Использование современных достижений информационных технологий и средств связи - телематики - в управлении транспортными системами позволяет кардинально повысить эффективность и качество их работы. Поэтому транспортные системы с использованием АСУ, построенных на основе телематики, получили во всем мире специальное наименование - интеллектуальные транспортные системы (ИТС).
итс - это система, интегрирующая современные технологии управления с телематикой, предназначенная для автоматизированного поиска и принятия наиболее эффективных сценариев управления ТС и ее элементов в целях обеспечения мобильности при установленном уровне качества обслуживания пользователей ТС.
Отличительный признак ИТС - автоматическое (или с минимальным участием оператора) формирование управляющих воздействий в режиме реального времени на объекты ТС. Для этого в системе должна функционировать обратная связь, обеспечивающая автоматическую передачу оперативных данных о работе объектов ТС в блок управления. На их основе с помощью математических моделей вырабатываются прогнозные управляющие решения, которые реализуются в средствах управления.
В мировой практике ИТС признаны как общетранспортная идеология интеграции достижений современных методов управления и телематики во все виды транспортной деятельности для решения проблем экономического и социатьного характера: повышения эффективности функционирования пассажирского и грузового транспорта, снижения транспортных расходов, обеспечения транспортной безопасности и улучшения экологических показателей.
Практическое развитие крупномасштабных проектов ИТС началось в середине 1980-х гг. в США, Японии и Европе, когда стали доступны для бизнес-приложений персональные компьютеры, сотовая связь и технологии космического позиционирования.
Развитие ИТС методологически базируется на системном подходе, формируя ИТС не как отдельные функциональные блоки, а как систему. Подходы к созданию ИТС основываются на принципе модернизации, реинжиниринга действующих ТС путем поэтапного развития и модульности создания ИТС. Принцип модульности требует четкого общего плана построения ИТС, в рамках которого реализуемые отдельные модули будут в дальнейшем гарантированно совместимы с модулями, реализуемыми на последующих стадиях проекта. Такой план построения системы называется архитектурой. Архитектура ИТС определяет основные принципы организации ИТС и взаимосвязи компонентов ИТС между собой и с внешней средой, а также принципы и руководство по их разработке, внедрению и оценке эффективности использования. Архитектура ИТС представляет собой некую рамочную структуру, в границах которой могут быть использованы различные подходы к проектированию с учетом конкретного функционала системы и необходимых пользователям сервисов. В нашей стране основополагающим документом по построению архитектуры ИТС является ГОСТ Р ИСО 14813-1-2011. Интеллектуальные транспортные системы. Схема построения архитектуры интеллектуальных транспортных систем. Часть 1. Сервисные домены в области интеллектуальных транспортных систем, сервисные группы и сервисы. Используемая в стандарте иерархия построения архитектуры ИТС приведена на рис. 4.23.
Рис. 4.23.
Доменная архитектура формирует общее комплексное представление о структуре объектов и субъектов ИТС. При этом для каждого проекта системы набор и функциональное описание объектов и субъектов может носить индивидуальный характер.
Сервисный домен включает в себя один или более типов сервисов ИТС. Каждый тип сервиса ИТС может содержать несколько случаев связанных сервисов. Эти объединения представителей связанных сервисов называются сервисными группами ИТС. Таким образом, сервисная группа ИТС включает в себя один или более похожих или взаимодополняющих сервисов, предназначенных для пользователей ИТС.
Необходимо выделить следующие особенности сервисных групп ИТС и сервисов:
- каждая сервисная группа ИТС ориентирована на определенную деятельность, относящуюся к управлению или информационному обеспечению в сфере дорожной транспортной сети, и разделена на конкретные сервисы, адресованные, в свою очередь, конкретным пользователям или используемые для различных режимов функционирования;
- наименование каждой сервисной группы должно отражать вид осуществляемой деятельности (например, «дотранспоргная информация»);
- каждый сервис в рамках сервисной группы должен связывать как вид деятельности сервисной группы, так и характер пользователей или режимов функционирования ИТС (например, «дотранспортная информация - общественный транспорт»);
- каждый уровень в иерархии должен быть на эквивалентном уровне модульности системы.
Практическое применение
В середине 1990-х гг. стало ясно, что потенциал многих европейских исследовательских программ в области транспортной телематики не может быть полностью реализован. Для решения проблемы требовалось создание единого подхода к европейской архитектуре ИТС. Эта задача была решена в 1998-2000 гг. в ходе реализации проекта KAREN. В результате была разработана структура для внедрения ИТС в Европейском союзе .
Европейская архитектура ИТС состоит из двух частей: пользовательских сервисов ИТС (см. ГОСТ Р ИСО 14813-1-2011) и функциональной архитектуры (Functional Viewpoint), обеспечивающей реализацию указанных сервисов. Физическая и коммуникационная структуры не входят в состав регламентируемых составных частей архитектуры ИТС. Согласно подходам, заложенным в основу европейской архитектуры ИТС, предполагается создание индивидуальной физической и коммуникационной среды ИТС в каждом конкретном случае, с учетом конкретных особенностей и потребностей в сервисах, па основе общих принципов и в соответствии с общей моделью разработки.
С учетом важности синхронизации проектов ИТС в области различных видов транспорта и в различных странах в 2008 г. в ЕС принят План по развитию ИТС в Европе (СОМ(2008) 886), а в 2010 г. Европейским парламентом принята Директива ЕС 2010/40/EU по развитию ИТС в области автомобильного транспорта и взаимодействия с системами других видов транспорта .
Развитие ИТС сгруппировано по шести приоритетным направлениям:
- оптимального использования информации о дорогах, движении и поездках, которое предусматривает получение актуальной и проверенной информации на всех уровнях управления транспортом независимо от формы собственности оператора и вида транспорта и обеспечивает ее доступность для всех пользователей;
- обеспечения условий для безбарьерного движения товаров и оптимального управления грузовыми перевозками на европейских транспортных коридорах и в городских агломерациях за счет автоматической идентификации транспортных единиц, предоставления различных услуг (например, таможенных) в режиме онлайн и пространственного позиционирования на основе космических навигационных систем;
- повышения безопасности дорожного движения за счет развития автоматических систем, предупреждающих и предотвращающих опасные ситуации как между транспортными средствами, так и между автомобилями и пешеходами;
- обеспечения безопасности и защиты передаваемых данных в ИТС, в частности личных и финансовых данных пользователей;
- интеграции транспортного средства в транспортную инфраструктуру за счет использования открытых приложений в компьютерных системах транспортных средств и программном обеспечении ИТС, позволяющему обеспечить совместимость информационных систем и автоматически передавать данные, необходимые для оптимального управления как индивидуальными транспортными средствами, так и их потоками.
Согласованное внедрение ИТС в ЕС требует интенсивного сотрудничества на европейском уровне между всеми сторонами на разных уровнях управления, а также надлежащей структуры и нормативно-правовой базы. Необходимо разработать общие методы оценки и единые инструменты для реализации эффективных решений.
На рис. 4.24 приведена укрупненная классификация ИТС по направлениям автоматизации транспортных систем.
Все указанные в классификации на рис. 3.1 направления в настоящее время успешно развиваются и имеют примеры практического применения. Естественно, что разработка и внедрение ИТС сопряжены со значительными расходами, но, учитывая их стратегическую значимость для развития транспорта, крайне важно готовить элементы этих систем и развивать транспорт с учетом необходимости в будущем построения комплексной ИТС. В соответствии с концепцией ИТС должны строиться концепции и конкретные планы развития дорожных, грузовых и пассажирских ТС.
Набор сервисов ИТС из разных доменов может формировать блок сервисов, реализуемых для решения первостепенной задачи или набора задач, сохраняя при этом возможность развития в дальнейшем полнофункциональных доменов. Например, для повышения безопасности дорожного движения важно развивать следующие сервисы:
- автоматический контроль соблюдения правил дорожного движения;
- предупреждение о заторах и ремонтных работах и рекомендации по путям объезда;
- оповещение о погодных условиях и состоянии дорожного полотна;
- автомобильные системы распознавания дорожных знаков, поддержания движения по полосе, автоматического ограничения скорости движения, адаптивного круиз-контроля, предупреждения об опасном сближении и т.п.;
- управление режимами движения (в первую очередь скоростью) с помощью знаков переменного значения;
- мониторинг и управление перевозками опасных грузов;
- мониторинг и управление движением в тоннелях и на скоростных магистралях.
