Анализ транспортных потоков с помощью программных средств имитационного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Боровков Александр Олегович,

Студент 2бОП3, ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», Российская Федерация, г. Москва

Куфтинова Наталья Григорьевна,

Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные системы управления» ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», Российская Федерация, г. Москва

Аннотация. В статье сформулирована проблема анализа реальной дорожно-транспортной ситуации в городах. Описаны основы работы программного продукта PTV Vision®, который служит для моделирования транспортных потоков, расчета спроса на транспорт (матрицы корреспонденций для общественного и индивидуального транспорта), анализа транспортной сети, расчета себестоимости общественного транспорта и прогноза запланированных мероприятий и их последствий.

Ключевые слова: транспортные потоки, моделирование, анализ транспортной сети, PTV Vision®

транспорт город программа

ANALYSIS OF TRANSPORT FLOWS BY THE SOFTWARE OF IMITATION SIMULATION

Alexandr Olegovich Borovkov,

Student, Moscow Automobile & Road construction State Technical University, Russian Federation, Moscow

Natal'ya Grigor'evna Kuftinova,

Russian Federation, Ph. D., Associate Professor, Department of «Automated Control Systems».

Moscow Automobile & Road construction State Technical University, Russian Federation, Moscow nat.gk@mail.ru

Abstract. The article formulates the problem of analysis of the real road and transport situation in cities. The fundamentals of the work of the software product PTV Vision® are described, which serves to model traffic flows, calculate the demand for transport (correspondence matrices for public and individual transport), analyze the transport network, calculate the cost of public transport and forecast the planned activities and their consequences.

Keywords: traffic flows, modeling, transport network analysis, PTV Vision

Во всем мире, пробки являются одной из основных проблем мегаполисов и больших городов. И давно уже не секрет, что добраться из одной части крупного города в другую на личном транспорте - мероприятие довольно затратное по времени. Увеличение времени передвижения людей по городу приводит к накоплению” транспортной усталости” и как следствие снижает работоспособность. Из-за неуклонно увеличивающегося количества индивидуальных транспортных средств очень остро стоит проблема анализа реальной дорожно-транспортной ситуации в городах.

К современным дорожным сетям предъявляются требования увеличения их пропускной способности при одновременной обеспеченности безопасности движения транспортных средств и пешеходов, экологических норм воздушной среды за счет максимального сглаживания транспортных потоков. Но развитие автомобильной промышленности приводит к появлению плотных транспортных потоков (ТП) на городских магистралях, усложнению организации дорожного движения и повышению негативных последствий. Первоначальные функции улично-дорожной сети постепенно утратились, в то время как их отрицательное влияние на жизнь человека, в числе которых - аварийности, повышения загрязнения окружающей среды, шума и увеличения себестоимости перевозки пассажиров и груза, стали все более заметными. Поэтому особую важность приобретает оптимальное планирование сетей, улучшение организации движения, оптимизация системы маршрутов общественного транспорта.

Министерство транспорта РФ совместно с муниципальными организациями регионов разрабатывают комплексные схемы организации дорожного движения, принимают постановления, направленные на повышение административной ответственности за нарушения правил дорожного движения, парковки и т.д.

Программный комплекс PTV Vision® включает в себя ряд программных продуктов, разработанных в Германии и использующих ряд сложных, достоверных и проверенных временем моделей, что позволяет говорить о чрезвычайной точности полученных результатов. Данная программа уже зарекомендовала себя как в США, так и во многих странах Европы и имеет более 2000 пользователей во всем мире (рис. 1) [1].

Рисунок 1. География применения инструментов PTV Vision

Основные области применения - транспортное планирование городов и регионов, организации движения индивидуального и общественного транспорта. Основными пользователями являются: администрации городов, регионов, министерства транспорта, предприятия общественного транспорта, железные дороги, перевозчики, проектные и консалтинговые компании.

