Использование многокритериальной оптимизации в системной диагностике состояния городской транспортной системы

Транспортная система является важным элементом современного города. От эффективности ее функционирования зависит развитие всего города, его конкурентоспособность при привлечении населения, возможности роста и развития. Любые преобразования в сфере транспортной инфраструктуры города сопряжены, как с социальным эффектом, так и со значительными капиталовложениями. В силу данных обстоятельств, лица, принимающие решение должны обладать точной и достоверной информацией о состоянии рассматриваемого объекта, о существующих в данной сфере проблемах. Для получения вышеозначенной информации применяется такой метод исследования, как диагностика.

Диагностика представляет собой процесс исследования определенного объекта с целью выявления его текущего состояния, определения существующих в нем проблем, что необходимо для разработки и принятия управленческих решений по совершенствованию функционирования городских транспортных систем.

Системная диагностика городской транспортной инфраструктуры представляет собой процесс выявления состояния данного социально-экономического комплекса, с целью выявления общей оценки его состояния, определения существующих проблем [1].

Системная диагностика включает в себя ряд последовательных стадий [1]: декомпозиция объекта диагностирования; определение системы показателей диагностики; определение способа оценки состояния каждого элемента объекта диагностирования; выявление эталонного состояния каждого элемента объекта диагностирования; определение реального состояния элемента диагностирования; оценка состояния элемента диагностирования; определение весового коэффициента значимости каждого элемента объекта диагностирования.

Оценка состояния элемента диагностирования находится путем определения отношения фактического значение показателя к эталонному (1):

, (1)

где x_i — оценка i-го элемента диагностирования; F_i — фактическое значение показателя диагностирования i-го элемента; E_i — эталонное значение показателя диагностирования i-го элемента; i — количество элементов диагностирования, изменяющееся в интервале от 1 до n.

Значение оценки будет варьироваться в интервале от 0 до 1, причем чем ближе состояние объекта диагностирования к эталонному, тем ближе значение оценки к 1.

При этом возникает необходимость определения величины, характеризующей состояние всей транспортной системы в целом — интегрального показателя. Для данных целей представляется целесообразным применение методов многокритериальной оптимизации (многокритериального выбора).

В настоящий момент, все методы многокритериальной оптимизации можно разделить на четыре группы [2].

1. Нахождение оптимума по Парето;
2. Условная оптимизация;
3. Введение суперкритерия;
4. Нахождение альтернативы с заданными свойствами.

При этом, оптимизация по Парето, как правило, дает множество решений. Применение условной оптимизации в данном случае, также не представляется возможным в силу отсутствия главного критерия оптимизации. Таким образом, нахождение интегральной оценки, в данном случае, может осуществляться при помощи введения суперкритерия, подразумевающего введение сверток, и нахождения альтернативы с заданными свойствами (табл. 1).

где A — интегральное значение; x_i — значение показателя диагностирования; α_i — весовой коэффициент значимости показателя диагностирования; n — количество показателей оценки; x_e — эталонное состояние элемента диагностирования.

Интегральная оценка изменяется в интервале от 0 до 1.

В результате проведения системной диагностики транспортной системы города Рязани получены следующие значения поэлементных оценок (табл. 2).

Интегральную оценку состояния всей транспортной инфраструктуры можно провести с использованием всех вышеперечисленных формул. Результаты системной диагностики представлены в табл. 3. В таблице использованы следующие обозначения: «Аддитивная 1» — расчет по первой формуле аддитивной свертки, «Аддитивная 2» — расчет по второй формуле аддитивной свертки.

Результаты интегральной оценки состояния транспортной системы иллюстрируют степень отклонения состояния всей транспортной инфраструктуры от необходимого состояния. Чем ближе эта оценка к 1 при применении сверток, и чем ближе к 0, при применении нахождения альтернативы с заданными свойствами, тем лучше состояние объекта диагностирования.

Результат диагностики варьируется от 0,19 (формула максиминной свертки) до 0,51 (нахождение альтернативы с заданными свойствами). Учитывая интерпретацию полученных результатов, можно сделать вывод, что не соответствие транспортной инфраструктуры города Рязани требуемому, составляет от 48% до 58%.

Рассмотренные методики дают приблизительно равные результаты определения интегральной оценки.

Предлагаемая методика апробирована на конкретных примерах внесения изменений в функционирование городской транспортной системы города. Одним из возможных вариантов решения проблем в сфере транспортного обслуживания населения города Рязани является перекрытие части центральных улиц для движения личного индивидуального транспорта [3]. При помощи имитационной модели транспортной системы города Рязани, созданной на базе программного продукта PTV Vision VISUM (в основе данного продукта лежит модель Д. Лозе [4], определено влияние данных изменений на транспортную систему города Рязани. Установлено, что при этом будет наблюдаться незначительное снижение скорости движения по ряду участков улично-дорожной сети. Такие изменения приведут к незначительному изменению величины поэлементной оценки состояния транспортной системы (табл. 4).

При перерасчете интегральной оценки состояния городской транспортной системы всеми предложенными методами, получены следующие результаты (табл. 5).

Расчеты показывают, что состояние городской транспортной системы в результате предлагаемых изменений практически не изменится.

Дополнительные социологические исследования [5] показали, что в долгосрочном периоде произойдет перераспределение пассажиропотоков в пользу общественного транспорта, в результате чего, поэлементная оценка примет следующий вид (табл. 6).

Интегральная оценка в долгосрочном периоде представлена в табл. 7.

В долгосрочном периоде, предлагаемые изменения приведут к незначительному улучшению состояния городской транспортной системы.

Таким образом, при помощи использования методов многокритериальной оптимизации, с целью нахождения интегральной оценки состояния городской транспортной системы выявлено, что предлагаемые мероприятия в краткосрочном периоде практически не изменят состояния городской транспортной системы, а в долгосрочном — приведут к незначительном улучшению ее состояния.