Моделирование движения транспортных потоков

 

При решении практических задач, связанных с проектированием элементов автомобильных дорог и систем управления движением по ним, целесообразным является статистическое моделирование на ЭВМ движения транспортного потока.

Транспортный поток представляет собой сложную систему, точное описание функционирования которой в комплексе аналитическими методами оказывается практически невозможным.

Проведение натурных экспериментов и исследований характеристик движения транспортного потока в реальных дорожных условиях связано со значительными трудностями: большими затратами труда, времени, средств и сложностью их правильной организации. Часто оказывается невозможным в течение короткого периода наблюдений за отдельными характеристиками транспортных потоков получение устойчивых зависимостей этих характеристик от интенсивности или скорости движения.

Методы математического моделирования транспортных потоков позволяют проводить экспериментальное исследование с помощью ЭВМ, моделируя разные интересующие ситуации, комбинации характеристик транспортного потока, наличие разных средств организации дорожного движения и т. д.

Наиболее эффективным является метод статистического моделирования транспортных потоков, при использовании которого случайные факторы имитируют при помощи случайных чисел, формируемых ЭВМ.

Поскольку изменение характеристик транспортных потоков при определенных состояниях происходит непрерывно, возможно применение аналоговых вычислительных машин (АВМ).

Эти два метода моделирования необходимо рассматривать как дополняющие друг друга, учитывая, что отдельные ситуации (например, следование за лидером) достаточно наглядно моделируются на АВМ. Исследования транспортных потоков в лабораторных условиях можно дополнять отдельными контрольными экспериментами непосредственно на дорогах.

Моделирование на ЭВМ включает в себя следующие этапы:

постановка задачи;

качественное формулирование процесса движения транспортного потока;

разработка алгоритма решения задачи;

разработка программы для ЭВМ;

получение результатов моделирования;

сопоставление результатов моделирования с данными контролируемого эксперимента для оценки качества моделирования;

уточнение модели с учетом наблюдений;

получение окончательной модели и разработка на ее основе практических рекомендаций.

Для использования методов математического моделирования на ЭВМ в практике проектирования дорог и организации дорожного движения необходимо иметь совершенно достоверные исходные данные:

геометрические элементы дорог; средства регулирования; особенности восприятия водителем дорожных условий, отражающиеся на управлении автомобилем (развиваемое ускорение, интенсивность торможения и др.); режимы движения отдельных автомобилей; характеристики транспортного потока с учетом влияния элементов дороги и средств регулирования. Все эти данные должны быть установлены при детальных натурных наблюдениях.

Возможны комбинации из следующих моделирующих алгоритмов: следование за лидером; свободное движение; маневрирование с учетом геометрических элементов дороги, числа полос движения и наличия средств организации дорожного движения.

Эффективность алгоритма следования за лидером зависит от правильности моделирования поведения водителя при этом режиме движения.

Алгоритм свободного движения зависит в первую очередь от правильности учета распределения интенсивности движения по направлениям, состава транспортного потока, распределения интервалов между автомобилями, режима движения одиночного автомобиля.

Моделирующий алгоритм маневрирования составляется с учетом принимаемых водителем решений на дорогах с разным числом полос движения и при наличии средств организации дорожного движения (рис. 6.2).

Моделирование по этому алгоритму возможно двумя способами: последовательное рассмотрение ситуаций в транспортном потоке через выбранный промежуток времени; рассмотрение ситуаций в транспортном потоке по принципу особых состояний.

 

Рис. 6.2. Общий моделирующий алгоритм движения транспортного потока (смена полосы влево или вправо предусматривается только для многополосных дорог)

 

 

В первом случае последовательно через равные промежутки времени рассматривают положения автомобилей, их скорости и т.д.

Во втором случае состояние транспортного потока рассматривают только в моменты изменения его состояния (особых состояний). Этот способ является более экономичным, так как требует меньших затрат машинного времени.

При выборе способа моделирования приходится учитывать вид решаемой задачи.

Использование первого способа предпочтительнее при моделировании сравнительно простых ситуаций или движения транспортных потоков по отдельным элементам дорог.

Второй способ более эффективен для моделирования движения транспортных потоков на большом протяжении дороги.

При моделировании транспортных потоков на ЭВМ с целью оценки эффективности применяемых средств организации дорожного движения и их влияния на режим движения

транспортных потоков необходимы правильная разметка расположения средств регулирования, наличие надежных фактических данных о влиянии отдельных дорожных знаков (в первую очередь предупреждающих) на режим движения транспортных потоков, знание закономерностей управления автомобилями при наличии разных средств организации дорожного движения, учет возможных видов маневров автомобилей в зоне действия средств организации дорожного движения. Учет наличия средств организации дорожного движения отражается в общем моделирующем алгоритме, приведенном на рис. 6.2.

Моделирование движения транспортных потоков позволяет:

учитывать все многообразие ситуаций, возникающих при движении транспортных потоков;

учитывать любые сочетания дорожных условий, наличие средств организации дорожного движения и оценивать их эффективность;

оценивать условия движения не только транспортного потока в целом, но и каждого из составляющих его автомобилей;

учитывать случайный характер изменения всех показателей, характеризующих движение транспортного потока и каждого автомобиля;

проводить исследование характеристик движения транспортных потоков в лаборатории с проверкой отдельных положений в реальных условиях движения по дороге с контролируемым или неконтролируемым экспериментом, что дает возможность:

значительно снижать затраты на эксперименты, проводить их более целенаправленно, без риска дорожно-транспортных происшествий;

разрабатывать методы статистического моделирования транспортных потоков для решения задач, которые не могут быть решены аналитическими методами;

значительно сокращать продолжительность проведения исследования и подготовки практических мероприятий по улучшению условий движения. Это особенно эффективно при сравнении вариантов проектируемых дорог с учетом движения транспортных потоков;

устанавливать основные характеристики транспортных потоков и давать им количественную и качественную оценку, а также уточнять постановку аналитических задач и проверять достоверность аналитических зависимостей;

получать более точные решения, чем при использовании методов теории массового обслуживания;

решать практические задачи с учетом экономико-математических моделей;

получать характеристики транспортного потока для большого протяжения дорог, измерение которых невозможно или очень затруднено в реальных условиях;

получать решения для дорог любых категорий и для любой точки дороги.

При анализе эффективности средств организации дорожного движения и оценке проектных решений с учетом экономико-математических методов комплексное использование ЭВМ позволяет выбирать оптимальные решения.

 

Контрольные вопросы

 

1. Как определяется предельно допустимая скорость движения автомобилей на кривых в плане и вертикальных кривых?

2. Как определяется средняя скорость транспортного потока на отдельном участке дороги?

3. Как определяется средневзвешенная скорость транспортного потока по всей дороге?

4. Насколько отличается средняя скорость движения легковых автомобилей транспортного потока от грузовых?

5. Какие параметры определяют пропускную способность дороги?

6. Как строится график изменения пропускной способности и изменения степени загрузки дороги движением?

7. Для каких целей и как производится моделирование на ЭВМ движения транспортного потока?

 

ГЛАВА 7