Портал GPSS.RU

И. В. Яцкив, Е. А. Юршевич, Н. В. Колмакова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ТРАНСПОРТНЫХ УЗЛОВ


 

 

1.         Введение

Транспортные проблемы сегодня связаны, прежде всего, не с ограничением на топливо, как ранее, а с увеличением дорожного трафика и спроса на транспортные ус-луги. Все это приводит к задержкам, инцидентам, пробкам, проблемам с окружающей средой и т.д. Необходимость решения этих проблем очевидна, а методы решения раз-личны. В докладе рассматривается возможность решения задачи оптимизации город-ского движения с помощью имитационного моделирования.
Основной задачей моделирования трафика на микроскопическом уровне являет-ся поддержка решений по управлению трафиком. Модель может быть использована как часть Интеллектуальной транспортной системы (ИТС), задача которой – перераспреде-ление потоков в транспортной сети в соответствии с текущей транспортной обстанов-кой. Также модель может быть использована для анализа сценариев трафика при кон-фликтных ситуациях. Для решения этих задач модель должна функционировать в инте-рактивном режиме.
Возможности имитационного моделирования при разработке таких моделей без-граничны. Имитационное моделирование позволяет учесть все многообразие транс-портных ситуаций и их стохастическое проявление, что делает этот способ моделиро-вания наиболее реалистичным [1, 2].
В докладе рассмотрены популярные средства моделирования трафика на микро-уровне, представлен их сравнительный анализ. В качестве примера рассмотрена мо-дель реальной транспортной развязки, выполненная в среде VISSIM 4.0.


 

 

2.         Обзор пакетов для микромоделирования трафика

На сегодняшний день на рынке имитационных пакетов представлен широкий спектр инструментов, предназначенных для моделирования трафика на микроуровне. Так, в [4] приводится более 30 наименований пакетов, предназначенных для моделиро-вания транспортных узлов и сообщений. Среди них такие пакеты, как AIMSUN, PA-RAMICS, AUTOBAHN, IHSDM, INTEGRATION, PLANSIM-T, FLEXSYT-II, TRANSIMS, SimTraffic 6, VISSIM, MITSIM и др. Перечень этих пакетов постоянно расширяется. Большинство их отличает высокий уровень сложности, дружественный пользователь-ский интерфейс и широкие возможности, которые они предоставляют в области моде-лирования, оптимизации, проектирования и анализа транспортной сети. Рассмотрим некоторые из этих пакетов.
IHSDM (Interactive Highway Safety Design Model, USA) – набор инструментов, предназначенных для анализа безопасности и эффективности транспортных сетей. Этот пакет включает в себя модули, позволяющие предсказывать дорожно-транспортные происшествия, планировать транспортные сети, делать обзор пересечений и взаимодей-ствий транспортных сетей, а также проводить анализ трафика.
MITSIM (MITSIMLab, USA) – набор инструментов для планирования и анализа трафика на микроуровне. С помощью MITSIM можно представить транспортную сеть в мельчайших подробностях. Основными элементами являются: компоненты, предназна-ченные для проектирования сети в мельчайших подробностях; компоненты, предназна-ченные для определения маршрута следования на основе OD-матрицы и вероятностно-го распределения маршрутов; компоненты, определяющие поведение водителя [10].
Отдельно находится в этой линейке инструментов имитационный пакет TRAN-SIMS (Los Alamos National Laboratory, Mexico), который отличается использованием агентного принципа моделирования трафика. Основные задачи, на решение которых он нацелен: управление трафиком, анализ расхода энергии, анализ пробок, планирование сети, обеспечение безопасности трафика [9] и т.д.
Рассмотрим более подробно три пакета, которые являются наиболее популяр-ными в Европе: AIMSUN, PARAMICS, VISSIM и предназначены для моделирования трафика на микроуровне. Обозначим их свойства, связанные с областью применения, уровнем детализации транспортной сети, описанием поведения транспортных средств, поддержкой интерфейса с другими имитационными пакетами и возможностями по формированию отчетов и презентаций.
AIMSUN (Transport Simulation System, Spain) является составной частью имита-ционной среды GETRAM/AIMSUN, которая представляет собой целый комплекс инст-рументов для моделирования трафика. Пакет используется в задачах развития и анали-за различных систем контроля трафика (как фиксированных, так и изменяющихся) и стратегий управления. Предназначен для моделирования трафика городских транс-портных сетей, автострад и автомагистралей, кольцевых дорог и дорожных разветвле-ний. Поддерживается возможность управления светофором, управления трафиком пу-тем передачи сообщений о загруженности транспортных линий и узлов. Ориентирован, в первую очередь, на специалистов в области транспорта и на лиц, занимающихся оп-тимизацией транспортных сетей и трафика.
В пакете отсутствуют ограничения на размер сети. Скорость запуска определя-ется размером оперативной памяти. Модели поведения транспортных средств опреде-ляются функциями от нескольких параметров, что позволяет моделирование различных типов транспортных сред (автомобили, автобусы, грузовики и т.д.), которые потом мо-гут объединяться в классы. Передвижение транспортных средств реализуется двумя способами: либо по заданным маршрутам и процентному распределению потока, либо согласно заданной матрице корреспонденций. В последнем случае маршрут определя-ется тремя способами: ранее заложенной информацией, пересчетом маршрута согласно матрице стоимостей и сложившейся ситуации на дороге через определенные интервалы времени или путем динамического пересчета в ходе моделирования.
Поведение транспортного средства переопределяется каждую единицу модель-ного времени. Для смены полосы учитываются все параметры транспортного средства (его габарит, скорость, угол поворота, вес), а также параметры окружающей среды (ин-тенсивность трафика, расстояние до ближайших автомобилей, их скорость, габариты и т.д.). Для описания поведения автомобиля используется модель Гиппса.
Реализована возможность загрузки модели транспортной сети на макроуровне, что достигается посредством интерфейса с пакетом emme/2. В пакете реализована воз-можность детального сбора статистики о состоянии транспортного потока на любом участке транспортной сети. Есть возможность сохранять данные в файлы формата *.xls, а также заносить их в базу данных ODBC формата.
PARAMICS (PARAllel MICroscopic Simulation) (Quandstone Ltd., United Kingdom) – набор программных инструментов для моделирования трафика на микроуровне. Ши-роко используется в Великобритании и США. Пакет предназначен для моделирования транспортных узлов в городах (перекрестки, регулируемые правилами приоритета и светофорами, транспортные развязки и т.д.), моделирования перегруженных автострад, оптимизации работы общественного транспорта, съездов с автомагистралей, регулиро-вание маршрутов, светофоров.
PARAMICS является легко переносимым и расширяемым пакетом, который по-зволяет реализовать подходы к моделированию трафика транспортной сети любого размера, начиная с простого перекрестка и заканчивая национальной транспортной се-тью. Основным ограничением на размер сети является объем памяти и мощность про-цессора. Поддерживается возможность индивидуального перемещения порядка 200000 автомобилей в единицу времени. Стандартно задано 7 классов транспортных средств, однако пользователь может создать свое собственное транспортное средство. Выбор маршрута автомобилем определяется заданной таблицей стоимостей. У каждого транс-портного средства есть заданный интервал времени (в среднем 1 с), через который пе-реопределяется положение транспортного средства и его поведение. Смена полосы на дороге выполняется с учетом интервала времени и предыдущей историей автомобиля. В пакете реализован алгоритм, который задает движение автомобиля на заданной тра-ектории маршрута. Движение регулируется физическими атрибутами автомобиля и его текущей скоростью. Так же поддерживается возможность определять маршрут соглас-но матрице корреспонденций.
В PARAMICS реализованы возможности сбора статистики и формирования все-сторонних отчетов об анализе транспортной сети. Предусмотрена 2D/3D визуализация, создание презентаций и видеороликов.
VISSIM (PTV AG, Germany) – многоцелевой пакет для моделирования трафика на микроуровне. Широко используется в Европе, США и других странах. Пакет предна-значен для анализа, реинжениринга и оптимизации городских и междугородних транс-портных сообщений. Позволяет моделировать городские перекрестки любой сложности и типа регулирования, анализировать пропускную способность транспортных систем и тестировать схемы транзитных приоритетов. Дает возможность управлять системами контроля альтернативных маршрутов и контроля трафика, анализировать емкость стоя-нок и моделировать трафик различных транспортных средств с пересечениями, пере-садками на разных уровнях (автобусный маршрут, железная дорога, метро, эскалатор и т.д.) [6].
Ограничений на размер транспортной сети и количество транспортных средств пакет практически не имеет. Основным ограничением является мощность вычисли-тельной машины. Позволяет с любой точностью детализировать схему транспортной сети, со всеми маршрутами, переходами, стоянками, остановками общественного транспорта. В потоке участвуют все виды транспортных средств, а также пешеходы (пассажиры). Реализованы стандартные типы транспортных средств (автомобили, гру-зовики, автобусы, трамваи, поезда, мотоциклы, велосипеды и пешеходы). Все эти виды транспортных средств можно параметризовать (габариты, мощность двигателя, распре-деление ускорения и торможения, вес и т.д.). При желании пользователь может задать свой тип транспортного средства. Задаются параметры интенсивности потока транс-портных средств, его пропорционального состава, графики работы светофоров, вероят-ности выбора маршрута передвижения. Поддерживается возможность подключения матрицы назначений для описания распределения трафика.
Реализована возможность подключать матрицы корреспонденций пакетов VISUM и emme/2. Также реализован интерфейс с такими пакетами, как TEAPACK, SYN-CHRO.
В пакете реализована модель Видерманна [11], которая описывает поведение во-дителя за рулем. В ней учитываются психофизические возможности человека: сниже-ние внимания и времени реакции; время, необходимое для принятия решения в услови-ях окружающей среды.
VISSIM предоставляет возможности сбора статистики на любом участке транс-портной сети и формирования отчетов, создания презентаций и видеороликов.


 

 

3.         Сравнительный анализ пакетов


Для сравнения пакетов между собой выделим несколько групп критериев:
• показатели, характеризующие возможности транспортной телематики;
• особенности моделирования транспортной сети;
• перечень измеряемых показателей.
Сравнительный анализ рассмотренных выше пакетов приводится в табл. 1 [2].
Воспользовавшись критериями, приведенными в [5], проведем сравнительный ана-лиз некоторых из существующих пакетов. Результаты анализа представлены в табл.1. Можно увидеть, что самым широким спектром возможностей в области управления и кон-троля трафика обладает пакет PARAMICS. Однако VISSIM, единственный из представлен-ных пакетов, способен собирать и хранить информацию о работе общественного транс-порта. В свою очередь AISMUN может адаптивно управлять поездкой в ходе моделирова-ния, меняя маршрут в зависимости от сложившейся на дороге ситуации.

Пакеты также отличаются между собой деталями учета некоторых особенностей транспортной сети. В табл.2 приведен сравнительный анализ этих возможностей. Мож-но отметить, что лидером по степени детализации является VISSIM. В нем не реализо-ваны только учет погодных условий и поиск парковки, которые присутствуют в пакете PARAMICS.
Также пакеты предоставляют разные возможности фиксации показателей транс-портной сети (табл.3). Снова VISSIM предоставляет самые широкие возможности в сбо-ре информации о транспортной сети и окружающей ее среды.




 

 

4.         Пример моделирования транспортной развязки города Риги в среде VISSIM 4.0


Данная модель является частью проекта, реализуемого в качестве заказа от Риж-ской городской думы, целью которого является исследование грузовых потоков города Риги: анализ имеющейся транспортной инфраструктуры, выявление «узких» мест, и, как следствие, предложения по развитию и усовершенствованию организации транс-портного движения в целом. Предметом исследования в проекте является транспорт-ный узел (сложная развязка), где постоянно возникают заторы. Для решения задач ис-пользовался пакет имитационного моделирования транспортных потоков на микро-уровне VISSIM.
Предварительно по результатам опросов и наблюдений, основанном на анкети-ровании и сборе статистики, был выявлен проблемный участок (одна из сложных раз-вязок города) – перекресток Maskavas – Slavu tilts – Krasta (названия улиц и моста). На этом участке проводились замеры интенсивности движения, фиксация процентного со-отношения грузового и общественного транспорта, фаз светофоров и других необходи-мых данных для построения модели. Основные задачи моделирования: выбор опти-мальной организации движения на перекрёстке и оценка пропускной способности для каждого варианта движения; оптимизация работы сигнальных устройств; анализ меро-приятий по облегчению движения грузового транспорта.
Одним из стартовых условий создания адекватной модели в VISSIM является наличие по крайней мере одной шкалированной карты, которая отображает истинную сеть. Благодаря такой возможности в пакете, модель становится максимально прибли-жённой к реальности. На основе данной карты, а также имеющейся статистике была построена имитационная модель рассматриваемого участка, которая изображена на рис.1. В модели маршрутизация транспортных единиц задавалась в виде статичных O/D путей, где необходимо было задать модельное время и относительный поток транспортных средств на выбранном отрезке. Модель транспортного движения основа-на на психофизической модели движения транспортного средства Видеманна[11]. В ходе экспериментов варьировались параметры модели, чтобы интенсивность и струк-тура транспортных потоков соответствовали наблюдаемым, – таким образом была про-ведена валидация модели.