В нашей стране в области ИТС наибольшее развитие получили системы управления дорожным движением. Их развитие на принципах ИТС позволяет перейти от управления отдельными светофорными объектами к управлению движением на автомобильных дорогах, зонах улично-дорожной сети или в целом движением в городе. Для реализации сервисов ИТС в этом случае создаются АСУ автомагистралью, зональные АСУ или АСУ дорожного движения (ДД) города. В последних двух случаях наиболее эффективно использование сетевых адаптивных методов управления дорожным движением.
Рис. 4.24.
Практическое применение
Одним из первых и до сих пор наиболее широко применяемых в мире алгоритмов сетевого адаптивного управления является SCOOT (Split Cycle Offset Optimization Technique - техника оптимизации длительностей фаз, цикла и сдвига), разработанный в середине 1970-х гг. британским Институтом TRL(7ota/ Request Live) совместно с фирмами «Plessey» и «Реек». Система SCOOT установлена более чем в 100 городах Великобритании и десятках городов во всем мире. Зона управления SCOOT в г. Лондоне охватывает около 2000 регулируемых перекрестков.
Район управления в SCOOT разбивается на подрайоны. В пределах каждого подрайона обеспечивается сетевая координация работы светофорных объектов с единым циклом регулирования. Принцип разбиения на подрайоны - стандартный: разрыв координации осуществляется на длинных или слабо загруженных перегонах.
Система сбора информации о транспортных потоках предполагает мониторинг транспортных потоков на каждой полосе движения непосредственно перед стоп-линией и на значительном расстоянии от нее, как правило, у выхода со смежного перекрестка. Алгоритм использует получаемую в реальном времени информацию об интенсивности транспортных потоков и времени проезда транспортными средствами удаленных от стоп-линий сечений.
Процесс оптимизации параметров регулирования в SCOOT имеет трехуровневую структуру, каждый уровень которой соответствует оптимизации одного типа параметров.
На верхнем уровне для каждого подрайона выполняется оптимизация цикла регулирования, и для оптимизированного цикла определяются базовые длительности фаз на каждом перекрестке. Расчет оптимального цикла для группы перекрестков выполняется каждые 5 мин или, если наблюдается быстрое изменение интенсивности, каждые 2,5 мин. Считается, что цикл требует увеличения, если уровень загрузки наиболее загруженного перекрестка превышает 90%. Аналогично, при снижении уровня загрузки наиболее загруженного перекрестка происходит сокращение цикла. Таким образом, в течение суток длительность цикла на перекрестке плавно изменяется в соответствии с динамикой изменения интенсивности транспортных потоков.
Оптимизация сдвигов выполняется один раз в цикл. В каждом цикле существует возможность изменения сдвига не более чем на 4 с. Для оптимизации сдвигов используется специальный алгоритм, для которого необходима информация о времени проезда транспорта между смежными стоп- линиями и о взаимосвязях транспортных потоков. Времена проезда могут корректироваться в режиме реального времени путем сравнения прогнозируемых и наблюдаемых диаграмм интенсивностей транспортных потоков на подходах к стоп-линиям. При используемой в SCOOT схеме расстановки датчиков установить взаимосвязь потоков на смежных стоп-линиях можно с полной определенностью, если движение по полосам строго специализированное (по каждой полосе в зоне перекрестка транспорт движется в единственном направлении), и с высокой вероятностью - при отсутствии строгой специализации полос.
На нижнем уровне - уровне перекрестка - происходит уточнение моментов переключения фаз и принимается решение об увеличении или уменьшении длительности фазы на значение не выше 4 с. Эта процедура выполняется перед каждым переключением фаз и основывается на краткосрочном прогнозе транспортной ситуации на перекрестке. Прогноз позволяет оценить длину очереди и, следовательно, задержку на каждой стоп-линии перекрестка для каждого из возможных моментов переключения фаз.
Критерием оптимальности при выборе управляющих параметров является взвешенная сумма задержек и остановок транспортных средств.
Характерными особенностями SCOOT являются использование большого количества детекторов транспорта, отсутствие скачкообразных изменений параметров регулирования, отсутствие долгосрочного (на цикл и более) прогноза транспортной ситуации.
Техническая реализация SCOOT предусматривает централизованное управление и не предъявляет высоких требований к локальным контроллерам.
Применяемые в настоящее время модификации SCOOT обеспечивают приоритетный пропуск общественного транспорта.
Анализ результатов внедрения ИТС свидетельствует о существенном потенциале повышения эффективности функционирования транспортных систем :
- управление движением на улично-дорожной сети позволяет снизить задержки на 5-40% в зависимости от используемой системы управления и развития информирования пользователей;
- управление движением по автомагистралям позволяет снизить количество аварий на 40%, повысить пропускную способность и снизить общее время поездки на 60%;
- система информационного обеспечения коммерческих перевозок позволяет снизить расходы собственников грузового транспорта на 35%;
- управление движением транспорта общего пользования позволяет уменьшить время поездки в два раза и повысить надежность выполнения расписания на 35% за счет системы пространственного позиционирования и приоритета на регулируемых пересечениях;
- система управления инцидентами позволяет снизить их длительность на 40%.
Наиболее наглядно возможности ИТС представлены в системах PRT (Personal Rapid Transit ), PAT (Personal Automated Transport: - персональный автоматический транспорт). Это системы общественного транспорта, которые обеспечивают безостановочную перевозку пассажиров по их запросу с помощью автоматических транспортных средств без водителя. Система PRT использует собственную транспортную сеть, которая может быть выполнена в виде дорожного полотна с направляющими устройствами, рельсового пути либо монорельса, а также в виде комбинации этих устройств. Пользователь на остановочном пункте выбирает пункт назначения, и система подает свободный вагон или направляет сюда попутный. Вагон с учетом топологии сети самостоятельно выбирает кратчайший путь до пункта назначения. Вся система имеет централизованное компьютерное управление на уровне распределения вагонов и обеспечения безопасности.
Первая система PRT эксплуатируется с 1975 г. в городе Моргантауне в США, где связывает учебные здания местного университета с несколькими комплексами студенческих общежитий. Общая протяженность сети 13,9 км, на которой имеется семь остановочных пунктов. В системе эксплуатируется 73 полностью автоматических вагонов. Вагоны системы вмещают 20 человек и передвигаются по подогреваемому в зимнее время бетонному полотну с направляющими со скоростью до 30 км/ч. Стоимость системы составила более 60 млн долл. США. Система бесплатно обслуживает 20 тыс. студентов, а для жителей города разовая поездка стоит 0,5 долл. Ввиду того что система проектировалась в начале 1970-х гг., она не имеет полного централизованного компьютерного управления, что компенсируется работой трех диспетчеров.
Наиболее современная система PRT в 2009 г. введена в строй в лондонском аэропорту Хитроу, где она связывает пятый, наиболее современный, терминал с удаленными автостоянками. Это первая полностью коммерческая система PRT в мире, и если эксплуатация будет успешной, ее существенно расширят. Система протяженностью 3,9 км имеет три станции и обслуживается 21 вагоном, может развивать скорость до 40 км/ч. Среднее время ожидания вагона после вызова составляет 12 с, а максимальное для 95% пользователей - не более 1 мин.
- Кабашкин И. В. Интеллектуальные транспортные системы: интеграция глобальныхтехнологий будущего // Транспорт Российской Федерации. 2010. № 2 (27). С. 34-38.
- Intelligent Transport Systems in action. Action Plan and Legal Framework for theDeployment of ITS in Europe / Directorate-General for Mobility and Transport ; EuropeanCommission. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2011.
