Разработка аналитической системы решения задач автомобильного транспорта на базе нечеткой логики

Курсовая работа выполнена по всем требованиям для МТИ.
Уникальность работы более 85% по етхт.
По запросу могу дополнить или изменить.
Реализация выполнена на базе системы Matlab
...

ВВЕДЕНИЕ 3
1 ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ 4
1.1 Топология сетей 4
1.2 Основные протоколы обмена в компьютерных сетях 14
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИОРИТЕТОМ ДВИЖЕНИЯ НА КОЛЬЦЕВОМ ПЕРЕКРЕСТКЕ 27
2.1 Анализ методов и подходов в решению задачи 27
2.2 Реализация системы оценки движения на кольцевом перекрестке 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 44

Объект исследования: специфика построения экспертных систем на базе использования нечеткой логики.
Предмет исследования: особенности разработки нечеткой модели аналитической системы решения задач автомобильного транспорта на базе для управления приоритетом движения на кольцевом перекрестке.
Цель работы заключается в закреплении, расширении, обобщении и систематизации знаний в рамках изучаемой предметной дисциплины, посредством исследования специфики разработки системы управления приоритетом движения автомобильного транспорта на кольцевом перекрестке.

В настоящее время межхостовой уровень состоит из двух протоколов: протокола управления передачей TCP и протокола пользовательских дейтаграмм UDP. С учетом того, что Интернет становится все более транзакционно-ориентированным, был определен третий протокол, условно названный протоколом управления транзакциями/передачей T/TCP (Transaction/Transmission Control Protocol). Тем не менее, в большинстве прикладных сервисов Интернета на межхостовом уровне используются протоколы TCP и UDP.
Межсетевой уровень IPv4 состоит из всех протоколов и процедур, позволяющих потоку данных между хостами проходить по нескольким сетям. Поэтому, пакеты, в которых передаются данные, должны быть маршрутизируемыми. За маршрутизируемость пакетов отвечает протокол IP (Internet Protocol). Межсетевой уровень должен поддерживать маршрутизацию и функции управления маршрутами. Эти функции предоставляются внешними протоколами, которые называются протоколами маршрутизации. К их числу относятся протоколы IGP (Interior Gateway Protocols) и EGP (Exterior Gateway Protocols) [7].
Уровень сетевого доступа состоит из всех функций, необходимых для физического подключения и передачи данных по сети. В эталонной модели OSI этот набор функций разбит на два уровня: физический и канальный. Эталонная модель TCP/IP создавалась после протоколов, присутствующих в ее названии, и в ней эти два уровня были слиты воедино, поскольку различные протоколы IP останавливаются на межсетевом уровне.
Протокол IP предполагает, что все низкоуровневые функции предоставляются либо локальной сетью, либо подключением через последовательный интерфейс.
Протокол TCP/IP обеспечивает возможность межплатформенных сетевых взаимодействий ( то есть связи в разнородных сетях). TCP/IP обладает следующими характеристиками [12]:
Хорошие средства восстановления после сбоев.
Возможность добавления новых сетей без прерывания текущей работы.
Устойчивость к ошибкам.
Независимость от платформы реализации.
Низкие непроизводительные затраты на пересылку служебных данных.
Протоколы TCP и IP совместно управляют потоками данных ( как входящими, так и исходящими) в сети. Но если протокол IP просто передает пакеты, не обращая внимания на результат, TCP должен проследить за тем, чтобы пакеты прибыли в положенное место. В частности, TCP отвечает за выполнение следующих задач [8]:
Открытие и закрытие сеанса.
Управление пакетами.
Управление потоком данных.
Обнаружение и обработка ошибок.
Протокол TCP/IP обычно рассматривается в контексте эталонной модели, определяющей структурное деление его функций. Однако модель TCP/IP разрабатывалась значительно позже самого комплекса протоколов, поэтому она ни как не могла быть взята за образец при проектировании протоколов.
