МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

Категория: Транспорт.

Аннотация. В статье проведен анализ и рассмотрены существующие методы повышения пропускной способности дорог посредством моделирования транспортных потоков. Определены факторы, влияющие на образование заторов, и предложены методы моделирования транспортных потоков. Рассматриваемые методы возможно применять на этапе проектирования и при учете существующих элементов улично-дорожной сети (УДС) городов.

Ключевые слова: транспортное средство, транспортный поток, улично-дорожная сеть (УДС), затор, светофорное регулирование, моделирование.

Отставание развития инфраструктуры УДС и стремительный рост автомобилизации в современных городах приводит к транспортным проблемам, связанным с повышением уровня загрузки, увеличением количества мест концентрации дорожно-транспортных происшествий (ДТП), ухудшением экологической обстановки. Приведенные факторы говорят о возникновении заторовых явлений и свидетельствуют о необходимости принятия мер по предотвращению вышеуказанных факторов. Транспортную проблему представляется возможным решить с помощью архитектурно-планировочных мероприятий и комплекса организационных подходов.

Мероприятия, которые непосредственно связаны со строительством инфраструктуры, являются дорогостоящими и в некоторых случаях абсолютно не применимы (в городах с исторически сложившейся застройкой). В таком случае необходимо использовать прогрессивные организационные подходы, основанные на моделировании транспортного потока (ТП) и транспортных процессов, а также применении современных технологий и технических средств организации дорожного движения, основанных на информативности и полной автоматизации управления движением ТП.

В научной сфере транспортных систем многие исследования отечественных и зарубежных ученых направлены на повышение эффективности работы светофорных объектов [1–4] и ликвидации существующих проблем движения ТП по уличной сети [5, 6].

Важной проблемой, постоянно возникающей на участках УДС, являются регулярные транспортные заторы. Проблема образования заторовых явлений рассмотрена в исследова­нии [7, 8].

Для решения существующей проблемы постоянно возникающих заторовых явлений многими авторами предлагаются методы «борьбы» с регулярными заторами. К ним относятся реконструкция участков УДС, оптимизация светофорного регулирования, строительство многоуровневых развязок и т. д.

Многие рассмотренные авторами методы сформированы на критериях оценки эффективности, которые в определенных случаях противоречат друг другу. Повышение скорости движения позволяет сократить задержки в пути, уменьшить количество выбросов вредных веществ, но при этом повышается риск возникновения ДТП.

Важной транспортной характеристикой в организации дорожного движения является пропускная способность дороги, позволяющая определить эффективность функционирования УДС. В теории и практике в области организации дорожного движения особое внимание уделяется повышению пропускной способности УДС. Это является актуальной задачей организации дорожного движения.

Повышения пропускной способности УДС можно достичь, проведением следующих мероприятий: изменением геометрической схемы уличной сети, строительством многоуровневых развязок и объездных дорог, устройством организованного парковочного пространства, увеличением скоростного режима на некоторых участках дорог, разработкой оптимального режима работы светофорного объекта. Все это способствует улучшению качества движения и повышению уровня безопасности участников дорожного движения.

Также неоднократно доказана эффективность применения моделирования ТП. В процессе моделирования при использовании современных компьютерных технологий достигается большой экономический эффект при минимальных трудозатратах и минимальном времени проведения исследования.

В научной практике для изучения различных процессов широко используют аналоговое моделирование, основанное на аналогии физических явлений, имеющих различную природу, но описываемых одинаковыми математическими (дифференциальными, алгебраическими или какими-либо другими) уравнениями.

Одним из видов аналогового моделирования является моделирование, основанное на электрогидродинамической аналогии (ЭГДА), при этом моделью в большинстве случаев выбирается электрическая система ввиду удобства измерения токов и электрических потенциалов.

Разработанный принцип моделирования транспортных потоков, основанный на ЭГДА, решает многочисленные задачи по обеспечению безопасного и эффективного движения автотранспорта [9], но данный принцип не применим в динамике.

К одной из крупных групп моделей ТП можно отнести модели, ТП в которых становится подобным потоку жидкости, – так называемые ­гидродинамические модели [10]. Здесь под транспортным потоком понимается поток одномерной сжимаемой жидкости. Возникают допущения сохранения потока [11]:

, (1)

где ρ(x, t) – плотность ТП в точке x в момент времени t > 0 (количество транспортных средств на определенном расстоянии); ρmax – плотность ТП в заторовом состоянии; V(x, t) – скорость ТС в точке x в момент вре­мени t; Vmax – максимальная скорость ТС, когда улично-дорожная сеть ­свободна.

При этом существует линейная зависимость между плотностью ТП и его скоростью [11, 12]:

. (2)

В движении ТП по аналогии с фазовыми переходами жидкости определяют фазовые состояния потока [13]:

• свободный поток (водители выбирают скорость исходя из свободного движения);
• синхронизированный поток (водители определяют скорость согласно скорости движения ТП);
• широкие перемещающиеся «пробки» (группы транспортных средств (ТС) движутся аналогично кускам льда в потоке воды);
• старт-стоп движение (ТП имеет сходство с потоком замерзающей воды).

  Старт-стоп движение и заторы образуются в плотном потоке, когда дистанция между ТС меньше критического значения.

