Výběr vhodného typu křižovatky

Název simulace: Výběr vhodného typu křižovatky

Autor: Vela Tomáš, velt02

Modelovací nástroj: NetLogo

Definice problému

Křižovatky na pozemních komunikacích jsou místa, kde se protínají dopravní trasy vedoucí z různých směrů, ale zároveň jsou to i místa, která, pokud jsou nevhodně řešená, zapříčiňují mnohdy vznik dopravních kongescí, a dokonce i vznik dopravních nehod. Řešeným problémem je místo křížení dvou komunikací s omezeným prostorem pro výstavbu řešení. Jelikož při průjezdu křižovatkou může být řidič zdržen například z důvodu dávání přednosti v jízdě nebo kvůli čekání na signál volno u křižovatky se světelným signalizačním zařízením (dále SSZ), tak hlavním sledovaným parametrem je průměrné zdržení v křižovatce, neboť tento parametr určuje kvalitu dopravy v místě křížení.

Metoda

Simulaci je implementována jako agentní simulace. Řidiči se chovají jako samostatní agenti, na které působí prostředí a kteří se navzájem ovlivňují svým chováním.

Model

Modelovaná plocha je o velikosti 64x64 patchů. Pole není uzavřené, ale vozidla, která se dostanou za hranici pole, zahynou. Ramena křižovatky jsou široká celkem 9 patchů (2x 4 patche na směr a mezi nimi 1 patch na bílou dělící čáru) a na sebe navzájem kolmá a vytváří tedy symetrický kříž se středem v bodě 0,0. Kolem bodu 0,0 je samotné řešení křižovatky, pro které byly vytvořeny tři typy. Dva typy jsou průsečné křižovatky, které jsou velikostí identické, tj. čtverec o velikosti 9x9 patchů. Poslední typ je kruhový objezd s modifikovatelnou velikostí.

Do modelu jsou vozidla přidávána na začátek jednotlivých ramen. Frekvenci je možné ovládat pomocí slideru „new-cars-frequency“. Maximální počet vozidel na mapě je možné také ovládat, a to pomocí slideru „max-cars“. Jednotlivé směry, ze kterých vozidla přijíždí a do kterých mají namířeno, je možné ovládat pomocí slideru „from-xxxx“, respektive „to-xxxx“ (za xxxx dosaďte jeden ze čtyř světových směrů).

Společné parametry pro všechny typy řešení

Frekvence vozidel (new-cars-frequency) – Nastavitelné v rozmezí od 0 do 100 %. Defaultně je nastaven parametr na 75, což představuje aktuální intenzitu dopravy. Při nastavení na 100 % vozidlo přibude v průměru jednou za 4 tiky.

Maximum vozidel (max-cars) – Parametr nastavitelný od 0 do 20 vozidel, která se mohou nacházet v jednu chvíli na mapě.

Časoprostorová mezera (time-gap) – Parametr v rozmezí od 2 do 4, který modifikuje potřebnou časoprostorovou mezeru řidičů, pro provedení manévru. Kolize vozidel však narůstají při nižší hodnotě. Při kolizi jsou vozidla odstraněna.

Ze směru (from-xxxx) – V rozmezí od 0 do 100. Pomocí nastavení jednotlivých směrů se budou s nastavenou preferencí vytvářet vozidla z daných směrů. Příklad: from-north = 100, from-south = 50, from-east = 50, from-west = 0; celkem 200, ze severu (100/200) se vytvoří průměrně tedy každé druhé auto, z jihu (50/200), resp. východu (50/200) to bude průměrně každé čtvrté a ze západu (0/200) se nevytvoří žádné.

Do směru (to-xxxx) – Analogicky řešení „from-xxxx“. Pokud padne při výtváření vozidla stejný směr „from“ a „to“, tak se směr „to“ přenastaví na opačný směr (otáčení v křižovatce směrem zpět není povoleno, ani na kruhovém objezdu).

Limit – Poté, co křižovatkou projede daný počet vozidel, se simulace zastaví. Nastavitelný. Defaultně 4000.

Průměrná doba zdržení (average-waiting-time) – Sledovaný parametr, který se získává podílem součtu všech dob, kdy vozidla nebyla v pohybu (wait-time), a celkovým počtem vozidel, která úspěšně projela křižovatkou (went-through). Parametr se tedy mění až ve chvíli, kdy vozidlo zahyne na hranici mapy.

Křižovatka s upravenou předností v jízdě (Crossroad)

- Použití pomyslného dopravního značení "Stůj, dej přednost v jízdě!" na dvou protilehlých ramenech křižovatky (na západním a východním). Řidiči, příjíždějící ke křižovatce z těchto směrů, musí zastavit na určitou dobu na „STOP čáře“ vytvořené pomocí červených patchů na hranici křižovatky. Dále pak dávají přednost v jízdě vozidlům z hlavních směrů, a pokud odobčují doleva, tak dávají přednost i protijedoucím vozidlům, pokud tato vozidla také neodbočují vlevo. Vozidla z hlavních směrů dávají přednost v jízdě pouze protijedoucím vozidlům, pokud odbočují doleva, ale pokud protijedoucí vozidla odbočují také vlevo, tak jedou současně. Křižovatku je možné modifikovat přidáním odobočovacího pruhu doprava na hlavních směrech.

Doba zastavení (waiting-time) – Minimální doba, po kterou bude řidič čekat na „stop čáře“. Doba stání je náhodná a pohybuje se v rozmezí od 7 do 12 č.j. (časových jednotek).

Odbočovací pruh (turning-lane) – Modifikovatelné přepínačem s možnostmi ON/OFF. V pozici ON je vytvořen na hlavních dopravních směrech odbočovací pruhu doprava, který si vozidla s tímto směrem vždy vyberou.

Světelně řízená křižovatka (Traffic lights)

Použití pomyslného světelného signalizačního zařízení. Implementováno pomocí pruhů (analogicky k „stop čára“) na hranici křižovatky, které mění barvu ze zelené přes oranžovou na červenou a z červené přes žlutou na zelenou. Zelená značí signál „volno“ a řidiči z těchto směrů mají přednost v jízdě. (platí klasická pravidla při odbočování vlevo). Při žluté barvě mohou řidiči již vjet do křižovatky. Při oranžové barvě je řidič nucen zastavit, pokud již není v křižovatce (slouží k vyklizení křižovatky). Při červené barvě značící signál „STOP“ jsou řidiči povinni zastavit na hranici křižovatky.

Zelená SEVER-JIH (green-lenght-north-south) – Nastavitelný parametr od 0 do 75. Určuje dobu, po kterou bude „svítit“ signál volno z daného směru.

Zelená ZÁPAD-VÝCHOD (green-lenght-west-east) – Nastavitelný parametr od 0 do 75. Určuje dobu, po kterou bude „svítit“ signál volno z daného směru.

Žlutá (yellow-length) – Nastavitelný parametr v rozmezí od 4 do 15, který ovlivňuje dobu trvání mezifáze se žlutou a oranžovou barvou pruhů na hraně křižovatky.

Odbočovací pruh (turning-lane) – Stejné jako u typu „Crossroad“.

Kruhový objezd (Roundabout)

Průměr kruhového objezdu je modifikovatelný sliderem „roundabout-radius“. Mění se tak i vzdálenost jednotlivých ramen křižovatky.

Průměr kruhového objezdu (roundabout-radius) – Nastavitelný parametr v rozmezí od 9 do 11. Určuje vnější průměr kruhového objezdu. Vnitřní průměr je o velikosti: vnější – 5.

Větší kruhový objezd nebyl implementován z důvodu nedostatku místa v reálném prostředí. Ze stejného důvodu nebyl vytvořen turbo-okružní objezd a zároveň z důvodu, že se v našich podmínkách zatím běžně tento typ nepoužívá a jeho efektivita je tak ovlivněna neznalostí řidičů ve skutečnosti a jejich chování by bylo potřeba pro implementaci do modelu nejprve prozkoumat.

Výsledky

Nejprve byla snaha o manuální hledání vhodného nastavení jednotlivých typů křižovatek, pro dané směrové intenzity (dle prvního obrázku – model_velt02.PNG). Očekávatelným výsledkem bylo, že odbočovací pruh většinou snižuje průměrnou dobu zdržení, a jelikož je možné ho implementovat i ve skutečnosti, tak byl při dalších bězích simulace ponechán. Dále se zjistilo, že je menší zdržení na větším kruhovém objezdu (s nastaveným parametrem „roundabout-radius“ = 11. Z důvodu menšího počtu kolizí a „skoronehod“ byl nastaven parametr „time-gap“ na maximum, tj. 4. Dále byla nastavena hodnota zelené ze severu na 55, ze západu na 20 a žlutá na 5, což umožní 3minutový cyklus. Tato nastavení se zdála být poměrně efektivní.

Dále proběhly u jednotlivých typů s danými parametry testy o 20 bězích.

V průměru vyšla nejlépe křižovatka se SSZ. Průměrná doba zdržení byla 29,68 č.j. se směrodatnou odchylkou 1,87 č.j.

Na druhém místě skončil kruhový objezd s průměrnou dobou zdržení 38,32 č.j. a směrodatnou odchylkou 2,27

S aritmetickým průměrem 49,87 č.j. a směrodatnou odchylkou 1,91 č.j. na posledním místě skončila křižovatka s upravenou předností v jízdě, což bylo očekávatelné. Má výrazně nejhorší výsledky.

Závěr

Při různých konfiguracích dosahují jednotlivé typy různých výsledků průměrného zdržení. Při zadání parametrů, které přibližně odpovídají intenzitám dopravy na reálné křižovatce z dopravního průzkumu je vidět, že nejlepším řešením podle modelu je světelně řízená křižovatka, na druhém pak kruhový objezd. Parametry byly nastaveny jako na prvním obrázku (mimo nastavení SSZ, což je uvedeno ve výsledcích). Je možné simulaci dále použít pro libovolné nastavení intenzit, kdy už se vítězem může stát například kruhový objezd.

Simulaci je možno dále rozšířit například o možnost zvětšení celkového prostoru křižovatky a jejího tvaru. Dále by pak mohlo přijít rozšíření v podobě přidání ramen křižovatky a dalších odbočovacích pruhů.

Kód