Семейство протоколов IP состоит из нескольких протоколов, часто обозначаемых общим термином «TCP/IP» [14]:
IP – протокол межсетевого уровня;
TCP – протокол межхостового уровня, обеспечивающий надежную доставку;
UDP – протокол межхостового уровня, не обеспечивающий надежной доставки;
ICMP – многоуровневый протокол, упрощающий контроль, тестирование и управление в сетях IP. Различные протоколы ICMP распространяются на межхостовой и прикладной уровни.
2. IPX/SPX. Стек протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange) является разработкой и собственностью компании Novell. Он был разработан для нужд операционной системы Novell NetWare, которая еще до недавнего времени занимала одну из лидирующих позиций среди серверных операционных систем.
Протоколы IPX и SPX работают на сетевом и транспортном уровнях модели ISO/ OSI соответственно, поэтому отлично дополняют друг друга. Протокол IPX может передавать данные с помощью датаграмм, используя для этого информацию о маршрутизации в сети. Однако для того, чтобы передать данные по найденному маршруту, необходимо сначала установить соединение между отправителем и получателем. Этим и занимается протокол SPX или любой другой транспортный протокол, работающий в паре с IPX.
В связи с тем, что стек протоколов IPX/SPX изначально ориентирован на обслуживание сетей небольшого размера, поэтому в больших сетях его использование малоэффективно: излишнее использование широковещательного вещания на низкоскоростных линиях связи недопустимо [9].
3. SLIP. Протокол передачи данных SLIP (Serial Line Internet Protocol) создан специально для организации постоянного подключения к Интернету с использованием имеющейся телефонной линии и обычного модема. Из-за высокой стоимости этот тип подключения могут позволить себе немногие пользователи. Как правило, такое подключение создается в организациях, имеющих сервер, на котором находится веб-страница организации и другие ресурсы (база данных, файлы).
Данный протокол работает вместе с протоколом TCP/IP и находится на более низком уровне. Перед тем как информация с модема поступит на обработку TCP/ IP-протоколу, ее предварительно обрабатывает SLIP-протокол. Выполнив все необходимые действия, он создает другой пакет и передает его TCP/IP [12].
4. PPP. Протокол РРР (Point-to-Point Protocol) выполняет ту же работу, что и описанный выше SLIP. Однако он лучше выполняет эти функции, так как обладает дополнительными возможностями. Кроме того, в отличие от SLIP, PPP может взаимодействовать не только с TCP/IP, но и с IPX/SPX, NetBIOS, DHCP, которые широко используются в локальных сетях.
Протокол PPP более распространен также благодаря использованию на интернет-серверах с установленной операционной системой семейства Windows NT (SLIP применяют для соединения с серверами, работающими в операционной системе UNIX).
5. FTP. Протокол FTP (File Transfer Protocol) похож на протокола HTTP, только, в отличие от последнего, он работает не с текстовыми или двоичными данными, а с файлами.
Этот протокол - один из старейших: он появился еще в начале 70-х годов прошлого века. Как и HTTP, он работает на прикладном уровне и в качестве транспортного протокола использует TCP-протокол. Его основная задача - передача файлов с/на FTP-сервер.
FTP-протокол представляет собой набор команд, которые описывают правила подключения и обмена данными. При этом команды и непосредственно данные передаются с использованием различных портов. В качестве стандартных портов используются порты 21 и 20: первый - для передачи данных, второй - передачи команд. Кроме того, порты могут быть динамическими.
Размер файлов, передаваемых с помощью FTP-протокола, не лимитируется. Предусмотрен также механизм докачки файла, если в процессе передачи произошел обрыв связи.
Главным недостатком FTP-протокола является отсутствие механизмов шифрования данных, что позволяет перехватить начальный трафик и определить с его помощью имя пользователя, а также его пароль подключения к FTP-серверу. Чтобы избежать подобной ситуации, параллельно используется протокол SSL, с помощью которого данные шифруются [16].
6. SMTP и POP3. Использование электронной почты стало возможным благодаря протоколам POP3 (Post Office Protocol Version 3) и SMTP (Simple Mail Transfer Protocol).
Протокол POP3 работает на прикладном уровне и применяется для получения электронных сообщений из почтового ящика на почтовом сервере. При этом он использует один из портов и транспортный протокол TCP.
