УДК 004.652.5
СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ “ТРАНСПОРТНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ГОРОДА”
Т.И. Михеева, И.А. Рудаков, И.А. Чугунов
Рассматривается система имитационного моделирования различных управляющих стратегий для транспортных потоков в городе с учетом конфигурации и характеристик улично-дорожной сети, управляющего воздействия дорожных знаков и светофоров. Реализация системы моделирования осуществляется в среде геоинформационной системы.
Введение
Успехи автомобилестроения последних десятилетий привели к “взрывному росту” автомобильного парка России, в значительной степени опережающего темпы дорожного строительства. В этой связи серьезную научную проблему представляет создание систем автоматизированного управления транспортной инфраструктурой. Требуются принципиально новые подходы к созданию таких интегрированных систем, одновременно охватывающих массивы разнородных данных и обеспечивающих многоуровневое взаимодействие множества подчиненных сложных подсистем. Транспортная инфраструктура города включает в себя улично-дорожную сеть (УДС), технические средства организации дорожного движения (ТСОДД) и транспортные потоки (ТП). Создание и использование интегрированных интеллектуальных транспортных систем (ИТС) как систем управления дорожно-транспортной инфраструктурой урбанизированной территории позволит повысить уровень организации дорожного движения: улучшить характеристики УДС, усовершенствовать дислокацию ТСОДД, оптимизировать процесс управления ТП на всех фазах движения, уменьшая транспортные задержки, повышая безопасность движения.
Управление транспортной инфраструктурой крупных городов с применением технологий интеллектуальных транспортных систем все активнее используется в мировой практике организации дорожного движения. Укрепилась устойчивая тенденция дальнейшего совершенствования и внедрения таких систем, отдельные элементы которых реализованы в России.
В рамках создания интеллектуальной транспортной системы г. Самары существует необходимость разработки предметно-ориентированной среды моделирования и поддержки принятия решений для улучшения характеристик транспортной инфраструктуры.
Назначение системы
имитационный моделирование транспортный поток
Система моделирования управления ТП предназначена для исследования поведения ТП при различных стратегиях управления с использованием расширенной модели УДС [1] и обеспечивает:
- обработку результатов измерения интенсивности ТП на улично-дорожной сети города, хранящихся в базе данных ИТС;
- сохранение обработанных результатов в базе данных и экспорта в формате CSV-файла;
- проведение имитационного моделирования;
- отображение карт распределения характеристик ТП в ГИС MapInfo по результатам моделирования либо обработки результатов измерения интенсивности ТП на УДС города.
Кроме построения непосредственно модели движения ТП, в системе решен ряд вспомогательных задач. Разработаны математические модели [2, 3]:
- генерации транспортного потока - введения транспортных средств (ТС) в моделируемую УДС;
- выбора цели - определения конечных пунктов следования ТС;
- перераспределения транспортных потоков - выбора одного из возможных путей следования ТС;
- управления - модель ТСОДД с формальным описанием их воздействия на поток транспорта в целом и на каждое транспортное средство в отдельности.
Определены некоторые параметры сети:
- пропускная способность отдельных участков сети - пропускная способность входит в модель перераспределения транспортных потоков как обязательный параметр;
- транспортный спрос - на основании транспортного спроса строятся модели генерации транспортного потока и выбора цели;
- интенсивность транспортного потока.
Предметно-ориентированная среда моделирования и поддержки принятия решений для работы с транспортной инфраструктурой города использует объектные геоинформационные модели улично-дорожной сети, ТСОДД и транспортных потоков. Определены значения параметров, входящих в уравнения движения транспортного потока [4].
Моделирование может инициироваться как Экспертом в организации дорожного движения, так и некоторой Внешней системой. В первом случае система предоставляет пользователю графический интерфейс пользователя, и результаты моделирования представляются в виде тематического слоя карты в ГИС MapInfo. Во втором случае система предоставляет программный интерфейс приложения, и посредством обратных вызовов (callbacks) внешняя система получает сведения о координатах транспортных средств в модели, их скорости, затратах времени и пр., а также запрашивает распределения интенсивности, скорости, транспортной задержки.
Форматы представления данных, внешних по отношению к системе
При моделировании изменений в структуре УДС не всегда удобно менять граф УДС, хранящийся в базе данных, в этой связи моделируемые изменения хранятся во внешней по отношению к базе данных (БД) структуре - патче, например, в файле.
Патч структуры УДС содержит в себе:
- список узлов и дуг графа УДС, которые должны быть добавлены или удалены из модели транспортной инфраструктуры перед началом процесса моделирования;
- список ТСОДД, которые должны быть добавлены или удалены из модели;
- альтернативные значения транспортного спроса по транспортным районам.
Патч хранится в текстовом XML-файле.
Перед началом процесса моделирования необходимо указать ряд параметров:
- шаг дискретизации по времени;
- имя используемого снимка со значениями интенсивностей и транспортного спроса;
- используемый патч.
Результаты имитационного моделирования могут быть сохранены во внешнем файле для того, чтобы впоследствии их можно было отобразить на карте или использовать при сравнении нескольких вариантов структуры УДС. Наиболее удобным форматом такого файла является CSV (Сomma-Separated Values), хранящий отображение множества идентификаторов объектов УДС (узлов, дуг) на множество значений (интенсивности или транспортной задержки).
Компоненты системы
Рассмотрим компоненты, участвующие в прецедентах, которые изображены на диаграмме вариантов использования (рис. 1).
