XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка методики составления расписаний движения городских автобусов на основании имитационного моделирования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Самисько М.Д. 1

---

1МБОУ города Горловки «Лицей №14 «Лидер»

Самисько Д.Н. 1

---

1Автомобильно-дорожный институт

Работа в формате PDF

245 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Составление расписания движения городских автобусов должно базироваться на максимально достоверных данных. Только в этом случае возможно достичь максимального качества обслуживания пассажиров.

В настоящее время основным данным для составления расписания является время рейса, которое определяется на основании нормирования скоростей и времени движения автобусов. Проведённое однажды нормирование становится основанием для составления расписания на достаточно длительную перспективу.

В реальности на маршруте постоянно происходят изменения, оказывающие влияние на скорости движения автобусов. Не учитывая эти изменения, мы заведомо снижаем качество обслуживания пассажиров.

Существенную помощь при составлении расписаний движения может оказать применение методов имитационного моделирования движения автобусов. При помощи этих методов становится возможным оперативно учитывать изменяющиеся условия движения и вносить коррективы в расписание движения.

Всё вышесказанное говорит об актуальности разработки методики составления расписаний движения городских автобусов на основании имитационного моделирования.

Цель работы –разработать методику составления расписания движения городского автобусов на основании имитационного моделирования.

Задачи исследования – собрать исходные данные об одном из маршрутов в условиях улично-дорожной сети города. Разработать на ЭВМ программу для имитационного моделирования движения автобусов. Разработать методику составления расписаний движения автобусов на основании имитационного моделирования.

Объект исследования – процесс движения автобусов по улично-дорожной сети города.

Предмет исследования – составление расписания движения автобусов на основании имитационного моделирования.

Методы исследования:

1. Анализ существующих методик составления расписания движения городского автобуса;

2. Синтез нового знания об объекте исследования;

3. Компьютерное моделирование расписания движения городского автобуса;

4. Экспериментального определения применения методики расписания движения городского автобуса;

5. Статистические проверки гипотезы при исследовании адекватности разработанной применения методики расписания движения городского автобуса;

6. Апробация методики на реальном маршруте и разработка программного комплекса для составления имитационного расписания движения городского автобуса.

Научная новизна –полученных результатов будет состоять в применение имитационного моделирования расписания движения городского автобуса для усовершенствования методики составления расписаний их движения.

Практическое значение полученных результатов

Усовершенствованная в работе методика для составления расписания движения городского автобуса позволит рассчитывать значения времени оборота, для уже готовых к выпуску или находящихся в эксплуатации маршрутов, а также еще не спроектированного маршрута, смоделировав разные возможные сценарии его работы, провести ряд экспериментов, связанных с различными внештатными ситуациями, проверив при этом устойчивость работы данного маршрута в подобных ситуациях для повышения безопасности дорожного движения, путем вывода значений безопасных скоростей движения.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПО СОСТАВЛЕНИЮ РАСПИСАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГОРОДСКОГО АВТОБУСА

В практике получили распространение два метода разработки расписаний – табличный и графический [1].

Графический метод составления расписания движения применяют в основном в малых городах и при незначительном числе единиц подвижного состава на маршруте (до шести). Метод основан на построении графика движения транспортного средства в координатах путь-время.

Наклон линий соответствует скорости движения.

Графический метод обеспечивает наглядность интервалов движения в различные периоды суток и прост в использовании.

Однако при большом числе автобусов затрудняется прослеживание работы каждого из них в течение суток, требуется перевод расписания из графической в табличную форму для практического применения.

Табличный метод является основным и применяется на практике наиболее широко при большом числе автобусов на маршрутах.

Расписание составляют в табличной форме, в строках которой приводят данные, соответствующие различным номерам выходов, а в столбцах время прибытия и убытия с конечных пунктов маршрута.

Недостатками табличного метода составления расписаний являются не наглядность отслеживания интервалов движения автобусов по часам суток. Применение метода требует от составителя расписания опыта и навыков в работе. Средняя трудоемкость составления одного расписания зависит от числа работающих выходов и колеблется от 1 до 6 чел. – дн.

К достоинствам метода следует отнести наглядность в работе каждого выхода в течение суток.

