Моделирование и прогнозирование движения транспортных потоков на перекрестке Шоссе Космонавтов – ул. Промышленная

Объектом исследования является участок, включающий двухуровневую «клеверную» развязку между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и круговую развязку улиц Промышленная, Оверятская и Шоссе Космонавтов. На рисунке 1 приведен снимок со спутника исследуемого участка.

Рис.1. Рассматриваемый участок УДС. Снимок сделан со спутника

Исследуемый участок имеет большое значение для транспортной сети города, так как он обеспечивает доступ из центра города к крупным промышленным предприятиям и к аэропорту. Кроме того, исследуемую область пересекает Западный обход города, по которому проходит транзитный транспорт. Вследствие того, что рассматриваемая область является крупным связующим транспортным звеном, на ней наблюдается большая интенсивность транспортных потоков в часы пик.
Рассмотрим каждое из пересечений более подробно.

Круговая развязка Промышленная – Шоссе Космонавтов – Оверятская

При проезде исследуемой круговой развязки затруднено движение транспортного потока, следующего по улице Оверятской с северо-западного направления прямо и поворачивающего с северо-восточного направления ул. Шоссе Космонавтов на ул. Промышленную. Данная ситуация складывается в результате того, что поток, следующий по ул. Шоссе Космонавтов двигается непрерывно и имеет большую интенсивность, а транспортные средства, следующие по ул. Оверятской, согласно существующей расстановке дорожных знаков, должны уступать им дорогу. В результате этого на улице Оверятской непосредственно перед круговой развязкой в утренние (08.30-09.30) и вечерние часы пик (18.00-19.00) образуются заторы.
В качестве основы для создания модели существующей организации движения на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов является проект, созданный в программном комплексе VStreets.

Рис.2 Существующая схема организации движения на круговой развязке по ул. Промышленной, смоделированная в программном комплексе PTV Vision VISSIM.

Двухуровневая «клеверная» развязка между Западным обходом и Шоссе Космонавтов

Двухуровневая «клеверная» развязка соединяет между собой Западный обход и ул. Шоссе Космонавтов. Рассматриваемая развязка служит для разворотного маневра транспортных средств, следующих из города в Администрацию Пермского района, расположенную в непосредственной близости от ул. Шоссе Космонавтов (на участке между круговой и «клеверной» развязкой), а также для транспортных средств, следующих из д. Кондратово в центр города. На сегодняшний день конфигурация «клеверной» развязки позволяет справиться с существующей пиковой нагрузкой, поэтому проблем связанных с проездом данного транспортного узла не возникает.
Исходными материалами для моделирования «клеверной» развязки стал проект организации дорожного движения автомобильной дороги «Мостовой переход через р. Кама», предоставленный Министерством транспорта Пермского края.

Рис. 3 Существующая схема организации движения на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов, смоделированная в программном комплексе PTV Vision VISSIM

Светофорное регулирование

На ул. Шоссе Космонавтов между круговой развязкой на ул. Промышленной и «клеверной» развязкой установлен светофор, который дает возможность перейти проезжую часть пешеходам, и отсекает плотный поток, движущийся по ул. Шоссе Космонавтов. На рисунке 4 приведена схема расстановки светофорных головок и фазы их переключения.

Рис.4. Светофорное регулирование на ул. Шоссе Космонавтов между круговой развязкой на ул. Промышленной и «клеверной» развязкой

Светофорное регулирование осуществляется в двухфазном режиме. Первая группа сигналов разрешает движение пешеходам, вторая группа сигналов предназначена для регулирования движения транспортного потока, следующего по ул. Шоссе Космонавтов. Общая продолжительность цикла светофорного регулирования составляет 96 секунд.

Существующие интенсивности движения

Данные об интенсивностях транспортных потоков в утренний и вечерний часы пик, полученные в результате натурных замеров, на исследуемом участке, были предоставлены Министерством транспорта Пермского края Информация о полученных интенсивностях движения транспортных потоков на исследуемом участке представлена на рисунках 5 и 6.

