Integrating macro and micro simulation in transportation planning and traffic management projects

Keywords: makrosimulacije, mikrosimulacije, integrisani simulacioni pristup

Rešavanje kompleksnih saobraćajnih problema zahteva primenu simulacija kao osnove za testiranje različitih rešenja. Nivo detaljnosti simulacije zavisi od cilјeva projekta. U slučaju da se radi o projektima upravlјanja i regulisanja kao rešenje se nameće mikrosimulacija gde je osnovna jedinica posmatranja vozilo i zasniva se na preciznom simuliranju ponašanja vozača u saobraćajnom toku. S druge strane, ukoliko je potrebno simulirati saobraćajna rešenja koja podrazumevaju promenu trase kretanja vozila rešenje je makrosimulacija koja je zasnovana na relacijama između osnovnih parametara saobraćajnog toka. Za projekte u kojima je potrebno izvršiti prognozu budućih transportnih zahteva makrosimulacioni modeli predstavlјaju značajan izvor ulaznih podataka u proces mikrosimulacije. U radu je prikazan praktični primer integrisanja makro i mikro simulacionog procesa u projektu upravlјanja saobraćajnim tokovima na mreži naselјa Stepa Stepanović u Beogradu. U zaklјučcima su rezimirane pozitivne i negativne strane integrisanog pristupa. 

UVOD

U prošlosti su se paralelno, na različitim teorijskim osnovama, razvijala dva tipa transportnih modela: modeli zasnovani na teoriji sleđenja vozila ili mikroskopski modeli i modeli zasnovani na relaciji parametara saobraćajnog toka ili makroskopski modeli. 
Mikroskopski modeli se zasnivaju na individualnom ponašanju putnika, odnosno vozila dok makroskopski opisuju saobraćajni tok koji podleže globalnim pravilima [1]. 
Prisutan je trend ka sve većem korišćenju mikrosi- mulacionih alata kao posledica sve veće dostupnosti različitih vrsta podataka, ubrzavanju rada računara i kvalitetnijim teorijskim postavkama u vezi sa mobilnošću i ponašanjem. Ipak, ovaj stav može biti pogrešan i potrebno je da svaki projekat koji uključuje modeliranje saobraćaja ima odgovarajući konceptualni, prostorni i vremenski nivo [2]. 
Obe vrste modela imaju svoje prednosti i mane pri korišćenju u specifičnim situacijama. Makroskopski modeli omogućavaju analizu homogenih pojava upotrebom manjih količina podataka. Moguće je prilagoditi makroskopski transportni model veličini (obuhvatu) problema koji se rešava. S druge strane, kada se modelira neki specifični deo saobraćajne mreže koji može imati značajan uticaj na celokupni sistem, mikroskopski model omogućava precizniju analizu. TEHNIKA -SAOBRAĆAJ 62 (2015) 6 
Mikroskopski modeli su upotrebljiviji kod modeliranja pojava koje karakteriše izvestan stepen slučajnosti pojave (npr. kanali naplatnih rampi). Postoji neosporna potreba da se istražuje individualno ponašanje ljudi, da bi se razumelo sve heterogenije ponašanje u kompleksnim saobraćajno-socijalnim uslovima. 
Ipak, njihova upotrebna vrednost u praktičnim planerskim zadacima nije konkurentna modelima koji funkcionišu na višem nivou agregiranja podataka. Postoje i teorijska ograničenja kod kalibracije i validacije mikrosimulacionih modela usled stohastičkih varijacija rezultata [2]. Poređenje makroskopskih i mikroskopskih modela je predstavljeno u raznim radovima i tezama [3,4,5]. 
Postoji više razloga za kombinovanje ove dve vrste modela tako da se iskoriste njihove prednosti na rešavanju istog problema. To je moguće formiranjem tako zvanih, hibridnih modela čiji razvoj još uvek nije prevazišao sve probleme [1]. 
S druge strane, integrisani pristup podrazumeva paralelno korišćenje makro i mikro modela kao što je u programu Aimsun, gde se u prvom koraku upotrebljava makrosimulacija da bi se dobila raspodela saobraćaja po mreži na osnovu Vordropovog principa (ekvilibrijum), a zatim se rezultati koriste za mikrosimulaciju i detaljnije analize [6]. Upravo ovaj princip će biti primenjen u nastavku rada za rešavanje praktičnog problema na realnoj mreži upotrebom konvencionalnih softverskih alata i dostupnih baza podataka. 