Вопросы исследования составления расписаний движения городских автобусов на основании имитационного моделирования отражены как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Приведены лишь некоторые из известных существующих на сегодня формулировок методик расписания городских автобусов на основании имитационного моделирования, которые разрабатывались отечественными авторами:

1. Данилова Светлана, группа э-602, ЭФ МГУ «Оптимизация транспортного потока в системе городского транспорта с помощью имитационного моделирования» [2, 3].

Рассматривается пример оптимизации системы транспортных потоков в городе Сибиу (Румыния, регион Трансильвания) с помощью агент-ориентированной модели и программного обеспечения AnyLogic. Для моделирования было взято спутниковое изображение города из Google Maps.

Постановка проблемы: как оптимизировать транспортные потоки в указанной части города Сибиу, чтобы уменьшить время в пути автоколонны с учетом возможных пробок.

Чтобы решить задачу оптимизации, была построена имитационная модель с помощью программного обеспечения AnyLogic University Researcher v.7.3.6. Построение модели происходило в соответствии со следующими этапами.

Этап 1. Создание дорожной сети.

Этап 2. Логика транспортных потоков.

Этап 3. Установка светофоров.

Этап 4. Оптимизация работы светофоров.

Путем изменения работы различных фаз светофора было достигнуто уменьшение времени поездки с 63,345 сек. до 50,514 сек.

2. А.В. Липенков, О.А. Липенкова, М.Е. Елисеев «Моделирование маршрутной сети городского пассажирского транспорта Нижнего Новгорода в AnyLogic» [4…9].

Рассматриваются модели пассажирских автобусных маршрутов №52 и №7, выполненные в среде имитационного моделирования AnyLogic.

На первом этапе авторами были построены имитационные модели двух автобусных маршрутов города Нижнего Новгорода (социальный маршрут №52 и коммерческий №7).

Построенные модели двух автобусных маршрутов позволяли проводить эксперименты по поиску наилучшего варианта расписания, выбору типа и количества подвижного состава, рассмотрению актуальности ввода комбинированных режимов движения (скоростное, экспрессное и др.). В то же время они не давали возможности оценивать в целом всю сеть, так как один маршрут никак не был связан с другим. Поэтому на втором этапе перед авторами встала задача моделирования всей сети, что потребовало внесения некоторых изменений в логику модели.

Система городского пассажирского транспорта крупного города – это сложная система, включающая в себя большое число взаимосвязанных и взаимодействующих между собой компонентов. Управление такой большой системой с каждым годом все усложняется в связи с ростом городов, уровнем автомобилизации, меняющимися потребностями граждан в обслуживании.

Однако на сегодня, не существует единой методики расписания городских автобусов. Каждый автор формулирует её по-своему. Ими были предложены различные подходы: выделенные полосы для общественного транспорта, грамотное диспетчерское управление, нормирование скоростей движения автобусов и др.

Отечественный и зарубежный опыт доказал эффективность применения имитационного моделирования для принятия грамотных управленческих решений в сфере городского транспорта.

К сожалению, полноценных программных средств, позволяющих оперативно составлять расписание движения городских автобусов либо не существует, либо не имеют распространения.

2 МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЙ ДВИЖЕНИЯ ГОРОДСКИХ АВТОБУСОВ НА ОСНОВАНИИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Обобщая всю имеющуюся информацию по составлению расписания движения городских автобусов, можно представить последовательность методики составления расписания движения городских автобусов на основании имитационного моделирования.

Процесс создания подобной модели транспортной системы предусматривает выполнение следующих действий:

1. Подготовка, сбор и последующая обработка необходимых данных;

2. Создание имитационной модели движения автобуса;

3. Оценка влияния различных факторов;

4. Оценка работоспособности модели, разработка решений и рекомендаций, основанных на полученных расчетах.

Отдельно следует остановиться на первом этапе приведенной методики, на котором проводиться сбор и последующая обработка необходимых данных.

По нашему мнению, более точных результатов по определению составлению расписания движения городских автобусов можно добиться с применением имитационного моделирования.

Именно компьютерное моделирование позволяет, не прибегая к значительным капиталовложениям, проанализировать влияние различных факторов (дорожные, погодно-климатические условия и так далее) на результат расчета программы координации.

Процесс моделирования скоростей движения следует начать со сбора исходных данных об анализируемом участке дороги. В связи с тем, что условия движения на перегонах не однородны, процесс моделирования следует производить для характерных однородных участков исходя из присущих исключительно им условий движения.

