УДК 004.9:681.3

АНАЛИТИКО-ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТЫ ГОРОДСКОГО ПАССАЖИРСКОГО ТРАНСПОРТА

Андрей Борисович Николаев, Владислав Сергеевич Стариков

Аннотация

Описана структура аналитико-имитационной модели, позволяющей принимать обоснованные решения по планированию работы городского пассажирского транспорта. Разработана UML-диаграмма, описывающая взаимосвязь классов предложенной модели. Приведено описание основных агентов модели, разработанной в среде имитационного моделирования AnyLogic. Разработан пользовательский интерфейс, обеспечивающий возможность интеграции с ГИС-картой. Также приводятся результаты моделирования, которые позволяют сделать вывод о ее работоспособности и возможности ее использования при решении проблем планирования работы городского пассажирского транспорта.

Ключевые слова: имитационное моделирование, моделирование дорожного движения, AnyLogic, городской общественный транспорт

ANALYTICAL AND SIMULATION PLANNING MODEL OF URBAN PASSENGER TRANSPORT

Andrey Borisovich Nikolaev, Vladislav Sergeyevich Starikov

Abstract

Described the structure of the analytical and simulation models to make informed decisions in the planning of urban passenger transport. Designed UML diagram that describes the relationship of classes of the proposed model. A description of the main agents of the model developed in the simulation AnyLogic. Designed user interface integration with GIS map. Also provides simulation results that allow concluding about her health and the possibility of its use in solving planning problems of urban passenger transport.

Keywords: simulation, traffic simulation, AnyLogic, urban public transport

ВведениеВ настоящее время остается проблема движения наземного транспорта в крупных

городах. Она возникает вследствие различных случайных факторов: различные интенсивности пребывания пассажиропотока, неравномерная загрузка транспорта. Также возможно нерациональное построение транспортного маршрута [1]. Важными задачами

являются также задача определения количества единиц подвижного состава для обслуживания пассажиров, и задача анализа качества обслуживания пассажиров [2].

При решении указанных задач целесообразно использовать аппарат аналитико-имитационного моделирования. В общем случае имитационное моделирование позволяет решить множество проблем: анализировать и прогнозировать различные случаи, подбирать необходимые параметры. Любые имитационные модели предоставляют возможность провести различные эксперименты, даже если невозможно воплотить их в реальности [3].

Актуальность данной работы состоит в том, что до реализации проекта аналитико-имитационное моделирование позволяет облегчить принятие решений в области планирования и управления городским пассажирским транспортом.

1. Описание объектов для построения моделиВ задаче планирования городских пассажирских перевозок существуют следующие

объекты: пассажиры, общественный транспорт, остановочные пункты, парк. Эти объекты имеют следующие параметры: предполагаемая интенсивность прибытия пассажиров, количество транспортных средств, пассажировместимость, интервал отправления транспорта. В результате решения задачи планирования городских пассажирских перевозок наземным транспортом определяются маршруты движения и интервалы движения транспортных средств. При этом учитывается начало и окончание времени движения транспорта по заданному маршруту и фактическое наличие транспортных средств в парке. Кроме того, учитывается продолжительность работы транспорта, который после окончания смены возвращается в парк. В экстренных случаях смена может быть закончена досрочно.

Для определенного маршрута имеется последовательность остановочных пунктов. Маршрут имеет два направления: прямое и обратное. Выпуск транспортных средств из парка происходит через определенные интервалы времени. Транспортное средство на каждой остановке производит посадку и высадку пассажиров. Интенсивность прибытия пассажиров на остановочные пункты зависит от времени суток. По окончании работы транспорта на конечной остановке, после которой он будет следовать в парк, осуществляется только высадка всех пассажиров. После этого транспортное средство направляется в парк. По прибытию в парк происходит сдача технического средства.

2. Построение UML-диаграммыДля разработки структуры моделей необходимо представить каждый объект в

наглядном виде. Наиболее удобным и наглядным средством является представление в виде диаграммы классов (UML-диаграммы) [4-6].

Далее в таблице 1 приводится описание функции каждого класса, представленного на рисунке 1.

Таблица 1 – Описание классов

Название класса ОписаниеПарк Моделирует выпуск транспорта из парка, а также его прибытие.

