Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обоснование необходимости применения новых методов при совершенствовании работы пассажирского автотранспорта 11
1.1. Анализ современного этапа развития системы пассажирских автомобильных перевозок 11
1.2 Существующие разработки и методы решения задачи совершенствования функционирования городского пассажирского транспорта 18
Глава 2 Разработка модифицированной логистической модели совершенствования пассажирских перевозок 34
2.1. Обобщенная постановка логистической задачи совершенствования системы управления пассажирскими перевозками 34
2.2. Модифицированная логистическая модель совершенствования системы пассажирских перевозок с учетом динамично меняющихся потоков пассажиров 41
Глава 3 Применение генетических алгоритмов для решения задачи оптимизации логистической системы и управления пассажирскими перевозками автотранспортным предприятием 73
3.1 Анализ подходов к решению задач большой размерности в условиях сложной целевой функции 73
3.2 Конструирование системы генетического алгоритма оптимизации процесса управления городскими пассажирскими перевозками 102
Заключение 114
Библиографический список 116
Приложения 132
- Существующие разработки и методы решения задачи совершенствования функционирования городского пассажирского транспорта
- Обобщенная постановка логистической задачи совершенствования системы управления пассажирскими перевозками
- Модифицированная логистическая модель совершенствования системы пассажирских перевозок с учетом динамично меняющихся потоков пассажиров
- Конструирование системы генетического алгоритма оптимизации процесса управления городскими пассажирскими перевозками
Существующие разработки и методы решения задачи совершенствования функционирования городского пассажирского транспорта
Наиболее популярные и широко распространенные проблемы, решае-мые на транспорте, были определены на основе анализа научных направле-ний и публикаций современных исследователей.
Так, в рамках научной школы «Повышение эффективности и систем-ной безопасности работы автомобильного транспорта на основе инновацион-ных научно-технических разработок» (рук. В.А. Корчагин, Липецкий госу-дарственный технический университет) решаются задачи повышениия эколо-гического качества и оценки экономической эффективности эксплуатации автомобильного транспорта по критерию увеличения пропускной способно-сти транспортных потоков за счет улучшения параметров движения транс-портных средств и учета природных факторов.В качестве объекта исследова-ния рассматриваются автотранспортные системы. Главным достижением этой научной школы на сегодняшний день можно считать: разработку теоре-тических и методологических положений представления объекта исследова-ния как открытой природно-технической системы и теоретические подходы к сбалансированному взаимодействию автотранспортных систем и окружаю-щей среды с целью увеличения эффективности и системной безопасности ра-боты автомобильного транспорта [17, 44, 45, 125]. На базе этой школы впервые были получены: математическая модель влияния кратковременных природных факто-ров на пропускную способность транспортной сети; разработана пространственно-географическая модель определения участков дороги с невысокими пропускными способностями; разработана математическая модель и алгоритм программы опреде-ления опасных участков автомобильной дороги; рекомендации по увеличению пропускной способности транспортных потоков на опасных участках дорожного движения. Кроме вышеперечисленных результатов, представителями рассматри-ваемой школы также исследуются проблемы, которые не относятся к данно-му объекту исследования. Анализируя деятельность научной школы «Логистическое моделиро-вание товарного рынка» (рук.А.У. Альбеков, Ростовский государственный экономический университет), следует отметить тот факт, что за время суще-ствования ее представителями опубликовано множество работ, отражающих результаты научных исследований в рамках названной научной школы. Не-которыми из направлений исследований являются: транспортная система, потоковые процессы автотранспортных предприятий городского пассажир-ского транспорта, городской транспорт и особенности его функционирования в условиях становления рыночных экономических отношений [1, 2, 45, 67, 147, 149, 150].
