Цифровой двойник в сфере организации дорожного движения

Краткий обзор концепции применения средств цифрового проектирования организации дорожного движения улично-дорожной сети Москвы и системы светофорного регулирования в Ситуационном центре ЦОДД Правительства Москвы.

Необходимость развития и внедрения эффективных средств цифрового проектирования прямо следует из практических потребностей управления городской транспортной системой.

До настоящего времени, несмотря на широкое использование различных программных продуктов и электронных документов, вся цифровизация фактически копировала привычный бумажный документооборот. Проект организации дорожного движения хотя и выполнялся в системах проектирования (например, AutoCAD), но фактически лишь заменял кульман, рейсшину, ватман и другие привычные инструменты чертежа. Проект получался в электронном виде (например, в виде файлов формата DWG или экспортированных в презентационные форматы файлов в PDF, PNG и т.д.), но не был сопоставлен ни с математической моделью улично-дорожной сети, ни с другими составляющими интеллектуальной транспортной системы (ИТС). Он также не обладал средствами поддержания жизненного цикла, в нем отсутствовали инструменты эффективного контроля и коррекции актуальности, достоверности и полноты информации.

Рис. 1. Архитектура цифрового двойника

Фактически будучи электронным документом, проект оставался немашиночитаемым для системы управления транспортом. Это требовало большого количества ручных усилий для перевода проектов в форматы математических моделей, работы многочисленных специальных групп сотрудников с навыками программистов, математиков и аналитиков, которые обеспечивали дальнейшее доведение информации до всех систем. Над всем этим постоянно довлела проблема обеспечения актуальности, полноты и достоверности информации.

Для решения указанных проблем, сокращения накладных расходов на регулярную деятельность и повышения качества решения задач в области организации дорожного движения в ЦОДД Москвы был реализован ряд взаимосвязанных проектов: АИС КСОДД (комплексная схема организации дорожного движения), ДТМ (динамическая транспортная модель) и АСУДД (автоматизированная система управления дорожным движением). Данные системы связаны с оборудованием ИТС Москвы и включены в общую систему управления транспортом.

Рассмотрим коротко назначение некоторых систем

Динамическая транспортная модель

Динамическая транспортная модель (ДТМ) является базовой системой ИТС, обеспечивающей ведение графа улично-дорожной сети, сбор данных с периферийных устройств ИТС, моделирование и аналитические исследования в области дорожного движения. ДТМ является критически важным звеном в построении интеллектуальной транспортной системы.

От популярных коммерческих систем ДТМ отличает в первую очередь использование не только скоростных характеристик движения, но и количественных. Есть различия и в базовой функции: это не только информирование и прогнозирование скорости движения на заданном маршруте, но и поиск слабых мест транспортной системы, настройка технических средств организации дорожного движения для повышения эффективности работы транспортной системы: повышения пропускной способности, минимизации заторовых ситуаций, обеспечения приоритетности работы общественного транспорта и др.

Рис. 2. Динамическая транспортная модель

Автоматизированная информационная система

Задачи автоматизированной информационной системы "Комплексная система организации дорожного движения" (АИС КСОДД) заключаются в обеспечении проектировщика полнофункциональным редактором для создания проектов организации дорожного движения с учетом всех требований ГОСТ по проектированию, а также в обеспечении тесной связи с математической моделью в плане нормативно заданных требований, определяющих свойства графа. Централизованно поддерживаемые библиотеки всех средств проектирования в области ОДД полностью избавляют проектировщика от необходимости использования таких редакторов общего назначения, как AutoCAD. При этом АИС КСОДД тесно связана с ДТМ.

Поскольку проекты исполняются в системе точных геодезических координат, проект автоматически имеет сопряжение с графом улично-дорожной сети. Информация проекта в момент создания немедленно обогащает граф УДС всеми нормативными параметрами, имеющими значение для мониторинга и управления транспортными потоками, как в режиме реального времени, так и в режиме моделирования и прогнозирования.

Эффективность проектирования (исполнения чертежа) возрастает на 40% за счет развитых средств проектирования, специализированных для отрасли, заодно автоматически пополняя математическую модель. Это полностью избавляет от необходимости содержания дополнительных подразделений "оцифровки", в разы сокращает расходы на поддержание адекватной реальности математической модели и дает возможность вести математическое моделирование и визуализацию решения без дополнительных временных и ресурсных расходов. Одновременно обеспечивается контроль за жизненным циклом проекта, что ранее полностью ложилось на административный персонал. Общее повышение эффективности оценивается кратным повышением актуальности, достоверности и непротиворечивости информации в области организации дорожного движения.

Рис. 3. Сервис организации дорожного движения

Автоматизированная система управления дорожным движением

Автоматизированная система управления дорожным движением (АСУДД) предназначена для управления светофорной системой. Светофор является наиболее мощным средством управления дорожным движением. В концепции цифрового двойника светофор является особым элементом графа УДС, динамически меняющим свойства графа – открывая и закрывая на определенные промежутки времени направления движения по ребрам графа. Ввиду полностью цифровой реализации становится возможным эффективное применение средств математической оптимизации транспортных потоков. Электронный паспорт светофора представляет собой машиночитаемую схему направлений светофорного регулирования, наложенную на граф УДС из ДТМ, обогащенный данными КСОДД. Включение в эту связку потока реальных мониторинговых данных, поступающих с детекторов дорожного движения, делает цифровой двойник в достаточной мере адекватным реальности и позволяет значительно обогатить управление движением за счет развития как алгоритмических и эвристических способов оптимальных настроек светофора, так и широкого применения нейросетевых методов оптимизации.

Рис. 4. Цифровой двойник светофорного объекта

Отдельно стоит отметить перспективы нейросетевых методов, демонстрирующих на данном этапе развития выработку решений, стоящих выше способностей среднестатистического проектировщика. Заменить лучших проектировщиков-людей такие системы пока не способны, но позволяют значительно разгрузить их, задать рамки качества для проектировочной работы и объективного анализа. Они становятся эффективным инструментом интеллектуального проектирования в области светофорного регулирования. Все вместе это дает резкое повышение качества управления транспортной системой при сокращении расходов на обеспечение этого процесса.

Цифровой двойник

Применение концепции цифрового двойника для проектирования, анализа, моделирования и управления дорожным движением показало высокие результаты в Москве. Объективно это приводит к резкому кратному сокращению расходов на поддержание целостности и актуальности информации об организации дорожного движения в городе. В сфере светофорного управления концепция цифрового двойника позволяет вводить объективные характеристики качества настроек светофорной системы, вовремя находить узкие места в транспортной системе, предлагать эффективные решения проблем и т.д. Конкретные показатели повышения функциональных характеристик регулирования проезда перекрестков начинаются от 30% и доходят до кратного повышения пропускной способности, сокращения времени ожидания при заданном уровне безопасности.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №2/2022

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>