Интервал выпуска предполагает период времени, через который

транспорт выйдет из парка и начнет работу.Транспорт Выполняет движение объекта по заданному маршруту. Кроме

того, обслуживает пассажиров на остановочных пунктах: посадка и высадка.

Маршрут Содержится последовательность остановочных пунктов.Пассажир Моделирует ожидание прибытия транспорта, посадка и высадка

из него.

На рисунке 1 приводится диаграмма классов. На ней указаны связи между классами.

Рисунок 1 – UML-диаграмма

3. Реализация аналитико-имитационной моделиДля реализации данной задачи используется программное обеспечение AnyLogic 7.

AnyLogic является инструментом имитационного моделирования, который поддерживает множество подходов для создания имитационных моделей [7-8]:

‒ дискретно-событийный‒ системно-динамический‒ агентный.

Данное средство позволяет сочетать другие подходы.В нашем случае будет рассмотрено два подхода моделирования: агентный и

дискретно-событийный.Данная модель состоит из различных типов агентов. Перечислим их:

1. Парк.2. Пассажир.3. Остановочный пункт.4. Транспорт.Каждый тип агента выполняет различные функции.Кроме вышеперечисленных типов, в модели присутствует головной модуль,

который выполняет имитационное моделирование.

На рисунке 2 показаны типы агентов, реализованные в среде AnyLogic.

Рисунок 2 – Реализованные типы агентовВ статье будут описаны те типы агентов, которые имеют особенности в реализации [9-10].

3.1 Агент «Парк»Здесь, на рисунке 3, приводятся элементы, моделирующие следующие процессы:

занятие ресурса и выпуск из парка, прибытие ресурса в парк и его освобождение. В нашем случае ресурсом является транспорт.

Рисунок 3 – Элементы для моделирования работы в транспортном парке3.2 Агент «Остановочный пункт»Данный тип агента позволяет моделировать остановочный пункт. Он может

осуществлять прибытие пассажиров в пункт ожидания. Также позволяет моделировать прибытие транспорта, посадки и высадки пассажиров.

Также имеются элементы, моделирующие различные процессы: прибытие ожидающих транспорт пассажиров в пункт, прибытие транспорта в пункт, высадка и посадка пассажиров, убытие пассажиров из пункта, выход транспорта из пункта. Схема элементов показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Элементы для моделирования работы в транспортном парке

3.3 Агент «Транспорт»С помощью этого типа агента можно моделировать движение транспорта. Он

осуществляет выход из парка и прибытие в него, прибытие в остановочный пункт и убытие из него, посадка и высадка пассажиров.

Чтобы моделировать сложный процесс, разработана диаграмма состояний, показанная на рисунке 5.

Слева показана диаграмма состояний режима работы транспорта. Начальное состояние является “work”. Он является нормальным рабочим режимом. Через некоторое время, когда рабочее время подойдет к концу, переходит в состояние “goingToPark”. Данное состояние позволяет следовать в парк по окончании работы.

Справа показана диаграмма состояний действия транспорта. Сначала происходит подготовительные этапы (prepare). После этого начинается цикл действий, состоящих из движения (go) и остановки (stop). Цикл будет продолжаться до тех пор, пока транспорт не будет следовать в парк (goToPark) после остановки.

Рисунок 5 – Диаграммы состояний

3.4 Реализация головного модуля моделиГоловной модуль аналитико-имитационный модели включает в себя совокупность

объектов. Основным элементом, выполняющим большую роль, является ГИС-карта. С ней связаны множество объектов: с ее помощью можно больше информации. Головной модуль выполняет общее аналитико-имитационное моделирование.

С помощью ГИС-карты возможно наблюдать наглядное анимационное моделирование: процесс работы транспорта, расположение остановочных пунктов и парка.

Образец ГИС-карты приводится на рисунке 6.

Рисунок 6 – ГИС-карта

4. Разработка пользовательского интерфейса моделиПосле разработки всей модели проектируется пользовательский интерфейс типа

«Эксперимент». Исходными данными являются маршрут, интенсивность прибытия пассажиров, координаты парка и координаты остановочных пунктов маршрута, количество единиц техники в парке, время работы, пассажировместимость и интервал выпуска транспорта из парка [11].

Рисунок 7 – Интерфейс «Эксперимент»На рисунке 8 представлены результаты визуализации маршрута на ГИС-карте. На

ней показаны движение транспорта по заданному маршруту и различные остановочные пункты.