В рамках данной научной школы впервые разработаны принципы мно-гопараметрического управления городским транспортным процессом в дол-говременном, среднесрочном и оперативном масштабе, кроме этого предло-жен жизненный цикл услуги перевозки пассажиров автомобильным транс-портом от начала проектирования маршрута до работы предприятия, кото-рый позволяет определить наиболее значимые факторы, влияющие на уро-вень сервисного обслуживания пассажиров. Разработаны принципы расчета градиентов интенсификации, характеризующие изменение интенсивности движения в результате шагового изменения параметров магистральной сети. Кроме того, исследованы проблемы развития транспортного комплекса со-временных городов; дана оценка условиям формирования городского транс-портного движения; проведено исследование управляемости потоков город-ского транспорта; определены факторы, влияющие на эффективность функ-ционирования процесса пассажирских перевозок автомобильным транспор-том, а также разработаны методики оценки функционирования АТП и сер-висного обслуживания пассажирских автотранспортных перевозок.
В исследовании проблем функционирования городского транспорта использовались положения теории больших систем и теории управления производством. Оценка условий формирования транспортного движения вы-полнялась на основе натурного исследования работы городского транспорта. Основным направлением научной школы «Оптимизация экологических и транспортных систем» (рук.Р.Н. Ковалев, Уральский государственный ле-сотехнический университет), является исследование проблемы транспортных систем крупных городов страны. Важным достижением в данном направле-нии исследований предлагается считать разработанные методы совершенст-вования основ развития и функционирования транспортных систем городов и принципы обеспечения бесперебойного и безопасного движения транспорт-ных потоков по дорожным сетям городов с учетом регулируемых узлов, по критерию снижения транспортных издержек при всех видах перевозок го-родским транспортом. Предложен расчет потока насыщения, циклов и тактов светофорного регулирования с учетом направлений движения, а также ком-плексное решение по совершенствованию системы городского пассажирско-го транспорта. Результаты исследований были получены на основе примене-ния статистического анализа, математического моделирования, эксперимен-тальных методов, теории принятия решений и др. [4, 28, 29, 30,89, 98]. Объектом исследования представителей научной школы – «Теория и практика транспортно-технологических систем и безопасность движения» (рук.Е.А. Кравченко, Кубанский государственный университет), является система оперативного управления маршрутными автобусами с применением навигационных систем. С использованием аппарата математического и имитационного моде-лирования, системного и логистического подходов, методов теории массово-го обслуживания, теории вероятностей и математической статистики, аппа-рата теории игр и др. учеными данной школы были решены и получены сле-дующие результаты: - определены показатели оценки эффективности системы оперативно-го управления маршрутными автобусами; - выявлены параметры (времени движения потоков автомобилей в противоположных направлениях) оптимальной организации движения в слу-чае проведения ремонтных работ или аварийной ситуации в районе нерегу-лируемого перекрестка; - разработаны методические основы по оценке эффективности систем оперативного управления маршрутными автобусами; - обоснована целесообразность совершенствования методов оценки характеристик потоков автомобилей на нерегулируемых перекрестках мно-гополосных дорог; - разработана математическая модель выбора оптимальной стратегии использования диспетчерских ресурсов. Особенностью разработанной сторонниками данной школы математи-ческой модели и методики ее применения является определение времени за-держек автотранспортных средств на стадии проектирования дороги; прогно-зирование величины задержек автомобилей; выбросов вредных веществ в атмосферу по сравнению с непрерывным движением автомобилей; расхода топлива при изменении интенсивности движения транспортных потоков или способа организации движения на различных перекрестках[9, 52, 87, 135].
Обобщенная постановка логистической задачи совершенствования системы управления пассажирскими перевозками
Разработка специализированных моделей городских пассажирских пе-ревозок представляет собой сложный процесс, в связи с чем практическое применение имеют модели, которые позволяют ответить на вопрос, какими будут характеристики работы моделируемой системы, если исходные пара-метры, которые их формируют, приобретут определенные значения. Такие описания в моделях выполняются на производственно-технологическом уровне в укрупненных показателях. Поэтому необходимо разрабатывать мо-дели более высокого класса, которые не только описывают процесс перевоз-ки и отдельные этапы его организации, но и объясняют причинно-следственную связь между характеристиками процесса и выходными пара-метрами.
