با توجه به افزایش روز افزون استفاده از ابزار شبیه سازي در مهندسی حمل و نقل و در پی آن ارزیابی سیستمهاي کنترلی جریان ترافیک ، استفاده از این ابزار در ارزیابی عملکرد کنترل شیبراهه ها نیز رو به افزایش است.کنترل شیبراهه می تواند در ساعاتی که ترافیک مسیر اصلی مقداري نزدیک به حد ظرفیت دارد از طریق کاهش تداخلات و تغییر خطهاي حاصل از جریان ورودي و همچنین کاهش حجم تردد نهایی از مسیر ، سطح خدمت دهی مسیر اصلی را افزایش دهد. با توجه به این موضوع که یکی از مهمترین مشکلات ناشی از ورود جریان از شیبراهه به مسیر اصلی بروز تداخلات و نهایتا گلوگاه در مسیر اصلی است با اتخاذ تدابیر صحیح در کنترل شیبراهه می توان رخداد گلوگاه در مسیر را کاهش چشمگیري داد.

در این تحقیق با استفاده از ابزار شبیه سازي AIMSUN و تخصیص پارامترهاي مربوط به منطقه مورد بررسی ، بروز گلوگاه در پنج نوع از روشهاي متداول کنترل شیبراهه مورد ارزیابی قرار می گیرد که بر اساس نتایج حاصل ، تعبیه گلوگاه در محل رمپ می تواند تاثیر بسیار چشمگیرتري نسبت به سایر تدابیر بر روي کاهش گلوگاه در مسیر اصلی داشته باشد.

کلید واژه ها : شبیه سازي ، کنترل شیبراهه ، آلینا ، گلوگاه

-۱ مقدمه:

با افزایش جمعیت شهرها نیاز به مهندسی تردد و حمل و نقل افزایش یافته است و در این میان با

توجه به نقش بزرگراههاي شهري در تسهیل تردد وسایل نقلیه ، بکارگیري ابزارهاي مهندسی هم در

مرحله برنامه ریزي و هم در مرحله کنترل تردد بزرگراهها می تواند نقشی موثر در ارتقاء سطح کیفی خدمات این زیرساختها داشته باشد.

در این میان یکی از مهمترین ابزارهاي کنترل وضعیت بزرگراهی در ساعات اوج سیستم ، کنترل شیبراهه (Ramp metering) می باشد که می تواند در ساعاتی که ترافیک مسیر اصلی مقداري نزدیک به حد ظرفیت دارد از طریق کاهش تداخلات و تغییر خطهاي حاصل از جریان ورودي و همچنین کاهش حجم تردد نهایی از مسیر ، سطح خدمت دهی مسیر اصلی را افزایش دهد. با توجه به این موضوع که یکی از مهمترین مشکلات ناشی از ورود جریان از شیبراهه به مسیر اصلی بروز تداخلات و نهایتا گلوگاه در مسیر اصلی است ، لذا در این تحقیق با استفاده از ابزار شبیه سازي AIMSUN که ابزاري نوین در ارزیابی کنترل شیبراهه ها می باشد و تخصیص پارامترهاي مربوط به منطقه مورد بررسی ، بروز گلوگاه در پنج نوع از روشهاي متداول کنترل شیبراهه مورد ارزیابی قرار می گیرد .[۱]

به منظور ارزیابی بروز گلوگاه و همچنین کمی نمودن میزان رخداد گلوگاه، در این تحقیق پارامتري تحت عنوان تفاوت درصد اشغال یا (OCD) تعریف شده و براي هر یک از سناریوها شبیه سازي گردید و نهایتا بهترین سناریو از دید رخداد گلوگاه در مسیر اصلی شناسایی گردیده است.

-۲ منطقه مورد بررسی و کالیبراسیون مدل :

یکی از مهمترین وروديهاي بزرگراه شهید چمران که در ساعات اوج ترافیک عمدتا ایجاد مشکل مینماید، ورودي خیابان یمن به این بزرگراه بوده است که با توجه به حجم بالاي عبور خودروها و تلاش درصدي از این خودروها براي استفاده از دوربرگردان موجود در بزرگراه و ایجاد نقاط تلاقی فراوان در این بخش ، در این قسمت شاهد افزایش تراکم در بالادست جریان هستیم. شکل ۱ تصویر هوایی رمپ مورد بررسی را نشان میدهد.

شکل : ۱ محل رمپ مورد بررسی خیابان یمن

در برخی از مواقع ، نیروهاي پلیس با حضور در این بخش با ایجاد انسدادهاي موقتی حرکت خودروها را محدود نموده و جریان ترافیک موجود در بزرگراه را روانتر میسازد. بر اساس پرسشهاي به عمل آمده از نیروهاي محلی پلیس، با توجه سلیقهاي و تجربی بودن این عملیات نیاز به بررسی علمی این

بخش کاملا محسوس میباشد. برداشت جریان ترافیک علاوه بر اطلاعات بیان شده در نقشه هاي سازمان حمل و نقل و ترافیک شهرداري تهران ، به صورت جداگانه با نصب دوربینهاي با کیفیت بالا در محل بزرگراه انجام گرفت که با توجه به تصاویر حاصل شده از میدان دید دوربینها ، در بازه برداشت تمامی لینها در تمامی طول مقطع مورد بررسی در تصاویر ضبط شده قابل بررسی می باشند. [۲ ]
تعداد خودروهاي عبوري ، بر اساس فیلمهاي برداشت شده از منطقه شمارش شده و میانگین آن محاسبه گردید. از این داده هاي حاصل از شمارش جریان به منظور تعیین تعداد ورودي خودروها به مدل استفاده شد که علاوه بر شمارش خودروها ، با در نظر گرفتن شاخصهاي تصویري با طولهاي مشخص که در تمامی فیلمها موجود هستند ، قابلیت تعیین سرعت خودروها به وجود آمد.

همچنین براي تخمین زمان عکس العمل در حالت توقف ۴۰ خودرو مورد بررسی قرار گرفتند. زمان عکس العمل در حالت توقف به عنوان زمان متوسط میان حرکت خودروي جلویی و آغاز حرکت خودروي عقبی در نظر گرفته شد که این مقدار به طور متوسط برابر ۱٫۴۵ ثانیه در نظر گرفته شد.

بر اساس تحقیقاتی که پیش از این توسط نوري و همکاران (۱۳۸۹) صورت گرفت ؛ با استفاده از تصاویر به دست آمده از دوربینها و این موضوع که عکس العمل ترمزگیري به عنوان فاصله زمانی بین ترمز گرفتن خودرو جلویی و خودروي عقبی در نظر گرفته شده است. این زمان عملا مساوي با فاصله زمانی بین روشن شدن چراغ ترمز خودرو جلویی و روشن شدن چراغ ترمز خودرو عقبی فرض گردیده است. با مطالعه ۴۰ جفت از خودروها زمان عکس العمل متوسط برابر با ۱ ثانیه فرض گردید. [۳ ]

بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط خودروسازهاي داخلی و وزن دهی این اطلاعات بر اساس تعداد خودروهاي موجود در کشور از هر نوع ، مقدار انحراف معیار، میانگین ، ماکزیمم و مینیمم براي بیشینه شتابی که خودروها قابلیت دستیابی به آن را دارند به دست آمد. به طور مشابه میزان بیشینه شتاب کاهنده در قالب انحراف معیار ، میانگین ، ماکزیمم و مینیمم بر حسب متر بر مجذور ثانیه محاسبه گردید. این شتاب کاهنده زمانی اعمال میگردد که راننده بخواهد در موقعیتهاي اضطراري در کمترین زمان ممکن خودرو را متوقف سازد . براي موقعیت شرایط رانندگی معمولی عمدتا از پارامتر دیگري به نام شتاب کاهنده معمولی (Normal Deceleration) استفاده میگردد. این شتاب کاهنده در سال ۱۳۸۸
توسط سادات حسینی و وزیري در یک بزرگراه بین شهري محاسبه گردیده است که مقدار آن برابر

۵m/s2 محاسبه گردیده است.[۴]

جدول :۱ مقادیر شتاب افزاینده و کاهنده لحاظ شده در مدل
بیشینه ش کمینه ش میانگین ش انحراف معیار ش

۴/۳ ش ۱/۵ ش ۲/۲۵ ش ۲/۰۴ بیشینه شتاب افزاینده ش

۵ ش ۵ ش ۵ ش ۰ ش شتاب کاهنده در شرایط عادي ش

۶/۹ ش ۶/۷ ش ۶/۱ ش ۲/۳۲ ش شتاب کاهنده بیشینه ش

-۱-۲ بدون کنترل رمپ

پس از ساخت مدل و قرار دادن پارامترهاي مذکور در آن ، به منظور مقایسه حالات فاقد کنترل رمپ و حالتهاي داراي کنترل ، مدل شبیهسازي در ابتدا بدون تعبیه کنترل رمپ ساخته شد و شناسگرهاي پایین دست جریان و بالادست جریان در آن تعریف گردیدند. براي تخمین هرچه بهتر رخداد گلوگاه و همچنین تبدیل رخداد گلوگاه به پارامتري کمی ، به پارامتري نیاز است که بتواند وضعیت پایین دست جریان و بالادست جریان را تواماً بررسی نماید و نمایانگر میزان تراکم و سرعت خودروها هم براي پایین دست جریان و هم براي بالادست جریان باشد. در مدارك مربوط به کنترل رمپ از نوع آلینا ، پارامتري که به منظور تخمین میزان سنگینی تردد خودروها به کار می رود درصد اشغال می باشد که به فرم نشان داده شده در فرمول شماره ۱ تعریف می گردد. [۵]

(۱) ∑ ∑
که در آن مجموع زمان حضور خودرو بر روي شناسگر ترافیکی در یک بازه شناسایی ( Detection
(interval است∑که مدت این بازه با نمایش داده می شود. به منظور یافتن پارامتري که بتواند رخداد
گلوگاه را به گونه اي کمی معرفی نماید، در این تحقیق از تعریف گلوگاه کمک گرفته شد. به گونه اي که پارامتر مورد بررسی براي ارزیابی رخداد گلوگاه با نام تفاوت درصد اشغال در پایین دست جریان و بالادست جریان (Occupansy Difference) یا به صورت مخفف (OCD) از اختلاف میان اشغال در شناسگر پایین دست جریان و شناسگر بالادست جریان به دست آمد که در معادله شماره ۲ نمایش داده شده است. در این معادله OD بیانگر اشغال شناسگر پایین دست جریان و OU بیانگر درصد اشغال شناسگر بالادست می باشد .