Был предложен ряд изменений в данном узле, которые, предполагалось, дадут в целом положительный эффект в организации транспортного движения и повысят про-пускную способность рассматриваемого участка. Одно из предложений состояло в сле-дующем: вывод проезжей части напрямую с улицы Krasta на Slavu tilts (на мост) по территории существующей в настоящее время автостоянки (рис. 2). При этом система из трёх светофоров заменяется двумя. При такой реструктуризации крупногабаритные грузовые транспортные средства не создают заторы на полукольце Krasta-Maskavas для выезда на Slavu tilts. Также был проведён ряд экспериментов на модели по изменению фаз работы сигнальных устройств, и был получен оптимальный вариант (использова-лись данные статистики по накоплению очередей).
Рассмотрим результаты экспериментов с моделью до и после реконструкции данной транспортной развязки. На трех участках модели производилась фиксация сле-дующих характеристик: среднее время пребывания автомобиля и их количество на уча-стках 1, 2, 3. Фиксация характеристик проводились через каждые 900 секунд 4 раза. Данные эксперимента представлены в табл. 4 и 5.



На рис. 3 представлен график значений интенсивности потока транспортных средств в интервале времени от 2801 по 3600 с для рассматриваемых участков до и по-сле реконструкции.

Таким образом, при незначительных финансовых вложениях в реконструкцию можно получить повышение пропускной способности в рассматриваемом узле прибли-зительно в два раза. Следовательно, данное предложение можно считать достойным внимания и включать в перспективные планы реконструкции дорог и улиц города.


 

 

5.         Заключение


Пакеты имитационного моделирования трафика на микроуровне являются ими-тационными средствами, которые моделируют поток индивидуальных транспортных средств через транспортную сеть. Особенностями современных пакетов данного типа являются:
• способность наиболее точно воспроизводить любую геометрию дороги;
• детально моделировать поведение индивидуальных транспортных средств;
• реализовывать любую систему управления трафиком;
• расширенная 2D и 3D анимация.
Вышеперечисленные возможности, а также использование моделей поведения, берущих в расчет поведение водителя, позволяют считать данные средства элементами ИТС. Построение сложной, основанной на реальных правилах дорожного движения модели движения транспортных потоков, дает возможность тестировать всю дорожную систему на пропускную способность; прогнозировать пробки; разыгрывать всевозмож-ные дорожные ситуации; предоставлять анимационную картинку движения транспорт-ных потоков.
Большое внимание при разработке модели должно быть уделено созданию воз-можности на ее базе адаптивного управления как на локальном перекрестке или улице, так и на комплексном участке дорожной сети. Для этого необходима интеграция моде-ли в ИТС и ее взаимодействие с общей базой данных ИТС, в которую оперативно по-ступает информация о текущей ситуации дорожной сети города. Система получает данные о текущих интенсивностях транспортных потоков и соответствующим образом изменяет программу координированного управления.
Использованная в докладе для разработки модели среда VISSIM способна моде-лировать не только движение городского транспорта, но и движение воздушных и мор-ских судов. В VISSIM легко моделируются комплексные транспортные ситуации с вы-сокой степенью детализации, что делает модель максимально близкой к реальности.


 

 

6.         Литература


1. Handbook of Transport Modelling, edited by David A.Hensher, Kenneth J.Button. – Per-gamon, 2000.
2. Handbook of Simulation edited by Jerry Banks. Jonn Wiley&Sons,1998.
3. Kenneth E.Train. Discrete Choice Methods with Simulation. –Cambridge University Press, 2003.
4. http://ops.fhwa.dot.gov/trafficanalysistools/tat_vol2/sectapp_e.htm#top
5. http://www.its.leeds.ac.uk/projects/smartest/append3d.html
6. http://www.english.ptv.de/cgi-bin/traffic/traf_vissim.pl
7. http://www.aimsun.com/aimsun.html
8. http://www.paramics-online.com/resources/resources_docs.htm
9. http://www.ccs.lanl.gov/transims/index.shtml
10. http://web.mit.edu/its/mitsimlab.html
11. VISSIM 4.0 user manual.

 


Распечатано с портала GPSS.RU (c) И. В. Яцкив, Е. А. Юршевич, Н. В. Колмакова, 2005 г.