На основе проведенного анализа можно выделить основные этапы ре-шения задачи совершенствования оптимизации пассажирских перевозок в условиях больших городов с применением логистического подхода: - выбор критерия оценки работы АТП; - построение логистической модели совершенствования городских пассажирских перевозок; - конструирование алгоритмов совершенствования; - формирование исходных данных оптимизационной задачи; - расчет модели; - проведение оптимизации и анализ результатов; - выбор варианта оптимального функционирования системы.
Разделяя мнение исследователей [7, 8, 12, 31], что предоставление ус-луги по перевозке пассажиров является особым видом деятельности транс-порта, которая требует определенного материального, технологического, фи-нансового и информационного обеспечения, следует отметить, что транс-портные услуги имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при применении логистических принципов.
Основными характеристиками логистической системы являются пото-ки.Потоки в логистике предлагается рассматривать как направленное пере-мещение в пространстве определенного продукта (сырья, финансов, инфор-мации, материалов и т.д.) за определенный временной интервал. По мнению [15, 71, 140, 141, 143], потоки в логистике классифицируются следующим образом: материальные, информационные, финансовые и потоки услуг. Главным понятием логистики служит материальный поток, то есть матери-альный ресурс (сырье, готовая продукция), который подвергается транспор-тировке, складированию или другому перемещению в пространстве.
Поток представляет собой совокупность объектов, воспринимаемую как единое целое, существующую как процесс на некотором временном ин-тервале и измеряемую в абсолютных единицах за определенный период. Если обратиться к логистической схеме перевозок, то анализ исследо-ваний показывает, что материальный поток – это имеющая вещественную форму продукция, находящаяся в состоянии движения, рассматриваемая в процессе приложения к ней логистических операций и отнесенная к опреде-ленному временному интервалу, который в данный момент времени перехо-дит в материальный запас. Размерность материального потока представляет собой дробь, в числи-теле которой указана единица измерения груза (штуки, тонны и т.д.), а в зна-менателе – единица измерения времени (сутки, месяц, год и т.д.).
Под информационным потоком авторами [71, 66] предлагается пони-мать совокупность сообщений, циркулирующих внутри логистической сис-темы, между логистической системой и внешней средой, необходимых для управления и контроля логистических операций. Информационный поток со-ответствует материальному и может представляться в виде бумажных и элек-тронных документов. Финансовый поток, на наш взгляд, – это направленное движение фи-нансовых ресурсов, связанное с материальными, информационными и иными потоками как в рамках логистической системы, так и вне ее. Присутствует мнение [66, 90], что финансовые потоки в том или ином виде существуют всегда при любых способах организации деятельности по оказанию услуг. Однако, как показывает практика, наибольшая эффектив-ность их движения достигается при применении логистических принципов управления материальными и финансовыми ресурсами. Не следует исклю-чать финансовые потоки из рассмотрения, так как они создаются и исполь-зуются для обеспечения эффективного движения товарных потоков. При этом их специфика заключается, прежде всего, в потребности обслуживания процесса перемещения в пространстве и во времени соответствующего пото-ка товарно-материальных или товарно-нематериальных ценностей.
Модифицированная логистическая модель совершенствования системы пассажирских перевозок с учетом динамично меняющихся потоков пассажиров
Анализ приведенной обобщенной постановки задачи совершенствова-ния системы городских пассажирских перевозок в рамках логистической мо-дели, показал, что в современных условиях целесообразно учитывать такие показатели, как динамический характер заказа услуги, изменения которого связаны не только с временем суток, а также с часами «пик», выходными и праздничными днями. Кроме этого, следует отметить, что в современных ус-ловиях изменение на более длительном интервале времени обусловлено раз-витием города и перераспределением пассажирообразующих районов, так как строятся новые жилые массивы, предприятия, торговые центры. Другой важной выделенной нами характеристикой заказа услуги является ее времен-ный характер, причем «время существования потребности на услугу» являет-ся достаточно малой величиной, по истечении которой пассажир отказывает-ся от своего «заказа» и добирается до пункта назначения другим по отноше-нию к рассматриваемому АТП способом.
