авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Математическое и программное обеспечение распределенных информационных систем реального времени управления транспортными потоками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГОЛИКОВ Алексей Анатольевич

Математическое и программное обеспечение распределенных информационных систем реального времени управления транспортными потоками

Специальность: 05.13.11 - Математическое и программное

обеспечение вычислительных машин,

комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж – 2010

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Бурковский Виктор Леонидович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Данилов Александр Дмитриевич; кандидат технических наук, доцент Сергеев Михаил Юрьевич
Ведущая организация ГОУ ВПО Липецкий государственный технический университет”

Защита состоится 25 ноября 2010 г. в 1000 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.01 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 25 октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.Ф. Барабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование средств вычислительной техники математического и программного обеспечения способствует развитию информационных технологий управления распределенными данными в темпе реального времени. Эти технологии и соответствующие программные продукты находят все более широкое применение, в том числе в рамках современных систем управления транспортными потоками на городских территориях, обеспечивающих оперативный режим идентификации подвижных объектов, контроля их положения, а также маршрутизации мобильных объектов патрульной службы.

Функционирующие в настоящее время в регионах нашей страны информационные системы реального времени реализуют несколько интерфейсов: аппаратно-программный комплекс «Поток»; различные комплексы видеофиксации транспортных средств; камеры видеонаблюдения, а также интерактивные системы наблюдения, реагирующие в момент включения определяющих датчиков, такие, например, как «КРИС» и др.

В условиях широкого использования информационных систем контроля на основе комплексов средств видеофиксации нарушений обеспечивается возможность не только формирования маршрутных карт движения конкретных объектов транспортного потока, и прежде всего криминальных, но и максимально оперативной фиксации нарушений дорожного движения, что непосредственно способствует уменьшению количества дорожно-транспортных происшествий.





Следует отметить, что задача программного управления объектами транспортных потоков носит системный характер и не ограничивается городскими магистралями, а связана также с организацией информационных систем, обеспечивающих в том числе идентификацию и информационный поиск криминальных автомобилей, а также на идентификацию транспортных объектов в условиях дорожно-транспортных происшествий. Функционирование таких систем связано со сбором и обработкой огромных объемов данных, учетом большого количества документов и постоянным составлением отчетов – как простых, так и подразумевающих встроенный механизм принятия решений. В условиях развития данных систем структурные источники информации определяют принципиальную гетерогенность интегрированных СУБД, вызванную неоднородностью используемых аппаратных и программных платформ, что существенно снижает уровень оперативности операций информационного поиска и принятия решений. Это обусловливает практическую актуальность решения вопросов создания специальных программно-аппаратных средств, позволяющих компенсировать гетерогенность соответствующих информационных пространств.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью дальнейшего развития средств математического и программного обеспечения информационных систем реального времени, ориентированных на обработку данных в условиях управления транспортными потоками и обеспечивающих повышение уровня оперативности доступа к гетерогенным средствам контроля и идентификации подвижных объектов, а также оптимальной маршрутизации мобильных объектов.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», а также госбюджетной НИР кафедры «Автоматика и информатика в технических системах» (ГБ №504310).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка комплекса средств математического и программного обеспечения управления данными об объектах транспортных потоков в распределённых информационных системах реального времени, на основе эволюционных методов и средств управления транзакциями, обеспечивающих повышение оперативности идентификации подвижных объектов, контроля их положения, а также маршрутизации.

Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования:

  • анализ содержания и специфики решения задач управления данными об объектах транспортных потоков, а также современных подходов к построению распределенных информационных систем реального времени;
  • разработка моделей оперативной идентификации источников информации и контроля их положения на основе обработки данных транспортных потоков в темпе реального времени;
  • разработка алгоритма приоритетного распределения информационных объектов по уровню информативной значимости;
  • разработка оптимизационной модели оперативной маршрутизации мобильных объектов информационной системы;
  • разработка математического обеспечения системы управления данными об объектах транспортных потоков, позволяющего интегрировать гетерогенные базы данных в однородное информационное пространство на основе различных компьютерных платформ и операционных систем;
  • разработка средств программного обеспечения процессов обработки данных об объектах транспортных потоков в рамках распределенной информационной системы реального времени.

