Исследование и разработка человеко-машинных систем управления автомобилем с использованием аппарата нечеткой логики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Андреев, Сергей Викторович

  • Андреев, Сергей Викторович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2005, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.11.16
  • Количество страниц 134
Андреев, Сергей Викторович. Исследование и разработка человеко-машинных систем управления автомобилем с использованием аппарата нечеткой логики: дис. кандидат технических наук: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям). Санкт-Петербург. 2005. 134 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Сергей Викторович

Введение.

Глава 1 Человеко-машинные системы управления движением автомобиля.

1.1 Аналитический обзор литературы. Обзор проблематики.

1.1.2 Выводы аналитического обзора.

1.2 Методы решения задач нечеткого управления в человеко-машинных системах.

1.3 Профессиональное психологическое тестирование.

1.3.1 Технические и методологические принципы психологического тестирования.

1.3.2 Объектно-ориентированное тестирование.

1.4 Постановка задачи исследования.

1.4.1 Цели исследования.

1.4.2 Среда исследования.

1.4.3 Система управления.

1.4.4. Объект управления.

1.4.5. Имитационное моделирование.

Глава 2. Исследование нечетких систем в задачах управления и принятия решения.

2.1 Формализация задачи и параметров управления.

2.2 Нечеткие модели САУД.

2.3 Нечеткий регулятор, как средство реализации нечеткого управления.

2.4 Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование влияния характера поведения водителя на принятие решения в системах управления автомобилем.

3.1 Водитель в системе управления.

3.2 Выбор и обоснование критериев оценки характерных особенностей водителя.

3.3 Проверка надежности разработанных тестов.

3.4 Получение зависимости принятия решения водителей от их психофизических характеристик.

3.5 Исследование влияния зависимости принятия решения водителем от времени размышления.

3.6. Выводы по главе 3.

Глава 4. Оптимизационные правила работы водителя в решении задач тактического уровня системы управления автомобилем.

4.1 Информационно-измерительная система.

4.2 Формализация задачи системы управления тактического уровня.

4.3 Алгоритм поиска оптимального пути на карте местности.

4.4 Правила выбора оптимального пути из альтернативных вариантов.

4.5 Выводы по главе 4.

Глава 5. Система управления стратегического уровня.

5.1 Общая постановка задач функционирования С стратегического уровня.

5.2 Формализация задачи системы управления стратегического уровня.

5.3 Формирование основных стратегических условий.

5.4 Стратегия поиска клиентов

5.5. Выбор скорости передвижения по маршруту.

5.6. Результаты моделирования.

5.7 Выводы по главе 5.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», 05.11.16 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка человеко-машинных систем управления автомобилем с использованием аппарата нечеткой логики»

Актуальность вопроса оптимизации процессов управления автомобилем не подлежит сомнению и, подтверждается многочисленными исследованиями в этой области. Как правило, задачей подобных научных изысканий является разработка автоматических и автоматизированных систем управления автомобилем. При этом система автоматического управления движением (САУД) автомобиля должна обеспечивать определенную траекторию и интенсивность движения с заданной точностью и устойчивостью. Очевидно, что создание оптимальной САУД возможно лишь при учете свойств управляемого объекта и условий движения. При выборе параметров элементов системы управления и корректирующих звеньев необходимо учитывать динамические характеристики автомобиля, изменяющиеся в зависимости от скорости движения, состояния дорожного покрытия, рельефа местности и т. д. Адаптация САУД к режиму и условиям движения обеспечивается путем воздействия на органы управления с помощью определенных сил, нормируемых устройством! управления. А учет динамических характеристик автомобиля позволяет вырабатывать управляющие воздействия, обеспечивающие оптимальное управление с учетом ограничений, накладываемых условиями движения.

Однако надо заметить что, достигнуть высокого уровня автоматизированного управления, можно лишь в том случае, когда полно и адекватно учитываются все свойства и характеристики человеко-машинных систем. В частности, время влияние характера лица принимающего решения в человеко-машинных системах просто не учитывают. Что, безусловно, снижает адекватность модели САУД и, соответственно, качество управления.

Таким образом, актуально, прежде всего, изучение взаимодействия человека-оператора с системой управления автомобилем, и синтез оптимальных САУД с учетом полного набора условий функционирования и большого числа внешних воздействий, имеющих как априорно известный, так и заранее неизвестный вид, носящий вероятностный характер. В тех случаях, когда невозможно описать внешние воздействия с требуемой точностью, целесообразно воспользоваться принципами нечеткой логики и, соответственно, логико-лингвистическими уравнениями.