Таким образом, мы получаем возможность сконструировать задачу опти-мизации функционирования транспортной системы. Оптимизация перевозочно-го процесса пассажиров предполагает построение математических моделей процесса перевозки и отдельных этапов её организации и объяснение причин-но-следственных связей между характеристиками процесса и выходными пара-метрами. Следует подчеркнуть, что моделирование пассажирских перевозок является чрезвычайно сложным и малоизученным вопросом, поскольку требует описания социально-экономических процессов и его невозможно осуществить без учета человеческого фактора. При этом необходимо изучить связи между уровнем развития автобусных перевозок и спросом на них. По этой причине важным отличием моделей работы пассажирского транспорта от моделей рабо-ты грузового является учет в них обратных связей между спросом и качеством обслуживания пассажиров.
Поэтому в процессе исследований была разработана и предлагается модифицированная логистическая модель оптимизации пассажирских пере-возок, вид которой представлен на рисунке 2.2.
Обозначения на рисунке 2.2 такие же, как на рисунке 2.1, кроме связи «Информационный поток по управлению услугой». Предлагаемая модифи-цированная модель совершенствование процесса управления городскими пассажирскими перевозками с применением логистического подхода была разработана на основе изучения особенностей применения логистического подхода и функционирования транспортной системы.
По мнению автора, звенья данной системы следует рассматривать, как отдельные объекты функционирования, объединенные потоками связей. С целью установления важности объектов нами проанализированы характери-стики каждого из них. Вследствие этого, вместо обобщенного понятия «пас-сажир» нами вводится понятие «Персона». Под категорией «Персона» пред-лагается понимать потребителя (пассажира) транспортной услуги, который отличается от «Потребителя» в классической трактовке логистической схемы потоками входящих и выходящих связей к данному объекту. Главными отли-чительными особенностями данной модели, во-первых, является то, что «Персону» предлагается рассматривать не только как «груз», который необ-ходимо перевести, но как заказчика и потребителя одновременно, во-вторых, для нее характерным является количество учитываемых связей между объек-тами системы и выделение групп показателей, влияющих на процесс проте-кания (объём, скорость) потоков между звеньями системы.
Поток связей между объектами «АТП» и «Персона», на наш взгляд, должен протекать с определенными условиями, поэтому псчитаем целесооб-разным рассматривать третий объект системы «Государство» как регули-рующее звено по предоставлению и оказанию услуг. Обязанностями «госу-дарства», как звена логистической системы, следует считать предоставление необходимого информационного и материального (для определённых кате-горий граждан) обеспечения «Персоны» и «АТП» с целью максимального удовлетворения населения в перевозках. Кроме того, «Государство» обеспе-чивает «АТП» определенными нормативно-законодательными актами, влияющими на работу предприятий и подвижного состава на линии, а так же предоставляет статистические данные о численности населения и категориях поездки в определенных районах города.
Важной характеристикой подобного подхода является её полная адек-ватность в условиях открытия новых маршрутов. В условиях же уже функ-ционирующих маршрутов принимают во внимание необходимость измене-ния показателей работы в сторону увеличения, а так же совершенствования всего транспортного процесса.