2

Методы исследования основаны на использовании соответствующих разделов аппарата теории моделирования, теории массового обслуживания, эволюционных методов, теории графов, экспертных систем, теории баз данных.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

  • предложены модели управления данными об объектах транспортных потоков в рамках распределенной информационной системы реального времени, отличающиеся реализацией процедур оперативной идентификации подвижных объектов и контроля их положения;
  • разработан алгоритм приоритетного распределения подвижных объектов по уровню значимости источников данных, обеспечивающий поиск кратчайших расстояний между вершинами графа информационной модели маршрутной сети;
  • предложена модель оперативной маршрутизации мобильных объектов, реализованная на основе эволюционных методов выбора оптимальных траекторий достижения оперативных источников информации;
  • разработаны средства математического обеспечения системы управления данными об объектах транспортных потоков, позволяющие осуществлять интеграцию гетерогенных баз данных, а также аппаратных средств контроля подвижных объектов в однородное информационное пространство;
  • разработаны средства программного обеспечения процессов обработки данных об объектах транспортных потоков в рамках распределенной информационной системы реального времени, обеспечивающие повышение качества и оперативности контроля подвижных объектов, а также маршрутизации мобильных объектов патрульной службы.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

  • предложен комплекс средств математического обеспечения распределенной информационной системы реального времени, реализующий возможность организовать эффективное управление данными об объектах транспортных потоков в условиях гетерогенной информационной среды;
  • разработано программное обеспечение, реализующее модели и алгоритмы обработки данных в информационной системе управления транспортными потоками, повышающее эффективность решения задач оперативной идентификации подвижных объектов и маршрутизации мобильных объектов патрульной службы.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные данными об объектах транспортных потоков в условиях гетерогенной

3

информационной среды. Результаты работы получили практическое внедрение в УГИБДД Воронежской области в рамках программно-аппаратного комплекса «Поток». Кроме того, они внедрены в учебный процесс при обучении студентов по дисциплинам «Моделирование систем», «Информационное обеспечение систем управления» на кафедре «Автоматика и информатика в технических системах» ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях и проектировании» (Воронеж, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2008), I молодежной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2008), Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2010), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и научных семинарах кафедры автоматики и информатики в технических системах (2007-2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – модель распределенной базы данных, положенная в основу алгоритмов управления транзакциями; [2,3,4] – алгоритмы взаимодействия элементов гетерогенной информационной среды, обеспечивающие эффективный режим обработки данных; [5,6,7,8,9,10] средства формализованного описания процессов управления объектами дорожной мобильной патрульной службы в условиях гетерогенной информационной среды и контроля над объектами транспортного потока, генетический алгоритм поиска оптимальной вершины в графе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 158 страницах, содержит 49 рисунков, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, сформулированы цели и основные задачи исследования, представлены основные научные результаты, приведено краткое содержание по главам.

4

В первой главе рассмотрена проблематика управления мобильными объектами патрульной службы в условиях гетерогенной информационной среды и контроля над подвижными объектами в условиях мегаполиса, выделены средства формирования трафика подвижных объектов.

Рассмотрены методики и системы обнаружения и оценки параметров подвижных объектов транспортного потока.

Произведен обзор аппаратно-программных систем реального времени, предназначенных для контроля трафика и идентификации государственных регистрационных знаков подвижных объектов транспортного потока.

Рассмотрены методы и средства контроля подвижных объектов транспортных потоков. Подробно проанализированы средства математического обеспечения системы «Поток» – аппаратно-программной системы реального времени, предназначенной для идентификации государственных регистрационных знаков автомобилей, созданной фирмой РОССИ для использования на крупных автомобильных магистралях, небольших автодорогах, на въездах и выездах на охраняемые территории или автостоянки и т.д.

В системах реального времени контроля подвижных объектов транспортного потока подразумевается комплексное объединение нескольких типов видеонаблюдения, а также видеофиксации нарушений. Использование аппаратно-программных систем возможно только в случае стационарной установки с достаточно сильным ПК, имеющим статический адрес доступа, и широкого канала связи для распределенного обмена данными с диспетчерским центром. Для контроля подвижных объектов транспортного потока система видеофиксации нарушений и трафика транспортных средств должна содержать только фиксирующий радар. Для каждой установленной системы контроля и видеофиксации нарушений существует свой идентификатор, определяющий место установки и направление движения подвижных объектов транспортного потока. Данный идентификатор используется для полного контроля трафика подвижных объектов в мегаполисе и позволяет составлять карту их движения.

Благодаря типовому алгоритму обработки данных система создает фотографию автомобиля-нарушителя, содержащую данные о его скорости, времени, дате нарушения и других данных. Полученная фотография по цифровым каналам связи передается на сервер хранения диспетчерского центра или в on-line режиме на мобильный объект патрульной службы.

