Використання концепції ефективного автомобіля для моделювання динаміки транспортних потоків у транспортній мережі міста

Постановка проблеми. Однією з найважливіших сучасних проблем в моделюванні динаміки транспортних потоків є перевантаження вітчизняних транспортних мереж міст, особливо у центральних їх частинах. Це, в свою чергу, суттєво впливає на зниження ефективності руху транспортних потоків, обумовлює збільшення аварійних ситуацій на дорогах, призводить до негативного впливу транспорту на екологічний стан навколишнього середовища, несвоєчасності доставки товарів, збільшення витрат часу на доставку пасажирів громадським транспортом.

У зв'язку з цим, питанням моделювання та оптимізації транспортних потоків у транспортній мережі міста останнім часом приділяється значна увага. При цьому теоретичні уявлення про динаміку транспортних потоків розвиваються в основному за двома напрямами. З одного боку, розглядаються мікромоделі, які описують певні конкретні ситуації руху транспортних засобів (ТЗ) на ділянках транспортної мережі, але які не можуть, водночас, характеризувати стан транспортного потоку в цілому [1,2]. З іншого боку, існує багато макромоделей для опису динаміки транспортних потоків, проте які не придатні для аналізу руху ТЗ на певних конкретних ділянках транспортної мережі [3-5].

Тому, для розвитку теоретичних уявлень про динаміку транспортних потоків, вдосконалення методів моделювання процесів, пов'язаних з ними, вважаємо актуальним знаходження таких модельних транспортних засобів, техніко-експлуатаційні параметри яких, з одного боку, характеризували б стан транспортного потоку в цілому на певній ділянці транспортної мережі, а з іншого, були б наближені до відповідних параметрів ТЗ, що рухаються на даній ділянці.

Такий підхід, на наш погляд, аналогічний модельним уявленням про ефективні параметри руху мікрочастинок під впливом конденсованого середовища, які широко використовуються для опису фізичних явищ у твердих тілах [6]. Тому такий ТЗ в нашому випадку будемо називати ефективним автомобілем.

Метою даної роботи є розробка методу визначення модельної характеристики транспортного потоку певної ділянки транспортної мережі на основі використання концепції ефективного автомобілю. При цьому процедура пошуку автомобіля з ефективними техніко-експлуатаційними характеристиками розглядається на базі методу аналізу ієрархій Сааті [7, 8].

Основна частина. В рамках запропонованої процедури аналізу за методом Сааті [9] розглянемо n об'єктів або факторів, які необхідно порівняти групі експертів. Головною метою даної групи є визначення відносної важливості цих об'єктів.

Для визначення в нашому випадку відносної важливості техніко-експлуатаційних характеристик ТЗ, що утворюють транспортний потік на певній ділянці транспортної мережі, було обрано одне з перехресть міста Києва на вулиці Московській, 31/33 (біля кінотеатру "Зоряний") у напрямку від станції метро "Арсенальна" до станції метро "Печерська". Оскільки інтенсивність транспортного потоку на міській мережі має неоднорідну структуру, то задля більшої об'єктивності було обрано три проміжки часу для моніторингу. Відомо, що найбільше скупчення транспортних засобів спостерігається у так звані години "пік", тому саме ці проміжки часу і було обрано для проведення дослідження. Таким чином, підрахунок транспортних засобів проводився в періоди з 8.30 до 9.30, 12.35 до 13.35 та 16.35 до 17.35. При цьому, для більшої точності кожен часовий період був розділений на 4 рівні частини по п'ятнадцять хвилин, після яких фіксувались дані про кількість ТЗ. Крім того, всі ТЗ, що утворювали досліджуваний транспортний потік у відповідні проміжку часу, розділялись на наступні групи: легкові автомобілі, позашляховики, мікроавтобуси, автобуси (малі та середні, великі, зчеплені), вантажні автомобілі (легкі та середні, важкі).

Моніторинг інтенсивності руху транспортного потоку на вказаній ділянці транспортної мережі здійснювався за допомогою інтернет-ресурсу videoprobki. ua, який дає можливість спостерігати вказану ділянку дорогу за допомогою встановленої веб-камери в режимі реального часу. Результати спостереження наведені у таблиці 1.