- Benefits of Intelligent Transportation Systems Technologies in Urban Areas: A LiteratureReview. Final Report // Center for Transportation Studies of Portland State University. 2005.April.
Исследования, направленные на создание и внедрение в практику отечественного автотранспортного комплекса высокоэффективных телематических и интеллектуальных транспортных систем, являются одним из важных направлений научной деятельности НИИАТ. Руководство этим направлением возложено на первого заместителя генерального директора НИИАТ по научной работе к. т. н. Комарова В. В.
Некоторые из полученных результатов представлены в монографии В. В. Комарова и С. А. Гарагана «Архитектура и стандартизация телематических и интеллектуальных транспортных систем. Зарубежный опыт и отечественная практика» М.: НТБ «Энергия», 2012, 352 стр. Книгу можно приобрести в разделе «Интернет-магазин».
Ключевой научной проблемой развития указанного класса систем в отечественной практике является разработка методологических основ формирования их рационального облика.
Методологические основы формирования рационального облика телематических
и интеллектуальных транспортных систем
Информатизация производственных, экономических и социальных процессов в последние десятилетия развивается чрезвычайно высокими темпами, позволяющими говорить об информационной революции. Не остался в стороне от нее и автотранспортный комплекс, где одним из основных направлений информатизации стало создание и внедрение телематических и интеллектуальных транспортных систем.
Под телематической транспортной системой (ТТС) будем понимать информационную систему, обеспечивающую автоматизированный сбор, обработку, передачу и представление потребителям данных о местоположении и состоянии транспортных средств, а также информации, получаемой на основе этих данных, в целях эффективного и безопасного использования транспортных средств различного назначения и принадлежности .
Интеллектуальная транспортная система (ИТС) - это телематическая транспортная система, обеспечивающая реализацию функций высокой сложности по обработке информации и выработке оптимальных (рациональных) решений и управляющих воздействий . Применительно к зарубежным системам будем использовать традиционный термин «интеллектуальные транспортные системы», хотя не все они соответствуют вышеприведенному определению.
Как следует из приведенных определений, телематические и интеллектуальные транспортные системы являются информационными системами, следовательно, на них распространяются общие теоретические и прикладные результаты, полученные в ходе широкого круга исследований и разработок по проблемам анализа и синтеза систем в рамках таких междисциплинарных научных направлений, как теория систем (см., напр., ), системный анализ (см., напр., ), системология (см., напр., ) и др. Результаты методологического характера представлены в таких работах, как .
В отмечается, что с истемное проектирование является фундаментом для обеспечения функциональной адекватности требованиям всего жизненного цикла сложных систем. От полноты и тщательности системного проектирования зависят эффективность реализации функций системы и степень удовлетворения ожиданий и требований заказчика и пользователей. В последовательности выработки и подготовки к реализации этих требований выделяются три крупных этапа:
— обследование, системный анализ существующей системы и выявление ее недостатков;
Обобщение результатов системного анализа и создание предварительной концепции новой или модернизированной системы и ее программных средств;
Разработка проекта системы, определяющего и конкретизирующего цель, назначение и методы ее дальнейшего детального проектирования и всего жизненного цикла.
На этих этапах при относительно небольших затратах должна определяться экономическая эффективность и рентабельность всех последующих больших затрат ресурсов в жизненном цикле системы и могут быть предотвращены значительные потери ресурсов вследствие плохого планирования и неопределенностей при реализации проекта. Системное проектирование способно остановить нерентабельное развитие проектов систем и избежать крупных затрат заказчикам и разработчикам. В то же время на базе рекомендуемых при проектировании методов, инструментальных средств и стандартов может и должен быть подготовлен и обеспечен длительный, эффективный жизненный цикл и совершенствование множества версий высококачественных систем и их компонентов при реализации на различных аппаратных и операционных платформах. Конечный результат системного проектирования должен также положительно отражаться на системах обеспечения качества, безопасности и защиты, на рационально организованных коллективах квалифицированных специалистов, способных обеспечить весь жизненный цикл системы .
Рассмотрим первые два из перечисленных этапов, имея в виду, что разработка проекта системы в значительной степени определяется ее обликом, формируемым на этапе создания предварительной концепции.
Основным недостатком существующей системы , т. е. автотранспортного комплекса, является недостаточное соответствие показателей качества (эффективности, безопасности, экологичности, удобства для пользователей) современным требованиям при наличии возможности улучшения этих показателей за счет создания и внедрения телематических и, в частности, интеллектуальных транспортных систем.
Цель создания ТТС (ИТС) состоит в повышении показателей качества автотранспортного комплекса с помощью телематических средств. Рассматривая каждый из показателей отдельно, можно отметить различный характер их влияния на потребности общества и экономики (рис. 1, табл. 1). В таблице жирным шрифтом выделено прямое влияние, обычным – опосредованное.
Таблица 1 – Влияние целей создания ТТС (ИТС) на потребности общества и экономики.
|
Цель |
Социум |
Экономика |
|
Повышение эффективности автотранспортного комплекса |
Рост благосостояния людей за счет повышения эффективности экономики |
Повышение эффективности экономики в целом |
|
Повышение безопасности |
Снижение количества погибших и пострадавших в ДТП, числа правонарушений на автомобильном транспорте, задержек дорожного движения вследствие ДТП |
Затрат на лечение пострадавших и ликвидацию последствий ДТП, потерь от правонарушений, задержек дорожного движения |
|
Повышение экологичности |
Улучшение условий жизни людей, снижение заболеваемости |
Снижение потерь трудовых ресурсов , затрат на лечение заболевших |
|
Повышение удобства использования |
Снижение потерь времени и сил пользователей автомобильного транспорта на поездки и перевозки, повышение удовлетворения транспортными услугами |
Повышение спроса на транспортные средства, поездки и перевозки, сокращение затрат времени на транспортные процессы |
Рисунок 1. – Характер в лияния ТТС (ИТС) на потребности общества и экономики.
В качестве предварительных итогов обследования и обобщения результатов системного анализа можно использовать верхний уровень классификации проблем, решаемых ТТС (ИТС) в трактовках, используемых ИСО, США и Европейским Союзом. Эти проблемы представлены в табл. 2, где показано примерное соответствие между классами, выделенными в различных источниках. Отсутствие прямого соответствия не следует понимать как отказ от включения соответствующих проблем в сферу действия ТТС (ИТС), оно является следствием различных подходов к классификации. На более низких уровнях классификации в подавляющем большинстве случаев такое соответствие наблюдается.
Таблица 2 – Верхний уровень классификации проблем, решаемых ТТС (ИТС).
|
Сервисный домен по ГОСТ Р ИСО 14813-1 - 2011 |
Группа пользовательских сервисов ( User Service Bundle ) Национальной архитектуры ИТС США |
Фрагмент ИТС ( Part of ITS ) в Европейской рамочной архитектуре ИТС |
|
|
Информирование участников движения |
Помощь путешественнику (Traveller Assistance) |
||
|
Управление дорожным движением и действия по отношению к его участникам |
Управление перемещениями и дорожным движением (Travel and Traffic Management ) |
Управление дорожным движением (Traffic Management) |
|
|
Конструкция транспортных средств |
Усовершенствованные системы активной безопасности (Advanced Vehicle Safety Systems ) |
Системы на транспортном средстве (In-Vehicle Systems) |
|
|
Коммерческие перевозки |
Деятельность грузового транспорта (Commercial Vehicle Operations ) |
Управление грузами и грузоперевозками (Freight and Fleet Management) |
|
|
Общественный транспорт |
Управление общественным транспортом (Public Transportation Management ) |
Управление общественным транспортом (Public Transport Management) |
|
|
Чрезвычайные ситуации | |||
|
Электронные платежи на транспорте |
Электронные платежи (Electronic Payment ) |
Сбор электронных платежей (Electronic Fee Collection) |
|
|
Персональная безопасность, связанная с дорожным транс портом | |||
|
Погодные условия и состояние окружающей среды | |||
|
Катастрофы и чрезвычайные ситуации |
Управление в чрезвычайных ситуациях (Emergency Management ) |
Оповещение и реакция на чрезвычайные ситуации (Emergency Notification and Response) |
|
|
Национальная безопасность |
Правоприменение (Law Enforcement) |
||
|
Управление данными ИТС |
Управление информацией (Information Management ) | ||
|
Управление дорожными и строительными работами (Maintenance and Construction Management ) | |||
|
Поддержка кооперативных систем (Support for Cooperative Systems) |
Исходя из представленных в таблице данных, можно выдвинуть гипотезы о том, что рациональными могут быть следующие предварительные концепции системы:
- совокупность автономных систем, каждая из которых предназначена для решения одной или нескольких из вышеуказанных проблем либо их компонентов (проблем более низкого уровня);
- универсальная многофункциональная система, обеспечивающая решение всего круга проблем.
Представляется целесообразным сравнить эти концепции с точки зрения их эффективности и затрат, потребных для их создания и эксплуатации.
Для этого рассмотрим общую функциональную структуру информационной системы (рис. 2). Под функциональной структурой понимают совокупность функций (задач) системы и информационных связей между ними.
Рисунок 2. – О бщая функциональная структура информационной системы.
В общем случае информационная система предназначена для получения определенной информации о некоторой предметной области, обработки этой информации по заданным законам и представления результатов обработки в необходимом виде потребителям. Соответственно ее функциональная структура должна включать процессы получения необходимой информации о предметной области, передачи полученной информации на объект (объекты), где осуществляется обработка, собственно обработки информации, передачи полученных результатов на объект (объекты), где находятся потребители информации, и представления полученной информации потребителям.
Частным случаем информационной системы является автоматизированная система управления (рис. 3). При этом роль предметной области, о которой система получает информацию, играет управляемый объект. Полученная информация передается для обработки, которая в общем случае включает решение двух крупных задач: оценки состояния управляемого объекта, возможно, с учетом поступающих извне данных о его требуемом состоянии, и выработки управляющих воздействий, которая также может осуществляться с использованием внешних данных. Параметры выработанных управляющих воздействий передаются на исполнительные органы, которые непосредственно формируют воздействия на управляемый объект.
Рисунок 3. – О бщая функциональная структура автоматизированной системы управления.
Анализ проблем, представленных в таблице 2, и их дальнейшей детализации в и других материалах показывает, что предметные области практически всех проблем включают движение всех транспортных средств (ТС) либо отдельных их категорий на всей территории, обслуживаемой системой. В состав информации, получаемой системой, должны входить местоположение и скорость движения транспортных средств (ТС) и/или параметры транспортных потоков на улично-дорожной сети (УДС), находящейся на этой территории. Отсюда следует, что о бщую функциональную структуру ТТС, предназначенной для решения большинства вышеприведенных проблем, можно представить в виде, показанном на рис. 4.
Она может включать следующие процессы:
- получения информации о местоположении, движении и состоянии отдельных ТС;
- получения информации о транспортных потоках, которая может поступать от датчиков транспорта, средств видеонаблюдения и т. п.;
- получения информации о метеоусловиях на дорогах;
- передачи полученной информации для дальнейшей обработки;
- обработки информации;
- передачи результатов обработки информации на бортовые, индивидуальные (например, персональные компьютеры и переносные коммуникационные устройства) и групповые (например, светофоры, изменяемые дорожные знаки и информационные табло) средства представления информации;
- представления информации бортовыми средствами, размещенными на ТС;
- представления информации групповыми средствами для участников дорожного движения и пользователей ТС;
- представления информации иным пользователям, в том числе на средства отображения индивидуального пользования, включая переносные устройства.
Минимальная функциональная структура должна включать хотя бы один из процессов получения информации, соответствующий процесс передачи полученной информации для обработки и собственно процесс обработки информации.
Рисунок 4. – О бщая функциональная структура
Вышеописанной функциональной структуре ТТС соответствует физическая структура системы, представленная на рис. 5. Физическая структура отражает состав физических компонентов системы и связи между ними. Применительно к ТТС она включает следующие элементы:
- подсистему сбора информации, в которую могут входить бортовые автомобильные навигационно-информационные комплексы (БАНИК), внебортовые средства сбора информации (датчики транспорта, системы фотовидеофиксации, видеонаблюдения, видеоаналитики), средства сбора данных о метеоусловиях;
- комплекс средств управления дорожным движением и информирования пользователей ТС;
- подсистему обмена информацией с БАНИК;
- подсистему передачи данных с внебортовых средств сбора информации о транспортных потоках;
- подсистему передачи данных о метеоусловиях;
- подсистему передачи данных на средства управления дорожным движением и информирования пользователей ТС;
- подсистему обработки информации;
- средства представления информации пользователям ТТС и получения данных для выработки управляющих воздействий.
Рисунок 5. – О бщая физическая структура телематической транспортной системы.
Бортовой автомобильный навигационно-информационный комплекс включает (рис. 6) бортовой навигационно-информационный терминал, в состав которого входят приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, вычислительное устройство, устройство связи с внешними абонентами, пользовательский интерфейс и, кроме того, может содержать следующие элементы:
- датчиковый комплекс, в состав которого могут входить датчики состояния ТС, груза, пассажиропотока, оборудования, смонтированного на ТС, идентификации водителя, система автоматического определения факта аварии и др.;
- комплекс исполнительных элементов, которые могут обеспечивать по команде от оператора системы, например, такие функции, как блокировка возможности движения ТС (например, в случаях отклонения от маршрута ТС, перевозящего опасные грузы, нарушения режима работы и отдыха водителей либо угона ТС), включение аварийной сигнализации (при получении от ТС сигнала аварии и невозможности установления связи с водителем), разблокировка либо открытие дверей при получении сигнала аварии и т. д.
Рисунок 6. – Общая структура бортового автомобильного навигационно-информационного комплекса (БАНИК).
Возвращаясь к рассмотрению гипотез о рациональных предварительных концепциях (обликах) системы, можно отметить, что создание автономных систем узкого функционального назначения предлагается в ряде российских национальных стандартов и проектов таких стандартов . Пример одной из таких систем – системы диспетчерского управления транспортом по вывозу твердых бытовых отходов – показан на рис. 7.
При этом, например, в США с 1991 г. ведется разработка и поддержание в актуальном состоянии Национальной архитектуры ИТС США, которая представляет собой комплекс документов, включающий 21 книгу общим объемом около 4800 страниц. Текущая версия 7.0 выпущена 29.01.2012 г. Общее описание архитектуры приведено в документе . Упрощенная логическая архитектура верхнего уровня ИТС США показана на рис. 8.
В Европейском Союзе разработана Европейская рамочная архитектура ИТС, описание версии 4.1 которой состоит из 21 книги общим объемом более 1800 страниц (см. ) .
Указанные примеры зарубежных архитектур ИТС охватывают все проблемы, приведенные в соответствующих столбцах табл. 2, т. е. соответствуют гипотезе рациональности облика ТТС как универсальной многофункциональной системы, обеспечивающей решение всего круга проблем.
Рисунок 7. - Иерархическая архитектура системы диспетчерского управления транспортом по вывозу твердых бытовых отходов (ГОСТ Р 54029-2010).
Рисунок 8. - Упрощенная логическая архитектура верхнего уровня ИТС США.
Проведем сравнительную оценку описанных концепций создания ТТС.
В результате реализации концепции создания изолированных узкофункциональных систем возникает ситуация, которая в информатике именуется лоскутной автоматизацией , "лоскутной" стратегией , а ее результат - «зоопарком» программ .
На рис. 9 показан возможный результат ее применения к тяжелым грузовым ТС, для которых установлен или ожидается к установлению нормативными актами ряд требований по оснащению телематическими средствами.
Рисунок 9. - Возможная конфигурация разрабатываемых телематических систем.
Как видно из рисунка, в случае применения изолированных узкофункциональных систем возникает необходимость оснащения каждого ТС бортовыми навигационно-информационными комплексами в к количестве, равном числу систем, обслуживающих данное ТС. Если стоимость одного комплекса составляет 15-30 тыс. руб., то затраты на оснащение 100 тысяч ТС одним комплексом достигают 1,5 – 3 млрд. руб., а пятью комплексами - 7,5 – 15 млрд. руб. Оценивая общий российский парк грузовых автомобилей, автобусов и легковых автомобилей, не находящихся в пользовании граждан, в 8 млн. единиц, легко видеть, что оснащение каждого из этих ТС одним бортовым комплексом потребует суммарных затрат в 120 – 240 млрд. руб. Кроме того, каждый из бортовых комплексов генерирует трафик обмена данными, который также должен оплачиваться.
Каждая из изолированных систем включает подсистемы обмена (передачи) данными и их обработки. Затраты на их создание и эксплуатацию увеличиваются пропорционально количеству таких систем. Необходимо также иметь в виду возможную перспективу расширения круга задач, решаемых ТТС. В рамках рассматриваемой концепции это потребует создания новых узкофункциональных систем и дополнительных крупных затрат.
В случае реализации концепции универсальной многофункциональной системы, обеспечивающей решение всего круга проблем (рис. 10), достаточно оснастить каждое ТС единственным бортовым навигационно-информационным комплексом, создать на каждой территории обслуживания единственную систему обмена данными, единственный центр обработки сообщений ТС и единственный многофункциональный центр контроля и управления. Расширение круга задач, решаемых системой, обеспечивается возможностями ее масштабирования, т. е. придания новых функций БАНИК и центрам обработки сообщений и контроля и управления.
Рисунок 10. - Возможная конфигурация универсальной многофункциональной телематической транспортной системы.
Кроме того, важнейшим преимуществом универсальной системы перед «зоопарком» узкофункциональных является то, что универсальная система позволяет интегрировать данные о движении всех ТС в информацию о реальных транспортных потоках, на основе которой возможно эффективное управление дорожным движением, обеспечивающее достижение целей создания ТТС.
Еще одним направлением сокращения затрат на создание телематических транспортных систем является разработка общей архитектуры, на базе которой возможно формирование облика конкретных реализаций системы и последовательное наращивание их функциональных возможностей при рациональном использовании имеющихся ресурсов. По оценкам европейских специалистов, использование общей архитектуры обеспечивает почти 80 % объема работ по созданию архитектуры конкретной системы .
Таким образом, концепция универсальной многофункциональной ТТС характеризуется во много раз более низкими затратами, чем альтернативная. Тем самым подтверждается рациональность подходов к построению ТТС, используемых за рубежом, в частности, в США и ЕС.
Для создания универсальной многофункциональной ТТС необходимо разработать универсальную структуру сообщения БАНИК о местоположении, движении и состоянии ТС, которое обеспечивает решение всех задач ТТС, кроме экстренного реагирования на аварии, для которой используется специальный состав и формат сообщения. В табл. 3 приведен возможный состав такого сообщения.
Таблица 3 – Возможный состав унифицированного сообщения о местоположении, движении и состоянии ТС
|
Группа данных |
Изменчивость | ||
|
Идентификационные данные ТС |
Постоянные/постоянные для сеанса взаимодействия с ТТС | ||
|
Идентификационные данные водителя |
Постоянные для водителя | ||
|
Идентификационные данные груза |
ТС, предназначенные для перевозки грузов, которые могут иметь носители идентификационных данных |
||
|
Классификационные признаки ТС |
Постоянные, постоянные для рейса | ||
|
Классификационные признаки груза |
Постоянные для каждого места груза |
Грузовые ТС |
|
|
Данные о местоположении и скорости ТС |
Переменные | ||
|
Данные о состоянии ТС |
Переменные |
ТС, для которых нормативными документами либо решением владельца установлена необходимость контроля состояния |
|
|
Данные о состоянии водителя |
Переменные |
ТС, для которых предусмотрен контроль режима движения, труда, отдыха и состояния водителей |
|
|
Данные о состоянии груза |
Переменные |
ТС, предназначенные для перевозки грузов, которые подлежат контролю их состояния |
|
|
Данные о количестве пассажиров |
Переменные |
Средства общественного транспорта |
|
|
Данные о состоянии оборудования, смонтированного на ТС |
Переменные |
ТС, на которых смонтировано оборудование, которое подлежит контролю его состояния |
Дадим краткую характеристику групп данных, представленных в таблице.
Идентификационные данные (ИД) ТС определяют конкретное транспортное средство. Они могут задаваться различными способами. Для ТС, применительно к которым установлены нормативные требования об их телематическом контроле (средства общественного транспорта, ТС, перевозящие опасные грузы, тяжеловесные ТС и т. д.) целесообразно устанавливать постоянные ИД. Такие идентификационные данные могут устанавливаться и для иных ТС по желанию их владельцев. Это позволяет накапливать и анализировать статистику о движении и изменениях состояния ТС, которая может быть полезной для владельцев как коммерческих, так и личных транспортных средств.
Если же владелец транспортного средства не желает, чтобы в системе накапливались данные об его ТС, таким ТС может быть предоставлена возможность присвоения новых ИД при каждом входе в связь с системой. Тем самым может быть ослаблено негативное отношение некоторых лиц к ТТС, которые рассматриваются этими лицами как средство «тотальной слежки» за их передвижениями.
В целях предотвращения противоправного использования информации, циркулирующей в ТТС, целесообразно принять меры по строгому ограничению доступа к ИД в форме, используемой при радиообмене ТС с элементами ТТС. Идентификационные данные не должны сообщаться владельцу ТС, а также оперативному персоналу ТТС.
В состав этой группы данных могут также входить ИД прицепов/полуприцепов.
Идентификационные данные водителя предназначены для решения задачи контроля режима движения, труда, отдыха и состояния водителей. Технология такого контроля достаточно детально разработана применительно к тахографам и может быть принята за основу при решении указанной задачи телематическими средствами. В перспективе эта технология может быть усовершенствована, например, путем идентификации водителей по автоматически формируемому портрету, а также внедрения технических средств контроля физического состояния водителя.
Идентификационные данные груза используются при организации и управлении перевозками грузов, оснащенных носителями идентификационных данных, либо перевозимых в таре, имеющей такое оснащение.
Классификационные признаки ТС включают признаки, позволяющие установить класс габаритов и иных технических характеристик ТС, а также сведения о принадлежности ТС к классификационным группам, для которых установлены специальные требования к телематическому контролю. Часть этих признаков может устанавливаться для каждого рейса (например, в зависимости от характера перевозимого груза, наличия пассажиров либо выполнения рейса порожняком).
Классификационные признаки груза могут использоваться для грузов, для которых установлены специальные требования к их перевозке (например, опасные либо скоропортящиеся).
Данные о местоположении и скорости ТС включают его координаты, модуль и направление вектора скорости движения, а также момент времени, в который были определены эти параметры. Они необходимы для решения задач управления дорожным движением, контроля за маршрутами движения ТС, для которых установлены специальные требования, и многих других задач.
Данные о состоянии ТС могут включать широкий круг параметров, зависящих от категории ТС. Например, сведения о давлении в шинах могут использоваться для контроля безопасности движения, данные об уровне топлива в баке – для предотвращения хищений и контроля заправляемых объемов топлива, данные о режиме функционирования стеклоочистителей – для оценки метеоусловий на дороге и т. д.
Данные о состоянии груза могут использоваться для отслеживания состояния грузов, требующих специальных условий перевозки (опасных, скоропортящихся и др.).
Данные о количестве пассажиров , перевозимых средствами общественного транспорта, целесообразно использовать в процессе диспетчерского управления, например, для направления на маршруты дополнительных ТС либо снятия их с маршрутов.
Данные о состоянии оборудования, смонтированного на ТС , необходимы для контроля и учета объемов работ, выполняемых с помощью этого оборудования (например, дорожных, строительных, сельскохозяйственных и т. д.).
Представленный состав унифицированного сообщения, по мнению авторов, охватывает все группы данных, которые могут передаваться с борта ТС для использования в универсальной многофункциональной ТТС. Для представления сообщения целесообразно использовать язык XML , широко применяемый в современных информационных системах. Его использование в ИТС регламентировано стандартом ISO 24531:2007 .
Использование описанного состава унифицированного сообщения обеспечивает унификацию компонентов ТТС и ИТС (БАНИК, подсистем обмена и обработки информации), алгоритмов обработки данных, географическую непрерывность телематического обслуживания ТС и позволяет сократить затраты на создание и эксплуатацию систем.
Таким образом, в настоящей статье описаны методологические основы формирования рационального облика телематических и интеллектуальных транспортных систем как одного их классов информационно-управляющих систем, описана их рациональная структура, подобная используемым в США и ЕС, показаны преимущества такой структуры и предложен состав унифицированного сообщения о местоположении, движении и состоянии ТС, обеспечивающий эффективную разработку и функционирование ТТС и ИТС.
1. В. В. Комаров, С. А. Гараган. Архитектура и стандартизация телематических и интеллектуальных транспортных систем. Зарубежный опыт и отечественная практика. М.: НТБ «Энергия», 2012.
2. Теория систем: Учеб. пособие/В.Н. Волкова, А.А. Денисов. - М.: Высш. шк., 2006.
3. Системный анализ. Учеб. для вузов/А.В. Антонов. - М.: Высш. шк., 2004.
4. Проблемы системологии (проблемы теории сложных систем). М., «Сов. радио», 1976.
5. Могилевский В. Д. Методология систем: вербальный подход/Отд-ние экон. РАН; науч.-ред. совет изд-ва "Экономика". - М.: ОАО "Издательство "Экономика", 1999.
6. Новиков А.М., Новиков Д.А. Методология.– М.: СИНТЕГ, 2007.
7. Липаев, В.В. Программная инженерия. Методологические основы. М.: ТЕИС, 2006.
8. ГОСТ Р ИСО 14813-1 - 2011 «Интеллектуальные транспортные системы. Схема построения архитектуры интеллектуальных транспортных систем. Часть 1. Сервисные домены в области интеллектуальных транспортных систем, сервисные группы и сервисы».
9. National Intelligent Transportation System (ITS) Architecture. Executive Summary. Research and Innovation Technology Administration (RITA). US Department of Transportation. Washington D.C. , May 2007.
10. E-FRAME. Extend FRAMEwork architecture for cooperative systems. D15 – FRAME Architecture – Part 1, version V1.0.
11. ГОСТ Р 52456-2005 Глобальная навигационная спутниковая система и глобальная система позиционирования. Приемник индивидуальный для автомобильного транспорта. Технические требования.
12. ГОСТ Р 53703-2009 Системы мониторинга и охраны автотранспортных средств. Общие технические требования и методы испытаний.
13. ГОСТ Р 53860-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления городским пассажирским транспортом. Требования к архитектуре и функциям.
14. ГОСТ Р 54023-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Система навигационного диспетчерского контроля выполнения государственного заказа на содержание федеральных автомобильных дорог. Назначение, состав и характеристики подсистемы картографического обеспечения.
15. ГОСТ Р 54026-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления городским наземным пассажирским транспортом. Назначение, состав и характеристики решаемых задач подсистемы информирования пассажиров.
16. ГОСТ Р 54027-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления грузовым автомобильным транспортом. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам системы диспетчерского управления перевозками строительных грузов по часовым графикам.
17. ГОСТ Р 54028-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления междугородними пассажирскими перевозками. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам.
18. ГОСТ Р 54029-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления специальным автомобильным транспортом муниципальных служб. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам системы диспетчерского управления транспортом по вывозу твердых бытовых отходов.
19. ГОСТ Р 54030-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы информационного сопровождения и мониторинга городских и пригородных автомобильных перевозок опасных грузов. Требования в архитектуре, функциям и решаемым задачам.
20. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления автомобильным и городским электрическим транспортом. Системы диспетчерского управления междугородними контейнерными грузовыми автомобильными перевозками. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам. Проект национального стандарта.
21. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления автомобильным и городским электрическим транспортом. Системы диспетчерского управления грузовым автомобильным транспортом. Назначение, состав и характеристики бортового навигационно-связного оборудования. Проект национального стандарта.
22. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления автомобильным и городским электрическим транспортом. Системы диспетчерского управления специальным автомобильным транспортом муниципальных служб. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам системы диспетчерского управления транспортом по уборке улиц. Проект национального стандарта.
23. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления автомобильным и городским электрическим транспортом. Системы информационного сопровождения и мониторинга региональных автомобильных перевозок опасных грузов. Требования к архитектуре, функциям и решаемым задачам. Проект национального стандарта.
24. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления автомобильным и городским электрическим транспортом. Системы диспетчерского управления городским пассажирским транспортом. Назначение, состав и характеристики решаемых задач подсистемы анализа пассажиропотоков. Проект национального стандарта.
25. Глобальная навигационная спутниковая система. Система экстренного реагирования при авариях. Услуга базовая. Проект национального стандарта.
26. Глобальная навигационная спутниковая система. Автомобильная система вызова экстренных оперативных служб. Общие технические требования. Проект национального стандарта.
27. Глобальная навигационная спутниковая система. Система экстренного реагирования при авариях. Протоколы обмена данными автомобильной системы вызова экстренных оперативных служб с инфраструктурой системы экстренного реагирования при авариях. Проект национального стандарта.
28. Глобальная навигационная спутниковая система. Система экстренного реагирования при авариях. Программа и методики испытаний на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости, стойкости к климатическим и механическим воздействиям. Проект национального стандарта.
29. Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2005.
30. Н. Лисин. Лоскутная автоматизация, или как управлять «зоопарком» программ. 19.06.2009. http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=14862
31. Ксавьер Гилберт. Мастерство: Менеджмент / Пер. с англ.-М.: (Серия «Мастерство»), 1999.
32. The FRAME Architecture And The ITS Action Plan. Booklet of the E-FRAME Project, June 2011.
33. ISO 24531:2007 Intelligent transport systems -- System architecture, taxonomy and terminology -- Using XML in ITS standards, data registries and data dictionaries.
Понятие интеллектуальной транспортной системы по определению включает в себя:
- моделирование транспортных систем;
- регулирование транспортных потоков.
- информативность и безопасность;
- переход на качественно новый уровень информационного взаимодействия всех людей, участвующих в дорожном движении.
Что должна делать ИТС
Как и любая автоматизированная система управления, ИТС должна:- собирать информацию об управляемом объекте, то есть о транспортных потоках;
- анализировать полученную информацию;
- оказывать на управляемый объект воздействие прямым или косвенным путем.
Моделирование транспорта
Модель в системе транспорта может быть математической, учитывающей законы движения транспорта в виде уравнений и формул, или имитационной, имитирующей поведение водителей, движение транспортных средств, работу светофоров. Практически оба вида моделей используются в виде какой-то смеси.Математику моделирования используют в основном макро-модели, работающие на уровне страны, региона, города и оценивающие пропускную способность улиц, использование автомобилей населением и другие глобальные параметры. Такие модели просчитывают реакцию на перекрытие улиц, достаточность пропускной способности магистралей.
Микро-модель, рассматривающая отдельный перекресток или транспортную развязку, учитывает количество полос движения, наличие спусков и подъемов, мощность двигателей, правила движения. Если на вход такой модели подать данные из макро-модели о количестве проходящих в данный момент автомобилей, трамваев и т.д., о соблюдении водителями правил движения и парковки, микроуровень достаточно точно будет имитировать реальный транспортный поток.
Создав транспортную модель, можно проводить эксперименты, проверяя, как повлияет на движение машин установка или перестройка светофора, организация одностороннего движения, запрет поворотов. Можно оценить изменения при проведении спортивных соревнований, при строительстве торгового центра или жилого микрорайона. Поддерживать такую модель в рабочем состоянии непросто – в нее надо вводить все изменения дорожной обстановки. Зато выгода ее для транспортного хозяйства города несомненна.
Когда необходима ИТС
Большинство проблем движения транспорта по улицам города удается решить обычными средствами организации движения. А вот если их недостаточно, ИТС становиться необходимой.Наиболее часто ИТС представлена «умными светофорами» с координированным управлением и информационными цифровыми табло перед развилками. К информационным средствам относятся и Интернет-сервисы вроде Яндекс-пробок, навигационные сервисы для водителей. По сути они тоже являются частью ИТС.
Но в полной мере ИТС начинает действовать, когда объединенные в общую сеть управления светофоры не просто управляются из центрального офиса, а подчиняются компьютеру, в который заложен специальный алгоритм. Транспортная модель позволяет определить параметры, которые необходимо ввести в работу светофоров для того, чтобы движению по улицам создавалось как можно меньше помех.
Модель должна включать в себя все установленные на улицах элементы ИТС, а ее алгоритм должен учитывать реакцию водителей на подаваемые им сигналы. Так, если на табло высвечена рекомендация об изменении маршрута, то 20% водителей ее проигнорируют и поедут прежним путем, что повлияет на транспортные потоки.
Модели могут рассматривать сложные управляющие сценарии, быстро реагировать на реальное изменение дорожной обстановки, разрабатывать автоматически новые сценарии, лучше прежних приводящие к конечной цели. А цель эта – отсутствие пробок на улицах и свободное движение всех видов транспорта.
Так что понятие ИТС не ограничивается следящим оборудованием на столбах и управляемыми с общего пульта светофорами. Подлинный интеллект системы – это управляющие алгоритмы, моделирующие транспортные ситуации, а также процесс их разработки, отладки и внедрения.
Интеллектуальные транспортные системы являются местом соприкосновения автотранспортной индустрии и индустрии информационных технологий и базируются на двух «китах» – моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков .
Определение ИТС дает нам представление о главных целях:
- Информативность и безопасность;
- Качественно новый уровень информационного взаимодействия участников дорожного движения
Западный инженер мыслит функциями, он в первую очередь сосредоточен на том, что должна делать система. В нашем же мышлении «зашито» объектное представление о мире, нам важны реальные объекты, то есть, мы думаем прежде всего о том, как будет работать система. Это различие не столь неуловимо, как может показаться с первого взгляда.
Приведу пример. Слово «сервер» для западного инженера обозначает нечто, предоставляющее услуги, сервис. То есть, функцию. Для нашего инженера «сервер» в первую очередь это железный ящик с лампочками, то есть, объект. Для придания смысла нам приходится использовать разнообразные костыли: «серверное приложение», «почтовый сервер», «сервер очередей» и т.п. И все равно, даже с костылями нам приходится нелегко – при словах «почтовый сервер» нам все равно представляется ящик с лампочками, который отправляет почту.
Все это совсем не шутки. Мыслить объектами реального мира, конечно, можно. Но это привилегия высочайших профессионалов , которые столь виртуозно владеют функциональной декомпозицией, что стороннему наблюдателю это становится незаметно. Глядя на жонглеров в цирке тоже может показаться, что подбрасывать и ловить предметы легко и просто. Но только полные идиоты могут искренне считать, что они могут повторить трюки жонглера без обучения и тренировки. К сожалению, то, что всем очевидно в цирке, далеко не всем очевидно в технологиях.
Здесь ИТС бессильны (фото из личной мобилки)
Одной из самых болезненных проблем в проектировании информационных систем у нас является доминирование объектов и инструментов над функциональностью. Многие заказчики искренне считают, что информационные системы решают проблемы. Тогда как на самом деле информационные системы позволяют решать проблемы. Мы говорим «электродрель сверлит дыру». А на самом деле «электродрель позволяет просверлить дыру». Попадая в смысловую ловушку, мы подсознательно уверены, что покупка электродрели равна дыре в стене. А потом выясняется, что нужно уметь пользоваться дрелью, что для дрели нужно электричество, что нужно закаленное сверло определенного диаметра, что будет шум и пыль и т.д. И если в примере с дрелью мы примерно представляем себе процесс работы и можем догадаться о том, что необходимо еще кроме покупки инструмента, то в случае более сложных систем мы можем пребывать в сладкой иллюзии до самого конца проекта.
Вернемся теперь к определению ИТС и рассмотрим его в новом свете. ИТС, повторюсь, базируется на моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков. «Наш человек», прочитав определение, тут же делает вывод о том, что ему нужны:
- Система для транспортного моделирования;
- Средства регулирования транспортных потоков.
Есть теперь у нас ИТС? Наш человек однозначно ответит «да». Западный человек однозначно ответит «нет». Потому что наш человек оценивает наличие оборудования, а западный человек оценивает выполнение соответствующих функций.
Спросите нашего человека, каким именно образом закупленное им оборудование будет способствовать достижению целей (см. определение ИТС): повышать информативность, безопасность и улучшать информационное взаимодействие? Скорее всего, ответа не будет. Потому что ответ лежит в области функциональной декомпозиции, позволяющей перейти от поставленных целей к функциям будущих систем, попутно цепляя все необходимое из смежных областей.
Вопрос о применении тех или иных элементов ИТС в городе тесно связан с пониманием того, как именно мы планируем достичь целей. И переходить к техническим характеристикам оборудования нужно только после того, как мы определим основные пути решения задач.
ТРАНСПОРТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Снова возвращаясь к определению ИТС, читаем, что ИТС "это интеллектуальная система, использующая инновационные разработки в моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков ".Под словами «инновационные разработки в моделировании транспортных систем» может скрываться все что угодно, но если опираться на логику и технические знания, можно предположить, о чем идет речь.
Любая автоматизированная система управления, к которой в полной мере относится ИТС, делает одну простую вещь: она собирает информацию об объекте управления, анализирует ее и оказывает на этот объект прямое или косвенное управляющее воздействие.
Объектом управления для ИТС являются транспортные потоки. Источником информации об объекте управления являются датчики и детекторы на дороге, смежные информационные системы и ввод данных оператором.
А вот для анализа информации об объекте управления необходимо заложить в систему некое представление об этом объекте, которое и называется моделью . Детальность и точность модели определяется исключительно задачами, стоящими перед ИТС.
Транспортные модели делятся на математические и имитационные . Первые оперируют известными законами движения транспорта, представленными в виде формул, систем уравнений и т.п. Вторые имитируют движение отдельных транспортных средств, поведение водителей, работу светофоров и т.п. На практике же чаще применяется некая смесь математических и имитационных моделей.
Например, системы транспортного моделирования на макро уровне (страна, город, микрорайон) оперируют демографическими данными, понятиями «граф дорог», «зона притяжения», «транспортный спрос и предложение». В них заложены данные о проценте использования автомобилей населением, о пропускной способности улиц, о количестве парковочных мест у торговых центров. Макро-модель использует в основном математические методы моделирования и пытается ответить на вопросы: «а зачем и куда все едут?», «а хватит ли пропускной способности улиц, чтобы всех обслужить?», «а что будет, если эту улицу перекрыть?» и т.п.
Пример интерфейса программного пакета для макро-моделирования PTV Visum ()
Микро-модели оперируют конкретными объектами из «реального мира» – регулируемый перекресток, транспортная развязка, сеть улиц, автомобиль. При этом микро-модель «знает» о количестве полос движения, о наличии подъемов/спусков, о характеристиках двигателей автомобилей (как быстро они могут тронуться), о правилах движения и остановки. Чтобы микро-модель заработала на полную мощность, ей на вход необходимо подать информацию из макро-модели: количество и состав транспортных средств в определенные моменты времени (сколько легковых и сколько грузовых машин, сколько автобусов, трамваев и т.п.), особенности поведения водителей (часто ли перестраиваются, как часто следуют указаниям знаков и табло, соблюдают ли правила парковки). Если данные макро-уровня верны, микро-уровень позволяет с высокой точностью имитировать реальный транспортный поток.
