Особенности моделирования пассажиропотока объектов транспортной инфраструктуры



Рассмотрены научно-теоретические основы и ключевые методики моделирования пассажиропотоков на транспортно-пересадочных узлах, проанализировано существующее на рынке программное обеспечение для моделирования пассажиропотоков.

Ключевые слова: моделирование, имитационное моделирование, ТПУ, пассажиропотоки, программное обеспечение.

Для транспортных сетей крупных городских агломераций, главной функцией которых является перемещение пассажиров, характерен дефицит пропускных и провозных способностей. Таким образом, на первый план выходит задача взаимодействия транспортных сетей различных видов транспорта, а также оптимизация технологических процессов функционирования отдельных их элементов. Узлами взаимодействия транспортных сетей различных видов транспорта являются существующие и формируемые транспортно-пересадочные узлы (далее — ТПУ).

ТПУ — это узловой элементом планировочной структуры города, где происходит пересадка пассажиров между различными видами городского транспорта или между различными линиями одного вида транспорта, а также осуществляется попутный сервис объектами социальной инфраструктуры [1].

Система ТПУ представляет собой самостоятельную и довольно значимую часть транспортной инфраструктуры, определяющую эффективность транспортного комплекса территории и развития всех видов транспорта общего пользования. ТПУ является ключевым звеном пассажирской транспортной логистической инфраструктуры и представляет собой пассажирский комплекс, реализующий функции, которые связаны с интеграцией и перераспределением пассажиропотоков между видами транспорта и направлениями движения [2].

Потребность в комплексной реконструкции транспортной инфраструктуры, основным направлением которой считается формирование и развитие системы современных ТПУ, которые обеспечивают интермодальное взаимодействие всех элементов транспортной системы, назрела, в первую очередь, в крупных российских агломерациях. Одной из главных задач транспортной политики агломерации следует считать трансформацию пассажирской транспортной инфраструктуры на фоне быстрых темпов развития больших городов, учитывая рост населения и рабочих мест, создающихся в городе и ближайшем пригороде. В нынешних социально-экономических условиях процесс организации транспортных узлов осуществляется достаточно быстро и зачастую стихийно, без учета общей градостроительной ситуации, без необходимой архитектурно-планировочной организации пространства и т. п. Таким образом, возникает необходимость прогнозирования и моделирования взаимодействия и динамики пассажиропотоков на транспортных объектах [3].

Моделирование является наиболее эффективным способом решения задач, связанных с оптимизацией структуры ТПУ и движением пассажиропотоков внутри него с учетом разнообразия транспортных ситуаций и их случайного проявления [2].

Моделирование — это один из основных методов исследований в большинстве областей знаний, а также научно-обоснованный метод оценки характеристик сложных систем, в частности транспортных. Без него невозможно провести исследования крупных транспортных систем, их проектирование, внедрение и эксплуатацию. Так, моделирование позволяет в соответствующей форме отобразить процессы функционирования систем, описать протекание таких процессов. Более того, оно позволяет проводить эксперименты с транспортными объектами без особых финансовых затрат и производственных рисков. Особенностью такого подхода является то, что моделирование позволяет в виртуальном мире произвести оценку работоспособности как существующего, так и потенциального объекта и на стадии проектирования заложить нужные мощности для его продуктивной работы [3].

Для эффективного планирования транспортных узлов на улично-дорожной сети городов, помимо изучения и моделирования потоков транспортных средств, необходимо уделять должное внимание именно пассажирским потокам. При разработке эффективной технологии и организации деятельности транспортных объектов немалую роль играют данные о различных их функциональных составляющих, однако ключевыми являются безопасность и комфорт пассажиров. К сожалению, в настоящий момент в градостроительной практике организации движения пассажиропотоков по улично-дорожной сети и, особенно, на ее узлах, практически не уделяется внимания. Некоторые эксперты считают, что для достижения безопасности движения достаточно разделять транспортные и пассажирские потоки. В этом случае они перестают оказывать влияние друг на друга. Поведение пешеходов является довольно сложным процессом, поэтому при планировании объектов с высокой плотностью пешеходного движения и ограниченным пространством для оптимизации потоков пешеходов, гарантированного предотвращения дискомфорта и снижения задержек, а также повышения безопасности движения, целесообразно проводить имитационное моделирование [4].

Имитационное моделирование — это мощный инструмент исследования поведения реальных систем. С помощью методов имитационного моделирования собирается нужная информация о поведении системы путем разработки ее компьютерной программы. Данная информация применяется для проектирования системы.

