83
MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE PROMETOM dr. sc Ljupko Šimunović, dipl. ing. Fakultet prometnih znanosti, Zagreb Zavod za gradski promet

MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE PROMETOM

dr. sc Ljupko Šimunović, dipl. ing.Fakultet prometnih znanosti, Zagreb

Zavod za gradski promet

Page 2: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

TEMELJNI ZAJEDNIČKI KONCEPTI

Kompleksnost prirode i društva

Pod pojmom “kompleksno” podrazumijeva se nešto vrlo složeno

što nije moguće do kraja opisati i jednostavno riješiti.

Kompleksnost označava mnogobrojnost pojava i odnosa.

Klasično matematičko modeliranje je neuspješno ukoliko “sve” o

sustavu nije precizno određeno i poznato

Page 3: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

RJEŠAVANJE KOMPLEKSNOSTI

Inžinjerski pristup – pokušava riješiti kompleksnost metodama bliskim čovjeku (izradom kvalitativnih modela, a ne kvantitativnih)

Kvalitativnim modeliranjem u odnosu na matematičko smanjujemo preciznost, ali zato povećavamo primjenjivost modela (neizrazita -fuzzy logika, expertni sustavi, neuronske mreže, agenti-inteligentni, softverski, pokretni..)

Fuzzy logika (Lofti Zadeh) npr. vrlo niska temepratura i vrlo, vrlo niska temperatura

Expert systems – sustavi koji probavaju nadomjestiti ljudskog eksperta u specifičnom području

Page 4: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

REALNI SUSTAV

Realni sustav je dio stvarnoga svijeta koji čini jednu

funkcionalnu cjelinu, pa se kao takav može relativno izdvojiti i

promatrati i izučavati.

Realnim sustavom smatra se i nešto što u stvarnosti ne postoji,

nego je zamišljeno (planirano) napraviti u budućnosti.

Sustav se sastoji od dijelova koji su međusobno povezani

vezama i nazivaju se podsustavi.

Pomoću tih veza podsustavi međusobno djeluju jedan na

drugoga tako da svi zajedno čine jednu cjelina.

Page 5: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

ISTRAŽIVANJE I ANALIZA SUSTAVA

Realni sustav koji se istražuje, često je vrlo složen isastoji se od velikog broja podsustava i veza, pa nijedovoljno poznat

Na temelju onoga što se zna o sustavu radi se njegovmodel koji treba poslužiti za daljnje proučavanjesustava i eksperimentiranje s njime.

Granica sustava s okolinom mora biti odabrana tako dasustav, odnosno njegov model, obuhvaća samofenomene od interesa.

Okolina sustava modelira se tako da se ne uključujudetalji i uzročne veze među njima, nego se daje samonjihov sažeti prikaz (npr. slučajna razdioba dolazaka usustav).

Page 6: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE REALNIH SUSTAVA

Modeliranje je stvaranje (oblikovanje, formiranje) modela nekog

realnog postojećeg ili hipotetskog sustava tj. onog koji se tek kani

sagraditi

Model je pojednostavljeni prikaz dijela stvarnog svijeta koji je

usredotočen na određene elemente koji se smatraju važnima za

analizu i istraživanje s određene točke gledišta (Ortuzar i

Wilumsen, 2006.)

Model u odnosu na stvarni sustav treba sadržavati samo one

najbitnije elemente originala koji mogu proizvesti potrebne

informacije od interesa.

Page 7: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE REALNIH SUSTAVA

Model nije kopija orginala, ali mora posjedovati sličnost nekih

svojstava ovisno o svrsi modeliranja

Aproksimacije su pojednostavljenja koja se uvode sa svrhom da

model na željenoj razini točnosti bude što jednostavniji i pogodniji

za korištenje ali i zbog nedostatnog poznavanja detalja (uzročno-

posljedičnih veza)

Model reprezentira sustav sa određenom razinom aproksimacije

To znači da model opisuje sustav samo s određenom razinom

točnosti..

Page 8: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE REALNIH SUSTAVA

Page 9: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE REALNIH SUSTAVA

Model je napravljen zato da bi poslužio boljem razumijevanju i/ili

daljnjem proučavanju tog sustava i eksperimentiranju s njim.

Ideja je da model posluži za reprodukciju ponašanja sustava kako

bi se na temelju analize rezultata simulacije verificirala hipoteza o

strukturi ili ocijenili pojedini kvantitativni parametri.

Smisao modeliranja je u smanjivanju opasnosti i rizika koji bismo

mogli imati od naših akcija i postupaka istraživanja na stvarnom

sustavu

Teorija sličnosti predstavlja skup matematičkih metoda i postupaka pomoću kojih se moguodrediti parametri (dimenzije, oblik i sl.) modela i pomoću kojih se rezultati eksperimentiranja na modelu mogu pretvoriti u pouzdane veličine originala.

Page 10: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

REALAN SUSTAV I MODELI

Realan

sustav

Mjerljivi

ulazi u

sustav

Model

logična zamjena

realnog sustava

Mjerljivi

izlazi iz

sustava

Zadani

ulazi u

sustav

Izračunati

izlazi iz

sustava

Realan

sustav

Page 11: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

REALAN SUSTAV I MODELI

Page 12: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE REALNIH SUSTAVA

Smatra se da su prvi tehnički modeli razvijeni u brodogradnji (V.

Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je

vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem 19. st.

Tragični događaj prevrtanja broda CAPITAIN, 1870, kada se

utopilo 472 putnika, potaknuo je razvoj modeliranja brodova i

eksperimentiranje pomoću njihovih modela.

Po uzoru na brodogradnju kasnije se razvijaju eksperimentalni

modeli i u drugim tehničkim područjima (modeli brodova, modeli

zrakoplova, modeli automobila...)

Page 13: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

KLASIFIKACIJA MODELA

Page 14: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

KLASIFIKACIJA MODELA

Fizički (konkretni, praktični) modeli su stvarne tvorevine

materijalne i energetske prirode, obično u 3D obliku

Fizički modeli s istom materijalnom i energetskom prirodom:

umanjeni modeli, prototipovi (mostovi, zgrade, avioni,

automobili elektrodistributivne mreže)

Fizički modeli s različitom prirodom npr. tok fluida = prometni

tok, kinetička teorija plinova = pješački tok)

Page 15: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

KLASIFIKACIJA MODELA

Apstraktni modeli (teorijski) - generalizacija konkretnih pojmova,

matematička formula, misaoni modeli, sudovi, stavovi, simboli

Matematički model opisuje sustav pomoću skupova varijabli i

jednadžbi, koje opisuju odnose među varijablama s ciljem

analize ponašanja i optimiranja sustava

Nematematičko modeliranje: verbalni opisi, grafovi, dijagrami,

simboli, eksperimentalno

Page 16: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

STATIČKI I DINAMIČKI MODELI

Matematički modeli mogu biti:

1) statički i dinamički

Statički modeli – matematički opis sustava u stacionarnom stanju,

gdje su vrijednosti ulaznih i izlaznih varijabli konstantne, ali ne i

nužno jednake (linearno, nelinearno, analitičko programiranje..)

Budući da nema promjene varijabli njihova je derivacija nula i one

ne zavise o vremenu

Dinamički modeli ovise o vremenu pa su promjene varijabli

prikazane kao derivacije po vremenu odnosno kao diferencijalne

jednadžbe (promjene kroz vrijeme)

Page 17: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

LINEARNI I NELINEARNI MODELI

2) Linearni i nelinearni

• Ako jednadžbe modela pokazuju linearnost u grafičkom

predstavljanju promjene varijable, modele smatramo linearnim, i

obrnuto.