В результате данный программный модуль позволяет получить данные об интенсивности дорожного движения: количество автомобилей, проехавших через данный участок дороги в приведенных или фактических

5

единицах за указанный промежуток времени, среднюю скорость

автомобилей, а также информацию по трафику определенного подвижного объекта.

Во второй главе осуществлена разработка средств математического обеспечения системы управления мобильными объектами патрульной службы в условиях гетерогенной информационной среды и контроля подвижных объектов транспортного потока на основе теории графов и модифицированного генетического алгоритма. Рассматривается формализованное описание процессов контроля транспортных средств в потоке.

Предложены два основных подхода к разработке средств контроля подвижных объектов транспортного потока, базирующихся на учете трафика подвижного объекта и средствах оперативного прогнозирования направления движения цели по карте мегаполиса.

Осуществлено формализованное описание структуры улично-дорожной сети мегаполиса в виде неориентированного графа. Рассматривается возможность использования модифицированного генетического алгоритма для решения задачи оперативной маршрутизации мобильной патрульной службы.

Разработан алгоритм нахождения оптимального пути движения мобильных объектов до цели на основе реализации задачи о коммивояжере.

Предлагаемая информационная система позволяет формировать маршруты движения мобильных объектов патрульной службы на карте мегаполиса с использованием процедуры нахождения оптимального пути в графе посредством решения задачи о коммивояжере на основе модифицированного генетического алгоритма.

Задача о коммивояжере является классической NP-полной задачей. Она заключается в нахождении кратчайшего гамильтонова цикла в графе. Дан граф G = (Х,U), где |Х| = п — множество вершин (перекрестков), |U| =т — множество связывающих их ребер (перегоны между перекрестками), представленных на рис. 1. Дана матрица R(i,j), где i, j € 1,2,…,n, элементами которой являются уровни пропускной способности перегонов между соответствующими перекрестками (между вершинами x i и xj).

Требуется найти перестановку из элементов множества X, минимизирующую целевую функцию

. (1)

Если граф не является полным, то дополнительными ограничениями на величину являются

. (2)

6

Данные ограничения учитываются формированием метки бесконечности в матрице R в элементах, соответствующих отсутствующим ребрам в графе. При решении задачи о коммивояжере в работе рассмотрены полные графы, что однозначно соответствует задаче управления мобильными патрульными службами и контроля подвижных объектов.

Рис. 1. Граф фрагмента городской транспортной сети

Работу алгоритма решения данной задачи проиллюстрируем на следующем примере. Запишем матрицу смежности R графа G = (X,U), где |X| = 7, |U|=21 (рис. 1). Для пути (хромосома Р1) имеем значение целевой функции

, (3)

а для пути (хромосома Р2) имеем значение

целевой функции

. (4)

Следовательно, маршрут () предпочтительнее, чем (), с точки зрения нахождения минимального маршрута. Отметим, что значение целевой функции F() не зависит в частном случае от выбора вершины — начала маршрута.

Предлагаемый в работе алгоритм построения оператора

7

кроссинговера для задачи коммивояжера на основе «жадной» стратегии включает последовательное выполнение следующих шагов:

Шаг 1. Для каждой пары хромосом случайным образом выбрать точку разрыва и в качестве номера стартовой вершины взять номер отмеченного гена в хромосоме.

Шаг 2. Сравнить частичную стоимость путей, ведущих из текущих вершин в хромосомах-родителях, и выбрать из них кратчайший.

Шаг 3. Если выбранная таким образом вершина графа уже была включена в частичный путь, то взять случайную вершину из числа непросмотренных. Присвоить полученной вершине значение текущей.

Шаг 4. При преждевременном образовании циклов выбрать другой кратчайший путь.

Шаг 5. Повторять шаги 2 и 3, пока не будет построен гамильтонов цикл с квазиминимальной суммарной стоимостью ребер.

Шаг 6. Конец работы алгоритма.

Решение-потомок в алгоритме формируется как последовательность вершин графа в том порядке, в котором они становились текущими. На рис. 2 представлена структурная схема данного алгоритма.

«Жадные» операторы кроссинговера, основанные на знаниях о задаче, улучшают скорость сходимости, однако часто препятствуют выходу из локальных минимумов. Существует несколько способов избежать этой ситуации: изменить архитектуру генетического алгоритма или же не помещать такие решения в популяцию. Для решения данной проблемы в работе предлагаются следующие эвристики:

- эвристика 1 — предпочтение более невыгодного маршрута с точки зрения заданной целевой функции более выгодному с определенной вероятностью;



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.