Исследование возможности моделирования светофорного регулирования сложного перекрёстка в среде AnyLogic

Ju.I. Volodina, , Sergeev, Zatonskiy, ,

Количество автомобилей в городах растёт из года в год. По данным Росстата в Пермском крае число собственных легковых автомобилей на 1000 человек населения с 2010 до 2023 года выросло в 1,9 раза (с 187,9 в 2010 году до 361,7 в 2023 году)1. В последующие годы прогнозируется дальнейший рост числа автомобилей, что приведёт к повышенной загруженности дорог в городах. Чтобы уменьшить очереди на перекрестках, которые возникают в часы пик и которые будут только увеличиваться, нужно строить новые дороги, расширять уже существующие, строить развязки, что требует больших финансовых вложений. Наиболее малозатратным способом уменьшения очередей и, соответственно, времени ожидания проезда является оптимизация работы светофоров. Для этой цели предложено использовать моделирование дорожного движения как достаточно действенный инструмент для анализа ситуации и принятия решений.

Сравнивая результаты аналитического расчета и имитационного моделирования дорожного движения, авторы в работе [1] делают вывод, что моделирование более точно описывает реальную транспортную систему. Авторы также отмечают, что построение модели более трудозатратно, тем не менее эти затраты окупаются возможностями моделирования и точностью результатов.

Сравнивая системы структурного и имитационного моделирования Stratum 2000, Simulink, AnyLogic, авторы работы [2] положительно оценивают достоверность моделирования всех трёх систем. Основным достоинством AnyLogic указывается «возможность работать с проектируемыми системами на разном уровне абстракции, а также проводить оптимизацию проектируемых систем».

При моделировании дорожного движения для большей достоверности модели приходится учитывать множество факторов, таких как состояние дороги, погодные условия, регион, состояние транспортных средств, наличие действующих систем контроля за транспортными средствами, человеческий фактор. «Основной классической проблемой для моделирования дорожного движения на улично-дорожной сети города является недостижимость предполагаемых результатов макромоделей вследствие отсутствия нужных данных, случайности выбора маршрутов водителем, неопределённости дорожного движения в условиях насыщенной сети» [3].

Поиск узких мест является важным при прогнозировании дорожного движения. К.Ф. Даганцо в работе [4] утверждает, что заторы на перекрестках можно уменьшить с помощью таких мер контроля, как измерение скорости, руководство маршрутом. Применяемые модели должны предсказывать то, что имеет значение, а именно поведение узких мест, динамику очереди.

Прогнозировать предзаторовые и заторовые ситуации, планировать мероприятия для повышения пропускной способности узкого места и всей дороги в целом можно, используя анализ транспортной диаграммы для конкретного участка дороги [5].

Авторы работы [6] отмечают, что при оптимизации работы светофора «целесообразно использовать имитационное моделирование, которое позволяет изучить и проанализировать все особенности организации движения транспорта на определенном участке дороги».

В работе [7] разработана имитационная модель двух последовательных перекрёстков, синхронизирована работа этих перекрёстков. В исследовании [8] реализована имитационная модель управления светофорами с использованием алгоритмов нечеткого логического вывода, а именно алгоритма Мамдани. Алгоритм оптимизации имитационной модели работы светофора предложен в работе [9].

В исследовании [10] авторами на практике подтверждена адекватность имитационной модели перекрёстка, созданной в среде AnyLogic, предприняты корректирующие действия.

В работах [11, 12] авторами произведено исследование конкретных участков дороги и произведено моделирование в программной среде AnyLogic, сделаны выводы об эффективности применения оптимизационного эксперимента.

Наиболее неудобным и аварийным при движении через перекрёсток является поворот налево через поток движущихся навстречу машин. Проблема решается вводом левоповоротной фазы светофора. Этот вопрос раскрыт в работах [13–15].

В работе [13] автор предложил модель, которая описывает задержку поворота из-за насыщения встречного потока при отсутствии левоповоротной фазы светофора. Пропускная способность полосы при этом уменьшается.

В статье [14] представлены результаты исследования методов ввода дополнительной левоповоротной фазы светофора, определены условия, при которых введение левоповоротной секции необходимо. Авторы говорят, что «ведение специализированного левого поворота должно быть необходимым и оправданным, потому что для всего рассматриваемого транспортного потока увеличивается время ожидания разрешающего сигнала».