Прецеденты “Импортировать модель УДС”, “Сформировать снимок”, “Показать карту интенсивностей”. Интерфейс пользователя предоставляется компонентами “Инструмент работы со снимком” и “ГИС MapInfo”. Инструмент работы со снимками производит импорт данных из автоматизированной информационной системы (АИС) построения модели УДС, формирует снимок в БД, производит процедуру восстановления пропущенных значений интенсивностей и формирует файл со значениями абсолютной погрешности восстановления интенсивностей. Данные из этого файла могут быть представлены в виде карты в ГИС MapInfo. В прецеденте “Показать карту интенсивностей” участвуют те же компоненты, но формируется не файл со значениями абсолютной погрешности, а файл со значениями интенсивностей.
Прецедент “Имитационное моделирование в составе внешней системы”. Система моделирования управления ТП предоставляет программный интерфейс приложения для работы в составе внешней системы (рис. 2). Для этого модуль имитационного моделирования должен быть оформлен в виде библиотеки или сборки .NET, а сам интерфейс (API) должен быть документирован.
Прецедент “Имитационное моделирование без внешней системы”. Интерфейс пользователя использует тот же самый API, предоставляемый модулем имитационного моделирования (рис. 3). Фрагменты исходного кода модуля, предоставляющего интерфейс пользователя и взаимодействующего с модулем имитационного моделирования, могут служить примерами в документации к API.
Интерфейс прикладного программиста
При разработке API-модуля имитационного моделирования основным требованием является независимость от какого-то конкретного представления графа УДС. Для этого разработан набор интерфейсов, реализовав которые, прикладной программист делает свое собственное представление графа УДС “понятным” для модуля имитационного моделирования (рис. 4). Основу API-модуля имитационного моделирования составляют классы “Модель города”, “Параметры моделирования” и “Результаты моделирования”.
При создании экземпляра класса “Модель города” в его конструктор передается ссылка на экземпляр класса “Параметры моделирования”. Затем вызывается метод Загрузить_модель, в качестве аргумента методу передается экземпляр класса “Загрузчик графа УДС”, поддерживающий интерфейс “Загрузчик графа”: вызовы методов список_дуг(), список_узлов() и т.п. должны возвращать однонаправленный итератор, поддерживающий интерфейс “Загрузчик объектов”. Через этот итератор экземпляр класса “Модель города” сможет загрузить соответствующие объекты графа УДС.
Методы Запустить_моделирование() и Остановить_моделирование() служат для управления модельным временем. В любой момент текущее состояние модели может быть получено в виде структуры “Результаты моделирования” вызовом метода Получить_результаты().
Пользовательский интерфейс системы имитационного моделирования
Интерфейс пользователя предоставляет доступ к услугам модуля имитационного моделирования без необходимости написания программного кода. В компоненте, предоставляющем интерфейс пользователя, реализованы:
- диалоговое окно, позволяющее пользователю заполнить структуру “Параметры моделирования”;
- класс “Загрузчик графа УДС” (рис. 4) экземпляр этого класса реализован паттерном “Адаптер”, загружающим граф УДС и представляющим его в виде, понятном модулю имитационного моделирования, ссылка на этот класс будет передана в модуль имитационного моделирования;
- окно, информирующее пользователя о ходе процесса моделирования (окно, изображающее граф УДС с положением транспортных средств в модели);
- элементы управления процессом моделирования - кнопки “Остановить” / “Продолжить”, индикатор хода модельного времени;
- диалоговое окно, позволяющее сохранить результаты моделирования в файле.
Логическая модель базы данных
Система моделирования использует БД для доступа к следующей информации.
- Транспортная инфраструктура города. Структура УДС города меняется медленно, и в БД необходимо хранить только текущее состояние УДС: структуру графа УДС, расположение и характеристики ТСОДД. Для моделирования каких-либо изменений в структуре УДС используются патчи. Структура УДС редактируется с помощью подсистемы построения модели УДС.
- Результаты измерения интенсивностей. Процедура обследования участков УДС заключается в подсчете числа ТС, пересекающих сечения дороги в местах, соответствующих дугам графа УДС. По результатам подсчетов дугам графа УДС ставятся в соответствие интенсивности движения ТС различного вида.
- Снимки интенсивностей и транспортного спроса. Снимки формируются по значениям интенсивностей, сохраненных в БД.
Каждый подсчет интенсивности на УДС представлен в базе данных экземпляром сущности Значение_интенсивности. Подсчет интенсивности уникально идентифицируется датой / временем подсчета и первичным ключом дуги графа УДС. В неключевых атрибутах зафиксирована интенсивность ТС различного типа (количество ТС/час).
Снимки интенсивности и транспортного спроса представлены в базе данных сущностями Снимок, Снимок_интенсивности, Снимок_спроса, Транспортный_район.
Сущность Снимок - это контрольная точка, состояние УДС, зафиксированное в базе данных. Все экземпляры сущностей Снимок_интенсивности и Снимок_спроса, состоящие в ассоциации с одним и тем же Снимком, описывают УДС в одном и том же состоянии (например, 08.03.2007 в 9:00).
Снимок_интенсивности - это значение интенсивности и пропускной способности соответствующей дуги, зафиксированное в соответствующем снимке. Если при формировании снимка для некоторой дуги найден подходящий результат значения интенсивности, то он будет включен в снимок. Если подходящий результат интенсивности не найден, то снимок интенсивности помечается как вычисляемый. Кроме ключевых атрибутов, Снимок_интенсивности характеризуется значениями приведенной интенсивности (авт/час), пропускной способности (авт/час), флагом “вычисляемое” и абсолютной погрешностью, которая является мерой противоречивости имеющихся данных об интенсивности на дуге.