Моделирование дорожного движения

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОРОЖНОГО
ДВИЖЕНИЯ
Учебная программа дисциплины
Министерство образования и науки российской
федерации
Владивостокский государственный университет
экономики и сервиса
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ
Учебная программа дисциплины
специальности
190702.65 Организация и безопасность движения
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
2
ББК 39.88
Учебная программа по дисциплине «Моделирование дорожного
движения» составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО.
Предназначена для студентов специальности 190702.65 Организация и
безопасность движения.
Составитель: Попова
транспортных средств.
Г.И.,
ст.преподаватель,
кафедра
сервиса
Утверждена на заседании кафедры сервис транспортных средств от
26.05.2009 г., протокол № 19, редакция 2014г. (заседание кафедры от
22.04.2014г., протокол №8).
Рекомендована к изданию УМК
инноваций и бизнес систем ВГУЭС.
Института
информатики,
©Издательство Владивостокского
государственного
университета
экономики и сервиса, 2014
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Моделирование дорожного движения» является
одной из важнейших дисциплин подготовки бакалавра направления
190700.62 «Технология транспортных процессов» профиль подготовки
«Организация и безопасность движения».
В сфере организации дорожного движения в последние годы
складывается ситуация когда совершенно конкретные задачи и условия
их решения требуют по-новому взглянуть на построение
информационных и информационно-управляющих систем. Прежде
всего это касается изменившихся условий дорожного движения, которое
характеризуется
перенасыщенностью
улично-дорожной
сети
транспортом
и
соответственно,
необходимостью
изменения
применяемых моделей и их информационного насыщения, которые
лежат в основе управления дорожным движением. Потоковые модели
достаточно адекватно отражают движение транспорта до тех пор пока
площадь проезжей части, занятой автомобилями (включая безопасные
расстояния) занимают не более 30-40% общей площади проезжей части.
В современных городских условиях эта цифра во многих случаях
превышает 50-60% и потоковые модели просто не работают. Остро
стоит задача обеспечения безопасности дорожного движения для всех
его участников, это требует принципиально нового взгляда на проблему
моделей в управлении дорожным движением.
Знания и навыки, полученные студентами в результате
изучения дисциплины, необходимы при выполнении курсового и
дипломного проектирования и в практической деятельности инженера.
Данная учебная программа составлена в соответствии с
требованиями Государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования.
4
1 ОРГАНИЗАЦИОННО - МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
1.1 Цели и задачи учебной дисциплины
Целями дисциплины «Моделирование дорожного движения»
являются: выработка у студентов знаний о способах, методах и видах
моделирования дорожного движения; о применяемых моделях,
имитирующих транспортный поток; о программном обеспечении
существующих моделей транспортного потока.
Задачи:
- освоение и использование аппарата математического и
имитационного моделирования на автомобильном транспорте на основе
методов математического программирования;
- ознакомление с методиками имитационного проектирования
улично-дорожной сети;
- уяснение роли, состояния и перспектив развития экономикоматематических методов при организации автомобильных перевозок в
рыночных условиях с учетом трудовых, материальных, техникоэксплуатационных и организационных ограничений.
1.2 Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо
для изучения дисциплины
Дисциплина «Моделирование дорожного движения» является
одной из завершающих специальную подготовку специалиста, и имеет
логическую
и
содержательно-методическую
взаимосвязь
с
дисциплинами основной образовательной программы.
Дисциплина базируется на компетенциях, сформированных на
предыдущем уровне образования. Для изучения данной дисциплины
требуется
качественное
знание
математики,
информатики,
информационных технологий на транспорте, общего курса транспорта.