В работе [15] рассматривается изменение интенсивности движения левоповоротного потока в зависимости от длительности разрешающего сигнала светофора. Автор отмечает, что «в настоящее время интенсивность транспортных потоков в больших городах настолько увеличилась, что применение трехфазного регулирования становится необходимостью».

В перечисленных работах показано, что образование длинных очередей часто связано с конкретной работой светофоров. Грамотный расчет «зелёных фаз» светофоров, введение дополнительных фаз может частично решить проблему пробок.

В да н ной раб оте п ред п ринята попытка на примере конкретного участк а д ор оги и с с лед ов а т ь р а з л и чн ые р е жи м ы раб от ы с в етофора и установить, как меняется время про е зд а с в е то фор а, образов а н и е п робок п ри э ти х ре ж имах. Перебор возможных настроек или их чис ле н н а я оп ти ми за ц ия могу т п озв оли ть у лу чш и т ь п ропускную способность дорожной сети. Как у ка за н о в ыше, н а ли чие ад е к в а тной мод е ли п ри э т ом яв ляется первым граничным условием для пров е дения оптимизации. Р ек ла мные за яв ле н и я р а зра б отчи ка с и с те м ы модели ров а н и я AnyLogic тем не менее не дают гар а н тии , что в н ё м мож н о в оспроизвести сложный перекресток и исслед ов а ть в озможн ос т ь уменьшения очередей на нём.

К он е чн о, да н н а я п ос та н о вк а ц е ли яв ляе т ся достаточно узкой. Хотелось бы не только подбир а ть ра зн ые н а илу чш и е н а с тройки светофоров на разные интервалы времен и , но и к он троли р ов ат ь в режи ме ре а л ьн ого в ре ме ни, насколько они хороши в действительнос т и . И в ре мя от в ре м ен и в с ре д с тв а х м а с с ов ой и н форма ции появляются материалы о том, что где-то вроде бы подобн ы е ре ше н и я ра зра ба тыва ю тс я и чуть ли не внедряются. Однако периодичн ос ть п од об ных за явл е н и й , год за годом оче нь п ох ожих, заставляет сделать вывод, что с результа та ми в с ё н е так оптимистично, как пиш у т жу рн алисты. Хорошо известно, что камер контрол я п олос и ск орости н а дорог а х оче н ь мн ого, они при носят непосредственный доход в местные бюдже ты, а в от у с та н ов ок и з цеп оче к к а м е р н а п ос ледовательных опорах для видеосъемки очеред и а в томоб и л е й а в т орам не пр иходи лос ь в и д еть н и гд е . Те м б оле е раб о та ю щ и х и к ак -то влияющих на время горения кра с н о го ил и з ел е н ог о по в оротн ого с игн а ла.

Поэ тому а в торы ре ш и л и с осредоточиться на реальном: опробовать возм ожнос ти AnyLogic на р е а льн ом объек те и с д елать в ыв од о б аде к в а тности результатов моделирования перекрестка с его использованием.

Построение модели

В раб от е рас с мотр е н ы в о п росы организации светофора на перекрёстке на о с н ов е и с п ол ьзов ани я и ми та ц и он н ого м о д е ли ров а н и я и с р е д с тв опти ми за тора в сре де AnyLogic. Модель участка доро жн ой с е ти с озда н а на ос н ове спутникового снимка местности. Для соз да н и я и и с с л е д ов а н ия модели использована версия Any Log ic 8.8.6. Фрагмент потоковой диаграммы улично-дорожной сети показан на рис. 1.

Рис. 1. Потоковая диаграмма улично-дорожной сети Fig. 1. Flow chart of the road network

Исс ле дов а н и е п ров е д е н о н а п ри ме ре п е ре крё с т к а у л. Ю б и л е й н а я – ул. Свердлова в г. Берез н и к и . Ис с л ед у е мый п е рек рё с то к и ме е т 10 точ е к вход а: 1, 2, 3, 4, 5, 6 – точки входа по ул. Юбилейной; 7, 8, 9, 10 – точк и в ход а п о ул. Свердлова (рис. 2).

