محاكاة حركة المرور

يمكن لأساليب المحاكاة في مجال النقل أن تستخدم مجموعة مختارة من النظريات، بما في ذلك الاحتمالات والإحصاء والمعادلات التفاضلية والأساليب العددية.

• طريقة مونت كارلو

تُعد محاكاة مونت كارلو واحدة من أقدم نماذج محاكاة الأحداث المنفصلة ، ​​حيث تُستخدم سلسلة من الأرقام العشوائية لتوليف ظروف المرور. ^{[ 5 ]}

• نموذج الأتمتة الخلوية

تبع ذلك نموذج الأوتوماتا الخلوية الذي يولد العشوائية من قواعد حتمية.

• محاكاة الأحداث المنفصلة والزمن المستمر

تستخدم الطرق الحديثة إما محاكاة الأحداث المنفصلة أو محاكاة الزمن المستمر . تتميز نماذج محاكاة الأحداث المنفصلة بأنها عشوائية (بمكونات عشوائية) وديناميكية (حيث يكون الزمن متغيرًا). على سبيل المثال، يمكن نمذجة طوابير الانتظار ذات الخادم الواحد بدقة عالية باستخدام محاكاة الأحداث المنفصلة، ​​نظرًا لوجود الخوادم عادةً في موقع واحد، وبالتالي فهي أحداث منفصلة (مثل إشارات المرور ). من ناحية أخرى، يمكن لمحاكاة الزمن المستمر معالجة قصور محاكاة الأحداث المنفصلة، ​​حيث يتطلب النموذج مسارات الإدخال والحالة والإخراج ضمن فترة زمنية محددة. تتطلب هذه الطريقة استخدام المعادلات التفاضلية ، وتحديدًا طرق التكامل العددي. ^{[ 6 ]} تتراوح هذه المعادلات من الطرق البسيطة، مثل طريقة أويلر ، إلى طرق متسلسلة تايلور ذات الرتب الأعلى ، مثل طريقة هيون وطريقة رونج-كوتا . ^{[ 7 ]}

• نماذج تتبع السيارات

تعتمد فئة من النماذج المجهرية ذات الزمن المستمر، والمعروفة بنماذج تتبع المركبات ، على المعادلات التفاضلية. ومن أهم هذه النماذج نموذج بايبس، ونموذج السائق الذكي ، ونموذج جيبس . تُحاكي هذه النماذج سلوك كل مركبة على حدة ("مجهري") لفهم تأثيره على نظام المرور ككل ("كلي"). ويمكن استخدام طريقة عددية مع نموذج تتبع المركبات (مثل نموذج جيبس ​​مع نموذج هيون) لتوليد معلومات مهمة حول حالة المرور، مثل تأخيرات النظام وتحديد الاختناقات المرورية.

تُستخدم الأساليب المذكورة أعلاه عمومًا لنمذجة سلوك نظام قائم، وغالبًا ما تُركز على مجالات اهتمام محددة في ظل ظروف متنوعة (مثل تغيير التصميم، وإغلاق المسارات، ومستويات تدفق المرور المختلفة). ويمكن استخدام تخطيط النقل والتنبؤ به لتطوير فهم أوسع لمتطلبات المرور على مساحة جغرافية واسعة، والتنبؤ بمستويات المرور المستقبلية عند وصلات (مقاطع) مختلفة في الشبكة، مع مراعاة سيناريوهات النمو المختلفة، وحلقات التغذية الراجعة لدمج تأثير الازدحام على توزيع الرحلات.

يُعدّ النقل البري، لنقل الركاب والبضائع على حدّ سواء، من أكثر المجالات استخدامًا للمحاكاة. يمكن إجراء المحاكاة على مستوى الممرات، أو على مستوى شبكة الطرق الأكثر تعقيدًا لتحليل التخطيط والتصميم والعمليات، مثل التأخير والتلوث والازدحام. تشمل نماذج النقل البري جميع وسائل النقل البري، بما في ذلك المركبات والشاحنات والحافلات والدراجات والمشاة. في نماذج حركة المرور التقليدية، يُستخدم عادةً تمثيل إجمالي لحركة المرور، حيث تلتزم جميع مركبات مجموعة معينة بقواعد السلوك نفسها؛ أما في المحاكاة الجزئية، فيُؤخذ سلوك السائق وأداء الشبكة في الاعتبار، ما يسمح بدراسة مشكلات المرور الكاملة (مثل أنظمة النقل الذكية ، والموجات الصدمية). ^{[ 9 ]}

يُعدّ النقل بالسكك الحديدية وسيلة نقل مهمة لكل من البضائع والركاب. ويُعدّ نمذجة حركة البضائع على خطوط السكك الحديدية أمرًا بالغ الأهمية لتحديد الكفاءة التشغيلية وترشيد قرارات التخطيط. ^{[ 10 ]} ويمكن أن تشمل محاكاة نقل البضائع جوانب مثل مسارات الشاحنات المخصصة، وتدفق السلع، وسعة الممرات والشبكة، وتخصيص حركة المرور/تدفق الشبكة، وخطط نقل البضائع التي تتضمن التنبؤ بالطلب على السفر. ^{[ 11 ]}

يمثل النقل البحري والجوي مجالين هامين للاقتصاد. تشمل محاكاة النقل البحري بشكل أساسي نمذجة محطات الحاويات ، والتي تتناول الخدمات اللوجستية لمناولة الحاويات لتحسين كفاءة النظام. أما محاكاة النقل الجوي فتشمل بشكل أساسي نمذجة عمليات مباني المطارات (مناولة الأمتعة، نقاط التفتيش الأمني)، وعمليات المدرج .

بالإضافة إلى محاكاة أنماط النقل الفردية، غالبًا ما تكون محاكاة شبكة النقل متعددة الأنماط أكثر أهمية ، نظرًا لتكامل هذه الأنماط في الواقع، مما يُضفي عليها تعقيداتٍ أكبر قد لا يُمكن إغفالها في كل نمط على حدة. كما تُتيح محاكاة شبكة النقل متعددة الأنماط فهمًا أفضل لتأثير شبكة معينة من منظور شامل، ما يُساعد على تمثيل هذا التأثير بدقة أكبر، وبالتالي تحقيق نتائج مهمة في مجال السياسات. ومن الأمثلة على برامج محاكاة النقل متعددة الأنماط برنامج Commuter الذي طورته شركة Azalient، والذي يُتيح للمستخدمين اختيار المسار ونمط النقل بشكل ديناميكي أثناء المحاكاة. ويُطلق على هذا النوع من النمذجة اسم المحاكاة النانوية، نظرًا لمراعاته للطلب والسفر بمستوى تفصيل أدق من المحاكاة الميكروية التقليدية.

يمكن أيضًا دمج المحاكاة في مجال النقل مع محاكاة البيئة الحضرية ، حيث تتم محاكاة منطقة حضرية كبيرة تشمل شبكات الطرق، وذلك لفهم استخدام الأراضي بشكل أفضل والآثار التخطيطية الأخرى لشبكة المرور على البيئة الحضرية.

تختلف مخرجات نموذج المحاكاة الدقيقة عن مخرجات دليل سعة الطرق السريعة الفيدرالي الأمريكي (HCM). فعلى سبيل المثال، تفترض معظم إجراءات HCM أن تشغيل تقاطع ما لن يتأثر بحالة طريق مجاور (باستثناء HCS 2000 Freeways). ويتعارض هذا الافتراض مع ظاهرة "الاختناق المروري" وازدحام الطرق من موقع ما، مما يؤثر على موقع آخر.

يوفر دليل سعة الطرق السريعة لعام 2010 إرشادات منقحة حول أنواع المخرجات من برامج محاكاة حركة المرور الأكثر ملاءمة للتحليل والمقارنة مع دليل سعة الطرق السريعة، على سبيل المثال مسارات المركبات ومخرجات كاشف الحلقة الخام.

في دليل سعة الطرق السريعة (HCM)، يُستخدم التأخير لتقدير مستوى الخدمة (LOS) عند التقاطعات. مع ذلك، توجد اختلافات واضحة بين طريقة تعريف التأخير في برامج المحاكاة الدقيقة ودليل سعة الطرق السريعة. يعتمد دليل سعة الطرق السريعة على التدفق المُعدَّل باستخدام متوسط ​​تأخير التحكم لأعلى فترة 15 دقيقة خلال الساعة. من المهم التمييز بين التأخير الكلي وتأخير التحكم. تأخير التحكم هو عندما يتسبب تحكم الإشارة في إبطاء أو توقف مجموعة من المركبات. من الضروري مراجعة وثائق البرنامج لفهم كيفية حساب التأخير. لاستخدام مخرجات المحاكاة الدقيقة لإيجاد مستوى الخدمة، يجب تجميع التأخير على فترات 15 دقيقة وحساب متوسطه عبر عدة عمليات تشغيل بقيم عشوائية مختلفة. نظرًا لأن دليل سعة الطرق السريعة يستخدم التدفق المُعدَّل، فإن طريقة أخرى لمقارنة التأخير هي قسمة حجم الذروة المُدخل للمحاكاة خلال 15 دقيقة على عامل ساعة الذروة (PHF) لزيادة حجم المحاكاة.

يُعرّف دليل سعة الطرق السريعة لعام 2000 (HCM 2000) الطابور بأنه صف من المركبات أو الدراجات أو الأشخاص الذين ينتظرون دورهم في النظام، حيث يُحدد معدل التدفق من مقدمة الطابور متوسط ​​السرعة داخله. وعادةً ما تُعتبر المركبات أو الأشخاص البطيئون الذين ينضمون إلى مؤخرة الطابور جزءًا منه. هذه التعريفات نسبية إلى حد ما وقد تكون غامضة. في معظم برامج المحاكاة الدقيقة، لا يمكن أن يتجاوز طول الطابور سعة التخزين المخصصة لمسار الانعطاف أو الممر. وعادةً لا تُؤخذ حالات تجاوز الطابور للوصلة المجاورة أو خارج الشبكة في الحسبان، على الرغم من أن ذلك قد يؤثر على النتائج. (في هذه الحالة، يمكن تجاوز هذه المشكلة مؤقتًا بتجاهل هذه التأثيرات وتوسيع الشبكة أو منطقة التخزين الخاصة بالوصلة لتشمل أقصى طول للطابور). ^{[ 14 ]}