(۲)

مدل به نحوي تنظیم گردید که در هر ۱ دقیقه یکبار تمامی درصد اشغالهاي شناسگرها محاسبه گردد و در پایگاه داده هاي Access وارد شود. پس از پنج بار شبیه سازي مدل و گرفتن میانگین از درصد اشغال به دست آمده در هر بار شبیه سازي مدل براي هر یک از شناسگرهاي بالادست و پایین دست رمپ ، نمودار نشان داده شده در نمودار ۱ به دست آمد.

نمودار : ۱ نمودار درصد اشغال بالادست محل اتصال رمپ به بزرگراه و پاییندست محل اتصال رمپ به بزرگراه شهید

چمران فاقد کنترل رمپ

همانگونه که در نمودار مشاهده میگردد، درصد اشغال شناسگر بالادست رمپ تقریبا %۱۰۰ بوده است که این امر نمایانگر تراکم شدید و سرعت کم خودروها بر روي شناسگر بالادست میباشد. در ابتداي شبیه سازي تراکم خودروها در پایین دست نیز در حدود %۱۰۰ بوده است اما با گذشت زمان و با رخداد گلوگاه در بالادست جریان از تراکم خودروها در پایین دست کاسته شده و این به مفهوم افزایش تاثیر رخداد گلوگاه در محل مورد بررسی است که همانگونه که ملاحظه میگردد با گذشت زمان این مشکل رو به وخامت می رود. که براي بررسی هرچه بهتر این رخداد ، پارامتر OCD به دست آمده از محل ورود رمپ در نمودار ۲ نشان داده شده است. میانگین OCD به دست آمده از این بخش در حدود – ۱۲٫۷

بوده است که عملا علامت منفی نمایانگر بیشتر بودن اشغال در بزرگراه در محل بالادست نقطه اتصال رمپ به بزرگراه نسبت به اشغال در بزرگراه در محل پایین دست نقطه اتصال رمپ به بزرگراه میباشد.

نمودار : ۲ نمودار تفاوت درصد اشغال پاییندست و بالا دست (OCD)

بر اساس آزمایشات به عمل آمده هر اندازه این پارامتر به سوي منفی پیش برود ، وضعیت رخداد گلوگاه وخیمتر بوده است. بررسی چشمی مدل شبیهسازي نیز رخداد گلوگاه و افزایش تراکم خودروها را در محل حدفاصل دو شناسگر نشان میدهد. براي اثر سنجی استفاده از کنترل رمپ در میزان کاهش یا افزایش گلوگاه در جریان اصلی ترافیک ، پنج سناریو اصلی با کنترل رمپ تعریف گردیده و ساخته شد که بر اساس بهینه سازي انجام شده در پروژه ، بهترین حالت براي هر یک از رمپها به شرح موارد زیر میباشد.

-۲-۲ زمان سبز ثابت

در این حالت کنترل چراغ بر اساس یک زمانبندي مشخص خودروها اقدام به عبور از محل تعبیه کنترل رمپ مینمایند. این نوع از رمپ مترینگها به مانند یک چراغ زماندار با زمان ثابت کار میکنند.

طول زمان زرد به میزان ۳ ثانیه ، طول چرخه ۲۸٫۷۵ ثانیه با زمان سبز ۶ ثانیه در مدلسازي لحاظ گردیده است. میانگین OCD به دست آمده از این بخش در حدود – ۱۴٫۸۸ بوده است که بر اساس آزمایشات به عمل آمده هر اندازه این پارامتر به سوي منفی پیش برود ، وضعیت رخداد گلوگاه وخیمتر بودهاست. بر اساس نمودار شماره ۳، پارامتر همچنان به سوي منفی تر شدن پیش میرود که این موضوع نمایانگر افزایش مشکل رخداد گلوگاه با زمان میباشد. اما پس از گذشت نیم ساعت از شروع شبیهسازي ، این پارامتر مقداري ثابت به خود می گیرد که با بررسی چشمی بر روي شبکه مشخص گردید که این موضوع به دلیل رسیدن شبکه به تعادلی نسبی در تردد خودروها است. با وجود اینکه پارامتر تفاوت اشغال شناسگرها به تعادل رسیده است ، اما با این حال این موضوع تاثیر چندانی بر کاهش گلوگاه نداشته است و رها سازي تعداد زیادي خودرو پس از زمان مشخص اثرگذاري استفاده از این استراتژي را در جلوگیري از رخداد گلوگاه کاهش داده است.

نمودار: ۳ نمودار تفاوت