Jak může mikrosimulační modelování řešit problémy navigace v přetížených sítích skutečného světa Stephen Cragg, SIAS Limited
Mikrosimulační modelování znamená velký přínos pro analýzu dopravního proudu, rozlišuje chování řidičů jednotlivých vozidel. Díky lepšímu pochopení skutečností, jak si řidiči volí své rychlosti, odstupy, pruhy a následné mezery byl vytvořen software mikrosimulačního modelování. Tento článek pojednává o některých problémech trasování, se kterými se setkávají odborníci na modelování a ukazuje, jak mikrosimulační metodiky rozvrhování dopravy na síť řeší problémy navigace v přetížených sítích skutečného světa. Připomínky jsou v kontextu zkušeností autora jako odborníka v oblasti modelování dopravy, který používá software S-Paramics. Modelování dynamické adaptivní regulace signálů
Rozvrhování dopravy je všeobecně založeno na principech J. G. Wardropa (odkaz 1), které uvádějí, že: Cestovní doby na všech skutečně používaných trasách jsou stejné a kratší než ty, které byly ujety jediným vozidlem na jakékoliv nepoužívané trase. V equilibriu je průměrná cestovní doba minimální. To předpokládá, že: • Všechny náklady na všechny trasy jsou konstantní po dobu rozvrhování dopravy. • Všichni řidiči znají náklady na všechny trasy. • Identické hodnoty nákladových položek se týkají všech řidičů a vozidel podle uživatelské třídy. Výsledkem uplatňování těchto pravidel je stálý požadavek na síťové spojení v období rozvrhování. Kdyby to ale byla pravda, dynamické adaptivní regulace signálů (UTC = systém řízení městské dopravy) by nebylo vůbec zapotřebí. Ve skutečnosti je systém UTC stále více požadován, protože Wardropovy předpoklady se ne vždy aplikují na úrovni jednotlivého řidiče. Analogií by mohl být rozbor klasické Newtonovy mechaniky v kontextu kvantové fyziky. V případě dopravního modelování je kvantová úroveň reprezentována fyzickou osobou, zatímco vozidlo reprezentuje jednotku pro odborníka na dopravní modelování. Na této úrovni fyzická osoba zná náklady na plánovanou trasu pouze přibližně na základě obeznámenosti se silniční sítí a pravděpodobně převažujících dopravních podmínek. Rozmístění systému UTC v reálném světě by mělo redukovat celkové zpoždění vyskytující se u konstantních požadavků dopravy, i když zde hrozí nebezpečí ze strany řidičů, kteří se přesouvají do systému z periferní kongesce. Když síť dosáhne saturace, jakákoliv metoda optimalizace dopravní signalizace bude mít tendenci k nastavení signálního plánu na celkovou maximální kapacitu s malým kolísáním. Přínosy optimalizace dynamické signalizace se projeví v provozu při atypických požadavcích dopravy či dopravních požadavcích nedosahujících maximální úrovně. Za takových okolností se dopravní signály budou dynamicky měnit podle dopravní poptávky s cílem minimalizovat zpoždění na síti. Mikrosimulační modely jsou typicky vyvíjeny pro oblasti, kde síť je téměř plně vytížena a modelované období bude běžně zahrnovat dobu dopravní špičky, včetně dob tzv. zahřátí a zklidnění mimo dopravní špičku, kdy jsou dopravní požadavky mírnější. Aplikace zahrnují zásahy do sítě, hodnocení dopadu strukturního/místního plánu, hodnocení silničních staveb, plánování událostí atd. Pro mnoho hodnocení bude použití řízení dopravy s pevným signálním programem v simulačních modelech dostatečně robustní, i když zpoždění budou nadhodnocena, jestliže síť nedosáhla saturace. Během doby vytváření dopravních nároků mohou větší zpoždění v oblasti systému regulace městské
dopravy (UTC) vést k odbočování vozidel a objem dopravy zde může být nereálně nízký. Po skončení doby dopravní špičky, kdy dopravní nároky začínají klesat, nedostatečné minimalizování zpoždění v systému povede k pomalejšímu rozptylu dopravy, než by tomu tak bylo ve skutečnosti. Použití nastavení pevného signálního plánu v modelu nebere v úvahu hodnocení přínosů zavedení systémů UTC. Kdyby byly řádně modelovány, měli bychom mechanismus pro testování reakcí na neobvyklé dopravní chování vyskytující se poblíž silničních staveb. Modelování může ukázat, jak by systém UTC mohl mít prospěch z dočasných změn, které by ho uzpůsobily takovým scénářům. Systém UTC představuje analytický náročný úkol, protože kapacita oblasti dynamického řízení dopravy světelnou signalizací je závislá na dopravních nárocích, které jsou na ni kladeny, zatímco dopravní nároky na ni kladené jsou závislé na kapacitě, která může být poskytnuta. To dohromady vytváří určitou míru nejistoty, kterou by všechna řešení řízení dopravy měla brát v úvahu. V této souvislosti je aplikace pouze metody rovnováhy v zatěžování sítě sporná a pravděpodobně neadekvátní pro zajišťování rozvrhování dopravy na současných dopravních sítích v souladu s prvky reagujícími na dopravní nároky, jako je například systém UTC a mnoho typů systémů ITS, včetně řízení nájezdu na dálnice a proměnných dopravních značek (VMS).
Obr. 1: Přesto, že je v tomto místě malý zájem o zatáčení vpravo, pouze malá část řidičů se bude snažit o minimalizování svých časových ztrát tím, že by využili pravý jízdní pruh a udělali 360o okruh na kruhovém objezdu Problémové manévry modelujících odborníků
Na vícepruhovém vjezdu na okružní křižovatku se vytvářejí fronty na levém pruhu následkem vysoké poptávky po odbočení do leva. Na pravém pruhu je tvoření fronty mírné, je tam malá poptávka po odbočení doprava (viz obr. 1). Malá část řidičů bude usilovat minimalizovat svá zpoždění použitím pravého pruhu a otočením o 360° na okružní křižovatce s cílem vyhnout se frontě na levém pruhu. To má dopad na kapacitu úrovňové křižovatky, protože vozidla provádějící otočení o 360° se dostávají do konfliktu na každé větvi křižovatky. I když otočení o 360° není nepřípustné, dokud dopravní plánovači nevymyslí způsob univerzálního navrhování tohoto manévru, zůstane reálným jevem, protože možnost jeho výskytu není všeobecně uznána pomocí algoritmů přidělení poptávky. V tomto příkladu vozidla, jedoucí po okružní křižovatce vpravo, přejedou stejný úsek silnice dvakrát a algoritmy směrování to všeobecně nedovolují. Pokud se takové chování v modelu neopakuje, pak fronty a zpoždění, týkající se různých manévrů otáčení, budou zkreslené. To bude hlavní problém pro izolované okružní křižovatky v rozsáhlé oblasti modelu, někde jinde však problémy zpětného vzdutí fronty mohou mít významný dopad na výkon sítě. Některé trasy se mohou zdát nepravděpodobné, pro řidiče na zemi jsou však srozumitelné. Před zavedením nové okružní křižovatky na silnici A725 na jejím uzlu s A8 na východ od Glasgow nebyl 2
manévr, zobrazený na obr. 2, neobvyklý, protože se vytvořila dlouhá fronta vozidel při čekání na odbočení doprava na křižovatce regulované předností v jízdě.
Obr. 2: Na původní okružní křižovatce na silnici A725 na jejím uzlu s A8 na východ od Glasgow nebyl manévr, zobrazený na obr. 2, neobvyklý, protože se vytvořila dlouhá fronta vozidel při čekání na odbočení doprava na křižovatce regulované předností v jízdě. I když to algoritmy klasického směrování odmítají, mikrosimulací lze opakovat scénáře podobné scénářům uvedeným výše. Modelující odborník si musí uvědomit, kde je vhodné umožnit neortodoxní manévry, musí však zajistit, aby byly účinně zastaveny tam, kde model nereprezentuje řádně situaci na zemi.
