Kapitola IV. Modelování dopravy na pozemních komunikacích (ČÁST 3)

  • CONTRAM

CONTRAM (neboli CONtinuous TRaffic Assignment Model) se využívá především k modelování proměnného dopravního toku a umožňuje tak simulovat kongesce nastávající během dne nebo dopravní zatížení mimo špičku a lze jej použít i pro modelování krizových situací, jako jsou např. dopravní nehody. Software dále obsahuje emisní model, který dokáže vyčíslit jednotlivé emisní statistiky a spotřeba paliva dle typu vozidel (CO, CO2, NOx). V současnosti se CONTRAM používá pro řízení dopravy v reálném čase na dálnici v Kentu, kdy ve standardním módu modeluje dopravní stavy na základě průměrného dopravního zatížení.

4.9.3        Mikroskopické simulační nástroje

Principy mikroskopické simulace spočívají ve výpočtech pohybu jednotlivých vozidel založených na interakcích s ostatními vozidly. Tyto simulace jsou založeny na matematických modelech, které zohledňují všechny dostupné parametry dopravní sítě, vozidel nebo chování řidičů. Každé vozidlo vstupující do modelovaného systému během simulace je unikátní a jsou mu přiřazeny specifické vlastnosti, jako jsou cíl cesty, typ a chování vozidla, rychlost apod. Mikroskopické simulace jsou z tohoto hlediska značně náročné na hardware.

Mezi hlavní představitele mikroskopických simulačních nástrojů patří VISSIM, PARAMICS nebo AIMSUN. Z ostatních lze pak alespoň zmínit CORSIM, MITSIM, DRACULA, FRESIM, HUTSIM, MICROSIM, SIGSIM nebo TRAFFICWARE.

  • VISSIM

VISSIM je mikroskopický simulační nástroj vyvinutý německou společností PTV AG za spolupráce Technické university v Karlsruhe (bývá nabízen v rámci jednoho softwarového balíku společně s VISUMem). Software je především určený pro modelování multimodálních dopravních proudů, zahrnující osobní a nákladní vozidla, autobusy, drážní vozidla (tramvaje, vlaky, rychlodráhu), cyklisty a chodce (podstatou VISSIMU je Wiedemannův „car-following“ model). Nejčastěji se VISSIM využívá k posouzení návrhů dopravní infrastruktury, návrhu řízení dopravy na pozemních komunikacích, analýzu ITS a simulace přínosů telematiky v řízení dopravního provozu, simulaci hromadné dopravy apod. Velmi detailní zadávání prvků dopravní sítě umožňuje zobrazit velmi přesnou a odpovídající simulaci, kdy uživatel přímo vidí modelovaný stav na obrazovce. Výhodou VISSIMU je možnost zadávání různých vstupních parametrů, které umožňují simulovat téměř každou simulaci a samozřejmostí jsou i kvalitní výstupy 3D animací. Přestože se jedná především o mikrosimulační nástroj, umožňuje VISSIM modelovat i velké dopravní sítě. Je to však z časového hlediska velmi náročné a při potřebě detailního řešení dopravních uzlů i kapacitně náročné na výpočet. V případě vysokého dopravního zatížení může výpočetní doba převyšovat reálný čas.

Nevýhodou VISSIMU je nemožnost zadávat model sítě i prostřednictvím oblouků a křivek, což komplikuje modelování např. okružních křižovatek, nižší intuitivnost v porovnání s ostatními podobnými mikrosimulačními nástroji a vysoká pořizovací cena.

  • PARAMICS (QAUDSTONE)

Software Paramics je modulární mikrosimulační nástroj, který zahrnuje několik oddělených modulů (Paramics Modeller, Paramics Converter, Paramics Estimator, Paramics Procesor, Paramics Analyse, Paramics Programmer, Paramics Monitor a Paramics Designer). Jedná se o opět o multimodální analytický nástroj, jehož podstatou je Fritzschův „car following“ model. Paramics se využívá k modelování signalizovaných, nesignalizovaných i okružních křižovatek, modelování dopravy ve městech (zahrnuje i MHD nebo drážní dopravu) a umožňuje také simulovat její řízení prostřednictvím ITS (např. ramp metering) nebo proměnného dopravního značení. Podobně jako VISSIM i PARAMICS je poměrně složitý na ovládání. Je to však dáno značným množstvím funkcí a parametrů, které lze (v obou softwarech) nastavovat nebo upravovat. Výhodou PARAMICSU proti VISSIMU je však např. přímá implementace funkce okružní křižovatky, kdy odpadá nutnost složitého modelování a možnost zadávání přesně definovaných oblouků a křivek.

Nevýhodou PARAMICSU je malá intuitivnost v porovnání s ostatními podobnými mikrosimulačními nástroji.

  • AIMSUN

AIMSUN (neboli Advanced Interactive Micro-Simulation for Urban and Non-Urban Networks) je mikroskopický simulační nástroj, který byl v 90. letech vyvinut na univerzitě v Barceloně (je distribuován společností Traffic Simulation Systems – TSS). Software rozlišuje různé typy a vlastnosti vozidel (osobní, nákladní, těžká nákladní nebo autobusy), řidičů (míra dodržování předepsané rychlosti nebo dodržování odstupů od vozidla).

Výstupy z AIMSUNu zahrnují animované grafické znázornění dopravní sítě (AIMSUN je propojen se simulačním prostředím GETRAM – Generic Environment for TRaffic Analysis and Modeling). Výhodou AIMSUNU je jeho poměrně jednoduché ovládání (proti PARAMICSu nebo VISSIMU). Je to však dáno nižším množstvím ovlivnitelných parametrů.

Nevýhodou AIMSUNu je však nemožnost přímo definovat okružní křižovatky, oblouky a křivky a nižší přesnost při modelování složitých dopravních situací.

4.9.4        Nanoskopické simulační nástroje

Nanoskopické simulační nástroje se uplatňují pouze zřídka. Jsou založeny na podobných principech jako nástroje mikrosimulační, avšak obsahují více definovatelných parametrů a jsou jednoznačně nejnáročnější na výpočetní kapacitu. Vzhledem k ojedinělosti jejich použití je zde uveden pouze stručný výčet nejpoužívanějších softwarových balíků. Jedná se o REAMACS, RORSIM, AUTOBAHN, MIXIC nebo SmartAHS.

4.10       Průběh simulační studie

Simulační proces je složen ze dvou základních etap [9]. V rámci první etapy se navrhuje a tvoří simulační model. Tento proces obnáší tvorbu samotného modelu (dopravní sítě) a nezbytný sběr a vyhodnocení dat. Zároveň je nutno provést tzv. verifikaci a validaci modelu, během kterých se ukáže, zda – li zvolený model je správný a odpovídá realitě. Během druhé etapy pak na vytvořeném a ověřeném modelu probíhají simulační experimenty. Závěrečným krokem, který však není součástí simulačního procesu, je pak samotná implementace závěrů simulační studie do reálného života. Celý proces tvorby modelu a experimentování se někdy také označuje jako „životní cyklus simulační studie“. Schéma procesu je vymezeno na obr. 4.21.

Obr. 4. 21.      Průběh simulačního studie (zdroj: [9])      

Celý proces je rozdělen do 11 základních postupných kroků, přičemž některé z nich mohou probíhat paralelně (např. sběr a analýza dat).

4.10.1        Formulace dopravního problému

Každá simulační studie začíná specifikací řešených problémů. Jedná se o velmi důležitý prvotní krok celého simulačního procesu, kdy je nutno správně a srozumitelně definovat řešený problém a rozhodnout, zda – li vůbec aplikace simulačních technik pomůže nalézt vhodné řešení (pokud ne, životní cyklus simulační studie končí). Dále se v rámci této fáze rozhodne, po prvotní analýze zkoumaného objektu, o zvolení a použití nejvhodnějšího modelu (mikroskopický / makroskopický, dynamický / statický apod.).

4.10.2        Stanovení cílů a celkového plánu simulačního procesu

Během tohoto kroku je nutno stanovit si základní cíle, které má celý simulační proces sledovat, dále také základní časový plán simulační studie, okruh spolupracovníků, kteří se budou podílet na vývoji modelu, sběru dat, nebo kteří budou provádět simulační experimenty a zvolit vhodný typ hardwaru a software, na kterých bude celý proces realizován. Zároveň by mělo být rozhodnuto o variantních scénářích, které budou simulacemi zkoumány a o zveřejňování dílčích výsledků jednotlivých kroků. V neposlední řadě je nutno rozhodnout i o finančním krytí jednotlivých kroků ze strany zadavatele zakázky.

4.10.3        Vytvoření koncepce modelu

Vytvoření koncepce modelu je před jeho samotným zpracováním jedním z nejdůležitějších kroků. Je nutno vybrat správnou metodiku pro tvorbu modelu a stanovit přiměřenou míru abstrakce zkoumaného objektu. Obecně se doporučuje začít s jednoduchým modelem a postupně jej obohacovat o další prvky. Lze si to názorně předvést na modelu dopravní sítě určité oblasti. V první fázi je modelována základní dopravní kostra, na kterou již lze přiřadit dopravní zatížení. V další fázi pak do modelu můžeme vložit např. systém hromadné dopravy osob, cyklistickou dopravu, pěší dopravu nebo dopravu v klidu. Zároveň je však nutno mít na zřeteli, že není účelné vyvíjet nadměrně rozsáhlý model, neboť pak každá, byť drobná, chyba může ovlivnit výsledek simulace a vzhledem k rozsahu modelované sítě může být obtížně dohádatelná. Dále je nutno si uvědomit, že práce na detailním modelu je i časově náročná a zvyšuje finanční náklady na pořízení takového modelu. Proto je nutno v této fázi úzce spolupracovat se zadavatelem zakázky.

4.10.4        Sběr a analýza dat

Sběr a analýza dat může probíhat již od prvních kroků simulační studie, kdy jsou již známy cíle a účely celého procesu. Charakter dat může být dle účelu simulace různý. Může se jednat o údaje popisující charakteristické vlastnosti jednotlivých prvků reálného prostředí (např. geometrické uspořádání dopravní sítě), data o vstupech prvků z okolí do systému (např. dopravní zatížení), údaje o rozhodovacích pravidlech pro řešení konfliktů ve zkoumaném systému (údaje o SSZ) apod. Veškerá potřebná data by v ideálním případě měl zajistit zadavatel práce a předat je zpracovateli v použitelném elektronickém formátu.

Sběr dat může probíhat paralelně i během procesu vytváření modelu. Někdy je po neúspěšném ověření správnosti modelu a jeho souladu s reálným stavem nutno sledované údaje aktualizovat.

1.1.5        Vytvoření simulačního modelu

Jedná se o proces tvorby simulačního modelu, kdy z konceptuálního modelu (krok 3) je vytvořen počítačový model, na kterém jsou pak prováděny experimenty. Tvorbě modelu je nutno věnovat velkou pozornost, neboť v rámci celého simulačního procesu se jedná o základ všech budoucích experimentů. V tomto kroku se naplno projeví zkušenost zpracovatelského týmu. Přístup ke zvolenému softwaru jako k černé skříňce, kam jsou vkládána data, která se „záhadným“ strojem zpracují a poskytnou kýžené výsledky je nutně chybný. Práce na modelu předpokládá alespoň základní znalosti vztahů mezi obecně uznávanými principy modelování a jejich implementace v příslušném softwaru. Bez těchto znalostí nemusí zpracovatel správně modelovat složitější situace, nebo nemusí efektivně využívat možností nabízené daným druhem software.   

4.10.6        Verifikace modelu

Verifikací se v pojetí procesu simulace rozumí kontrola a ověření funkčnosti modelu. Model je považován za správný, jestliže průběh simulace odpovídá představám formulovaným během procesu tvorby koncepce modelu (krok 3). Během verifikace se testují především funkční charakteristiky modelu a jejich správnost, dodržování fyzikálních zákonů nebo korektnost generovaných vstupů. Doporučuje se, aby verifikace probíhala již během tvorby modelu, a to na jeho ucelených částech, kdy za uplatnění softwarových mechanismů umožňující kontrolu a odstraňování chyb může dojít k jejich nalezení a nápravě. Výsledná verifikace již hotového modelu pak může být mnohem snadnější.

Proces verifikace je velmi důležitý. Nesprávně vytvořený, byť velmi precizní a detailní model, je bez poskytování správných výsledků k ničemu.

4.10.7        Validace modelu

Validace modelu je procesem, jehož výsledkem je stvrzení faktu, že vytvořený model odpovídá reálné předloze a poskytuje odpovídající výsledky s požadovanou mírou přesnosti pro daný účel simulační studie.

Metody validace jsou různé, porovnávat se mohou poskytovaná data s reálným systémem, jiným modelem nebo za použití statistických metod. V případě, že výsledek validačního procesu je negativní, je nutno se vrátit zpět a simulační model patřičně modifikovat, znovu verifikovat a opět validovat.

Úspěšnou validací končí proces návrhu a tvorby simulačního modelu. Nastává čas provádět simulační experimenty.

4.10.8        Návrh simulačního procesu

Návrh simulačního procesu je první fází etapy experimentování. Spočívá ve vytvoření plánů simulačních experimentů, kdy je nutno stanovit počet simulačních pokusů, jejich délku a způsob provádění. V případě, že budou simulovány i variantní návrhy je nutno plán stanovit i pro ně.

4.10.9        Provedení a analýza simulace

V tomto kroku jsou prováděny simulační experimenty s následným vyhodnocením.

4.10.10     Potřeba další simulace

Potřeba další simulace nastává v případě, že se v průběhu předchozích kroků etapy experimentování objevily nové problémy nebo skutečnosti a tyto je nutno zohlednit v simulační studii. V takovém případě je sestaven nový návrh simulačního procesu a stanoven další plán experimentů s jejich následným provedením.

4.10.11     Sestavení závěrečné zprávy

Formulace závěrů z provedených simulačních experimentů je dovršením celého simulačního procesu. Závěrečná dokumentace musí obsahovat popis simulačních experimentů, jejich vyhodnocení i porovnání případných variantních řešení. V případě, že bude model opětovně využíván (např. jiným zpracovatelem) nebo modifikován či aktualizován, měla by zpráva obsahovat i jeho popis a hlavní operační charakteristiky (jakým způsobem funguje). Výsledky experimentů musí být prezentovány jasně a srozumitelně formou protokolů (tabelárních časových nebo grafických), statistického zpracování nebo jiných výstupů, adekvátních účelu simulační studie. Rovněž se doporučuje dodat zákazníkovi prohlížeč, který mu umožní opětovně zobrazit průběh simulačních pokusů a který mu umožní závěry simulační studie dále prezentovat (ovšem bez možnosti měnit jejich vstupní data).

4.10.12     Realizace simulovaného záměru

Realizace simulovaného záměru již nepatří k úkolům projektanta. Projektant vystupuje během simulačního procesu především jako nezávislý reportér, nikoliv jako obhájce daného řešení a jeho úkolem je nezávisle vyhodnotit simulační proces a případně posoudit možné alternativy. Simulace samotná danou problematiku neřeší, pouze naznačuje směr, kterým by se měl zadavatel projektu ubírat a je plně v jeho kompetenci, jak s výsledky simulačních experimentů bude nakládat.

There are currently no posts in this category.