Рисунок 8 – Визуализация маршрута на ГИС-карте

5. Результаты моделирования

Разработанная модель позволяет получить различные результаты. На рисунке 9 приводятся столбчатые диаграммы количества ожидавших пассажиров на остановках в момент времени.

Рисунок 9 – Столбчатые диаграммыНа рисунке 10 показан временной график ожидающих пассажиров на заданном

остановочном пункте.

Рисунок 10 – Временной график ожидающих пассажиров в остановочном пункте

На рисунке 11 показан временной график количества заполненных мест в заданном транспорте.

Рисунок 11 – Временной график заполнения мест транспортаНа основании анализа представленных на рисунках 10-11 графиков можно

предположить, что для данного маршрута система не перегружена, транспортный поток справляется.

Выборочно рассмотрим подробный результат моделирования, то есть график в течение всего моделирования.

На рисунке 12 приводится модельной график количества пассажиров в транспорте в течение всего моделирования. Модельное время приводится в часах.

Рисунок 12 – Модельный график количества пассажиров в транспортеНа основании рисунка 12 можем предполагать, что вместимость транспорта вполне

достаточная. Справляется даже в пиковые нагрузки.

Для анализа средней интенсивности прибытия пассажиров на рисунках 13-14 приводятся графики ожидающих пассажиров на остановочных пунктах. Случайным образом выбрана одна остановка в двух направлениях

Рисунок 13 – Модельный график количества ожидающих пассажиров на остановочном пункте (прямое направление)

Рисунок 14 – Модельный график количества ожидающих пассажиров на остановочном пункте (обратное направление)

На основании результата, можно сделать вывод о том, что транспорт успевает обсуживать пассажиров. Временной интервал в данном случае является приемлемым.

На рисунке 15 приводятся обобщенные результаты модельных графиков.

Рисунок 15 – Обобщенные модельные графикиПо результатам моделирования для данного маршрута видно, что графики сильно

коррелируют друг с другом.

ЗаключениеВ статье предложена и исследована модель работы наземного пассажирского

транспорта. Она может применяться в научно-исследовательских организациях, занимающихся транспортными проблемами. Благодаря этой разработке можно решить некоторые проблемы транспортных потоков. Приложение AnyLogic 7 позволяет произвести имитационное моделирование с помощью ГИС-карты и получить необходимые результаты. Данная модель позволяет:

1. Анализировать эффективность маршрута2. Определить маршрут движения городского пассажирского транспорта.3. Определить интенсивность прибытия пассажиров на каждый час.4. Задать параметры, влияющие на характеристики транспортных потоков.5. Подобрать параметры для достижения наилучших результатов.6. Просмотреть в динамике движение транспорта на ГИС-карте.

Список информационных источников

1. Основы теории транспортных систем: учеб. пособие / А. Э. Горев; СПбГАСУ. – СПб. 2010. – 214 с.

2. Организация и управление пассажирскими автомобильными перевозками / И.В, Спирин – 8-е изд., перераб. – М: Издательский центр «Академия», 2014. – 400 с.

3. Введение в математическое моделирование транспортных потоков: Учебное пособие / Издание 2-е, испр. и доп. А.В. Гасников и др. Под ред. А.В. Гасникова. — М.: МЦНМО, 2013.

4. UML Infrastructure Specification, v2.25. Modelio Open Source Community [сайт]. URL: www.modelio.org.6. BPMN Specification. URL: http://www.bpmn.org/7. «Anylogic» – программа имитационного моделирования.

URL: www.anylogic.ru8. Ilya Grigoryev. AnyLogic 7 in Three Days. Second Editon – 20159. Иванова Г.С. Технология программирования: учебник / Г.С. Иванова. — М.:

КНОРУС, 2011. — 336 с.10. Сайт о программировании [сайт]. URL: http://metanit.com/java/11. Транспортное планирование: создание транспортных моделей городов:

монография / М.Р. Якимов. – М.: Логос, 2013. – 188 с.

Николаев Андрей Борисович – Российская Федерация, дважды Лауреат премии правительства РФ, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизированные системы управления», ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», 125319, Российская Федерация, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, Тел.: +7 (499) 151-64-12, http://www.madi.ru, nikolaev.madi@mail.ru

Стариков Владислав Сергеевич – магистр кафедры «Автоматизированные системы управления», ФГБОУ ВО Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ).