توصیف عینی الگوهای جریان ترافیک ناهمگن خودروهای سواری و کامیون‌ها در بخش‌های طولانی سرازیری در چارچوب نظریه ترافیک سه‌مرحله‌ای کرنر

به دلیل وزن قابل توجه کامیون‌ها، آنها اغلب برای کنترل سرعت خود در مسیرهای طولانی سرازیری ترمز می‌کنند و بار قابل توجهی را بر روی ترمزها وارد می‌کنند. پس از طی مسافتی مشخص، این امر منجر به تخریب عملکرد ترمز شده و خطر قابل توجهی را برای ایمنی ترافیک ایجاد می‌کند. این مطالعه با استفاده از قانون پایستگی انرژی، تبدیل انرژی کامیون‌ها را در مسیرهای طولانی سرازیری تجزیه و تحلیل می‌کند و رابطه بین عملکرد ترمز و مسافت طی شده را استخراج می‌کند. در چارچوب نظریه ترافیک سه فازی کرنر، تأثیر تخریب عملکرد ترمز بر جریان ترافیک در مسیرهای طولانی سرازیری مورد مطالعه قرار گرفت. این مدل بر اساس مدل معروف ماشین سلولی (CA) کرنر-کلنوف-شرکنبرگ-ولف (KKSW) است. با مقایسه جریان ترافیک تحت سناریوهای مختلف حجم ترافیک و درصد کامیون، مشخص شد که جریان هماهنگ ایجاد شده تحت شرایط حجم ترافیک و نسبت کامیون خاص، تأثیر قابل توجهی بر بالادست دارد. بر اساس نتایج شبیه‌سازی، یک استراتژی جداسازی خطوط برای حجم ترافیک و درصد کامیون خاص پیشنهاد شده است.

مقدمه

با توسعه سریع اقتصاد باری چین، تعداد کامیون‌ها به طور قابل توجهی افزایش یافته است. در حال حاضر، تعداد کامیون‌ها در چین 11.666 میلیون دستگاه است که بخش زیادی از آن را کامیون‌های چند محوره و تناژ بالا تشکیل می‌دهند [1]. به دلیل وزن قابل توجه این کامیون‌ها، آنها اغلب باعث ایجاد ازدحام نامطلوب یا تصادفات جدی مرتبط با سرعت در حین کار می‌شوند و چالش مهمی را برای مهندسان ترافیک ایجاد می‌کنند.

بخش‌های طولانی سرازیری، چالش‌های خاصی را برای عملیات کامیون‌ها ایجاد می‌کنند. وسایل نقلیه باری چینی به طور متوسط ​​240 کیلومتر در روز سفر می‌کنند و ناگزیر با بخش‌های طولانی سرازیری مواجه می‌شوند. در این بخش‌ها، وسایل نقلیه باید سرعت خود را با ترمز کنترل کنند. با این حال، به دلیل وزن قابل توجه، کامیون‌ها انرژی جنبشی و پتانسیل قابل توجهی دارند و بار سنگینی را بر سیستم‌های ترمز تحمیل می‌کنند. بدون اقدامات عملیاتی مناسب، خطر تخریب یا خرابی عملکرد ترمز وجود دارد که می‌تواند منجر به حوادث ایمنی ترافیکی شود.

برای پرداختن به این موضوع، رویکرد فعلی، ایجاد رمپ‌های فرار اضطراری در بخش‌های طولانی سرازیری است. اگرچه مطالعات متعدد نشان داده‌اند که رمپ‌های فرار اضطراری می‌توانند از تصادفات رانندگی جلوگیری کنند، اما این روش ذاتاً غیرفعال است. وقتی کامیون‌ها تصمیم می‌گیرند وارد رمپ‌های فرار شوند، از قبل تلفاتی متحمل شده‌اند و در موارد خرابی ترمز، کامیون‌ها ممکن است نتوانند به سرعت به بخش‌های مجهز به رمپ‌های فرار اضطراری برسند. اخیراً، یان و همکارانش سرعت بهینه برای ورود کامیون‌ها به رمپ‌های فرار اضطراری را بررسی کرده‌اند [2]، بشیکتپه و همکارانش بهینه‌سازی رمپ‌های فرار سرازیری را مطالعه کرده‌اند [3]، و حیدریه و همکارانش بر موقعیت‌یابی رمپ‌های فرار در بخش‌های طولانی سرازیری تمرکز کرده‌اند [4].

تغییر در قابلیت ترمزگیری کامیون‌ها در بخش‌های طولانی سرازیری نیز یک تمرکز تحقیقاتی کلیدی است که بر ضرورت ایجاد رمپ‌های فرار تأکید می‌کند. لیو و همکارانش استراتژی‌های کنترل سرازیری را بر اساس کنترل دمای ترمز کامیون و سایش آن بررسی کردند [5]. یان و همکارانش دمای درام ترمز کامیون‌ها را در مسیرهای پیوسته سرازیری با استفاده از یک روش صرفه‌جویی در انرژی پیش‌بینی کردند [6]. زنگ و همکارانش [7] مسائل مربوط به هدایت حرارتی ترمزگیری در بخش‌های طولانی سرازیری پیوسته را مطالعه کردند و وانگ و همکارانش [8] ایمنی ترمز موتور را برای کامیون‌هایی که در بخش‌های طولانی سرازیری بزرگراه‌های کوهستانی حرکت می‌کنند، بررسی کردند.

مطالعات قبلی عمدتاً بر تنظیم پارامترهای رمپ‌های فرار اضطراری برای کامیون‌ها در بخش‌های طولانی سرازیری، مقایسه طرح‌های مختلف و مطالعه تغییرات در قابلیت‌های ترمز کامیون‌ها متمرکز بوده‌اند. با این حال، درک ویژگی‌های جریان‌های ترافیکی ناهمگن تحت شرایط ترافیکی مختلف برای طراحی استراتژی‌های مدیریت پویای بهینه برای بخش‌های طولانی سرازیری ضروری است، موضوعی که به ندرت در مقالات علمی مورد توجه قرار گرفته است.

شرایط جریان ترافیک در بخش‌های طولانی سرازیری تصادفی است و نمی‌توان آن را به طور کامل تکرار کرد؛ بنابراین، ترکیب مدلی که ویژگی‌های عملیاتی کامیون‌ها را در بخش‌های طولانی سرازیری در نظر می‌گیرد با یک مدل جریان ترافیک و تجزیه و تحلیل جریان ترافیک ناهمگن تحت شرایط مختلف سرازیری از طریق شبیه‌سازی، یک رویکرد عملی است.

مدل‌های مبتنی بر پایستگی انرژی به طور گسترده در بخش‌های طولانی سرازیری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مدل‌ها پایه فیزیکی محکمی، کاربردپذیری گسترده و راندمان محاسباتی بالایی ارائه می‌دهند. به عنوان یک قانون اساسی طبیعت، پایستگی انرژی توضیح روشنی برای جریان و مصرف انرژی ارائه می‌دهد و اعتبارسنجی آن را شهودی و آسان می‌کند. این مدل‌ها امکان تجزیه و تحلیل مؤثر را از طریق تنظیم پارامترها فراهم می‌کنند و به طور گسترده در مطالعات ترمزگیری در محیط‌های مختلف به کار می‌روند. علاوه بر این، سادگی و راندمان محاسباتی آنها، آنها را برای ارزیابی سریع در مراحل اولیه طراحی بدون نیاز به محاسبات عددی پیچیده مناسب می‌کند.

برخی مطالعات، مدل‌هایی مبتنی بر صرفه‌جویی در مصرف انرژی ایجاد کرده‌اند تا تغییرات دمای ترمز ناشی از تبدیل انرژی در طول عملیات کامیون را تجزیه و تحلیل کنند. علاوه بر این، مصرف انرژی در طول سفر در سرازیری با استفاده از یک مدل صرفه‌جویی در مصرف انرژی و شبکه‌های عصبی یکپارچه با الگوریتم‌های ژنتیک محاسبه شده است [11] تا توزیع نیروی ترمز بین ترمزهای کمکی و پایه بهینه شود، راندمان ترمز افزایش یابد و هزینه‌های نگهداری کاهش یابد.

این مطالعه با توسعه بیشتر مدل جریان ترافیک سه فازی کرنر بر اساس مدل‌های موجود از تخریب عملکرد ترمز کامیون در بخش‌های طولانی سرازیری، به این شکاف می‌پردازد. این مطالعه ویژگی‌های جریان‌های ترافیکی ناهمگن را تحت حجم‌های مختلف ترافیک و درصدهای مختلف کامیون تجزیه و تحلیل می‌کند.

مدل‌های جریان ترافیک در شبیه‌سازی، توضیح و پیش‌بینی پدیده‌های ترافیکی دنیای واقعی بسیار مهم هستند. مدل‌های اتوماتای سلولی (CA) که از فیزیک آماری الهام گرفته شده‌اند، مدل‌های میکروسکوپی جریان ترافیک هستند که به دلیل انعطاف‌پذیری و توانایی‌شان در توصیف ویژگی‌های پیچیده ترافیک شناخته شده‌اند. به دلیل اثربخشی آنها در شبیه‌سازی حرکت میکروسکوپی وسایل نقلیه، مدل‌های جریان ترافیک CA به طور گسترده برای مطالعه اختلالات ترافیکی در جریان‌های ترافیکی ناهمگن، از جمله تعاملات بین دوچرخه و وسایل نقلیه موتوری [14]، [15]، [16]، اتوبوس‌ها و اتومبیل‌ها [17]، [18]، [19]، وسایل نقلیه دستی و خودران [20]، [21]، [22]، [23] و کامیون‌ها و اتومبیل‌های سواری استفاده می‌شوند.

از آنجا که ترافیک واقعی بزرگراه شامل خودروهای سواری و کامیون‌ها می‌شود، مدل‌سازی جریان ترافیک ناهمگن خودرو-کامیون یک مسئله مهم در زمینه مدل‌سازی جریان ترافیک ناهمگن است. اکثر مطالعات موجود بر مدل‌سازی رفتار نظارتی خودروهای سواری و کامیون‌ها و بررسی تأثیر انواع مختلف ترکیب‌های تعقیب خودرو-کامیون بر ترافیک، متمرکز شده‌اند. با این حال، تحقیقات محدودی در مورد جریان‌های ترافیک ناهمگن خودرو-کامیون برای بخش‌های طولانی سرازیری، که بخش‌های رایج و حیاتی جاده هستند، انجام شده است.

این مطالعه ویژگی‌های سرعت کامیون‌ها و رفتار تغییر خط خودروهای سواری را در بخش‌های طولانی سرازیری تجزیه و تحلیل کرد و قوانین تکامل کامیون‌ها را در مدل CA کرنر-کلنوف-شرکنبرگ-ولف (KKSW) گنجاند. بر اساس نتایج شبیه‌سازی، این مطالعه ویژگی‌های جریان‌های ترافیک ناهمگن خودرو-کامیون را در چارچوب نظریه ترافیک سه فازی کرنر بررسی کرده و تحقیقات مرتبط را غنی‌تر می‌کند. این روش‌ها و یافته‌ها می‌توانند منابعی برای استانداردهای طراحی و استراتژی‌های کنترل ترافیک پویا برای بخش‌های طولانی سرازیری ارائه دهند. (منبع).