Dynamické rozvrhování dopravy na síť
K řádnému hodnocení sítí, které mají takové prvky, jako je například systém UTC, systém modelování by měl odrážet individuální volbu trasy řidičem a umožnit, by ji řidič mohl kontinuálně přehodnocovat. Některé systémy mikrosimulačního modelování provádějí dynamické rozvrhování dopravy na síť, které poskytuje významné rozšíření hledání trasy metodou rovnováhy, což je omezeno na počáteční fázi rozvrhování dopravy na síť mikrosimulací s cílem informovat modelovaného řidiče o nejlepší volbě na základě tradičního vnímání celkových nákladů. Protože se v systému začínají vytvářet zpoždění, informace poskytují zpětnou vazbu řidičům a ti si pak mohou vybrat úpravu tras, které považují za vhodné. Pro minimalizování doby výpočtů používá mikrosimulace S-Paramics směrovací tabulky, kterým dává přednost před tzv. stromy při rozvrhování vozidel na síť pomocí modelu. Směrovací tabulky pro každý bod rozhodování na síti (přirovnáno ke spojům a uzlům klasického systému modelování) jsou průběžně vytvářeny pro každý cíl cesty, takže proměnné celkové náklady pro všechny cíle cesty jsou známy i jak se mění v průběhu doby rozvrhování dopravy na síť. Jakmile se vozidlo ocitne na síti modelované mikrosimulací, jeho původní působiště již není relevantní. Například v jednoduché síti se 20 zónami je 20x20 směrových stromů klasického systému modelování nahrazeno tabulkou pro každý bod rozhodování o dalším spojení pro každou z dvaceti zón cíle cesty. Informace o zpoždění, která vznikají na síti, poskytují zpětnou vazbu vozidlům v modelu a to tak často, jak si přeje uživatel, typicky každé dvě minuty. Zpětná vazba je výpočetně nákladná a představuje největší jednoduchý faktor v čase, který je třeba pro chod mikrosimulačního modelu s dynamickým rozvrhováním dopravy na síť. Jestliže delší intervaly zpětné vazby produkují přijatelně platné modely, uživatel se může rozhodnout porovnat je s dobami chodu modelu. Informace o zpoždění, poskytující zpětnou vazbu, jsou vyváženy tak, aby redukovaly účinky náhodných výkyvů. Jsou tu kontrolní mechanismy řídící podíl zpoždění z intervalu zpětné vazby, který může ovlivnit směrovací tabulky.
3
Mikrosimulace S-Paramics byla navržena od začátku tak, aby modelovala ve všech měřítkách a byla přijata různá propracování dynamického rozvrhování dopravy na síť pro řešení rozsahu některých strategických modelů. Zřejmě by nastal zmatek, kdyby všichni řidiči reagovaly na informace o zpoždění stejným způsobem a nerozlišovali by mezi hlavními označenými trasami a vedlejšími trasami. Obeznámenost se situací poskytuje mechanismus, který rozdělí vozidla na ta, která mohou změnit trasu v reakci na informace o zpožděních na síti a na ta, která ji změnit nemohou. Protože v případě stromů tradičního směrování, je zde odlišný soubor tabulek pro každého řidiče a každý typ vozidla. Řidič, který není obeznámen se sítí, se bude chovat jinak než místní řidič. Podle různící se obeznámenosti řidičů se sítí poskytuje mikrosimulace mechanismus pro vozidla neobeznámená se silniční sítí, která pravděpodobněji zůstávají na hlavních silnicích, tím, že zvyšuje náklady na vedlejší trasy pro neobeznámená vozidla. Model může také odrážet takové charakteristiky, jako je přístup k vysílaným informacím nebo aktivní navigace po trase, pro které mohou být vytvořeny dodatečné směrovací tabulky. Množství vlivů na volbu trasy, které lze současně modelovat, není nijak omezeno a ačkoliv potvrzování platnosti takových účinků není bezvýznamné, v současné době jsou k dispozici sofistikované nástroje, které umožňují vytváření robustních modelů. Současní odborníci na dopravní modelování již nebudou opomíjet problémy kalibrace a validace modelů dopravního přetížení.
