Автоматизированная система управления транспортными потокоми

Начало работы положено!(обращайте внимание на стоимость)
Объем пояснительной записки – 50 страниц.
Пояснительная записка содержит 26 рисунков, 16 таблиц, 1 приложение.
Ключевые слова – автоматизированная информационная система, база данных, система управления базами данных.
Объектом разработки является автоматизированная информационная система для учета информации об объектах интеллектуальной собственности и научно-технической продукции университета.
Цель - разработать и реализовать структуру базы данных, интерфейс пользователя информационной системы
...

1. Автоматизированная система управления транспортным комплексом Российской Федерации (АСУ ТК)
1. 1. Цели и задачи АСУ ТК
1.1.1 Цели создания АСУ ТК
1.1.2 Задачи АСУ ТК
1.1.3 Пользователи АСУ ТК
1.2 Базовые подходы к созданию АСУ ТК
1.3 Основные подходы к интеграции информационных систем и приложений при создании АСУ ТК
1.4 Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года
2. Моделирование
2.1 Актуальность моделирования
2.2 Цели и задачи моделирования
2.3 Математическое моделирование транспортных потоков
2.4 МОДЕЛЬ ТАНАКА
3. Имитационное моделирование

Состояние и развитие транспорта имеют для Российской Федерации исключительное значение. Транспорт, наряду с другими инфраструктурными отраслями, обеспечивает базовые условия жизнедеятельности общества, являясь важным инструментом достижения социальных, экономических, внешнеполитических целей.
Согласно Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 года № 1734-р, стратегической целью развития транспортной системы является удовлетворение потребностей инновационного социально ориентированного развития экономики и общества в конкурентоспособных качественных транспортных услугах.
Инновационный характер Транспортной стратегии определяет необходимость включения в состав организационной модели управления ее реализацией специальных механизмов и средств управления инновационным развитием, базирующихся на современных информационно-коммуникационных технологиях (ИКТ).
Анализ существующего положения с внедрением ИКТ в органах управления транспортным комплексом (ТК), проведенный в рамках настоящей НИР показал следующие основные недостатки:
 Отсутствие единой политики в области информатизации органов управления транспортным комплексом (в частности, использование различных программных продуктов для однотипных задач);
 Отсутствие единого информационного пространства органов управления ТК, единых форматов и технологий обработки информации, единой сети передачи данных, единых корпоративных хранилищ данных;
 Наличие многочисленных, несовместимых между собой, выполненных на различных платформах, информационных систем;

 отсутствие каких-либо механизмов контроля за полнотой, достоверностью, целостностью информации;
 отсутствие регламентов информационного взаимодействия различных информационных систем;
 недостаточный уровень использование современных информационных технологий
 отсутствие гарантий безопасности данных.
В целом, уровень информатизации Минтранса России, подведомственных федеральных агентств и службы, можно характеризовать как начальный, связанный лишь с накоплением опыта применения информационных технологий.
Отсутствие в настоящее время в Минтрансе России современной автоматизированной системы управления транспортным комплексом (АСУ ТК), обеспечивающей эффективную организацию стандартизированного информационного обмена между участниками транспортного комплекса, является существенной проблемой. Наличие этой проблемы снижает результативность государственного управления транспортной отраслью в целом.
Развитие информационного обеспечения российской транспортной системы должно осуществляться за счет создания единой информационной среды транспортного комплекса и аналитических информационных систем для поддержки управления развитием и регулирования процессов функционирования транспортного комплекса.
Таким образом, создание АСУ ТК должно изменить существующие процессы управления транспортным комплексом в плане повышения их эффективности и качества. Важнейшими факторами совершенствования управления транспортным комплексом являются следующие:
 Создание единого информационного пространства транспортного комплекса . Транспорт страны – единая система, эффективность которой зависит от степени централизации управления, определяется возможностями взаимодействия различных видов транспорта. Создание единого информационного пространства транспортного комплекса является необходимым условием централизованного управления.
 Создание системы сбора и хранения информации. Качество решений по управлению транспортом зависит от уровня информационной поддержки процессов принятия решений, своевременности, достоверности, полноты, безопасности, доступности информации, используемой при принятии решений. Обеспечить требуемые свойства информации можно только путём создания автоматизированной системы сбора и хранения информации, построенной на основе современных ИКТ.
 Внедрение технологий аналитической обработки данных и систем поддержки принятия решений, обеспечивающих возможности нахождения оптимальных решений для широкого круга управленческих задач.
 Автоматизация управления рабочими процессами сбора и обработки информации (в том числе, процессов документооборота).
 Создание современной системы управления ИТ-ресурсами органов управления ТК, обеспечивающей требуемое качество информационных услуг, необходимую доступность и безопасность информационных ресурсов.
При создании АСУ ТК необходим поиск эффективных решений, приводящих к планируемым улучшениям целевых показателей при наименьших затратах. «Лоскутная» информатизация, характеризующая современное состояние использования информационных технологий в Минтрансе России, подведомственных федеральных агентствах и службе, не перспективна ни с точки зрения обеспечения требуемого качества управления отраслью, ни с точки зрения необходимых затрат на эксплуатацию информационных систем.
Таким образом, создаваемая в интересах Министерства транспорта Российской Федерации система автоматизированного управления транспортным комплексом, предназначена для повышения управляемости и контролируемости развития транспортной отрасли на основе принципиального улучшения информационного обеспечения и поднятия степени автоматизации управленческих задач на уровень органов управления транспортным комплексом.

Технология SOA В основе SOA лежат принципы многократного использования функциональных ИКТ-элементов, ликвидации дублирования функциональности в ПО, унификации типовых операционных процессов, обеспечения перевода операционной модели деловых процессов на централизованные процессы и функциональную организацию на основе промышленной платформы интеграции. Компоненты программы могут быть распределены по разным узлам информационно-коммуникационной среды, и предлагаются как независимые, слабо связанные, заменяемые сервисы-приложения. Программные комплексы, разработанные в соответствии с SOA, часто реализуются как набор веб- сервисов, интегрированных при помощи известных стандартных протоколов (SOAP, WSDL и т. п.) Интерфейс компонентов SОА-приложенияпредоставляет инкапсуляцию деталей реализации конкретного компонента (ОС, платформы, языка программирования и т. п.) от остальных компонентов. SOA предоставляет гибкий способ комбинирования и многократного использования компонентов для построения сложных распределённых программных комплексов. Таким образом, основными принципами SOA являются: Отсутствие привязки архитектуры SOA к какой-либо определённой технологии. Независимость организации системы от используемой вычислительной платформы (платформ).Независимость организации системы от применяемых языков программирования.Использование сервисов, независимых от конкретных приложений, с единообразными интерфейсами доступа к ним. организация сервисов как слабосвязанных компонентов для построения систем. Технология MOM Технологии MOM реализуют интеграцию корпоративных приложений на основе низкоуровневых средств, таких, как интеграционные серверы, брокеры объектных запросов (ORB) и т.д. При использовании MOM взаимодействие приложений осуществляется путем обмена сообщениями. Необходимость наличия систем обмена сообщениями обуславливается различиями между объединяемыми корпоративными приложениями (языки программирования, платформы, форматы данных), ненадежностью сетей передачи данных, необходимостью поддержки изменений. Основными преимуществами использования технологии обмена сообщениями являются: Организация удаленного взаимодействия между приложениями.Интеграция разнородных систем, отличающихся различными технологиями, платформами, и языками программирования. Организация асинхронного взаимодействия. Регулирование нагрузки.Гарантированная доставка. Использование разработанных коммерческих интеграционных платформ, реализующих принципы технологии MOM, позволит получить перечисленные выше преимущества, включая следующие: Наличие расширенной функциональности (средств автоматизации документооборота, деловых операций, средства создания порталов, т.д.).Наличие средств создания веб-служб.Наличие готовых интерфейсов доступа к распространенным промышленным приложениям, что позволит многократно увеличить скорость разработки интеграционных решений. Технология ETL Концепция интеграции данных представляет собой извлечение, преобразование и загрузку (extraction, transformation, loading, сокр. ETL) данных из различных систем в единый склад данных, предназначенный для обработки и анализа (подготовки отчетности). Хранилища и витрины данных являются такими складами данных, а инструменты ETL компонентами "интеграции данных". Технология ETL оказывается наиболее полезной в случае необходимости создания хранилищ данных, содержащих хорошо документированные и надежные данные для исторического анализа, например, для анализа временных рядов или многомерных запросов. Также эта технология используется для интеграции ключевых справочных данных. Инструменты ETL дают пользователю возможность запустить повторяющиеся процессы для большей слаженности действий и возможности их многократного использования. Такие процессы включают создание точных технических метаданных, поддерживающих общую целостность среды business intelligence (BI). При создании АСУ ТК задача интеграции разнородных