סמינר - נושאים מתקדמים בסימולציה:סימולציית תעבורה ומודל CATS

מוסד לימוד
סוג העבודה
מקצוע
מילות מפתח , , , , , , , , ,
שנת הגשה 2015
מספר מילים 15617
מספר מקורות 12

תקציר העבודה

תקציר:
סמינר – נושאים מתקדמים בסימולציה סימולציית תעבורה ומודל CATS CATS – Cellular Automata Model for Traffic flow Simulation מטרת הסימולציה הינה לייצג באמצעות מודל מתאים מאפיינים מסוימים בהתנהגותה של מערכת הקיימת במציאות על מנת לאפשר ניתוח ואמידת הביצועים של מערכת זו  ובכלל זה –  בדיקת מערכות בטרם ייושמו בפועל, קבלת תחזיות על התנהגות מערכות, איתור צווארי בקבוק, שימוש לא יעיל במשאבים, אימון משתמשים עתידיים במערכת המדומה ועוד. הסימולציה שימושית בתחומים רבים – מדעי המחשב, כלכלה ועסקים, כימיה, פיזיקה, מטאורלוגיה, תעשיה. מערכות תעבורה הינן מערכות שיעודן להעביר אנשים וסחורה בצורה יעילה דרך רשת של כבישים ורחובות.  מערכות התעבורה מנוטרות ע"י מרכזי בקרה המסוגלים להשפיע על תפקודן בכדי להגיע לביצועים מקסימלים. מערכות אילו קשות לניתוח, לשליטה ולאופטימזציה בגלל מאפיינהם הייחודיים: כיסוי של שטח פיזי נרחב, מספר משתתפים גדול מאוד שמטרותיהן לא זהות, קלטי מערכת רבים שאינם בשליטת המשתתפים או מפעיל המערכת, מורכבות גבוהה בשל מספר גדול של פעולות גומלין (בין הנהגים לנהגים אחרים, הנהגים לרכבם, הנהגים לנתוני התעבורה ותנאי הדרך), טיבן של פעולות אילו אינו מוחלט אלא משוער ותלוי בפרספקטיבה האישית של כל נהג. מכלול המאפיינים המורכבים שהוזכרו לעיל מציגים שלל בעיות מורכבות ומרתקות בתחום התעבורה.
בשל הקושי להשתמש בכלים אנליטים לפתרון הבעיות המורכבות הקיימות בתחום התעבורה, כלים מסוג זה מספקים מענה למספר מצומצם של  בעיות ומערכות. סימולציית התעבורה באה לגשר על פער זה – הסימולציה משמשת כאמצעי במחזור הפיתוח של מערכת התחבורה ומסייעת בהערכת תוכניות תעבורה חדשות (מבנה וצורות כבישים), בבחירה אופטימלית של נתוני התעבורה (רמזורים, שלטים), באימון כוח אדם המתפעל מרכזי בקרה של מערכות תחבורה, בניתוח של זרימת התנועה בסוגי דרכים שונות, בחקר הבטיחות בתעבורה ועוד.
מערכות תעבורה הינן חלק בלתי נפרד מהמציאות של המאה ה 21, מערכות אילו ההולכות ומתפתחות בקצב מסחרר משפיעות על כל אחד ואחת מאיתנו ברמה היום-יומית, המערכות מציגות מכלול בעיות שלפתרונן יש השלכות מרחיקות לכת על איכות חיינו בזמנים אילו. סימולציית תעבורה מהווה נדבך חשוב בתהליך המקרב אותנו להשגת הפתרונות הרצויים, ולכן בחרתי לעסוק בה במסגרת העבודה שלהלן.
העבודה נחלקת לשבעה פרקים:
הפרק הראשון הינו פרק המבוא, הפרק מתאר את נושא הסימולציה ותרומתה, תחום התעבורה ומורכבותו, מהי סימולציית תעבורה ומה הביא אותי לעסוק בנושא, וכן מפרט את תוכן הפרקים בעבודה.
הפרק השני מתאר את הבסיס התיאורטי שעליו נשענת הסימולציה, תוך אספקת מושגים ותהליכים בתחום כבסיס להמשך הסמינר.
