«Разработка имитационной модели транспортного потока с учетом перестроения на другие полосы в среде anylogic»

Наверное, еще с давних времен отличительной чертой человека является стремление быть первым, и езда на автомобиле не является исключением. Для настоящих автомобилистов особое удовольствие приносит опережение соперника в наиболее сложных дорожных условиях в результате более точно рассчитанного маневра. В этом желании водители нередко пренебрегают правилами дорожного движения, что зачастую приводит к плачевным последствиям.

Недостаточный опыт вождения также является причиной высокой аварийности на дорогах. Несоответствие скоростей движения потока автомобилей и вашего транспортного средства, совершение маневров в неположенных местах или просчеты при их реализации, - все это тоже имеет значение. Как же следует совершать маневр, чтобы не стать причиной затора на дороге или даже дорожно-транспортного происшествия? За сколько метров нужно совершать маневр перестроение, с какой скоростью нужно двигаться в потоке автомобилей и как предупредить движущихся рядом водителей, что ты собираешься совершить маневр?

Для ответа на эти вопросы будем использовать моделирование. С помощью данного метода исследования объектов можно создать модель, наглядно демонстрирующую процесс перестроения автомобилей на другие полосы движения. Поскольку проведение экспериментов в реальной среде (в потоке автомобилей) затруднено и опасно, использование модели позволит не только показать процесс совершения маневра, но и составить прогноз развития тех или иных ситуаций при различных условиях, а также определить возможные последствия принимаемых решений и оптимизировать движение в целом.

Проблема исследования: проведя поиск имитационных моделей, реализующих задачи оптимизации дорожного трафика и маневрирования автомобилей в дорожном потоке, мы нашли очень малое число разработок в области дорожного движения, причем все они очень ограничены по функциональности и решают только узкоспециализированные задачи, что не соответствует масштабу поставленной перед нами задачи.

Тема исследования: разработка имитационной модели движения транспортного потока с учетом перестроения на другие полосы в среде AnyLogic.

Актуальность исследования: вышеуказанные причины являются причиной создания имитационной модели движения транспортного потока. Поскольку решение проблемы безопасного управления автомобилем является очень актуальным, планируется создать общедоступную модель, наиболее полно отражающую все аспекты безопасного совершения маневра при движении автомобилей, исключая недостатки рассматриваемых нами моделей в этой предметной области.

Объектом данного исследования является процесс перестроения автомобилей с одной полосы на другие.

Предметом данного исследования является изучение объекта методом имитационного моделирования в среде AnyLogic.

Целью настоящей выпускной квалификационной работы является проектирование и реализация имитационной модели движения транспортного потока с учетом перестроения на другие полосы, содержащей средства для анализа ее функционирования и возможности проведения на ней математических экспериментов, что позволит наглядно продемонстрировать процессы совершения маневра перестроение и позволит оптимизировать движение автомобилей в потоке.

В соответствие с поставленной целью требуется решить следующие задачи:

1) Провести анализ предметной области, выявить основные проблемы и особенности, которые будут важны при дальнейшей реализации модели.

2) Сделать обзор существующих систем и сред моделирования, выявить их плюсы и минусы, обосновать свой выбор.

3) Сделать обзор существующих разработок в области моделирования движения транспортного потока, проанализировать и выявить их достоинства и недостатки.

4) Основываясь на анализе и полученных данных, спроектировать и реализовать имитационную модель движения транспортного потока с учетом перестроения на другие полосы в AnyLogic.

Практическая ценность. Разработанная имитационная модель может применяться как для обучения водителей правильному совершению маневра перестроение, так и для оптимизации движения и для изучения агентного моделирования для среды AnyLogic в целом.

• Включить указатели поворота. Это нужно для того, чтобы остальные участники движения были в курсе вашего намерения перестроиться;

• Начинать перестроение только тогда, когда вы убедитесь, что совершение маневра безопасно;

• После завершения перестроения нужно выключить указатель поворота.

Обычно водители предпочитают выполнять этот маневр под острым углом на участке около 50-60 метров, набирая скорость движения автомобилей того ряда, в который автомобилист планирует перестроиться. Благодаря этому гарантируется безопасное изменение полосы движения автомобиля из одного потока в другой [14].

На практике применяют два метода перестроения под поток – с ускорением и с замедлением, однако есть еще и вынужденное перестроение, происходящее из-за появления препятствия движению. В этом случае нужно включить «поворотник» и ждать водителя, который вас пропустит.

