تحلیل استراتژی بهینه‌سازی برای کامیون‌ها در ترافیک بزرگراه با یک تونل طولانی

تحلیل تأثیر کامیون‌ها بر جریان ترافیک بزرگراه دوخطه مختلط با یک تونل طولانی، یک چالش خواهد بود. این کار نیاز به درک رفتار رانندگی وسایل نقلیه عبوری از موقعیت‌های مختلف یک تونل، یعنی بخش نزدیک شدن، بخش ورودی، بخش پایه، بخش خروجی و بخش عمومی دارد. همچنین، نیاز به ترسیم الگوهای مختلف رانندگی کامیون‌ها و خودروها و تداخل بین آنها دارد. برای مقابله با این مشکلات، ما یک مدل ترافیکی اصلاح‌شده دوخطه با یک تونل طولانی بر اساس مدلی که قبلاً توسط تیم ما ایجاد شده است، پیشنهاد می‌کنیم. مقایسه بین نتایج محاسبه‌شده و اندازه‌گیری‌شده در مورد جریان‌ها و سرعت‌ها، تطابق خوبی را نشان می‌دهد. نتایج عددی نشان می‌دهد که وقتی کامیون‌ها در جریان ترافیک با هم ترکیب می‌شوند، ظرفیت کاهش می‌یابد و هرچه تعداد کامیون‌ها بیشتر باشد، جریان ترافیک کمتر خواهد بود. سپس استراتژی محدودیت خط برای کامیون‌ها از منظر بهینه‌سازی ترافیک توصیه می‌شود. ویژگی‌های ترافیک مربوطه بررسی می‌شوند و نتایج با نتایج به‌دست‌آمده از شرایط بدون اعمال محدودیت خط برای کامیون‌ها مقایسه می‌شوند. هنگامی که استراتژی محدودیت کامیون اعمال می‌شود، افزایش قابل توجهی در ظرفیت ترافیک، به‌ویژه در سناریویی با حجم ترافیک بالا و نسبت زیاد کامیون‌ها، مشاهده می‌شود. ما با تجزیه و تحلیل تغییر سرعت در امتداد جاده و تکامل مکانی-زمانی وسایل نقلیه، مکانیک‌های اساسی را بررسی می‌کنیم. این نشان می‌دهد که اجرای محدودیت خط برای کامیون‌ها، به‌ویژه در سناریوهایی با حجم ترافیک متوسط تا زیاد، می‌تواند استفاده از خط را بهبود بخشد، سرعت متوسط را افزایش دهد، ازدحام ترافیک را کاهش دهد و جریان ترافیک را افزایش دهد. سپس این استراتژی کارآمد می‌شود و ممکن است راهنمایی‌های ارزشمندی برای مدیریت ترافیک در بزرگراه‌های دارای تونل‌های طولانی ارائه دهد.

مقدمه

حمل و نقل کامیونی از نظر کارایی و هزینه مزایایی دارد. با این حال، کامیون‌ها اغلب به دلیل سرعت پایین، مانورپذیری محدود و اشغال بیش از حد فضای جاده، به گلوگاه‌های قابل توجهی در بزرگراه‌ها تبدیل می‌شوند و بر جریان ترافیک تأثیر منفی می‌گذارند [1]، [2]، [3]. برعکس، تونل‌ها، اجزای جدایی‌ناپذیر زیرساخت‌های جاده‌ای، مسافت سفر را کاهش داده و راحتی حمل و نقل را افزایش می‌دهند. با این وجود، پدیده‌های “سفیدچاله” و “سیاهچاله” در ورودی‌ها و خروجی‌های تونل، همراه با محدودیت‌های سرعت پایین‌تر در داخل تونل‌ها، ظرفیت ترافیک را کاهش داده و احتمال تصادفات را افزایش می‌دهند [4]، [5]، [6]. علاوه بر این، طول تونل‌ها و شیب جاده‌ها نیز بر جریان ترافیک تأثیر می‌گذارند.