Рис. 5. Интенсивности движения транспортных потоков (шт./ч) на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов в утренний час пик (08.30-09.30)

Рис. 6. Интенсивности движения транспортных потоков (шт./ч) на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов в вечерний час пик (18.00-19.00)

Разработка проектных вариантов по изменению организации дорожного движения на перекрестке ул. Промышленная – Шоссе Космонавтов

С целью оптимизации схемы проезда исследуемого участка Департаментом дорог и транспорта Администрации города Перми были предложены три проектных варианта организации дорожного движения.

Вариант 1

Проектный вариант по изменению организации дорожного движения на перекрестке ул. Промышленная – Шоссе Космонавтов – ул. Оверятская предусматривает запрет движения для транспортных средств, следующих по улице Оверятская с северо-западного направления прямо и налево. Таким образом, все транспортные средства, двигающиеся с северо-западного направления ул. Оверятская, направятся на «клеверную» развязку между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов.

Вариант 2

В проектном варианте 2 было предложено так же, как и в первом варианте, запретить движение транспортных средств, следующих по улице Оверятская с северо-западного направления. Но в отличие от первого варианта, транспортный поток, следующий с ул. Оверятской в центр города или на ул. Промышленную, предполагается направить не на «клеверную» развязку, а на разворот, который располагается в 80 метрах до въезда в д. Кондратово.

Вариант 3

Основная идея третьего проектного варианта – возведение эстакады над ул. Шоссе Космонавтов. Эстакада предназначена для транспортных средств, следующих прямо через круговую развязку по ул. Шоссе Космонавтов. Эстакада над круговой развязкой начинается от моста через р. Мулянку и имеет длину 300 м.

Макромоделирование проектных сценариев

На данном этапе работ предусматривается изменение транспортной сети города на исследуемом участке в соответствии с проектными вариантами и определение прогнозных интенсивностей.
Моделирование проводилось на макромодели города Перми, реализованной в программном комплексе PTV Vision® VISUM.
Интенсивности в существующей модели были откалиброваны на основе натурных данных, полученных от Министерства транспорта Пермского края, и приведены на рисунке 5 для утреннего часа пик (08.30-09.30) и рисунке 6 для вечернего часа пик (18.00-19.00).
В ходе макромоделирования были получены прогнозные данные о распределении транспортных потоков при изменении улично-дорожной сети в соответствии с проектным Вариантом 1. Прогнозные интенсивности, полученные для Варианта 1, представлены на рис. 7 и 8. Макромоделирование показало, что изменение организации движения на рассматриваемом участке в соответствии с Вариантом 1 приведет к существенному изменению перераспределения транспортных потоков на всей улично-дорожной сети города.

Рис. 7. Прогнозируемые интенсивности движения транспортных потоков (шт./ч) на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов в утренний час пик (08.30-09.30) для Варианта 1

Рис. 8. Прогнозируемые интенсивности движения транспортных потоков (шт./ч) на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов в вечерний час пик (18.00-19.00) для Варианта 1

Далее приведены фрагменты картограмм разностей интенсивностей движения транспортных потоков для проектного варианта 1 и для существующей ситуации на исследуемом участке УДС. Красным цветом выделены участки, где интенсивность уменьшилась, зеленым цветом – где интенсивность, напротив, увеличилась. На рисунке 9 приведена картограмма разности интенсивностей движения транспортных потоков движения в исследуемой области.

Рис. 9. Картограмма разностей между интенсивностями движения транспортных потоков (шт./ч) проектного варианта 1 и существующими интенсивностями на исследуемом участке в утренний час пик (08.30-09.30)

На представленных картограммах видно, что заметно уменьшилась нагрузка на ул. Промышленную и увеличилась нагрузка на «клеверную» развязку. Макромоделирование также помогло выявить, что перераспределение транспортных потоков произошло не только на исследуемом участке, но и на других участках УДС города. Далее приведены картограммы разностей (рис. 10, 11, 12), где произошли наибольшие изменения. Красным цветом выделены участки, где интенсивность движения транспортных потоков увеличилась, зеленым цветом – уменьшилась.

