Имитационное моделирование транспортных потоков при координированном режиме управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Кузин, Михаил Валерьевич

• Кузин, Михаил Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузин, Михаил Валерьевич

Перечень условных сокращений.

Глава 1. Введение.

1.1. Введение.б

1.2. Проблемы дорожного движения в мире и России.

1.3. Свойства и проблемы управления транспортными потоками в УДС города.

1.4. Математическое моделирование транспортных потоков.

1.5. Методы управления транспортными потоками.

1.6. Координированное управление.

1.7. Существующие модели прототипы координированных потоков.

1.8. Цели и задачи данной работы.

1.9. Объект и предмет исследования.

1.10. Практическая значимость работы.

Глава 2. Имитационная модель движения транспортных потоков.

2.1. Введение.

2.2. Основные понятия.

2.2.1.Характеристики транспортного потока.

2.2.2. Параметры среды.

2.2.3. Управляющие воздействия.

2.3. Общее описание модели.

2.4. Преобразование функции интенсивности потока на элементах сети

2.4.1. Стоп линия на регулируемом многофазном перекрестке.

2.4.2. Разделение потоков.

2.4.3. Слияние потоков после стоп лини на регулируемом перекрестке.

2.4.4. Движение потока по перегону.

2.4.5. Поток на нерегулируемых пересечениях.

2.4.6. Сужение проезжей части.

2.5. Критерии качества.

2.5.1. Расчет показателя качества управления на стоп линии перекрестка

2.5.2. Особенности расчета задержки ТС при*уменьшении пропускной способности проезжей части.

2.5.3. Особенности расчета задержки ТС при лево-поворотном конфликтующем потоке.

2.6. Устойчивость параметров управления.

2.7. Пример построения математической модели транспортных потоков

Глава 3. Оценка адекватности работы модели.

3.1. Задачи, объект и методика проведения исследования.

3.2. Порядок проведения исследования.

3.3. Особенности проведения моделирования.

3.4. Результаты натурно модельного эксперимента №1.

3.5. Результаты натурно-модельного эксперимента №2.

3.5.1. Задача эксперимента.

3.5.2. Порядок проведения эксперимента.

3.5.3. Условия проведения-эксперимента.

3.6. Результаты модельного эксперимента №3.•.

3.6.1. Эффективность нерегулируемых пересечений на примере слияний потоков.

3.6.2: Эффективность учета сужения проезжей части.

3.6.3. Эффективность учета лево-поворотных,просачивающихся потоков

3.7. Выводы по экспериментальной части работы.

Глава 4. Программное обеспечение для моделирования транспортных потоков.91'

4.1.Постановка задачи на разработку.

4.1.1. Задача.

4.1.2. Требования к программе.

4.1.3. Возможности программы.

4.2. Концепция проекта. ^

4.3. Алгоритмы и структура программы.

4.4. Алгоритмы основных методов.

- *.Уо

4.5. Формы входных и выходных данных.

••.У У

4.6. Возможности и особенности программы.

4.7. Основные качества разработанного программного обес:^^^^^^ ^^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Имитационное моделирование транспортных потоков при координированном режиме управления»

Безопасность дорожного движения и эффективность автомобильных перевозок в значительной мере определяются качеством организации дорожного движения (ОДД), в основу которой входит управление транспортными и пешеходными потоками. Незнание природы их и характера ограничивает возможности планирования рациональных мероприятий по организации дорожного движения, их оптимизации и оперативной коррекции в соответствии с изменившимися условиями. В крупных городах данная проблема приобретает особую остроту. Ситуация усложняется такими тенденциями, как постоянно возрастающая мобильность населения, уменьшение перевозок общественным транспортом и увеличение перевозок личным транспортом, нарастающий разрыв между увеличением количества автомобилей и протяженностью улично-дорожной сети (УД С), не рассчитанной на современные транспортные потоки (ТП).

Для поиска эффективных стратегий управления транспортными потоками в мегаполисе, оптимальных решений по проектированию улично-дорожной сети и организации дорожного движения необходимо учитывать широкий спектр характеристик транспортного потока, закономерности влияния внешних и внутренних факторов на динамические характеристики смешанного транспортного потока.