На его скорость оказывают влияние следующие параметры: величина продольного уклона автодороги, градусов; качество дорожного покрытия (значение коэффициентов продольного и поперечного сцепления, коэффициента сопротивления качению); величина радиуса кривой, км; ширина полосы движения, м; скорость движущегося впереди транспорта.

Аналитические зависимости для моделирования скорости движения будем определять в зависимости от дорожных условий на участке перегона и характеристик автобуса.

Эти зависимости определяются путем выбора минимальной из следующих скоростей: V_1k – максимально допустимая скорость при условии отсутствия бокового скольжения, км/ч.; V_2k – максимально допустимая скорость при условии отсутствия заноса передней оси автобуса, км/ч.; V_3k – максимально допустимая скорость при условии отсутствия заноса задней оси автобуса, км/ч.; V_4k – максимально допустимая скорость из баланса мощностей автобуса, км/ч.; V_5k – максимально допустимая скорость из условий отсутствия выезда за границы полосы движения, км/ч.; V_6k – максимально допустимая скорость, определённая заводом-производителем автобуса, км/ч.; V_7k – максимально допустимая скорость по правилам дорожного движения, км/ч.

Кроме того, следует учитывать, что [10…16]:

– V_1k – скорость движения по k-тому характерному однородному участку, км/ч., как максимально допустимая скорость движения при условии отсутствия бокового скольжения определяется по формуле:

где g – ускорение свободного падения, км/ч.²;

R – радиус поворота, км;

φ_y – коэффициент поперечного сцепления;

β – угол поперечного уклона дороги, градусов;

– V_2k – скорость движения по k-тому характерному однородному участку, км/ч., как максимально допустимая при условии отсутствия заноса передней оси автобуса определяется по формуле:

где m₁ – коэффициент изменения вертикальной реакции для передней оси автобуса;

χ – удельная касательная реакция колеса;

θ – угол поворота управляющих колес, градусов;

– V_3k – скорость движения по k-тому характерному однородному участку, км/ч., как максимально допустимая при условии отсутствия заноса задней оси автобуса определяется по формуле:

где m₂ – коэффициент изменения вертикальной реакции для задней оси автобуса;

– V_4k – скорость движения по k-тому характерному однородному участку, км/ч., как максимально допустимая скорость движения из баланса мощностей определяется по формуле:

где A – коэффициент, который зависит от конструктивных особенностей автобуса и определяется по формуле:

где V_N – скорость автобуса, которая соответствует максимальной мощности двигателя, м/с;

N_max – максимальная эффективная мощность двигателя, кВт;

η_тр – коэффициент полезного действия трансмиссии;

а₁, b₁, c₁ – эмпирические коэффициенты, которые характеризуют тип двигателя;

k_в – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), Н∙с²/м⁴;

H_а – наибольшая высота автобуса, м;

Q_н – номинальная грузоподъемность автобуса, Н;

f – коэффициент сопротивления качению автобуса;

α – угол подъема, градусов;

m_АТЗ – собственный вес автобуса, Н;

– V_5k – скорость движения по k-тому характерному однородному участку, км/ч., как максимально допустимая из условий отсутствия выезда за границы полосы движения, км/ч. Определяется по формуле:

где В_к – ширина полосы движения, м;

В_а – габаритная ширина автобуса, м.

Моделирование скорости движения i-того автобуса транспортного потока по k-тому характерному однородному по дорожным условиям участку на основании выбора минимальной из приведенных выше восьми скоростей дает возможность установить максимально возможную по условиям безопасности движения скорость для этого характерного однородного участка (minV_ik, км/ч.).

Логическим продолжением исследования является учет в моделировании не только технических характеристик автобуса и условий дорожного движения, а и длины k-того характерного однородного по дорожным условиям участка, возможных ускорений и замедлений автобуса и значений его скоростей на предыдущем и следующем характерных однородных участках.

В роботах [10…16] разработан процесс моделирования дорожного движения автобуса по характерным однородным дорожным условиям участкам которые учитывают: параметры автобуса; параметры текущего характерного однородного участка; параметры участков, которые предшествуют данному и находятся за ним; параметры движения автобуса на этих участках.

В следствие моделирования движения автобуса с помощью данных, для каждого характерного однородного по дорожным условиям участка становятся известными значения скоростей: в начале данного участка, непосредственно на участке и на ее конце. Кроме того, для каждого участка становится известным время движения по нему.