С этой целью предлагается ввести дополнительную связь между суще-ствующими объектами «АТП» и «Персона» (см. рисунок 2.2). На наш взгляд, это позволит получить оперативную информацию «АТП» об изменениях по-токов пассажиров по направлениям и времени (по часам суток, дням недели, месяцам и т.д.), а так же оценивать транспортную ситуацию в реальном вре-мени и корректировать работу подвижного состава на линии. Анализ дает возможность рассматривать информационный поток между «АТП» и «Пер-соной» как поток двойной направленности, который несет в себе оператив-ную информацию об изменениях расписания, загруженности маршрута, пас-сажирообразующих пунктах, а так же изменениях работы подвижного соста-ва на линии, связанных с определенными дорожными условиями («пробки», количество подвижного состава, интервал движения).
Анализ позволяет сделать вывод о том, что этот поток важно рассмат-ривать в потоках связи этих двух объектов, так как при рассмотрении этого потока между «Персоной» и «Государством» скорость предоставления ин-формации «АТП» может затянуться в процессе обработки, что не позволит предпринять оперативные меры по предоставлению «Персоне» услуги с за-данными параметрами. Отличительной особенностью предлагаемой модифи-цированной логистической модели пассажирских перевозок (см.рисунок 2.2), является введение понятия «Персона», количество учитываемых связей меж-ду объектами системы и выделение групп показателей, влияющих на процесс протекания (объём, скорость) потоков между звеньями системы
Конструирование системы генетического алгоритма оптимизации процесса управления городскими пассажирскими перевозками
Конструирование модифицированного генетического алгоритма (МГА) включает два этапа. В обобщенном виде структурная схема ГА оптимизации управления процессом городских пассажирских перевозок приведена на ри-сунке 3.6. Одной из присущих особенностей ГА является то, что результат поиска не зависит от начальных значений исходных данных, однако в том случае, если поиск начинается с популяции, в которой присутствуют перспективные хромосомы, соответствующие локальным минимумам, или близкие к ним, то время поиска может быть сокращено. Этап 1. На первом этапе алгоритма происходит подготовка начальной популяции .В качестве начальной популяции были выбраны пять групп хромосом с определенным набором генов: где – в данную группу входят хромосомы, в которыхинтервал движе-ния между остановочными пунктами не должен быть мень-ше ; – интервал движения между остановочными пунктами не дол-жен превышать ; – интервал движения между остановочными пунктами не дол-жен превышать ; – количество подвижного состава должно быть равно ; – в данную группы включаются хромосомы, в которых начало движения автобуса осуществляется с различных остановок, начиная с первой и заканчивая ,где – это количество последних остановок, откуда старт запрещен. Рисунок 3.6 – ГА оптимизации процесса управления пассажирскими перевозками Этап 2. На втором этапе производится итеративное изменение популя-ции. Для этого выбираются хромосомы-родители, затем выполняется опера-ция случайных изменений и в состав популяции включаются перспективные потомки на основе расчета целевой функции. Шаг 2.1. Селекция – выбор родителей для операторов. Для выбора родительской хромосомы предлагается использовать один из вариантов стратегии формирования выбора родительских пар. 1. Аутбридинг. Стратегия основана на скрещивании родителей, имею-щих дальнее родство. Под "родством" двух особей в данном случае понима-ется хэммининговое расстояние между их хромосомными наборами. Эта процедура используется в целях предотвращения преждевременной сходимо-сти алгоритма к уже найденным решениям, заставляя алгоритм просматри-вать новые неисследованные области. В популяции сохраняется генетическое разнообразие вероятных решений, а в качестве родителей выбираются хро-мосомы с максимально многообразными хромосомными наборами. 2. Инбридинг. В отличие от аутбридинга при формировании родитель-ских пар выбор падает на "близкородственные" особи. Инбридинг необходим дляформировании локальных групп и обеспечения достаточного многообра-зия решений. 3. Панмиксия. Пара родителей формируется случайным образом, т.е. хромосомы, которые составляют родительскую пару, случайным образом вы-бираются из всей популяции, при этом любая особь может стать членом не-скольких пар. Несмотря на простоту, данная стратегия универсальна при реше-нии различных классов задач. Ее универсальность основана на "непредсказуе-мости" введения особи в родительскую пару. Однако такой подход достаточно критичен к численности популяций, поскольку эффективность алгоритма реа-лизующего такой подход, снижается с ростом численности популяции. Существуют и другие схемы выбора родителей, такие как: турнирный, линейный, экспоненциальный ранговый отбор, отбор отсечением. Несмотря на популярность, эти схемы отбора неэффективны для локализации несколь-ких глобальных решений [73].