1.2. Проблемы дорожного движения в мире и России

Основными проблемами дорожного движения в России являются дорожно-транспортные происшествия (ДТП), пробки на дорогах крупных городов, особенно в Москве и Санкт-Петербурге [27] и связанные с высоким количеством транспорта экологические проблемы, загрязнение воздуха и почвы.

В России смертность в результате дорожно-транспортных происшествий в 15 раз выше, чем в странах Европы или в США. Только за тысяч последние десять лет на российских дорогах погибли более 315 человек. По данным Министерства здравоохранения и с°Ци:алхьного раз в 2006 году в РФ было зарегистрировано 230 тысяч ДТГТ в которых 285 тысяч человек получили травмы различной тяжести, 37,9 тысячи погибли. Всего за период с 2002 по 2006 год по этой ппичргкг т. в Российской

Федерации погибло 164,9 тысячи человек.

По данным с сайта федеральной целевой програмгупы «Пов безопасности дорожного движения в 2006 — 2012 годах» (Ь11р-//\у р р pbdd.ru) за 2009 год в Российской Федерации произошло 20^ ¿лл

03 дорожнотранспортных происшествия, в результате которых погибли лол человека, а 257 034 человека получили ранения.

Проблемы дорожного движения в мегаполисах запалм^т^

1Х и европейских стран, по сути, не отличаются от российских. Общепризнан лнные критерии качества дорожного движения - уменьшение загрязнения °круЖаЮщеи чрезмерного уровня шумов, минимизация пяс^« г ^-^ода топлива, предупреждение образования и распространения трансгторТНЬ1Х применимы и к западным и к российским уличным дорожным сетям

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Кузин, Михаил Валерьевич

3.7. Выводы по экспериментальной части работы

Для проведения полномасштабного эксперимента для проверки адекватности какой либо модели в рамках сетевого управления транспортными! потоками, необходимы гигантские затраты- ресурсов^ и времени, также объект управления, накладывает ряд ограничений на форму и методику эксперимента. Так как, нет возможности, например, произвольно менять определенные параметры, управления для выяснения каких-либо зависимостей, так как в это время по дорогам движутся тысячи транспортных средств, и ошибки или неверные предположения, при управлении чреваты многомиллионными экономическими и временными потерями.

Несмотря? на это, имея исходные данные, которые уже заложены в программу управления, некой' дорожной сетью, можно определенным образом сравнить параметры потоков, измеренные на реальном объекте и полученные с помощью модели.

В реальности ситуация такова, что невозможно сейчас в каком либо крупном городе РФ одновременно провести измерения параметров транспортного потока на всех элементах, УДС города.

В настоящее время в практике организации и безопасности дорожного движения используется: комплексный метод позволяющий оценить состояние или улучшение состояния по сравнению с предыдущим.[8Д 3,40] Это метод многократного проезда по определенному маршруту с замером времени проезда и последующим усреднением, что позволяет в совокупности оценить и средние скорости на перегонах и величины задержек на перекрестках.

В настоящей работе использовались данные схем организации движения по ул Мира, города Красноярска полученные при модернизации АСУДД, фирмой ЗАО «Автоматика - Д» в 2008-2009 годах, так же результаты измерений времени проезда по ул. Мира. Эти данные были использованы при моделировании, а рассчитанное модельное время проезда по магистрали было достаточно близкое к полученным экспериментальным данным.

Так же по предложенной формуле динамической максимальной пропускной способности (2.21) был проведен ряд экспериментальных измерений интенсивности просачивающихся транспортных потоков, с целью подбора наиболее подходящих коэффициентов для применения данной формулы при моделировании. Основное преимущество этой формулы, с точки зрения моделирования в том, что она достаточно адекватно отражает процесс изменения пропускной способности, и в том, что она проста для вычисления и не требует каких-либо дополнительных параметров, кроме максимальной пропускной способности конфликтующих потоков и их интенсивностей. Это позволяет, применяя эту формулу и уменьшить время моделирования, что важно при решении оптимизационных задач на базе описываемой модели.

