Со времени моей последней публикации на тему ИТС прошло уже больше года. Самое время продолжить прерванный разговор. Сегодня мы затронем тему правильного понимания предмета ИТС. Проблема понимания предмета неразрывно связана с пониманием роли и места автоматизации вообще, не только в области транспорта. Топтаться будем возле определения ИТС, от которого потянутся довольно любопытные логические связки. Затронем тему моделирования транспортных потоков и концептуальную роль ИТС в управлении транспортными потоками. Чтиво получилось совсем не развлекательное. Но так как на Хабре (да и вообще в рунете) царит тишина на данную тему (если не считать случайных опусов всяких «гуманитариев»), приходится нести тяжкое бремя просвещения и аккуратно излагать базовые вещи.

НАША ГЛАВНАЯ БЕДА

В вопросах создания интеллектуальных транспортных систем мы еще не набили достаточного количества шишек – эта сфера относительно новая, своих специалистов практически нет, внедрения единичны, да и те можно считать смелыми экспериментами за государственный счет, а не чем-то имеющим практическую пользу. Даже сам термин «ИТС» пока что обозначает непонятно что. Официальной трактовки не существует, несмотря на то, что в области ИТС уже есть первый стандарт ГОСТ Р ИСО 14813-1 «Рекомендуемая модель архитектуры для сектора ИТС». Именно так, стандарт есть, а определения ИТС в нем нет.

В русской Википедии приводится перевод определения ИТС с английского, которым мы и будем пользоваться (прошу прощения за жирный курсив, но так определение не потеряется в массиве текста):

ИТС — это интеллектуальная система, использующая инновационные разработки в моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков, предоставляющая конечным потребителям большую информативность и безопасность, а также качественно повышающая уровень взаимодействия участников движения по сравнению с обычными транспортными системами. (Ссылка на статью)

Интеллектуальные транспортные системы являются местом соприкосновения автотранспортной индустрии и индустрии информационных технологий и базируются на двух «китах» – моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков.

Определение ИТС дает нам представление о главных целях:

• Информативность и безопасность;
• Качественно новый уровень информационного взаимодействия участников дорожного движения

Приведенное определение содержит в себе все необходимое для правильного понимания вопроса. Единственное, что нам мешает понимать его правильно и поступать правильно – это наше традиционное восприятие. Прошу отнестись к этой мысли серьезно: у нас есть все что нужно для дела, кроме правильного образа мышления! В данном контексте под "правильным" образом мышления понимается образ мышления, достаточный для понимания западного подхода к предмету и для использования имеющихся в наличии инструментов решения задач, не более того. За вселенскими истинами мы с вами гнаться не собираемся.

Западный инженер мыслит функциями, он в первую очередь сосредоточен на том, что должна делать система. В нашем же мышлении «зашито» объектное представление о мире, нам важны реальные объекты, то есть, мы думаем прежде всего о том, как будет работать система. Это различие не столь неуловимо, как может показаться с первого взгляда.

Приведу пример. Слово «сервер» для западного инженера обозначает нечто, предоставляющее услуги, сервис. То есть, функцию. Для нашего инженера «сервер» в первую очередь это железный ящик с лампочками, то есть, объект. Для придания смысла нам приходится использовать разнообразные костыли: «серверное приложение», «почтовый сервер», «сервер очередей» и т.п. И все равно, даже с костылями нам приходится нелегко – при словах «почтовый сервер» нам все равно представляется ящик с лампочками, который отправляет почту.

Все это совсем не шутки. Мыслить объектами реального мира, конечно, можно. Но это привилегия высочайших профессионалов, которые столь виртуозно владеют функциональной декомпозицией, что стороннему наблюдателю это становится незаметно. Глядя на жонглеров в цирке тоже может показаться, что подбрасывать и ловить предметы легко и просто. Но только полные идиоты могут искренне считать, что они могут повторить трюки жонглера без обучения и тренировки. К сожалению, то, что всем очевидно в цирке, далеко не всем очевидно в технологиях.

Здесь ИТС бессильны (фото из личной мобилки)


Одной из самых болезненных проблем в проектировании информационных систем у нас является доминирование объектов и инструментов над функциональностью. Многие заказчики искренне считают, что информационные системы решают проблемы. Тогда как на самом деле информационные системы позволяют решать проблемы. Мы говорим «электродрель сверлит дыру». А на самом деле «электродрель позволяет просверлить дыру». Попадая в смысловую ловушку, мы подсознательно уверены, что покупка электродрели равна дыре в стене. А потом выясняется, что нужно уметь пользоваться дрелью, что для дрели нужно электричество, что нужно закаленное сверло определенного диаметра, что будет шум и пыль и т.д. И если в примере с дрелью мы примерно представляем себе процесс работы и можем догадаться о том, что необходимо еще кроме покупки инструмента, то в случае более сложных систем мы можем пребывать в сладкой иллюзии до самого конца проекта.

