in Russian].
4. Naznachenie i struktura sovremennykh ITS [The Purpose and Structure of Modern ITS]. [Electronic Resource]. URL: http://www. techportal.ru/review/security-on-transport/ its/#naznachenie-i-struktura-sovremennykh-its-kakie-informatsionnye-i-kommunikatsionnye-tekhnologii-i-resh (accessed 20.04.2022). [in Russian].
5. Zadera V.I. Sovremennye datchiki na dorogakh [Modern Sensors on the Roads]. Avtomobil'nye dorogi — Automobile Roads, 2013, No. 4, pp. 56-59. [in Russian].
6. Solov'ev Yu.A. Sistemy sputnikovoi navigatsii [Satellite Navigation Systems]. Moscow, Eko-Trendz Publ., 2011. 270 p. [in Russian].
7. Bek Yu.M. Sovremennye avtomobil'nye navigatsionnye pribory i sistemy [Modern Automotive Navigation Devices and Systems]. Moscow, Mir Publ., 2011. 464 p. [in Russian].
8. Brodji A. The TerraMax Autonomous Vehicle. Journal of Field Robotics, 2012, No. 7, pp. 62.
9. Sergeev S.L. Arkhitektury vychislitel'nykh system [Architectures of Computing Systems]. Moscow-Saint-Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2011. 240 p. [in Russian].
10. Smirnova E.V. Tekhnologii sovremennykh setei Ethernet [Technologies of Modern Ethernet Networks]. Saint-Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2012. 272 p. [in Russian].
11. Baitser B. Arkhitektura vychislitel'nykh kompleksov [Architecture of Computer Systems]. Moscow, Mir Publ., 2011. 500 p. [in Russian].
12. Bogdanov A.V. Arkhitektury i topologii mnogoprotsessornykh vychislitel 'nykh system [Architectures and Topologies of Multiprocessor Computing Systems]. Moscow, Energoatomizdat Publ, 2010. 288 p. [in Russian].
