مقاله تحلیل و ارزیابی عملکرد روش کنترل رمپ در آزادراههای شهری با استفاده از نرم افزار Aimsun ( مطالعه موردی محور پل آیت اله صدر حدفاصل خیابان کاوه تا خیابان شریعتی )

بخشی از مقاله

چکیده:

مدیریت حمل و نقل در دو بعد عرضه و تقاضا، با توجه به معضلات کنونی ترافیک شهری از اهمیت ویژهای برخوردار شده و مورد توجه روزافزون مدیران و برنامه ریزان شهری حتی در کشورهای در حال توسعه قرار گرفته است. وجود تراکم در آزادراهها، توانایی برقراری جریان پایدار ترافیک را محدود می سازد. بطور معمول، تراکم، زمانی ایجاد می شود که احجام ترافیکی بطور قابل ملاحظه ای از ظرفیت معبر بیشتر باشدمخصوصاً در ساعات اوج ترافیک و یا در شرایطی که رخداد حوادث نظم جریان ترافیک را مختل می کند.

مدیریت شیب راهههای آزادراه ها از جمله اقدامات مدیریت عرضه حمل و نقل است که با هزینه اندک ، باعث بهبود عملکرد زیرساختهای موجود و استفاده کاراتر از منابع محدود شهری میشود. از آنجا ئیکه عملکرد شبکه معابر آزادراهی متاثر از کاهش سرعت، افزایش احتمال تصادف، افزایش زمان سفر و افزایش آلاینده های وسایل نقلیه در اثر افزایش مصرف سوخت می باشد. لذا سیاست کنترل رمپ نقش بسزایی در نحوه مدیریت ترافیک آزادراهی ایفا می نماید.

بدین منظور ، دراین مقاله اثرات رویکرد کنترل رمپ در جریان متراکم آزادراهی در محور پل آیت اله صدر تحلیل شده و با استفاده از شبیه سازی خردنگر با نرم افزارAimsun ، اقدام به ارزیابی برمبنای شاخص های حجم ، چگالی ، زمان سفر ، زمان تأخیر ، تعداد توقف ها ، سرعت و جریان درساعات اوج صبحگاهی گردیده است . در نتیجه مشخص شد که در اثر اعمال سیاست کنترل رمپ ورودی ، زمان تاخیر به میزان 8,11 درصد کاهش، نرخ جریان 8,50 درصد افزایش، چگالی 8,05 درصد کاهش، زمان توقف 11,67 درصد کاهش، میزان آلاینده ها حدود 12 درصد کاهش و سرعت حدود 8 درصد افزایش یافته است.

مقدمه

شبکه های آزادراهی با فراهم نمودن جریانهای عبوری غیرمنقطع بین مناطق شهری، نقش مهمی را ایفا می نموده و وسایل نقلیه با استفاده از رمپ های ورودی برای ورود به آزادراه ها و رمپ های خروجی برای خروج از آزادراه دسترسی پیدا می کنند. ظرفیت یک آزادراه برپایه تخمین درستی از احجام ترافیکی در نحوه ورود و خروج به آزادراه می باشد. اگرچه در بازه های زمانی اوج، تقاضا به ظرفیت نزدیک می شود بگونه ای که تداخل بین جریانهای ورودی و خروجی وسایل نقلیه در مناطق تداخلی رفته رفته بیشتر می شود و در نهایت به تراکم و قفل شدن ترافیک در بخش هایی از یک آزادراه می انجامد.

دو نوع تراکم و شلوغی وجود دارد: تراکم های مکرر که در ساعات اوج روز رخ می دهد و تراکم های غیرمکرر که مربوط به حوادث غیرمنتظره می باشد. راه حل های اجرایی متفاوتی برای حل مشکل تراکم در آزادراهها وجود دارد که می توان به ابزار کنترل رمپ اشاره نمود. سامانه کنترل رمپ، چراغ های راهنمایی هستند که در محل اتصال رمپ به آزادراه نصب می شوند تا جریان ترافیک را در یک همسایگی با شرایط ترافیک موجود و کنترل احجام رمپ های ورودی و خروجی برپایه یک الگوریتم تنظیم کنند.