Вернемся теперь к определению ИТС и рассмотрим его в новом свете. ИТС, повторюсь, базируется на моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков. «Наш человек», прочитав определение, тут же делает вывод о том, что ему нужны:

1. Система для транспортного моделирования;
2. Средства регулирования транспортных потоков.

«Наш человек» пишет ТЗ, где расписывает подробные требования к системе моделирования и средствам регулирования транспортных потоков. Он может хорошо изучить имеющиеся на рынке системы, подробно их описать. Эти системы привезут, развернут и подключат. Может быть, даже в срок.

Есть теперь у нас ИТС? Наш человек однозначно ответит «да». Западный человек однозначно ответит «нет». Потому что наш человек оценивает наличие оборудования, а западный человек оценивает выполнение соответствующих функций.

Спросите нашего человека, каким именно образом закупленное им оборудование будет способствовать достижению целей (см. определение ИТС): повышать информативность, безопасность и улучшать информационное взаимодействие? Скорее всего, ответа не будет. Потому что ответ лежит в области функциональной декомпозиции, позволяющей перейти от поставленных целей к функциям будущих систем, попутно цепляя все необходимое из смежных областей.

Вопрос о применении тех или иных элементов ИТС в городе тесно связан с пониманием того, как именно мы планируем достичь целей. И переходить к техническим характеристикам оборудования нужно только после того, как мы определим основные пути решения задач.

ТРАНСПОРТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Снова возвращаясь к определению ИТС, читаем, что ИТС "это интеллектуальная система, использующая инновационные разработки в моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков".

Под словами «инновационные разработки в моделировании транспортных систем» может скрываться все что угодно, но если опираться на логику и технические знания, можно предположить, о чем идет речь.

Любая автоматизированная система управления, к которой в полной мере относится ИТС, делает одну простую вещь: она собирает информацию об объекте управления, анализирует ее и оказывает на этот объект прямое или косвенное управляющее воздействие.

Объектом управления для ИТС являются транспортные потоки. Источником информации об объекте управления являются датчики и детекторы на дороге, смежные информационные системы и ввод данных оператором.

А вот для анализа информации об объекте управления необходимо заложить в систему некое представление об этом объекте, которое и называется моделью. Детальность и точность модели определяется исключительно задачами, стоящими перед ИТС.

Транспортные модели делятся на математические и имитационные. Первые оперируют известными законами движения транспорта, представленными в виде формул, систем уравнений и т.п. Вторые имитируют движение отдельных транспортных средств, поведение водителей, работу светофоров и т.п. На практике же чаще применяется некая смесь математических и имитационных моделей.

Например, системы транспортного моделирования на макро уровне (страна, город, микрорайон) оперируют демографическими данными, понятиями «граф дорог», «зона притяжения», «транспортный спрос и предложение». В них заложены данные о проценте использования автомобилей населением, о пропускной способности улиц, о количестве парковочных мест у торговых центров. Макро-модель использует в основном математические методы моделирования и пытается ответить на вопросы: «а зачем и куда все едут?», «а хватит ли пропускной способности улиц, чтобы всех обслужить?», «а что будет, если эту улицу перекрыть?» и т.п.

Пример интерфейса программного пакета для макро-моделирования PTV Visum (источник)


Микро-модели оперируют конкретными объектами из «реального мира» – регулируемый перекресток, транспортная развязка, сеть улиц, автомобиль. При этом микро-модель «знает» о количестве полос движения, о наличии подъемов/спусков, о характеристиках двигателей автомобилей (как быстро они могут тронуться), о правилах движения и остановки. Чтобы микро-модель заработала на полную мощность, ей на вход необходимо подать информацию из макро-модели: количество и состав транспортных средств в определенные моменты времени (сколько легковых и сколько грузовых машин, сколько автобусов, трамваев и т.п.), особенности поведения водителей (часто ли перестраиваются, как часто следуют указаниям знаков и табло, соблюдают ли правила парковки). Если данные макро-уровня верны, микро-уровень позволяет с высокой точностью имитировать реальный транспортный поток.