Software S-Paramics obsahuje některé vlastnosti, které řeší způsob jízdy při volbě tras v reálném světě Koridor strategické trasy
Koridor strategické trasy vymezuje oblast, ve které je dočasně zabráněno jakýmkoliv nečekaným změnám v pohybu s cílem zajistit, aby si modelovaný řidič vybral nejméně nákladnou strategickou trasu. Jelikož se mikrosimulační modely staly větší a složitější, o víceúrovňové trasování (viz níže) se nyní tvrdí, že má všeobecně širší uplatnění.
Cílové body trasy
Aby se zabránilo situaci, kdy vozidla se stejnou úrovní informovanosti reagují na dané trase shodným způsobem, mikrosimulace společně s dalšími systémy modelování aplikuje perturbaci volbou variabilně vázaných metod a tříd aplikací. Následné nebezpečí perturbace je, že více vozidel bude mít sklon jet po nesmyslných trasách, například budou preferovat použití odlehčovací silnice na mimoúrovňových křižovatkách i v době plynulého dopravního provozu. Perturbace na dlouhých cestách je zvláště problematická a může způsobit volbu excentrických tras na okrajích města, kde končí dlouhá cesta centrem města. Ve skutečnosti řidiči vnímají dlouhé cesty jako segmenty. Například jízdu z města A do města B lze rozdělit na: počáteční místo výjezdu na obchvat města A; obchvat města A směrem k dálnici; dálnice na obchvat města B; obchvat města B směrem k cíli cesty. Taková cesta je v modelu rozdělena pomocí cílových bodů trasy a odráží strategické chování řidiče v reálném světě. Spolu se zónami východiska a cílového místa cesty jsou tyto body spojeny do pavoučí makrosítě, která je na vrcholu mikrosítě. Náklady na propojení v makrosíti jsou stanoveny z nejefektivnějších mikrotras mezi cílovými body trasy. Zavedení cílových bodů vytváří hierarchii rozvržení dopravy na síť. Software SParamics současně rozvrhuje dopravu na síť na úrovni mikro a makro s cílem udržet integritu dynamického trasování ve všech strategických sítích. Řidiči v reálné mikrosíti vědí, kterou cestou odbočit, protože tabulky spojení tras nyní zahrnují cílové body tras mezi cíli cest. Perturbace a zpětná vazba zpoždění mohou být nastaveny v mikrosíti i v makrosíti.
4
Cílové body trasy jsou sumarizovány nejlépe tak, aby umožňovaly víceúrovňové trasování na jednoúrovňové síti. V reálném světě nahlížíme na cesty z hlediska strategických a lokálních cílů a mikrosimulační model S-Paramics je schopen zobrazovat toto chování v kontextu s dynamickou zpětnou vazbou a vytvářet pravděpodobné trasy v celé jejich délce. Koeficienty zpětné vazby Časové období modelované mikrosimulací by mělo začít dříve, než se začne tvořit kongesce a končit po jejím zániku. Jakmile se kongesce tvoří, zpoždění v systému zpětně působí na řidiče v pravidelných intervalech, ale může se vyskytnout otáčení vozidel, kdy informovaní řidiči, používající jednu trasu, náhle všichni přejedou na jinou. Koeficient zpětné vazby, zavedený jako činitel útlumu, zajišťuje, aby pouze část stávajících nákladů sítě byla započítána do kalkulace probíhajícího trasování kombinováním stávajících nákladů s náklady z předchozího období. Když kongesce zaniká, přenášení nákladů z předchozího období může vést k situaci, že vozidla se vyhýbají kongesci, která už neexistuje. To je překonáno použitím koeficientu zpětné vazby, který upřednostňuje současné náklady v situacích, kdy náklady ve stávajícím období jsou nižší než v předešlém období. Zpětná vazba agrese a