• Nelinearne modele radi pojednostavljenog prikazivanja možemo

linearizirati. Tada oni gube na točnosti, ali na jednostavan način

prikazuju promjene i međusobne zavisnosti među varijablama.

Page 18: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

DETERMINISTIČKI I STOHASTIČKI MODELI

3) deterministički i stohastički

Deterministički modeli su oni čije se ponašanje može predvidjeti,

odnosno u kojim je novo stanje sustava u potpunosti određeno

prethodnim stanjem (isti ulazni podaci daju uvijek isti izlazni

rezultat).

Stohastički modeli su oni čije se ponašanje ne može unaprijed

predvidjeti, ili se mogu odrediti vjerojatnosti promjene stanja

sustava.

Za stohastičke modele je karakteristično slučajno ponašanje,

odnosno postojanje slučajnosti (slučajnih promjenjivih) u sustavu

Page 19: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

DETERMINISTIČKI I STOHSTIČKI MODEL

Deterministički model - stanje sustava Sn mijenja se pod utjecajem

aktivnosti A u stanje Sn+1.

Stohsticki model - stanje sustava Sn može se promijeniti u jedno od

stanja S'n+1, S''n+1 ili S'''n+1 pod utjecajem aktivnosti A.

Deterministički model Stohastički model

Page 20: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

KAKO NAPRAVITI PRAVI MODEL

Preporuke za izradu modela (Gordon, 1969.)

Model treba obuhvatiti samo fenomene od interesa

Suviše složene i detaljne modele teško je razumjeti i vrjednovati

Model ne smije biti odveć jednostavan bez nužnih varijabli ili s velikim stupnjem agregiranja

Model je razumno rastaviti na više jednostavnih modula s točno određenom funkcijom

U razvoju modela preporučuje se primjena već provjerenih metoda za razvoj algoritma koje trebaju omogućiti bolje razumijevanje modela u svim fazama razvoja

Potrebna je provjera logičke i kvantitativne ispravnosti modela

Page 21: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

ŠTO JE SIMULACIJA

Nakon što je izrađen model, pristupa se samom simuliranju

Simulacija je eksperimentalna metoda koja omogućuje

proučavanje stvarnog procesa uz pomoć modela na računalu.

Poseban program za računalo koji omogućava simulaciju naziva se

simulator

Izvođenjem simulacije dobivaju se različiti izlazni podatci koji se

mogu analizirati, uspoređivati i izvesti zaključci o ponašanju samog

sustava

Page 22: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANJE I SIMULACIJA

Zaigler: modeliranje i simulaciju čine niz aktivnosti za izradu

modela realnog sustava i njegovu simulaciju na računalu

Računalo

Page 23: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SIMULACIJA KAO NAČIN PROUČAVANJA SUSTAVA

Simulirati se može neki stvarni sustav:

a) pomoću drugog realnog sustava za koji pretpostavljamo ili znamo

da ima slična svojstva kao original (npr. pokusne životinje na kojima

se u medicini vrše pokusi kod istraživanja novih lijekova)

Eksperimentiranje na samom sustavu remeti normalan rad sustava,

pa je takvo eksperimentiranje veoma skupo, opasno ili nepraktično

(nuklearna elektrana, automobilska industrija,)

b) pomoću modela (simulatori za vožnju automobila, zrakoplova,

vlaka, simulator letenja)

Page 24: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PODJELA SIMULACIJSKIH POSTUPAKA

Simulacija može biti:

vremenski kontinuirana ili

vremenski diskretna

Kod kontinuirane simulacije stanje sustava odnosno modela određeno je u svakom trenutku vremena (varijable stanja mijenjaju se kontinuirano)

Veličine se mogu odrediti u bilo kojem vremenu

Kod diskretne simulacije varijable stanja se mijenjaju u određenim vremenskim trenucima (što se događa između može se samo pretpostaviti)

Page 25: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PODJELA SIMULACIJSKIH POSTUPAKA

Page 26: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PODJELA SIMULACIJSKIH POSTUPAKA

Postoji i podjela na determinističku i stohastičku simulaciju.

Ova podjela govori o tome može li se rezultat simulacije

predvidjeti sa sigurnošću ili ovisi o nekoj vjerojatnosnoj varijabli

stanja.

Page 27: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

IZVOĐENJE SIMULACIJE

Izvođenjem simulacije može se pratiti ponašanje modela iz čega se

može zaključiti kakvo bi bilo ponašanje stvarnog sustava.

Stvarnim promjenama stanja sustava odgovaraju promjene stanja

modela tijekom simulacije.

Sustav se sastoji od podsustava, a modeli od varijabli (koje predstavljaju

neka svojstva sustava), koeficijenata i matematičkih operatora koji

predstavljaju stanja sustava odnosno modela u pojedinom trenutku

U svakom vremenskom trenutku sustav/model se nalazi u nekom stanju.

Page 28: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

IZVOĐENJE SIMULACIJE

Razlika između količine (m, e, i) koja u nekom vremenskom

intervalu uđe u sustav (spremnik) i količine koja koja u tom istom

intervalu izađe mora se u spremniku akumulirati, tj. za vrijednost te

razlike mora se promijeniti količina m, e ili i.

Red na

izlazu

Kapacitet

izlaznog

toka

Kapacitet

ulaznog

toka

Red na

ulazu

Akumulacija

Page 29: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SUSTAVSKA DINAMIKA

Statički model se prikazuje algebarskim jednadžbama i

vrijednosti varijabli ne ovise o vremenu (npr. mjerenje visine

stanovnika slučajnim redoslijedom, po abecedi)

Dinamički modeli pokazuju promjene varijabli u vremenu i

njihovo se ponašanje prikazuje sustavom diferencijskih

jednadžbi.

Sustav diferencijalnih jednadžbi opisuje beskonačno male

promjene sustava u malim intervalima vremena Δt vremenu

(kad vremenski pomak teži prema 0)

Iz vrijednosti varijabli modela u času t računaju se promjene

u malome vremenskom intervalu dt te se njihovim

pribrajanjem (oduzimanjem) izračunava vrijednost varijabli

stanja sustava u času t+dt.

Page 30: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

OPISIVANJE DINAMIČKIH MODELA

Page 31: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SUSTAVSKA DINAMIKA

Simulacija, kao eksperimentalna metoda, ne mora dovesti do

optimalnog rješenja.

Kod provođenja simulacijskih eksperimenata možemo odabrati

najpovoljnije rješenje između onih koje smo simulacijom ispitali.

Page 32: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

DIGITALNA RAČUNALA, KONTINUIRANE I DISKRETNE

SIMULACIJE

Današnja računala su po svojoj prirodi diskretna-digitalna

Prilikom izvođenja kontinuirane simulacije na digitalnom

računalu, kontinuirani sustav aproksimira se diskretnim.

Ako se vremenski intervali skrate može se približiti kontinuiranoj

simulaciji tako da se i pomoću digitalnih računala može izvoditi

približno kontinuirana simulacija

Međutim, prava kontinuirana simulacija može izvoditi samo na

analognim računalima.

Page 33: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

KORACI SIMULACIJSKOGA PROCESA

Osnovni su koraci simulacijskoga procesa sljedeći (kako su ih

formulirali Law i Kelton, 1982. godine (2)):

Definicija cilja simulacijske studije.

Identifikacija sustava.

Prikupljanje podataka o sustavu i njihova analiza.

Izgradnja simulacijskog modela.

Izgradnja simulacijskoga programa.

Verificiranje simulacijskog programa.

Vrjednovanje simulacijskog modela.

Planiranje simulacijskih eksperimenata i njihovo izvođenje.

Analiza rezultata eksperimenata.

Zaključci i preporuke.