По результату анализа участка улично-дорожной сети города с помощью математической модели можно сделать выводы, которые позволяют принять наиболее точные проектные решения. Данный пакет позволяет рассмотреть все возможные закономерности развития транспортной ситуации на моделируемом участке. Состав программного комплекса PTV Vision® включает в себя инструменты для планирования транспортной сети на всех уровнях, от простого перекрестка (PTV Vision® Vissim) до транспортной сети всего города, региона или даже страны (PTV Vision® Visum).

PTV Vision® Vissim -- инструмент моделирования транспортных потоков на микроуровне. С его помощью можно смоделировать работу как транспортного узла, так и, например, парковку гипермаркета. Получение визуального представления о работе проектируемого объекта дает ряд неоспоримых преимуществ -- как в демонстрации материала, так и в определении специфических «узких мест» в разрабатываемой схеме.

Работа программы Vissim основывается на микромоделировании транспортных потоков. Простой интерфейс существенно сокращает время при проектировании, а использование функций регулирование скоростей различных видов транспорта и моделирование манеры езды водителей еще больше приближает проект к реальности. Возможность выполнения проектов в режиме трёхмерной анимации делает Vissim незаменимым помощником при согласовании проектов в органах власти:

- Анализ воздействия типов пересечений проезжих частей на пропускную способность.

- Разработка и анализ влияния режима работы светофора на характер движения автомобилей в транспортном потоке.

- Анализ транспортной эффективности выполняемых работ.

- Оценка систем управления дорожным потоком на магистралях и городских улицах, анализ и контроль по направлениям движения.

- Оценка и прогнозирование возможности предоставления приоритетов движению общественного транспорта и мероприятий, которые направлены на приоритетный пропуск трамваев.

- Оценка влияния управления движением на положение в транспортной сети (уменьшение и увеличение расстояния между остановками общественного транспорта, проверка подъездов к месту остановок, регулирование потока транспорта, организация и управление односторонним движением,).

- Оценка пропускной способности обширных автотранспортных сетей (например, сети автомагистралей или городской уличной сети) при динамическом распределении транспортных потоков.

- Разработка стратегий по регулированию потока железнодорожного транспорта.

- Детальное планирование движения каждого участника потока.

- Моделирование остановок общественного транспорта и станций метрополитена, учитывая их взаимное расположение и влияние друг на друга.

- Расчет аналитических показателей, построение временной загрузки сети и т.п. [4,6].

С интенсивным ростом городов, растет и потребность в развитии уличной дорожной сети. Автомобильные пробки являются не причиной, а следствием транспортной проблемы в городе. Бороться же со следствием, не обращая внимания на причину нет смысла. Решение проблемы отдельно взятого транспортного узла не эффективно. Реально повлиять на транспортную ситуацию сможет только грамотно спланированная система мероприятий в масштабах жилого района или всего города.

Структура выполнения проекта в PTV Vissim включает следующие пункты (рис. 2):

Рисунок 2. Структура выполнения проекта

Кроме возможности создания моделей транспортных потоков, транспортного планирования и оптимизации общественного транспорта, данный пакет обладает широкими анимационными возможностями, которые не требуют знаний программирования. Это позволяет посредством 2D и 3D элементов получать на выходе наглядные модели (рис. 3), имитирующие реальную дорожную ситуацию и позволяющие анализировать транспортные процессы. Кроме того, существует возможность получения и анализа числовых результатов, полученных при оценке параметров движения каждого отдельного транспортного средства или всего потока [4].

Рисунок 3. 3-D модель движения пешеходов в PTV Vision® Vissim

Исходными данными для создания модели перекрестка являются :

- подробная схема моделируемого участка;

- количество полос в каждом направлении движения;

- ширина полос движения;

- направление движения по каждой полосе;

- технические и геометрические характеристики всех типов транспортных средств;

- интенсивность движения;

- направления движения;

- состав входящих потоков транспортных средств и пешеходов;

- расположение и ширина тротуаров;

- приоритетность проезда в конфликтных точках.

В силу простоты и наглядности работы с интерфейсом программного комплекса PTV Vissim построение модели не представляет особой сложности для пользователя, поэтому обучающийся, не имеющий навыков программирования, может смоделировать любой участок дорожной сети (рис. 4) [5].

Рисунок 4. Пример проектирования сложного перекрестка в PTV Vision® Vissim

Рассмотрим более подробно этапы проектирования перекрестка. Итак, первым этапом является задание параметров имитации, которая представляет собой визуальное отображение процессов моделирования и анализа, выполняемых в Vissim. Запустить имитацию - означает запустить решение систем уравнений, которое определяет, каким образом будут взаимодействовать между собой все участники дорожного движения. На данном этапе представляется возможным определять, как часто заново рассчитываются позиции транспортных средств за одну секунду имитации, а также скорость имитации по отношению к реальному времени.

Для создания детальной модели сети Vissim необходимо использовать строго масштабируемую карту в качестве растровой основы. Она предназначен для корректного размещения отрезков или других графических объектов. Главным действием здесь выступает масштабирование растровой основы, поскольку чем точнее оно будет произведено, тем точнее будет и моделирование. Таким образом, после загрузки растровой основы сеть подготовлена к вводу базовых данных:

- тип изображений - это параметры изображений отрезков и основных конструктивных элементов модели, которые представляют собой графическое отображение и не влияют на ход имитации;

- манера езды - параметры, которые описывают манеру езды водителей и их поведение при движении за впереди идущим автомобилем, при смене полосы, боковое поведение, реакцию на смену сигналов светофора;

- типы манеры езды отрезков - некоторые предварительно заданные типы манеры езды, позволяющие присвоить каждому из классов транспортных средств тип манеры езды на указанном отрезке.

После того, как отмасштабирован план перекрёстка и указаны базовые параметры, следует определить отрезки для создания модели перекрёстка. Отрезок является основным элементом дорожно-транспортной сети Vissim и представлен одной или несколькими полосами движения. Отрезки задаются не только для осуществления транспортного движения, но и в качестве пешеходных переходов. Однако недостаточно ввести лишь основные отрезки для того, чтобы транспортные средства смогли осуществить движение. Между ними нужно вставить соединяющие отрезки, которые обеспечивают переход транспортного потока от одного отрезка к другому и позволяют моделировать поворотное движение на перекрестке. Поскольку на данном участке сети осуществляет свою работу городской электрический транспорт, в частности, трамвай, то необходимо построение трамвайных путей.

Следующий этап - создание необходимых распределений: желаемых скоростей, цветов, моделей транспортных средств и пешеходов. Особенно важным параметром, влияющим на пропускную способность отрезка, является функция распределения желаемых скоростей. При этом желаемая скорость представляет собой скорость, с которой бы двигалось транспортное средство, если бы ему не препятствовали другие транспортные средства или элементы сети, например, светосигнальные устройства или стоп-знаки. Таким образом, транспортное средство, желаемая скорость которого выше актуальной скорости, "проверяет", существует ли возможность обгона без помех другим транспортным средствам. Чем больше диапазон желаемых скоростей, тем быстрее образуются группы транспортных средств на дороге. Существует также распределение цветов. Данное распределение имеет значение только для графического отображения и применяется вместо одного цвета для типа транспортных средств или пешеходов, не оказывая никакого влияния на результаты имитации. Распределение моделей определяет различные размеры, цвета и текстуры, релевантные для графического отображения типов транспортных средств и пешеходов. Например, для легкового транспорта, вместо одной модели кузова может отображаться до десяти различных моделей, имеющих различные геометрические характеристики [8].

В Vissim существует полноценная концепция различия типов и классов транспортных средств. Тип транспортных средств, представляет собой их группу, которая описывается определёнными техническими характеристиками. Например, такими группами являются: легковой транспорт, грузовой транспорт, автобус, трамвай, вело транспорт и мототранспорт, а также пешеходы, как особый тип транспортного средства. Кроме типов транспортных средств, установленных по умолчанию, можно определить любое количество других их типов. Так, для данной модели участка транспортной сети был создан новый тип транспортных средств - троллейбус. Класс транспортных средств охватывает один или несколько уже определённых их типов. Представляется возможным объединять любые типы транспортных средств и создавать, таким образом, новый класс транспортных средств, который служит, например, для их цветового различия во время имитации.

После того, как заданы типы и классы транспортных средств, создаются транспортные потоки. Состав транспортного потока состоит из списка транспортных средств, каждому из которых присвоена относительная нагрузка, то есть доля определённого типа транспортных средств в общем потоке, а также распределение желаемых скоростей.

Для организации поворотного движения на перекрёстке необходимо задать маршруты и их решения. Маршрут является фиксированной последовательностью основных и соединяющих отрезков. Он проходит между решением маршрута и местом цели. От одного места решения маршруты ведут, как правило, к нескольким местам цели. Также были установлены отдельные решения маршрутов для транспортных средств, желающих воспользоваться стоянкой на обочине дороги.

Целевым пунктом моделирования является анализ, то есть получение количественных данных о взаимодействии транспортных средств и пешеходов в конкретно заданных условиях. Vissim позволяет в процессе моделирования проводить следующие виды анализа:

- анализ управления дорожным движением на автомагистралях и городских улицах, контроль за направлением движения как на отдельных полосах, так и на всей проезжей части;

- анализ возможности предоставления приоритета общественному транспорту;

- анализ изменения расстояния между принудительными остановками транспорта, проверка подъездов, организация одностороннего движения общественного транспорта;

- анализ пропускной способности транспортной сети либо её отдельных узлов

Одним из основных видов вывода анализов является вывод данных в окно. Вывод данных в окно возможно осуществлять для одного или нескольких транспортных средств или пешеходов. Следует отметить, что в трехмерном режиме имитации позиция камеры автоматически переходит в положение водителя или пешехода, движение которого в данный момент анализируется.

Для того, чтобы сохранить имитацию и иметь возможность качественно оценить результаты моделирования, Vissim может сохранить её как видеофайл, который выступает в качестве презентационного материала и иллюстрирует результат моделирования дорожного движения на данном объекте исследования.

Опыт применения программы на практических занятиях показывает, что у студентов возрастает интерес к решению задач с помощью современных программных средств. Таким образом, посредством применения информационных технологий происходит улучшение качества учебного процесса. В настоящее время программный продукт PTV Vision Vissim используется отечественными специалистами в области транспортного моделирования, поэтому навыки, приобретённые студентами во время обучения, вполне могут применяться ими в будущей профессиональной деятельности.

Список информационных источников

[1] Швецов В.Л. Андреева Е. А. Управление транспортной модели на основе компьютерной модели PTV Vision // - 2016 - Санкт-Петербург.

[2] PTV Visio Vissim 6. Руководство пользователя. - СПб.: А+С Консалт, 2015.

[3] Спирин И.В. Перевозки пассажиров городским транспортом: Справочное пособие. // -- М.: ИКЦ «Академкнига», 2014. -- 413 с.

[4] Живоглядов В.Г. Теория движения транспортных и пешеходных потоков. -Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.- Кавк. регион», 2010.- 1082 с.

[5] Журнал «Транспорт и Логистика». Средства моделирования PTV Vision: транспортное планирование городов.// - 2012 - C.5-10

[6] Якимов М.Р. Транспортное планирование. Особенности моделирования транспортных потоков в крупных российских городах: Монография / М.Р. Якимов, А.А. Арепьева. - М: Логос, 2016. - 280 с.

[7] Мирошниченко А. Н., Литвин В. В. Имитационное моделирование транспортных потоков с помощью программного обеспечения PTV Vision VISSIM / Материалы доклада первой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь: наука и инновации" / Днепропетровск, 2015.

Размещено на Allbest.ru