Сеанс связи с почтовым сервером разбит на три этапа: авторизация, транзакция и обновление. Авторизации пользователя происходит при соединении с почтовым сервером, для чего может использоваться любой почтовый клиент, поддерживающий работу с протоколом POP3. На этапе транзакции клиент запрашивает у сервера выполнение необходимого действия, например получения информации о количестве сообщений, получения самих сообщения либо их удаления. Процесс обновления предназначен для выполнения запроса клиента. После окончания обновления сеанс связи завершается до поступления следующего запроса на соединение.
При прохождении этапа авторизации может использоваться любой из существующих протоколов шифрования, например SSL или TLS, что делает процесс получения электронной корреспонденции более защищенным.
Протокол POP3 позволяет только получать электронные сообщения, а для их отправки приходится использовать другой протокол, в качестве которого чаще всего применяется SMTP, точнее, его усовершенствованная версия - ESMTP (Extended SMTP).
Как и POP3, протокол SMTP работает на прикладном уровне, поэтому ему необходимы услуги транспортного протокола, в роли которого выступает протокол TCP. При этом отправка электронных сообщений также происходит с использованием одного из портов, например 25 порта [7].
7. NetBEUI. Как и у TCP/IP, на физическом и канальном уровне стека NetBIOS/SMB работают стандартные протоколы, такие как Ethernet, Token Ring и другие, что делает возможным его использование в паре с любым активным сетевым оборудованием. На верхних же уровнях работают протоколы NetBIOS (Network Basic Input/Output System) и SMB (Server Message Block).
Протокол NetBIOS был разработан в середине 80-х годов прошлого века, но вскоре был заменен на более функциональный протокол NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), позволяющий организовать очень эффективный обмен информацией в сетях, состоящих не более чем из 200 компьютеров. Чтобы обмен между компьютерами был возможен, каждый из них должен обладать логическим именем. Для обмена данными между компьютерами используются логические имена, присваиваемые компьютерам динамически при их подключении к сети. При этом таблица имен распространяется на каждый компьютер сети. Поддерживается также работа с групповыми именами, что позволяет передавать данные сразу нескольким адресатам.
Главные достоинства протокола NetBEUI - скорость работы и очень малые требования к ресурсам. Если требуется организовать быстрый обмен данными в небольшой сети, состоящей из одного сегмента, лучшего протокола для этого не найти. Кроме того, для доставки сообщений установленное соединение не является обязательным требованием: в случае отсутствия соединения протокол использует датаграммный метод, когда сообщение снабжается адресом получателя и отправителя и "пускается в путь", переходя от одного компьютера к другому.
Однако NetBEUI обладает и существенным недостатком: он полностью лишен понятия о маршрутизации пакетов, поэтому его использование в сложных составных сетях не имеет смысла.
Что касается протокола SMB (Server Message Block), то с его помощью организуется работа сети на трех самых высоких уровнях - сеансовом, уровне представления и прикладном уровне. Именно при его использовании становится возможным доступ к файлам, принтерам и другим ресурсам сети. Протокол SMB универсален и может работать в паре практически с любым транспортным протоколом, например TCP/IP и SPX х6ъ.
8. HTTP. Данный протокол (HyperText Transfer Protocol) разрабатывался специально для Интернета: для получения и передачи данных по Интернету. Он работает по технологии "клиент - сервер", которая подразумевает, что есть клиенты, запрашивающие информацию (например, просмотр содержимого веб-страницы), и серверная часть, которая обрабатывает эти запросы и отсылает ответ.
HTTP работает на уровне приложений. Это означает, что данный протокол должен пользоваться услугами транспортного протокола, в качестве которого по умолчанию выступает протокол TCP.
Первая версия протокола HTTP была разработана еще в начале 90-х годов прошлого века и на то время полностью удовлетворяла пользователей своими возможностями. Но со временем, когда в Интернет пришла графика и динамичные изображения, возможностей протокола стало не хватать и он постепенно начал изменяться [11].
