CC BY
33
УДК 519.872.6
Д.Ю. Долгушин, Т.А. Мызникова
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, Омск
ПРИМЕНЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ К ОЦЕНКЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СХЕМ ОРГАНИЗАЦИИ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ
Введение
Изучение различных процессов реального мира с помощью экспериментов позволяет получить информацию, необходимую для принятия соответствующих управленческих решений. В таких областях деятельности, как, например, организация дорожного движения (ОДД), непосредственное проведение опытов на объектах автотранспортной инфраструктуры способно обернуться негативными последствиями, что заставляет прибегать к использованию методов моделирования. Универсальным и адекватным средством моделирования автотранспортных потоков являются модели на основе клеточных автоматов (КА).
1. Модель дорожного движения
Разработанная модель основана на стохастическом многополосном транспортном КА [1]. Время в модели дискретно; одна итерация (обновление конфигурации автомата) соответствует одной секунде - среднему времени реакции водителя на изменение дорожной ситуации. Обновление конфигураций ведется по заранее заданному набору правил, определяющему реакцию каждого автомобиля (ускорение, торможение, перестроение) на дорожную ситуацию (наличие выбоин, других машин, сигналы светофора и пр.). Модель позволяет учитывать эксплуатационное состояние дорожного покрытия, локальные скоростные ограничения и соединять произвольное число КА в сеть автоматов, соответствующих сети дорог [2]. В набор ее элементов также входят светофор, перекресток (регулируемый и нерегулируемый), пешеходный переход.
Для распараллеливания вычислений предусмотрено разделение модели УДС города на модели районов или кварталов, передаваемые разным исполнителям - процессорам, узлам вычислительных кластеров и т. д.
250
Программная реализация модели (на примере УДС г. Омска) [3] позволяет воспроизводить движение потоков автомашин с его визуализацией в ускоренном режиме на персональном компьютере средней мощности. Версия программы с распараллеленным моделированием реализуется на вычислительном кластере ОмГТУ.
Оценка альтернативных схем организации дорожного движения
Зачастую причиной затруднённого движения на дорогах являются локальные факторы: аварийное состояние дорожного полотна, износ покрытия железнодорожных переездов, расположение нерегулируемого перехода на оживлённой магистрали и т. п. Улучшения дорожной обстановки можно добиться путём внесения локальных изменений - с помощью изменения расположения, состава и/или качества элементов ОДД. Далее приведены эксперименты, имеющие целью оценку альтернативных схем ОДД для нескольких участков УДС г. Омска, проведённые с помощью разработанной модели. Сравнение схем основано на полученных с помощью вычислительных экспериментов данных и построенных на их основе фундаментальных диаграммах зависимости пропускной способности q от плотности движения к. Приведённые диаграммы по оси абсцисс содержат значения плотности потока в виде числа автомобилей на километр на одну полосу дороги.
Рассмотрим пример крестообразного перекрёстка, одна из дорог которого пересекается с трамвайными путями (ул. Масленникова - ул. Жукова, рисунок 1). Зона пересечения имеет асфальтовое покрытие, которое приходит в негодность ввиду вибрации головки рельса при движении трамваев. Как следствие, водители при преодолении участка замедляют ход, чтобы снизить динамическую нагрузку на подвеску автомобиля. Согласно данным наблюдений за участком, в среднем водители преодолевают его на скорости 30-40 км/ч, что отрицательно
сказывается на пропускной способности дороги.
^ м "
* її м
о
§ II II
Рис. 1. Схема ОДД на пересечении улиц Масленникова и Жукова
Одним из путей модернизации пересечения является замена асфальтового покрытия альтернативным износостойким (например, резинокордовым), которое позволит водителям двигаться без снижения скорости. Для оценки ожидаемого изменения пропускной способности участка проведена серия вычислительных экспериментов для обеих ситуаций. Число машин, прошедших через пересечение, учитывалось в течение часа, при этом шаг прираще-
251
ния плотности потока для каждого последующего эксперимента был выбран равным 9 авт/км, что позволило получить детализованную фундаментальную диаграмму.
Пересечение с трамвайным переездом средствами модели отображено с помощью индексов состояния дорожного покрытия. В данном случае использован индекс 2, для которого рекомендованная скорость движения составляет 40 км/ч. Учитывая, что ширина полотна составляет 7 м и водители замедляют ход заранее, для переезда выделено 3 ячейки, или 16,5 м.