הפרק השלישי מכיל סקירה של סימולציית התעבורה, הפרק מציג תחומים, גישות ומגמות בסימולציית תעבורה וכן מתאר מחזור חיי פיתוח של סימולציה מסוג זה.
הפרק הרביעי מציג מודלים נבחרים בסימולציית התעבורה.
הפרק החמישי מציג את נושא האוטומט התאי, אוטומט זה משמש את המודל שנתאר ביתר פירוט בפרק השישי. במסגרת הפרק יתואר מקורות האוטומטי התאי, מרכיביו וכיצד עושים בו שימוש בסימולציית תעבורה.
הפרק ה השישי מציג את מודל CATS – Cellular Automata Model for Traffic flow Simulation, הפרק מתאר את מרכיבי המודל ומספק דוגמא מעשית המציגה את תוצאות המודל על דרך אמיתית.
הפרק השביעי, המסיים את העבודה הינו פרק הסיכום.
תוכן ענינים
1 .             מבוא. 5
2 .             סימולציה. 7
2 .1.                  מבוא. 7
2 .2.                  מהי סימולציה. 7
2 .3.                  שימושי הסימולציה. 8
2 .4.                  סימולציה – יתרונות וחסרונות. 10
2 .5.                  הגדרות. 11
2 .6.                  שלבי תהליך הסימולציה. 13
2 .6.1.                   מבוא. 13
2 .6.2.                   בניית המודל המתימטי-לוגי 13
2 .6.3.                  בניית המודל הממוחשב. מנהל עסקים
2 .6.4.                   הרצה וניתוח התוצאות. מנהל עסקים
2 .6.5.                   בעיות עיקריות בפיתוח סימולציה. משפטים
3 .             סימולציית תעבורה – סקירה. 17
3 .1.                  מבוא. 17
3 .2.                  עקרונות לבניית מודל לסימולציית תעבורה. 19
3 .3.                  תחומי סימולציית התעבורה. 21
3 .4.                  מגמות בסימולציית תעבורה. 23
3 .5.                  דוגמא לבניית מודל לסמולציית תעבורה.
5
4 .             מודלים נבחרים בסימולציית תעבורה. 28
4 .1.                  מודלים מיקרוסקופיים. 28
4 .1.1.                   Corsim.. 28
4 .1.2.                   Aimsun2. 29
4 .1.3.                   Vissim.. 29
4 .1.4.                   Paramics. 30
4 .1.5.                   Nagel and Schreckenberg’s cellular automaton model 31
4 .2.                  מודלים מקרוסקופיים. 32
4 .2.1.                   Corflo. 32
4 .2.2.                   Texas. 32
4 .2.3.                   Passer. 32
4 .3.                  מודלים מזוסקופיים. 33
4 .3.1.                   Daganzo’s theoretical cell transmission model  and Netcell 33
4 .3.2.                   Dynemo. 33
4 .3.3.                   Dynamit 34
5.             אוטומט תאי 35
5.1.                  מקורות האוטומט התאי 35
5.2.                  מרכיבי האוטומט התאי 38
5.3.                   האוטומט התאי בשירות סימולציית התעבורה. 42

6 .                     CATS. 46
6 .1.                  מבוא. 46
6 .2.                  תנאי התחלת הסימולציה. 49
6 .2.1.                   מבוא. 49
6 .2.2.                   טופולוגיית הדרך. 49
6 .2.3.                   כלי הרכב. 50
6 .2.4.                   נפחי התנועה בדרך. 51
6 .3.                  מודלי התנועה לרכב. 52
6 .3.1.                   מבוא. 52
6 .3.2.                   מודל למרווח אופטימלי 52
6 .3.3.                   מודל לנהיגה במהירות מופרזת. 54
6 .3.4.                   מודל לעצירה. 55
6 .3.5.                   מודל להחלפת נתיב. 56
6 .3.6.                   מודל להשפעת הכניסותיציאות על התנועה בדרך. 57
6 .4.                  אלגוריתם לעדכון מיקום הרכב. 58
6 .4.1.                   מבוא. 58
6 .4.2.                   קביעת מטרת התנועה של הרכב. 59
6 .4.3.                   מטרת התנועה – הגעה למרווח אופטימלי 60
6 .4.4.                   מטרת התנועה – השגת מהירות רצויה. 61
6 .5.                  פלט הסימולציה. 64
6 .6.                  דוגמא מעשית – בחינת תוצאות המודל על דרך אמיתית. 65
6 .6.1.                   מבוא. 65
6 .6.2.                   תנאי התחלת הסימולציה. 65
6 .6.3.                   ניתוח התוצאות שהתקבלו מהשטח כקלט לסימולציה. 68
6 .6.4.                   השיטה לבחינת טיב התוצאות שהתקבלו ע"י המודל. 68
6 .6.5.                   בחינת טיב התוצאות שהתקבלו ע"י המודל. 69
6 .7.                  מסקנות ועבודה להמשך. 71
7.             סיכום. 73
8 .             רשימה ביבלוגרפית. 75
רשימה ביבלוגרפית Boxill S.H. and Yu L., “An Evaluation of Traffic Simulation Models for Supporting ITS Development”, Center for Transportation Training and Research, Texas Southern University, Houston, 2000 Dailey D. J.
