הנדסה - סימולציות תחבורה ותנועה
במסגרת פרוייקט הגמר במסלול הנדסת תחבורה, הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית - הטכניון.
מבוא
רקע למודל סימולציה
צומת חורב - נתוני רקע
מתודולוגית בניית הסימולציה
1. מבוא
אחת הבעיות הקשות איתן נאלץ להתמודד מהנדס התחבורה היא ניתוח ובקרה תנועתית של מערכות תחבורה. בבעיות מעשיות רבות לא ניתן לבחון את הפתרונות המוצעים בקנה מידה מלא מכיוון שהדבר יקר מאוד וגם עורך זמן רב, ולעתים אף קשה לפתרון בצורה אנליטית. אחד מהכלים היעילים ביותר כיום בידי המתכננים לניתוח ובקרה של פרויקטים הוא "סימולציית תנועה".
באמצעות המודל שיתקבל ניתן יהיה להעריך את תפקוד הצומת תוך כדי התייחסות לפרמטרים שונים אשר מורכבים מידי לניתוח בשיטות אנליטית. בנוסף ניתן יהיה לבחון השפעות של שינויים בפרמטרים על תפקוד הצומת (ניתוחי רגישות) ולהמליץ על שיפורים בתפעולו.
בתמונה: סימולציית צומת חורב
2.1 כללי
הסימולציה מוכרת מזה מאות שנים. כך למשל השתמשו מצביאים רבים בסימולציה (כאשר משטח כגון ארגז חול מייצג את השטח, וכלים שונים מייצגים את הכוחות הלוחמים) כדי לתכנן קרבות עתידיים. במהלך המאה ה-20 התפתח תחום הסימולציה באופן משמעותי עם הופעת מודלים מתמטיים מחד ואפשרות השימוש במחשב מאידך. כיום ניתן לראות שימוש נרחב בכלי זה למטרות חיזוי רבות. אחת מהן היא חיזוי מערכות תחבורה.
לסימולציה מספר מטרות :
- חיזוי ביצועי המערכת תחת תנאים שונים
- ניתוח של צווארי בקבוק
- אופטימיזציה – החלטה על השילוב האופטימאלי של המדדים וערכי הפרמטרים שיביאו לביצועי המערכת הטובים ביותר
- ניתוחי רגישות – החלטה איזה המדדים משפיע בצורה חזקה ביותר על המערכת
- קביעת ההשפעות ההדדיות בין האלמנטים של המערכת
- השוואת ביצועי מערכות מתחרות
- התהליכים במערכת המנותחת מורכבים מדי לניתוח בשיטות אנליטיות
- לגורם אי הוודאות חשיבות רבה בניתוח המערכת
- קיים ריבוי נתונים ויש צורך ביצירת פלטפורמה אחידה להתחשבות בהם
- טעות בניתוח המערכת בשיטות פשוטות יותר גדולה מדי מכדי להסתכן (מסוכנת מדי מבחינת השלכותיה השונות)
התכנה מבצעת סימולציה עבור רשת תחבורה יחידה הכוללת את כל סוגי הרחובות המוגדרים לה. זרימת התנועה מיוצגת ע"י כלי הרכב והנהגים ונקבעת לפי תכונות התנהגותם מהמוצא ליעד. התוכנה משתמשת במגוון מודלים המדמים את התנהגות הנהגים על רשת התחבורה. מודלים אלה מבוססים על סוגים שונים של התנהגויות נהגים, הכוללות בחירת נתיב, האצה, תגובה לאמצעי בקרה וכו`. ביקושי התנועה נקבעים ע"י מטריצת מוצא - יעד . בנוסף להגדרות הרשת וביקושי התנועה, ניתן להגדיר בעזרת התכנה אמצעי בקרת תנועה (רמזורים, תמרורים וכו`), מסלולי תחבורה ציבורית ועוד.
הצומת וסביבתו מהווים את קצהו הדרומי של מרכז העסקים העירוני של רכס הכרמל בחיפה. מרכז זה שנמשך עד ל"מרכז הכרמל" מכונה "ציר מוריה". במערב הצומת, שוכן בית חולים כרמל - השלישי בגדלו בחיפה. מצפון נמצאת כיכר ספר שבה מקומות בילוי רבים ומדרום קמפוס "בית בירם". בעבר הייתה במקום כיכר מיוערת רחבה, שפיצלה את רחוב חורב, בקטע שבין רחוב גת לרחוב ד`ישראלי לשני מסלולים נפרדים בני נתיב אחד כל מסלול. במהלך השנים הורחב רחוב חורב על חשבון הכיכר וכיום הכיכר היא סמלית בלבד.
בשנת 1987, על מקום חניון ומוסך של אגד, נבנה קניון קטן, "מרכז חורב", שהיה הקניון הראשון בחיפה ומראשוני הקניונים בישראל. מיקומו של הצומת הפך אותו לאתר של מפגש חברתי ומשפחתי של תושבי האזור.
לצומת חורב מבנה מורכב, המקשה על תפקודו מבחינה תנועתית. למעשה, מורכב הצומת משלושה צמתים המחוברים זה לזה. הצומת המרכזי הוא צומת הרחובות חורב - פיק"א - גת, מצפון נמצא צומת מוריה - ד`ישראלי ומדרום צומת חורב - פרויד. מערכת צמתים זו, שכולם צמתים מרומזרים, ולאור נפחי התנועה הגדולים העוברים בהם, הינה מהמסובכות ביותר, ולמעשה מתפקדת כצומת אחד גדול הדורש תיאום מושלם בין תתי הצמתים על מנת לאפשר את זרימת התנועה באופן מיטבי.
בתמונה: נפחי תנועה בצומת חורב שעת שיא בוקר שנת 2008 [כלי רכב\שעה]
מניתוח ראשוני של הספירות ניתן להבחין כי בצומת חורב-פרויד הכיוונים הראשיים הינם מרחוב פרויד לעבר רחוב חורב מדרום לצומת בשני הכיוונים, וכן מרחוב חורב מצפון לצומת לעבר דרך פרויד. בצומת מוריה-חורב-פיק"א-גת הכיוונים הראשיים הינם מדרך פיק"א לעבר רחוב חורב מדרום לצומת וכן מרחוב חורב לרחוב מוריה.
להלן מובאים תוצאות סקר התנועה בשעת השיא (7:00-8:00), אשר יהוו את הבסיס לבניית מטריצת ביקושי התנועה בצומת כיום.
טבלה: מטריצת פילוג נסיעות שעת שיא בוקר בצומת חורב שנת 2001 [כלי רכב\שעה]
מוצא/יעד | מוריה | ד`ישראלי | פיק"א | חורב | פרויד | גת |
מוריה | - | - | 180 | 497 | 336 | - |
ד`ישראלי | 51 | - | 71 | 26 | 92 | - |
פיק"א | 440 | - | - | 33 | 845 | - |
חורב | 737 | - | 342 | - | 728 | - |
פרויד | 296 | - | 363 | 298 | - | - |
גת | 173 | - | 168 | 75 | 184 | - |
מניתוח ראשוני של סקר התנועה העוברת, ניתן להבחין כי הכיוונים הראשיים בשעות הבוקר הינם מרחוב חורב ומרחוב פיק"א שמאלה לעבר דרך פרויד. מרבית העוברים בצומת בשעות הבוקר עושים את דרכם לעבר מרכזי התעסוקה בחוף הכרמל (מת"מ) או למרכז הארץ ולכן כיוון זה הינו העמוס ביותר.
3.4 תחבורה ציבורית
בצומת חורב עוברים מספר קוים עירוניים של חברת "אגד" אשר להם השפעה על תפקוד הצומת. בנוסף בסביבתו של הצומת ממוקמות 6 תחנות אוטובוס.
- נפחי תנועה גדולים - בהיותו צומת מרכזי, עוברים בצומת מידי יום נפחי תנועה גדולים במספר כיוונים מנוגדים בו זמנית. לאור זאת יש קושי להזרים את התנועה בצומת בצורה כזאת שכל התנועות יתופעלו ברמת שירות טובה. זמן המחזור של הרמזורים הוא ארוך ותכניות הרמזורים צריכות להיות מתואמות ביניהם כך שלמעשה כל תתי הצמתים יתפקדו כצומת אחד גדול.
- פניות שמאלה ככיוונים ראשיים - חלק מהכיוונים הראשיים ביותר הם פניות שמאלה. במיוחד בולט הדבר בשעת שיא בוקר, כאשר הכיוונים הראשיים הם מרחוב חורב דרום לדרך פרויד ומדרך פיק"א לדרך פרויד (שני הכיוונים הם פניות שמאלה). פניות שמאלה דורשות פאזות נפרדות ברמזור ומקשות על תפעול הצומת.
- ריבוי תחנות אוטובוסים - סביב צומת חורב ישנן 6 תחנות אוטובוס בהן עוברים 10 קווי אוטובוס. כמות קווי האוטובוס והתחנות גורמים להפרעה בזרימת התנועה. לחלק מתחנות האוטובוס אין מפרץ תחנה או שהמפרץ אינו ארוך מספיק, לעתים קרובות נוצר מצב שאוטובוסים חוסמים נתיב תנועה. בנוסף, השתלבותם של האוטובוסים במעבר בין התחנה לנתיבי התנועה היא קשה לאור נפחי התנועה הגדולים וריבוי הצמתים המרומזרים.
- חנייה בקרבת הצומת - מכיוון שצומת זה מהווה מרכז עסקים, ברחובות הסמוכים לצומת ובקרבתו יש מקומות חנייה וזאת למרות שמדובר ברחובות עורקיים (בהם ההמלצה היא לא לאפשר חנייה). תנועה רבה העוברת בדרכים עורקיות אלה מופרעת ע"י הרכבים החונים. החנייה גורמת עיכובים לנוסעים ומסכנת את כל משתמשי הדרך. יש לציין כי מתחת לקניון "מרכז חורב" יש חניון בתשלום שהכניסה אליו מרחוב צדדי. חניון זה משמש פתרון חלקי לבעיות החנייה בצומת.
- צמתים סמוכים - אחת הבעיות במבנה צומת זה היא קרבתם של הצמתים. יתכן מצב שבו אורך הנתיב המאחסן את כלי הרכב אינו מספיק ועל כן תאום תכניות הרמזורים חשוב במיוחד על מנת למנוע חסימה של הצמתים. בנוסף, רמזורים השייכים לצומת מסוים עלולים להראות מצומת אחר ולגרום לבלבול ולסכנה למשתמשי הדרך.
- איי תנועה קטנים להולכי רגל - בהיותו של הצומת בלב אזור פעילות מסחרי, מספר הולכי הרגל בו הם רבים. איי התנועה בין הנתיבים הינם קטנים ולא תמיד יכולים להכיל את מספר הולכי הרגל ולכן מסכנים אותם.
- הוספת נתיבים ברחוב חורב בקטע החוצה את הצומת בשני הכיוונים
- הוספת נתיב פנייה שמאלה מכיוון רחוב חורב (מדרום) לדרך פרויד - על מנת להגדיל את קיבולת הפנייה שהיא עמוסה ביותר במיוחד בשעות הבוקר
- הוספת נתיב פנייה שמאלה לבאים מרחוב פיק"א - על מנת להגדיל את קיבולת הפנייה שהיא עמוסה ביותר במיוחד בשעות הבוקר
- שינוי והוספה של תחנות אוטובוס על מנת למנוע חסימת הצומת ע"י אוטובוסים. תחנה חדשה שהוספה היא ברחוב חורב 18 לכיוון דרום. בנוסף בוטלה עצירה של חלק מהקווים בתחנה ברחוב חורב 22 והיא הועברה לעצירות בתחנות חורב 18 וחורב 24
- רימזור הפניות ימינה מרחוב גת ומדרך פרויד לרחוב חורב עקב ריבוי של הולכי רגל
בניית הסימולציה כללה את מבנה הצומת, ביקושי התנועה, תחבורה ציבורית ותכניות רמזורים. הסימולציה לא התייחסה כלל לתנועת הולכי הרגל, חניית כלי רכב ושאר הפעילות המסחרית סביב הצומת אשר משפיעה על זרימת התנועה בו.
בנוסף, מכיוון שתכנת הסימולציה מדמה התנהגות נהגים במצבים משתנים, הרצת התכנה בוצעה מספר פעמים על מנת לקבל פלט ממוצע ולבדוק את שונות התוצאות.
בניית הרשת נעשתה כך שכל צומת מהווה נקודת קצה (Node) לקטע דרך מסיום (Link). למעשה, מהווה כל צומת ברשת נקודת מפגש של מספר קטעים. כאשר בחלק מקטע ישנם שינויים גיאומטריים כמו פתיחה או סגירה של נתיב, אזי יחולק קטע זה לתתי קטעים (Segments).