Рис. 2. Графическое представление моделируемого перекрёстка

Fig. 2. Graphical representation of the simulated intersection

При п ос троени и моде ли б ыли учтены существующие настройки светофо р а: п а ра ме тр ы п ереключения режимов работы св е то фора, наличие дополнительной секции свето фора , р а зре ша ющ е й п ов орот н але в о с к р а й н е й ле в ой полосы, а также возможность поворота нап ра в о с к ра й не й п равой полосы.

Ци к л ра боты с в е то фор а пок а за н н а ри с . 3.

	Полный цикл	Режим работы светофора
ул. Свердлова	84			34	50		34
ул. Юбилейная от Мелодии поворот налево (в сторону моста)	84	20	64		20	64
ул. Юбилейная	84		30	54		30

Рис. 3. Режим работы светофора Fig. 3. Traffic light operation mode

Ин те н с и в н ос ть тра н спорт н ы х поток ов у к а за н а н а р и с . 4.

Рис. 4. Интенсивность транспортных потоков в утренний час-пик2 Fig.4. The intensity of traffic flows during the morning rush hour

Результаты моделирования

При с уще с тв у ю щ е м ре жиме работы светофора, описанном выше, в пер иод п и к ов ой н а гру з к и н аб люд а е т с я с к оп ле н ие ма ш и н на перекрёстке в точках входа 1, 2, 5, 6, т. е. при движении по ул. Юб и ле й н ой п рямо ( р и с . 5). Это соответствует ситуации на данном учас тк е с раб отой светоф оров в с у щ ес тв ующ е м р е жи ме .

Рис. 5. Ожидание проезда перекрёстка при максимальной нагрузке при существующем режиме светофора

Fig. 5. Waiting for the intersection to pass at maximum load with the existing traffic light mode

2 Комплексная схема организации дорожного движения города Березники Пермского края. Т. 1. Отчет по сбору исходных данных. Ставрополь, 2020. URL: (дата обращения: 16.10.2024).

Поск оль к у в п и к овы е н агру зки большая часть машин двигается по ул. Юб и л е й н а я п рям о (н а ле в ый п ов ор от у ход и т тольк о 10 % машин), в модели увеличили время зелёного сигнала пря мо п о ул . Ю б и ле й ной и п рямо п о у л. С в е рд лов а н а 10 с. Это практически не изменило ситуацию на перекрёстке (табл. 1).

При у в е ли че н и и п олн ого ц икла работы светофора до 5 мин (пропорционал ьн о с у щ ес тв ую ще му г ра фик у) н а б л ю да ем у в е ли чение скопления машин во всех точках входа ( рис . 6).

Рис. 6. Цикл работы светофора 5 мин

Fig. 6. The traffic light operation cycle is 5 min

С ок ра щен ие п олного ц икла раб оты с в е тоф ора д о 30 с уменьшило число автомобилей, ожи да ющ и х ле в ый п ов ор от и з точк и 6 по сравнению с существующим режимо м ра б оты свет оф о р а (ри с . 7 ) . По с ра в н е н ию с ц и к лом 5 ми н чи с ло о жид а ющ и х проезда машин уменьшилось во всех точк ах. Но п ри э том и нтен с и в н о сть смены траекторий движения увеличивает с я, что мо же т п ов ы си ть а в а ри й н ос ть на п е р ек рё с т к е .

Рис. 7. Цикл работы светофора 30 с

Fig. 7. Traffic light operation cycle of 30 s

Наибольшее число машин , ожидающих проезд перекрёстка, при рассмо тренных режимах р а боты светофора показано в табл. 1. Также в табл. 1 занесены данные по числу машин в пробке при продолжительности цикла работы светофора 1, 2 и 3 мин. Режим работ ы светофора изменя лся пропорц ионально существующему.