Согласно правилам дорожного движения, что при совершении маневра перестроение водителю следует уступить дорогу каким-либо транспортным средствам, которые движутся без изменения направления движения. Дополняется, что водитель должен уступить дорогу находящемуся справа транспортному средству, в случае, если происходит одновременное перестроение попутно движущихся транспортных средств [21].

Тем не менее, несмотря на то, что все вроде бы ясно и понятно, большое количество аварий происходит именно из-за смены полосы движения, особенно в плотном потоке. Как действовать в таких ситуациях рассмотрим в следующем параграфе.

1.1.2. Перестроение в плотном потоке

Что касается перестроения в плотном потоке (к примеру, в пробках или заторах), здесь действуют немного другие правила, причем в основном они зависят от психологии человека. Если человек пытается проехать только по своему желанию, его могут и не пропустить, то попросившего («включившего сигнал поворота») пропустить должны. Можно даже предварительно посмотреть в зеркало заднего вида и убедиться в согласии заднего водителя (обычно это выражается кивком, замедлением или вовсе остановкой). Перестраиваться желательно по диагонали, решительно и действенно, но без бросков или рывков.

Однако большой проблемой при перестроении является «мертвая зона», то есть то расстояние, в котором автомобиль становится невидимым. Она не только повышает уровень аварийности на дорогах, но и в значительной мере упрощает действия тех, кто занимается подлянками или подставами и умышленно причиняет вред другим водителям [14, 21].

1.1.3. Перестроение на кольце

При перестроении на кольце действуют те же правила, что и на прямой дороге. Кольцо – это дорога с двумя или более полосами движения, но только с закруглением. При движении по кольцу одна из самых популярных ошибок водителей – это выезд с него с левого ряда. Согласно правилам дорожного движения, разрешено поворачивать направо только с крайней правой полосы, поэтому выезд с кольца должен производиться только с крайней правой полосы, на которую водителю необходимо предварительно перестроиться [14, 21].

1.1.4. Обгон

Одним из наиболее затруднительных и опасных маневров по праву считается обгон. Неудивительно, что большинство столкновений и дорожно-транспортных происшествий происходит именно при его совершении. Поскольку перестроение предшествует обгону, мы посчитали необходимым рассмотреть его тоже [13].

Исходя из правил дорожного движения, «обгоном называется опережение одного или сразу нескольких движущихся транспортных средств, которое основывается на выезде из занимаемой полосы», причем движение по разным рядам с различной скоростью обгоном не является.

Для правильного совершения этого маневра необходимо придерживаться некоторых правил:

Правило 1. До начала совершения маневра нужно быть уверенным в том, что полоса, на которую вы хотите выехать, обладает необходимым свободным пространством.

Правило 2. Необходимо удостовериться, что движущийся за вами по той же полосе автомобиль не начал обгон. Также необходимо обратить внимание на впереди идущий автомобиль, не подает ли он сигналы о повороте налево или обгоне.

Правило 3. Вы должны быть уверены, что после завершения маневра сможете вернуться на занимаемую ранее полосу движения без создания каких-либо препятствий или преград обгоняемому автомобилю [18, 15].

Итак, подытожим все сказанное. Если вы уверены, что сможете совершить безопасный маневр, включаете левый «поворотник», перестраиваетесь на соседнюю полосу, увеличивая скорость, начинаете обгонять впереди идущий автомобиль. После того, как вы опередите его примерно на 1,5 корпуса, можно включать правый «поворотник» и вернуться на занимаемую ранее полосу.

1.2. Техническая и технологическая сущность задачи

В рамках данной выпускной квалификационной работы планируется спроектировать и реализовать имитационную модель движения транспортного потока с учетом перестроения на другие полосы в среде AnyLogic, причем данная модель должна содержать определенную информацию об анализе дорожной ситуации и возможность проведения на ней математических экспериментов.

Цель моделирования – получение, обработка и использование информации об объектах, которые взаимодействуют между собой и внешней средой. [7]

Для реализации модели был выбран наиболее подходящий метод моделирования – имитационное моделирование. Его целью является создание так называемого симулятора исследуемой предметной области для последующего проведения в нем различных исследований, опытов и экспериментов.