С помощью модельного эксперимента №3 было выявлено, что учет новых элементов транспортной сети, таких как, сужение проезжей части, просачивающиеся потоки на регулируемом перекрестке, нерегулируемые пересечения, дают до 25% выигрыша в среднем 10%-11% при поиске оптимальных параметров управления с точки зрения транспортной задержки. В сравнении с такой же процедурой оптимизации, но без учета этих элементов. Учет нерегулируемых пересечений не дал значительного прироста эффективности оптимизации (2%-3%), но с точки зрения устойчивости к случайным колебаниям интенсивности показал значительный прирост, в среднем на 90%, те заторы будут происходить в 2 раза реже, чем при управлении, рассчитанном в моделях прототипах. I

Глава 4. Программное обеспечение для моделирования транспортных потоков

4.1.Постановка задачи на разработку

4.1.1. Задача

Необходимо разработать программное обеспечение (далее программа) обеспечивающее возможности моделирования транспортных потоков. В качестве базовой математической модели необходимо использовать модель, описанную в главе 2 настоящей работы.

4.1.2. Требования к программе

Разрабатываемое программное обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

- Операционная система: Windows 98/2000/XP/Vista;

Заключение

Для получения всех последующих результатов работы базовой задачей была построение математической модели движения транспортных потоков в городской сети при координированном режиме управления. Использовалось несколько уровней отображения модели для более точного понимания процессов, происходящих в транспортной сети.

Первый уровень это рассмотрение потоков в виде графа, где дуги это дороги, а узлы это перекрестки и пересечения.

Второй уровень это разбиение сложных изменений, которые происходят с потоком в узлах и дугах на ряд простых операций или функций преобразования транспортного потока, таких как слияние, разделение, просачивание, проезд стоп линии и т.д.

Третьим этапом стало построение уравнения или системы уравнений, которая отображает зависимость функции каждого выходящего потока из сети от некоторого множества функций входящих потоков.

Построение такой структуры модели транспортного потока, позволило проводить различные уточнения работы модели на втором и третьем уровнях, используя работы других авторов либо собственные исследования. Такие как введение новых функциональных элементов, просачивание на нерегулируемом пересечении, сужение магистрали и т.д., введение параметров описывающих влияние внешней среды на поток.

В работе введены в рассмотрение новые функциональные элементы транспортной сети: сужение проезжей части и просачивание одного транспортного потока через другой на нерегулируемом пересечении или на регулируемом, но двигающиеся в одну фазу.

Предложены формулы преобразования функции интенсивности транспортного потока на этих элементах(2.11, 2.14). Произведен сбор данных для проверки формулы» просачивающихся потоков и корректировки ее параметров. Учет физической длинны очереди при сужениях магистрали и на пересечениях позволил обнаруживать «каскадные заторы», когда очередь на одном перекрестке блокирует движение на соседних.

С учетом принципов работы этих элементов предложены формулы расчета транспортной задержки в соответствующих местах дорожной сети.

В1 данной модели использовалась характеристика качества параметров управления уже зарекомендовавшая себя на практике - величина транспортной задержки или количество времени, которое затрачивают все транспортные средства в результате остановки, на каком-либо элементе транспортной сети. Каждому элементу сети присваивается вес задержки на нем и для всей сети рассчитывается взвешенный суммарный показатель качества управления сетью. Эта величина хорошо подходит для поиска оптимальных параметров управления, однако такой подход имеет существенный недостаток. Так как на вход модели данные представляются в усредненном виде, оптимальные параметры управления находятся для средних интенсивностей транспортного потока. В реальности отклонения интенсивности могут составлять до» 50% от среднего значения. В результате этого даже при рассчитанных подобным образом параметрах управления, возникают заторы. В данной работе введено понятие устойчивости параметров управления к случайным колебаниям функции интенсивности и предложена методика расчета этой величины для всей сети.

Совместное использование этих двух показателей качества управления потоком позволит инженерам технологам или АСУДД принимать более точные решения с целью минимизации транспортных задержек и количества заторов.

