Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и оценка существующих методов организации движения транспортных средств на урбанизированных территориях 10
1.1. Развитие автомобильного транспорта и связанных с этим проблем 10
1.2. Развитие методов организации движения и борьбы с заторами 14
1.3. Анализ транспортного потока как объекта управления 21
1.4. Перспективные способы организации транспортных систем городов и постановка задач исследования 26
1.5. Гипотеза исследования 32
1.6. Выводы по главе 1 33
Глава 2. Исследование влияния индивидуального выбора пользователей улично-дорожной сети на процесс формирования транспортных потоков 35
2.1. Рассмотрение транспортной системы с позиций системного анализа 35
2.2. Исследование различий распределения транспортных потоков по первому и второму принципам Уордропа 39
2.3. Подходы к оценке влияния распределения потоков по времени поездки на эффективность функционирования УДС 46
2.4 Описание математической модели оценки эффекта от управления формированием транспортного потока 53
2.5. Подходы к повышению эффективности работы УДС 58
2.6. Выводы по главе 2 59
Глава 3. Разработка алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков 61
3.1. Разработка структурной схемы системы управления формированием транспортных потоков 61
3.1.1. Модель для использования в системе управления 63
3.1.2. Оценка целевой функции 64
3.1.3. Выработка управляющих воздействий 71
3.1.4. Оценка текущего состояния объекта управления 73
3.1.5. Блок-схема алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков 73
3.2. Экспериментальная оценка работы системы управления формированием транспортных потоков на основе имитационного моделирования 75
3.2.1. Описание программного комплекса для проведения эксперимента 75
3.2.2. Разработка модуля подпрограммы для реализации логики управления 77
3.2.3. Оценка допустимой плотности потока 77
3.2.4. Реализация основного алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков в AIMSUN 78
3.3. Выводы по главе 3 86
Глава 4. Предложения по внедрению системы управления формированием транспортных потоков 88
4.1. Технология работы системы 88
4.2. Обеспечение устойчивой работы системы 89
4.3. Состав технических средств 91
4.4. Интеграция предлагаемой системы в структуру ИТС 95
4.5. Автоматическое управление единицами подвижного состава 98
4.6. Оценка экономической эффективности 101
4.7. Предложения по дальнейшим исследованиям 104
4.8. Выводы по главе 4 106
Заключение 108
Библиографический список 112
Приложения 124
- Развитие автомобильного транспорта и связанных с этим проблем
- Подходы к оценке влияния распределения потоков по времени поездки на эффективность функционирования УДС
- Реализация основного алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков в AIMSUN
- Предложения по дальнейшим исследованиям
Введение к работе
Актуальность исследования. Современный уровень транспортной нагрузки на улично-дорожную сеть (УДС) крупных городов в настоящее время вызывает ряд проблем связанных с несоответствием количества транспорта выезжающего на УДС возможностям самой УДС. Основной проблемой является снижение скоростей движения по участкам УДС до значений, при которых функционирование наземного транспорта становится крайне неэффективным. Разница между временем движения в свободных условиях и в часы "пик" может составлять 6-8 раз и более. Помимо потерь времени такой режим движения вызывает значительное увеличение объема вредных выбросов. Кроме того, следует учитывать уровень стресса, испытываемый водителями в таких условиях движения. При этом уровень автомобилизации населения российских городов продолжает расти. Наблюдается тенденция разрастания часов пик и повышения интенсивности движения в межпиковый период. Такие условия перемещения по УДС начинают влиять на темпы общеэкономического развития города и качество жизни в нем. Потери от транспортных заторов для крупных городов по различным оценкам составляют около 3-6 % ВРП, например для Санкт-Петербурга это около 80 млрд. руб. в год, для Москвы около 450 млрд. руб. в год.