1 5000 -|
1 0000 -
-=!
1—
П3
о1 5000 -
50
100 к, авт/км
150
200
о Фундаментальна я диаграмма для асфальтового покрытия х Фундаментальна я диаграмма для износостойкого покрытая
Рис. 2. Фундаментальные диаграммы альтернативных схем ОДД для улиц Масленникова и Жукова ^ - пропускная способность, к - плотность движения)
Как видно из фундаментальной диаграммы (рисунок 2), пропускная способность участка для всего диапазона плотности возросла на 13% (здесь и в дальнейшем, диаграммы зависимости средней скорости потока от его плотности в статье не приводятся). Увеличение числа машин, проходящих через участок с модернизированным покрытием, говорит в пользу внесения соответствующих изменений.
Следующим примером служит нерегулируемый перекрёсток, одна из дорог которого также пересекается с трамвайным переездом (ул. Лермонтова - ул. Куйбышева, рисунок 3). Необходимость уступать движущимся по главной дороге автомобилям, трамваям, а также
пешеходам, нередко приводит к образованию заторов на данном участке, который, к тому же, является однополосным в обоих направлениях.
Рис. 3. Схема ОДД на пересечении улиц Лермонтова и Куйбышева
252
В качестве альтернативной ситуации рассмотрим установку на данном участке трамвайного и автомобильного светофоров, работающих синхронно. На второстепенной дороге ожидается более высокая интенсивность движения, поскольку она, в отличие от главной, является двунаправленной. Поэтому длительность разрешающего сигнала для направления по ул. Куйбышева составила 40 сек, а по ул. Лермонтова - 30 сек. Участок переезда смоделирован аналогично предыдущему примеру. Приоритеты движения для исходного случая установлены с помощью соответствующих средств модели.
Рис. 4. Фундаментальные диаграммы альтернативных схем ОДД для улиц Лермонтова и Куйбышева
Результаты моделирования показаны на рисунке 4: согласно диаграмме, пропускная способность возрастает более чем в 2 раза (268%); средняя скорость потока автомашин при этом увеличивается на 11%. В совокупности эти показатели определяют необходимость изменения схемы организации движения на данном участке УДС.
Заключение
С помощью разработанной имитационной модели движения автотранспортных потоков получены сравнительные оценки различных схем ОДД на примере г. Омска, которые могут быть использованы в качестве исходных данных в процессе принятия управленческих решений. Среди задач моделирования могут быть и другие, например: оценка объёмов выбросов загрязняющих веществ автомобилями [1], оценка эффективности схем светофорного регулирования, комплексная оптимизация дорожного движения [4], оценка скорости сообщения и т.д. Широкий набор сфер применения делает данную модель универсальным средством, пригодным в качестве элемента систем управления дорожным движением [5].
Библиографический список
1. Долгушин, Д. Ю. Имитационное моделирование дорожного движения для оценки экологического влияния автотранспорта / Д. Ю. Долгушин, Т. А. Мызникова // Системы управления и информационные технологии. - 2009. -4.1(38). - С. 139-142.
2. Долгушин, Д. Ю. Компьютерное моделирование движения городского автотранспорта / Д. Ю. Долгушин, Т. А. Мызникова // Материалы 64-й научн.-техн. конф. ГОУ «Си-бАДИ» в рамках юбилейного Междунар. конгресса «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», посвящ. 80-летию академии / СибАДИ. -Омск, 2010. - Кн. 2. - С. 68-72.
253
3. Долгушин, Д. Ю. Библиотека моделирования автотранспортных потоков «Трафика» / Д. Ю. Долгушин. - Омск : [б. и.], 2010.- ОФЭРНиО, рег. № №2011614080 от 23.12.2010.
4. Задорожный, В. Н. Двухуровневое моделирование автотранспортных потоков на основе клеточных автоматов и систем с очередями / В. Н. Задорожный, Д. Ю. Долгушин, С. В. Кокорин // Пятая Всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» / ИММОД. - СПб., 2011. - С. 139-144.
5. Мазур, В.А. Структура программно-технического комплекса автоматизированного управления автотранспортными потоками на основе имитационной модели городской дорожной сети / В. А. Мазур, Д. Ю. Долгушин // Материалы Всероссийской научнопрактической конференции. - Волгоград, 2010. - С. 239-243.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-07-00149-а.