Пример интерфейса программного пакета для микро-моделирования Aimsun (источник)


Основным назначением транспортных моделей является проведение экспериментов. Мы можем проверить, как те или иные изменения в организации движения отразятся на трафике. Мы можем настроить светофоры, принять решения о расширении улицы, о запрете или разрешении поворотов, об организации одностороннего движения. Модель поможет разработать временные планы организации движения на период проведения крупных мероприятий – соревнований, уличных парадов и т.п. На уровне города транспортное моделирование позволит принять решение о последствиях для транспортной обстановки строительства очередного торгового центра или нового микрорайона. Другими словами, транспортная модель – незаменимое средство по благоустройству города без тяжких последствий.

Чем точнее модель, тем больше разнообразной информации она хранит. Поддерживать модель в актуальном состоянии означает отражать в ней все изменения реального мира – перекрытия движения, ремонты дорог, появление новых дорог, светофоров, полос движения, жилых районов, школ, офисов и торговых площадей. Поддержание модели в актуальном состоянии – это трудоемкий и ответственный процесс, предъявляющий высокие требования к квалификации персонала, к организации внутренних процессов, к качеству и стабильности информационных каналов.

Согласитесь, мало кто у нас изначально задумывается над тем, что же действительно стоит за словами инновационные разработки в моделировании транспортных систем. Ведь организовать подобного уровня процесс, обучить людей, оплачивать их труд, договориться о предоставлении качественных исходных данных с разными ведомствами равносильно гражданскому подвигу в нашей стране! И это уж точно не то же самое, что покупка и инсталляция на компьютер системы моделирования.

ФУНКЦИИ ИТС

Когда мы разобрались с моделированием и моделями, можно переходить к функциям ИТС.

Вообще говоря, необходимость в ИТС при подобной постановке вопроса совсем не очевидна. Вполне вероятно, что большинство проблем удастся решить грамотным использованием имеющихся технических средств организации движения. Но когда имеющихся технических средств недостаточно, встает вопрос об использовании ИТС.

Не будем отходить от определения ИТС, и вспомним, что ИТС это не только "инновационные средства регулирования", но еще и система, "предоставляющая конечным потребителям большую информативность и безопасность".

Под «инновационными средствами регулирования» в условиях города понимают чаще всего сетевое координированное управление светофорами (так называемые «умные светофоры») и размещение цифровых информационных табло на развилках.

Также к средствам информирования относятся интернет-сайты для планирования поездок (наподобие известного сервиса Яндекс-пробки) и сервисы информационной поддержки водителей во время путешествия (разнообразные навигационные сервисы). Все это на самом деле тоже подсистемы ИТС, и в западных странах они являются частью единого информационного пространства.

Об «умных светофорах» я уже как-то писал на Хабре (ссылка), здесь же ограничимся быстрым пунктиром. Объединение светофоров в сеть само по себе очевидно и полезно, учитывая дешевизну электроники в наше время. При наличии системы уличного видеонаблюдения это позволит как минимум регулировать светофоры вручную, сидя в теплом офисе, а не стоя на грязной обочине с пультом.

Светофоры «умнеют» если перекресток снабжают системой детекторов транспорта, а в центре начинает работать специальный алгоритм. Необходимость в «умном» светофоре, а также настройки алгоритма управления определяют при помощи транспортной модели и специального «светофорного» модуля, позволяющего рассчитать начальные параметры цикла регулирования и определить границы автоматического управления.

Пример интерфейса программного пакета для конфигурирования «умных» светофоров TRANSYT (источник — «TRANSYT 14 User Guide»)


Точно так же определяется место установки цифровых табло и информация, которая на них будет выводиться в том или ином случае.

Очевидно, что элементы ИТС, устанавливаемые на городских улицах, должны заноситься в модель, и модель должна «знать» об алгоритмах работы адаптивных светофоров, табло и т.п. Например, для табло, рекомендующего выбирать для движения улицу А, а не улицу Б, в модели действует правило, что 80% автомобилистов последуют совету, а 20% традиционно проигнорируют, что тут же отразится на транспортных потоках. Современные системы моделирования умеют имитировать показания детекторов, размещаемых на виртуальных улицах, воздействие электронных табло и переменных знаков скоростных ограничений на транспортные потоки, позволяют создавать сложные управляющие сценарии в виде, пригодном для использования в ИТС. Пример сценария реагирования для ИТС: «Если детектор Х зафиксирует плотность потока 70%, то вывести на табло Y надпись M включить на светофоре Z режим N».

Управляющих сценариев может быть несколько сотен, при этом система транспортного моделирования может позволять автоматизировать процесс их генерации.

То есть, ИТС это не только оборудование на столбах и центр управления с громадным экраном. ИТС это в первую очередь интеллект – управляющие алгоритмы на основе моделирования реальных транспортных ситуации, а также процессы их составления, тестирования и внедрения.