При проведении численных экспериментов с ГА исследуется эффективность аутбридинга и инбридинга как альтернативных стратегий выбо-ра родительских хромосом. Для реализации этих стратегий под "родством" хромосом рассматривается мера близости хромосом, определяемая оператором Select. Вычисляется значение целевой функции , , ха-рактеризующей эффективность сконструированного на данном шаге реше-ния, с применением методики расчета целевой функции. Изменение популяции. Если полученный потомок превосхо-дит худшую из хромосом родителей, то он занимает её место в популяции и осуществляется переход к следующему шагу.
Условием останова вычисления целевой функции является достижение максимального количества итераций Nитер. При этом производится выбор из популяции наилучшего решения. Это решение представлено в виде хромосо-мыP , у которой значение целевой функции является наилучшим среди всех хромосом текущей популяции. Таким образом, нами получено рациональное решение, содержащее такое расписание движение автобусов, которое приво-дит к максимуму целевой функции. Последовательность рассмотренных этапов работы алгоритма повторя-ется заданное количество раз. Для определения эффективности предложенных методов и подходов на основе генетического алгоритма оптимизации процесса управления перевозка-ми на базе АТП-3 «Транссервис» была внедрена и апробирована система кон-троля за движением автобусов на городском маршруте. Главными звеньями данной системы являются ГЛОНАСС – автобус – интернет – диспетчер (см. ри-сунок 3.7). Данные звенья соединяются потоками информации о движении автобу-са, которая сохраняется и выводится на монитор компьютера диспетчера в виде координат местонахождения автобуса на маршруте и ряда различных графиков движения. Так, на первом графике (см. рисунок 3.8) мнемосхема движения авто-буса по маршруту представлена в виде линейки с нанесенными условными номерами остановочных пунктов. В виде треугольников представляются ав-тобусы на линии, номер над треугольником показывает гаражный номер ав-тобуса. Верхнее расположение треугольников отвечает за местонахождение автобуса в данный момент времени, нижнее – по графику. Анализируя рас-положение иконок, можно определить отклонение от графика движения на количество остановок. На графической линейной схеме (см. рисунок 3.9) по оси ординат от-кладывается астрономическое время в определенном масштабе. Параллельно этой прямой, проходят в виде тонких серых линий остановочные пункты, ус-ловные номера которых расположены в начале прямых. Кроме этого, синей тонкой линией по оси абсциссы показывается график движение каждого ав-тобуса, гаражной номер которого располагается в точке начала движение и в конце прямой. В момент, когда тонкая синяя линия переходит в красный цвет, напротив гаражного номера автобуса появляется значение времени от-клонения от графика движения. Данный вид графика позволяет за минималь-ное время определить величину отклонения любого автобуса на линии от графика, без анализа отдельных этапов движения.
Последний график исполненного движения (см. рисунок 3.10) также, как и предыдущий, показывает астрономическое время, условные номера ос-тановочных пунктов, гаражные номера автобусов, и в виде тонкой линии движение автобуса по графику. Кривая исполненного движения отображает-ся толстой линией такого же цвета. Если кривая движения находится выше тонкой прямой, то автобус движется с опережением графика движения. В случае, если ниже прямой – с отставанием. В конце кривой исполненного движения, рядом с гаражным номеров автобуса отображается время отклоне-ния автобуса от графика движения до секунд. Данный график позволяет оп-ределять наиболее перегруженные участки маршрута за весь день и напря-женные участки маршрута в «часы пик».