1.3 Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо
для изучения дисциплины сопротивления материалов
В результате изучения дисциплины студент должен приобрести
следующие компетенции, направленные на подготовку специалиста в
соответствии с квалификационной характеристикой:
знать:
- планирование эксперимента и обработку экспериментальных
данных;
5
- основные понятия имитационного моделирования; - технические
и программные средства реализации информационных процессов;
- алгоритмизацию и программирование;
- локальные и глобальные сети и их использование при решении
прикладных задач обработки данных;
- основные параметры транспортно-грузовых комплексов;
- алгоритмы эффективного принятия оперативных решений;
- общих понятий об организации перевозочного процесса в отрасли
и безопасности движения транспортных средств.
уметь:
- использовать математические методы и модели в технических
приложениях;
- использовать современные информационные технологии;
- использовать возможности вычислительной техники и
программного обеспечения;
- работать с информацией в глобальных компьютерных сетях.
- исследовать характеристики транспортных потоков;
- выявлять места концентрации и разрабатывать мероприятия по
устранению причин транспортных происшествий;
владеть:
- методами математического моделирования в технических
приложениях;
- методами математического анализа, теории вероятностей,
математической
статистики,
линейного
программирования,
имитационного моделирования.
- основными приемами работы на компьютерах с прикладным
программным обеспечением.
- пользовательскими вычислительными системами и системами
программирования;
- навыками работы в сети Интернет.
- новейшими технологиями управления движением транспортных
средств.
1.4 Основные виды занятий и особенности
их проведения при изучении дисциплины
Учебной программой дисциплины предусмотрено чтение лекций,
проведение практических занятий.
Дисциплина «Моделирование дорожного движения» относится к
циклу дисциплин специализации, изучается студентами очной формы
обучения на пятом курсе в осеннем (девятом) семестре. Общее
количество часов, которое отводится для изучения дисциплины - 140
часов. Для студентов очной формы обучения количество аудиторных
6
часов - 51 час, из них 34 часа лекций , 17 часов практических занятий.
На самостоятельную работу отводится 89 часов.
1.4.1 Лекционные занятия
Ведущим звеном учебного процесса являются лекции,
определяющие содержание дисциплины моделирования дорожного
движения, и направляющие самостоятельную работу студентов.
На лекциях рассматриваются наиболее сложные для понимания,
принципиальные вопросы, раскрывающие содержание и сущность темы
без излишней её детализации. При этом отдельные, не охваченные
лекцией вопросы, выносятся для самостоятельной проработки их
студентами. Кроме этого на самостоятельное изучение (под контролем
преподавателя) выносятся и разделы, имеющие информативный,
описательный и справочный характер содержания.
1.4.2 Практические занятия
Целью практических занятий является закрепление теоретического
материала по важнейшим разделам курса. Работа на практических
занятиях развивает у студента навыки научного экспериментирования,
логическое мышление,
исследовательский подход к изучению
дисциплины
1.5 Виды контроля и отчётности по дисциплине
Контроль успеваемости осуществляется в соответствии с
рейтинговой системой оценки знаний студентов.
Текущий контроль предполагает:
- проверку уровня самостоятельной подготовки студента при
выполнении индивидуальных заданий;
- оценка работы во время практических занятий;
проведение контрольных опросов по разделам изученного
материала.
Особое место в овладении данным курсом отводится
самостоятельной работе по выполнению текущих и индивидуальных
заданий. При выполнении текущих домашних заданий по подготовки к
практическим занятиям необходимо использовать теоретический
материал, делать ссылки на соответствующие литературные источники
и пр. Учебным планом предусмотрены консультации, которые студент
может посещать по желанию.
Текущие домашние задания выдаются на практическом занятии.
Индивидуальные задания предлагаются выполнить студентам на их
выбор по темам изученного материала в виде доклада, презентации и
пр. и выступить с ними на практических занятиях в начале изучения
соответствующих тем. Данный вид деятельности говорит о
7
заинтересованности студентов в изучении дисциплины , повышает
самооценку.
Промежуточный контроль знаний осуществляется при проведении
экзамена. Обязательным условием допуска студента к экзамену
является успешное выполнение всех практических заданий и
аудиторных контрольных опросов.
1.6 Техническое и программное обеспечение дисциплины
Для качественного проведения лекционных и практических
занятий используются аудитории оснащенные мультимедийным
оборудованием.
2 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Перечень тем лекционных занятий
Тема 1 Актуальность проблемы моделирования
Проблемы дорожного движения в мире и в России. Исторический
обзор проблемы. (2 часа).
Тема 2 Обзор существующих моделей дорожного движения
Цели и задачи моделирования. Теоретические основы
моделирования. Динамические и статические модели. Прогнозные
модели. Имитационные модели. Оптимизационные модели. (4 часа).
Тема 3 Классификация методов моделирования дорожного
движения
Системный подход при решении задач моделирования движения
транспортных потоков. Математическая модель. Аналоговое и
статистическое моделирование. Применение различных методов в
зависимости от целей моделирования. Эксперимент и его оценка.
Качественные состояния транспортного потока. (8 часов).
Тема 4 Стохастические (вероятностные) модели
Дискретные распределения. Непрерывные распределения. Теория
массового обслуживания. Цепи Маркова. Имитационные модели
движения автомобилей. (4 часа).
Тема 5 Детерминированные модели
Микромодели дорожного движения. Упрощенные динамические
модели. Теория «следования за лидером». Модель оптимальной
скорости. Модель Видемана. Модель умного водителя. Моделирование
8
с помощью клеточных автоматов. Мезомодели дорожного движения.
Макромодели дорожного движения. Метод граничных условий.
Аналогия с тепловым потоком. Гидродинамическая модель. Уравнение
состояния транспортного потока. Уравнение неразрывности. Уравнение
движения. Закон сохранения количества движения. Энергетические
состояния транспортного потока. Кинематические и ударные волны в
транспортном потоке. Модели Гринберга и Гриншилдса. (10 часов).
Тема 6 Модели расчета корреспонденций и распределения
потоков
Гравитационная
модель.
Энтропийная
модель.
Модель
равновесного
распределения
потоков.
Модель
оптимальных
стратегий.(2 часа).
Тема 7 Этапы моделирования
Алгоритм
моделирования.
Калибровка
модели.
Методы
исследования. Аналитические, экспериментальные и вероятностностатистические методы исследования. (2 часа).
Тема 8 Перспективные направления исследований
Развитие вычислительной техники и применение современных
технических средств для моделирования дорожного движения. (2 часа).
2.2 Перечень практических занятий
Тема 1. Изучение закономерностей распределения интервалов и
скоростей в транспортном потоке. (2 часа, метод кооперативного
обучения ).
Тема 2. Статистическая оценка характеристик и параметров
транспортного потока (2 часа, метод кооперативного обучения).
Тема 3. Двумерные выборки. Числовая линейная связь между
случайными характеристиками транспортных и пешеходных потоков (2
часа, метод кооперативного обучения).
Тема 4. Теоретические основы движения потока автомобилей (2
часа, метод кооперативного обучения).
Тема 5. Соотношение между основными характеристиками
транспортного потока. Макромодели транспортного потока. (2 часа,
метод кооперативного обучения)
Тема 6. Микромодели транспортного потока. Динамическая теория
«следования за лидером». (2 часа, метод кооперативного обучения).
Тема 7. Разработка алгоритма программы движения транспортного
потока. (4 часа, метод кооперативного обучения).
9
Тема 8. Анализ имитационных моделей транспортного потока (1
час, метод кооперативного обучения).
3 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
3.1 Перечень и тематика самостоятельных работ
студентов по дисциплине
Самостоятельная работа студентов заключается в приобретении
студентами необходимой информации при использовании учебнометодической и справочной
рекомендованной литературе под
контролем преподавателя, подготовки к практическим занятиям,
оформление отчетов индивидуальных заданий и подготовка к их
защите, итоговое повторение теоретического материала при подготовке
к экзамену.
Перечень тем для самостоятельного изучения:
1. Аналитические и имитационные модели.
2. Удельная эффективность многополосной дороги.
3.Оптимизация интенсивности движения посредством ограничений
для" медленных" АТС.
