Загальна характеристика роботи - Чисельні методи підвищення ефективності аналізу моделі автотранспортного потоку-слідування за лідером

Актуальність теми. Оскільки на сьогоднішній день постійно збільшується кількість автомобільного транспорту на вулично-дорожній мережі міст, особливо великих та найбільших, тому актуальним все більше і більше являється вивчення та дослідження транспортних потоків та їх моделей. Сьогодні широко впроваджуються автоматизовані системи моніторингу транспортних засобів на базі GPS (Global Positioning System) для контролю пересування транспортних засобів в реальному часі, а саме для визначення місця знаходження, дотримання швидкісного режиму, дотримання графіку під час вантажних або пасажирських перевезень. В усьому світі, в тому числі і в Аерокосмічному центрі НАУ, на основі GPS-приймачів використовуються пристрої обліку переміщення автомобілів для скорочення нецільових витрат транспортних підприємств та організацій. Саме тому є доцільним вивчати модель автотранспортного потоку на основі GPS-навігації.

У результаті вивчення автотранспортних потоків високої щільності і спеціальних експериментів, проведених американськими фахівцями, була запропонована теорія проходження за лідером, математичним виразом якої є мікроскопічна модель транспортного потоку. Мікроскопічною її називають тому, що вона розглядає елемент потоку, пару слідуючих один за одним транспортних засобів. Особливістю цієї моделі є те, що в ній відображені закономірності комплексу "водій - автомобіль - дорога - середовище" (ВАДС), зокрема, психологічний аспект управління автомобілями, який полягає в тому, що при русі в щільному транспортному потоці дії водія обумовлені змінами швидкості лідируючого автомобіля і дистанції до нього.

Математичний аналіз мікро-моделі транспортного потоку слідування за лідером являється невід'ємною складовою при вирішенні комплексних транспортних задач. Це дає можливість вивчати і аналізувати такі питання, як:

    - взаємодію автомобілів всередині автотранспортного потоку; - поведінку водіїв і взаємодію автомобілів в різних режимах руху автотранспортного потоку; - визначити час реакції водія в різних режимах руху автотранспортного потоку (наприклад в "тянучці", "пробці", що на сьогодні є досить актуальною проблемою у зв'язку із постійним збільшенням кількості автомобільного транспорту); - можливість визначення психофізіологічного навантаження на водія в різних режимах руху автомобілів, внаслідок чого можна проаналізувати психофізіологічний стан водія під час руху авто; (так, як при русі в щільному транспортному потоці дії водія обумовлені змінами швидкості лідируючого автомобіля і дистанції до нього); - найбільш точно обраховувати параметри автотранспортного потоку (швидкість, шлях, прискорення, час реакції водія).

Отримані дані можуть бути використані для вирішення комплексних задач, а саме: при управлінні автотранспортними потоками, проектуванні автомобільних доріг, організації руху транспортних потоків, при організації роботи світлофорів, при аналізі психофізіологічного стану водія, врегулюванні ДТП.

Вивчення області досліджень показало, що спеціальних досліджень за даним напрямком при сучасних умовах та режимах руху транспортних засобів в автотранспортних потоках, не проводилося, тому актуальним завданням на сьогодні являється дослідження мікро-моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером. Розробка методів підвищення ефективності алгоритмів обробки інформації від супутникових приймачів для розрахунку параметрів моделі руху за лідером в транспортному потоці має важливе значення для управління автотранспортом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з державною цільовою науково-технічною програмою створення державної інтегрованої інформаційної системи забезпечення управління рухомими об'єктами (зв'язок, навігація, спостереження), прийнятою постановою КМУ від 17.09.2008 р. № 834; Транспортної стратегії України на період до 2020 р., схваленої розпорядженням КМУ від 20.10.2010 р. № 2174-р.; цільовою комплексною програмою розвитку транспортного комплексу України "Транспорт - програма розвитку та вдосконалення транспорту України в 1992 - 2010 рр.", прийнятої розпорядженням КМУ від 23.07.1993 р. № 551-Р; програмою забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів", прийнятою постановою КМУ від 06.04.1998 р. № 456. Дослідження виконувались також в межах держбюджетних науково-дослідних робіт НАУ №40/10.01.01 "Методологія підвищення ефективності функціонування вулично-дорожньої мережі міст України" та НДР № 507 - ДБ 08 "Багатофункціональне обладнання гідроструменевих технологій високого тиску для ремонтних робіт у міському господарстві" (№ держ. реєстрації 0108U004013).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційного дослідження - розробити чисельні методи підвищення ефективності аналізу моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером та удосконалити методи підвищення ефективності алгоритмів обробки інформації від GPS-приймачів для розрахунку параметрів моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером.

Для досягнення мети роботи були поставлені наступні задачі:

    1. Удосконалити методи чисельного розрахунку параметрів моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером на основі сплайн-апроксимації часових послідовностей. 2. Підвищити точність чисельного розрахунку швидкості, прискорення транспортного засобу та часу реакції водія за рахунок використання завадостійких методів, розроблених на основі "швидких" сплайн-апроксимацій першої та другої похідних. 3. Провести натурний експеримент для аналізу моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером на двох автомобілях із встановленими на них GPS-приймачами. 4. Застосувати та апробувати на реальних даних запропоновані завадостійкі методи аналізу параметрів моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером та розрахунку часу реакції водія. 5. Показати перевагу в точності розрахунку параметрів мікро-моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером та часу реакції водія в порівнянні з класичним методом за допомогою запропонованих завадостійких методів, які зменшують похибки в порівнянні з класичними підходами при чисельному диференціюванні сигналів, що спостерігаються на фоні шумів.

Об'єкт дослідження - автотранспортні потоки.

Предмет дослідження - визначення властивостей взаємодії автомобілів в автотранспортному потоці - слідування за лідером.

Методи дослідження - метод найменших квадратів; чисельне диференціювання; метод моделювання випадкових послідовностей із заданими законами розподілу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

Удосконалено:

- методи чисельного розрахунку параметрів моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером на основі "швидкої" сплайн-апроксимації часових послідовностей.

Набули подальшого розвитку завадостійкі методи чисельного розрахунку швидкості, прискорення транспортного засобу та часу реакції водія на основі розроблених "швидких" сплайн-апроксимацій першої та другої похідних:

    - Вперше побудовано "швидку" сплайн-апроксимацію похідної, яка розраховується з початкової функції без попереднього обчислення самої похідної цієї функції; - Вперше побудовано "швидку" сплайн-апроксимацію другої похідної, яка розраховується з початкової функції без попереднього обчислення самих першої та другої похідних цієї функції;

Узагальнено Завадостійкі методи аналізу параметрів моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером та розрахунку часу реакції водія на основі запропонованих "швидких" сплайн-апроксимацій першої та другої похідних від часових послідовностей функцій шляху автотранспортних засобів.

Запропоновані методи на 40 % дають змогу точніше обрахувати параметри руху автотранспортних засобів та визначити час реакції водія в автотранспортному потоці в сучасних умовах руху в порівнянні з класичним методом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

    - на основі розроблених "швидких" сплайн-апроксимацій першої та другої похідних удосконалено завадостійкі методи чисельного розрахунку швидкості та прискорення транспортного засобу; - на основі запропонованих "швидких" сплайн-апроксимацій першої та другої похідних побудовано завадостійкі методи аналізу моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером та розрахунку часу реакції водія; - проведено натурний експеримент для аналізу моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером на автомобілях Volkswagen Transporter та Passat із встановленими на них GPS-приймачами OEMV-1 та OEMV-3 відповідно; - удосконалено завадостійкі методи аналізу параметрів автотранспортного потоку - слідування за лідером та розрахунку часу реакції водія апробовані на реальних даних з GPS-приймачів; - показано перевагу в точності розрахунку швидкості, прискорення та часу реакції водія запропонованим в дисертації методом в порівнянні з класичним; - запропоновані методи дають на 40 % більш точні (реальні) дані параметрів руху транспортних засобів при дослідженні моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером в порівнянні з класичним методом.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в ДП - Український державний інститут з проектування об'єктів дорожнього господарства "УКРДІПРОДОР" при проектуванні автомобільних шляхів та об'єктів дорожнього господарства.

Окремі результати наукових дисертаційних досліджень також використані в навчальному процесі при розробці програм лекційних занять та в дипломному проектуванні з дисциплін "Основи проектування автомобільних доріг", "Основи експлуатації автомобільних доріг та аеродромів" та "Економіка будівництва і експлуатації доріг і аеродромів".