OPIS PROBLEMA

Ulice Kumodraška, Kružni put i Vojvode Stepe tranzitiraju naselje "Stepa Stepanović" u Beogradu, pri čemu kolski pristupi još nisu u potpunosti definisani. U periodu od 2012. do 2014. godine izgrađeno je naselje sa planiranih 4616 stanova koje je delimično useljeno u tom periodu, pa se na navedene ulice očekivao veći saobraćajni pritisak. Kapacitet deonice Ulice kružni put definisan je kapacitetom signalisanih raskrsnica na obodu naselja. Sa postojećom saobraćajnom infrastrukturom na ovoj deonici nije realno očekivati prihvatljivi nivo usluge na ulazima i izlazima iz naselja. Kumodraška ulica ima profil saobraćajnice koji još nije dovoljno iskorišćen i preko koje bi bilo moguće ostvariti jedan od pristupa naselju. Vojvode Stepe, u planskom pogledu, nije projektovana kao ulica koja može da primi saobraćaj iz naselja, ali bi sa aspekta korisnika naselja bila veoma privlačna za buduće stanare. S obzirom na porast transportnih zahteva koji generiše naselje "Stepa Stepanović", potrebno je primeniti odgovarajuće mere kako bi se ublažilo saobraćajno zagušenje koje nastaje kao posledica izgradnje naselja. Osnovni cilj je bio izrada saobraćajnog projekta sa simulacijom saobraćajnih tokova i predlogom optimalnog rešenja za odvijanje saobraćaja u zoni naselja Stepa Stepanović pri čemu je iskorišćen integrisani pristup. 

INFORMACIONA OSNOVA

Realizacija integrisanog pristupa podrazumevala je sprovođenje niza aktivnosti i prikupljanje seta ulaznih podataka:  Definisanje postojećeg stanja i režima saobraćaja,  Definisanje kapaciteta raskrsnica na području istraživanja,  Definisanje merodavnog protoka ulaznih i izlaznih saobraćajnih pravaca. 

Definisanje postojećeg stanja i režima saobraćaja

Prenamena površina, odnosno transformacija kompleksa kasarne "Stepa Stepanović" u stambeno-poslovni kompleks sa pratećim sadržajima uslovilo je potrebu za ispitivanjem uticaja nove namene površina na saobraćajnu mrežu. 
Stambene zgrade su grupisane u sedam prostorno -funkcionalnih celina, a internom saobraćajnom i pešačkom mrežom povezane su sa postojećom infrastrukturom koja okružuje naselje. Ceo koncept naselja se zasniva na umerenom saobraćaju u okviru kompleksa. 
Na saobraćajnicama koje ograničavaju naselje se u najvećoj meri oseća uticaj novih transportnih zahteva. Saobraćajnice koje ograničavaju naselje su Ulica vojvode Stepe, Kumodraška ulica i Kružni put. U postojećem stanju realizovana su tri pristupa naselju Stepa Stepanović na dve saobraćajnice. Dva pristupa su pozicionirana na Kumodraškoj ulici, dok je jedan pristup naselju pozicioniran na Kružnom putu. 

Slika 1 -Naselje Stepa Stepanović


Definisanje kapaciteta raskrsnica

Utvrđivanje kapaciteta na predmetnim raskrsnicama je obavljeno za vršno opterećenje, i to jutarnji vršni period. Utvrđivanje kapaciteta predmetnih raskrsnica (signalisanih i nesignalisanih) obavljeno je uz pomoć programa HCS koji se oslanja na metodologiju datu u Američkom priručniku HCM-u 2000. Osnovni parametri analize kapaciteta za signalisane raskrsnice su vrednost zasićenog toka, vremenski gubici na startu i iskorišćenje žutog signalnog pojma, dok su kod nesignalisanih raskrsnica prihvatljivi interval sleđenja za neprioritetni tok i interval sleđenja vozila u prioritetnom toku. 

Definisanje merodavnog protoka ulaznih i izlaznih saobraćajnih pravaca

Istraživanje merodavnih protoka i karakteristika saobraćajnih tokova je izvedeno korišćenjem tri vrste saobraćajnih istraživanja:  Istraživanje karakteristika saobraćajnih tokova (brojanja saobraćaja)  Istraživanje karakteristika vremena putovanja  Istraživanje vrednosti zasićenog saobraćajnog toka na signalisanim raskrsnicama. Brojanja saobraćaja su izvršena po klasičnoj metodologiji, razvrstavanjem vozila prema smeru kretanja i prema kategoriji kojoj pripadaju. Istraživanje je obavljeno na potezu od raskrsnice Trošarina (Kružni put -Vojvode Stepe) do raskrsnice Kumodraške ulice i Kružnog puta po petnaestominutnim intervalima, dvokratno, u periodima od 07.00-10.00 i 15.00-18.00 časova. Istraživanje je vremenski definisano tako da se obuhvati jutarnji i popodnevni vršni period kao i karakteristike vanvršnih perioda. 
Brzina saobraćajnog toka, na nivou prosečne brzine saobraćajnog toka na deonicama je dobijena istraživanjem na potezu Kružnog puta, na šest deonica. Istraživanje vremena putovanja obavljeno je u istim karakterističnim periodima kao i brojanje saobraćaja. Primenjena je metoda istraživanja vremena koja se zasniva na "plutajućem" vozilu. Istraživanja se realizuju uz aktivno, neposredno učešće u realizaciji procesa. 
"Plutajuće" vozilo, u okviru metode, svoje kretanje realizuje u okviru medijane ponašanja pripadajućeg saobraćajnog toka za aktuelne uslove na deonici. Istraživanja su realizovana primenom automatske tehnike prikupljanja podataka, pomoću mernog instrumenta (GPS prijemnika i prenosivog računara). Snimanja parametara kretanja vozila tokom realizacije istraživanja obavljaju se u intervalima od jedne sekunde, što omogućava formiranje trajektorije kretanja vozila (prostor-vreme dijagrama) visokog nivoa detaljnosti. Snimanja su vršena kontinualno duž poteza, u oba smera. 
Istraživanje vrednosti zasićenog saobraćajnog toka vršeno je na osnovu merenja prosečnog intervala sleđenja prilikom pražnjenja reda nakupljenog za vreme trajanja crvenog signalnog pojma. Istraživanja su sprovedena radi provere rezultata proračuna kapaciteta dobijenih uz pomoć softverskog programa HCS (tačka 3.2). Istraživanjem su obuhvaćene dve signalisane raskrsnice, Kružni put -Kumodraška i Kružni put -Vojvode Stepe. Merenje vremena pražnjenja reda vršeno je pojedinačno za svaku traku na prilazu u periodima od 30 minuta. 

INTEGRISANI PRISTUP

U okviru integrisanog pristupa biće sprovedeni sledeći koraci:  Definisanje generisanog motornog saobraćaja za period od naredne dve godine  Raspodela saobraćaja po mreži (makromodel)  Analiza upravljačkih scenarija rada svetlosnih signala (mikromodel). 

Prognoza generisanog motornog saobraćaja U naselju Stepa

Stepanović je planirana izgradnja oko 4600 stanova. Do trenutka kada su sprovedena saobraćajna istraživanja bilo je prodato i u posed kupaca prešlo oko 2400 stanova što je nešto više od 50% ukupnog broja. Ipak, na osnovu istraživanja na terenu utvrđeno je da nisu svi stanovi u upotrebi ili se deo njih koristi u druge svrhe sem stanovanja. 
Na osnovu brojanja saobraćaja utvrđeni su transportni zahtevi koje stambeno naselje ispostavlja prema transportnom sistemu. U jutarnjem vršnom času od 7 do 8 časova najveći su zahtevi zbog realizacije kretanja sa svrhom odlazak na posao (499 kretanja PA). Pored brojanja saobraćaja putničkih vozila sprovedeno je i brojanje pešačkih kretanja ka stajalištima javnog masovnog prevoza (dodanih 500 kretanja). Prosečna vrednost stepena popunjenosti vozila je 1.4, što iznosi još 200 kretanja putničkim vozilom u svojstvu putnika. Tako su prikupljeni podaci o ukupnim generisanim kretanjima i vidovnoj raspodeli kretanja. 
Pretpostavke na kojima je bazirana prognoza generisanih kretanja su obuhvatale:  Prosečan stepen popunjenosti vozila,  Prosečan stepen motorizacije  Prosečnu veličinu domaćinstva i  Procenjeni broj domaćinstava. 
Stepen motorizacije odražava viši ekonomski status stanovnika u skladu sa prognoziranim stepenom motorizacije iz Generalnog plana Beograda od 1 vozila po domaćinstvu. 
Rezultat prognoze je zasnovan na prosečnom broju domaćinstava koji predstavlja procenu stepena korišćenja zemljišta izraženu brojem stambenih jedinica koji se aktivno koristi odnosno brojem domaćinstava koja učestvuju u generisanom saobraćaju. Prognoza je bazirana na varijantnim scenarijima: optimistički, realni i pesimistički. Scenariji su nazvani u TEHNIKA -SAOBRAĆAJ 62 (2015) 6 odnosu na broj kretanja koji se generiše, pa "pesimistički scenario" podrazumeva scenario sa najmanjim brojem generisanih kretanja. 
Stanovnici koji sada žive u naselju generišu u jutarnjem vršnom satu oko 1200 kretanja. Scenariji su zatim formirani na osnovu procene budućeg broja stanovnika (za prognozni period od dve godine). 
Uslovno rečeno, donja granica prognoze, definisana je pesimističkim scenariom sa maksimalnim brojem stanovnika. Predviđena je potpuna popunjenost stambenih jedinica odnosno svih 4600 stanova. Procenjeni broj stanovnika će generisati transportne zahteve od oko 2300 kretanja u vršnom času svim načinima kretanja. 
Na osnovu vidovne raspodele utvrđene u postojećem stanju broj transportni zahtevi putničkih automobila iznosiće oko 1000 vozila. Tako je dobijen faktor porasta saobraćaja u odnosu na postojeće stanje koji iznosi oko 2.0 kojim će se ekspandirati sva izvorna i ciljna kretanja u varijantnim rešenjima. 
Prognoza je bila pod uticajem pretpostavke da linije JMPPa ne ulaze u naselje nego da je naselje opsluženo sa postojećim linijama. U slučaju da se pojave linije ili linija JMPP-a u naselju došlo bi do promena u modalnoj raspodeli. 

Raspodela saobraćaja po mreži (makroskopski model)

Na osnovu definisanog realnog prognoznog scenarija definisani su i prelazni scenario sa povećanjem transportnih zahteva sa faktorom 1.5 i 2.5. U prvom slučaju reč je o prelaznom prognoznom scenariju uvećanja transportnih zahteva. Dok je povećanje faktorom 2.5 scenario koji prevazilazi ciljnu godinu ali može predstavljati dobar "šta ako" scenario. 
Paralelno su definisani i scenariji razvoja mreže:  Varijanta bez intervencija na saobraćajnoj mreži (postojeće stanje sa uvećanim transportnim zahtevima)  Varijanta sa minimalnim intervencijama na saobraćajnoj mreži (povezivanje naselja sa Ulicom Vojvode Stepe dok sva saobraćajna mreža ostaje na nivou postojećeg stanja)  Varijanta sa unapređenom saobraćajnom mrežom (veza naselja sa Ulicom vojvode Stepe). Saobraćajna mreža je unapređena, i to deonice Ulica Save Maškovića od raskrsnice sa Bulevarom oslobođenja do Ulice braće Jerković, kao što je predviđeno Planom detaljne regulacije za saobraćajni potez od ulice Borske do petlje "Lasta". Za potrebe mikrosimulacije, merodavni saobraćajni tokovi na deonicama i raskrsnicama su definisani u Transportnom modelu Beograda na široj mreži (slika 2). Usled prognoziranih transportnih zahteva, koji opterećuju saobraćajnice koje oivičavaju naselje, dolazi do preraspodele saobraćajnih tokova na uličnu mrežu gravitacionog područja. Kapacitivna ograničenja utiču na protoke koji će moći da budu realizovani na postojećoj uličnoj mreži. Tu se pre svega misli na Ulicu Save Maškovića i Crnotravsku, od raskrsnice sa Ulicom vojvode Stepe do Borske ulice. 
Korišćena je baza podataka o transportnim zahtevima u vršnom času iz Transportnog modela Beograda. Generisana je mreža gravitacionog područja i agregirani transportni zahtevi na nivou novog, lokalnog zonskog sistema. Na taj način je uzet u obzir preusmereni saobraćaj koji usled promene stepena iskorišćenja kapaciteta može da se pojavi odnosno bude privučen sa saobraćajnica koje nisu deo poteza na kome su izvedena sva istraživanja. 

Slika 2 -Primer rezultata makrosimulacije sa obu-

hvatom šireg uticajnog područja Tako definisani protoci po definisanim varijantnim rešenjima su služili kao osnova za mikrosimulaciju (slika 2). 
Izlazni rezultati iz makrosimulacije su služili za generisanje saobraćajnih slika na užem području: području mikrosimulacije. Saobraćajne slike na karakterističnim raskrsnicama predstavljaju precizan i kvalitetan ulazni podatak. Grafički prikaz podataka je prikazan na narednoj slici (slika 3). 

Slika 3 -Primer ulaznih podataka za mikrosimulaciju

u formi saobraćajnih slika Saobraćajna mreža gravitacionog područja je u prvom koraku kalibrisana da bi se dobila odgovarajuća raspodela saobraćajnih tokova na mreži koja odgovara postojećem stanju. Transportni zahtevi iz Transportnog modela Beograda su korigovani da bi se ostvarilo maksimalno poklapanje sa rezultatima brojanja saobraćaja. 

Analiza upravlјačkih scenarija rada svetlosnih signala (mikroskopski model)

Na osnovu prognoze generisanog motornog saobraćaj, simulacija saobraćajnih tokova je urađena za četiri scenarija porasta generisanog saobraćaja iz naselja Stepa Stepanović:  Postojeća, bazna vrednost saobraćajnog opterećenja, dobijena istraživanjem.  Porast generisanog saobraćaja za 50% u odnosu na bazno.  Porast baznog opterećenja za 2 puta.  Porast baznog opterećenja za 2.5 puta (generisani saobraćaj na kraju prognoznog perioda). U prvom koraku izvršena je simulacija tokova sa postojećim vrednostima saobraćajnog opterećenja za mrežu bez investicija. Osnovna svrha ovog dela simulacionog projekta bila je analiza postojećeg stanja i kalibracija simulacionog modela na rezultate dobijene istraživanjem. 
Simulacija saobraćajnih tokova za definisane skale porasta generisanog saobraćaja iz naselja, izvršena je za varijante mreže bez investicija i mreže sa minimalnim investicijama. Svi simulacioni projekti pomenutih varijantnih rešenja urađeni su za aktuelni režim saobraćaja na raskrsnicama, postojeći način i postojeće vrednosti upravljačkih parametara rada svetlosnih signala. 
U okviru varijanti ispitivane su i podvarijante. Osnovi cilj generisanja podvarijantnih rešenja postojećeg načina upravljanja sa skalama porasta generisanog saobraćaja iz naselja je definisanje vremenskog perioda (sa aspekta tempa urbanizacije naselja) do kojega postojeća mreža, odnosno mreža sa minimalnim investicijama, u kontekstu aktuelnog načina upravljanja, može prihvatiti porast generisanog saobraćaja. Rezultati simulacije su prikazani za svaki scenario kao na slici 4. Slika 4 -Prikaz rezultata mikrosimulacije 5. DISKUSIJA Na osnovu rezultata simulacije izvučeni su sledeći zaključci u vezi sa konkretnim problemom: 
Optimizacija saobraćajnih tokova na raskrsnici, odnosno duž Kružnog puta, unapređenjem rada signala će imati pozitivan efekat u postojećem stanju transportnog sistema i sa postojećim transportnim zahtevima. 
Rekonstrukcija raskrsnice Kružni put naselje Stepa Stepanović, formiranje posebne trake za levo skretanja sa Kružnog puta u naselje Stepa Stepanović, uvođenje svetlosnih signala na raskrsnici Kružni put -Naselje Stepa Stepanović i povezivanje raskrsnica duž Kružnog puta u sistem koordinisanog rada će omogućiti povećanje nivoa bezbednosti i povećati pristupačnost za vozila JMPP-a. Potencijalni negativni efekti se očekuju u smanjenju efikasnosti za tokove na glavnom pravcu i početnom smanjenju efikasnosti za tokove iz naselja. 
Mere koje je neophodno primeniti kada porast generisanog saobraćaja iz naselja u granicama oko 50%: 
(1) Rekonstrukcija raskrsnice Kružni put -Kumodraška. Otvaranje posebne trake za leva skretanja na prilazu Kumodraške ulice iz pravca Kumodraža, proširenje kraka Kružnog puta iz pravca ulice Braće Jerković, formiranje posebne trake za levo na prilazu raskrsnici, izmeštaanje autobuskog stajališta i njegova realizacija u posebnoj traci i optimizacija rada svetlosnih signala. 
Efekti predloženih mera su povećanje kapaciteta rekonstruisanih prilaza, nesmetan proces rasformiranja reda i sprečavanje blokiranja raskrsnice. Potencijalni negativni efekti su realizacija veće vrednosti protoka na deonici Kumodraška -Vojvode Stepe, smer ka Vojvode Stepe. 
(2) Izgradnja priključka Naselja na Ulicu vojvode Stepe prema postojećem idejnom projektu i uvođenje svetlosnih signala na priključku naselja na Ulicu vojvode Stepe. Tako bi se ostvarilo preusmeravanje tokova sa priključka Kružni put -Naselje odnosno povećanje nivoa usluge na Kružnom putu. 
Povećanje generisanog saobraćaja većeg od 60% u odnosu na postojeće stanje nije moguće kompenzovati merama optimizacije rada svetlosnih signala. 

ZAKLJUČAK

Integrisani pristup primenom kombinacije makroskopske i mikroskopske simulacije omogućava formiranje ulaznih setova podataka (za mikrosimulaciju na osnovu makrosimulacije) koji su osloljeni na karakteristike razlivanja saobraćajnih tokova po mreži. Na taj način se smanjuje mogućnost korišćenja neproverenih 

SUMMARY


INTEGRATING МАCRO AND MICRO SIMULATION IN TRANSPORTATION PLANNING AND TRAFFIC MANAGEMNET PROJECTS

Traffic simulations are the basis for solving complex traffic problems. Conceptual level of simulation depends on the project goals. In traffic management problems, the most common approach is microsimulation with the perception unit of a single vehicle and precise drivers behaviour simulation. On the other hand, the simulation of traffic flow characteristics and the changes in vehicle routes demands for macrosimulation approach based on global relations of traffic flow parameters. In projects where transport demand forecasts are needed, macrosimulation models are important input data sources for microsimulation. In this paper we present methodology for joint use of macro and micro simulation on a case study of Stepa Stepanović estate in Belgrade. Strengths and weaknesses of this approach are emphasized in discussion and conclusions. Key words: macrosimulation, microsimulation, integrated simulation approach
Integrating macro and micro simulation in transportation planning and traffic management projects