Таблиця 1 Результати спостереження транспортної мережі на ділянці дороги (перехрестявулиці Московської м. Києва

Час	Легкові автомобілі	КиКи0X1СООС	Мікроавтобуси	Автобуси	Вантажні автомобілі	Всього
Малі, середні	Великі	Зчеплені	Легкі, середні	Важкі
Вранці
8.30 ч8.45	119	39	5	5	7	2	-	-	177
8.45 ч9.00	132	44	10	7	4	-	-	1	198
9.00 ч9.15	116	39	9	6	3	4	1	-	178
9.15 ч9.30	116	38	14	3	8	1	1	1	182
Всього	483	160	38	21	22	7	2	2	735
%	65,71	21,77	5,17	2,86	2,99	0,96	0,27	0,27
Обідня перерва
12.35 ч12.50	84	28	13	8	4	2	8	1	148
12.50 ч13.05	113	37	16	7	6	3	8	1	191
13.05 ч13.20	135	45	8	8	6	1	4	2	209
13.20 ч13.35	132	44	11	8	6	2	4	1	208
Всього	464	154	48	31	22	8	24	5	756
%	61,38	20,37	6,35	4,10	2,91	1,06	3,17	0,66
Ввечері
16.35 ч16.50	121	40	14	6	2	1	2	2	188
16.50 ч17.05	111	36	15	8	4	1	2	-	177
17.05 ч17.20	133	44	10	6	3	1	2	1	200
17.20 ч17.35	124	41	20	4	5	1	3	1	199
Всього	489	161	59	24	14	4	9	4	764
%	64,01	21,07	7,72	3,14	1,83	0,52	1,19	0,52

Для визначення ефективного автомобіля в рамках кожної групи ТЗ обирались реальні марки автомобілів, що представлені в теперішній час на ринку та дорогах України[10-11]. Відповідно, для легкових автомобілів було обрано 30 моделей; позашляховиків - 15 найбільш поширених моделей; мікроавтобусів - 10 моделей; автобусів (малі, середні) - 6 моделей, автобусів (великі) - 4 моделі, автобусів (зчеплених) - 2 моделі; вантажних автомобілів - 20 моделей.

Також для всіх вибраних таким чином марок автомобілів було визначено їх 15 техніко - експлуатаційних характеристик, а саме: довжина, ширина та висота транспортного засобу, кліренс, витрати палива при міському та заміському циклі руху, середній розхід палива, марка палива, екологічний стандарт, розгін з місця до 100 км/год, максимальна швидкість, споряджена маса, допустима повна маса, об'єм паливного баку та колісна база.

Далі, за допомогою методу аналізу ієрархій Сааті згідно з процедурою [9] серед вказаних характеристик ТЗ були визначені, на наш погляд, найбільш значущі, які найбільше впливають на швидкість та щільність транспортного потоку в межах міста. Виявлено, що таким показником є розміри ТЗ, а саме їх довжина. Крім того важливим є час розгону транспортного засобу, оскільки весь рух автомобіля в режимі міста описується схемою рух-гальмування-зупинка-розгін-рух, та екологічні характеристики.

Після цього, також використовуючи метод аналізу ієрархій за допомогою парних порівнянь знаходились відносні ступені взаємодії елементів (характеристик транспортних засобів) на кожному ієрархічному рівні (перевага одних елементів відносно інших). Цим порівнянням була надана чисельна оцінка. Слід відмітити, що при розгляді та порівнянні техніко-експлуатаційних характеристик необхідно прагнути того, щоб декомпозиція була доведена до такого рівня, на якому парні порівняння виконувались компетентними у даній області фахівцями. Оскільки обрані характеристики транспортних засобів характеризують автомобіль з різних сторін, а саме технічної, екологічної, економічної, то до складу експертної комісії були залучені саме фахівці з даних галузей. На основі отриманих експертних оцінок вищевказаних фахівців і було побудовано матриці порівняння техніко-експлуатаційних характеристик кожної групи транспортних засобів.

Врешті решт, після отримання відповідних даних, знову використовуючи відповідну процедуру згідно з [9], для кожної групи ТЗ визначався модельний ефективний автомобіль, техніко - експлуатаційні показники кожного з яких, характеризували досліджуваний транспортний потік на обраній ділянці транспортної мережі міста Києва. Результати отриманих розрахунків наведено у таблиці 2.

Таблиця 2 Техніко-експлуатаційні характеристики знайдених для кожної групи ефективних транспортних засобів

№ п/п	Характеристика/Модель автомобіля	Hyundai Getz	Nissan Qashqai	Mercedes-Benz Viano	Богдан А 06922	Богдан А 701	ЛАЗ А292 (CityLAZ - 20)	Iveco Stralis	Ефективний транспортний засіб
1.	Довжина, мм	3825	4330	4763	6690	11960	18800	9848	4731
2.	Ширина, мм	1665	1780	1901	2180	2550	2550	2550	1794
3.	Висота, мм	1490	1615	1875	2880	3200	3060	3000	1721
4.	Кліренс, мм	140	200	180	160	180	160	240	161
Витрати палива:
5.	Міський цикл, л/100 км	9,2	10,1	9	X	X	X	X	X
6.	Заміський цикл, л/100 км	5,3	6,2	6,6	X	X	X	X	X
7.	Середній, л/100 км	6,7	7,6	7,4	17,5	X	X	X	X
8.	Марка палива	АІ-95	АІ-95	ДП	ДП	ДП	ДП	ДП	ДП
9.	Екологічний стандарт, Євро	IV	IV	IV	III	V	III	III	IV
10.	Розгін з місця до 100 км/год, с	12	10,7	14,1	17	20	25	27	13
11.	Максимальна швидкість, км/год	170	183	174	90	70	87	90	163
12.	Споряджена маса, кг	1057	1378	2030	4290	11400	17200	13300	2258
13.	Допустима повна маса, кг	1540	1960	2800	6825	18800	28300	26000	3645
14.	Об'єм паливного баку, л	45	65	75	90	180	180	300	68
15.	Колісна база, мм	2455	2630	3200	3350	5860	5030	4880	2794

Часто для опису динаміки транспортного потоку в рамках відповідних макромоделей [3-5] використовують техніко-експлуатаційні параметри ТЗ, які достатньо грубо описують конкретний стан транспортної мережі в цілому. Запропонована в даній роботі концепція ефективного автомобіля, на наш погляд, дозволяє в певній мірі вирішувати цю проблему. Так, використовуючи отримані значення показників ефективних автомобілів кожної групи в транспортному потоці (див. табл. 2), а також експериментальні дані щодо відносної ваги кожної групи ТЗ у цьому транспортному потоці (див табл.1), можна визначити усереднені техніко-експлуатаційної показники модельного ефективного автомобіля, який характеризує динаміку транспортного потоку в цілому на певній ділянці транспортної мережі.

Тут, значення і-ої відповідної техніко-експлуатаційної характеристики такого ефективного автомобіля визначається за формулою:

Pi -- ^ Nijkj і, (1)

Де Pi - значення техніко-експлуатаційної характеристики ефективного автомобіля;

Nij - значення і-ої техніко-експлуатаційної характеристики ефективного автомобіля для j-ої групи (див. табл.2);

Kj - відносний ваговий коефіцієнт j-ої групи транспортних засобів (див. табл. 2).

Розрахунки за допомогою (1) дають наступні величини техніко-експлуатаційних характеристик ефективного автомобіля, які наведено у таблиці 2.

Висновки. У роботі запропоновано концепцію ефективного автомобіля та розроблено, на основі методу аналізу ієрархій Сааті, метод визначення його техніко-експлуатаційних показників. В рамках цієї концепції ефективний автомобіль розглядається як модельний транспортний засіб, що є однією з характеристик транспортного потоку на певній досліджуваній ділянці транспортної мережі. Техніко-експлуатаційні параметри ефективного автомобіля мають такі значення, які, з одного боку, характеризують стан транспортного потоку в цілому на певній ділянці транспортної мережі, а з іншого, наближені до відповідних параметрів транспортних засобів, що рухаються на даній конкретній ділянці. Використання концепції ефективного автомобіля, на наш погляд, дозволить здійснити у майбутньому подальший розвиток теоретичних уявлень про динаміку транспортних потоків, вдосконалення методів моделювання процесів, що відбуваються в них.

Перелік посилань

1. Nagel K. A cellular automaton model for freeway traffic / K. Nagel, M. Schreckenberg // J. Phys. I (France). 1992. Vol. 2. P. 2221-2229. 2. Cremer M. Parameter identification for a traffic flow model / M. Cremer, M. Papageorgiou // Automatica. 1981. V. 17. P. 837-843. 3. Lighthill M. J. On kinematic waves: II. A Theory of traffic flow on long crowded roads / M. J. Lighthill, G. B. Whitham // Proc. Roy. Soc. A. 1955. Vol. 229, N 1178. P. 281-345. 4. Cremer M. Traffic prediction and optimization using an efficient macroscopic simulation tool / M. Cremer, F. Meiner // Modelling and Simulation 1993. Ed. Pave A., Soc. Comput. Simulation Int., Ghent. 1993. P.515-519. 5. Daganzo C. F. The cell transmission model: A dynamic representation of highway traffic consistent with the hydrodynamic theory / C. F. Daganzo // Transpn. Res. B. 1994. V. 28. P. 269-287. 6. Шевченко О. Ю. Основы физики твердого тела / О. Ю. Шевченко // Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 276 с. 7. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. / Т. Саати. - М.: Радио и связь, 1989. 8. Саати Т. Аналитическое планирование. Организация систем. / Т. Саати, К. Керн. - М.: Радио и связь, 1991. 9. Данчук В. Д. Визначення ефективних засобів вантажних перевезень в транспортних задачах методом аналізу ієрархій / В. Д. Данчук, Р. В. Олійник, В. В. Сватко // Вісник НТУ. - К.: НТУ. - 2011. - Вип. 22. 10. http://www. gruz-inform. interdalnoboy. com 11. http://www. autonet. ru 12. References 13. Nagel K. A cellular automaton model for freeway traffic / K. Nagel, M. Schreckenberg // J. Phys. I (France). 1992. Vol. 2. P. 2221-2229. 14. Cremer M. Parameter identification for a traffic flow model / M. Cremer, M. Papageorgiou // Automatica. 1981. V. 17. P. 837-843. 15. Lighthill M. J. On kinematic waves: II. A Theory of traffic flow on long crowded roads / M. J. Lighthill, G. B. Whitham // Proc. Roy. Soc. A. 1955. Vol. 229, N 1178. P. 281-345. 16. Cremer M. Traffic prediction and optimization using an efficient macroscopic simulation tool / M. Cremer, F. Meiner // Modelling and Simulation 1993. Ed. Pave A., Soc. Comput. Simulation Int., Ghent. 1993. P.515-519. 17. Daganzo C. F. The cell transmission model: A dynamic representation of highway traffic consistent with the hydrodynamic theory / C. F. Daganzo // Transpn. Res. B. 1994. V. 28. P. 269-287. 18. Shevchenko O. Yu. Osnovy fiziki tverdogo tela / O. Yu. Shevchenko // Uchebnoye posobiye. - SPb: SPbSU ITMO, 2010. - 276s.(rus) 19. Saati Т. Prinyatiye resheniy. Metod analisa ierarchiy / Т. Saati. - М.: Radio i svyaz, 1989. - 567s.(rus) 20. Saati Т. Analiticheskoye planirovaniye. Organizaciya sistem / Т. Saati, К. Кеігею - M.: Radio i svyaz, 1989. - 345s. (rus) 21. Danchuk V. D. Vyznachennya efektyvnych zasobiv vantazhnych perevezen v transportnych zadachach metodom analizu iyerarchiy / V. D. Danchuk, R. V. Oliynyk, V. V. Svatko // Visnyk NTU. - К.: NTU. - 2011. - Vyp. 22. - S. 67 - 71. 22. http://www. gruz-inform. interdalnoboy. com 23. http://www. autonet. ru

Використання концепції ефективного автомобіля для моделювання динаміки транспортних потоків у транспортній мережі міста

Похожие статьи