Целью диссертационной работы являлась разработка методов и средств оптимального выбора стратегии и тактики управления автомобилем в условиях 3 неопределенности среды и с учетом влияния характера водителя. Задачу необходимо было решить с использованием правил нечеткой логики, позволяющей эффективно оценить реакцию водителя на внешние возмущения и характер выбора им соответствующих стратегий и тактик в зависимости от текущих условий и выбранных параметров.

При этом решались следующие задачи:

- формализация неопределенностей среды функционирования;

- формализация психофизических особенностей поведения водителя;

- разработка специальных методик тестирования, позволяющих выявлять необходимые параметры и характерные особенности водителя;

- разработка алгоритмов, обеспечивающих решение оптимизационных задач тактического уровня;

- разработка управления в зависимости от выбранной стратегии и характерных свойств лица принимающего решения;

- исследование и учет влияния поведения водителя на функционирование системы управления движением автомобиля;

- разработка программных средств реализации правил управлении АТС с отображением динамического процесса в режиме реального времени на экране и с возможностью контроля и управления его параметрами и характеристиками.

Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись методы теории вероятности, теории оптимальных систем, теории нечеткой логики, теории психологического тестирования, математической обработки психологической информации, компьютерное моделирование.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны методы и средства оптимального выбора стратегии и тактики управления автомобилем, в которых впервые учтено поведение водителей;

- разработана и исследована методика тестирования водителей и система его формализации, позволяющие оценить характерные особенности поведения водителя в процессе принятия тех, или иных решений;

- разработана методика формализации условий и неопределенностей среды функционирования с целью формирования информационно-измерительной базы данных для человеко-машинной системы управления автомобилем;

- предложена методика исследования зависимости принятия решения водителем от его психофизической предрасположенности и имеющихся навыков, а также от климатических условий, дорожной обстановки и стратегических предпочтений.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- На основе предложенной специальной методики тестирования водителя, позволяющей выявлять его необходимые параметры и характерные особенности; разработаны три психологических теста, реализованные программно. Апробация тестов показала их допустимый уровень надежности

- Построена идентификационная система для формирования информационно-измерительной базы данных;

Проведено исследование характерных особенностей водителей и их непосредственное влияние на принятие решения в ситуационной задаче. В том числе, был изучен характер влияния поведения водителя на функционирование системы управления движением автомобиля;

- Разработан алгоритм выбора пути следования автомобиля-такси на основе экспертного нечеткого регулятора управления, с учетом изменения параметров окружающей среды;

- Разработана методика выработки правил управления человеко-машинных систем в условиях неполной определенности при решении стратегических задач;

- Разработана имитационная компьютерная модель системы управления и среды функционирования, позволившая провести апробацию разработанных алгоритмов;

- Все разработанные тесты и алгоритмы показали свою работоспособность и эффективность при получении результатов и выявлении необходимых данных, в установленных стратегических рамках в динамически изменяемой среде. Высокая степень эффективности достигалась удобством ввода исходных данных, контролем параметров задачи управления и наглядностью представления динамики процесса функционирования.

Результаты работы использованы в учебном процессе СПб ГУАП при подготовке студентов по специальности "Управление и информатика в технических системах" по дисциплине "Интеллектуальные системы управления".

Положения, выносимые на защиту: 1. Методика формализации условий и неопределенностей в человеко-машинной системе.

2. Методики психологического тестирования водителей, как лиц, принимающих решения.

3. Оптимизатор пути следования автомобиля-такси на основе экспертного нечеткого регулятора, позволяющий учесть большое число параметров окружающей обстановки.

4. Методика стратегического управления движением автомобиля в зависимости от свойств характера водителя и показателей управляющего процесса, полученных в результате работы обработчика информации, позволяющие реализовать эффективный контроль за действиями водителя, а также вырабатывать оптимальные управляющие решения в зависимости от характерных параметров и предпочтений водителя.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Третьей международной конференции "Логико-лингвистическое управление динамическими объектами" (Санкт-Петербург, 18-20 июня 2001 г.); Пятой международной конференции "Логико-лингвистическое управление динамическими объектами" (Санкт-Петербург, 18-22 июня 2003 г.); Пятой международной школе-семинаре: "БИКАМП» (Санкт-Петербург. 25-29 июня 2003 г.); Аспирантской сессии ГУАП 2004. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе параграф в коллективной монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы. Объем работы составляет 134 страницы, включая 36 рисунков и 25 таблиц. Список использованных источников включает 41 наименование.