Page 34: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

VERIFIKACIJA I VALIDACIJA SIMULACIJSKOG PROGRAMA

Provjera simulacijskog programa (verifikacija) je postupak kojim se

provjerava ponaša li se model onako kako je zamišljeno (procjene korektnosti

simulacijskog programa).

Provjera se provodi npr. prethodnim izračunavanjem očekivanog stanja

modela i zatim simuliranjem.

Ako se izračunati rezultati ne podudaraju s rezultatima dobivenim

simuliranjem, znači da model nije ispravan.

Vrednovanje simulacijskog programa (validacija, valjanost, ispravnost),

za razliku od provjere modela (procjene korektnosti modela), validacijom se

ispituje predstavlja li model sa željenom točnošću stvarni, realan sustav ili ne.

U provjeri modela ispituje se ispravno ponašanje modela bez obzira na

opisani sustav, a u vrednovanju se ispituje koliko dobro je sustav opisan

modelom (stupanj preklapanja rezultata simulacije i realnog sustava).

Page 35: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SIMULACIJSKI PROCES

Page 36: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PAUZA

Page 37: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI SUSTAV, MODELIRANJE I

SIMULACIJA

Prometni sustav je skup elemenata tehničke, tehnološke,

organizacijske, ekonomske i pravne naravi čiji je cilj prijevoz ljudi i

dobara, prijenos energije i vijesti, te reguliranje njihova toka na

određenom području.

Modelima se omogućava opisivanje složenih fenomena u prometu:

Modeliranje mreže (projektiranje i izgradnja novih dionica,

čvorišta..)

Modeliranje prometa (prometne analize, prometno planiranje,

upravljanje prometom, nadzor ( monitoring ) i kontrola prometa

Modeli iz domene zaštite okoliša CO2, NO2

Page 38: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI SUSTAV, MODELIRANJE I

SIMULACIJA

Za mnoge pojave u prometu moguće je napraviti matematički model koji

se može opisati na računalu i kroz simulaciju otkriti njegovo ponašanje

koje je blisko s ponašanjem stvarnog sustava

Simulacije se koriste za:

- analizu varijantnih rješenja planiranih objekata u projektnoj fazi

- optimiranje projektnih elemenata (tip i oblik raskrižja, širina trakova,

oblikovni elementi)

- analiza i optimiranje različitih prometnih regulacija (dinamičko

upravljanje prometom, stvarno vremenska navigacija, ramp metering,

naplata cestarine, ...)

- analiza budućih stanja sustava – npr. povećanje prometnog

opterećenja,

- analiza sustava u uvjetima izvanrednih situacija, evakuacije, radova

na cesti, prometnih nezgoda (incident management) i dr.

Page 39: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SIMULACIJSKI PROCES

STVARNI (REALNI) SUSTAV

MODEL SUSTAVA

SIMULACIJE NA MODELU

Page 40: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

Traffic Flow Models

Level of Details Operationalisation

Micro Meso Macro Analytical Simulation

Page 41: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

• MAKRO-MODELI/SIMULACIJE

• Agregiranje podataka (uvid u ponašanje sustava kao cjeline)

• Prosječan tok, brzina i gustoća (umjesto pojedinačnog kretanja vozila)

• Velik obuhvat (autoceste, regija, ..)

• Primjena: predviđanje prometne potražnje, 4 koračni model prometnog planiranja

• Software: VISSUM, CUBE, TRIPS, Emme

MESOSKOPSKI MODELI

Mezoskopski su hibridi modeli sastavljeni od elemenata makro i mikro

modela

Primjena: geometrija ceste, tajmiranje signalnih planova na raskrižjima na

koridoru ili u gradu

Software: SATURN, CORSIM, TRANSCAD, EMME/3, AIMSUN

Page 42: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

• MIKRO MODELI/SIMULACIJE

• Svaki entitet u struji (kretanje i njihove interakcije) tretira se individualno (agenti)

