Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ЧЕРЕЗ СЕРИЮ ПЕРЕКРЁСТКОВ

Исмагилов Т.Р. 1 Бояршинова И.Н. 1 Потапова И.А. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
На сегодняшний день остро ощущается проблема затруднённости автомобильного движения в крупных городах. Предлагаемая работа посвящена компьютерному имитационному моделированию системы перекрёстков. Разработаны алгоритмы построения модели по заданным пользователем параметрам работы системы. Создана компьютерная программа, реализующая предложенные алгоритмы. Описание программы представлено в виде блок-схемы с пояснениями. Для разработки модели были использованы элементы теории систем массового обслуживания (СМО) и клеточных автоматов. Полагается, что перекрёсток – это СМО с четырьмя потоками заявок, каждый из которых представляет собой n одноканальных СМО с неограниченным временем ожидания. Созданная компьютерная имитационная модель позволяет исследовать поведение транспортных потоков на нескольких связанных между собой перекрёстках, оценивать влияние соседних перекрёстков друг на друга и транспортную ситуацию на каждом из них в отдельности, а также может служить базой для проведения численных экспериментов, анализа и обработки их результатов.
компьютерная имитационная модель
перекрёсток
многопоточная система массового обслуживания
очередь заявок
1. Ахмадинуров М.М., Оптимизация светофорного регулирования с помощью программы моделирования транспортных потоков // Вестник ЮУрГУ. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2010. – № 22 (198).
2. Бояршинова И.Н., Исмагилов Т.Р., Потапова И.А., Моделирование и оптимизация работы системы массового обслуживания // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 9–1. – С. 9–13.
3. Буслаев А.П., Новиков А.В., Приходько В.М., Таташев А.Г., Яшина М.В. Вероятностные и имитационные подходы к оптимизации автодорожного движения. – М.: Мир, 2003. – 368 с.
4. Вентцель Е.С.. Исследование операций. – М.: Изд-во «СОВЕТСКОЕ РАДИО», 1972. – 552 с.
5. Гальченко Г.А., Моделирование транспортных потоков на основе электродинамического принципа // Символ науки. – 2015. – № 8.
6. Голубков А.С., Царев В.А., Адаптивное управление дорожным движением на базе системы микроскопического моделирования транспортных потоков // Информационно-управляющие системы. – 2010. – № 5.
7. Кузин М.В. Особенности моделирования движения плотных групп транспортных средств с учетом изменения поперечного сечения дороги // МСиМ. – 2008. – № 1 (18).
8. Куприяшкин А.Г., Основы моделирования систем: учебное пособие. – 2015.
9. Маторин С.И., Жихарев А.Г., Зайцева Н.О., Брусенская И.Н. Имитационное моделирование транспортных потоков с применением УФО-подхода // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. – 2013. – № 22–1 (165).
10. Павский В.А., Теория массового обслуживания: учебное пособие. – 2008.
11. Трапезникова М.А., Чечина А.А., Чурбанова Н.Г., Поляков Д.Б., Математическое моделирование потоков автотранспорта на основе макро и микроскопических подходов // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2014. – № 1.
12. Ширин Валерий Викторович. Повышение пропускной способности улично-дорожной сети города // Вестник ХНАДУ. – 2010. – № 50.
13. Cremer M., Ludwig J. A fast simulation model for traffic flow on the basis of Boolean operations // Math. Comp. Simul. – 1986. – Vol. 28. – P. 297–303.
14. Saifallah Benjaafar, Kevin Dooley, Wibowo Setyawan, Cellular Automata for Traffic Flow Modeling.

Транспортное сообщение – неотъемлемая часть нашей жизни. Каждый день миллионы людей едут в школу, в университет, на работу. Общественный и личный транспорт образуют единый транспортный поток. Это постоянное движение стало одним из символов всех крупных городов. На сегодняшний день мегаполисы переполнены автомобилями, а дороги не справляются с растущим числом автомобилей. Очевидной является необходимость расширения дорожных сетей. Зачастую тяжело принять решение о расширении, не имея данных, подтверждающих достаточность применяемых мер. Проводить натурные эксперименты в данной области слишком долго и дорого. На помощь приходит компьютерное имитационное моделирование (КИМ) [3, 8].

На сегодняшний день существует множество различных методологий моделирования транспортных потоков.

В работе [1] моделирование поведения водителя определяется модификацией известного ранее алгоритма «умного водителя», при котором положение автомобиля в пространстве описывается через координату, время, скорость и длину автомобиля. Автором работы не учитывается движение автомобилей при повороте налево. В статье [6] было уделено большее внимание описанию управления и оптимизации, нежели алгоритма моделирования. Известно, что в работе использовался дискретно-событийный подход, чтобы уменьшить время исполнения программы. Авторами статьи [9] был использован подход «Узел – функция – объект» (УФО). Метод основан на алфавите элементов, связей систем, подвергающихся анализу, а также их библиотек. Транспортный поток описывается протяжённостью, количеством автомобилей в потоке, а также параметрами, запрещающими или разрешающими проезд налево/направо/прямо. В статье [12] предлагается изолировать проблемный участок дороги, намеренно ограничивая скорость автомобилей в том же потоке. У водителей, находящихся на проблемном участке, появляется больше времени, чтобы предотвратить образование пробки. В работе [5] автор предлагает применять к моделированию транспортных потоков электродинамический принцип. Основные параметры транспортного потока ставятся в соответствие силе тока, напряжению и сопротивлению. В работе [7] рассмотрена модель системы, учитывающая сужения и расширения дорожного пространства, а также предложены меры по предотвращению образования заторов в узких местах.

Самыми проблемными являются перекрёстки – участки пересечения встречных или взаимно перпендикулярных автомобильных потоков.

В настоящей работе поставлена задача создания компьютерной имитационной модели, позволяющей исследовать поведение транспортных потоков на нескольких связанных между собой перекрёстках, оценки влияния соседних перекрёстков друг на друга и транспортной ситуации на каждом из них в отдельности.

Компьютерная программа моделирует проблемные участки дороги с точки зрения образования на них очередей из автомобилей. Для моделирования очередей в работе использованы элементы теории систем массового обслуживания (СМО) [2, 4, 10]. Чтобы компьютерная модель была более точной, за основу был взят микроскопический подход [11]. Для упрощения модели и уменьшения вычислительных затрат использованы элементы теории клеточных автоматов [13, 14].

Основные элементы системы и их свойства

Основными элементами системы являются: перекрёсток, поток, автомобиль, участок пересечения потоков.

Самым крупным элементом модели является перекрёсток. Каждый перекрёсток представляет собой СМО, с двумя обработчиками очереди и четырьмя потоками заявок. Два потока обрабатываются, два – ждут. Через некоторое время обрабатываемые потоки приостанавливаются, а ожидающие попадают на обработку. В свою очередь каждый поток представляет собой n одноканальных СМО, где n – количество полос в потоке. В каждой полосе первый автомобиль обрабатывается, остальные ждут своей очереди. Основными характеристиками перекрёстка являются:

  • наличие в его составе восьми потоков автомобилей: четыре потока, входящих на территорию перекрёстка, и четыре потока, выходящих из него;
  • два параметра, отвечающие за время движения/ ожидания вертикальных/ горизонтальных потоков. Сумма этих параметров даёт нам время цикла работы перекрёстка;
  • количество полос для движения потоков автомобилей в каждом направлении.

Следующим элементом системы является автомобильный поток. В данной работе под автомобильным потоком подразумеваются все автомобили, въезжающие или выезжающие с перекрёстка в одном направлении.

Характеристиками входящих потоков являются:

  • количество автомобилей, которые должны повернуть налево;
  • количество автомобилей, которые должны повернуть направо;
  • количество автомобилей, которые должны проехать прямо.

В зависимости от имеющегося числа полос автомобили распределяются по полосам в соответствии со своей целью. Автомобили, находящиеся в одной полосе, образуют очередь. Автомобиль после въезда на перекрёсток не может покинуть очередь, поэтому с точки зрения теории СМО система является «системой без отказов, с неограниченным временем ожидания». В системе перекрёстков нет явного обработчика очереди, эта роль возлагается на водителя каждого автомобиля. Поэтому все типичные для обработчика заявок параметры в нашем случае перекладываются на автомобили. Вот как это проявляется в свойствах автомобиля:

  • время обработки заявки в данном случае – это время, которое необходимо автомобилю, чтобы выполнить манёвр поворота или проехать через перекрёсток прямо;
  • задержка между обработками заявок – время, которое обязан выждать «второй» автомобиль в очереди после отъезда «первого», чтобы избежать столкновения с ним.

Третьим важным элементом системы является участок пересечения потоков. Без него движение происходило бы в идеальных условиях, где автомобильные потоки не пересекаются друг с другом, что противоречит устройству обычного городского перекрёстка.

Алгоритм работы программы

Первым этапом работы программы является опрос пользователя. Программой запрашиваются следующие данные: количество перекрёстков, параметры, общие для всей системы, индивидуальные параметры каждого перекрёстка. На основании полученных данных создаются элементы модели системы. Происходит процесс моделирования, по окончании которого пользователю представляется отчёт о результатах моделирования.

Алгоритм создания модели системы

В первую очередь создаются перекрёстки, заполняются необходимые поля класса «перекрёсток», вызывается «конструктор потоков», в завершение процедуры вызывается «конструктор участка пересечения».

В конструкторе потоков заполняются необходимые поля, создаются полосы, по которым будет происходить движение автомобилей, создаются автомобили, которыми заполнятся полосы.

На рис. 1 представлены блок-схемы, описывающие алгоритм создания системы.

pic_50.tif

а б

Рис. 1. Описание алгоритма создания системы: а – процедура создания перекрёстка; б – процедура создания потока

Создав модель системы, программа приступает к процессу моделирования. Основным параметром в процессе моделирования является время. До тех пор, пока значение параметра времени не достигнет финальной отметки, заданной пользователем, состояние системы будет обновляться путём обновления состояния всех перекрёстков в системе.

Перед обновлением состояния перекрёстка необходимо выполнить проверку: не пора ли остановить работу текущих потоков и запустить перпендикулярные им. Если цикл светофора завершился, данные обо всех автомобилях, проехавших за этот цикл, сохраняются. Выполняется процедура обновления соответствующих потоков, в зависимости от того, какие потоки должны функционировать в текущий момент времени.

В процессе обновления состояния потока в первую очередь необходимо произвести обновление состояния участка на пересечении перед потоком. В случае, если на участке пересечения будут автомобили с предыдущей части цикла светофора, то они должны уехать в первую очередь. Лишь после этого начнут своё движение первые автомобили из потока.

Автомобиль, оказавшийся на первой позиции в очереди, во время движения своего потока должен покинуть поток. Автомобиль может начать движение, если прошло достаточно времени с момента отъезда предыдущего автомобиля.

Когда первые автомобили из потока покинут очереди, их освободившиеся места займут следующие автомобили.

Обновление состояния первого автомобиля в очереди происходит так: изменим состояние автомобиля с «ожидания» на «движение» и зафиксируем время начала движения. Эту информацию можно будет использовать при анализе результатов работы системы. Затем, в зависимости от цели автомобиля (налево/направо/прямо) и потока, в котором он расположен, сообщаем автомобилю, в какой поток он должен двигаться. Покинув поток, автомобиль сообщает время своего отъезда следующему в очереди автомобилю, чтобы он мог соблюсти должный временной интервал во избежание столкновения. Если целью автомобиля является проезд прямо или направо, автомобиль беспрепятственно проезжает. В случае, когда автомобилю нужно проехать налево, ему может препятствовать встречный поток автомобилей. В таком случае автомобиль занимает место на пересечении потоков и ждёт возможности продолжить движение. В случае ожидания на пересечении, фиксируется изменение свойств автомобиля: его состояния и времени начала ожидания.

Блок-схемы, отображающие алгоритм моделирования работы системы, изображены на рис. 2 и 3.

Созданная программа может предоставить данные для анализа результатов работы системы. Полученные данные можно использовать для оценки пропускной способности проектируемых участков дорог или действующих перекрёстков, в случае обнаружения неполадок в работе. Программа может быть запущена с новыми параметрами системы для подтверждения оптимальности новых расчетных значений.

pic_51.tif

а б

Рис. 2. Описание алгоритма моделирования: а – описание процедуры моделирования; б – описание процедуры обновления состояния перекрёстка

pic_52.tif

а б

Рис. 3. Описание алгоритма моделирования: а – описание процедуры обновления потока; б – описание процедуры обновления состояния первого автомобиля в очереди

По окончании работы программы можно отследить общее количество машин, попавших в систему, проехавших через систему, оставшихся в очередях системы. Есть возможность узнать, сколько времени в среднем проводил автомобиль в движении или ожидании, в системе или на конкретном перекрёстке. Можно получить ту же характеристику по каждому автомобилю в отдельности.

При тестировании программы на создание системы из четырёх перекрёстков (по три полосы в каждом из четырёх направлений, по шесть автомобилей в полосе) и моделировании её работы в течение 600 секунд реального времени программе понадобилась 1 секунда. При этом было использовано 2,4 МБ памяти. Больше всего памяти понадобилось для класса «Автомобиль», самого многочисленного класса в системе. Компьютерное моделирование проводилось на процессоре Intel(R) Core(TM) i5-2520M CPU @ 2.50 GHz 2.50 GHz. Загрузка процессора не превысила 30 %.

Кроме большого количества варьируемых и отслеживаемых параметров элементов системы, можно отметить её универсальность: возможность моделирования любых конкретных объектов автомобильных сетей. Предусмотрена возможность добавления дополнительного функционала и логики поведения элементов системы.

Компьютерная модель может служить базой для проведения численных экспериментов в системе и получения выходных параметров для дальнейшего анализа и обработки.


Библиографическая ссылка

Исмагилов Т.Р., Бояршинова И.Н., Потапова И.А. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ЧЕРЕЗ СЕРИЮ ПЕРЕКРЁСТКОВ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 10-2. – С. 291-295;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40847 (дата обращения: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074