Dopravní nehody s divokou zvěří (Netlogo)

Úvodní odstavec Tato stránka slouží jakou výzkumná zpráva simulace „Dopravní nehody s divokou zvěří“ k semestrálnímu projektu pro předmět 4IT495 Simulace systémů (LS 2016/2017) na VŠE v Praze.

Zadání

Název simulace: Dopravní nehody s divokou zvěří

Předmět: 4IT495 Simulace systémů (LS 2016/2017)

Autor: Ondřej Dvorský (xdvoo07)

Typ modelu: Multiagentní

Modelovací nástroj: Netlogo 6.0.1

Definice problému

V zalesněných oblastech České republiky, kde se vyskytuje divoká zvěř dochází ke střetům vozidel a těchto zvířat. Množství nehod by bylo možné snížit upravením bezpečnostních parametrů silnice, kde k nehodám dochází. Mezi tyto bezpečnostní parametry patří například maximální povolená rychlost nebo počet speciálních mostů, po kterých může zvěř bezpečně silnci přecházet.

Cíl

Cílem simulace je na základě zjištěných dat navrhnout takové bezpečnostní parametry, aby na silnici docházelo k co nejméně dopravním nehodám s divokou zvěří. Jak již bylo zmíněno, bezpečnostními parametry jsou: maximální povolená rychlost vozidla, počet speciálních mostů na daném úseku.

Metoda

Jako metoda simulace je zvolena simulace v prostředí Netlogo. V tomto nástroji je poměrně elegantním způsobem možné vytvořit grafickou verzi simulace a zároveň obsahuje mnoho zabudovaných funkcí, které jsou pro simulaci tohoto problému potřeba (např. zjišťování kolizí agentů, periodické vytváření agentů, reportování výsledků a další)

Model

Následující kapitola je pro větší přehlednost rozdělena do několika podkapitol, které detailně popisují všechny aspekty simulace.

Popis modelu

Součástí simulace je rovná silnice vedoucí skrz zalesněnou plochu, na které se vyskytuje divoká zvěř. Délka silnice je simulací omezena na 2048 patches, která by měla představovat úsek silnice o délce 2048 metrů. Ná této silnici se v nastavitelných četnostech objevují auta v obou směrech (barevně rozlišená), dále se v nastavitelných četnostech podél silnice (v obou směrech) objevuje zvěř, která se snaží přeběhnout na druhou stranu silnice. Úsek silnice má nastavitelnou viditelnost v metrech, zároveň na silnici platí určitý index přilnavosti, který je důležitý u určení brzdné dráhy vozidla v případě, že si řidič všimne blížícího se zvířete. V poslední řadě je možné přes cestu přidávat speciální mosty pro zvěř, kdy v případě, že je zvíře v blízkosti takového mostu, upřednostní cestu přes most.

Přehled agentů

V simulaci jsou použiti následující agenti:

Car

Agent představující jedno auto, které se pohybuje buďto doprava (modré), nebo doleva (červené). Počítá se s tím, že součástí auta je i řidič. Agent má následující vlastnosti:

driver-view
Jedná se o vlastnost udávající, jak daleko řidič vidí před sebe na vozovku, vychází z viditelnosti, která je nasatavená pro daný úsek silnice. Počítá se s tím, že každý řidič má mírně rozdílnou viditelnost, podle toho jak dobré má oči, z toho důvodu se hodnoty této vlastnosti pohybují v rozmezí 0,8-1,2 násobku viditelnosti na komunikaci.

speed
Jedná se o okamžitou rychlost, jakou se vozidlo v daném okamžiku pohybuje. Vlastnost je důležitá, aby auto dokázalo brzdit a opět akcelerovat.

Animal

Agent představuje jedno zvíře. Agent neobsahuje žádné speciální vlastnosti, krom těch, které sám o sobě řeší nástoj Netlogo. Rozlišujeme dvě barvy zvěře, podle toho, z jakého směru vybíhají. Černé směrem nahoru, bílé směrem dolů.

Parametry modelu

Parametry simulace

road-top-speed
Jedná se o maximální povolenou rychlost vozovky - touto rychlostí se budou auta po silnici pohybovat. Interně je rychlost přepočítána na metry za sekundu (tick), aby rychlost odpovídala soustavě souřadnic naší simulace. Rozsah je od 30-130 km/h.

new-car-every-tick-number
Parametr udává jak často se budou na obou stranách silnice objevovat auta. Auta se neobjevují přesně každý daný tick, ale jako (1+(nádhodné číslo v rozmezí 0 až tato proměnná)). Tím je zajištěno, že auta se objevují s náhodným rozmezím za sebou, tak jak by to nejspíše bylo v realitě. Rozsah je 0-100 ticků.

new-animal-every-tick-number
Parametr udává, kolikátý každý tick se bude objeví 10 zvířat na každé straně silnice. Výpočet se provádí jako (1+tato proměnná). Rozsah je 0-100ticků.

adhesion-index
Neboli míra přilnavosti vozovky. Díky tomuto údaji je možné spočítat přibližnou brzdnou dráhu vozidla. Rozmezí je 0,15-0,8. Suchá vozovka odpovídá přibližně hodnotě 0,8. Mokrá vozovka hodnotě 0,6 a vozovka pokrytá sněhem 0,15.

visibility
Údává, jaká je na úseku silnice viditelnost. Rozsah je 20-250m. Z tohoto parametru se následně dopočítává viditelnost pro každého řidiče auta náhodně - popsáno výše.

ticks-to-be-run
Udává počet ticků, po které bude prováděna simulace. Pro účely simulace nastaveno na 300.

Monitory modelu

Monitory simulace

Number of animals dead / cars crashed
Monitor počítá ke kolika kolizím mezi zvířetem a autem v simulaci došlo.

Number of bridges
Počet přidaných mostů, maximální hodnota je 10.

Number of animals
Počet zvířat, které jsme vygenerovali v rámci simulace.

Number of cars
Počet aut, které jsme vygenerovali v rámci simulace.

Akce modelu

Akce simulace

Prepare road
Volá metodu setup, která vyčistí canvas a vykreslí silnici vedoucí skrz les.

Go
Volá metodu go, která začne zobrazovat na canvasu auta a zvířata, která následně uvádí do pohybu. Tlačíko volá metodu kontinuálně.

Add bridge
Volá metodu create-bridge, která přidá most na canvas.

Run simulations
Volá metodu run-simulations, která na základě předem spuštěných dat provede simulace.

Ukázka z průběhu simulace

Průběh simulace

Omezení modelu

silnice je rovná, to na většině úseků v realitě neplatí

zvířata se pohybují náhodně, přitom v reálu se chovají spíše teritoriálně a pohybují se po "stezkách", každé zvíře se pohybuje fixní rychlostí

do výpočtu brzdné dráhy není zahrnuta reakční doba řidiče

na silnici jde umístit maximálně 10 mostů pro zvířata - vzádlenost mezi nimi je fixní

Výsledky

Simulace byla provedena na následujících kombinacích vstupních dat:

Rychlost - hodnoty: 30, 50, 90, 130
Počet mostů - hodnoty: 0, 5, 10
Přibližná četnost nového auta - 10, 25, 50
Četnost nového zvířete - 10, 25, 50
Přilnavost vozovky - 0.15, 0.6, 0.8
Viditelnost - 20 100 180

Na základě tohoto souboru vzniklo celkem 972 výsledků (4*3^5). Jeden průběh simulace trval déle, než jsem očekával, finálně celá simulace trvala přes 4 hodiny. Kompletní soubor lze nalézt zde. Co se ovšem týče výsledných dat, tak nejvíce nehod nastalo dle očekávání při extrémních vstupních hodnotách (vysoká rychlost, vysoká míra zvěře i aut, nízka viditelnost a nízká přilnavost vozovky). Pro větší přesnost dat by bylo nutné každou jednu kombinaci několikrát zopakovat a udělat průměr, zároveň by bylo lepší mít delší dobu průběhu jedné simulace (bylo nastaveno na 300 ticků). Velkou roli na počet nehod hrála viditelnost a maximální povolená rychlost, kdy řidiči neměli dostatek času aby nehodě zabránili dupnutím na brzdy, zároveň se jako dobré opatření ukázalo přidávání mostů. Kombinace nízké přilnavosti vozovky a nízké viditelnosti i při rychlosti 30km/h vyústila v jeden z nejvetších počtů nehod.

Závěr

Bezpečnostní doporučení konkrétní silnice bezpochyby úzce souvisí s četností výskytu zvěře a četností průjezdu aut. Obecně však lze říci, že čím větší počet mostů je pro zvířata vybudován, tím je to lépe. Zároveň by v úsecích, kde se divoká zvěř vyskutuje, měla být pečlivě omezena maximální povolená rychlost, a to v závislosti na viditelnosti a stavu vozovky.

Kód

Zdrojové kódy jsou uvedeny zde (zip). Komentáře jednotlivých metod jsou uvedeny ve zdrojovém kódu.