از آنجا که مدیریت و کنترل رمپ نسبت به گسترش و اصلاح زیرساخت ها روشی عملی و اقتصادی است و به بهبود تراکم ترافیک در ساعت اوج می انجامد، اجرای آن در ورودی ها امری ضروری و اجتناب ناپذیر است که اجرای آن همچنان در کشور ما نادیده گرفته می شود. هدف اصلی این تحقیق تحلیل و ارزیابی تأثیر کنترل رمپ بر شاخص های ترافیکی مانند زمان تأخیر، سرعت، ظرفیت، سطح سرویس، تداخلات، مصرف سوخت و ... بر اساس شبیه سازی میکروسکوپیک و مقایسه آن با وضعیت موجود - عدم کنترل رمپ - در جدول ها و نمودار های مقایسه ای و مدلسازی نتایج با استفاده از یک مدل رگرسیونی و در انتها تعیین بهترین گزینه شامل بهترین الگوریتم کنترل و متغیر ورودی می باشد.

در این مقاله ابتدا پس از تعریف مساله و اهداف تحقیق، به بررسی مطالعات انجام شده در این خصوص پرداخته ، سپس پس از معرفی انواع روش های متداول برای کنترل رمپ، با استفاده از نرم افزار Aimsun روشهای مذکور بر روی بخشی از پل آیت اله صدر حدفاصل خیابان کاوه تا خیابان شریعتی، پیاده سازی می شود. در نهایت بین روشهای شبیه سازی شده، بهترین روش که دارای بهبود بیشتری در وضعیت شاخص های عملکردی می باشد، به عنوان گزینه برتر معرفی می شود.

-2 مطالعات پیشین

در سال های اخیر سیاست های کنترل رمپ در کشورهای توسعه یافته نقش مهمی را در مدیریت ترافیک ایفا می کنند که علت آن کاربردهای موفق آنها بوده که هم اکنون در شهرهای مختلف سراسر جهان استفاده می شوند. علاوه بر کاهش زمان سفر و آلایندگی های وسیله نقلیه، برخی ویژگی های دیگر کنترل رمپ شامل ایمنی ترافیک و اولویت عبور وسایل نقلیه پرسرنشین در مطالعات L Zhang در سال 2012، گزارش شده است.[1]،[2]

در مطالعه Markos Papageorgiou در سال 2000 از بهبود شرایط ترافیکی با استفاده از الگوریتم های کنترل شیبراهه شامل رویکرد زمان ثابت تا ابزارهای کنترلی بهینه غیرخطی پیچیده و حداقل نمودن زمان کل صرف شده در شبکه توسط وسایل نقلیه، صحبت شده است بگونه ای که در بهترین حالت میزان بهبود تا 6,6 درصد گزارش شده است.[3] بنابراین در دهه های اخیر مطالعات مختلف از سیاست های مختلف کنترل شیبراهه و الگوریتم ها استفاده نموده اند.

به طور کلی سه روش کنترل شیبراهه که می تواند برای محاسبه نرخ کنترل جریان استفاده شوند شامل روش های کنترل ثابت - از پیش تعیین شده - ، واکنش پذیر - کنترل متناسب با ترافیک - و کنترل در سطح شبکه می باشند. الگوریتم های کنترل شیبراهه با زمان ثابت در مطالعه A. Wattleworth در سال 1965 پیشنهاد شده است که نرخ اندازه گیری بصورت آفلاین و برپایه اطلاعات قبلی شرایط ترافیکی استخراج می شوند.

[4] بهرحال نبود اندازه گیری های زمان حقیقی در این حالت، اطلاعات جریان می تواند در شرایط حوادث غیرمکرر، آسیب دیده و درست تخمین زده نشوند. به عبارت دیگر الگوریتم های واکنش پذیر در کنترل شیبراهه ها برای استخراج نرخ های اندازه گیری بر پایه زمان حقیقی و متغیرهای ترافیکی استفاده می شوند که در مطالعه I.Papamichail یک سیاست کنترل رمپ هماهنگ برپایه یک قانون ساده که به عنوان هماهنگ سازی کنترل رمپ ابتکاری3 نیز شناخته شده است، قادر به کنترل هماهنگ دو یا رمپ های متوالی بیشتر می باشد.