Формирование значений интенсивности транспортных потоков на отдельных элементах УДС осуществляется под влиянием значительного числа факторов, основные из которых связаны с субъективным восприятием действительности отдельными индивидуумами, что существенно затрудняет процесс принятия решений о применении того или иного управляющего воздействия. При уровне спроса превышающем возможности транспортной сети, свобода в выборе маршрута и времени начала движения неизбежно приводят к перегрузке, образованию транспортных заторов и существенному снижению эффективности использования имеющейся УДС. Локальные мероприятия по управлению доступом к перегруженным участкам УДС показывают высокую эффективность. В этой связи представляет интерес исследование возможности повышения эффективности за счет распространения принципа управления доступом на всю УДС.
Теоретическая и практическая значимость проблемы повышения эффективности использования УДС, а также ее высокая актуальность предопределили выбор темы, постановку целей и задач диссертационного исследования.
Гипотеза исследования. Для обеспечения максимальной
эффективности работы УДС может быть разработана система управления с директивным регулированием доступа на УДС и предписанием системно-оптимального маршрута на уровне отдельного ТС.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам оценки и повышения эффективности работы УДС посвящены исследования: А.А. Агасьянца, В.Ф. Бабкова, С.А. Ваксмана, А.П. Васильева, А.Э. Горева, Ф.Г. Глика, И.М. Головных, Г.Н. Зубкова, Е.М. Лобанова, А.Ю. Михайлова, П.И. Поспелова, Д.С. Самойлова, А.В. Сигаева, В.В. Сильянова, Ю.А. Ставничего,
М.С. Фишельсона, Ю.Д. Шелкова, В.В. Шештокаса и др. Анализу поведения плотных транспортных потоков и управлению ими посвящены работы: М.Б Афанасьева, P.O. Брайловского, М.Я. Блинкина, А.П. Буслаева, Б.Н. Грановского, В.В. Зырянова, И.Е. Капитанова, Г.И. Клинковштейна, В.И. Коноплянко, Ю.А. Кременца, И.А. Лубашевского, В.Н. Луканина, М.П. Печерского, Ю.М. Ситникова, Е.Б. Хилажева, Б.Г. Хоровича, В.И. Швецова, М.В. Яшиной и др.
Среди зарубежных исследователей в области управления потоками на сетях стоит выделить: Akcelik R., Braess D., Brilon W., Daganzo C. F., Geroliminis N., Mahmassani H. S., Papageorgiou M., Roughgarden Т., Taale H., P. Varaiya, Wardrop J. G., Zuurbier F., Zuylen H. и др.
Целью настоящего исследования является разработка методических основ повышения эффективности использования улично-дорожных сетей городов за счет директивного воздействия на процесс формирования транспортных потоков.
Для достижения указанной цели в данной работе были поставлены следующие задачи:
провести анализ процесса формирования транспортных потоков на сети и подходов к управлению ими;
провести анализ эффективности мер по формированию транспортных потоков;
разработать математическую модель оценки эффекта от активного управления формированием транспортных потоков;
разработать алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе активного управления формированием транспортных потоков;
экспериментально оценить эффект от активного управления формированием транспортных потоков при помощи имитационного моделирования;
разработать предложения по внедрению системы управления формированием транспортных потоков.
Объект исследования — улично-дорожная сеть города и транспортные потоки на ней.
Предмет исследования — методы распределения транспортных потоков на сети в пространстве и во времени.
Методы исследования. Математический, статистический и системный анализ. Имитационное моделирование.
Научная новизна работы состоит в разработке новых научно-практических рекомендаций по организации системы управления дорожным движением в городах:
определены границы применимости системно-оптимального распределения потоков на сети;
предложен новый способ организации системы управления дорожным движением;
в рамках указанного способа предложен новый критерий оценки эффективности работы УДС;
разработана математическая модель оценки эффекта от активного управления формированием транспортных потоков;
разработан алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе активного управления формированием транспортных потоков.
Практическая значимость результатов исследования. Результаты работы могут быть реализованы в виде системы управления дорожным движением, которая регулировала бы доступ автомобилей на УДС в масштабе города или целого региона, создавая вместо реальных транспортных заторов виртуальные очереди, что позволит использовать имеющуюся УДС максимально эффективно.
Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет".
По разработанному способу организации системы управления дорожным движением получен патент на изобретение (патент Российской федерации №2507583 "Способ организации системы навигации и управления дорожным движением", заявка от 27.04.2012 г., получен 20.02 2014 г.)
Основные положения, выносимые на защиту:
новый способ организации системы управления дорожным движением, отличающийся регулированием доступа к УДС и передачей управляющих воздействий непосредственно каждому водителю;
новый критерий эффективности работы УДС, позволяющий оптимизировать производительность при регулировании доступа;
математическая модель оценки эффекта от управления доступом к УДС, учитывающая закономерности изменения спроса и затрат времени;
алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе директивного управления формированием транспортных потоков. Апробация работы. Основные положения, рекомендации и результаты
исследования доложены и одобрены на международных и отраслевых конференциях (Санкт-Петербург, Москва, Минск), а также на IV Российском международном конгрессе по интеллектуальным транспортным системам.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в печатных 10 работах общим объемом 2,77 п.л., получен 1 патент на изобретение. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 2 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Основной текст размещен на 123 страницах, включает 5 таблиц, 27 рисунков. Библиографический список включает 117 наименований, в том числе 79 на иностранном языке.
Развитие автомобильного транспорта и связанных с этим проблем
Появление автомобиля в массовой доступности привело к противоречивым результатам. С одной стороны автомобильный транспорт, особенно в личном пользовании, обеспечил небывалую гибкость и скорость транспортного обслуживания населения, доставку грузов «от двери до двери». В любой стране развитие автомобильного транспорта подталкивало развитие практически всех отраслей экономики. Кроме того, и сам транспорт стал одной из ведущих отраслей. На сегодняшний день функционирование городов немыслимо без автомобильного транспорта, он играет роль своего рода кровеносной системы в организме города. В междугородных и международных сообщениях автомобильный транспорт также имеет весомую составляющую. На заре автомобилизации личный автомобиль для отдельного человека давал невероятную свободу передвижений, и значительное повышение качества жизни за счет сокращения времени на поездки. Автомобиль связывал разобщенные ранее территории и вызывал расширение городов, позволяя быстро добираться из пригородов в центр. С другой стороны, кроме каталитического эффекта на экономику и повышения мобильности населения автомобилизация несет с собой и отрицательные последствия, связанные с высокой аварийностью и смертностью в результате ДТП, огромного количества вредных выбросов в атмосферу, шумового загрязнения, и потерь времени вследствие перегрузки УДС. Последний фактор обусловлен тем, что для функционирования автомобильного транспорта необходима соответствующая инфраструктура, развитие которой требует гораздо больших ресурсов, чем производство автомобилей. Поэтому количество дорог и уровень их пропускной способности не успевает за темпами роста автомобильного парка. Особенно остро эта проблема стоит в городах, где возможности развития транспортной инфраструктуры сильно ограничены. Из-за перегрузки УДС городов возникают транспортные заторы, парализующие движение на значительных территориях. Заторы не только свели на нет основное преимущество автомобиля - его высокую мобильность, но и привели к неэффективности системы автомобильных перевозок как таковой [1,2]. В таких условиях можно говорить о том, что автомобиль стал выполнять функции противоположные изначальным: вместо повышения скорости доставки грузов и мобильности населения он затрудняет движение по УДС и препятствует экономическому развитию.
Специалисты из США выделяют 7 базовых причин возникновения заторов, которые могут сочетаться друг с другом в различных комбинациях [3]. Эти 7 причин можно разделить на 3 группы:
1) Внешние причины
- дорожные происшествия (ДТП, поломка),
- проведение дорожных работ,
- погодные условия,
2) Уровень транспортного спроса
- ежедневные колебания в уровне интенсивности движения,
- колебания, связанные с проведением разного рода мероприятий,
3) Физические параметры дорог
- технические средства организации движения,
- изменения в пропускной способности (сужения дорог).