Рис. 10. Картограмма разностей между интенсивностями движения транспортных потоков (шт./ч) проектного варианта 1 и существующими интенсивностями на крупной развязке ул.Подлесная, Советской Армии, Малкова и Шоссе Космонавтов

Рис. 11. Картограмма разностей между интенсивностями движения транспортных потоков (шт./ч) проектного варианта 1 и существующими интенсивностями в центральной части города в непосредственной близости от Центрального рынка

Рис. 12. Картограмма разностей между интенсивностями движения транспортных потоков (шт./ч) проектного варианта 1 и существующими интенсивностями в микрорайоне Нагорном на перекрестке ул. Свиязева – Леонова

Картограммы разности интенсивностей транспортных потоков, представленные на рисунках 10-12, показывают, как изменилось транспортное движение в городе. В частности увеличилась нагрузка на ул. Подлесную. На ул. Подлесная в настоящее время возникают существенные задержки. Также возрастает нагрузка на ул. Леонова, поскольку на ул. Леонова на участке от ул. Ш.Космонавтов до ул. Свиязева есть много узких мест по одной полосе движения в одном направлении.
Для моделирования Варианта 2 использовались те же интенсивности движения транспортных потоков, что и в существующем сценарии, так как наличие разворота неподалеку от круговой развязки предполагает, что разворот будет расцениваться как полноценная замена закрытому участку. Поэтому для микромоделирования Варианта 2 использовались интенсивности движения транспортных потоков, приведенные на рисунках 5 и 6.
Интенсивности движения транспортных потоков для Варианта 3 были промоделированы на макромодели. Картограммы, полученных интенсивностей движения транспортных потоков, для утреннего (08.30-09.30) и вечернего часа пик (18.00-19.00), приведены на рисунках 13 и 14.

Рис. 13. Прогнозируемые интенсивности движения транспортных потоков (шт./ч) на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов в утренний час пик (08.30-09.30) для Варианта 3

Рис. 14.Прогнозируемые интенсивности движения транспортных потоков (шт./ч) на двухуровневой развязке между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов и на круговой развязке ул. Промышленная – ул. Шоссе Космонавтов в вечерний час пик (18.00-19.00) для Варианта 3

Следует отметить, что интенсивность движения транспортных потоков с восточного направления улицы Шоссе Космонавтов на данном участке в вечерний час пик по сравнению с существующей ситуацией заметно возросла. На рисунке 15 отображена картограмма разности интенсивностей движения транспортных потоков для Варианта 3 и для существующей ситуации.

Рис. 15. Картограмма разностей между интенсивностями движения транспортных потоков (шт./ч) проектного варианта 3 и существующими интенсивностями на исследуемом участке в вечерний час пик (18.00-19.00)

Микромоделирование

Создание имитационных моделей осуществлялось в программном комплексе PTV Vision VISSIM.

Вариант 1

На рисунке 16 представлен проектный вариант 1 организации дорожного движения на круговой развязке ул. Шоссе Космонавтов – ул. Промышленная.
Светофорное регулирование на моделируемом участке в проектном Варианте 1 совпадает со светофорным регулированием в существующей ситуации. (Схема переключения фаз светофорного регулирования отображена на рисунке 4.) Интенсивности для утреннего и вечернего часа пик были получены при прогнозировании на транспортной модели города Перми (рисунки 7 и 8).
Светофорное регулирование на моделируемом участке в проектном варианте 1 совпадает со светофорным регулированием, предусмотренным для существующей ситуации. Интенсивности для утреннего и вечернего часа пик были получены при прогнозировании на транспортной модели города Перми (рисунки 7 и 8).

Рис. 16. Вариант 1. Проектная схема организации дорожного движения на круговой развязке по ул. Промышленной, смоделированная в программном комплексе PTV Vision VISSIM

Вариант 2

Второй проектный вариант организации дорожного движения на круговой развязке ул. Шоссе – ул. Промышленная показан на рисунке 2.17.