Таблица 1 Максимальное число машин в пробке

Table 1 Maximum number of cars in a traffic jam

Режимы работы светофора	Точки входа на перекрё сто к
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Полный цикл 5 мин (75; 105; 120)	14	12	4	9	13	3	11	7	9	11
Полный цикл 3 мин (52; 62; 66)	8	6	3	5	7	2	5	4	6	5
Полный цикл 2 мин (32; 42; 46)	7	5	3	4	6	3	5	5	5	5
Увеличение времени зелёного сигнала для движения прямо на 10 с, цикл работы 1,6 мин (20; 40; 34)	4	6	4	4	9	4	4	4	3	2
Существующий режим 1,4 мин (20; 30; 34)	7	6	2	3	7	6	5	5	1	2
Полный цикл 1 мин (12; 22; 26)	4	4	2	3	4	2	2	2	4	3
Полный цикл 30 с (7; 11; 12)	3	3	1	2	3	2	2	1	3	2

По данным табл. 1 постро ена зависимость наибольшего числа машин в пробке перед свет о фором в каждой точке входа от длительности цикла работы светофора (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость числа машин в пробке от длительности работы светофора

Fig. 8. Dependence of the number of cars in a traffic jam on the duration of the traffic light operation

Увеличение полного цикла работы светофора практически во всех точках входа на перекресток увеличивает число ожидающих проезда автомобилей. В точках 3 и 6 (точки поворота налево) при увеличении длительности цикла работы светофора число машин в пробке увеличивается незначительно, а в точках 1, 2, 5, 7, 10 увеличение цикла работы светофора от 30 с до 5 мин значительно увеличивает число ожидающих машин (см. рис. 8).

При полном цикле 30 с наблюдаются самые малые по количеству автомобилей пробки, но при таком режиме светофора скорее всего вырастет аварийность. Кроме того, не будет возможности перейти дорогу пешеходам.

Определение среднего времени левого поворота

При создании эксперимента для нахождения среднего времени левого поворота с вводом и без ввода специализированной левоповоротной фазы светофора использована рассмотренная ранее модель перекрёстка ул. Юбилейная – ул. Свердлова (см. рис. 2). В среде AnyLogic проведено исследование зависимости среднего времени левого поворота от числа поворачивающих налево машин при отсутствии соответствующего сигнала светофора и при введении 20 с на левый поворот. Поворот осуществляется из точки 3 входа на перекрёсток. Время работы зелёного сигнала по ул. Юбилейной – 50 с, по ул. Свердлова – 34 с. Для исследования выбран следующий трафик: в попутном направлении по ул. Юбилейной движется 430 автомобилей в час, во встречном направлении 490 автомобилей в час. На левый поворот (на ул. Свердлова) последовательно отправляется 10, 20, 30 и 40 % машин. Результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Таблица 2

Зависимость среднего времени проезда перекрёстка от числа поворачивающих налево машин при встречном трафике 490 автомобилей в час

Table 2

The dependence of the average travel time of an intersection on the number of cars turning left in oncoming traffic is 490 vehicles per hour

Число машин, поворачивающих налево, %	Среднее время проезда перекрёстка без дополнительного режима светофора, с				Среднее время проезда перекрёстка с дополнительным сигналом светофора, с
	Точки входа на перекрёсток				Точки входа на перекрёсток
	2	3	5	6	2	3	5	6
10	26,77	47,48	31,23	36,96	43,31	51,74	55,67	62,45
20	27,57	51,72	31,86	36,73	43,62	57,53	60,93	58,89
30	26,74	56,88	31,21	33,87	41,7	90,69	60,42	53,69
40	26,92	180,2	40,38	32,67	42,92	208,6	60,82	50,47

Время прямолинейного движения (точки 2 и 5) практически не зависит от числа поворачивающих налево машин, но при наличии третьей секции светофора оно в среднем на 20 с больше, так как к нему добавляется время запрещающего режима светофора для осуществления левого поворота. Время левого поворота встречного движения (точка 6) в обоих случаях уменьшается при увеличении числа машин, поворачивающих из точки 3, поскольку число машин, двигающихся прямо, уменьшается. При введенном дополнительном сигнале светофора это время больше в среднем на длительность дополнительного сигнала.

Среднее время проезда перекрёстка из точки 3 (левый поворот) увеличивается в зависимости от числа поворачивающих машин. Причем это время больше для случая с дополнительной разрешающей секцией светофора. Графически зависимость представлена на рис. 9.

В табл. 3 показано среднее время проезда перекрёстка при левом повороте из точки 3, для которого отсутствует и затем вводится левоповоротная фаза светофора. Встречный поток увеличен с 490 до 700 машин в час.