informovanosti Agrese a informovanost řidičů jsou hlavními rozhodujícími činiteli chování, které mají vliv na následné vozidlo a využívání mezer, a to vše se promítá v mikrosimulaci. Pod vlivem agrese a informovanosti je rovněž reakce na zpoždění. Řidiči s vysokou mírou agrese a informovanosti mají sklon změnit trasu v reakci na malá zpoždění a naopak. Agrese a informovanost, které software S-Paramics v simulaci alokuje každému vozidlu, jsou převzaty z běžných devítibodových stupnic, a jsou kombinovány tak, aby vyprodukovaly jeden ze 17 typů vozidla, na který má agrese a informovanost vliv. Váhové faktory jsou aplikovány na náklady na zpoždění, způsobené zpětnou vazbou na vozidlo na základě úrovně agresivity – informovanosti řidiče vozidla, které ovlivňují zpětnou vazbu jak na mikro, tak makro úrovni. Problém s použitím zpětné vazby spočívá v tom, že se zdá, že reprezentuje nepodloženou úroveň dobré informovanosti vzhledem k nedostatku údajů získaných pozorováním. Tento problém je pojednán dále v textu.
Obr. 3: Koncepční uzlová trasovací síť pro strategické trasování koexistuje s reálnou mikrosimulační sítí, po které vozidla opravdu jezdí. Pro ujasnění - nejsou zde uvedeny všechny strategické linie.
5
Souhrn
Nasazení techniky dynamického rozvrhování dopravy na síť je nezbytné pro robustní rozvrhování dopravy na silničních sítích řízených systémem řízení městské dopravy a pro další situace zahrnující adaptivní chování. Jasným problémem pro validaci je nedostatek výzkumu v prostředí reálného světa a nedostatek údajů získaných pozorováním. Někteří odborníci to považují za dostatečný důvod pro odmítání mikrosimulace, protože je příliš náročná na množství dat, nenabízejí však žádnou přijatelnou alternativu. Je požadován poměrně rozsáhlý výzkum za účelem zjištění implicitních hodnot aplikovaných na některé základní parametry důležité pro mikrosimulaci. Avšak raději než je ignorovat, je rozumnější předpokládat, že mnohé z nich jsou běžně rozšířeny. Softwaroví vývojáři poskytli prostředky ke zlepšení znalostí, které jsou aktualizovány. Za předpokladu, že mikrosimulační modely stačí na (a někdy přesahují) požadavky oficiálního průvodce, jsou zde všechny důvody používat je tak dlouho, dokud odborník na modelování chápe, jak odrážejí skutečnost. Jak poznáme, že dynamické rozvrhování dopravy na síť v mikrosimulačních modelech funguje? Stejná otázka by mohla být namířena na další metody rozvrhování dopravy na síť, ale rostoucí důvěra v mikrosimulační modely pochází z jejich základní metodiky založené na principech, které se nás jako uživatelů a řidičů automobilů mohou týkat. Vývojáři mikrosimulačního softwaru měli to štěstí, že pracují v technologickém kontextu, kde skutečné životní zkušenosti a zdravý rozum mohou být přímo naprogramovány do softwaru. Běžně dostupné počítače a moderní prostředí pro vývoj softwaru nám umožnily souběžně reprezentovat jednotlivě tisíce řidičů a vozidel a účinky jejich chování, které odrážejí skutečný svět. Mikrosimulace je skládá do většího obrazu, který je robustní a zároveň zřetelný.
Odkazy
[1] Wardrop, J. G., 1952 Some theoretical aspects of road traffic research, Proceedings, Institute of Civil Engineers, PART II, Vol. 1, pp. 325-378.
Originál: How microsimulation modelling can address the real-world problems of navigation in congested networks Pramen: TEC březen/2007, s. 123-126 Přeložila: Lidmila Zrzavecká
6