לשם התווית כיווני התנועה האפשריים בצומת, לפי תכנית התנועה, בוצע קישור בין כל נתיב לכל הנתיבים האפשריים אליהם ניתן להמשיך את הנסיעה (Lane Connectors). קישור זה נעשה בכל מעבר של תתי קטעים ובצמתים (מעברי קטעים).
לשם כך, הוספו שני תתי קטעים אשר אינם קיימים במציאות בקצה דרך פיק"א, ושני תתי קטעים נוספים בקצה רחוב חורב. קטעים אלה, המהווים פתרון קצה תחום הסימולציה, מפלגים את התנועה באופן כזה שממזער את ניסיון מעברי נתיבים, ומדמה ככל האפשר את התנהגות הנהגים ככאלה שבוחרים את נתיב הנסיעה המתאים להם מבעוד מועד.
מכיוון שרצינו נתונים רלוונטיים ככל האפשר, היה צורך להתאים את סקר התנועה העוברת משנת 2001 לספירות התנועה בשנת 2008. התהליך בוצע כך שהמטרה היא מזעור סכום ההפרשים הריבועיים בין נתוני סקר התנועה העוברת (מטריצת הביקושים משנת 2001) לבין התוצאות המיועדות (מטריצת ביקושים מתאימה לשנת 2008) וכן מזעור סכום ההפרשים הריבועיים בין ספירות התנועה המדודות בצמתים משנת 2008 לבין ספירות התנועה בצמתים המתקבלות ע"י הרצת המודל בהתאם למטריצת הביקושים החזויה לשנת 2008.
לפי הנחתנו, חשיבות ההתאמה של ספירות התנועה בצמתים רבה יותר ולכן חלק זה בפונקצית המטרה קיבל חשיבות גדולה פי 100.
מוצא/יעד | מוריה | ד`ישראלי | פיק"א | חורב | פרויד | גת |
מוריה | - | - | 224 | 480 | 341 | - |
ד`ישראלי | 137 | - | 37 | 19 | 1 | - |
פיק"א | 396 | - | - | 151 | 963 | - |
חורב | 628 | - | 290 | - | 1007 | - |
פרויד | 431 | - | 552 | 396 | - | - |
גת | 37 | - | 205 | 31 | 128 | - |
טבלא: פילוג כלי הרכב בצומת
סוג | אחוז מכלי הרכב |
רכב פרטי | 92% |
רכב מסחרי | 3% |
אוטובוסים | 3% |
משאיות | 1% |
אופנועים | 1% |
כלי הרכב הפרטיים חולקו אקראית לשלוש רמות : כלי רכב חדשים (33%), כלי רכב ישנים (43%) וכלי רכב ישנים מאוד (16%) משאיות חולקו אקראית לשני סוגים : חצי טריילר (0.7%) וטריילר שלם (0.3%).
4.5 תכניות הרמזורים
- הושם דגש על כך שזמן המחזור יהיה זהה בכל הצמתים על מנת שיהיה ניתן לתאם ביניהם
- תכניות הרמזורים נבנו כך שלכל תנועה בצומת הוגדרו זמני הירוק המינימאליים והמקסימאליים, פערי החילוף, זמני הארכה, זמני הצהוב והאדום
- בוצע תיאום בין הצמתים לפי תכנית הגלים הירוקים בצומת. ניתן לראות בתכנית שכיוון הגל הירוק הוא מצפון לדרום ושההיסט של צומת חורב – פרויד משאר הצמתים הינו שנייה אחת קודם לכן עבור כיוון נסיעה דרומה
- מכיוון שבשעת השיא יש ביקושי תנועה מכל הכיוונים אזי תכנית הרמזורים מופעלת לפי הענף המקסימאלי. (הצמתים פועלים לפי זמני ירוק מקסימאליים)
- עקב בעיה בגרסת התכנה, לא הצלחנו להגדיר את סוג גלאי התנועה – גלאי ביקוש או גלאי הארכה. מכיוון שמדובר בשעת שיא, אזי הצומת פועל לפי ענף מקסימאלי ולכן בכל הכיוונים ביקושי תנועה וזמני הירוק הינם מקסימאליים. לפיכך, הצומת מתפקד למעשה כקבוע זמן וחשיבות הגדרת הגלאים הינה פחותה
לאחר שהכנסנו למודל את מאפייני התנועה של צומת חורב, ניתן להריץ את הסימולציה.
תמונה: סימולציית צומת חורב
אין תגובות