ведомственных приложений и, в том числе организация межведомственного обмена, будет иметь первостепенное значение. Для выполнения этой задачи целесообразно применить комбинированный набор технологий интеграции, в зависимости от того, насколько тесно должно быть интегрировано то или иное приложение в общее информационное пространство АСУ ТК. 1.4 Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года При создании АСУ ТК необходимо ориентироваться на задачи, поставленные Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2030 года. Одна из основных задач АСУ ТК - обеспечение информационно- аналитической поддержки реализации Транспортной стратегии. Для реализации Транспортной стратегии необходима взаимоувязанная разработка и реализация федеральных и региональных целевых программ, высокоэффективных транспортных технологий и общих обеспечивающих механизмов реализации Стратегии, включая научно-техническое обеспечение, обеспечение трудовыми ресурсами и механизмы управления реализацией стратегии. При разработке и реализации этих компонент информационные технологии и системы, входящие в АСУ ТК, должны играть роль связующего звена и обеспечивать информационно-аналитическую поддержку, мониторинг, контроль и управление реализацией этих компонент. Для информационно-аналитической поддержки реализации Транспортной стратегии, в первую очередь необходимо предусмотреть: Разработку системы проектного управления программами и проектами различного уровня, связанными с реализацией ФЦП и Транспортной стратегии. Внедрение электронного документооборота в органах управления ТК. Создание единой геоинформационной системы, отражающей состояниеТранспортного комплекса и ее интеграцию с существующими информационными ресурсами. Развитие систем мониторинга, статистического наблюдения и оценки состояния транспортного комплекса регионов России и страны в целом, ведения транспортно-экономического баланса. Развитие и интеграцию систем управления финансами и ресурсами, учета и отчетности. Реализацию информационно-аналитических функций, математических и имитационных моделей поддержки принятия решений по различным видам транспорта и транспортному комплексу в целом. Сегодня у транспортной отрасли нет полной статистики и транспортного баланса. Это не позволяет достоверно прогнозировать, планировать и моделировать потоки. Поэтому необходимо развитие системы статистического учета и построение транспортно-экономического баланса, применение на его основе математических методов прогнозирования потребностей в услугах транспорта, моделирование транспортных систем с целью отбора оптимальных вариантов. С этим связан вопрос анализа эффективности работы транспортного комплекса и использования транспортной инфраструктуры. Для повышения их эффективности необходимо внедрять системы управления транспортными потоками и интеллектуальные транспортные системы, опираясь на мировой опыт. Информационная интеграция и комплексное развитие информационных и управляющих систем в рамках АСУ ТК должны обеспечить повышение эффективности работы органов управления ТК в части управления развитием и регулирования процессов функционирования ТК. АСУ ТК должна обеспечить повышение эффективности задач управления ТК, включая: Управление ТК за счет предоставления информации, необходимой руководству и функциональным подразделениям Министерства, агентств и службы для принятия и реализации управленческих решений по принципу «точно и в срок». Управление программами и проектами развития транспортной системы на основе более оперативной и точной информации о ходе их реализации, аналитики, прогнозирования и моделирования.Взаимодействие смежных видов транспорта и других участников транспортного процесса. Управление финансами и ресурсами транспортного комплекса.Повышение оперативности и полноты контроля безопасности и устойчивости транспортной системы. Управление транспортным комплексом в чрезвычайных ситуациях. 2. Моделирование2.1 Актуальность моделированияМожно ли обойтись без математических моделей и численных экспериментов, ограничившись результатами инженерных расчетов? К примеру, для расчета разгрузки дорожного участка, требуется знать, какое количество автомобилей поворачивает на некотором перекрестке на право. До сих пор никто туда не поворачивал данных для расчетов нет. Приходится опираться на грубые экспертные оценки. Более того, транспортный поток все время подстраивается под управляющие воздействия. Эффект просчитанной разгрузки исчезает через некоторое время, за счет перераспределения транспортного потока. Если в связи с флуктуациями или случайными факторами резко возрастает количество заторов, на следующий день интенсивность движения, как правило, снижается.Следовательно, моделирование необходимо в силу следующих свойств транспортной системы:Компенсация увеличения пропускной способности при развитии сети увеличением спроса и перераспределением его в новых условиях.Непредсказуемость поведения каждого водителя выбор маршрута, манера вождения и проч.