Цель имитационного моделирования заключается в воспроизведении поведения рассматриваемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных связей между ее элементами в предметной области для реализации экспериментов.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Главное преимущество заключается в том, что в модели временем можно управлять, а именно замедлять в случае, если процессы протекают быстро, и ускорять в случае, если системы изменяются медленно. Возможна имитация поведения тех объектов, реальные эксперименты с которыми представляют трудности в реализации.

Для проведения имитационного моделирования в основе любого программного обеспечения лежат математические модели, главной задачей которых является прогнозирование и определение параметров функционирования транспортной системы с учетом качества внедряемых транспортных процессов. Применяемые для анализа транспортных систем, математические модели достаточно разнообразны по математическому аппарату, используемым данным и степени детализации описания движения пассажиропотоков [5].

Имитационное моделирование входит в класс математических методов моделирования на ряду с аналитическим.

Аналитические модели представляют собой уравнения, которые отображаются в виде алгебраических, интегральных, дифференциальных и других соотношений и логических условий. Они записываются и решаются в буквенном виде, отсюда возникает их название. Аналитическое представление применяется, как правило, для простых и сильно идеализированных задач и объектов, которые особо не имеют ничего общего с реальностью, однако обладают высокой общностью. Этот тип моделей используется для анализа фундаментальных свойств объектов, поскольку фундамент по своей сути несложен. Обычно сложные объекты достаточно трудно описать аналитически.

Главное отличие имитационных моделей от аналитических заключается в том, что вместо аналитической характеристики взаимосвязей между входами и выходами рассматриваемой системы строится алгоритм, который показывает ход развития процессов внутри объекта, после чего «проигрывается» поведение объекта на ЭВМ. Имитационные модели применяются в том случае, когда объект настолько сложен, что его поведение достаточно проблематично описать математическими уравнениями [6].

При выборе системы для моделирования пассажиропотоков ТПУ необходимо применить программные комплексы, направленные на построение имитационных моделей. Эти программные продукты обеспечивают информационную и аналитическую поддержку принятия обоснованных решений в различных сферах. Большинство из них позволяют проводить анализ, глубина которого зависит от сложности методологии, лежащей в основе программы [7].

Сегодня на рынке программного обеспечения для имитации существует более 50 мощных программных продуктов имитационного моделирования. Всего же на рынке информационных технологий предлагается примерно 150 аналогичных по своим целям и возможностям программ, которые позволяют осуществлять имитационные эксперименты. Разнообразие и диапазон такого программного обеспечения продолжает увеличиваться в связи с тенденцией стабильного спроса на него.

Рассмотрим часто используемое при моделировании современное программное обеспечение и представим его в таблице 1.

Таблица 1

Перечень современного программного обеспечения, используемого при моделировании транспортных объектов

Название	Производитель программного обеспечения	Область применения	Описание
AnyLogic	Экс Джей Текнолоджис	Системная динамика, дискретно-событийное и агентное моделирование	Поддержка трех технологий разработки имитационных моделей, а также их комбинация. Возможность создания модели для широкого спектра задач: от моделирования производства логистики до стратегических моделей развития компании и рынков. Программный продукт является корпоративным стандартом на бизнес-моделирование во многих транснациональных компаниях
Arena	Rockwell Automation	Производство, анализ бизнес-процессов, дискретное моделирование	Arena — система дискретного моделирования. Область ключевых приложений системы — имитационное моделирование производственных и технологических процессов, банковская деятельность, складской учет, транспортные задачи
Simulink	Math Works Inc	Обработка сигналов и изображений. Системы управления, финансовые расчеты	Возможность создания динамических моделей при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, а также применения уже готовых библиотек блоков и использования модельно-ориентированного подхода для формирования систем управления, устройств реального времени и цифровой связи
GPSS/H	Wolverine Software Corporation	Общего назначения, производство, транспорт	Система GPSS/H — это среда моделирования общего назначения, охватывающая сферы как дискретного, так и непрерывного моделирования
PTV Vision Viswalk	«А+С Консалт»	Имитационные модели движения пешеходных потоков	PTV Viswalk — это программное обеспечение для имитационного моделирования пешеходных потоков и их взаимодействия с другими участниками движения. Программа позволяет моделировать массовые мероприятия, предусматривать экстренные ситуации. В основе продукта лежит модель социальных сил. Процесс редактирования состоит из двух частей. Сначала определятся типы и классы пешеходов и настраиваются их параметры. Далее устанавливается геометрия пешеходных зон, препятствий, переходов. В конце задаются входящие потоки пешеходов и маршруты их движения.
SimWalk PRO	Simwalk Team Savannah Simulations AG	Контроль системы безопасности маршрутов выхода из объектов инфраструктуры, градостроительное проектирование, регулирование транспортного движения, моделирование пешеходного движения	SimWalk PRO представляет собой удобное в использовании программное средство микромоделирования, в котором у каждой отдельной модели пешехода имеются цели и характер поведения. Микромоделирование позволяет получить гибкие реалистичные модели не только обычного поведения пешеходов, но и в состоянии суеты и паники
Aimsun	Transport Simulation Systems	Моделирование транспортных потоков	Aimsun является полнофункциональным комплексом инструментов анализа транспортных потоков и перевозок, использующийся для детального моделирования в области транспорта. Продукт применяет интегрированную платформу, пригодную для выполнения статического и динамического моделирования
Plant Simulation	Siemens Industry Software	Универсальный продукт для моделирования производственных, логистических, транспортных систем и бизнес-процессов	Система основывается на дискретно-событийном моделировании. Продукт реализует объектно-ориентированный подход к созданию моделей. Ее построение выполняется в интерактивном режиме с помощью предоставляемых библиотек типовых элементов. Имеются специализированные библиотеки. Продукт поддерживает неограниченную иерархию моделей, что способствует созданию библиотек и собственных объектов, и позволяет строить наглядные модели сложных систем без специальных знаний в сфере математического моделирования

Большинство современных программных средств обладает широкой функциональностью и высокой эффективностью в построении и исследовании сложных систем, однако российский программный продукт AnyLogic имеет некоторые преимущества над перечисленными выше системами моделирования [8]. Данное программное обеспечение является единственным инструментом имитационного моделирования, которое поддерживает все подходы к созданию моделей. Одно из главных преимуществ AnyLogic — возможность быстрого построения многоагентных моделей. Такую операцию невозможно осуществить с помощью другого существующего инструмента. Только агентные модели позволяют получить сведения об общем поведении системы.

AnyLogic — это мощная инструментальная среда разработки имитационных моделей в различных сферах. Ее среда является наиболее оптимальной и многофункциональной, так как она поддерживает не только новый метод моделирования — агентный, но и дает возможность построить модели различного уровня, применяя любой из известных подходов. Для инженеров-разработчиков особую ценность представляет возможность оптимизировать режимы и параметры модели, проанализировать устойчивость системы и дать прогноз ее динамике [9].

Модель ТПУ можно представить, как систему массового обслуживания, где пассажиры представляют заявки, однако представление пассажиров как потока однородных заявок следует считать неприемлемым для достижения положительного результата. Необходимо также принимать во внимание поведение пассажиров и их вероятное взаимодействие, скорость передвижения, ее зависимость от числа пассажиров в ТПУ и т. п., т. е. необходимо вводить непрерывные переменные. В AnyLogic непрерывные параметры поведения объектов вводятся легко [1].

Литература:

1. Евреенова Н. Ю. Выбор параметров транспортно-пересадочных узлов, формируемых с участием железнодорожного транспорта: дис. канд. тех. наук: спец. 05.22.08 / Н. Ю. Евреенова — Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ). — Москва, 2014. — 197 с.
2. Левченко М. А. Имитационное моделирование транспортно-пересадочных узлов // Молодой ученый. — 2017. — № 11. — С. 79–81.
3. Пашкевич А. Г. Имитационное моделирование ТПУ метрополитена // Метро пассажиры. — 2016. — № 15. — С. 56–58.
4. Моделирование пешеходных потоков [Электронный ресурс], — Режим доступа: http//www.simulation.su.
5. Лычкина Н. Н. Имитационное моделирование экономических процессов: учебное пособие для слушателей программы eMBI / Н. Н. Лычкина, В. В. Годин — М.: Государственный университет управления, 2005. — 164 с.
6. Бабина О. И. Сравнительный анализ имитационных и аналитических моделей // Теоретические основы и методология имитационного и комплексного моделирования. — 2018. — № 13. — 5 с.
7. Девятков В. В., Кобелев Н. Б., Половников В. А., Плотников А. М. Имитационное моделирование как основной способ поддержки принятия решений в современном мире. Об организации имитационных исследований в России // Пленарные доклады. — 2007. — № 2. — 13 с.
8. Михеева Т. В. Обзор существующих программных средств имитационного моделирования при исследовании механизмов функционирования и управления производственными системами // Управление, вычислительная техника и информатика. — 2018. — № 22. — 5 с.
9. Киселева М. В. Имитационное моделирование систем в среде AnyLogic: учебно-методическое пособие / М. В. Киселева. Екатеринбург: УГТУ — УПИ, 2009. 88 с.