Также в [3] отмечается, что указанные причины имеют некоторую взаимозависимость, например, плохая погода может вызвать ДТП, возникающие заторы могут вызвать поломку автомобиля из-за перегрева, регулярные заторы могут стать причиной изменения спроса на поездки и.т.д. На рисунке 1.1 представлена схема отражающая взаимосвязь указанных причин образования заторов.
Таким образом, воздействуя на одну из причин можно снизить негативное влияние других. По результатам многолетних исследований зарубежные специалисты пришли к выводу, что основной причиной возникновения заторов всегда является высокая загрузка. Влияние возникновения происшествий, погодных условий, дорожных работ может быть нивелировано запасом пропускной способности. Поэтому основное направление борьбы с заторами должно быть сосредоточено на регулировании соотношения спроса на поездки и предложения в виде дорожной инфраструктуры с целью поддержания её загрузки на допустимом уровне. Поскольку сдерживание нагрузки требует серьезных мер и крайне затруднено, возникает необходимость проработки действий оперативного характера для наилучшего использования имеющейся инфраструктуры и снижения влияния остальных факторов. К таким действиям относится все, что касается управления транспортными потоками, а также меры по скорейшей ликвидации последствий ДТП, грамотная организация дорожных работ, предупреждение обледенения и своевременное информирование о погодных условиях.
По различным оценкам последствия от заторов для российских городов составляют от 3 до 6 % их ВРП. Эта величина складывается из многих составляющих, это и потери времени трудоспособным населением, потери бизнеса от несвоевременной доставки грузов, ускоренный износ ТС, повышенный расход ГСМ и так далее, вплоть до ухудшения состояния здоровья водителей и пассажиров. Установлено, что выраженность психовегетативных нарушений у водителей находится в прямой зависимости от длительности пребывания в транспортных заторах [4].
На сегодняшний день не существует общепринятой методики оценки последствий заторов, но не возникает сомнений в том, что эти последствия наносят ощутимый урон во всех сферах функционирования городов. Наиболее полный перечень рекомендаций по оценке последствий от заторов приведен в [5], а в [6] присутствует более подробное описание расчетов отдельных составляющих.
Помимо заторов на УДС с увеличением парка автомобилей возникает проблема их временного хранения и парковки. Эта проблема ярко проявляется в центральных частях крупных городов, когда из-за отсутствия парковочных мест до 25 % от наблюдаемых транспортных потоков могут составлять автомобили пытающиеся найти место для парковки.
Указанные факторы составляют классический набор последствий массовой автомобилизации. Кроме них, в последние десятилетия все чаще звучит еще один пример негативных последствий автомобилизации. Это тот факт, что неуправляемая автомобилизация в конечном итоге приводит к потере городом своих качеств, повсеместное использование автомобиля в городской черте оказывает негативное влияние и на конфигурацию городов, стиль жизни и социальные отношения. Подобное произошло со многими городами США, особенно теми, которые бурно росли в 1970-1980 годах. Как по внешнему облику, так и в социальном плане такие города представляют собой тип населенных мест, разительно отличающийся от городов, где возможно прямое человеческое взаимодействие и активная общественная жизнь. В таких городах сформировались развитые сети фривэев и магистральных улиц с расположенными вдоль них коммерческими предприятиями, а также обширные пригороды. Общественный транспорт деградировал в систему услуг, предоставляемых в рамках социального обеспечения тем, у кого нет автомобиля или кто не способен им пользоваться. Пешеходное движение неэффективно или невозможно вследствие значительных расстояний между пунктами назначения, отсутствия удобных тротуаров, необходимости пересекать широкие улицы и огромные паркинги. Политика реконструкции городов под нужды частных легковых автомобилей и грузовых автомобильных перевозчиков не смогла достичь своей основной цели: заторов не стало меньше. Построив сотни миль фривэев и гигантские парковочные сооружения, которые доминируют не только в пригородных ландшафтах, но и в городских центрах, эти агломерации страдают от заторов не меньше, чем города с куда более скромными дорожными сетями [1].
Подходы к оценке влияния распределения потоков по времени поездки на эффективность функционирования УДС
Пример из [37] показывающий разницу во времени проезда автомобилей через участок сужения при неконтролируемом доступе и при упорядочении доступа позволяет провести аналогию между отличием двух типов распределения потоков по маршрутам и распределением потока во времени. То есть, как в случае отсутствия контроля над распределением потоков существует некоторая «цена анархии», так и в случае распределения потока во времени существует нечто подобное. Данное явление описал Уильям Викри -основоположник идеи реализации оптимального распределения потоков посредством введения платы за проезд по определенным участкам [63]. Он рассматривал одиночное сужение (bottleneck) по которому движется определенное число автомобилей, которые стремятся приехать в пункт назначения в одно и то же время t . Пропускная способность участка не позволяет проехать всем в одно время и соответственно образуется затор. Как и в реальной ситуации некоторые водители выезжают пораньше и прибывают в пункт назначения до необходимого времени, те кто выезжают позже опаздывают, и лишь небольшая часть водителей приезжает точно в срок, испытывая при этом максимальные задержки из-за затора. Таким образом, в системе устанавливается равновесие когда затраты на совершение поездки суммарно с затратами вследствие раннего прибытия или опоздания для всех водителей одинаковы и никто не может их уменьшить изменив время выезда, при этом время раннего прибытия имеет меньшую удельную стоимость, чем время опоздания (рисунок 2.11), где С - стоимость отклонения от времени точного прибытия t , Р и - удельные стоимости раннего прибытия и опоздания соответственно).
В такой ситуации, подобно распределению по маршрутам согласно первому принципу Уордропа, водители действуют самостоятельно, стремясь минимизировать общее время своей поездки. При этом возможен и другой вариант распределения, когда водители «договариваются» между собой для достижения минимума длительности поездки, для чего необходимо не допускать образование затора. В таком случае кто-то добровольно будет приезжать очень рано, кто-то поздно, а некоторая часть точно вовремя, при этом она будет больше чем в случае отсутствия договоренности. Трудно себе представить, чтобы в реальной жизни имела место такая «договоренность» между водителями. Тогда, как и предложил У. Викри, возникает мысль уравновесить общие стоимости поездок водителей с помощь введения дополнительной платы: чем ближе время прибытия к желаемому тем выше плата. В таком случае достигается наибольшая выгода: и дорога эксплуатируется максимально эффективно, и государство получает дополнительную прибыль [64]. Идея введения пошлин для получения оптимального распределения потоков не прекращала прорабатываться и освещаться в литературе в течение всего периода с момента ее появления, но в последние годы получила новое развитие в связи с совершенствованием систем электронной оплаты [65], также учитывая различные дополнительные факторы. Например, некоторые авторы рассматривают определение оптимальных пошлин с учетом пространственной топологии сети [66], или с учетом движения транспорта общего пользования [67]. Можно сказать, что на сегодняшний день данное направление развития систем управления дорожным движением является одним из доминирующих.
Таким образом, контроль над распределением по маршрутам и по времени начала поездки позволит обеспечить значительное повышение эффективности использования имеющейся УДС.
По аналогии с «коэффициентом Браесса», для разницы между временем поездки при неконтролируемом и контролируемом доступе, было бы полезно провести исследования условий ее возникновения и зависимости от уровня нагрузки. Для краткости назовем эту разницу «коэффициент Викри». Очевидно, что искомое явление будет возникать при высокой плотности транспортных потоков, когда значение функции VDF начинает резко возрастать. Характеристики этого явления, в свою очередь, должны определяться формой математического описания функции VDF. Однако все рассмотренные функции VDF основываются на уровне загрузки, т.е. отношении текущей нагрузки к пропускной способности, которая считается постоянной. Результат получаемый при использовании VDF - это либо время движения через участок сети одного автомобиля либо его средняя скорость. При этом, функции VDF не дают возможности определить сколько автомобилей фактически проехало через участок, т.е. не описывают явление снижения пропускной способности при переходе транспортного потока из свободного в заторовое состояние, что является ключевым моментом в наличии эффекта от сдерживания потоков. Таким образом, анализ эффективности сдерживания потока и определения величины «коэффициента Викри» на основе существующих функций VDF даст ограниченный результат прямо зависящий от поведения конкретной функции после уровня нагрузки 1. Кроме того, функция VDF только косвенно учитывает задержки на регулируемых перекрестках, а также не учитывает влияние загруженности других участков.
Первоначальной ролью функций VDF являлась приблизительная оценка времени поездки по тому или иному маршруту, что было достаточно для целей транспортного планирования. Более точное описание процесса движения автомобилей по участку дороги и УДС следует искать в теории транспортных потоков. Классическая теория транспортных потоков, берущая свое начало с работы Гриншильдса в 1935 г., также не дает удовлетворительного описания явления снижения пропускной способности при переходе транспортного потока из свободного в заторовое состояние. Многие исследователи, анализируя эмпирические данные о движении потоков, предпринимали попытки описать их в рамках классической теории. В России наука о транспортных потоках в значительной мере представлена работами В.Ф. Бабкова, А.П. Буслаева, В.В. Зырянова И.А. Лубашевского, В.Н. Луканина, В.В. Сильянова, В.И. Швецова, М.В. Яшиной, и др. Так, для классификации автотранспортных потоков В.Ф. Бабков в 1970-х годах [68] ввел понятия свободного, частично-связанного, связанного и насыщенного потоков. Эта классификация также основывалась на анализе соответствующих фрагментов фундаментальной (основной) диаграммы. Трудности в описании фазовых переходов в рамках классической теории транспортных потоков привели к появлению ряда альтернативных теорий. В работе [69] описывается использование стохастического подхода к описанию транспортного потока с элементами модели перколяционного типа. Однако результаты экспериментов на основе предложенной клеточной модели показали, что скорости потоков монотонно убывают при увеличении суммарной плотности, не отражая явление снижения пропускной способности, хотя оно упоминается в тексте.
Среди альтернативных теорий наиболее известной и часто упоминаемой в литературе является 3-х фазная теория транспортного потока, которую предложил в конце 90-х гг. Борис Кернер - советский ученый эмигрировавший в Германию в 1992 г. Теория трех фаз фокусируется главным образом на физике плотного транспортного потока на скоростных автомагистралях. И описывает три фазы транспортного потока: свободный поток F, синхронизированный поток S и широкий движущийся кластер (затор) J, в то время как классические теории, базирующиеся на фундаментальной диаграмме транспортного потока, рассматривают две фазы: свободный поток и так называемый плотный поток [70]. В русскоязычной литературе данная теория достаточно подробно описана в учебном пособии под редакцией А. В. Гасникова [71], которое, по видимому, представляет наиболее полный обзор современного состояния теории транспортных потоков среди отечественных изданий. Таким образом, теория трех фаз Б. Кернера на сегодняшний день наиболее адекватно описывает процессы фазовых переходов в транспортном потоке. Также она не только подтверждает наличие, но и объясняет причины эффекта снижения пропускной способности при переходе потока из свободного в заторовое состояние. Не вдаваясь в подробности теории, отметим, что при образовании затора, или в терминах теории «широкого движущегося кластера», пропускная способность дороги может принимать значения между qth и qout (рисунок 2.12), которые в любом случае меньше исходной пропускной способности в условиях свободного потока qmax.
Реализация основного алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков в AIMSUN
Для проведения экспериментов в программном комплексе AIMSUN была разработана подпрограмма на языке программирования Python, позволяющая внедрить необходимую логику управления. В проведенных экспериментах управлению подвергалось только время доступа к сети, маршруты движения назначались встроенными средствами программного комплекса. Согласно предложенному подходу управления на прогнозирующих моделях, подпрограмма строила собственную модель развития ситуации на рассматриваемой сети. Эта модель представляет собой совокупность уже упомянутых временных траекторий, позволяющих оценить число автомобилей на каждом перегоне УДС в соответствии со средними фактическими временами проезда. Разработанная подпрограмма работает следующим образом. При запуске имитации подпрограмма составляет модель сети на основе времен движения в свободных условиях, для перегонов главной дороги перед нерегулируемыми перекрестками это время зависит только от длины и разрешенной скорости, для перегонов второстепенной дороги время движения увеличивается с помощью некоторого коэффициента. Время движения на перегонах перед регулируемыми перекрестками определяется с учетом длительности цикла и фазы регулирования. Таким образом, на момент запуска имитации построена простейшая модель, позволяющая оценить время движения по тому или иному маршруту.
Объем спроса на поездки задается с помощью матриц корреспонденции, интервалы между появлением автомобилей определяются на основе выбранного закона распределения внутренними средствами программного комплекса. В данной ситуации появление автомобиля рассматривается как заявка на поездку, для которой будет определяться необходимость и продолжительность задержки. Появляющийся автомобиль уже обладает набором характеристик, имеет пункт назначения и маршрут движения рассчитанный внутренними средствами программного комплекса. Поэтому для реализации логики управления подразумевающей задержку автомобиля на месте парковки до выезда на УДС, в модели были созданы специальные буферные участки на которых происходит накопление задерживаемых автомобилей. Пример такого участка представлен на рисунке 3.5.
При появлении транспортного средства подпрограмма считывает информацию о его пункте назначения и маршруте движения, далее просчитывает его временную траекторию, т.е. информацию о том, на каком перегоне сети будет находиться этот автомобиль согласно рассчитанным данным о временах проезда. Данные об этой траектории добавляются в модель рассматриваемой сети и автомобиль получает разрешение на движение. Считывая таким образом информацию о пунктах назначения и маршрутах движения каждого автомобиля подпрограмма формирует модель развития транспортной ситуации. Далее согласно принципу управления на прогнозирующих моделях с некоторой периодичностью происходит перерасчет внутренней модели по текущим данным, новые времена движения по перегонам определяются уже по фактическим данным за прошедший период, для каждого автомобиля находящегося в сети заново рассчитывается его траектория на основе обновленных данных о временах движения. Таким образом, внутренняя модель приводится в соответствие с реальной ситуацией, что позволяет точнее прогнозировать движение новых заявок по сети. Периодичность перерасчета зависит от точности внутренней модели, в проведенных экспериментах шаг перерасчета варьировался от 4 до 10 минут.
Для каждой новой заявки при расчете временной траектории и ее наложении на данные внутренней модели, получаемое число автомобилей на перегонах в каждый момент времени сравнивается с рассчитанными ранее допустимыми значениями. Если полученное значение превышает допустимое, временная траектория данного автомобиля последовательно сдвигается на один шаг и снова сравнивается до тех пор пока пороговые значения не будут соблюдены. Количество шагов сдвига определяет время необходимой задержки данного автомобиля. Это значение присваивается автомобилю как атрибут, а его траектория со сдвигом добавляется во внутреннюю модель и учитывается при расчете задержек для последующих заявок. Подпрограмма отслеживает когда истечет назначенное время задержки и выпускает автомобиль. Задержка автомобилей в данном случае происходит с помощью назначения автомобилю незначительной скорости движения (0,1-0,5 км/ч). Значения рассчитанных задержек суммируются для определения итоговых показателей работы. Эксперимент сравнивает результаты функционирования различных фрагментов УДС при наличии и отсутствии описанного управления по критерию суммарного времени пребывания автомобилей в сети. Количественные показатели суммарного пребывания автомобилей в сети выводятся встроенными средствами программного комплекса, при этом вспомогательные буферные участки не участвуют в сборе статистики. Значения общей принудительной задержки суммируются с данными по времени пребывания автомобилей в сети.
Для всех исследуемых объектов применялся один профиль изменения нагрузки имитирующий утренний час пик: с интервалом 20 мин нагрузка возрастала от 50 % до 120 %, а затем снижалась, общий период моделирования составил 4 часа. Период максимальной нагрузки в 120 % составлял 40 мин. За 100 % был приняты потоки соответствующие максимуму производительности, оцениваемой на подготовительном этапе. Количество прогонов модели рассчитывалось в соответствии с формулой 3.4.
Первый объект представляет собой участок дороги имеющий сначала две полосы для движения затем сужающийся до одной полосы. Изображение модели участка приведено на рисунке 3.6.
Предложения по дальнейшим исследованиям
В настоящем исследовании обозначены лишь основные принципы работы системы формирования транспортных потоков, при этом остается ряд нерешенных вопросов. В дальнейших исследованиях следует уделить значительной внимание проблеме обеспечения устойчивой работы системы. Система должна гарантировать пользователю, что время ожидания не увеличится и по его истечению он проедет свой маршрут за предсказуемое время с минимальными задержками. Конечно, при возникновении инцидентов, перекрывающих движение по крупным магистралям, система может оказаться не в состоянии обеспечить заявленные времена движения, но в любом случае сможет минимизировать потери времени. Постоянный мониторинг потоков с высокой точностью может мгновенно составить картину произошедшего ДТП, не требуя длительного составления протокола, время ликвидации возникших помех будет определяться скоростью приезда специальных служб, которое также будет минимально. Кроме того, возникшие потери и ущерб нанесенные пользователям и государству по причине задержек могут быть точно оценены и представлены к возмещению виновнику ДТП.
Еще один не сразу заметный вопрос, который возникает при описании работы системы, это то как будут формироваться очереди для пользователей находящихся на разном расстоянии от «узкого» места. Система должна гарантировать, что суммарное время ожидания и поездки не будет превышать времени, которое потребовалось бы для движения в условиях неконтролируемого доступа. Согласно базовому алгоритму предложенному в 3 главе, пользователи подавшие заявки из отдаленных по отношению к некоторому «узкому» месту районов встают в виртуальную очередь, при появлении заявки из близлежащего района пользователь будет вынужден ждать когда реализуются уже поданные заявки, однако при отсутствии системы он бы выехал сразу и вклинившись в поток перед «узким» местом проехал свой маршрут быстрее.
Также нуждаются в проработке вопросы учета внешних корреспонденции, генерирующихся за пределами контролируемой зоны. Вероятно необходимо устройство некоторых буферных зон на каждом въезде в контролируемую зону и воздействие на внешние корреспонденции косвенными методами информируя о статистике времени ожидания в этих зонах.
Требует проработки вопрос предоставления приоритета грузовому транспорту, будет ли выше выгода для общества от ускорения доставки товаров. Нуждается в дополнительных исследованиях и вопрос введения возможности платного снижения времени ожидания.
Таким образом, система должна обеспечивать поддержание основной целевой функции, а именно недопущения образования заторов, а также стремиться максимизировать выгоду для всех категорий пользователей, в то же время быть способной адаптироваться под возникающие изменения. Исходя из таких задач при описании функционирования предлагаемой системы в дальнейших исследованиях необходимо опираться на теорию сложных и сложных адаптивных систем [115]. Примерами сложные адаптивных систем являются колонии насекомых, биосфера и экосистемы, мозг и иммунная система, клетка, эмбрион, экономические рынки, политические партии, социальные сообщества, крупные технические и социально-технические системы. Транспортную систему крупного города также можно отнести к подобным системам. Построение такой адаптивной автоматической системы управления представляется целесообразным осуществлять на базе нечетких регуляторов и нейросетевых технологий [116,117].
Кроме технических существует еще ряд сложностей социального и правового характера. Некоторые жители могут воспринять внедрение такой системы как попытку введения тотальной слежки и ограничения свободы передвижения. Также для внедрения системы требуется значительная корректировка нормативно-правовой базы.