  Также существует нечеткое моделирование, более естественно описывающее человеческое мышление, ход рассуждений, чем традиционные формально-логические системы. В работах научной школы кафедры эксплуатации и организации движения автотранспорта БГТУ им. В. Г. Шухова были разработаны база правил и модель нечеткого вывода, позволяющие управлять светофорным объектом с целью снижения заторовых явлений [14].

  На сегодняшний день существует ряд методик [11, 15], позволяющих оптимизировать движение ТС на различных участках УДС. Применение этих методик позволяет уменьшить число критических ситуаций и увеличить пропускную способность УДС.

  Для большей достоверности целесообразно рассматривать не одиночно движущийся автомобиль, а ТП в целом. ТП складываются из передвижений, совершаемых участниками движения. Основными характеристиками, определяющими количество совершаемых передвижений и их распределение по транспортной сети города, являются потокообразующие факторы транспортной сети.

  Характерной особенностью движения является неравномерное распределение транспортных потоков во времени. В течение суток образуются периоды максимальной концентрации движения, так называемые часы пик. Для эффективного решения проблемы заторов требуется численно выразить характеристики ТП. Для этого необходимо создать компьютеризированную модель, основной задачей которой будет регулирование транспортных потоков на перекрестке. Одной из главных задач является определение длины очереди (величины дорожного затора на перекрестке), а также пропускной способности [16].

  Для того чтобы понять причину возникновения заторовых ситуаций, необходимо детально изучать процесс движения транспортного потока как транспортную модель [1, 17]. В [18] рассмотрена зависимость длины очереди от времени остановки ТС на светофорном объекте. С использованием полученной зависимости, определяются параметры формирования затора (время или длина очереди) у пересечения со светофорным регулированием.

  Таким образом, на этапе проектирования основных и при учете существующих элементов УДС городов определены методы, применяемые при планировании городской УДС. Методы, определяющие пропускную способность, основаны на различных подходах. Имеются методы, базиру­ющиеся, в частности, на моделировании ТП. В связи с этим полученные в результате моделирования данные могут отличаться [19]. В таких случаях необходимо производить проверку адекватности модели и ее достоверности.

  ЛИТЕРАТУРА

  1. Сильянов В. В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. – М. : Транспорт, 1977. – 303 с.
  2. Иносэ Х., Хамада Т. Управление дорожным движением. – М. : Транспорт, 1983. – 248 с.
  3. Живоглядов В. Г., Бахтина О. Н. Теоретические принципы возникновения и упреждения заторовых состояний на автодорогах // Известия вузов Северо-Кавказского региона. Технические науки. – 2004. – № 3. – С. 52–54.
  4. Хомяк Я. В. Организация дорожного движения. – Киев : Высшая школа, 1986. – 276 с.
  5. Кременец Ю. А., Печерский М. П., Афанасьев М. Б. Технические средства организации дорожного движения : учебник. – М. : Академкнига, 2005. – 279 с.
  6. Капитанов В. Т., Хилажев Е. Б. Управление транспортными потоками в городах. – М. : Транспорт, 1985. – 94 с.
  7. Бахтина О. Н. Разработка методов расчета и оценки заторовых состояний транспортного потока на улично-дорожной сети городов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Армавир, 2006. – 15 с.
  8. Гай Л. Е., Шутов А. И., Воля П. А., Кущенко С. В. Заторовые явления. Возможности предупреждения // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. – 2013. – № 3. – С. 166–169.
  9. Гай Л. Е., Новиков И. А. Применение электродинамической модели для расчета показателей транспортного потока // Автотранспортное предприятие. – 2014. – № 3. – С. 49–52.
  10. D. Helbing; Traffic and related self-driven many-particle systems Revs. Mod. Phys. 73 (2001). –
      Рр. 1067–1141.
  11. Семёнов В. В. Математическое моделирование динамики транспортных потоков мегаполиса. – М. : Изд-во ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. – 2004.
  12. Greenberg H. An analysis of traffic flow // Operations Research. – 1959. – Vol. 7. – Pp. 79–85.
  13. Kerner, B.S. Three-Phase Traffic Theory and Highway Capacity. Mod. Phys. Statistical Mechanics and its Applications 333(1) (2004). – Рp. ­379–440.
  14. Кущенко Л. Е. Повышение эффективности организации движения в городе на основе минимизации заторов : дис. ... канд. техн. наук. – Орёл, 2016. – 124 с.
  15. Клинковштейн Г. И., Афа­насьев М. Б. Организация дорожного движения. – М. : Транспорт, 2001. – 247 с.
  16. Кущенко Л. Е., Дубров Р. А. Моделирование транспортных потоков с целью предотвращения процесса заторообразования // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика : сб. мат. Междунар. заочн. научн.-практ. конференции. – Воронеж : Изд-во ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова», 2015. – № 4(1). – С. 356–359.
  17. Дрю Д. Т. Теория транспортных потоков и управление ими. – М. : Транспорт, 1972. – 423 с.
  18. Кущенко Л. Е., Новиков И. А., Котухов А. Н., Чушкина В. В. Исследование скорости накопления транспортных средств на светофорном объекте // Научная мысль. – 2015. – № 2. – С. 17–24.
  19. Ширин В. В. Повышение пропускной способности улично-дорожной сети города // Вестник ХНАДУ. – 2010. – № 50. – С. 40–47.

Метки: Транспорт

• Назад
• Вперед