Пример интерфейса программного пакета для микро-моделирования Aimsun ()
Основным назначением транспортных моделей является проведение экспериментов . Мы можем проверить, как те или иные изменения в организации движения отразятся на трафике. Мы можем настроить светофоры, принять решения о расширении улицы, о запрете или разрешении поворотов, об организации одностороннего движения. Модель поможет разработать временные планы организации движения на период проведения крупных мероприятий – соревнований, уличных парадов и т.п. На уровне города транспортное моделирование позволит принять решение о последствиях для транспортной обстановки строительства очередного торгового центра или нового микрорайона. Другими словами, транспортная модель – незаменимое средство по благоустройству города без тяжких последствий.
Чем точнее модель, тем больше разнообразной информации она хранит. Поддерживать модель в актуальном состоянии означает отражать в ней все изменения реального мира – перекрытия движения, ремонты дорог, появление новых дорог, светофоров, полос движения, жилых районов, школ, офисов и торговых площадей. Поддержание модели в актуальном состоянии – это трудоемкий и ответственный процесс, предъявляющий высокие требования к квалификации персонала, к организации внутренних процессов, к качеству и стабильности информационных каналов.
Согласитесь, мало кто у нас изначально задумывается над тем, что же действительно стоит за словами инновационные разработки в моделировании транспортных систем . Ведь организовать подобного уровня процесс, обучить людей, оплачивать их труд, договориться о предоставлении качественных исходных данных с разными ведомствами равносильно гражданскому подвигу в нашей стране! И это уж точно не то же самое, что покупка и инсталляция на компьютер системы моделирования.
ФУНКЦИИ ИТС
Когда мы разобрались с моделированием и моделями, можно переходить к функциям ИТС.Вообще говоря, необходимость в ИТС при подобной постановке вопроса совсем не очевидна. Вполне вероятно, что большинство проблем удастся решить грамотным использованием имеющихся технических средств организации движения. Но когда имеющихся технических средств недостаточно, встает вопрос об использовании ИТС.
Не будем отходить от определения ИТС, и вспомним, что ИТС это не только "инновационные средства регулирования ", но еще и система, "предоставляющая конечным потребителям большую информативность и безопасность ".
Под «инновационными средствами регулирования» в условиях города понимают чаще всего сетевое координированное управление светофорами (так называемые «умные светофоры») и размещение цифровых информационных табло на развилках.
Также к средствам информирования относятся интернет-сайты для планирования поездок (наподобие известного сервиса Яндекс-пробки) и сервисы информационной поддержки водителей во время путешествия (разнообразные навигационные сервисы). Все это на самом деле тоже подсистемы ИТС, и в западных странах они являются частью единого информационного пространства.
Об «умных светофорах» я уже как-то писал на Хабре (ссылка), здесь же ограничимся быстрым пунктиром. Объединение светофоров в сеть само по себе очевидно и полезно, учитывая дешевизну электроники в наше время. При наличии системы уличного видеонаблюдения это позволит как минимум регулировать светофоры вручную, сидя в теплом офисе, а не стоя на грязной обочине с пультом.
Светофоры «умнеют» если перекресток снабжают системой детекторов транспорта, а в центре начинает работать специальный алгоритм. Необходимость в «умном» светофоре, а также настройки алгоритма управления определяют при помощи транспортной модели и специального «светофорного» модуля, позволяющего рассчитать начальные параметры цикла регулирования и определить границы автоматического управления.
Пример интерфейса программного пакета для конфигурирования «умных» светофоров TRANSYT (источник - «TRANSYT 14 User Guide»)
Точно так же определяется место установки цифровых табло и информация, которая на них будет выводиться в том или ином случае.
Очевидно, что элементы ИТС, устанавливаемые на городских улицах, должны заноситься в модель, и модель должна «знать» об алгоритмах работы адаптивных светофоров, табло и т.п. Например, для табло, рекомендующего выбирать для движения улицу А, а не улицу Б, в модели действует правило, что 80% автомобилистов последуют совету, а 20% традиционно проигнорируют, что тут же отразится на транспортных потоках. Современные системы моделирования умеют имитировать показания детекторов, размещаемых на виртуальных улицах, воздействие электронных табло и переменных знаков скоростных ограничений на транспортные потоки, позволяют создавать сложные управляющие сценарии в виде, пригодном для использования в ИТС. Пример сценария реагирования для ИТС: «Если детектор Х зафиксирует плотность потока 70%, то вывести на табло Y надпись M включить на светофоре Z режим N».
Управляющих сценариев может быть несколько сотен, при этом система транспортного моделирования может позволять автоматизировать процесс их генерации.
То есть, ИТС это не только оборудование на столбах и центр управления с громадным экраном. ИТС это в первую очередь интеллект – управляющие алгоритмы на основе моделирования реальных транспортных ситуации, а также процессы их составления, тестирования и внедрения.
В настоящее время одной из важных проблем современных городов является сокращение времени и своевременность доставки пассажиров городским пассажирским транспортом. Из-за низкого уровня управления транспортными потоками и недостаточно развитой инфраструктуры транспортной сети это становится все более затруднительно. А также обостряются такие проблемы, как аварийность, рост потребления невосполнимых источников энергии, негативное влияние на окружающую среду, постоянные задержки при перевозке грузов и пассажиров всеми видами транспорта.
Развивая исключительно транспортную сеть, данную проблему решить невозможно, поскольку рост автомобилизации и рост использования автомобильного транспорта всегда превышают возможности по модернизации транспортной инфраструктуры.
Мировым транспортным сообществом решение было найдено в создании систем не управления транспортом, а транспортных систем, в которых средства связи, управления и контроля изначально встроены в транспортные средства и объекты транспортной инфраструктуры, а возможность принятия управленческого решения на основе получаемой в режиме реального времени информации доступна не только транспортным операторам, но и всем пользователям транспорта.
Данная задача решается путем построения интегрированной системы: люди, транспортная инфраструктура, транспортные средства; максимальным использованием новейших информационных управляющих технологий. Такие современные системы стали называть интеллектуальными. В последнее десятилетие словосочетание «интеллектуальная транспортная система» и аббревиатура ITS (ИТС) стали обычными в стратегических, политических и программных документах развитых стран.
Интеллектуальная транспортная система – это системная интеграция современных информационных и коммуникационных технологий, средств автоматизации с транспортной инфраструктурой, транспортными средствами и пользователями, ориентированная на повышение безопасности, эффективности транспортного процесса, комфортности для водителя и пользователей транспорта.
В основе системы ИТС – оптические датчики, следящие за дорогой. На перекрестках они передают сигналы на специальный модуль в автомобиле, те синхронизируют получаемые данные с информацией, поступающей от навигационных систем, и предупреждают водителя о сложившейся ситуации (чем это может грозить).
Российская ИТС позволяет обеспечить:
1. Информирование водителей о нарушении ими правил дорожного движения и эксплуатации автомобиля, а также о долгосрочном и краткосрочном прогнозе о состоянии условий дорожного движения;
2. Автоматическую фиксацию случаев нарушения правил дорожного движения для выявления и наказания виновных;
3. Повышение внимания водителей при управлении в различных напряженных условиях движения;
4. Сокращение времени поездок пассажиров всеми наземными видами городского транспорта, что в настоящее время весьма актуально;
5. Увеличение пропускной способности улиц и дорог города за счет регулирования транспортных потоков и формирования предупредительной информации об условиях дорожного движения;
6. Обеспечение возможности выбора пассажиром оптимального маршрута движения общественным транспортом от начальной и до конечной точки с учетом маршрутов, расписаний движения маршрутов общественного транспорта, а также в дорожной ситуации и плотности транспортного потоков;
7. Оптимизацию маршрутов движения транспортных средств с учетом актуальности состояния дорожного движения и динамики изменения транспортных заторов.
В настоящее время в РФ ведется разработка и внедрение интеллектуальных транспортных систем различного масштаба, однако назрела необходимость создания ИТС нового поколения, соответствующей сценарию инновационного развития, направление которому задано транспортной стратегией развития РФ до 2030 года.
Создание Российской Ассоциации ИТС – наиболее очевидный путь развития, учитывая высокие темпы развития инновационных технологий и насущную потребность государства в более эффективном использовании транспортного ресурса при одновременном уменьшении последствий автомобилизации и уменьшении людских потерь.