• Zbog visoke rezolucije matematička rješenja su jako složena

• Obuhvat: raskrižje ili cestovni segment (koridor)

• Primjena: navigacija, ponašanje vozača, mjenjanje prometnog traka, gap, sljeđenje automobila, akceleracija-deakceleracija

• Mikro modeli: cellular automata model, queue model or car following model, lane changing model, gap acceptance model, models of intersection controls

• Softveri: ARCADY. EMME/2 i AIMSUN, INTEGRATION, VISSIM, orTRIPS and DYNASIM, PARAMICS, TRAFNETSIM, FRESIM, HUTSIM

Page 43: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

1. makroskopski

2. mezoskopski

3. mikroskopski

Page 44: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

Page 45: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

Page 46: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

Page 47: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

NANOSKOPSKI MODELI - SIMULACIJE????

Modeliranje vozila

Modeliranje vozača

Modeliranje kretanja

Page 48: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SPEKTAR ALATA ZA PROMETNE ANALIZE

Alati najviše razvijani u SAD-u, Europi, Australiji i Japanu

Faze analize prijevoznog procesa

Stu

panj agre

gacije

Page 49: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI

Po

sto

jeći s

imu

lacijs

ki m

od

eli

Page 50: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

POPULARNI MIKROSIMULACIJSKI MODELIP

osto

jeći m

ikro

sim

ula

cijs

ki m

od

eli

Page 51: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

Po

sto

jeći m

ikro

sim

ula

cijs

ki m

od

eli

POPULARNI MIKROSIMULACIJSKI MODELI

Page 52: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

KLASIFIKACIJA MODELA BAZIRANA NA

PROMETNIM UVJETIMAP

osto

jeći m

ikro

sim

ula

cijs

ki m

od

eli

Page 53: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MODELIRANI OBJEKTI

Po

sto

jeći m

ikro

sim

ula

cijs

ki m

od

eli

Page 54: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

ASPEKTI PROMETNE SIMULACIJE

1. Promet je makroskopski dinamički sustav sastavljen od velikog broja komponenti (podsustava)

2. Velik broj aktivnih sudionika/korisnika i interakcije među njima

3. Ciljevi sudionika mogu biti individualni i društveni (optimum sustava: optimum korisnika)

4. Prisutnost neovisnih varijabli operatora ili sudionika izvan kontrole (vrijeme, broj korisnika)

5. Varijable mogu biti stohastičke (slučajne) i vremenski promjenjive

6. Zakonitosti interakcije čovjek-stroj zasnovane na ljudskoj percepciji

Page 55: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SKALA PRIMJENE

Transportne mreže pokrivaju veliko područje

Skala primjene varira od malog tipa, oko 20 km, 50

čvorova i 1000 vozila, do velikog tipa, 200 čvorova i više tisuća vozila

PARAMICS može simulirati čak 1 milijun vozila s 3000

čvorova

Visoko specifični ciljevi imaju malu skalu primjene

Page 56: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

OGRANIČENJA PROMETNIH SIMULACIJA

Rezolucija: razina detalja

Vjernost/točnost: stupanj realnosti

Veličina sustava - mreže koju treba pokriti

Brzina simulacije: brzina simulacije usporediva s realnim

vremenom

Resursi: računalni resursi, vrijeme programiranja

Page 57: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SIMULACIJA PROMETNOG SUSTAVA

SIMULACIJE PROMETA U GRADSKOJ MREŽI

Page 58: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SIMULACIJA PROMETNOG SUSTAVA

3D simulacija urbanog raskrižja s tramvajem, pješacima i

biciklima

Page 59: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

SIMULACIJA PJEŠAČKOG PROMETNOG

SUSTAVA

Page 60: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

4-D SIMULACIJA TRANZITNOG TERMINALA

Page 61: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PAUZA

Page 62: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

UPRAVLJANJE PROMETA

UVOD Automatika - znanstvena disciplina koja se bavi upravljanjem

sustava

Znanost koja se bavi općim zakonitostima upravljanja i vođenja

procesa – Kibernetika

Regulacija – jednostavni način vođenja (održavanje neke izlazne

veličine nepromijenjenom, uspoređivanjem željenog sa stvarnim

stanjem)

Upravljanje je širi pojam od regulacije jer uključuje još i optimalno i

adaptivno ponašanje (ulazne varijable utječu na izlazne - upravljanje

dizalom, paljenje i gašenje svjetla, uključivanje-isključivanje pojedine

faze na semaforu, autopilot, alarm, paljenje goriva u motoru..)

Vođenje je najširi pojam koji pored automatskog upravljanja

obuhvaća sustave zaštite, signalizacije i registracije (adaptivni

sustavi, ITS,

Page 63: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

REGULACIJA, UPRAVLJANJE, VOĐENJE PROCESA

Regulacijski procesFeed Back: na osnovi izlaznih

informacija sistema intervenira

se na ulaz sistema

Upravljački procesUnaprijedno vođenje je utemeljeno je na pozitivnoj vezi

Vođenje procesa

.

OV

IS

okolina

Us

US

y

AVU

In

okolina

OV

IS

okolina

Us

regulator

x

y0

okolinan

MJ

ymOV

IS

okolina

Us

regulator

x

y0

okolinan MJ

ym

jedinica za

prilagodbu

y

uvjeti vođenja

US – upravljački sustav

OV – objekt vođenja

IS – izvršna sprava

A – algoritam

In – informacije o poremećajima

Us – upravljački signal

Page 64: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

RAMP METERING - ZATVORENA PETLJA ILI FEED BACK KONTROLA SISTEMA

Page 65: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

UNAPRIJEDNO VOĐENJE – SEMAFOR AKTIVIRAN PROMETOM (INDUKTIVNA PETLJA)

Page 66: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROCES VOĐEN RAČUNALOM (PR. ADAPTIVNOG UPRAVLJANJA

1.Vremenski ustaljeno upravljanje

2.Plan prilagođen raznim periodima u danu

(ovisno o prometu)

Page 67: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

UPRAVLJANJE PROMETOM (TM),

Upravljanje prometom (TM), je praćenje, nadzor i upravljanje prometa

Vezano za prometne entitete (vozila), upravljanje prometnih tokova

Bazira se na povećanju propusne moći prometnica

Svrha propustiti što više vozila

Temelj teorija prometnog toka

Da bi se to postiglo optimalno upravljanje potrebno je prometne parametre (brzinu,

gustoću, razmak) održavati na određenoj razini

Neke od mjera:

upravljanje parkiranjem,

control management,

Incident management

Fleet management

ramp metering,

route guidance

upravljanje signalizacijom,

održavanje..

Page 68: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROCESSING

Page 69: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

FORMALNI OPIS RADA SUSTAVA SCATS

`

Page 70: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

RUČNO UPRAVLJANJE (TEHNIČKIM) SUSTAVIMA

Page 71: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

CENTRALNO AUTOMATSKO UPRAVLJANJE PROMETOM

Page 72: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

CENTRALNO AUTOMATSKO UPRAVLJANJE PROMETOM

Page 73: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

CENTRALNO AUTOMATSKO UPRAVLJANJE PROMETOM

Page 74: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

CENTRALNO AUTOMATSKO UPRAVLJANJE PROMETOM

Page 75: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MIKROSIMULACIJA SLIJEĐENJA VOZILA

Page 76: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PONAŠANJE VOZAČA PRILIKOM SLIJEĐENJA VOZILA

Dovoljna udaljenost

Vozilo ispred ne utječe na vožnju uzastopnog vozila

Mala udaljenost

Potrebno smanjiti brzinu, a po potrebi i kočiti

Page 77: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

MAKRO MODELIRANJE –4 - STUPANJSKO PROMETNO PLANIRANJE

Agregatni model jednostavan i razumljiv

Tra

dit

ion

al F

ou

r S

tep

Pro

ce

ss Trip Generation

Trip Distribution

Mode Choice

Route Assignment

Page 78: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

GENERIRANJE PUTOVANJA

79

152

St. Gallen

2332

Herisau

1038

Waldkirch

1282

Gossau (SG)

1428

Teufen (AR)

1861

Gaiserwald

2674

Flawil

1996

Niederbüren

1630

Bühler220

Stein (AR)

39

Wittenbach

2359

Schlatt-Haslen

498

Speicher

1068

Mörschwil

335

Andwil (SG)

1160

Gais

2620

Oberbüren

861

Degersheim

1452

Untereggen

1138

Hundwil

1777

Waldstatt1980

Schwellbrunn

543

Eggersriet

757

Hauptwil-Gottshaus2541

Goldach

2238

Niederhelfenschwil

Att

ract

ion

Gen

erat

ion

Page 79: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

DISTRIBUCIJA PUTOVANJA

80

152

St. Gallen

2332

Herisau

1038

Waldkirch

1282

Gossau (SG)

1428

Teufen (AR)

1861

Gaiserwald

2674

Flawil

1996

Niederbüren

1630

Bühler220

Stein (AR)

39

Wittenbach

2359

Schlatt-Haslen

498

Speicher

1068

Mörschwil

335

Andwil (SG)

1160

Gais

2620

Oberbüren

861

Degersheim

1452

Untereggen

1138

Hundwil

1777

Waldstatt1980

Schwellbrunn

543

Eggersriet

757

Hauptwil-Gottshaus2541

Goldach

2238

Niederhelfenschwil

Att

ract

ion

Gen

erat

ion

Page 80: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

IZBOR NAČINA PUTOVANJA

81

152

St. Gallen

2332

Herisau

1038

Waldkirch

1282

Gossau (SG)

1428

Teufen (AR)

1861

Gaiserwald

2674

Flawil

1996

Niederbüren

1630

Bühler220

Stein (AR)

39

Wittenbach

2359

Schlatt-Haslen

498

Speicher

1068

Mörschwil

335

Andwil (SG)

1160

Gais

2620

Oberbüren

861

Degersheim

1452

Untereggen

1138

Hundwil

1777

Waldstatt1980

Schwellbrunn

543

Eggersriet

757

Hauptwil-Gottshaus2541

Goldach

2238

Niederhelfenschwil

?

Page 81: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

DODJELA PUTOVANJA NA MREŽU

82

152

St. Gallen

2332

Herisau

1038

Waldkirch

1282

Gossau (SG)

1428

Teufen (AR)

1861

Gaiserwald

2674

Flawil

1996

Niederbüren

1630

Bühler220

Stein (AR)

39

Wittenbach

2359

Schlatt-Haslen

498

Speicher

1068

Mörschwil

335

Andwil (SG)

1160

Gais

2620

Oberbüren

861

Degersheim

1452

Untereggen

1138

Hundwil

1777

Waldstatt1980

Schwellbrunn

543

Eggersriet

757

Hauptwil-Gottshaus2541

Goldach

2238

Niederhelfenschwil

?

??

Page 82: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

PROMETNI MODELI I UPRAVLJANJE - RESUME

Globalna razina

Proaktivna kontrola

Makroskopska simulacija

Lokalna razina

Kooperativno upravljanje-

kontrola

Mikroskopska simulacija

Razina vozila

Vozilo uslužna kontrola

Nanoskopska simulacija

Page 83: MODELIRANJE, SIMULACIJE I UPRAVLJANJE … prometnog inženjerstva/OPI... · Britanija, inženjer J. Reed) - mali drveni model broda s kojim je vršen eksperiment u kupaćoj kadi krajem

HVALA NA POZORNOSTI!