Светофорное регулирование в Варианте 2 совпадает со светофорным регулированием, предусмотренным для существующей ситуации.
Для моделирования Варианта 2 использовались те же интенсивности движения транспортных потоков (в утренний и вечерний час пик), что и в существующем сценарии, так как макромоделирование для этого проектного варианта не проводилось.

Рис. 17. Вариант 2. Проектная схема организации движения на участке круговой развязке по ул. Промышленной, смоделированная в программном комплексе PTV Vision VISSIM

Вариант 3

Фрагмент имитационной модели варианта 3, реализованный в программном комплексе PTV Vision VISSIM, представлен на рисунке 18.
Для моделирования третьего варианта использованы интенсивности движения транспортных потоков, полученные в результате макромоделирования (представлены на рисунках 13 и 14). Светофорное регулирование в рассматриваемом варианте не отличается от существующего.

Рис. 18. Вариант 3. Проектная схема организации движения на круговой развязке по ул. Промышленной, смоделированная в программном комплексе PTV Vision VISSIM

Анализ результатов моделирования

Анализ результатов макромоделирования

Макромоделирование на транспортной модели города Перми было проведено для проектного варианта 1 и варианта 3. Для того чтобы определить как скажется перераспределение транспортных потоков на общей ситуации в городе, был проведен сравнительный анализ среднего времени реализации транспортных корреспонденций на макромодели для существующей ситуации и проектных сценариев. Результаты анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1
Среднее время реализации транспортных корреспонденций

В ходе сравнительного анализа было выявлено, что при организации дорожного движения в соответствии с проектным вариантом 1 в макромодели наблюдается увеличение среднего времени реализации транспортных корреспонденций на 0,1562171 минуты по сравнению с существующей ситуацией. Разница в 0,1562171 между вариантом 1 и вариантом 3* является существенной, поскольку *общая задержка всех транспортных корреспонденций в сутки составит 4426,15 часов (1700 транспортных корреспонденций совершается в городе в течение суток).
Данная ситуация возникает из-за того, что увеличивается нагрузка на другие транспортные узлы города. Поскольку движение в прямом направлении будет запрещено, транспортные средства, которым необходимо двигаться по направлению из центра города, будут осуществлять движение не по ул. Промышленной, как это осуществлялось ранее, а по ул. Леонова через микрорайон Нагорный.
Реализация проектного Варианта 3, напротив, уменьшает среднее время реализации корреспонденции на 0,06379458 мин. Таким образом, общее время задержки транспортных корреспонденций сокращается на 1807,51 часов.
Таким образом, макромоделирование показало, что Вариант 3 является наиболее предпочтительным для реализации, так как положительно сказывается на среднем времени реализации транспортных корреспонденций.
Анализ результатов микромоделирования
Сравнительный анализ результатов моделирования существующей и трех проектных схем организации дорожного движения проводился по следующим параметрам:
• Среднее время задержки всех транспортных средств (с) – среднее арифметическое время задержки транспортных средств. Время задержки вычисляется для каждого транспортного средства путем вычитания из теоретического (идеального) значения времени в пути, реально полученного значения времени в пути.
• Средняя скорость транспортных потоков (км/час) – среднее арифметическое скоростей всех транспортных средств на участке сети в ходе имитации.
• Полное время в пути (час) – сумма времени, затраченного транспортными средствами на проезд участка сети.
• Общее время задержки (час) – сумма времени задержки всех транспортных средств на участке сети в ходе имитации.
• Общее время остановок (час) – сумма времени, затраченного транспортными средствами на остановки.
• Количество остановок – число остановок, совершенное всеми транспортными средствами в ходе имитации.
• Количество транспортных средств в сети – среднее количество транспортных средств, постоянно находящихся в сети.
• Количество выехавших транспортных средств – определяет количество транспортных средств, покинувших моделируемый транспортный узел за час в каждом возможном направлении.
• Среднее число остановок транспортного средства – среднее арифметическое число остановок транспортных средств за время имитации.
Анализ проводится с 400-й секунды после начала имитации.
В таблицах 2 и 3 приведены результаты моделирования для утреннего и вечернего часа пик.