Влияние случайных факторов(ДТП, погода и проч.)и флуктуаций, связанных с сезонами, выходными и праздничными днями и т.п.Цели и задачи моделированияВ проведенных в 2000 - 2001 г.г. ЦИТИ разработках требований к программным комплексам моделирования работы транспортной системы Москвы [1] были поставлены решаемые с помощью моделирования задачи и определены требования к программным комплексам моделирования, позволяющим решать эти задачи. К ним, в частности, относятся:Задачи в масштабе городской агломерации:Как изменится работа транспортной системы при введении новых элементов: линий метро, радиальных или кольцевых автомагистралей.Каких изменений в транспортной системе города может потребовать строительство нового жилого района или расположение емкого центра притяжения посетителей.Какого перераспределения потоков транспорта и пассажиров следует ожидать в случае временного закрытия или ликвидации какого-либо элемента транспортной системы.Как может повлиять на работу системы введение экономических санкций (плата за проезд по магистрали, за въезд в зону центра, введение зонного тарифа в метро и т.п.).Какой эффект может дать внедрение автоматизированных систем управления уличным движением.Задачи локального порядка: какой эффект даст перепланировка перекрестка, группы перекрестков, расширение проезжей части улицы, изменения в организации движения на пересечениях, оптимизация светофорного регулирования, изменение условий пересадки пассажиров и т.п.Задачи анализа работы улично-дорожной сети, пассажирского (уличного и внеуличного) и грузового транспорта.Моделирование транспортной ситуации может проводиться на любой расчетный срок - от оперативных задач сегодняшнего дня до долгосрочной (20-30 лет) перспективы. Условно, задачи прогнозирования можно разделить:долгосрочные (отдаленная перспектива в 10 и более лет).среднесрочные (задачи первой очереди возможного развития - около 5 лет).краткосрочные (анализ последствий намечаемых мероприятий ближайших дней, недель, месяцев).оперативные (в реальном масштабе времени).2.2 Математическое моделирование транспортных потоковВ моделировании дорожного движения исторически сложилось два основных подхода детерминистический и вероятностный (стохастический).В основе детермининированных моделей лежит функциональная зависимость между отдельными показателями, например, скоростью и дистанцией между автомобилями в потоке. В стохастических моделях транспортный поток рассматривается как вероятностный процесс.Все модели транспортных потоков можно разбить на три класса[2]: модели-аналоги, модели следования за лидером и вероятностные модели.В моделях аналогах движение транспортного средства уподобляется какому либо физическому потоку (гидро и газодинамические модели).Этот класс моделей принято называть макроскопическими.В моделях следования за лидером существенно предположение о наличии связи между перемещением ведомого и головного автомобиля. По мере развития теории в моделях этой группы учитывалось время реакции водителей, исследовалось движение на многополосных дорогах, изучалась устойчивость движения. Этот класс моделей называют микроскопическими. В вероятностных моделях транспортный поток рассматривается как результат взаимодействия транспортных средств на элементах транспортной сети. В связи с жестким характером ограничений сети и массовым характером движения в транспортном потоке складываются отчетливые закономерности формирования очередей, интервалов, загрузок по полосам дороги и т.п. Эти закономерности носят существенно стохастический характер.В последнее время в исследованиях транспортных потоков стали применять междисциплинарные математические идеи, методы и алгоритмы нелинейной динамики. Их целесообразность обоснована наличием в транспортном потоке устойчивых и неустойчивых режимов движения, потерь устойчивости при изменении условий движения, нелинейных обратных связей, необходимости в большом числе переменных для адекватного описания системы.Гидродинамические модели транспортного потокаТранспортный поток можно рассматривать как поток одномерной сжимаемой жидкости, допуская, что поток сохраняется и существует взаимнооднозначная зависимость между скоростью и плотностью транспортного потока.Первое допущение выражается уравнением неразрывности. Второе - функциональной зависимостью между скоростью и плотностью для учета уменьшения скорости движения автомобилей с ростом плотности потока. Это интуитивно верное допущение теоретически может привести к отрицательной величине плотности или скорости. Очевидно, одному значению плотности может соответствовать несколько значений скорости. Поэтому для второго допущения средняя скорость потока в каждый момент времени должна соответствовать равновесному значению при данной плотности автомобилей на дороге. Равновесная ситуация - чисто теоретическое допущение и может наблюдаться только на участках дорог без пересечений. Поэтому часть исследователей отказались от непрерывных моделей, часть рассматривает их как слишком грубые.Среди гидродинамических моделей различают модели с учетом и без учета эффекта инерции. Последние могут быть получены из уравнения неразрывности, если скорость рассматривать как функцию плотности. Модели, учитывающие инерцию, представляются уравнениями Навье-Стокса со специфическим членом, описывающим стремление водителей ехать с комфортной скоростью.Модель Лайтхилла - Уизема - РичардсаТак в 1955 г. независимо в работах [3] и [4] была предложена, по-видимому, первая макроскопическая (гидродинамическая) модель однополосного (полоса бесконечная в обе стороны, движение происходит слева направо (для определенности), нет источников и стоков автомобильных транспортных (автотранспортных) средств (АТС)) транспортного потока, получившая впоследствии название модели Лайтхилла — Уизема — Ричардса (часто эту модель называют моделью Лайтхилла - Уизема1), в которой поток АТС рассматривается как поток одномерной сжимаемой жидкости.В модели Лайтхилла - Уизема - Ричардса предполагается, чтосуществует взаимнооднозначная зависимость между скоростью v (t, x) и плотностью (погонной) р (t, x) потока;выполняется закон сохранения плотности АТС р (t, x) .Запись p(t, x) обозначает число АТС на единицу длины в момент времени t в окрестности точки трассы с координатой x . Аналогично, v (t, x) - скорость АТС в момент времени t в окрестности точки трассы с координатой x . Везде в дальнейшем предполагается, что пространственные масштабы, на которых транспортный поток описывается макроскопическими (гидродинамическими) моделями, значительно превышают характерный размер АТС (т.е. составляют не менее сотни метров). В таком предположении, мы будем интерпретировать p(t, x), v (t, x) ни как некоторые должным образом усредненные величины, а как функции, получающиеся при переходе от микроскопического описания (в том числе и описания с помощью клеточных автоматов (см. п. 3.2)) к макроскопическому. Иначе говоря, мы считаем что транспортный поток подчиняется некоторой микроскопической модели, в которой детально описывается поведение АТС, в зависимости от обстановки впереди, и эта модель является разностным или дифференциально - разностным аналогом рассматриваемой нами макроскопической модели. Таким образом, корректность, предложенного здесь подхода к определению p(t, x), v(t, x) основывается на устойчивой аппроксимации макроскопической модели микроскопической. При этом необходимость рассмотрения макроскопических моделей обусловлена в первую очередь более простой техникой их исследования и большей наглядностью (в виду гидродинамических параллелей).Первое предположение выразим условием:v(t, x) = V (p(t, x)). (1)Относительно функции V(p) делается следующее предположение:V '(p)< 0, (2)где Q(p) = pV(p) - величина потока АТС (количество АТС, проходящих в единицу времени через заданное сечение). Зависимость Q(p) часто называют фундаментальной (или основной) диаграммой. Для однополосного потока принято считать Q"(p)< 0 [5] (что можно понимать следующим образом: движение по двум одинаковым и независимым полосам с разными плотностями менее эффективно, чем движение по этим полосам с одинаковой плотностью равной среднему арифметическому первоначальных плотностей). Однако если агрегировать несколько полос в одну (иначе говоря, заменить несколько полос одной агрегированной, на которой уже использовать рассматриваемую модель), то, как показывают наблюдения за реальными транспортными потоками, от вогнутости Q (p), вообще говоря, придется отказаться. Так на рис. 2.1 и 2.2 отображены экспериментальные данные "Центра Исследования Транспортной Инфраструктуры г. Москвы", собранные (в течение одного дня в 2005 г.) по четырем полосам на участке третьего транспортного кольца от Автозаводской улицы до Варшавского шоссе и сагрегированные на одну полосу И.Е. Виноградовым в дипломной работе (ВМК МГУ, кафедра Системного анализа, 2007 г.). Рис. 2.1 (Уравнение состояния транспортного потока)Заметим, что в действительности измерялась зависимость V (Q). Объяснить небольшой провал величины потока Q (p) при плотностях, р~60 —115 АТС/км можно, по-видимому, тем, что при этих плотностях существенное влияние на величину потока оказывают перемещения АТС с одной полосы на другую. Перестроение АТС из одной полосы в другую полосу снижают величину потока (с одной стороны за счет перемещения из полосы в полосу можно двигаться быстрее, но с другой стороны в среднем такие перемещения приводят к дополнительным затратам на само перестроение, и замедление тех АТС, перед которыми встраивается другое АТС), что хорошо согласуется с практическим наблюдением: "пропускная способность n -полосной дороги меньше пропускной способности n отдельных однополосных дорог". Другое объяснение этого наблюдения имеется в п. 3.1.6 и связано с тем, что при р~60 —115 АТС/км само понятие "фундаментальная диаграмма" не совсем корректно. Иначе говоря, при этих плотностях нет четкой зависимости величины потока (скорости) от плотности. Одному значению плотности соответствует целый промежуток возможных значений потока (скорости).Рис.