and Taiyab N., “A Cellular Automata Model for Use with Real Freeway Data”, ITS Research Program, Department of Electrical Engineering, University of Washington, Seattle, Washington, 2002
Kosonen I. and Bargiela A., “Simulation Based Traffic Information System”, Transportation Engineering, Helsinki University of Technology, Hut, Finland Department of Computing, The Nottingham Trent University, Nottingham, UK,
2 003
Kelton, W. D., Sadowski R.P, Sadpwski D. A., “Simulation with Arena”, McGraw-Hill, NY,1998
Law, A.M. and Kelton, W.D., “Simulation Modelling and Analysis”, McGraw-Hill,NY,2000 Maerivoet S. and De Moor B., “Cellular Automata Models of Road Traffic”, Department of Electrical Engineering ESAT-SCD (SISTA), Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, Belgium, 2005
Naylor T.H., Balintfy J.L., Burdick D.S., Chu K., “Computer Simulation Thechniques”, John Wiley & Sons, Inc., NY, 1966
Pursula M., “Simulation of Traffic Systems – An Overview”, Transportation Engineering, Helsinki University of Technology, Hut, Finland,
1 999
Wolfram Stephen, “A New Kind Of Science”,2002
Zeigler B.P., Praehoffer H., Kim T.G., “Theory of Modeling and Simulation“, Academic Press, USA, 2000 ד"ר מיה הרמן – קורס סימולציה – בניית מודלים וניתוחם 22911, האוניברסיטה הפתוחה Edward Lieberman, Ajay K. Rathi ,Traffic Simulatiom איורים איור מספר 1 [11]  :  שלבי תהליך הסימולציה. מנהל עסקים איור מספר 2 [8] :  תהליך קבלת החלטות של הנהג. משפטים איור מספר 3 [1] : ממשק המשתמש של מודל Paramics. 31
איור מספר  4 [6] : משחק החיים. 37
איור מספר 5 [6]  :  סביבות פיזיות שונות של אוטומט תאי (במימד 2). 39
איור מספר 6
[6]   :  שכונות אופיינות באוטומט תאי בעל מבנה פיזי במימד 2  40 איור מספר  7 [9] :  אוטומט כלל 30 וייצוגו הגרפי 41
איור מספר 8 [6] :  סימולציה המדמה נתיב אחד באמצעות אוטומט תאי 43
איור מספר 9 [2] :
פונקציית המרווח האופטימלי 54
איור מספר 10 [2] :
פונקציות ערכי  , ,  כתלות במהירות  56
איור מספר 11 [2] :
האלגוריתם לעדכון מיקום הרכב. 59
איור מספר 12 [2] :
קביעת מטרת התנועה של הרכב. 61
איור מספר 13 [2] :
חישוב המהירות הרצויה,מטרת התנועה השגת מהירות רצויה  63
איור מספר מנהל עסקים [2] :
חישוב התאוצה,עדכון המהירות ומיקום הרכב,מטרת התנועה השגת מהירות  64
איור מספר משפטים [2] :
הכביש שעליו נבחן המודל – כביש מספר I-5
בסיאטל שבוושינטון 67
איור מספר 16 [2] :
מדד אחוז השינוי Q כתלות בערכי   ו – 71