В своей работе протокол использует понятие URI (Uniform Resource Identifier) - уникального идентификатора ресурса, в качестве которого обычно выступает адрес веб-страницы, файла или любого другого логического объекта. При этом URI поддерживает работу с параметрами, что позволяет расширять функциональность протокола. Так, используя параметры, можно указать, в каком формате и кодировке нужно получить ответ от сервера. Это в свою очередь позволяет передавать с помощью HTTP не только текстовые документы, но и любые двоичные данные.
HTTP предоставляет открытый (open- ended) набор методов, которые основаны на системе ссылок, которые обеспечиваются URI (Универсальными Идентификаторами Ресурсов). URI могут идентифицировать как расположение (URL), так и имя (URN) ресурса, к которому применяется данный метод. Сообщения передаются в формате, подобному используемому электронной почтой согласно определениям MIME (Многоцелевых Расширений Электронной Почты). HTTP также используется как обобщенный протокол связи между агентами пользователей (user agents) и прокси-серверами/шлюзами (proxies/gateways) или другими Интернет-сервисами, включая такие как SMTP, NNTP, FTP, Gopher и WAIS.
Таким образом, HTTP определяет основы многосредного доступа к ресурсам для разнообразных приложений.
Протокол HTTP - это протокол запросов/ответов. Клиент посылает по соединению запрос серверу, содержащий: метод запроса, URI, версию протокола, MIME- подобное сообщение, включающее модификаторы запроса, клиентскую информацию и, возможно, тело запроса. Сервер отвечает строкой состояния, включающей версию протокола сообщения, кодом успешного выполнения или ошибки, MIME-подобным сообщением, содержащим информацию о сервере, метаинформацию объекта и, возможно, тело объекта.
Большинство HTTP соединений, инициализируется агентом пользователя и состоит из запроса, который нужно применить к ресурсу на некотором первоначальном сервере. В самом простом случае, он может быть выполнен посредством одиночного соединения между агентом пользователя и первоначальным сервером. Более сложная ситуация возникает, когда в цепочке запросов/ответов присутствует один или несколько посредников.
Существуют три основных разновидности посредников: прокси-сервера, шлюзы, и туннели. Прокси-сервер является агентом-посредником, который получает запросы на некоторый URI в абсолютной форме, изменяет все сообщение или его часть и отсылает измененный запрос серверу, идентифицированному URI.
Шлюз - это принимающий агент, действующий как бы на уровень выше некоторого другого сервера и при необходимости транслирующий запросы в протокол основного сервера. Туннель действует как реле между двумя соединениями, не изменяя сообщений; туннели используются, когда связь нужно производить через посредника (например, firewall), который не понимает содержание сообщений. Фактически, имеется широкое разнообразие архитектур и конфигураций кэшей и прокси-серверов, разрабатываемых в настоящее время или развернутых в World Wide Web; эти системы включают национальные иерархии прокси-кэшей, которые сохраняют пропускную способность межокеанских каналов, системы, которые распространяют по многим адресам содержимое кэша, организации, которые распространяют подмножества кэшируемых данных на CD-ROM[14].
HTTP системы используются в корпоративных интранет-сетях с высокоскоростными линиями связи, и для доступа через PDA с маломощными радиолиниями и неустойчивой связью. Цель http состоит в поддержании широкого многообразия конфигураций, уже построенных при введении ранних версий протокола, а также в удовлетворении потребностей разработчиков web приложений, требующих все более высокой надежности. HTTP соединение обычно происходит посредством TCP/IP соединений. HTTP также может быть реализован посредством любого другого протокола Интернет, или других сетей. HTTP необходима только надежная передача данных, следовательно может использоваться любой протокол, который гарантирует надежную передачу данных; отображение структуры запроса и ответа HTTPна транспортные модули данных рассматриваемого протокола - вопрос, не решается на уровне самого протокола.
