Оптимальное регулирование транспортных потоков с помощью управления светофорами

Карманов Дмитрий Дмитриевич
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

В данной работе проведена последовательная работа, посвященная построению оптимального управления транспортным потоком, начиная с самых основ создания имитационной модели. Дано описание способов и реализовано математическое и имитационное моделирования как отдельного АТС, так и их потока с использованием таких программных решений, как Unity, Matlab и Simulink. Был описан и реализован алгоритм управления потоками АТС при помощи ИНС и генетического алгоритма. Проведено имитационное моделирование на основе описанного программно-теоретического аппарата и приведены результаты сравнения регулирования потока АТС при помощи ИНС с генетическим методом и классического светофора с равномерным циклом переключения. Показанный алгоритм показал неплохие результаты по результатам моделирования.

Актуальность и текущий анализ
Транспортная инфраструктура является одним из главных инфраструктур, обеспечивающих функционирование современной экономики, жизнь городов и регионов страны. Транспортная система с каждым днем становится все более развитой. Популярность транспортных средств стремительно растет . Рост автомобильного парка и увеличение объема перевозок приводит к увеличению интенсивности движения, что в условиях городов приводит к возникновению транспортной проблемы. Особенно остро эта проблема встает для городов с неизменной исторически сложившейся улично-дорожной сетью и парковками на проезжей части . Из-за этих факторов снижается уровень безопасности движения автомобильных транспортных средств (АТС) и пропускная способность улично-дорожной сети города. Это, в свою очередь, вызывает заторы на дорогах и приводит к возникновению аварийных ситуаций при пропускании транспортных и пешеходных потоков. В связи с этим вопрос о разработке стратегии дорожно-транспортного регулирования становится весьма актуальным.
Необходимость разработки стратегии управления движением АТС по городским маршрутам предполагает наличие развитой инфраструктуры дорог, учитывающей экологию и ландшафт города, количество участников дорожного движения, плана движения транспортного средства, а также наличие средств управления транспортными потоками.
При имеющихся требованиях особую роль приобретает оптимальное планирование транспортных потоков, улучшение организации движения АТС, оптимизация маршрутов общественных транспортных средств. Данные задачи возможно решить с помощью математического моделирования транспортных потоков . При этом необходимо учитывать следующие свойства транспортных систем:
влияние таких случайных факторов, как ДТП, погодное условие, особенностей движения в разный сезон года, выходные и праздничные дни;
непредсказуемость поведения водителя (маршрут, стиль вождения и т.д.).
Моделирование представляет собой процесс создания некоторой модели оригинала объекта (данном случае транспортного потока), его исследования в ходе тестирования и распространения полученного результата на оригинал объекта [18].
Модель представляет собой некоторую систему, воспроизводящую свойства оригинала объекта [33].
При моделировании оригинала объекта к модели предъявляются следующие требования [17]:
модель объекта должна быть более точной, чем требуется для конкретной задачи;
модель должна обладать такими свойствами, как простота, удобство, предельная чувствительность к изучаемым свойствам.
Модели делятся на следующие виды [31].:
физические, которые воспроизводят изучаемый процесс с сохранением его физических свойств;
математические, которые описывают процессы в оригинале объекта с помощью математических терминов.
Способы исследования математических моделей можно поделить на следующие группы:
Аналитические. Является возможным, если математическую модель можно представить в виде системы математических соотношений (графиков, диаграмм, уравнений и формул), содержащей искомую величину в явном виде.
Изоморфные. Здесь предполагается при изучении одних физических явлений замена их другими.
Компьютерные. Сюда относится численное и имитационное моделирование. Оба способа предполагаю использование ЭВМ при исследовании математической модели. Основное отличие имитационного моделирования от численного заключается в том, что основанием служит некоторый моделируемый алгоритм, сохраняющий определенные аналогии с оригиналом объекта [27].
В моделировании дорожного движения исторически принято выделять два подхода: вероятностный (стохастический) и детерминированный.
