Simulace provozu - Traffic simulation

Simulace dopravy nebo simulace dopravních systémů je matematické modelování dopravních systémů (např. Dálničních křižovatek, rychlostních silnic, kruhových objezdů, centrálních distribučních soustav atd.) Pomocí aplikace počítačového softwaru, který pomáhá lépe plánovat, navrhovat a provozovat dopravní systémy . Simulace dopravních systémů byla zahájena před více než čtyřiceti lety a dnes je důležitou oblastí disciplíny v dopravním inženýrství a plánování dopravy . Různé národní a místní dopravní agentury, akademické instituce a poradenské firmy používají simulaci jako pomoc při správě přepravních sítí.

Simulace v dopravě je důležitá, protože může studovat modely příliš komplikované pro analytické nebo numerické zpracování, může být použito pro experimentální studie, může studovat podrobné vztahy, které se mohou při analytickém nebo numerickém zpracování ztratit a může produkovat atraktivní vizuální ukázky současných i budoucích scénářů.

Abychom porozuměli simulaci, je důležité porozumět konceptu stavu systému , což je sada proměnných, která obsahuje dostatek informací k popisu vývoje systému v čase. Stav systému může být buď diskrétní, nebo kontinuální . Modely simulace provozu jsou klasifikovány podle diskrétního a spojitého času, stavu a prostoru.

Typy simulace provozu

Teorie

Dopravní modely

Simulační metody v dopravě mohou využívat výběr teorií, včetně pravděpodobnosti a statistik, diferenciálních rovnic a numerických metod.

• Metoda Monte Carlo

Jedním z prvních diskrétních modelů simulace událostí je simulace Monte Carlo , kde se k syntéze podmínek provozu používá řada náhodných čísel.

• Model celulárních automatů

Poté následoval model celulárních automatů, který generuje náhodnost z deterministických pravidel.

• Diskrétní událost a simulace spojitého času

Novější metody používají buď diskrétní simulaci událostí, nebo simulaci spojitého času . Diskrétní simulační modely událostí jsou stochastické (s náhodnými složkami) a dynamické (čas je proměnná). Například fronty na jeden server lze velmi dobře modelovat pomocí diskrétní simulace událostí, protože servery jsou obvykle na jednom místě a jsou také diskrétní (např. Semafory ). Kontinuální simulace času může na druhé straně vyřešit nedostatek diskrétní simulace událostí, kde je vyžadováno, aby model měl vstupní, stavovou a výstupní trajektorii v časovém intervalu. Tato metoda vyžaduje použití diferenciálních rovnic , konkrétně metod numerické integrace. Tyto rovnice mohou sahat od jednoduchých metod, jako je Eulerova metoda , až po metody Taylorovy řady vyššího řádu , jako je Heunova metoda a Runge-Kutta .

• Modely sledující automobily

Třída mikroskopických modelů kontinuálního času, známá jako modely pro sledování automobilů , jsou také založeny na diferenciálních rovnicích. Mezi významné modely patří Pipes, inteligentní model řidiče a Gippsův model . Modelují chování každého jednotlivého vozidla („mikroskopické“), aby viděly jeho důsledky pro celý dopravní systém („makroskopické“). Využití numerické metody s modelem pro sledování automobilů (například Gippsův s Heunovým) může generovat důležité informace o podmínkách provozu, jako jsou zpoždění systému a identifikace úzkých míst.

Systémové plánování

Výše uvedené metody se obecně používají k modelování chování stávajícího systému a jsou často zaměřeny na konkrétní oblasti zájmu za různých podmínek (jako je změna rozložení, uzavření jízdních pruhů a různé úrovně toku dopravy). Plánování a předpovídání dopravy lze použít k rozvoji širšího pochopení dopravních požadavků v široké zeměpisné oblasti a k ​​předpovídání budoucích úrovní provozu na různých spojích (úsecích) v síti, zahrnujících různé scénáře růstu, se smyčkami zpětné vazby, které začlení účinek přetížení o rozdělení cest.

Aplikace v dopravním inženýrství

Modely simulace provozu jsou užitečné z mikroskopického, makroskopického a někdy i mezoskopického pohledu. Simulaci lze použít jak při plánování dopravy, tak při návrhu a provozu dopravy. Při plánování dopravy simulační modely vyhodnocují dopady regionálních vzorů rozvoje měst na výkon dopravní infrastruktury. Regionální plánovací organizace používají tyto modely k vyhodnocení scénářů situace v regionu, například kvality ovzduší, aby pomohly vyvinout politiky využívání půdy, které povedou k udržitelnějšímu cestování . Na druhou stranu se modelování provozu a designu dopravního systému zaměřuje na menší měřítko, jako je dálniční koridor a úzké body. Jsou zkoumány typy jízdních pruhů, časování signálů a další otázky související s provozem, aby se zlepšila účinnost a účinnost místního systému. Zatímco některé simulační modely se specializují na modelování operací nebo plánování systému, některé modely mají schopnost modelovat oba do určité míry.

Ať už je to pro plánování nebo pro provoz systémů, lze simulace použít pro různé druhy dopravy .

Silniční a pozemní doprava

Mapa zobrazující výsledky simulace provozu chodců na památníku a muzeu National 11. září , založená na modelování skupiny Louis Berger

Pozemní doprava pro pohyb cestujících i zboží je možná oblastí, kde se nejčastěji používá simulace. Simulaci lze provádět na úrovni koridoru nebo na složitější úrovni sítě silniční sítě za účelem analýzy plánování, návrhu a operací, jako je zpoždění, znečištění a přetížení. Modely pozemní dopravy mohou zahrnovat všechny způsoby cestování po silnici, včetně vozidel, nákladních automobilů, autobusů, jízdních kol a chodců. V tradičních modelech silničního provozu se agregované znázornění provozu obvykle používá tam, kde všechna vozidla určité skupiny dodržují stejná pravidla chování; v mikrosimulaci je zahrnuto chování řidiče a výkon sítě, takže lze zkoumat úplné dopravní problémy (např. inteligentní dopravní systém , rázové vlny).

Železniční doprava

Železnice je důležitým způsobem cestování jak pro nákladní, tak pro cestující. Modelování železnic pro pohyb nákladu je důležité pro určení provozní efektivity a racionalizaci plánovacích rozhodnutí. Simulace nákladní dopravy může zahrnovat aspekty, jako jsou vyhrazené pruhy pro nákladní automobily, tok komodit, kapacita koridorů a systémů, přiřazení provozu / tok sítě a plány nákladní dopravy, které zahrnují předpovídání poptávky po cestování.

Námořní a letecká doprava

Námořní a letecká doprava představuje dvě oblasti, které jsou důležité pro hospodářství. Námořní simulace zahrnuje především modelování kontejnerových terminálů , které se zabývají logistikou manipulace s kontejnery za účelem zvýšení efektivity systému. Simulace letecké dopravy zahrnuje především modelování provozu letištního terminálu (manipulace se zavazadly, bezpečnostní kontrolní stanoviště) a provozování dráhy .

jiný

Kromě simulace jednotlivých režimů je často důležitější simulovat multimodální síť, protože ve skutečnosti jsou režimy integrovány a představují více složitostí, které každý jednotlivý režim může přehlédnout. Intermodální simulace sítě může také lépe porozumět dopadům určité sítě z komplexního hlediska a přesněji představovat její dopad, aby bylo možné realizovat důležité politické důsledky. Příkladem intermodálního simulátoru je Commuter vyvinutý společností Azalient, který agentům během simulace zavádí dynamickou volbu trasy i režimu - tento typ modelování se označuje jako nanosimulace, protože zohledňuje poptávku a cestování na jemnější úrovni detailů než tradiční mikrosimulace .

Simulace v dopravě může být také integrována do simulace městského prostředí , kde je simulována velká městská oblast, která zahrnuje silniční sítě, aby lépe porozuměla využití půdy a dalším dopadům dopravní sítě na městské prostředí.

Softwarové programy

Simulační software se zlepšuje mnoha různými způsoby. S novým pokrokem v matematice, strojírenství a výpočtech se simulační softwarové programy stávají stále rychlejšími, výkonnějšími, detailněji orientovanými a realističtějšími.

Přepravní modely lze obecně rozdělit na mikroskopické, mezoskopické, makroskopické a metaskopické modely. Mikroskopické modely studují jednotlivé prvky dopravních systémů, jako je individuální dynamika vozidla a chování jednotlivých cestujících. Mesoskopické modely analyzují dopravní prvky v malých skupinách, v nichž jsou prvky považovány za homogenní. Typickým příkladem je dynamika čety vozidel a cestovní chování na úrovni domácnosti. Makroskopické modely se zabývají agregovanými charakteristikami prvků dopravy, jako je agregovaná dynamika dopravního proudu a analýza poptávky po cestování na zonální úrovni.

Mikrosimulace

Mikrosimulační modely sledují jednotlivé pohyby vozidla na sekundovém nebo sekundovém základě. Mikrosimulace se při generování vozidel, výběru rozhodnutí o směrování a určování chování spoléhá na náhodná čísla. Kvůli této variantě je nutné model spustit několikrát s různými semeny náhodných čísel, aby se získala požadovaná přesnost. Než systém dosáhne ustáleného stavu, bude trvat „zahřívací“ období a toto období by mělo být z výsledků vyloučeno.

Mikrosimulační modely obvykle produkují dva typy výsledků: animované displeje a numerický výstup v textových souborech. Je důležité pochopit, jak software nashromáždil a shrnul číselné výsledky, aby se zabránilo nesprávné interpretaci. Animace umožňuje analytikovi rychle posoudit výkon, ale je omezena na kvalitativní srovnání. Hlavní indikací problému, který lze vidět v animaci, je vytváření trvalých front.

„Míry účinnosti“ (MOE) lze vypočítat nebo definovat způsobem, který je pro každý simulační program jedinečný. MOE jsou statistiky výkonu systému, které kategorizují míru, do jaké konkrétní alternativa splňuje cíle projektu. Následující MOE jsou nejběžnější při analýze simulačních modelů:

• „VMT“ (počet ujetých kilometrů vozidel) se počítá jako kombinace počtu vozidel v systému a ujeté vzdálenosti.
• „VHT“ (počet hodin jízdy vozidla) se počítá jako součin objemu spoje a doby jízdy spoje, sečtené ze všech odkazů.
• „Střední rychlost systému“ se rovná VMT / VHT.
• „Celkové zpoždění systému“ je jedním z nejúčinnějších způsobů, jak vyhodnotit různé alternativy uvolňující přetížení, a cestující veřejnost si obvykle všimne MOE. Zpoždění lze vypočítat několika způsoby. Někteří to považují pouze za to zpoždění, které je nad podmínkami volného toku. Mezi další patří základní zpoždění, ke kterému dochází v důsledku zařízení pro řízení provozu. Některé dokonce obsahují zpoždění zrychlení a zpomalení, zatímco jiné obsahují pouze zpožděné zastavení.

Mezi další běžně uváděné metriky z nástrojů pro simulaci provozu patří:.

• Propojte rychlosti silničního úseku, průtok, hustotu, čas jízdy, zpoždění, čas zastavení
• Hlasitost průniku, zpoždění,
• Časy cesty
• Detektor smyčky zaznamenává rychlost, obsazenost, vzdálenost, mezeru
• Trajektorie vozidla a grafy rychlosti vs. vzdálenosti

Porovnání výsledků simulace s příručkou US Highway Capacity Manual

Výstup mikrosimulačního modelu se liší od výstupu amerického Federálního dálničního kapacitního manuálu (HCM). Například většina postupů HCM předpokládá, že provoz jedné křižovatky nebude ovlivněn podmínkami sousední vozovky (s výjimkou dálnic HCS 2000). „Pogumování“ a dlouhé fronty z jednoho místa zasahující do jiného místa by tento předpoklad odporovaly.

HCM 2010 poskytuje revidované pokyny k tomu, jaké typy výstupu ze softwaru pro simulaci provozu jsou nejvhodnější pro analýzu a srovnání s HCM, například trajektorie vozidel a výstup detektoru nezpracované smyčky.

Porovnání se zpožděním HCM a úrovní služby

V HCM se zpoždění používá k odhadu úrovně služby (LOS) pro křižovatky. Existují však výrazné rozdíly mezi způsobem, jakým mikrosimulační programy a HCM definují zpoždění. HCM založí své zpoždění na upraveném průtoku pomocí středního zpoždění řízení pro nejvyšší 15minutové období během hodiny. Je důležité rozlišovat mezi celkovým zpožděním a zpožděním řízení. Zpoždění ovládání je, když řízení signálu způsobí zpomalení nebo zastavení skupiny. Je důležité podívat se do dokumentace k softwaru, abyste pochopili, jak počítá zpoždění. Aby bylo možné použít mikroimulační výstupy k nalezení LOS, musí být zpoždění akumulováno v 15minutových intervalech a zprůměrováno během několika běhů s různými náhodnými semeny. Protože HCM používá upravený průtok, dalším způsobem, jak porovnat zpoždění, je vydělit 15minutový špičkový objem simulačního vstupu faktorem špičkové hodiny (PHF), aby se zvýšil objem simulace.

Srovnání s frontami HCM

HCM 2000 definuje frontu jako řadu vozidel, jízdních kol nebo osob čekajících na obsluhu systémem, ve kterém průtok z přední části fronty určuje průměrnou rychlost ve frontě. Pomalu se pohybující vozidla nebo lidé připojující se k zadní části fronty jsou obvykle považováni za součást fronty. Tyto definice jsou poněkud relativní a mohou být nejednoznačné. Ve většině mikrosimulačních programů nemůže délka fronty překročit kapacitu úložiště pro danou odbočku nebo jízdní pruh. Přetečení do sousedního odkazu nebo mimo síť se obvykle nepočítá, i když to může ovlivnit výsledky. (Pokud se jedná o tento případ, řešením může být dočasné ignorování těchto efektů a rozšíření oblasti sítě nebo úložiště tak, aby odkaz zahrnoval maximální délku fronty.)

Reference

Další čtení

• Hollander, Yaron (2016). Modelování provozu pro úplného začátečníka . CTthink !.
• Treiber, M .; Kesting, A. (2013). Dynamika dopravního toku . Springer.
• „Pokyny k úrovni úsilí požadovaného k provedení analýzy provozu pomocí mikrosimulace“ (PDF) . Federální správa silnic . Březen 2014.
• „Traffic Analysis Toolbox Volume III: Guidelines for Applying Traffic Microsimulation Modeling Software“ (PDF) . Federální správa silnic . Červenec 2004.