Имитационное моделирование в задачах реорганизации и анализа дорожного движения

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях интенсивного развития транспортной инфраструктуры особую актуальность приобретает проблема организации бесконфликтного взаимодействия участников транспортного движения, обеспечивающая высокую пропускную способность транспорта и пешеходов. Изменение организации дорожного движения требует тщательного анализа текущей ситуации. На основании анализа могут быть предложены менее затратные варианты решения проблемы, например такие, как изменение схемы движения (разрешение поворотов, введение одностороннего движения, корректировки режимов работы светофоров и т. п.), или более затратные, такие как организация локального уширения, изменение конфигурации транспортного узла.

Опишем вариант оптимизации работы светофорного объекта для обеспечения безопасности и эффективности транспортных и пешеходных потоков на одном из перекрестков города Сургута.

Светофорный объект относится к стохастическим системам, исследование которых целесообразно проводить на основе имитационного моделирования. При этом именно имитационная модель на уровне мезо- и микромоделирования позволяет получить результат с высокой точностью [1].

На сегодняшний день существует множество подходов к созданию математических моделей транспортных потоков [2]. При этом значительную роль играет имитационное моделирование. В зависимости от уровня детализации представления исследуемой системы могут применяться процессный подход, агентный или системная динамика [3][4]. В качестве инструментария использована система имитационного моделирования PTV Vissim, позволяющая создавать модели на микроуровне, представляя каждый элемент системы регулируемого дорожного движения на перекрестке [5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта исследования выбран один из наиболее загруженных транспортными потоками перекресток г. Сургута. Исходными данными для исследования является планировочная схема проезжей части перекрестка, текущая организация дорожного движения на нем, текущий режим работы светофорного объекта, интенсивность движения транспорта с учетом его разновидностей (легковой, грузовой транспорт и общественный) и пешеходов.

В ходе исследования были использованы следующие методы:

– построение детальной геометрической модели перекрестка;

– настройка параметров транспортных потоков;

– оценка точности модели;

– моделирование различных сценариев организации движения;

– анализ показателей эффективности работы светофорного объекта.

Исходные данные. Пиковая суточная активность движения на перекрестке появляется в утреннее время с 7:00 до 8:00, дневное с 13:00 до 14:00 и вечернее с 17:00 до 18:00. Картина движения в отмеченные периоды отличается несущественно. Для обобщенной оценки эффективности режимов регулирования движения выбрано моделирование ситуации в вечернее время в интервале с 17:00 до 18:00. На рис. 1 отображена интенсивность движения транспортные средства по полосам, где три последовательных численных значения отображают:

– легковые транспортные средства;

– грузовые транспортные средства;

– автобусы. 

На схеме отражено, что движение транспорта снизу вверх по улице 30 лет Победы с поворотом налево запрещено. Интенсивность пешеходного движения представлена на рис. 2.

Параметры регулирования включают в себя режимы светофорного регулирования (число фаз, порядок их чередования, длительности цикла, основных и промежуточных тактов).

Режим работы светофорного объекта состоит из:

– схемы пофазного разъезда (рис. 3), где 1 Н-10 Н – направления движения;

– параметров светофорного регулирования (табл. 1);

– временной диаграммы светофорного цикла (рис. 4). 

Особенностью существующей схемы организации разъезда является отсутствие поворота налево при движении по улице 30 лет Победы на север-запад (снизу вверх налево, рис. 1). Это обстоятельство приводит к возникновению заторов при выезде с перекрестка, поскольку водители прокладывают маршрут по следующему, по ходу движения, перекрестку.

Параметры светофорного регулирования состоят из общего времени цикла (Тцикла), который делится на промежуточный такт (Тпром) для обеспечения безопасного завершения проезда перекрестка участниками дорожного движения, и основной такт (Тосн) для обеспечения движения определенного направления.

Задача – предложить оптимальную схему организации движения и схему пофазного разъезда для перекрестка (с указанием времени фаз и промежуточных тактов), которые позволят не допустить образования заторов на перекрестке, обеспечить безопасность движения транспортного и пешеходного потока.

Исследование проводилось на имитационной модели.

Создание модели дорожного движения на перекрестке включает в себя несколько этапов:

– отрисовка дорожной сети,

– ввод в модель количественных данных,

– расстановка правил проезда,

– ввод светофорного регулирования,

– ввод в модель маршрутов общественного транспорта,

– создание пешеходных маршрутов,

– отрисовка разметки,

– настройка манеры езды при смене полосы движения,

– реакции после конца красного сигнала,

– добавление статических 3D-объектов,

– создание объектов для анализа модели.

В качестве объектов для анализа выбраны следующие параметры:

– количество транспортных средств, проехавших через перекресток,

– средняя величина затора,

– максимальная величина затора.

На основании данных о текущем функционировании составлена модель с действующим режимом (рис. 5).