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота містить наукові результати, які були отримані особисто автором під час проведення теоретичних та експериментальних досліджень, при обробці отриманих даних та впровадженні розроблених матеріалів і відображені у наукових працях [1-14]. У роботі [1] автором удосконалено метод чисельного розрахунку похідної (швидкості транспортного засобу під час руху у колоні "за лідером") з використанням швидкого сплайн-перетворення. У [2] досліджено вплив параметрів мікро-моделі автотранспортного потоку на техніко-економічні та техніко-експлуатаційні показники системи ВАДС "водій - автомобіль - дорога - зовнішнє середовище". У роботі [3] вивчено залежність "інтенсивність руху - швидкість руху" та проведено аналіз методики проектування автомобільних доріг з урахуванням теорії транспортних потоків. Представлено загальну інформацію про мережу автодоріг України. У [4] вдосконалено завадостійкі методи аналізу параметрів моделі автотранспортного потоку - слідування за лідером на основі "швидких" сплайн-апроксимацій першої та другої похідних. У [5, 6, 8, 9] розглянуто основні принципи врахування параметрів моделей транспортного потоку при проектуванні та реконструкції автодоріг. У роботі [7] експериментально досліджено модель автотранспортного потоку - слідування за лідером на основі GPS-навігації. Удосконалено завадостійкі методи аналізу параметрів автотранспортного потоку - слідування за лідером та розрахунку часу реакції водія апробовані на реальних даних з GPS-приймачів. У [1, 4, 7] показано перевагу в точності розрахунку швидкості, прискорення та часу реакції водія запропонованими в дисертації методами в порівнянні з класичним методом.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації були представлені та обговорювались автором на VIII міжнародній науково-практичній конференції студентів та молодих вчених "Політ - 2008" (м. Київ, НАУ, квітень 2008 р.); 11-й конференції молодих вчених Литви "Наука - майбутнє Литви. Транспорт" (м. Вільнюс, Технічний університет ім. Гедемінаса, 15 травня 2008 р.); II міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми хіммотології" (м. Київ, НАУ, 2-6 червня 2008 р.); 12-й конференції молодих вчених Литви "Наука - майбутнє Литви. Транспорт" (м. Вільнюс, 14 травня 2009 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Аеропорти - вікно в майбутнє" (м. Київ, НАУ, 4-5 червня 2009 р.); X міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП "Промислова гідравліка і пневматика" (м. Львів, 14-15 жовтня 2009 р.); міжнародній науково-практичній конференції при участі молодих вчених та студентів "Безопасность движения и автомобильные дороги. Проблемы, перспективы" (м. Харків, ХНАДУ, 26-28 листопада 2009 р.); X міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених та студентів "Політ - 2010. Сучасні проблеми науки" (м. Київ, НАУ, 7-9 квітня 2010 р.); 13-й конференції молодих вчених Литви "Наука - майбутнє Литви. Транспорт" (м. Вільнюс, Технічний університет ім. Гедемінаса, 6 травня 2010 р.); третій міжнародній науково-практичній конференції "Інтегровані інтелектуальні робототехнічні комплекси (ІІРТК - 2010)" (м. Київ, НАУ 24-26 травня 2010 р.); ІІ міжнародній науково-практичній конференції "Аеропорти - вікно в майбутнє" (м. Київ, НАУ, 27-28 травня 2010 р.); XI міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП "Промислова гідравліка і пневматика" (м. Мелітополь, ТДАТУ, 15 - 17 вересня 2010 р.); XI міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених та студентів "Політ - 2011. Сучасні проблеми науки" (м. Київ, НАУ, квітень 2011 р.); X міжнародній науково-технічній конференції "Авіа - 2011" (м. Київ, НАУ, 19-21 квітня 2011 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень опубліковано у 14 наукових працях, у тому числі в 7 наукових статтях у спеціалізованих фахових виданнях, внесених до переліку ВАК України, 1 патенту України, у 2 міжнародних журналах, 4 матеріалах доповідей та тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 197 сторінок, з них 155 сторінок основного тексту, 15 сторінок списку використаних джерел, який включає 156 найменувань та 27 сторінок додатків. Дисертація містить 6 таблиць і 37 рисунків.

Похожие статьи




Загальна характеристика роботи - Чисельні методи підвищення ефективності аналізу моделі автотранспортного потоку-слідування за лідером

Предыдущая | Следующая