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!

    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
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 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
    21 Выполненная работа
    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 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
    Лидия К.
    4.5 (330 отзывов)
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии ... Читать все
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии и педагогики. Написание диссертаций, ВКР, курсовых и иных видов работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    592 Выполненных работы
    Евгения Р.
    5 (188 отзывов)
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?
    #Кандидатские #Магистерские
    359 Выполненных работ
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету