СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR CONTROL OF MOVABLE OBJECTS MOTION

Изобретение относится к надводному и наземному транспорту и касается определения оптимального безопасного пути, а также временных параметров движения подвижных объектов в районе с интенсивным движением.
Известны способы определения маршрутов в автоматизированных системах управления движением подвижных объектов, базирующихся на сетевых методах управления, например, системы местоопределения транспортного средства (http://st.ess.ru/publicatios/articles/sputnav.htm), автоматизированная система диспетчерского управления наземным пассажирским транспортом «АСУ-Рейс», система НЭЖАН (http://www.gruzovikpress.ru/article/passenger/2005_05_A_2005_07_06_11_24_27/) АСУ «Автовокзал» (http://www.kisavto.ru/princ.phtml), автоматизированная система диспетчеризации горно-транспортного оборудования (http://www.nvkvist.ru/solutions/gps.htm). Эти методы основаны на использовании специализированных маршрутных сетевых таблиц для планирования маршрутов. Задачи планирования решают в постановке задач теории расписаний. При этом составляют долгосрочные планы и графики движения. При возникновении необходимости изменить маршрут во время движения решение об изменении маршрута принимает водитель подвижного объекта, сообразуясь со своим опытом и интуицией при соблюдении общих требований безопасности движения. К недостаткам этих методов определения траектории (маршрутов) движения относятся следующие:
1) использование маршрутных таблиц требует значительных объемов памяти ЭВМ для хранения;
2) технически невозможно быстро получить запись оптимального маршрута движения и прогнозированных оценок параметров движения и времени в пути;
3) сильное влияние человеческого фактора на процедуру определения траектории в процессе движения, что особенно опасно при движении в районе с интенсивным движением в условиях ограниченной видимости или при наличии плохо различимых объектов (или объектов с плохой отражающей способностью, например, судов);
4) повышенная психоэмоциональная нагрузка на водителя подвижного объекта при движении в районе с интенсивным движением, которая может привести к накоплению усталости и ослаблению внимания в пути;
5) при возникновении ситуации опасного сближения подвижных объектов от водителя требуется быстрая оценка ситуации и быстрое принятие решения, при этом скорость реакции водителя на опасную ситуацию в сильной степени зависит от личностных характеристик водителя подвижного объекта (ПО);
6) использование диспетчерских служб с обязательным участием человека (диспетчера, оператора).
Схема управления во всех случаях однотипная: информация, полученная с радаров, обрабатывает и анализирует диспетчер в Центре управления движением ЦУД (СУДС, Управления полетами). Если диспетчер обнаруживает какую-либо опасность, он связывается с объектом и передает туда информацию. Такая схема имеет ограничения, связанные с человеческим фактором (накапливаемая усталость, снижение внимания при большом числе объектов наблюдения, ошибки в принятии решений и др.). Диспетчер может обеспечить наблюдение и помощь ограниченному числу объектов, находящихся в пределах одного небольшого сектора акватории, который можно контролировать без переключения дисплеев.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ управления воздушным движением (Пат. №2134910, опубл. 20.08.1999), в котором путем получения информации о координатах воздушных судов и параметрах их движения с помощью радиолокационного комплекса (РЛК) и средств радиосвязи, вторичной обработки полученной информации в вычислительном комплексе (ВК) автоматизированной системы управления движением, отображения на экране индикатора обстановки информации о движении воздушных судов и об угрозе их столкновения, оценки диспетчером фактических и прогнозируемых интервалов между ними, принятия решения о необходимости и виде вмешательства в движение и управление движением судов с помощью команд, которые передаются экипажу через средства радиосвязи, все воздушные суда, которые находятся в зоне управления, разделяют на три группы, в каждую из которых входят суда, требующие управления с вероятностью, равной нулю, с вероятностью, равной больше нуля, но меньше единицы, и с вероятностью, равной единице. Способ прост и позволяет значительно повысить безопасность полетов и пропускную способность системы управления движением.
Однако в этом способе, принятом за прототип, основная нагрузка в выработке решения лежит на диспетчере, т.е. чрезвычайно сильно влияние человеческого фактора. Кроме того, хотя скорость выработки и доставки управляющего решения достаточно высока, все-таки ее может оказаться недостаточно для быстрого реагирования в случае возникновения опасной ситуации, если учесть инерционность и ограничения, накладываемые техническими возможностями исполнительных механизмов подвижных объектов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в обеспечении безопасности движения в районах с интенсивным движением транспорта, сокращении времени выработки управляющих решений и упрощении функций диспетчера в управлении движением ПО.
Для достижения указанного технического результата в способе определения траектории и параметров движения подвижных объектов путем получения информации о координатах подвижных объектов и параметрах их движения, вторичной обработки полученной информации в вычислительном комплексе автоматизированной системы управления движением, отображения на экране индикатора обстановки информации о движении подвижных объектов, принятия диспетчером решения о вмешательстве в движение подвижных объектов, дополнительно используют поворотные точки, в т.ч. первую и последнюю поворотные точки в пути следования подвижных объектов, представляющие собой географические координаты на подконтрольной территории, в которых подвижные объекты изменяют направление движения, определяют координаты этих точек с учетом особенностей местности, размещают их на экране индикатора обстановки, присваивают им кодовые номера, соединяют точки дугами и строят граф кодовых пересечений (ГКП), на основании построенного ГКП и с использованием кодовых номеров первой и последней поворотных точек определяют оптимальный по наименьшему числу поворотных точек безопасный путь движения каждого подвижного объекта, включают этот путь в построенный ГКП, рассчитывают с помощью вычислительного комплекса рекомендуемые параметры движения для каждого подвижного объекта, формируют пакет информации с включением в него кодовой записи пути, географических координат поворотных точек, рекомендуемых параметров движения для каждого подвижного объекта, затем передают этот пакет информации на подвижный объект с помощью стандартных средств телекоммуникаций, диспетчер же осуществляет только визуальный контроль обстановки на подконтрольной территории и принимает решение о вмешательстве в движение подвижных объектов только в случае возникновения нештатной ситуации.
В случае невозможности принятия предлагаемого пути производят его перерасчет.
Отличительными признаками предлагаемого способа от способа-прототипа являются использование поворотных точек, в т.ч. первой и последней в пути движения ПО, которые представляют собой географические координаты на контролируемой территории, в них ПО изменяют направление движения, определяют координаты этих точек с учетом особенности местности, размещают их на экране индикатора обстановки, присваивают им кодовые номера, точки соединяют дугами и строят граф кодовых пересечений (ГКП), на основании построенного ГКП и с использованием кодовых номеров первой и последней поворотных точек в пути следования ПО определяют оптимальный по наименьшему числу поворотных точек безопасный путь для каждого ПО, включают его в ГКП, формируют пакет информации с включением в него кодовой записи пути, географических координат поворотных точек, рекомендуемых параметров движения для каждого ПО и передают его на ПО. Диспетчер же осуществляет только визуальный контроль обстановки на подконтрольной территории и принимает решение о вмешательстве в движение ПО только в случае возникновения нештатной ситуации. В случае невозможности принятия предлагаемого оптимального пути водителем ПО производят его перерасчет.
Благодаря наличию этих признаков обеспечивается:
1) безопасность движения в районе с интенсивным движением с помощью использования минимального стандартного набора технических ресурсов в составе навигационного комплекса подвижного объекта (ПО) и средств АИС - автоматизированной информационной (идентификационной) системы без привлечения дополнительных технических ресурсов;
2) эффективность «разведения» подвижных объектов на подконтрольной территории (акватории), которое исключает их опасное сближение;
3) быстрое получение координат поворотных точек оптимального безопасного пути движения ПО с учетом возможности быстрой корректировки пути в процессе его обслуживания;
4) быстрое получение прогнозированной оценки времени в пути при движении по вычисленному пути по предлагаемой ниже формуле;
5) сокращение общего времени в пути за счет сквозного прохода территории;
6) экономия памяти компьютера, т.к. реализация способа не требует наличия и хранения маршрутных таблиц;
7) исключение диспетчера Центра управления движением (ЦУД) из основного контура выработки решения, что в значительной степени уменьшает влияние человеческого фактора на систему; на диспетчера возлагается функция общего контроля ситуации и корректировки решений только в случае возникновения нештатных ситуаций;
8) возможность влияния водителя ПО на процедуру принятия решения (выбор из альтернативных вариантов, принятие, отклонение предложенного маршрута), что обеспечивает реализацию водителем ПО своей ответственности за безопасность движения и не ограничивает его в действиях.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.
На фиг.1 представлена обобщенная структурная схема управления движением подвижных объектов, на фиг.2 - ориентированный ГКП (3, 2, 1), на фиг.3 - неориентированный ГКП (3, 2, 1), на фиг.4 - определение оптимального пути в ориентированном ГКП, на фиг.5 - корректировка пути в процессе проводки подвижного объекта (судна).
Способ реализуется следующим образом. В автоматизированную систему управления движением подвижных объектов входят следующие основные комплексы (фиг.1): вычислительный комплекс, расположенный в помещении центра управления движением ПО и включающий индикатор обстановки для отображения информации о движении ПО, средства телекоммуникаций, средства наблюдения, обнаружения и идентификации подвижных объектов, вычислительный модуль подвижного объекта (ЭВМ, контроллер), расположенный на последнем. Основные связи в структуре взаимодействия элементов в автоматизированной системе управления движением подвижных объектов показаны сплошной линией, взаимодействие водителя ПО в системе показано пунктирной линией; облегченные функции диспетчера отмечены также пунктирной линией (фиг.1).
Информацию о координатах подвижных объектов и параметрах их движения получают с помощью средств наблюдения, обнаружения и идентификации (РЛС, САРП, ТВ, СНС ГЛОНАСС/GPS, АИС), средств телекоммуникаций (PC, сотовая связь, ГМССБ) и по запросам от водителей ПО, обрабатывают ее в центре управления движением (ЦУД) с помощью вычислительного комплекса (ЭВМ) и отображают на экране электронного индикатора визуального представления данных (дисплей, монитор) обстановки на подконтрольной территории (акватории). Затем дополнительно используют поворотные точки, в т.ч. первую и последнюю поворотные точки, в пути следования подвижных объектов (ПО), их назначают и размещают на карте местности или планшете, определяют их координаты с учетом особенностей местности. Эти точки представляют собой географические координаты на подконтрольной территории, в них подвижные объекты изменяют направление движения. Программным путем формируют математическую модель движения подвижных объектов (ПО), для этого поворотные точки, в т.ч. первую и последнюю в пути следования ПО, размещают на экране индикатора обстановки и присваивают им по специальному правилу кодовые номера в виде набора логических символов «0» и/или «1», соединяют их дугами таким образом, что строят некоторый ориентированный или неориентированный граф кодовых пересечений ГКП (n, k, r) с параметрами: n - длиной кодовых комбинаций номера, k - основанием кода и r - мощностью пересечения кодовых комбинаций номеров или его подграф (фиг.2, 3). Полученный таким образом ГКП является схемой для формализованного определения назначаемых траекторий движений обслуживаемых ПО. Информация о путях ПО заложена в системе нумерации точек. На основании построенного ГКП и с использованием кодовых номеров первой и последней поворотных точек в пути следования ПО определяют программным путем по наименьшему числу поворотных точек оптимальный и безопасный путь движения для каждого ПО, принятого на обслуживание, включают этот путь в построенный ГКП. С помощью вычислительного комплекса рассчитывают рекомендуемые параметры движения (скорость, интервал движения, время в пути), затем формируют пакет информации, в который включают кодовую запись пути, рассчитанные параметры движения для каждого ПО и передают этот пакет информации на ПО с помощью стандартных средств телекоммуникаций. Переданная информация отображается на дисплее ЭВМ подвижного объекта для визуального контроля. В случае, если водитель ПО не может принять предлагаемый путь, он формирует об этом сообщение и отправляет его в ЭВМ ЦУД, программным путем производят перерасчет пути и сообщают об этом водителю ПО. В случае обнаружения средствами контроля обстановки опасного сближения ПО производят корректировку пути и сообщают об этом водителю ПО, информация отображается на дисплее ЭВМ ПО.
Определение оптимального по числу промежуточных поворотных точек пути сводится к выполнению ряда вычислительных процедур над кодовыми комбинациями номеров поворотных точек в траектории движения (вершины графа). Для определения пути ранга l в ГКП (n, k, r) надо, используя кодовые последовательности символов в записи номеров точек движения в ГКП (которые соответствуют двум поворотным точкам - отправления и назначения), составить кодовую последовательность символов. Эта кодовая последовательность представляет собой сокращенную запись пути ранга l. Множество таких последовательностей
i
где a,  - кодовые комбинации номеров точек, является множеством путей рангом l, исходящих из вершины N и входящих в вершину N'.
При чтении этой последовательности по n символов с шагом r символов получают последовательность номеров точек, составляющих кратчайший путь, который включает (l+1) точек. В случае необходимости изменения траектории движения может быть вычислен путь длиной любой кратности и возможные альтернативные пути.
В зависимости от соотношения параметров ГКП при определении пути возможны два случая.
Случай 1. n≤lr. Имеем n+lr=2n+(lr-n). В этом случае в кодовой последовательности записи пути
1
2
n
lr+1
lr+2
lr+n
n+1
n+2
lr
ранга l фиксированы первые n символов ε, ε, …, ε, соответствующие номеру N (где эта точка на чертеже?) исходящей вершины в ГКП (n, k, r), и последние n символов а'=ε, ε, …, ε, соответствующие номеру N' (на каком чертеже она?) входящей вершины. Подбираем такие значения ε, ε, …, ε, чтобы при чтении (2) в соответствующей последовательности (1) не было совпадающих кодовых комбинаций. Для этого проверяем условие
n+1
n+2
lr
Меняем значения ε, ε, …, ε так, чтобы выполнялось (3), получаем множество путей длиной / из N в N'
Очевидно, что это множество может быть пустым.
1
2
n
lr+1
lr+2
lr+n
Случай 2. lr≤n. Номеру N в (2) соответствует ε, ε, …, ε, а номеру N' соответствует ε, ε, …, ε. При существовании пути ранга l из N в N' последние n-lr символов N совпадают с первыми n-lr символами N'. Если в последовательности (4), соответствующей (1), все кодовые комбинации различны между собой, то эта последовательность определяет путь длиной l из N в N'.
Задача определения кратчайшего пути из N в N' сводится к определению последовательности (4) наименьшей длины, удовлетворяющей условию (3).
Для демонстрации применения алгоритма определяем кратчайший путь движения ПО (например, судна), следующего из вершины 1100 в вершину 0001 в ориентированном ГКП (4, 2, 1) (фиг.4). В соответствии с алгоритмом в начале определяем число символов в пересечении двух соседних кодовые комбинаций n-r=4-1=3. При существовании пути непосредственно из вершины 1100 в вершину 0001 три последних символа кодовой последовательности 1100 совпадают с тремя первыми символами кодовой последовательности 0001. Это условие не выполняется, следовательно, пути из точки 1100 в точку 0001 длиной l=1 не существует. В этом легко убедиться по чертежу (фиг.4). Вычисляем n-r-1=4-1-1=2. При существовании пути длиной l=2 два последних символа кодовой последовательности 1100 совпадают с двумя первыми символами кодовой последовательности 0001. Замечаем, что это условие выполняется. Следовательно, должен существовать путь длиной l=2 из вершины 1100 в вершину 0001. Для его определения составляем из номеров 1100 и 0001, совместив совпадающие символы, последовательность 110001, которая и является сокращенной записью кода полного пути ранга l=2 из точки 1100 в точку 0001. Читаем эту последовательность слева направо по n=4 символов с шагом в r=1 символов:
Получаем кодовую запись пути; 1100-1000-0001, ранг которого равен 2.
Если повторить эту процедуру снова, то на следующем шаге итерации можно определить кодовую запись пути, ранг которого равна 3 и т.д. Таким образом, можно определить альтернативные пути любой степени кратности.
Пусть в процессе движения судна по выбранному маршруту обнаружено, что полоса движения 1000-0001, входящая в выбранный ранее путь, не может быть использована для движения (например, промысловое судно заблокировало эту полосу). Определяют путь из вершины 1000 в вершину 0001, применив для этого указанную выше процедуру с самого начала. Получают скорректированную кодовую запись пути: 1000-0000-0001 (фиг.5). Указанная процедура корректировки траектории может быть проведена на любом шаге проводки судна.
Значения скоростей, интервалов и среднего минимального времени движения подвижных объектов (судов) рассчитывают в вычислительном комплексе с помощью специальных выражений, заложенных в программе.
К преимуществам предлагаемого способа можно отнести:
1) процедура определения кратчайшего пути проста по технологии, экономична в отношении используемой памяти и не требовательна к системным требованиям вычислительных средств (контроллер, ЭВМ);
2) она может быть выполнена любой рабочей станцией в составе навигационного комплекса, имеющегося на ПО;
3) формализованная процедура не требует специализированных маршрутных сетевых таблиц и освобождает диспетчера ЦУД от участия в выработке решения в штатном режиме;
4) применение способа обеспечивает безопасность движения в районе с интенсивным движением транспорта.
5) использование способа с применением средств АИС обеспечивает своевременную корректировку траектории движения.