Основным недостатком протокола HTTP является избыточный объем текстовой информации, необходимой для того, чтобы клиент мог правильно отобразить полученный от сервера ответ. При большом объеме содержимого веб-страницы это может создавать излишне большой трафик, что ухудшает восприятие информации. Кроме того, протокол полностью лишен каких-либо механизмов сохранения состояния, что делает невозможной навигацию по веб-страницам посредством одного лишь HTTP-протокола. По этой причине вместе с HTTP-протоколом используются сторонние протоколы либо пользователю необходимо работать с браузером, обрабатывающим HTTP-запросы [13].
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИОРИТЕТОМ ДВИЖЕНИЯ НА КОЛЬЦЕВОМ ПЕРЕКРЕСТКЕ
2.1 Анализ методов и подходов в решению задачи
Теория нечеткой логики - это перспективный подход к построению различных систем управления, который постоянно развивается. В настоящее время нечеткое моделирование (НМД) является активно используется для решения различных прикладных задач в области принятия различных решений.
В основе НЛ находится теория нечетких множеств (ТНМ), где функция принадлежности (ФП) элемента множества не является дуальной, т.е. принимает любые значения в диапазоне между нулем и единицей. Это позволяет идентифицировать различные понятия, которые являются нечеткими: "хороший", "плохой", "взрослый" и т.д. НЛ предоставляет логический аппарат для разработки баз знаний (БЗ) и экспертных систем (ЭС), которые поддерживают возможности обработки неточной информации. Подобные нечеткие модели и системы используются при управлении технологическими процессами, транспортом, бытовой и научной техникой, проведении диагностики, финансовых операциях оценки и прогнозирования, исследования различных сценариев развития критических сутуаций и экстремальных условий, климатического контроля и др.
НЛ и ТНМ представляются в виде раздела математики, который разработан как обобщение привычной логики и теории множеств. НЛ как понятие предложи Лютфи Заде в 1965. В его работах постулировалось, что ФП элемента может принимать произвольные значения в диапазоне [0 .. 1]. Подобные множества были названы, впоследствии, нечеткими. При этом Заде предложил различные логические операции над НМ, а также сформулировал понятие лингвистической переменной (ЛП), значениями которой могут быть другие НМ [17].
Заде, также, сформулировал основополагающий принцип несовместимости: «Чем сложнее исследуемая система, тем меньше возможностей обеспечения точных и практических суждений о ее возможном поведении». Для подобных систем точность их оценки и практического использования становятся фактически исключающими друг друга характеристиками.
Суть НЛ, как правило, сводится к таким аспектам [18]:
- вместо обычных переменных используются ЛП;
- типичные отношения между используемыми переменными описываются с помощью различных нечетких высказываний;
- сложные отношения описываются нечеткими алгоритмами и их сочетаниями.
В качестве основных форм визуализации и обработки могут применяться следующие виды ФП: треугольная, гауссова, трапециевидная, сигмоидна. Форма ФМ может быть задана на этапе разработки системы, т.к. она должна обеспечивать наилучшую точность и быстродействие. В частности, в пакете Matlab в модуле Fuzzy Logic, имеется более одиннадцати видов ФП. Некоторые из них приведены на рис. 2.1.
Рисунок 2.1 – Общие функции принадлежности (треугольная, трапециевидная, гауссова и сигмоидная)
В НЛ для формализации объектов на базе использования НМ вводятся понятия нечеткой (НП) и лингвистической (ЛП) переменных.
НП характеризуется тройкой <N, Е, A>, где N- имя переменной; Е – некоторое универсальное множество, являющееся областью определения переменной N; A – НМ на Е, которое определяет ограничения на все значения НП N [18].
ЛП представляет собой набор <Q, T, E, G, M>, где Q - имя ЛП; Т - множество значений ЛП или терм-множество, которое является именем НП, для множества Е по каждой области определения; G – идентифицирующая синтаксическая процедура, которая предоставляет возможности управления элементами T и генерации новых значений; М - семантическая процедура, которая обеспечивает преобразование каждое значение ЛП, реализуемое посредством процедуры G, в НП, то есть формирует соответствующее НМ.
Нечеткий логический вывод (НЛВ) обеспечивает аппроксимацию зависимости «вход - выход» на базе использования ряда лингвистических высказываний по модели «если - то» и различных логических операций, проводимых над НМ [17].