Проводилось сравнение результатов моделирования с реальной дорожной ситуацией в подрайоне АСУДД города Красноярска по ул. Мира. Данные по режимам управления, схемы организации движения и измерения характеристик потока были представлены фирмой ЗАО Автоматика - Д (г. Омск), занимающейся наладкой АСУДД в городе Красноярске. В результате моделирования были выявлены «проблемные» перекрестки и направления движения, в которых наблюдались заторы и предзаторные состояния. Значения характеристик качества управления, полученные экспериментально и с помощью модели оказались очень близки. Что позволяет говорить о достаточной адекватности модели для задач управления.

С помощью модельного эксперимента выявлено, что учет новых элементов транспортной сети, таких как, сужение проезжей части, просачивающиеся потоки на регилируемом перекрестке, нерегулируемые пересечения, дают до 25% выигрыша в среднем 10%-11% при поиске оптимальных параметров управления с точки зрения транспортной задержки.

В настоящее время программное обеспечение, реализованное на базе данной модели, используется инженерами фирмы для расчета параметров управления движения в таких городах, как Воронеж, Хабаровск, Красноярск, Ижевск и. др.

Программное обеспечение «Программа расчета и оптимизации сигнальных планов «ПРОСПЕКТ 1.0» зарегистрирована в федеральном отраслевом фонде алгоритмов и программ свидетельство № 12185, номер государственной регистрации 50200900210.[21]

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузин, Михаил Валерьевич, 2011 год

1. Бадд Т, Объектно-ориентированное программирование в действии / Перев. с англ. — СПб.: Питер, 1997. 380 с.

2. Брайловский Н.О., Грановский Б.И. Моделирование транспортных систем/М.: Транспорт, 1978. 125 с.

3. Буслаев А., Новиков А, Вероятностные и имитационные подходы к оптимизации автодорожного движения / М.'Издательство Мир, 2003.-386с.

4. Буч Гради. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. 2-е изд. / Пер. с англ. —

5. М.:"Издательство Бином", СПб:"Невский диалект", 1998 г. 278с.

6. Врубель Ю.А. О потоке насыщения. /. Минск.: Белорус, политех, ин-т,1988. -1 с.- Рук. деп. в ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, № 663 -ат89. (

7. Дрю Д. Теория транспортных потоков и управление ими /М.: Транспорт, 1972. 189 с.

8. Иносэ X., Хамада Т.,Управление дорожным движением /М.:Транспорт, 1983.-211 с.

9. Капитанов В. Т, Хилажев Е. Б., Управление транспортными потоками в городах. М.: Транспорт, 1985. 94 с

10. Капитанов В.Т., Расчет параметров светофорного регулирования./М.: ВНИИБД МВД СССР, 1981. 45с.

11. Ю.Капитанов Д.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., МГИЭМ, 1999

12. П.Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б., Организация дорожного движения: Учеб. для вузов./М.: Транспорт, 2001.

13. Кременец Ю.А. Технические средства организации дорожного движения. / М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. 231 с.

14. Кременец Ю.А., Печерский М.П. Инженерные расчеты в регулировании дорожного движения./М.:МАДИ, 1977. 110с.

15. Кузин М.В. Имитационная модель координированных транспортных потоков в дорожной сети города// Информационные технологии моделирования и управления. 2009. - №4(56).- с.502-508

16. Кузин М.В. Особенности моделирования движения плотных групп транспортных средств с учетом изменения поперечного сечения дороги//Математические структуры и моделирование, Омск.:ОмГУ.-2008,- №18.- с. 43-46

17. Кузин М.В. Программное обеспечение для имитационного моделирования координированных транспортны потоков.// Материалы международной научной конференции «Инновации в обществе технике и культуре» часть 3, Таганрог.: ТТИЮФУ.- 2008.- с.27-31

18. Кузин М.В. Программное обеспечение для моделирования координированного управления транспортными потоками// Математические структуры и моделирование Омск.:ОмГУ.- 2008.-№18.- с. 43-46

19. Кузин М.В. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №12185 «Программа расчета и оптимизации режимов координированного управления дорожным движением в городах «ПРОСПЕКТ 1.0» 22.01.2009.- Отраслевой фонд алгоритмов и программ.-2009.