Похожие диссертационные работы по специальности «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», 05.11.16 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Андреев, Сергей Викторович

Выводы по главе 5:

1) Преложенная структура стратегического уровня управления, обеспечивающего оптимальность выбираемых водителем стратегий для достижения требуемых целей управления, самым тесным образом переплетена со всеми остальными составляющими системы управления. Этим достигается возможность широкого применения разработанных стратегий на всех этапах решения задачи управления. А также это позволяет полно и правильно контролировать решения водителя с целью полноты учета зависимости принимаемых решений от характера водителя и условий движения. Последнее, в конечном итоге, позволит создать многокритериальную советующую систему, обеспечивающую значительное облегчение и оптимизацию работы водителя.

2) На стратегическом уровне функционируют блоки учета и корректировки текущих условий, а также правила стратегического принятия решения, учитывающие неопределенность параметров управления, так как система управления функционирует в условиях неопределенности начальных условий и параметров среды, необходимо поддерживать уровень эффективности управления на требуемом уровне в динамически изменяемой среде.

3) Разработана программная среда имитационного моделирования, позволяющая водителю, как лицу, принимающему решения, заполнить две специальные информационные формы характерных признаков и стратегических предпочтений. После чего, программа позволяет запустить рабочую сессию в установленных стратегических и параметрических рамках.

При этом предусмотрено несколько стратегических задач, которые водитель решает в реальном времени, посредством разработанного оптимизатора: темп движения, частота смены стратегии и тактики, выбор пути на перекрестке и поиск клиентов.

4) Разработана специальная методика, позволяющая отразить и реализовать последовательность выбираемых точек цели для выполнения одного из четырех видов стратегий (четкая, пошаговая, случайная и экспертная стратегия). Варьирование всеми вышеперечисленными стратегическими параметрами и условиями позволяет получить несколько тысяч возможных стратегий, в большей или меньшей степени подходящих каждому конкретному водителю. При этом предусмотрена возможность корректировки каждого выбранного параметра в любой момент времени.

5) Для исследования эффективности разработанной системы управления осуществлялось путем компьютерного моделирования. При этом для случайно изменяющихся вероятностей свойств среды была разработана специальная методика учета случайных событий. Так на карте местности в реальном времени производилась генерация клиентов, конкурентов и других параметров среды управления, в той или иной мере влияющих на стратегию, принимаемых водителем, решений.

6) Результаты компьютерного моделирования показали, что использование в разработанном оптимизаторе правил нечеткой логики привело к повышению качества управления. На стратегическом уровне помимо использования нечеткой логики была предложена методика учета стратегических предпочтений каждого водителя. Это позволило оценить степень влияния характерных особенностей водителя не только на выбор скорости передвижения, а также на выбор соответствующих стратегий поиска клиентов и выбора маршрутов для движения. Использование вышеперечисленных методик при решении стратегической задачи принесло в среднем двух кратное улучшение оптимальности принимаемых водителем действий.

6. Заключение

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1) Разработана методика формализации условий и неопределенностей среды функционирования для использования в человеко-машинной системе управления автомобилем, с целью формирования информационно-измерительной базы данных.

2) Разработана специальная методика тестирования водителя, позволяющая выявлять его необходимые параметры и характерные особенности.

3) На основе предложенной методики разработаны три психологических теста, реализованные программно. Апробация тестов показала их допустимый уровень надежности и эффективности получения результатов.

4) Проведено исследование характерных особенностей водителей и их непосредственное влияние на принятие решения в ситуационной задаче. В том числе, был изучен характер влияния поведения водителя на функционирование системы управления движением автомобиля;

5) Разработан оптимизатор пути следования автомобиля-такси на основе экспертного нечеткого регулятора и разработанных алгоритмов управления, позволяющих учесть большое число параметров окружающей обстановки.

6) Разработана методика выработки оптимизационных правил движения человеко-машинных систем в условиях неполной определенности при решении стратегических задач.

7) Предложена методика реализации правил управления в зависимости от выбранной стратегии, предпочтений и характерных свойств лица принимающего решения;

8) Разработана имитационная компьютерная модель среды функционирования, позволившая провести апробацию разработанных алгоритмов управления. Все разработанные тесты и алгоритмы показали свою работоспособность и эффективность при получении результатов и выявлении необходимых данных, в установленных стратегических рамках в динамически изменяемой среде. Высокая степень эффективности достигалась удобством ввода, контролем параметров задачи управления и наглядностью представления динамики процесса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Сергей Викторович, 2005 год

1. Патент на нечеткий регулятор САА на автомобиле BMW 328i

2. Низовой Анатолий Васильевич, «Устройство контроля за безопасностью движения автомобильного транспорта» Патент G07C5/08 2000.10.16;

3. Гаврилов А.Ю, «Устройство управления автомобилем», 20024. «Устройство Сташевского И.И. для обучения вождению автомобиля» Патент 2171501/G09B9/05;

4. Дунаев Леонид Михайлович, «Система комплексного управления движением транспорта», Патент G08G1/01, 1999.08.10;

5. N. ESSOUNBOULI «Adaptation Algorithm for Robust Fuzzy Controller of Nonlinear Uncertain Systems»

6. Yonmook Park «Nonlinear Optimal Control of Fuzzy Systems»

7. X. Yang "A Novel Intelligent Technique for Mobile Robot Navigation"

8. Alessandro Gallione "A Comparative Study for Autonomous Highway Driving System with Satellite-Based Positioning"

9. Y. Wakasa*, K. Iwaoka1 and K. Tanaka "MODELLING AND ROBUST CONTROL OF TRAFFIC SIGNAL SYSTEMS"

10. Rodolfo Villamizar, Ningsu Luo, Josep Vehi, Jose Rodellar «SEMIACTIVE CONTROL OF BASE ISOLATED STRUCTURES WITH ACTUATOR DYNAMICS»

11. N. Ramdani*, T. Poinot «NONLINEAR SYSTEM IDENTIFICATION IN PRESENCE OF NUISANCE PARAMETERS»

12. Куржанский А.Б. «Управление и наблюдение в условиях неопределенности», Москва, Наука, 1974

13. Городецкий А.Е. Тарасова И. Л. «Интегрированные системы автоматизации НИОКР» // Учебное пособие. Изд. СПбГТУ, СПб, 1998.

14. Городецкий А.Е. «Управление в условиях неполной определенности», СПГТУ, 2002

15. Аккоф Р., Эмери Ф. «О целеустремленных системах». М.: Сов. Радио, 1974.269 с. 18] Бураков М.В., Коновалов А.С. «Проектирование нейронных и нечетких регуляторов с помощью генетического алгоритма», 2002.

16. Терехов В.А. и др. «Нейросетевые системы управления», СПбГУ, 1999.

17. Анастази А., Урбина С. «Психологическое тестирование» 7-е изд. Питер. 2003

18. Nitko A.J. "Designing tests that are integrated with instruction"/ American Councill on Education, 1989)

19. Linn R.L., Gronlund N.E. "Measurement and assessment in teaching", 1995

20. Berk R.A. "A guide to criterion-referenced test consrtuction", Baltimore: Johns Hopkins University Press; 1984

21. Popham W.J., "Specifying the domain of content or behaviors", 1984.

22. Ветлинский B.H. «Автоматические системы управления движением», 1986

23. Румб, Медведев «Мощностной расчет автомобиля».

24. Сидоренко Е.В. Методы математической обработки в психологии. СПб. 2002.

25. Городецкий А. Е., Дубаренко В. В. Комбинаторный метод вычисления вероятности сложных логических функций // ЖВМ и МФ, 1999, том 39, № 7, с. 1246-1248

26. Руководство по работе над статистическим анализом в программной среде MatLab

27. Табак Д., Куо Б. «Оптимальное управление и математическое программирование». М. Наука, 1975.

28. Юдин Д.Б. «Вычислительные методы теории принятия решений». М. Наука. Гл. ред. Физ.-матлит., 1989.

29. Getzel J.W. and Jackson P.W. "Creativity and Intelligence". New-York: John Wiley and Sons, 1962.

30. Дейкстра Э. «Взаимодействие последовательных процессов» / Языки программирования. М. Мир, 1972.

31. Бураков М.В., Попов О.С. «Элементы искусственного интеллекта в проблеме управления сложным динамическим объектом» // А и Т, №8, 1997.

32. Leonid Reznik, Vladimir Dimitrov. "Fuzzy System Design"/ A.E Gorodetsky "Fuzzy Decision Making in Design on the Basis of the Habituality. Situation Application"

33. Заде JI., Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений / Под ред. Н.Н. Моисеева и С.А. Орловского, М. Мир, 1976

34. Городецкий А.Е., Дубаренко В.В. «Программные средства интеллектуальных систем», СПбГТУ, 2000.

35. Vitz P.C. "New psychological reasons for an old education method"/ American Psychologist, 1990.

36. Schmidt F.L., Hunter J.E. "Current Directions in Psychological Science", 1992.

37. Wiggins J. S., "Journal of Personality Assessment", 1996

38. Государственные экзаменационные билеты категорий «А» и «В», 2003.

39. Елисеев О.П. Практикум по психологии личности. СПб, «Питер», 2003.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.