Для оценки точности модели используется GEH-статистика (1) [1]. GEH-статистика (критерий Хейверса) используется в проектировании дорожного движения, прогнозировании трафика и моделировании дорожного движения для сравнения двух наборов объемов трафика.

, (1)

где: V – смоделированные значения, C – замеренные значения.

Для принятия решения о приемлемой точности модели полученное значение критерия Хейверса должно быть меньше граничного, равного 5. После калибровки модели получили GEN = 4,76, что говорит о приемлемой точности модели.

Разработка новых сценариев. На основе анализа существующих проблемных ситуаций введены следующие изменения.

– Предложены четыре альтернативных варианта схем пофазного разъезда на перекрестке (рис. 6–9).

– Для каждого варианта разработаны три режима работы светофорной сигнализации (параметры светофорного регулирования и временной диаграммы).

Все предложенные варианты схем пофазного проезда решают вопрос организации поворота налево при движении по улице 30 лет Победы на север-запад (снизу вверх налево, рис. 1). Сравнительный анализ схем пофазного проезда представлен в табл. 2. 

Во втором, третьем и четвертом вариантах используется выделенная полоса для движения направо или налево в отдельной фазе. При таком подходе возникают условия перегруженности крайних полос движения. Кроме того, складываются предпосылки провоцирования участниками движения конфликтных ситуаций при попытке поздних перестроений перед перекрестком и нарушение рядности движения. В соответствии с этими факторами принято решение о создании расчета режима работы светофорной сигнализации первого варианта.

Для выбранного варианта № 1 проводились дополнительные исследования влияния длительности фаз на пропускную способность перекрестка. Рассмотрено три режима регулировки. В первом режиме светофорного регулирования сохранена продолжительность общего времени цикла 151 секунда (табл. 3, рис. 10) по аналогии с действующим, а в двух других – 140 (табл. 4, рис. 11) и 145 (табл. 5, рис. 12) соответственно. 

Временные параметры основного цикла выбраны исходя из минимального времени активности пешеходной фазы, рассчитанной по формуле (2) согласно п. 5.4.1.3 ГОСТа Р 70716-2023 [6]:

, (2)

где:

T – минимальное время пешеходной фазы (с);

D – расстояние перехода по длинной стороне перехода (м);

1,3 – расчетная скорость движения пешехода (м/с);

5 – запас времени для маломобильных групп населения (с).

Время промежуточного такта составлялось на основе параметров промежуточных тактов действующего режима.

В третьем варианте было использовано среднее значение между минимальным и исследуемым вариантами и увеличение времени в пользу первого и четвертого направлений ввиду их наибольшей нагрузки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для моделирования новых проектных решений необходимо внести изменения в реализованную модель.

Согласно разработанной схеме требуется:

– добавить поворот налево на пр. Мира с ул. 30 лет Победы при движении со стороны ул. Маяковского;

– внести изменение в светофорное регулирование согласно разработанного режима работы светофорной сигнализации.

После внесения изменений в реализованную модель было проведено 30 прогонов измененной модели.

В связи с тем что основной проблемой было отсутствие поворота налево при движении по улице 30 лет Победы в направлении на север-восток, то в качестве альтернативы действующего режима было предложено четыре варианта схем пофазного разъезда и три варианта светофорного регулирования по ним. Эксперименты на модели были проведены для каждой схемы разъезда на перекрестке при разных вариантах светофорного регулирования. Таким образом, исследовалось 12 стратегий.

Для оценки эффективности каждой стратегии использовали следующие показатели эффективности: средняя и максимальная длина затора, количество транспортных средств, прошедших перекресток. Оценивались критерии как для каждого направления движения через перекресток, так и в целом по перекрестку. Параметры пешеходного потока не оценивались, так как было достаточно обеспечить его безопасность.

Для проведения сравнительной оценки сценариев между собой применялась свертка векторного показателя эффективности в скалярный по методу мультипликативному методу по формуле (3) [7][8]:

. (3)

В числителе находится произведение тех критериев, значение которых следует максимизировать. В нашем случае это один показатель – количество транспортных средств, прошедших перекресток. В знаменателе находятся произведение тех критериев, значение которых надо минимизировать. В данном случае это средняя и максимальная длина затора. В результате получаем новый обобщенный критерий, требующий максимизации.

Средние значения по перекрестку сведены в табл. 6. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе имитационного моделирования исследовалось предположение, что изменение схемы пофазного разъезда транспорта на перекрестке вводом дополнительного направления движения транспорта улучшит качество движения на перекрестке. Для этого составлены и проанализированы схемы пофазного проезда, параметры светофорного регулирования.

Анализ показал, что действующий режим работы светофорного объекта превосходит по всем показателям разработанные режимы, следовательно, их внедрение не целесообразно.

Материалы проведенного исследования могут применяться в образовательных целях для формирования профессиональных компетенций у обучающихся.