20. Кузин М.В. Имитационное моделирование координированных транспортных потоков // Системы управления и информационные технологии(перспективные исследования) 2010.-№1.1(39) .- с. 152-155

21. Левашев А.Г. Повышение эффективности организации дорожного движения на регулируемых пересечениях. Дисс. Канд. Техн. Наук. -Волгоград. 2004.- 174с.

22. Ложкин В.Н., Демочка О.И. и др. Экспериментально-расчетная оценка выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС на эксплуатационных режимах работы. Технический отчет по НИР//. С-Пб.:НПО ЦНИТА.- 1990.

23. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта. Итоги науки и техники. ВИНИТИ// М.¡Автомобильный транспорт.-1996. -340с.

24. Малинецкий F.F., Семенов B.B. Дорожное движение в контексте фундаментальных исследований // М.гИИМ им. М.В.Келдыша РАН.-2007с.

25. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов // Ml: "Интеграл" -1999:29;Петров В.В., Божко F.F., Свойства транспортного потока// Транспорт Урала, УгУПС.- 2009.-№3 .-49-50.

26. ЗО.Петров В.В., Формирование транспортного потока прикоординированном управлении.// Транспорт Урала Изд-во УГУПС-2009.-№2.-с.11-1231 .Петров В. В. Управление движением транспортных потоков в городах / Монография. Омск: Изд-во СибАДИ:- 2007. - 92с.

27. Петров Е. А. «Совершенствование координированного управления движением транспортных потоков высокой интенсивности». Дисертация на соискание ученой степени к.т.н: Сибирская Государственная автомобильно-дорожная академия. 2004.

28. Уизем Дж., Линейные ишелинейные,волны //М.:Мир.-1977.- 231с.

29. Швецов В.И. Математическое моделирование транспортных потоков // Автоматика и телемеханика. 2003. - №11.

30. Binning J.C. Biirtenshaw G. TRANSYT 10 USER GUIDE(Issue В), London.: TRIJimited.- 2006.- 460p.

31. Cascetta E.A Stochastic pricess approach.to the analysis assignment model; Transport Research:- 1989:-23B.- 1-17

32. Chang, M. F., R. Herman. Trip Time Versus Stop Time and Fuel Consumption Characteristics in Cities. Transportation-Science, 1981, Vol. 15,№3. -pp. 183-209.

33. Daganzo C.F., The cell transmission model: a simple dynamic representation of highway traffic. Transp Res, 1994; Part B; 28(4).- pp.269-287

34. Daganzo, C. F. Traffic Delay at Unsignalized Intersections: Clarification of Some Issues. Transportation Science, 1977, Vol. 11.

35. Dr. Henry Lieu, Revised Monograph on Traffic Flow Theory, USA.:FHWA, 1992, p.350, web:http.V/www. tfhrc.gov/its/tft/tft.htm

36. Greenberg H. An analysis of traffic flow. Operations. Research. 1959, vol. 7, pp.79-85.

37. Greene, D. L., Liu J. T. Automotive Fuel Economy Improvements and Consumers' Surplus. Transportation Research, 1988, Vol. 22A, No. 3.

38. Greene, D. L., Duleep K. G. Costs and Benefits of Automotive Fuel Economy Improvement: A Partial Analysis. Transportation Research, 1993, Vol. 27A, No.3.

39. Greenshields B.D. A study of traffic capacity., Proc. (US) highway research. Board, 1934, Vol. 14, p. 448-494

40. Highway Capacity Manual. TRB, Washington DC, 2000,1134 p.

41. Hunt P.B., Scoot A traffic responsive method of coordinating signals. -"TRRL Laboratory Report", 1981, pp.1-111.

42. Jiancheng Long , Ziyou Gao, Xiaomei Zhao, Aiping Lian and Penina Orenstein.,Urban Traffic Jam Simulation Based on the Cell Transmission Model, Networks and Spatial Economics, Netherlands.:Springer ,2008, 198p.

43. Kerner B.S. Three-Phase Traffic Theory and Highway Capacity, Networks and Spatial Economics, 2000, v.2, p.46-56

44. Kerner B.S., Introduction to Modern Traffic Flow Theory and Control: The Long Road to Three-Phase Traffic Theory, Springer, Berlin, New York 2009| 265p.

45. Kerner. B.S. Complexity of synchronized flow and related problems for basic assumptions of traffic flow theories. 2001, Networks and Spatial Economics, v.l, p.35-76

46. Kometani, E., Suzaki T., On the Stability of Traffic Row., J. Operations Research, Japan, 1958, №2, pp. 11-26.

47. Lighthill, M. H. and G. B: Whitham. On Kinemati Waves: II. A Theory of Traffic How on Long Crowded Roads. Proceedings of the Royal Society, London Serie, 1957, A229, No. 178, pp. 317-345.

48. Lim Y.S., Baek K. Assigment of traffic Information with Stochastic Assignement, Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Sstudies, 1997, Vo2. #4, 1275-1284p.

49. Long JC, Gao ZY, Ren HL, Lian AP, Urban traffic congestion propagation and bottleneck identification. Sci China F Inf Sci, 2008, #55(7), pp.948-964.

50. Navin, F. P. D. Traffic Congestion Catastrophes., Transportation Planning and Technology, 1986, #11, pp.19-25.

51. Ni D.H., Leonard J.D., A simplified kinematic wave model at a merge bottleneck. Appl Math Model, 2005, 29(11), pp.1054-1072

52. Potts, R. B. Traffic Delay at'a Signalized Intersection with Binomial Arrivals. 1967, pp. 126-128.

53. Robertson D. Transyt method for area traffic control, Traffic Engn. Control, 1969, #11. pp.6-13*

54. Robertson D.I. The TRANSYT method of coordinating traffic signals., Traffic Eng. Contr., 1997, №2, pp.76-77.

55. Robertson G.D. Handling congestion with Scoot., Traffic Engineering and Control, 1987, № 4, 28, pp.228-230.

56. Rodrigo Fernandez , Eduardo Valenzuela, Federico Casanello, Carola Jorquera, Evolution of the TRANSYT model in a developing country, Department'of Civil Engineering, University of Chile, 2005. 20p.

57. Tracz, M. Research of Traffic Performance of Major/Minor Priority Intersections. In: Intersections Without Traffic Signals (Ed.: W. Brilon), Springer Publications, Berlin. 1988.s 65.Traffic Signal Timing Manual 2008 USDepartment of Transportation,

58. Federal Highway administration, FHWA-HOP-08-024, 650p.66:Traffic theory/ Densos C. Gazis, Nederlands, Kluwer Academic publisher, 2002,260p.

59. Troutbeck, R. J. Unsignalized Intersection and Roundabouts in Australia: Recent Developments. In: M Koshi), Elsevier. Intersections without Traffic Signals II (Ed.: W. Brilon), 1991.

60. Wallace, Charles,Courage, Kenneth, and Hadi, Mohammed, Methodology for Optimized Signal Timing: TRANS YT-7F Users Guide, Office of Traffic Operations and Intelligent Vehicle/Highway Systems Federal Highway Administration, Volume 4, December 1991.

61. Wardrop, J. G., Some Theoretical Aspects of Road., Technical Paper, 1952, No. 39. Road Research Laboratory, Traffic Research. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Part II, 1(2), pp. 325-362, U.K.

62. Wardrop, J. G. Experimental Speed/Flow Relations in a Single Lane. Proceedings of the 2nd InternationalSymposium on the Theory of Road Traffic How. 1965, Ed. J. Almond O.E.C.D

63. Webb, G. M. The Relationship Between Accidents, Traffic Engineers. Proceedings. 1955, #3, pp. 10-15.

64. Webster F.V. Cobbe B.M. Traffic signals Road research technical paper N56 HMSQ London, 1966, lllp.

65. Webster, F. V. Traffic Signal Settings. Road Research, London, 1958, №4, pp.34-42.

66. William H. K. Lam,S. C. Wong, Hong K. Lo, Transportation and Traffic Theory 2009: Golden Jubilee., Springer, New-York, 2009, 740p. .