Рис. 9. Зависимость среднего времени проезда перекрёстка от числа поворачивающих налево машин при встречном трафике 490 машин в час

Fig. 9. Dependence of the average travel time of an intersection on the number of cars turning left in oncoming traffic of 490 cars per hour

Таблица 3

Зависимость среднего времени проезда перекрёстка от числа поворачивающих налево машин при встречном трафике 700 автомобилей в час

Table 3

The dependence of the average travel time of an intersection on the number of cars turning left in oncoming traffic of 700 vehicles per hour

Режим работы светофора	Число машин, поворачивающих налево, %
	10	20	30	40
Без левоповоротной фазы, с	55,65	87,05	128,5	395,68
С левоповоротной фазой 20 с, с	53,39	57,5	92,66	202,1

Здесь наблюдается противоположная ситуация: при увеличении интенсивности встречного движения до 700 автомобилей в час среднее время левого поворота без выделенного сигнала светофора резко возрастает с увеличением числа поворачивающих налево машин по сравнению с поворотом с выделенной фазой светофора. Так, при повороте 43 автомобилей в час (10 % поворачивающих машин) это время в 1,04 раза больше, чем при выделенном сигнале светофора, при повороте 86 автомобилей в час (20 % поворачивающих машин) – в 1,5 раза больше, при повороте 172 автомобилей в час (40 % поворачивающих машин) время проезда увеличивается в 1,9 раза.

Графически зависимость представлена на рис. 10.

Введение третьей левоповоротной фазы светофора в этом случае необходимо: при увеличении интенсивности потока время просачивания уменьшается, завершить поворот зачастую удаётся только тогда, когда желтый сигнал светофора прерывает прямолинейное движение автомобилей во встречном направлении. За этот короткий промежуток времени повернуть успевают не все машины. Третья фаза светофора увеличивает время поворота.

Для перекрёстка ул. Юбилейная – ул. Свердлова в г. Березники дополнительный сигнал светофора увеличивает время ожидания проезда. Но введение левоповоротного сигнала светофора снижает аварийность, облегчает поворот, поэтому его введение целесообразно.

Рис. 10. Зависимость среднего времени проезда перекрёстка от числа поворачивающих налево машин при встречном трафике 700 машин в час

Fig. 10. Dependence of the average travel time of an intersection on the number of cars turning left in oncoming traffic of 700 cars per hour

Заключение

Моделирование транспортных потоков на перекрёстке улиц Юбилейная – Свердлова в г. Березники Пермского края показало:

• 1)    увеличение длительности цикла работы светофора до 5 мин увеличивает число машин в пробке в 2– 3 раза, уменьшен ие длительности циклов работы светофора до 30 с уменьшает пробки по сравнению с пятими нутным циклом, но при этом нет возможно сти пере йти дорогу пешеходам;

• 2)    ввод специализированной левоповоротной фазы светофора при встреч ном трафике 490 а в томобилей в час повышает время проезда светофора;

• 3)    при встречном трафике 7 00 автомобилей в час время проезда перекр ёстка без дополн ительной секции светофора больш е, чем при введённом дополнительном сигна ле.

Важным частным результато м исследования является проверка возможн ости моделирования подобных ситуаций в AnyLogic с последующей оценкой адекватности полученных результатов. Наработан опыт, позволя ющий по необходимости уточнить эту модель или идентифицировать параметры модели дорожной сети какого -то города и решить задачу уменьшения очередей на перекрестках в пределах возможного.

Результаты произведенной работы дают возможность обоснованно предполагать, что при наличии заинтересованности у городской власти или инспекции по безопасности дорожного движения вполне реально произвести более масштабные измерения потоков в разное время дня и года и получить работоспособную модель, позволяющую оптимизировать настройки светофоров: устанавливать разные настройки в разные интервалы времени, в разные дни недели, либо переключаться между настройками, ведущими к оптимизации различных критериев, по команде из диспетчерской системы города. При очевидной бесперспективности продвижения систем мониторинга реального времени в большинстве городов РФ, не располагающих свободными бюджетами для их создания, это представляется нам единственным способом улучшения дорожного движения в смысле увеличения пропускной способности улично-дорожной сети, предотвращения автомобильных заторов, уменьшения задержек в движении транспорта, в значит, в итоге – повышения безопасности дорожного движения. Пока же подобная заинтересованность не возникает. Однако это не мешает авторам констатировать, что в инициативном порядке они к таковой подготовились в достаточной мере.