وقتی گلوگاه‌های ترافیکی ثابت، مانند تونل‌ها، با گلوگاه‌های متحرک، مانند کامیون‌ها، برخورد می‌کنند، تداخل متقابل بین کامیون‌ها و خودروها تشدید می‌شود و تهدیدی جدی برای ایمنی ترافیک ایجاد می‌کند. در نتیجه، مطالعه ویژگی‌های جریان ترافیک مختلط در بخش‌های تونل و تجزیه و تحلیل استراتژی‌های بهینه‌سازی ترافیک به نقاط کانونی حیاتی تبدیل شده‌اند.

مدل‌سازی جریان ترافیک روشی مؤثر برای مطالعه ویژگی‌های جریان ترافیک است و مدل ترافیکی اتوماتای سلولی (مدل CA) به دلیل نمایش گسسته آن در زمان و مکان، مزایای منحصر به فردی را ارائه می‌دهد [7]، [8]، [9]. اولین مدل CA واقع‌گرایانه در سال 1992 توسط ناگل و شرکنبرگ (به اختصار مدل NaSch) پیشنهاد شد [7]. پس از آن، توسعه‌های متعددی از مدل NaSch برای ترافیک دو خطه و حتی چند خطه پیشنهاد شده است [10]، [11]، [12]، [13]. علاوه بر این، مدل‌های ترافیکی مختلفی در شبیه‌سازی‌ها استفاده می‌شوند که شامل نمایش‌های دقیقی از زیرساخت‌ها مانند رمپ‌های ورودی و خروجی، چراغ‌های راهنمایی، کاهش خطوط و موارد دیگر هستند [14]، [15]، [16]، [17]، [18].

گازمن و همکارانش یک مدل ترافیکی ارائه دادند که قابلیت محدود کاهش سرعت وسایل نقلیه را معرفی می‌کرد، که از این پس به عنوان مدل LAI [19] شناخته می‌شود. بعدها، گازمن و همکارانش مدل LAI را با معرفی قوانین تغییر خط نامتقارن [20] به یک مدل ترافیک CA دو خطه گسترش دادند. به طور ناکافی، همه وسایل نقلیه صرف نظر از انواع مختلف وسایل نقلیه، از قوانین تغییر خط یکسانی پیروی می‌کنند. در این صورت، اگر مدل LAI بر روی یک سیستم جریان ترافیک ناهمگن حاوی دو نوع وسیله نقلیه اعمال شود و حرکت شتابدار وسایل نقلیه ضربه‌ای باشد، ممکن است برخورد بین وسایل نقلیه رخ دهد. به منظور رفع این کاستی‌ها، گوزمن و همکارانش مدل LAI را به یک مدل ترافیکی تک خطه دیگر، که به عنوان مدل LAI-E [21] شناخته می‌شود، گسترش دادند و حرکت شتابدار یکنواخت را معرفی کردند و امکان بازتولید دقیق‌تر تعاملات ماشین و کامیون را فراهم کردند.

علاوه بر این، توجه به جریان ترافیک در بخش‌های تونل جلب شده است. مدل‌های ترافیکی مختلفی برای شبیه‌سازی ویژگی‌های جریان ترافیک در تونل‌ها پیشنهاد شده‌اند. ژانگ و همکارانش یک مدل ترافیک CA برای بخش‌های تونل شهری پیشنهاد کردند که رفتار کاهش سرعت ناشی از تابش خورشیدی در ترافیک واقعی را در نظر می‌گرفت و از این مدل برای بررسی تأثیر آن بر ایمنی ترافیک تحت تراکم‌ها و شرایط روشنایی مختلف استفاده کردند [22]. زنگ و همکارانش با توسعه یک مدل ترافیک CA بهبود یافته، مکانیسم‌های تکامل مکانی جریان ترافیک در بخش‌های جاده‌ای ویژه، از جمله تونل‌های بزرگراهی، را بررسی کردند [23]. در واقع، تونل‌ها اغلب در مناطق کوهستانی با زمین و توپوگرافی متفاوت واقع شده‌اند که منجر به جریان ترافیک در بخش‌های تونل می‌شود که ویژگی‌های منحصر به فردی را تحت تأثیر عوامل تصادفی نشان می‌دهد. در نتیجه، بسیاری از ویژگی‌های جریان ترافیک در بخش‌های تونل هنوز به طور کامل درک نشده است.

