Тема: Задачи математического моделирования транспортных потоков мегаполиса

В настоящее время, несмотря на развитие современных технологий, остаются нере­шенными простые проблемы, с которыми мы встречаемся буквально каждый день. К одной из таких проблем относится управление системой автотранспорта и дорожными сетями населенных пунктов. Транспорт — едва ли не главная основа жизни современно­го города, касающаяся абсолютно каждого его жителя, достаточно лишь перечислить его функции: начиная со связи с жизненноважными пунктами, такими как больницы, полицейские и пожарные участки, а также доставки продовольствия и необходимых товаров, и заканчивая простой поездкой на работу, учебу или место отдыха, которая должна занимать как можно меньшее количество времени. Без хорошо отлаженной до­рожной системы жизнь города сейчас не представляется возможной. Для понимания сложности самой задачи оптимизации транспортных потоков стоит перечислить ряд проблем, периодически возникающих в дорожной сети: прокладка новых дорог и соот­ветствующие изменения в распределении транспортной нагрузки смежных секторов [1], своевременный ремонт и расширение дорожного покрытия с временными затруднения­ми при проезде [2], задание графика движения общественного траспорта для участков проектирования новых деловых, общественных или жилых центров [3], оптимизация движения на существующих участках [4], притом список этих практических задач мож­но продолжать ещё долго. Если в небольших городах, насчитывающих менее пятидеся­ти дорог, описание такой системы ещё не кажется труднореализуемым, то для дорожной сети мегаполиса это становится серьезной задачей, для решения которой требуются спе­циальные системы управления, основанные на моделях и алгоритмах математического моделирования транспортных потоков. При этом сами модели должны быть достаточ­но точны и требуют учета большого количества факторов, к примеру таких как погод­ные условия, время суток, плотность потока, состояние дорожного покрытия и самого транспортного средства, в связи с чем вычисления становятся чрезвычайно трудными. Отсюда следует актуальность составления и рассмотрения практических аспектов, а также математического и программного решения задач моделирования транспортных потоков мегаполиса, которые будут рассмотрены в данной работе.
Цель работы. Изучение существующих математических моделей транспортных потоков, исследование актуальных задач по оптимизации дорожного движения, разра­ботка собственных алгоритмов для решения рассмотренных задач, применение алго­ритмов на реальных участках в крупном городе России.
Методы реализации. Для реализации предложенных алгоритмов написаны со­ответствующие программы на языке программирования C# в среде разработки Microsoft Visual Studio 2010, вспомогательные вычисления производились в Matlab 2011 и Microsoft Office Excel 2010 с использованием макросов на Visual Basic for Applications, схемы и диаграммы оформлялись с помощью онлайн-сервиса draw.io и средства создания диа­грамм Microsoft Office Excel 2010.
Структура работы. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения и библио­графии.
В первой главе рассмотрены различные макроскопические и микроскопические математические модели транспортных потоков, позволяющие рассчитывать загружен­ность дорожно-транспортных сетей. Разобраны основные принципы их применения и существенные различия между ними.
Во второй главе рассматриваются различные задачи, а также идеи по улучше­нию системы дорожных сетей Санкт-Петербурга и других крупных городов России. Рассмотрена задача о влиянии перестроений на плотность автотранспортных средств перед светофором, результаты которой в дальнейшем применены при расчете опти­мального режима работы светофора. Изучены различные виды взаимосвязей между светофорами на контролируемом участке дороги, предложены формулы для расчета оптимального совместного режима работы и минимизации образования затора перед перекрестком. Предложена модель расчета оптимального движения транспортного по­тока на участке дорожной сети и её реализация на программном уровне.
В третьей главе объясняется практическое применение методов, рассмотренных во второй главе, на основе участков дорог в пригороде и центре Санкт-Петербурга. Де­монстрируются результаты, существенно улучшающие движение на заданных участках, а также данные, по которым тестировалась написанная программа, и её реализация. В конце главы разобраны прочие актуальные идеи, условия и критерии разработки современных программ по моделированию транспортных потоков в условиях крупных городов и мегаполисов.
Купить

В результате выполнения данной работы были изучены различные виды мате­матических моделей, описывающих поведение транспортного потока, и предложены несколько новых моделей, задающих поведение автотранспортных средств при проез­де перекрестка с установленным на нём светофором. На основе моделей составлены и реализованы алгоритмы и программы расчета, демонстрирующие на реальных данных выгоду применения рассмотренных методов и эвристик для улучшения транспортной ситуации в крупных городах и мегаполисах. Также составлен комплекс рекомендаций для автомобилистов и дорожных служб, включающий ряд мер, способствующих умень­шению количества заторов и пробок на дорогах города.
В заключение хочется отметить, что актуальность использования транспортных моделей на практике неуклонно растет с каждым годом. Современные реалии требуют системного подхода к процессу транспортного планирования и более согласованного взаимодействия различных структур при выработке и реализации транспортных реше­ний. Постоянное повышение сложности и комплексности транспортных систем, особен­но в крупных городах и мегаполисах, масштабность возникающих перед менеджера­ми и проектировщиками задач, необходимость взаимосвязанного учета колоссального количества факторов — все это обуславливает переход на новые методы транспортно­го планирования с применением компьютерных транспортных моделей и комплексной оценки последствий мероприятий по развитию транспортной инфраструктуры.
Купить