در این مطالعه با استفاده از سیاست مذکور و استفاده از نرم افزار شبیه ساز METANET یک آزادراه با دو رمپ ورودی شبیه سازی شده و براساس نتایج شبیه سازی این سیاست در طرح کنترل بهینه واکنش پذیر موثر بوده است. [5] روش های کنترل شیبراهه ها با روش کنترل در سطح شبکه، مدل های پیش بینی شرایط ترافیکی می باشند که هدف آنها شرایط ترافیکی بهینه برای یک شبکه بزرگراهی برپایه مدل پیش بینی تقاضا در یک افق زمانی می باشد.

با استفاده از ساختار کنترلی سلسله مراتبی، سیاست های کنترل متناسب با ترافیک و کنترل در سطح شبکه می توانند برای پیش بینی شرایط ترافیکی بهینه با یکدیگر ترکیب شوند. در مطالعه T.Bellemans یک مدل واکنش پذیر برپایه کنترل رمپ در یک بخش 9 کیلومتری از راه E17 بلژیک استفاده شده است. در مقاطعی که طول های صف مجاز ماکزیمم در ورودی رمپ ها تحمیل شده است، اجرای مدل واکنش پذیر برپایه کنترل رمپ با الگوریتم ALINEA - کنترل بازخور خطی رمپ های ورودی بزرگراه - مقایسه شده است.

نتایج مقایسه نشان می دهد که کنترل رمپ در سطح شبکه عملکرد بهتری از ALINEA در پارامترهای زمان کل صرف شده در شبکه، ماکزیمم طول صف مجاز و جریان ترافیک دارد [6 ]. سیاست های کنترل رمپ واکنش پذیر می تواند به کنترل رمپ محلی و هماهنگ تقسیم شود. سیاست های کنترل رمپ محلی برای یک رمپ بکار برده می شود و شرایط ترافیک را در یک همسایگی از این رمپ لحاظ می کند.

سیاست های کنترل رمپ محلی بدلیل عدم تاثیر بر روی رمپ های مجاور و یا عدم تاثیرپذیری از سایر رمپ ها اجرای آنها راحتتر و کم هزینه تر می باشد. اگرچه الگوریتم های متعددی برای کنترل رمپ های واکنش پذیر توسعه یافته اند که معروف ترین آنها سیاست ظرفیت- تقاضا، درصد اشغال و ALINEA می باشد. برخی از الگوریتم ها مانند الگوریتم منطق فازی از صف های رمپ به عنوان یک بخش انتگرالی برای محاسبه نرخ های کنترل رمپ استفاده می کند.

یک الگوریتم فازی- ژنتیک نیز که در مطالعه A.H.Ghods به آن اشاره شد، به عنوان یک سیاست کنترل رمپ انتگرالی برای مقابله با مشکل کنترل رمپ هماهنگ و محدودیت سرعت متغیر در جایی که به دلیل احجام بالای ترافیکی میزان تراکم کاهش نمی یابد، معرفی شده است.این الگوریتم در 6 کیلومتر راه که به 6 بخش یک کیلومتری تقسیم شده به عنوان مطالعه موردی بکار گرفته شده است. سناریوهای مورد بررسی عبارتند از: فاقد کنترل، کنترل رمپ با استفاده از ALINEA، کنترل رمپ با استفاده از فازی- ژنتیک و کنترل رمپ با استفاده ازفازی- ژنتیک و محدودیت های سرعت که در حالت استفاده از کنترل رمپ فازی- ژنتیک به همراه ALINEA با ثابت نگه داشتن میزان صف زیر مقدار ماکزیمم، بهبود در کل زمان سفر به میزان 15,3 درصد می باشد.

[ 7 ] سه نوع از الگوریتم های شناخته شده کنترل رمپ واکنش پذیر عبارتند از انسداد4، محدوده5و ALINEA که طی مطالعات بعمل آمده در یکی از آزادراههای کالیفرنیا تحت دو سناریوی تراکم مکرر و غیرمکرر، ALINEA در هر دو سناریو شرایط بهتری را نشان داده است. اگرچه استفاده همزمان از ALINEA و روش انسداد یا ناحیه شرایط بهتری را نسبت به استفاده تنها از این الگوریتم نشان می دهد.