Методология имитационного моделирования нашла применение в различных областях, к примеру, при анализе производительности функционирования предприятий, заводов и производств, организации перевозок, работы транспорта и сферы услуг, в автоматизированном управлении и координировании деятельности производственных и организационных процессов. [1]

Особенностью имитационного моделирования является то, что оно используется на всех этапах жизненного цикла информационной системы: при ее проектировании, создании, внедрении, эксплуатации, а также на различных уровнях ее изучения – от анализа работы отдельных элементов до исследования взаимодействия системы с окружающей средой в целом [2].

1.3. Обзор существующих систем и сред моделирования транспортных потоков и их анализ

1.3.1. Пакет имитационного моделирования AIMSUN 6.0

AIMSUN 6.0 представляет собой программное обеспечение, используемое для моделирования и анализа транспортных потоков и грузоперевозок. Разработанное испанской компанией TTS (Transport Simulation Systems), оно обладает большим количеством инструментов для исследования деятельности в транспортной сфере, детального моделирования, конструирования и планирования. AIMSUN 6.0 предоставляет пользователям возможности для выполнения как статического моделирования, отражающего поведения объекта в определенный момент времени, так и динамического моделирования, описывающего поведение объекта во времени.

Рисунок 1.1. Интерфейс пакета имитационного моделирования AIMSUN

На рисунке 1.1. представлен интерфейс данного пакета моделирования. Он был спроектирован и разработан таким образом, чтобы обеспечить пользователю наиболее удобный доступ к функционалу и инструментарию программы, причем не перегружая элементами рабочую область пользователя. Среди его достоинств можно выделить следующие:

- продукт обладает возможностью импорта и обработки данных различных геоинформационных систем, таких как Atlas, ESRI, NAVTEQ и др., а также импорта графической информации различных форматов;

- продукт имеет возможности расширения программной среды, причем пользователи, наряду с создателями данного пакета моделирования, могут вносить свои изменения в инструментарий системы, интегрируя собственные компоненты, реализованные в TSS, тем самым адаптируя AIMSUN для решения каких-то своих конкретных задач;

- продукт имеет компоненты (Micro/Macro имитаторы), реализующие особенности и принципы имитационного моделирования на разных уровнях. К примеру, использование имитатора Micro дает возможность моделировать движение каждого автомобиля, задавая ему определенные поведенческие модели и условия. Это, в свою очередь, сказывается на реализме моделируемого процесса и адекватности воспроизведения событий, протекающих в нем. Компонент Macro в основном используется для решения задач анализа запросов и транспортного конструирования и планирования [25].

К сожалению, AIMSUN не имеет русскоязычного интерфейса, поэтому использование его людьми, не обладающими достаточным знанием английского языка, будет весьма затруднительно.

1.3.2. Программный комплекс PTV VISSIM

PTV VISSIM является одной из известнейших русских разработок в сфере имитационного модерирования транспортного движения, причем возможности этого программного продукта позволяют моделировать не только дорожное движение, но и движение воздушного транспорта, морских судов и даже пешеходных потоков. С помощью VISSIM можно проводить анализ дорожного трафика на городских улицах, автострадах, анализ пропускной способности дорог, проводить оценку влияния управления дорожным движением транспортной сети, проектировать и тестировать работу светофоров, железнодорожных переездов и переходов, развязок на разных уровнях и многое другое [26]. Ниже представлен интерфейс VISSIM (рис 1.2):

Рисунок 1.2. Интерфейс программного продукта PTV Vissim

Его достоинствами являются:

- возможность выполнения проектов в режиме 3D-анимации;

- наличие огромного инструментария для моделирования и анализа (содержит более пятидесяти различных оценок и аналитических коэффициентов с возможностью построения графиков в Microsoft Excel);

- широкая область применения данного продукта [29].

Недостатком VISSIM, несмотря на весь его функционал и возможности, является высокая стоимость программного продукта. Существующая демоверсия очень ограничена в своих возможностях, что позволяет ознакомиться только с интерфейсом и основными элементами программы и принять решение о дальнейшем приобретении полной версии продукта, если это необходимо.

1.3.3. Программный комплекс PTV VISSUM

Создателем этого программного продукта, как и предыдущего, является компания «А+С Консалт», расположенная в Санкт-Петербурге. В отличие от VISSIM, VISSUM применяется для моделирования более масштабных объектов, к примеру, для моделирования транспортных потоков целого города, региона или мегаполиса, оптимизации и планирования движения общественного транспорта, для вычисления объемов существующих транспортных потоков, расчета потребностей города в транспорте и пр. Также данный продукт обладает возможностями обоснования инвестирования какого-либо проекта путем его технико-экономического обоснования (необходимости строительства или реконструкции дорожного полотна, реорганизации и оптимизации общественного транспорта и др.) [27]. Ниже представлен интерфейс VISSUM (рис. 1.3):

Рисунок 1.3. Интерфейс программного комплекса PTV Vissum

От других программных продуктов VISSUM отличает высокий функционал и инструментарий, свойственный всем продуктам программного комплекса PTV. Однако этот программный продукт также имеет высокую стоимость, что, несомненно, является очень большим недостатком.

1.3.4. Программный продукт MXROAD

Программный продукт MXROAD (разработчик – американская компания Bentley Systems) предназначен для разработки проектов автомобильных дорог, их примыканий и пересечений любой технической сложности. В нем выполняются работы по проектированию и созданию 3D-моделей местности и проектируемого объекта, а также по формированию и разработке проектной документации, к примеру, ведомостей или чертежей [24].

На рисунке 1.4. представлен пример модели, реализованной в MXROAD. Как мы видим, с помощью него можно создать очень реалистичные дороги высокой сложности, содержащей не только дорожное полотно, но и архитектуру мостов, систему освещения и дорожную разметку.

3. Был проведен анализ существующих разработок (моделей), был проведен анализ моделей, выделены их достоинства и недостатки. В результате было принято решение о создании модели, исключающей недостатки альтернативных разработок;

4. Была спроектирована и реализована модель движения транспортного потока при перестроении на другие полосы, были протестированы каждая из ветвей алгоритма функционирования модели, а также возможность изменения данных в модели и запуск ее на других ОС семейства Windows.

Поскольку процесс перестроения затруднителен не только для новичков, но и для более опытных автомобилистов, его моделирование могло бы помочь водителям принять правильное решение о необходимости его совершения и правильном порядке действий при реализации маневра.

Нами был спроектирован процесс разработки ИМДТП, были выделены следующие этапы:

1. Анализ предметной области

2. Проектирование модели

3. Разработка модели

4. Тестирование и эксплуатация

Каждый из этапов, в свою очередь, также декомпозируется на более мелкие этапы, что наглядно продемонстрировано в гл.2 п.2.

Также был описан ход выполнения работ по созданию модели, при загрузке необходимых для моделирования данных и решения проблем, связанных с ней. Было проведено успешное тестирование модели, результаты которого занесены в таблицу 2. Заключительным этапом был расчет экономической стоимости проекта. Стоимость разработки ИМДТП составила 40 446.78 рублей, что намного ниже, чем покупка лицензий профессионального программного обеспечения для моделирования дорожного движения.

Поставленные цели и задачи были успешно реализованы.

5. Карпов, Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5 [Текст]: Учебное пособие / Ю.Г.Карпов. – СПб.: Изд-во БХВ-Петербург, 2005. – 400 с.

6. Киселёва, М. В. Имитационное моделирование систем в среде AnyLogic [Текст]: учебно - методическое пособие / М. В. Киселёва. – Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2009. – 88 с.

7. Маликов, Р. Ф. Основы математического моделирования [Текст]: учеб. пособие / Р.Ф. Маликов. – Уфа: Изд-во «Горячая линия-Телеком», 2010. – 363с.

8. Маликов, Р.Ф. Практикум по имитационному моделированию сложных

систем в среде AnyLogic 6 [Текст]: учеб. пособие / Р. Ф. Маликов. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2013. – 296с.

9. Миньков, С.Л. Технико-экономическое обоснование выполнения проекта [Текст]: методическое пособие / С.Л. Миньков. – Томск: ТУСУР, 2014. – 30 с.

10. Мезенцев, К.Н. Моделирование систем в среде AnyLogic 6.4.1 [Текст]: Практикум. Часть 1 / К.М. Мезенцев. — М.: МАДИ, 2011. – 109 с.

11. Мезенцев, К.Н. Моделирование систем в среде AnyLogic 6.4 [текст]: Учебное пособие. Часть 2 /Под редакцией Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора А.Б.Николаева. — М.: МАДИ, 2011. – 103 с.

12. Советов, Б.Я. Моделирование систем [текст]: Учебник/ Б.Я. Советов, С.А. Яковлев –М.: Высшая школа, 2009.

ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