Первым этапом в процессе моделирования движения автобуса является сбор исходных данных для дальнейших расчетов.

Анализ формул (2.1) – (2.6), а также аналитических зависимостей для моделирования движения автобуса, которые приведены в роботах [10…16] показал, что все исходные данные можно разбить на три группы:

1. Исходные данные, которые характеризуют технические характеристики автобуса: габаритная высота автобуса, H_a, м; габаритная ширина автобуса, B_a, м; собственная масса автобуса, m_АТС, т; коэффициенты изменения вертикальных реакций для передней (m₁) и задней (m₂) осей автобуса; эмпирические коэффициенты, которые зависят от типа двигателя, a₁, b₁, c₁; максимальная мощность двигателя, N_max, кВт; максимальная скорость двигателя, V_max, км/ч; скорость, которая соответствует оборотам коленчатого вала при максимальной мощности, V_N, км/ч; удельная касательная реакция колеса, χ; коэффициент полезного действия трансмиссии, η_тр; база автобуса, L, м; колея колёс автобуса, B, м; коэффициент сопротивления воздуха, k_в, H·с²/м⁴; максимально возможное ускорение, a_max, м/с²; максимально возможное замедление, -a_max, м/с²; коэффициент изменения максимально возможного ускорения, k_{у. max}; коэффициент изменения максимально возможного ускорения, k_{з. min};

2. Исходные данные, которые характеризуют маршрут: длины отдельных характерных участков на маршруте, l_i, м; продольные уклоны на характерных участках, α_i, градусы; радиусы кривых в плане на характерных участках, R_i, м; изменения продольных уклонов на характерных участках, i, м; коэффициент поперечного сцепления колеса с дорогой на характерных участках, φ_i; поперечные уклоны на характерных участках, β_i, градусы; коэффициент сопротивления качению на характерных участках, f; суммарное время простоя на всех остановках, ч.; суммарное время простоя из-за организации дорожного движения, ч.; общее время движения по маршруту, ч.

3. Исходные данные, которые характеризуют существующую схему организации дорожного движения: максимальная скорость в соответствии с существующей организацией дорожного движения, V_{max ОДД}, км/ч.

Исходные данные, которые характеризуют дорожные условия на перегоне целесообразно оформлять в виде развернутого плана [18…24], пример которого приведен в таблице 2.1.

В развернутом плане информация приводится в такой последовательности:

– в первой строке представлена информация о номерах характерных участков и их количестве. Заполнение этой строки следует проводить в последнюю очередь после определения границ отдельных характерных участков исходя из присущих им условий движения;

– во второй строке приведена информация о длине отдельных характерных участков. Заполнение этой строки следует проводить в предпоследнюю очередь после определения границ отдельных характерных участков исходя из присущих им условий движения;

– в третьей строке представлена информация о продольных уклонах на маршруте, α_k, градусов, к тому же при условии движения на подъем уклон имеет знак «+», а при условии движения на спуск «–».

Эту информацию можно получить из геодезической съемки.

– в четвертой строке приведена информация о радиусах закруглений, Rk, м.
В работе Г. Б. Безбородовой [17] делается упор на том, что радиусы кривых в плане следует принимать из такого ряда величин: 25, 30, 50, 100, 200, 300, 400, 500 метров (кривые с радиусом R ≥ 500 метров принимаются прямолинейными);

– в пятой строке представлена информация о изменениях продольных уклонах на маршруте, i, метров, к тому же при условии движения на подъем уклон имеет знак «+», а при условии движения на спуск «–».

– в шестой строке представлена информация о коэффициентах поперечного сцепления колеса с дорогой φ_yk и определяется в зависимости от типа и состояния покрытия на маршруте [18].

На сухих дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления имеет наибольшее значение, так как в этом случае он обусловливается не только трением сколь­жения, но и межмолекулярным взаимодействием материалов ко­леса и дороги (механическим зацеплением).

На мокрых дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления существенно уменьшается (в 1,5 2).

Значения коэффициента поперечного сцепления колеса с дорогой при различных условиях и средней скорости движения приведены в таблице 3 презентации.

– в седьмой строке приведена информация о поперечных уклонах, β_k, градусов. Эта информация может быть получена из паспорта дороги;

– в восьмой строке представлена информация о значении коэффициентов сопротивления качению f_k на каждом из характерных однородных участков [19].

На дорогах с твердым покрытием сопротивление качению обусловлено главным образом деформациями шины. При увеличении числа дорожных неровностей коэффициент сопротивления качению возрастает.

На деформируемых дорогах коэффициент сопротивления качению определяется деформациями шины и дороги. В этом случае он зависит не только от типа шины, но и от глубины образующейся колеи и состояния грунта.

Значения коэффициента сопротивления качению при рекомендуемых уровнях давления воздуха и нагрузки на шину и средней скорости движения приведены в таблице 4 презентации.

Таким образом, в данном подразделе работы установлены исходные данные для моделирования движения автобуса по перегонам на маршруте. Выяснено, что общее количество параметров, необходимых для моделирования равняется 28.

Значительное количество условий и факторов, которые учтены во время обработки исходных данных при моделировании скоростей движения автобуса делает невозможным проведение моделирования без применения компьютерной техники и специально разработанного программного обеспечения.

По этой причине была разработана компьютерная программа
«Расчеты скоростей и времени движения».

Эта программа разработана в среде программирования Delphi с помощью языка программирования Object Pascal.

Цель создания этого программного продукта: моделирование скоростей движения автобуса на маршруте; определение максимально возможных безопасных скоростей движения автобуса на характерных однородных участках маршрута; определение минимального времени движения автобуса на однородных участках маршрута.

Программный продукт разработан учитывая такие ограничения:

– весь маршрут, на которой планируется введение программного обеспечения разбиты на характерные участки в зависимости от условий движения по ним (наличие продольных и поперечных уклонов, кривых в плане, коэффициентов продольного и поперечного сцепления колеса с дорогой);

– определение времени движения автобуса между пересечениями осуществляется на основании смоделированных скоростей его движения на отдельных характерных участках. Скорость на каждом характерном участке определяется путем ее моделирования, учитывая технические характеристики автобуса, условия дорожного движения, длину k-того характерного однородного участка, максимально возможные ускорения и замедления автобуса и значения его скоростей на предыдущем и следующем характерных однородных участках;

– ускорение автобуса j, м/с², моделируется для каждого характерного однородного участка маршрута. Ускорение автобуса на k-том характерном однородном участке равняется расчетному ускорению на этом участке а_расч.k, которое определяется во время моделирования скоростей движения на отдельных характерных однородных участках;

– суммарное время простоя на всех остановках, ч.;

– суммарное время простоя из-за организации дорожного движения, ч.

Разработанная программа позволяет автоматизировать все расчеты:

1. Исходные данные, которые характеризуют технические характеристики автобуса, вносятся в подраздел «Характеристики автобуса».Общий вид окна программы приведен на рисунке 3 презентации;

2. Исходные данные, которые характеризуют маршрут вносятся в подраздел «Характеристики маршрута» для моделирования движения по характерным однородным участкам. Корректировки скорости движения из условий безопасности движения с учётом ускорений и замедлений. Общий вид окна программы приведен на рисунках 4-6 презентации;

3. Результаты моделирования могут быть сохранены в виде графиков и электронной таблицы Microsoft Office Excel для дальнейшего практического анализа.

Было установлено, что существующая методика составления расписаний движения городских автобусов на основании имитационного моделирования базируется на использовании расчетных скоростей движения транспортных средств.

При этом значения этих скоростей принимаются неизменными для перегонов целиком и не меняются в процессе работы движения городских автобусов.

Таким образом, обоснована необходимость применения компьютерного моделирования для определения значений скоростей движения автобуса, зависящих от условий движения на характерных однородных участках маршрута и характеристик автобуса, разработана компьютерная программа, которая позволяют моделировать движение на перегонах с учётом технических характеристик автобуса и определять время проезда этим автобусом отдельных характерных однородных участков. Во время моделирования учитываются 28 различных исходных данных.

По результатам моделирования движения автобуса становится возможным проводить корректировку режимов работы маршрута. Так, например, при ухудшении погодных условий неизбежно снижается коэффициент сцепления, который, в свою очередь, приводит к снижению безопасной скорости движения по перегонам. При существующем положении дел, автобус въехавший на маршрут при ухудшении дорожных условий может отклониться от имеющегося расписания из-за снижения скоростей движения.

Полученные в результате компьютерного моделирования значения скоростей и времени движения по отдельным характерным однородным участкам маршрута позволяют организовать движения городских автобусов, которое базируется на реальных динамически меняющихся исходных данных.

ВЫВОДЫ