Основу детерминированного подхода составляет функциональная зависимость между отдельно взятыми параметрами, например, дистанцией между транспортными средствами внутри потока и их скоростью. При ситуациях, очень часто наблюдаемых в больших городах или на скоростных дорогах, когда множество АТС движутся в группе, транспортный поток может быть рассмотрен как детерминированный и непрерывный. Таким образом, детерминированным подходом исследуются транспортные потоки с высокой плотностью, где АТС тесно взаимодействуют между собой, и решающая роль достается все-таки человеку как оператору.
При стохастическом подходе транспортный поток рассматривают в качестве вероятностного и случайного процесса. Например, распределение интервалов между АТС внутри транспортного потока может быть не строго определенным, а случайным процессом. Транспортные потоки, движущиеся по улично-дорожной сети, состоят из большого количества автомобилей, управляемых по свободному желанию водителей. Следовательно, маневры каждого из автомобилей могут расцениваться как вероятностное событие. Таким образом, стохастическим подходом исследуются транспортные потоки с низкой плотностью [20].
Все имеющееся многообразие моделей транспортных потоков разбивается на три класса: модели-аналоги, модели следования за лидером и стохастические модели [37].
Модели-аналоги предполагают, что процесс движения АТС – это некоторый физический поток. Данный класс моделей также называют макроскопическими моделями.
Согласно макроскопическим моделям, транспортные потоки – это сплошная среда, состоящая из множества транспортных средств, близко расположенных друг к другу [22].
Математическое описание состояния движущегося транспортного потока проводится с помощью следующих законов: уравнение состояния потока, уравнение неразрывности, закон сохранения количества движения, закон сохранения энергии.
Уравнение состояния транспортного потока имеет следующий вид (1):
где:
N – интенсивность транспортного потока;
q – плотность транспортного потока;
v – средняя скорость транспортного потока.
Уравнение неразрывности транспортного потока основано на законе сохранения масс. Анализируя транспортный поток, рассматривается постоянство общего количества АТС во времени . Изменение общего количества АТС на участке дороги за время приведено на рисунке 1.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Анастасия Л. аспирант
    5 (8 отзывов)
    Работаю в сфере метрологического обеспечения. Защищаю кандидатскую диссертацию. Основной профиль: Метрология, стандартизация и сертификация. Оптико-электронное прибост... Читать все
    Работаю в сфере метрологического обеспечения. Защищаю кандидатскую диссертацию. Основной профиль: Метрология, стандартизация и сертификация. Оптико-электронное прибостроение, управление качеством
    #Кандидатские #Магистерские
    10 Выполненных работ
    Вирсавия А. медицинский 1981, стоматологический, преподаватель, канди...
    4.5 (9 отзывов)
    руководитель успешно защищенных диссертаций, автор около 150 работ, в активе - оппонирование, рецензирование, написание и подготовка диссертационных работ; интересы - ... Читать все
    руководитель успешно защищенных диссертаций, автор около 150 работ, в активе - оппонирование, рецензирование, написание и подготовка диссертационных работ; интересы - медицина, биология, антропология, биогидродинамика
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Анна С. СФ ПГУ им. М.В. Ломоносова 2004, филологический, преподав...
    4.8 (9 отзывов)
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    16 Выполненных работ
    Татьяна С. кандидат наук
    4.9 (298 отзывов)
    Большой опыт работы. Кандидаты химических, биологических, технических, экономических, юридических, философских наук. Участие в НИОКР, Только актуальная литература (пос... Читать все
    Большой опыт работы. Кандидаты химических, биологических, технических, экономических, юридических, философских наук. Участие в НИОКР, Только актуальная литература (поставки напрямую с издательств), доступ к библиотеке диссертаций РГБ
    #Кандидатские #Магистерские
    551 Выполненная работа
    Анна Н. Государственный университет управления 2021, Экономика и ...
    0 (13 отзывов)
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уни... Читать все
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уникальности с нуля. Все работы оформляю в соответствии с ГОСТ.
    #Кандидатские #Магистерские
    0 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету