Математическое моделирование автотранспортных потоков (обзорный реферат)

Оглавление
0.1
Транспортная ситуация в Москве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 0.1.1
Проблемы
2 0.1.2
Причины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 0.1.3
Решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 0.1.4
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 0.2
Моделирование транспортных потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 0.2.1
Исторические замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 0.2.2
Классификация моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 0.2.3
Методы привязки модели к улично-дорожной сети (УДС) . . . . . . . . .
9 0.2.4
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 0.3
Обзор математических моделей транспортного потока . . . . . . . . . . . . . . . . 10 0.3.1
Динамические модели транспортного потока . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 0.3.2
Моделирование загрузки транспортных сетей городов . . . . . . . . . . . . 14 0.3.3
Современные теории транспортного хаоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 0.3.4
Обзор программных комплексов моделирования . . . . . . . . . . . . . . . 18 0.3.5
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 0.3.6
Перспективные задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1

”Traffic is like music,” Barrett said with childlike exuberance.
”Traffic constructs itself like a singer sings. It’s the same song.
But everyday, the song is a little bit different.”
1 0.1
Транспортная ситуация в Москве
0.1.1
Проблемы
Согласно [7] и [8] для дорожно-транспортной ситуации в целом по городу характерно:
• очень высокая плотность транспортных потоков;
Проведенные в 1999 и 2001 годах Центром исследований транспортной инфраструктуры г. Москвы (ЦИТИ) замеры показали, что по транспортной сети Москвы в дневное время одновременно находится в движении 160 − 180 тысяч автомобилей. Увеличение этого числа до 230−250 тысяч приводит к образованию заторов. Например в один из дней 1998
года, когда во время сильного снегопада движение на улицах к вечеру было полностью парализовано, по экспертной оценке ЦИТИ на улицах города могло находится ≈ 300
тысяч автомобилей.
• низкая средняя скорость движения;
• частые предзаторные и заторные ситуации.
Примечательно, что точного определения понятия „затор“ и „пробка“ не существует.
Согласно [6] для центра Москвы и всего города характерны следующие проблемы организации дорожного движения:
• значительная перегруженность улично-дорожной сети;
• наличие большой доли транзита через центр города;
• трудности движения из-за не правильных парковок;
• общественный транспорт не справляется с объемами пассажиропотоков и не является достойной альтернативой использованию личного транспорта;
• низкая дисциплина участников дорожного движения и неадекватный надзор.
0.1.2
Причины
Согласно [7] и [8] ключевыми причинами являются:
• неоптимальное распределение транспортных потоков по УДС:
Анкетное обследование, проведенное ЦИТИ показало следующее: основной причиной выбора водителями более длинного маршрута (причем зачастую, водитель сначала едет вообще в противоположном от пункта назначения направлении) является плохая органи- зация дорожного движения. По этой причине ≈ 31% водителей выбирают более длинный
(в объезд) маршрут. Второй причиной является неразвитость сети. Из-за этого ≈ 20%
водители вынужденны ехать по более длинному маршруту (т.к. короче маршрута просто нет, но его можно проложить). Кроме того неразвитость сети выражается в нехватке мостов через реку и железные дороги, объездов и проездом по паркам и площадям.
1
”Движение транспорта напоминает музыку”, с детской искреностью говорит Баррет. ”Движение возникает подобно песне. Это таже песня. Но каждый день эта песня немного другая”. Примечание: Chris L. Barrett –
участник проекта моделирования транспортных потоков в исследовательском центре Лос-Аламоса.
2

• недостаточность управления движением;
Сюда относится:
– отсутствие приоритета движения общественного транспорта;
– неоптимальность организации движения как на уровне дорожных знаков (ограни- чение/запрет создается по субъективному решению) и неразвитость автоматизиро- ванных систем управления движением (АСУД).
П р и м е ч а н и е: АСУД бывают 3-х уровней: 1-й уровень – светофор, второй – линейка светофоров, третий – система регулирорвания с автоматической оптимизацией. Система
СТАРТ – просто сеть светофорного регулирования всего города.
• недоработки по автостоянкам;
Эта проблема имеет следующие особенности: кроме того, что в Москве действительно недостаточно автостоянок, недостаточен надзор за нарушением парковок. К примеру, на ул. Новый Арбат машины припаркованы вдоль дороги, что уменьшает ее ширину.
• опережение спроса на движение над его удовлетворением.
Согласно [6] ни один крупный город мира не решил проблему затрудненного движения только путем увеличения пропускной способности дорог: ”Спрос на передвижение всегда был столь оживлен, что увеличение пропускной способности дорог приводило лишь к возникновению нового спроса, вновь порождавшего проблему затрудненного движения”.
Множество городов, особенно в Западной Европе, например, Цюрих, справились с ситу- ацией путем грамотной организации движения и управления спросом на перевозки.
В Москве, как и в других крупнейших мегаполисах мира, сложилась парадоксальная ситуация – спрос на перевозки в черте города растет, а финансовое и материальное по- ложение общественного транспорта ухудшается. Один из способов противостоять этому –
улучшать организацию движения. Но она обязательно должна быть увязана со стратеги- ей развития системы общественного транспорта и с градостроительным планированием,
причем стратегии развития системы автодорог и градостроительные стратегии, должны не противоречить одна другой.
0.1.3
Решения
Согласно [6] ”Транспортные проблемы являются комплексными, охватывающими обширную область управления так что измерение, наблюдение и моделирование крайне важны для разработки стратегии организации движения”.
В [8] предлагаются следующие меры:
• уменьшение притяжения транспортных потоков сокращением/запрещением строитель- ства новых объектов финансово-деловой и торгово-обслуживающей сферы;
• строительство многоярусных внеуличных паркингов при одновременной ликвидации неорганизованных автостоянок на проезжей части;
• введение ограничений на въезд в центральную часть города;
• вывод из центральной части города ряда учреждений и организаций;
• создание препятствий для использования центра города транзитными транспортными потоками введением режима „успокоенного движения“
2
на межмагистральных терри- ториях и использование этих территорий пешеходами.
2
Понижение скорости движения транспортных средств на определенной территории.
3

0.1.4
Выводы
1. Зачем нужно моделирование? Можно ли обойтись без моделирования? Можно ли просто рассчитывать потоки по известным формулам? Простой пример показывает, что нет.
Пример.
Для того, чтобы разгрузить перекресток, например, установив указатель поворота на- право проводят инженерные расчеты. Но для вычислений требуется знать, какое количество автомобилей в среднем поворачивает направо. А все дело как раз в том, что никто туда не по- ворачивает (никому туда ехать не надо, а для того, чтобы разгрузить перекресток, нужно часть потока пустить направо).
Более того, транспортный спрос все время подстраивается под любые управляющие воз- действия. Вначале в системе возникает планируемый эффект просчитанной разгрузки каких-то участков, но через некоторое время спрос находит более свободные для движе- ния пути и полностью загружает их. И весь эффект сводится на нет.
Можно привести несколько примеров поведения транспортного потока:
• Давно замечено, что если на каком-то перекрестке временно ломается светофор,
каким бы напряженным не было через него движение, аварии случаются не чаще
(в некоторых случаях даже реже).
• Если в связи с флуктуациями или случайными факторами возрастает количество заторов, то на следующий день спрос на движение снижается.
Таким образом, можно сказать, что моделирование необходимо для принятия решений в силу того, что система обладает следующими свойствами, делающими ее непредска- зуемой и трудно просчитываемой:
• подстройка под управление и компенсация увеличения пропускной способности при развитии сети увеличением спроса и перераспределением его в новых условиях;
• непредсказуемость поведения каждого водителя (следование выбранного маршрута и манеры поведения);
• воздействие случайных факторов (ДТП, погода) и флуктуации, связанные с сезо- ном, праздниками и т.п.
2. Нет методов измерения количества заторов в связи с отсутствием единой точки зрения на то, что есть затор. Условно можно выделить два типа заторов, характерных для
Москвы:
3
• затрудненный проезд из-за перегруженности сети;
• ”мертвый” затор – возникает либо в случае аварии, либо когда водители выезжают на встречную полосу с обоих сторон, в результате они ”переплетаются” между собой
(их еще могут заблокировать троллейбусы).
Интересно, что типичная для Москвы проблема образования предзаторных и заторных ситуаций еще до конца никем не изучена. Так с недавнего времени национальный иссле- довательский центр Лос-Аламос, известный как место рождения атомной бомбы, сосре- доточил свои силы на исследовании транспортных потоков [9]. Вот несколько цитат:
• „Состояние дела в этой области на сегодня таково, что, не смотря на значительный прогресс, полное понимание природы автомобильных пробок еще не достигнуто“.
Ученые говорят, что они пока находятся ближе к пониманию процессов зарождения
Вселенной, чем образования автомобильных заторов.
3
Точка зрения специалистов ЦИТИ.
4

• „Физика предлагает широкое разнообразие методов для объяснения движения. Но все еще остается много открытых проблем“, говорит немецкий физик Kai Nagel,
ключевая фигура в проекте Лос-Аламоса.
• Hani S. Mahmassani, профессор университета Штата Техас и, наверное, ведущий американский эксперт в теории движения автомобильных потоков, говорит: „При- чина внезапного перехода от режима свободного движения к режиму „stop-and-go“
остается одной из тайн нашего времени“.
3. В проведенных в 2000 – 2001 г.г. ЦИТИ разработках требований к программным ком- плексам для моделирования работы транспортной системы Москвы в рамках проекта
ПРООН RUS/97/029 ”Стратегия развития транспорта г. Москвы. Программа действий и кратко/среднесрочных инвестиций” разработаны задачи, подлежащие решению с по- мощью моделирования и определены требования к программным комплексам моделиро- вания, позволяющим решать эти задачи.
Вот выдержка из отчета, касающаяся задач моделирования:
”. . . Задачи, подлежащие решению с помощью моделирования
1. Классификация задач моделирования.
В масштабе всей городской агломерации могут требовать решения, например, следующие вопросы:
• что может повлечь за собой изменение во внешних транспортных связях;
• как изменится работа транспортной системы при введении новых элементов: линий метро, радиальных или кольцевых автомагистралей;
• каких изменений в транспортной системе города может потребовать строительство нового жилого района или расположение емкого центра притяжения посетителей;
• какого перераспределения потоков транспорта и пассажиров следует ожидать в слу- чае временного закрытия или ликвидации какого-либо элемента транспортной си- стемы;
• как может повлиять на работу системы введение экономических санкций (плата за проезд по магистрали, за въезд в зону центра, введение зонного тарифа в метро и т.п.);
• какой эффект может дать широкое внедрение автоматизированных систем управ- ления уличным движением,
а также многие другие вопросы.
Могут возникать и задачи локального порядка: какой эффект дает та или иная пере- планировка перекрестка или группы перекрестков, расширение проезжей части улицы,
изменения в организации движения на пересечениях, оптимизация светофорного регу- лирования в узле, изменение условий пересадки пассажиров где-либо и т.п.
Полный перечень возможных задач в области дорожно-транспортного комплекса огро- мен и едва ли может быть в полной мере сформулирован в условиях только зарождаю- щейся отечественной практики моделирования.
Работа всех элементов городской транспортной сети, как и различных видов пассажир- ского транспорта, взаимосвязана. Тем не менее, с учетом этой связности на практике может возникнуть необходимость анализа работы отдельно следующих элементов:
• улично-дорожной сети;
5

• массового пассажирского транспорта, в т.ч.:
– уличного;
– внеуличного;
• грузового движения.
Первые практические шаги в моделировании для Москвы уже подтвердили необходи- мость такого разделения.
2. Сроки прогнозирования.
Моделирование транспортной ситуации может производиться на любой расчетный срок
– от оперативных задач сегодняшнего дня до долгосрочной (20-30 лет) перспективы раз- вития города. Условно задачи прогнозирования можно разделить на:
• долгосрочные (отдаленная перспектива в 10 и более лет),
• среднесрочные (обычно задачи I очереди возможного развития – около 5 лет),
• краткосрочные (анализ последствий намечаемых мероприятий ближайших дней,
недель, месяцев),
• оперативные ( в реальном масштабе времени).
Способы решения перечисленных задач (кроме оперативных) принципиально одинаковы, раз- ница состоит в информационных (входных) данных и степени достоверности . . . ”
0.2
Моделирование транспортных потоков
0.2.1
Исторические замечания
Основы математического моделирования закономерностей дорожного движения были зало- жены в 1912 году русским ученым, профессором Г.Д. Дубелиром.
Первостепенными задачами, послужившими развитию моделирования транспортных по- токов, явилось изучение и обоснование пропускной способности магистралей и их пересече- ний.
В настоящее время пропускная способность дороги является важнейшим критерием, характеризующим функционирование путей сообщения. Под пропускной способностью понимают максимально возможное число автомобилей, которое может пройти через сечение дороги за еденицу времени. Для скоростных дорог важным является выполнение условия обеспечения заданой скорости сообщения.
4
Первая попытка обобщить математические исследования транспортных потоков и пред- ставить их в виде самостоятельного раздела прикладной математики была сделана Ф. Хейтом
[4].
В 60 – 70-е годы вновь возник большой интерес к исследованию транспортных систем. Эта заинтересованность проявилась, в частности, в финансировании многочисленных контрактов,
обращении к авторитетным университетским ученым – специалистам в области математики,
физики, процессов управления. Среди наиболее известные из них – Нобелевский лауреат И.
Пригожин, специалист по автоматическому управлению М. Атанс, автор фундаментальных работ по статистике Л. Брейман.
Сегодня имеется очень обширная литература по изучению автотранспортных потоков,
включая моделирование. Большинство исследований, направленных на решение существую- щих и потенциальных проблем ежегодно финансируются. Несколько академических журналов посвящены исключительно динамике автомобильного движения, регулярно издаются новые учебники, число статей, изданных каждый год по этой теме исчисляется сотнями.
4
В специальной литературе встречаются такие модификации понятия пропускной способности, как теоре- тическая, номинальная, эффективная, собственная, практическая, фактическая и др.
6

При моделировании автомобильного движения специалисты столкнулось с выбором между макроскопическими моделированием движения, рассматривая потоки как непрерывные (по- добно моделированию текущей через трубу воды), или моделировать каждое транспортное средство в отдельности. В литературе имеется много примеров обоих подходов.
Макроскопические модели обладают тем преимуществом, что являются математически компактным, и могут быть представлены системой дифференциальных уравнений, разреше- ние которой не требует больших вычислительных ресурсов. Этот метод имеет много общего с гидро- и газодинамикой и теорией информации, и больше подходят для систем, которые состо- ят из относительно однородных частиц с ограниченными и предсказуемыми взаимодействия- ми. Общим вопросом, возникающим при использовании этого подхода является нахождение факторов, позволяющих уравнениям более близко описывать наблюдаемую сложность реаль- но систем движения.
С недавнего времени появилось много литературы, рассматривающей при моделировании транспортный поток как дискретный и моделированию движения каждого автомобиля. По- началу усилия, направленные на получение результата в этом направлении реализовывались в виде крупных проектов требовавших большого бюджета из-за необходимости значительных инвестиции в вычислительную технику и создание программного обеспечения. Общая страте- гия того времени заключалась в том, чтобы смоделировать небольшие транспортные систе- мы на небольших компьютерах и экстраполировать результаты на суперЭВМ (Mahmassani и другие, 1990, http://www.gis.usu.edu/ sanduku/public_html/dissertation/outline/node105.html)
также использовала параллельную работу нескольких обычных ЭВМ.
После прогресса в развитии компьютеров, исследователи стали уделять основной интерес исследованию динамического поведения транспортного потока. Было замечено, что многие сложности в динамике поведения систем возникают как свойства взаимодействия между ин- дивидуальными транспортными средствами в моделях. Resnic (1996) описал, как сложные пат- терны движения возникли в системах, где индивидуальным транспортным средствам задава- ли чрезвычайно простые правила в неофициальных экспериментах, проводимых студентами средней школы. Более формальное описание сложного поведения в транспортных системах рассмотрено Барретом (National Laboratory Los Alamos) с использованием несколько более сложных наборов правил. Успехи в исследовании сложного поведения в микромоделях при- вели некоторых исследователей к предположению о том, что автомобильное движение можно рассматривать как самоорганизующуюся систему (Nagel, 1996), а применение этих принципов стало частью структуры главного проекта моделирования транспортных систем в наци- ональной лаборатории Лос-Аламоса. В исследованиях по совершенствованию микромоделей стали моделировать поведение отдельных водителей, имитируя их индивидуальные решения относительно выбора маршрута движения (Nagel, 1997) и разрабатывать представление такой модели в вычислительной среде.
С проблемами программной реализации моделей связана одна очень интересная история.
Известен один способ программной реализации модели по принципу сверху вниз, появившийся в результате усилий Robot Auto Racing Simulation (RARS) и Интернет-сообщества. Было объ- явлено соревнование по моделированию. Проектируемая компьютерная игра была запущена в Интернет в 1994 и 1995. К участию в нем мог присоединится любой желающий.
Базовая RARS-модель была написана Митчеллом Тиминсом из Penn State University и состояла из скоростного трека с несколькими автомобилями, которые должны участвовать в гонках преследования. Автомобили были закодированы как объекты, подчиняющиеся физиче- ским законам при движении по треку (масса автомобиля, сцепление с дорожной поверхностью,
и т.д.), а восприятие их окружения, реакция на неровности трека и механизмы их ориента- ции на трек, были инкапсулированы непосредственно в этих объектах. При наличии программ управления для каждого автомобиля, было создавать отдельный набор инструкций, как этот автомобиль будет вести себя по отношению к другим. Но вплоть до настоящего времени по
7

результатам этого проекта не было написано ни одной статьи, хотя в нем были использованы ряд инновационных методов моделирования и программного кодирования.
Знаменательно, что проект RARS дал наглядную иллюстрацию того, как прогресс объектно-ориентированного программирования и совершенствования персональных компью- теров перенес приоритет в моделировании движения транспорта от крупных государственных проектов к статусу компьютерных игр.
В конце 80-х начале 90-х, в США проблемы исследования транспортных систем были возведены в ранг проблем национальной безопастности. К решению этой задачи были привлечены лучшие ”физические умы” и компьютерная техника исследовательского центра в
Лос-Аламосе, известного разработчика атомной бомбы.
0.2.2
Классификация моделей
Единой классификации моделей нет. Мы сделаем классификацию по двум признакам – что моделируется (какие свойства транспортного потока) и как моделируется (какие гипотезы о связи поведения транспортного потока с его параметрами лежат в основе модели).