Математики возьмут под контроль городской трафик

Сотрудники Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН разработали математические модели и методы анализа и оптимизации городской транспортной сети. Они помогут сделать дорожное движение наиболее безопасным, сообщает «Наука в Сибири». В моделях в качестве входных данных служат плана города, информации об интенсивности транспортных потоков, существующих ограничениях для этих потоков и количества объектов, статических и динамических, которые можно установить на улицах. Исходя из всего этого алгоритм рассчитывает, какие изменения нужно внести, чтобы сделать движение автомобилей более эффективным. Эти же модели позволяют оценить любое внесенное предложение по улучшению или реорганизации транспортной сети: понять, как перераспределятся потоки транспорта, если, например, поставить в том или ином месте новый светофор, построить мост или поменять разметку, а также как далеко разойдутся «волны» последствий от каждого такого решения. Благодаря этому можно, например, увидеть, не осложнится ли от установки одного светофора транспортная ситуация на маршруте, лежащем за этим объектом. «Мы запускаем модель несуществующей системы и смотрим, как она будет работать, — рассказывает заведующий лабораторией Системного моделирования и оптимизации Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН доктор технических наук Алексей Сергеевич Родионов. — За один такой прогон мы можем не только оценивать эффективность расположения объектов дорожной инфраструктуры, но и изменять варианты, до достижения оптимального результата. Стало лучше — продолжаем, не стало — возвращаемся на исходную позицию, пробуем другую версию». Применить такой метод можно к произвольной транспортной сети — достаточно иметь нужную информацию. Получить ее помогает то, что данные о потоках автомобилей в последние годы фиксируются довольно точно: камеры, отслеживающие нарушения, собирают статистику как о количестве, так и о скорости машин. Другая часть исследования ученых напрямую связана с безопасностью движения. Сегодня практически все современные автомобили оснащены не только бортовыми компьютерами, но и бортовыми передатчиками, о которых водитель может даже не подозревать, типа той же ЭРА-ГЛОНАСС. Пример их использования: автоматическое оповещение о ДТП. Если происходит выбрасывание подушек безопасности то, независимо от действий водителя, начинается передача сигнала, информирующего об аварии. Как только он доходит до стационарного передатчика, данные о случившемся тут же передаются в соответствующие службы, например, ГИБДД. Это важно, поскольку водитель и пассажиры не всегда могут сами вызвать помощь. Однако бывают ситуации, когда автомобиль находится слишком далеко от придорожной станции (то есть более мощного приемо-передатчика) и относительно слабый сигнал машины ее не достигает. Тогда участники дорожного движения начинают связываться между собой, ретранслировать сигнал по беспроводной сети VANET (Vehicular Ad Hoc Network). Отличительная особенность таких сетей — постоянно меняющаяся топология, то есть взаимно изменяющееся положение всех узлов сети. Для оповещения о катастрофах, например, пожарах или наводнениях, используются так называемые сенсорные сети, состоящие из большого числа сенсоров, оснащенных приемо-передатчиками малого радиуса действия. Если что-то происходит, ближайшие к месту события сенсоры начинают передачу сигнала, который далее по цепочке других сенсоров передается до базовой станции, напрямую связанной с центром управления. Таким образом, структура трансляции информации создается каждый раз наиболее удобным способом. В ситуации с дорогой происходит точно так же, только в этом случае объекты (автомобили) не стационарны, а находятся в движении. Если транспортные средства взаимодействуют не только с инфраструктурой, но и между собой, эффективность передачи сигнала усиливается. Иногда может потребоваться и обратная связь — например, когда нужно оперативно оповестить участников движения о чрезвычайных ситуациях на дорогах (ДТП, оползне, сходе лавины, обрыве проводов). Сейчас аналогичную роль выполняют спутниковые системы, но они существенно дороже и не всегда могут надежно передать сигнал на поверхность планеты (облака могут помешать прохождению сигнала). Более того, число спутников ограничено, и отключение одного из них (а такой случай всегда лучше предусмотреть) ведет к сбою огромного количества связей внизу — повредить же системе на земле гораздо сложнее. Чтобы система связи и оповещения работала эффективно даже без спутников, важно определить число и расположение по территории города стационарных базовых станций, от которых сигнал будет гарантировано передаваться нужным службам. Сделать это и помогает разработанный математиками метод. Для этого также нужен план города и данные о потоках автомобилей. Например, по подсчетам специалистов, в Академгородке достаточно установить шесть станций — такого количества хватит, чтобы сигнал оперативно передавался в соответствующие службы за короткое время. Созданное разработчиками программное ядро универсально. На данном этапе уже создан алгоритм, проверена надежность его работы и написана программа, позволяющая применять алгоритм к разным наборам входящих данных. Но для конечного продукта необходима кооперация с компаниями, где есть программисты, которые облекут все это в удобную для пользователя графическую оболочку.