در واقع، پیشرفت‌های نظری همیشه از توسعه تحقیقات تجربی در اکثر زمینه‌ها، از جمله روش اندازه‌گیری و فرآیند داده‌های تجربی [24]، [25]، سود می‌برند. مطالعه نظریه جریان ترافیک نیز همینطور است. به عنوان مثال، کرنر و همکارانش، پس از تجزیه و تحلیل مقدار زیادی از داده‌های دنیای واقعی، نظریه جریان ترافیک سه فازی را کشف و پیشنهاد کردند [26]، [27]، [28]. به عبارت دیگر، مطالعه ویژگی‌های ترافیک معمولاً توسط داده‌های اندازه‌گیری شده واقعی پشتیبانی می‌شود.

از سوی دیگر، استراتژی‌های مدیریت کامیون، به ویژه روش‌های جداسازی خودروها و کامیون‌ها، از اوایل قرن بیستم برای کاهش اثرات منفی کامیون‌ها بر جریان ترافیک پیشنهاد شده‌اند [29]، [30]. مطالعات بعدی درک ما از استراتژی‌های مدیریت کامیون را با استفاده از مدل‌های ترافیکی افزایش داده‌اند. شارما و همکارانش مروری و طبقه‌بندی استراتژی‌های مختلف مدیریت بار انجام دادند، یک روش‌شناسی سیستماتیک برای شناسایی استراتژی‌های بهینه توسعه دادند و راهنمایی‌های مدل‌سازی ارائه دادند [31]. داس و همکارانش تأثیر محدودیت‌های خط برای کامیون‌ها بر ایمنی ترافیک بزرگراه را با استفاده از یک مدل پیش‌بینی ایمنی ترافیک بررسی کردند، که در آن چنین محدودیت‌هایی کامیون‌ها یا نیمه کامیون‌ها را از استفاده از خط بزرگراه سمت چپ به جز برای سبقت گرفتن یا مانورهای اضطراری منع می‌کند [32].

با این حال، این مطالعات ذکر شده در درجه اول بر بخش‌های عمومی بزرگراه تمرکز دارند تا بخش‌های تونل. در یک رویکرد استثنایی، Ma ویژگی‌های متمایز جریان ترافیک ناشی از اجرای یک استراتژی جداسازی کامل بین خودروها و کامیون‌ها در بخش‌های تونل بزرگراه را با استفاده از یک مدل ترافیک CA شبیه‌سازی کرد [33]. با این حال، با توجه به الزامات ساختاری خاص، بخش‌های تونل معمولاً به صورت جاده دو بانده یک طرفه طراحی می‌شوند که دستیابی به جداسازی کامل کامیون‌ها از خودروها در ساعات شلوغی را چالش برانگیز می‌کند. سپس اجرای استراتژی محدودیت خط برای کامیون‌ها ممکن است عملی‌تر باشد. بنابراین، تجزیه و تحلیل جامع جریان ترافیک در بخش‌های تونل با محدودیت خط برای کامیون‌ها برای شناسایی استراتژی‌های بهینه برای بهینه‌سازی جریان ترافیک مورد نیاز است.

هدف بررسی تأثیر استراتژی محدودیت خط کامیون‌ها بر جریان ترافیک در بخش‌های تونل، ساخت مدل ترافیک بر اساس مطالعه اولیه ما در مورد مدل‌سازی جریان ترافیک در یک بخش تونل [34] است. پیش‌بینی می‌کنیم که نتایج، بینش‌هایی در مورد استراتژی‌های بالقوه مدیریت و کنترل ترافیک برای کاهش ازدحام در بخش‌های تونل ارائه دهد.(منبع).