4.Оптимизация
интенсивности
смешанного
потока
на
двyxполосной дороге.
5. Интенсивность АТП на дороге с препятствиями
6. Волны макрохарактеристик АТП в окрестности препятствия.
7. Безопасность автодорожного движения
8. Математические модели движения АТС на перекрестке
9. Сегрегация АТП
10. Модель просачивания
11. Аппроксимация Бернулли для смешанного потока на
нескольких полосах
12. Имитационные алгоритмы и вычислительные эксперименты
13. Стохастические модели при исследовании больших систем
14. Задачи и модели в автотранспортном комплексе (АТК)
Примерная тематика индивидуальных заданий в рамках СРС
Определить вид гистограммы распределения интервалов между
автомобилями во времени, определить фактическую, возможную и
теоретическую пропускную способность каждой полосы движения на
перекрёстке, построить графики зависимости между интенсивностью,
плотностью и скоростью, проверить соответствие полученных данных
макромоделям транспортного потока Гриншильдса и Гринберга.
10
3.2 Рекомендации по организации самостоятельной
работы студентов
Самостоятельная
работа
необходима
для
эффективного
запоминания и понимания новых сведений полученных за время
аудиторных занятий. При самостоятельном изучении разделов
дисциплины важно осмыслить прочитанную информацию и
сопоставить ее с ранее известными сведениями, оценить ее значение и
уметь применять ее на практике. Для помощи студенту в освоении
теоретического материала и самостоятельной работы предусмотрены
консультации ведущего преподавателя.
Для самостоятельной работы студенту необходимо работать с
основной и дополнительной литературой, представленной в данной
учебной программе.
3.3 Рекомендации по работе с литературой
Для изучения теоретического материала по данному курсу
необходимо использовать литературу [1,2,4], которая в полной мере
закрывает все дидактические единицы программы дисциплины.
Для закрепления материала (приобретения практических навыков
решения задач), при выполнении индивидуальных заданий необходимо
использовать пособие [3].
Использование и изучение основной литературы является
обязательным в процессе изучения разделов и тем дисциплины.
дополнительная литература полезна для подготовки к лабораторным
работам, выполнения индивидуальных заданий.
3.4. Контрольные вопросы для самостоятельной оценки
качества освоения дисциплины
Тема 1
1. Международные соглашения по организации и безопасности
дорожного движения
2.Основные нормативные документы Российской Федерации по
организации и безопасности дорожного движения
3. Проблемы организации и безопасности дорожного движения в
Российской Федерации
4. Основные характеристики транспортных потоков
5. Факторы, влияющие на безопасность дорожного движения.
6. Система управления безопасностью дорожного движения в
транспортном дорожном комплексе России
11
Тема 2
1. Моделирование транспортных потоков
2. История появления моделирования
3. Основные понятия теории моделирования
4. Цели и задачи моделирования
5. Имитационное моделирование как специфический
компьютерного моделирования
6. Достоинства и недостатки имитационного моделирования
вид
Тема 3
1. Что моделируется?
2. Область применения имитационных моделей?
3. Область применения прогнозных моделей?
4. Что такое загрузка транспортной сети?
5. Как моделируется?
6. Методы привязки модели к улично-дорожной сети?
Тема 4
1. Фундаментальные характеристики транспортного потока
2. Кинематические модели
3. Модели второго порядка
4. Модели, основанные на кинетическом уравнении.
5. Какие упрощения приняты при построении моделей основанных
на кинетическом уравнении?
6. Недостатки макроскопических моделей?
Тема 5
1. Динамические и статические модели
2. Прогнозные модели
3. Имитационные модели
4. Оптимизационные модели
5. Системный подход при решении задач
транспортных потоков
6. Математическая модель
7. Аналоговое и статистическое моделирование
8. Аналитические и имитационные модели
моделирования
Тема 6
1. Применение различных методов в зависимости от целей
моделирования
2. Эксперимент и его оценка
3. Качественное состояние транспортного потока
4. Дискретные распределения
12
5. Непрерывные распределения
6. Теория массового обслуживания
7. Цепи Маркова
8. Имитационные модели движения автомобилей
9. Микромодели дорожного движения
10. Упрощенные динамические модели
11. Теория «следования за лидером»
12. Модель оптимальной скорости
13. Модель Видеманна
14. Модель умного водителя
Тема 7
1. Этапы построения моделей
2. Методы расчета корреспонденций
3. Моделирование с помощью клеточных автоматов
4. Мезомодели дорожного движения
5. Макромодели дорожного движения
6. Метод граничных условий
6. Аналогия с тепловым потоком
7. Гидродинамическая модель
8. Уравнение состояния транспортного потока
9. Уравнение неразрывности
10. Уравнение движения
11. Закон сохранения количества движения
12. Энергетическое состояние транспортного потока
13. Кинематические и ударные волны в транспортном потоке
14. Модели Гринберга и Гриншилдса
15. Гравитационная модель
16. Энтропийная модель
17. Модель равновесного распределения потоков
18. Модель оптимальных стратегий
19. Алгоритм моделирования
20. Калибровка модели
Тема 8
1. Методы исследования
2. Аналитические,
экспериментальные
и
вероятностностатистические методы исследования
3. Развитие вычислительной техники и применение современных
технических средств для моделирования дорожного движения.
4. Удельная эффективность многополосной дороги
5. Оптимизация
интенсивности
движения
посредством
ограничений для «медленных» АТС
13
6. Оптимизация
интенсивности
смешенного
потока
на
двухполосной дороге
7. Интенсивность АТП на дороге с препятствиями
8. Волны макрохарактеристик АТП в окрестности препятствия
4 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
4.1 Основная литература
1. Пугачев, И.Н. Организация и безопасность дорожного движения:
учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/И.Н. Пугачев, А.Э.
Горев, Е.М. Олещенко. – М.:Академия, 2009. – 272 с.
2. Сильянов, В.В. Транспортно-эксплуатационные качества
автомобильных дорог и городских улиц: учебник./В.В. Сильянов, Э.Р.
Домке. – М.:ИЦ «Академия», 2007. - 352 с.
3. Косолапов, А. В. Моделирование дорожного движения : учебное
пособие [Электронный ресурс]: для студентов специальности 190702
«Организация и безопасность движения» очной формы обучения / А. В.
Косолапов –Электрон. дан. –Кемерово : КузГТУ, 2012. –1 электрон. опт.
диск (CD-ROM) ; зв. ; цв. ; 12 см. –Систем. требования : PentiumIV ;
ОЗУ 8 Мб ; Windows95 ; (CD-ROM-дисковод) ; мышь. –Загл. с экрана
4. Горев, А. Э. Организация автомобильных перевозок и
безопасность движения[Текст]: учеб. пособие для студентов вузов/ А. Э.
Горев, Е. М. Олещенко. - 4-е изд., перераб. - М.: Академия, 2012. - 256 с.
4.2 Дополнительная литература
5. Кременец, Ю. А. Технические средства организации дорожного
движения: учебник для вузов / Ю. А. Кременец, М. П. Печерский, М. Б.
Афанасьев. –М. : ИКЦ «Академкнига», 2005. –279 с.
6. Швецов, В. И. Математическое моделирование загрузки
транспортных сетей / В. И. Швецов, А. С. Алиев. –М. : Едиториал
УРСС, 2003. –64с.
7. Швецов, В. И. Математическое моделирование транспортных
потоков / В. И. Швецов //Автоматика и телемеханика. –2003. –No 11 –С.
1–46
8. Организация автомобильных перевозок и безопасность
дорожного движения[Текст]: учебно-справочное пособие/ [сост. В. А.
Солдатов; гл. ред. М. С. Шпаков] : сб. нормативных актов. Екатеринбург: Ч. 2. - 2011. - 348 с
14