Таблица 2.
Анализ результатов моделирования для утреннего часа пик (08.30-09.30)

Таблица 3
Анализ результатов моделирования для вечернего часа пик (18.00-19.00)

Из представленных результатов сравнительного анализа видно, что проектный вариант 2 по всем показателям уступает двум другим проектным вариантам организации дорожного движения и существующей ситуации, так как транспортные средства, следующие прямо по ул. Шоссе Космонавтов вынуждены ждать, пока транспортные средства, стоящие на разворот, завершат запланированный маневр.
В Варианте 3 суммарный входящий поток транспортных средств в вечернее время суток гораздо больше, чем во всех остальных вариантах. Возведение эстакады на данном участке повысило привлекательность данного узла, в особенности с восточного направления по ул. Шоссе Космонавтов. Данное изменение организации дорожного движения позволяет уменьшить количество конфликтных точек на данном участке УДС, кроме того, транспортные средства могут двигаться в одном скоростном режиме, нет необходимости резко снижать скорость, пропускная способность узла также увеличится.

Выводы

В ходе исследования было проведено моделирование и сравнительный анализ существующей и проектных схем организации дорожного движения на участке от круговой развязки улиц Шоссе Космонавтов и Промышленной, включая двухуровневую развязку Западный обход и ул. Шоссе Космонавтов.
Работы проводились в два этапа. Первый этап работ включал в себя исследование вариантов организации движения на макроуровне. Моделирование на макроуровне необходимо для получения прогнозных интенсивностей движения транспортных потоков, а также для изучения перераспределения транспортных потоков в городе. Поскольку изменение характера движение на ул. Шоссе Космонавтов повлечет изменения в характере движения во всем городе в целом.
Проектный вариант 1 оказался неприемлемым, в результате сравнительного анализа вариантов выяснилось, что реализация проектного варианта 1, увеличит транспортную нагрузку на ул. Шоссе Космонавтов, а также на центр города. Проработка 3 варианта на транспортной модели города показало, что интенсивность возрастет с восточного направления ул. Шоссе Космонавтов. При этом уменьшается нагрузка на центр города.
При анализе первого варианта на макромодели города выяснилось, что среднее время задержки транспортных корреспонденций заметно увеличилось по сравнению с существующей ситуацией, а в третьем варианте наоборот уменьшилось. Следовательно, Вариант 3 является наиболее предпочтительным для реализации.
На втором этапе работ проводилось имитационное моделирование исследуемого участка. Анализ результатов микромоделирования показал, что Вариант 1 является наилучшим по всем показателям. Вариант 3 также имеет неплохие показатели, даже при условии, что входящий поток с ул. Шоссе Космонавтов с восточного направления в вечерний час пик (18.00-19.00) больше чем в других вариантах .
Следует отметить, что двухуровневая развязка справляется с нагрузкой, прогнозируемой во всех рассмотренных проектных вариантах. В ходе микромоделирования существенных проблем с проездом транспортных средств по «клеверной» развязке выявлено не было.
Таким образом, с учетом результатов сравнительного анализа макромоделирования и микромоделирования, наиболее предпочтительным проектным вариантом на участке, включающем круговое пересечение ул. Шоссе Космонавтов – ул. Промышленной и двухуровневую развязку между Западным обходом и ул. Шоссе Космонавтов, является Вариант 3. Возведение эстакады на данном участке позволит транспортным средствам, следующим по ул. Шоссе Космонавтов беспрепятственно проезжать данный участок, минуя круговое пересечение, и тем самым не задерживать транспортный поток, направляющийся с ул. Промышленной и ул. Оверятскую. Также Вариант 3 сократит общее время реализации транспортных корреспонденций в городе примерно на 1807,51 часов, что положительно скажется на ситуации в центре города.