Analysis of Traffic Flow through the Car Following Models with a Time Delay

Page 1

การวิเคราะหการไหลของการจราจรโดยตัวแบบรถที่ขับตามกันที่มีดีเลย Analysis of Traffic Flow through the Car-Following Models with a Time Delay

นายสัชฌุกร นายอรรถพล นายอรรถสิทธิ์

เดือนนวล พันธุเภา สาหรับ

โครงงานนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาคณิตศาสตรประยุกต ภาควิชาคณิตศาสตร คณะวิทยาศาสตรประยุกต มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนือ ปการศึกษา 2554 ลิขสิทธิ์ของภาควิชาคณิตศาสตร คณะวิทยาศาสตรประยุกต มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนือ


ชื่อโครงงาน

: การวิ เ คราะห การไหลของการจราจรโดยตัว แบบรถที่ ขับ ตามกั น ที่ มีดี เลย (Analysis of Traffic Flow through the Car-Following Models with a Time Delays) โดย : นายสัชฌุกร เดือนนวล นายอรรถพล พันธุเภา นายอรรถสิทธิ์ สาหรับ สาขาวิชา : คณิตศาสตรประยุกต ภาควิชา : คณิตศาสตร คณะ : วิทยาศาสตรประยุกต อาจารยที่ปรึกษา : อาจารย ดร.เอกชัย คุณวุฒิปรีชาชาญ อาจารยที่ปรึกษารวม : อาจารย ผศ.พงษศักดิ์ วิสูตรกาญจนชัย ปการศึกษา : 2554

ภาควิชาคณิตศาสตร คณะวิทยาศาสตรประยุกต มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนืออนุมัติใหโครงการนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาคณิตศาสตรประยุกต

อาจารยที่ปรึกษา (อาจารย ดร.เอกชัย คุณวุฒิปรีชาชาญ) อาจารยที่ปรึกษารวม (ผศ.พงษศักดิ์ วิสูตรกาญจนชัย) กรรมการ (อาจารย ดร.คมสันต เนียมเปรม) 0

กรรมการ (อาจารย สันติพงษ ประสาททอง) 1


บทคัดยอ โครงงานนี้ ไ ด นํ า เสนอตั ว แบบทางคณิ ต ศาสตร ข องตั ว แบบสํ า หรั บ ป ญ หาการไหลของ การจราจร ซึ่งเปนตัวแบบที่อยูในรูปแบบสมการเชิงอนุพันธสามัญและสมการเชิงอนุพันธดีเลย โดยมี วัตถุประสงคคือการวิเคราะหความเสถียรของสมการการเคลื่อนที่ของรถที่ขับตามกันของเนเวลลใน หนึ่งชองทาง ซึ่งในขั้นตอนการวิเคราะหนั้นเราใชวิธีการแปลงใหอยูในรูปแบบเชิงเสนเพื่อหาเงื่อนไข ของพารามิเตอรที่ทําใหจุดสมดุลของสมการที่ศึกษานั้นมีความเสถียร จากผลการวิเคราะหเราได เงื่อนไขเพียงพอที่ทําใหจุดสมดุลของสมการมีความเสถียรทั้งในกรณีที่ไมมีดีเลยและในกรณีที่มีดีเลย เขามาเกี่ยวของ และยังทําใหทราบวาดีเลยมีผลทางพลวัตตอระบบสมการของตัวแบบรถที่ขับตามกัน


Abstract In this project we study mathematical models for traffic flow problems in the form of ordinary and delay differential equations. The main purpose is to analysis the stability of the equilibrium of the Newell’s car-following model in one lane. We use linearization method to find sufficient conditions of parameter in which the model’s equilibrium becomes stable. The obtained result shows that the delay term affects dynamical behaviour of the model.


กิตติกรรมประกาศ โครงงานเรื่ อ งการวิ เ คราะห ก ารไหลของการจราจรโดยตั ว แบบรถที่ ขั บ ตามกั น ที่ มี ดี เ ลย (Analysis of Traffic Flow through the Car-Following Models with a Time Delays) ประสบความสํ าเร็จในการจั ดทํ าจนเสร็จ สมบูรณ เนื่องมาจากการถายทอดวิชาความรู และการ สนับสนุนของอาจารย ดร.เอกชัย คุณวุฒิปรีชาชาญ ซึ่งเปนอาจารยที่ปรึกษาในการจัดทําโครงงาน ชิ้นนี้ อีกทั้งยังสละเวลาอัน มีคา เพื่อใหคําปรึกษาและแนะนําแนวทางในการแกไขปญหาตางๆที่ เกิดขึ้นในระหวางการจัดทําโครงงานมาจนกระทั่งโครงงานชิ้นนี้เสร็จสมบูรณ กลุมของขาพเจารูสึก ซาบซึ้งในความกรุณาของทานอาจารยเปนอยางยิ่ง จึงขอกราบขอบคุณอาจารยที่ใหความรู และให คําปรึกษาในการจัดทําโครงงานชิ้นนี้ กลุ ม ของข า พเจ า ขอกราบขอบพระคุ ณ คณาจารย และบุ ค คลากรทุ ก ท า นในภาควิ ช า คณิตศาสตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนือที่ไดใหวิชาความรู อบรมสั่งสอน คําแนะนําที่เปนประโยชน และการชวยเหลือเกื้อกูลในดานตาง ๆ แกขาพเจา ทั้งนี้หากเนื้อหาภายในโครงงานมีขอบกพรองประการใด ขาพเจาตองกราบขออภัยไว ณ ที่นี้ ดวย พรอมทั้งขอรับคําติชมเพื่อนําไปเพิ่มเติมประสบการณในการทํางานในอนาคตตอไป

นาย สัชฌุกร เดือนนวล นาย อรรถพล พันธุเภา นาย อรรถสิทธิ์ สาหรับ


สารบัญ หนา บทคัดยอภาษาไทย

บทคัดยอภาษาอังกฤษ

กิตติกรรมประกาศ

สารบัญตาราง

สารบัญภาพ

บทที่ 1 บทนํา

1

1.1 ความเปนมาและความสําคัญของปญหา

1

1.2 วัตถุประสงคของโครงงาน

3

1.3 ขอบเขตของการดําเนินงาน

3

1.4 ระเบียบวิธีการดําเนินงาน

4

1.5 ประโยชนที่ไดรับจากโครงงาน

4

บทที่ 2 ความรูพื้นฐานและทฤษฏีบทพื้นฐานที่เกี่ยวของ

6

2.1 บทนํา

6

2.2 ตัวแบบการไหลของกระแสจราจรมหภาค

7

2.2.1 หลักการอนุรักษของยานพาหนะ

7

2.2.2 ความสัมพันธการจราจรของอัตราเร็วกับความหนาแนน

10

2.2.3 ความสัมพันธการไหลของกระแสจราจรกับความหนาแนนของ กระแสจราจร

12

2.3 ตัวแบบการไหลของกระแสจราจรจุลภาค

14

2.4 ตัวแบบการเคลื่อนที่ตามกันของรถที่เกี่ยวของ

21


สารบัญ (ตอ) หนา บทที่ 3 วิธีดําเนินการ 3.1 บทนํา

25 25

3.2 การวิเคราะหความเสถียรเชิงเสนของตัวแบบเนเวลลที่ไมมีเวลาตอบสนอง

28

3.3 การวิเคราะหความเสถียรเชิงเสนของตัวแบบเนเวลลที่มีเวลาตอบสนอง

30

บทที่ 4 ผลการดําเนินงานและขอเสนอแนะ

34

4.1 ตัวอยางของตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลลกรณีที่ไมมีดีเลย

34

4.1.1 ความเสถียรของตัวแบบเนเวลลที่ไมมีดีเลย

34

4.1.2 ตัวอยางผลจากสมการเนเวลลกรณีที่ไมมีดีเลย

36

4.2 ตัวอยางของตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลลที่มีดีเลย

41

4.3 สรุปผลการดําเนินงานและขอเสนอแนะ

45

เอกสารอางอิง

46


สารบัญตาราง ตารางที่

หนา

2.1 ตัวแบบการเคลื่อนของรถแบบตาง ๆ

22


สารบัญภาพ ภาพที่

หนา

2.1 สวนของถนนที่สนใจโดยมีความยาว x

8

2.2 กราฟแสดงความสัมพันธของความเร็วกับความหนาแนน

11

2.3 กราฟแสดงความสัมพันธของอัตราการไหลกับความหนาแนน

12

2.4 กราฟแสดงคาที่ดีที่สุดในชวงกลางขอมูลที่สังเกตความเร็วและความหนาแนน

14

2.5 รูปแบบพื้นฐานและคาตัวแปรตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับตัวแบบรถที่ขับตามกัน

16

2.6 ความสัมพันธระหวางความเร็วและความหนาแนน

18

2.7 ความสัมพันธระหวางความเร็วและความหนาแนน

19

2.8 ความสัมพันธระหวางอัตราการไหลกับความหนาแนน

20

2.9 ตัวอยางกราฟแสดงความสัมพันธของขอมูลความเร็วกับความหนาแนน

20

2.10 ตัวอยางกราฟแสดงความสัมพันธของขอมูลการไหลกับความหนาแนน

21

2.11 แสดงการเคลื่อนของรถใน 1 ชองทาง

23

3.1 ความสัมพันธระหวาง อัตราเร็ว ความหนาแนน และเวลาเปาหมายจากตัวแบบ (3.16)

30

3.2 ความสัมพันธระหวาง อัตราเร็ว ความหนาแนน และเวลาเปาหมายจากตัวแบบ (3.17)

31

4.1 ความสัมพันธระหวางคาพารามิเตอร V ,  และ  จากสมการ (4.2)

35

4.2 ความสัมพันธระหวาง (ก) ระยะทางกับเวลา และ (ข) อัตราเร็วกับเวลา จากตัวแบบ ของเนเวลลในกรณีที่ไมมีดีเลย เมื่อกําหนดคาพารามิเตอร N  10 และ L  560

38

4.3 ความสัมพันธระหวาง (ก) ระยะทางกับเวลา และ (ข) อัตราเร็วกับเวลาจากตัวแบบ ของเนเวลลในกรณีที่มีดีเลย เมื่อกําหนดคาพารามิเตอร N  10 และ L  150

39

4.4 ความสัมพันธระหวาง (ก) ระยะทางกับเวลา และ (ข) อัตราเร็วกับเวลาจากตัวแบบ ของเนเวลลในกรณีที่มีดีเลย เมื่อกําหนดคาพารามิเตอร N  10 และ L  20

40

4.5 คําตอบ sn (t ) ซึ่งเปนฟงกชันของ t เมื่อกําหนดคา n ตาง ๆ โดยกําหนดคาของ พารามิเตอรเปน 0  5, b  1 และ   2

44


บทที่ 1 บทนํา 1.1 ความเปนมาและความสําคัญของปญหา ปญหาการจราจรเปนปญหาหนึ่งที่เราจะพบเห็นอยูมากมายในชีวิตประจําวัน ซึ่งโดยทั่วไปแลว การจําลองปญหาเกี่ยวกับการไหลของการจราจร (traffic flow) หรือกระแสจราจร (traffic stream) สามารถจําแนกไดเปนสองประเภท คือ การจําลองปญหาโดยใชตัวแบบการไหลของกระแสจราจร แบบมหภาค (Macroscopic Traffic Models) และการจําลองปญหาโดยใชตัวแบบการไหลของ กระแสจราจรแบบจุลภาค (Microscopic Traffic Models) ซึ่งการพิจารณาการไหลแบบมหภาคนั้น เปนการพิจารณาความสัมพันธของตัวแปรและปจจัยตาง ๆ เปนแบบภาพรวมทั้งระบบ ในขณะที่การ พิจารณาการไหลแบบจุลภาคจะเปนการศึกษาโดยพิจารณาการเคลื่อนที่หรือการไหลของรถแตละคัน ซึ่งรายละเอียดเกี่ยวกับปญหาแบบมหภาคและจุลภาคจะไดกลาวถึงในบทตอไป ตัวแบบรถที่ขับตามกัน (car-following model) เปนตัวแบบชนิดหนึ่งของตัวแบบจุลภาค สําหรับจําลองปญหาการไหลของรถบนทองถนน โดยทั่วไปนั้นการขับขี่รถหรือยานพาหนะตามกัน เป น สิ่ ง สํ า คั ญ ที่ ส ามารถบ ง บอกการเคลื่ อ นตั ว ของยานพาหนะแต ล ะคั น โดยการเคลื่ อ นที่ ข อง ยานพาหนะแตละคันนั้นจะมีผลกระทบของยานพาหนะอื่น ๆ ที่อยูในชองทาง (lane) เดียวกัน หรือ แมแตในชองทางอื่น ๆ ในกรณีที่ถนนมีหลายชองทาง ซึ่งผลที่ไดจะสามารถนําไปสูการสรุปหรือการ จําลองสภาพการเคลื่อนตัวของการจราจรโดยรวม


2 โดยทั่วไปนั้นการสรางตัวแบบรถที่ขับตามกันนั้น สามารถทําไดโดยการศึกษาพฤติกรรมของผู ขับขี่ในการขับขี่ตามกัน ซึ่งสวนสําคัญของตัวแบบนั้นจะใชในการอธิบายการเคลื่อนตัวของการจราจร สําหรับในโครงงานนี้เราไดศึกษาพฤติกรรมของผูขับขี่ เพื่อใชอธิบายแบบจําลองการขับตามกันของผู ขับขี่รถแตละคัน โดยขึ้นอยูกับเวลาตอบสนอง (reaction time) และการตอบสนอง (sensitivity) ซึ่งตัวแบบรถที่ขับตามกันนั้นมีมากมายหลายตัวแบบ และมีผูไดวิเคราหตัวแบบตาง ๆ มาแลว โดย รายละเอียดเกี่ยวกับตัวแบบรถที่ขับตามกันนั้นจะกลาวตอไปในบทที่ 2 สําหรับในโครงงานนี้เราเลือกวิเคราะหตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลล (Newell’s carfollowing model) ซึ่งเปนตัวแบบในรูปของระบบสมการเชิงอนุพันธ โดยสมการของเนเวลลจะอยู ในรูป dx n (t )  F  x n 1(t   )  x n (t   )    dt

เมื่อ

xn

(0.1)

แทนตําแหนงของรถคันที่ n

x n 1 แทนตําแหนงของรถคันที่ n  1 ซึ่งเปนรถคันที่อยูหนารถคันที่ n 

แทนความยาวของรถ โดยในที่นี้กําหนดใหรถแตละคันมีความยาวเทากัน

F

แทนฟงกชันเปาหมายของระยะปลอดภัย (targeted safety gap function) และเวลา ตอบสนอง 

สําหรับในขั้นตอนการวิเคราะหนั้น เราจะพิจารณาสมการ (0.1) ทั้งในกรณีที่ไมมีดีเลย   0 และ กรณีที่มีดีเลย   0 โดยเปาหมายหลักจะเปนการหาเงื่อนไขของความเสถียรของระบบ พรอม ยกตัวอยางประกอบปนกรณีศึกษา


3

1.2 วัตถุประสงคของโครงงาน วัตถุประสงคของโครงงานนี้คือการศึกษาและวิเคราะหเชิงพลวัต (dynamical analysis) เกี่ยวกับความเสถียรของตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลล (Newell’s car-following model) ซึ่ง อยูในรูปแบบสมการเชิงอนุพันธ โดยในที่นี้เราอาจแบงวัตถุประสงคของโครงงานออกเปนหัวขอยอย ไดดังนี้ 1.2.1 ศึกษาตัวแบบการไหลของกระแสจราจรในรูปแบบตาง ๆ เชนตัวแบบการไหลของ กระแสจราจรแบบมหภาค และตั ว แบบการไหลของกระแสจราจรแบบจุ ล ภาค สําหรับการเคลื่อนที่ของยานพาหนะบนถนน ตลอดจนศึกษาตัวแบบรถที่ขับตามกัน 1.2.2 เพื่ อ วิ เ คราะห ค วามเสถี ย รของตั ว แบบสํ า หรั บ รถที่ ขั บ ตามกั น ของเนเวลล และ ตรวจสอบหาเงื่อนไขความเสถียรของระบบ 1.2.3 อธิบายผลที่ไดจากการวิเคราะหตัวแบบเนเวลลพรอมทั้งสรุปผลการวิเคราะหโดยใช พื้นฐานทางคณิตศาสตรเกี่ยวกับการวิเคราะหเชิงพลวัตของสมการเชิงอนุพันธสามัญ และสมการเชิงอนุพันธดีเลย

1.3 ขอบเขตของการดําเนินงาน ขอบเขตของการดําเนินงานในโครงงานนี้คือ การศึกษาและเปรียบเทียบความเสถียรของตัว แบบเนเวลล ในรูปของสมการเชิงอนุพันธสามัญ และสมการเชิงอนุพันธดีเลย โดยมีขอจํากัดบาง ประการในดานการวิเคราะห ทั้งนี้เราสรุปขอบเขตของโครงงานดังตอไปนี้ 1.3.1 ตัวแบบที่ใชศึกษาเปนตัวแบบรถที่ขับตามกันสําหรับถนนในหนึ่งชองทางเทานั้น 1.3.2 วิเคราะหและเปรียบเทียบเงื่อนไขสําหรับความเสถียรของตัวแบบเนเวลล ในกรณีที่มี ดีเลยและกรณีที่ไมมีดีเลย


4 1.3.3 ในโครงงานนี้ใชวิธีแปลงใหอยูในรูปแบบเชิงเสน (linearization method) เพื่อ วิ เ คราะห ป ญ หา ดั ง นั้ น ผลสรุ ป ที่ ไ ด จ ะแสดงผลของพฤติ ก รรมเฉพาะที่ (local behaviour) เทานั้น

1.4 ระเบียบวิธีการดําเนินงาน ในการทําโครงงานนี้จุดประสงคหลักคือการศึกษาและเปรียบเทียบพลวัตของผลเฉลยสําหรับ ตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลล ในรูปของสมการเชิงอนุพันธสามัญและสมการเชิงอนุพันธดีเลย โดยมีขั้นตอนในการดําเนินงานตาง ๆ โดยเรียงลําดับขั้นตอนไดดังตอไปนี้ 1.4.1 รวบรวมข อมูล และเนื้อหาที่เกี่ย วของกับ ตัวแบบการเคลื่อนที่ของรถที่ขับตามกัน พรอมทั้งศึกษาดังกลาว 1.4.2 ศึกษาตัวแบบการไหลของกระแสจราจรแบบมหภาค และการไหลของกระแสจราจร แบบจุลภาค เพื่อพิจารณาตัวแปรและพารามิเตอรตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับตัวแบบรถที่ ขับตามกันของเนเวลล 1.4.3 วิเคราะหความเสถียรของตัวแบบเนเวลล ในกรณีที่มีดีเลยและไมมีดีเลย พรอมทั้งหา เงื่อนไขของพารามิเตอรเพื่อสรุปผลเกี่ยวกับปจจัยที่มีผลตอการไหลของระบบจราจร

1.5 ประโยชนที่ไดรับจากโครงงาน ในการทําโครงงานนี้เราไดทําการศึกษา และวิเคราะหความเสถียรของตัวแบบเนเวลล ดังนั้น เมื่อทําโครงงานนี้เสร็จแลวประโยชนที่คาดวาจะไดรับงานโครงงานนี้สรุปไดดังตอไปนี้ 1.5.1 เข า ใจตั ว แบบการไหลของกระแสจราจรในรู ป แบบต า ง ๆ รวมทั้ ง ป จ จั ย หรื อ พารามิเตอรที่มีผลตอกระแสจราจร และการไหลของจราจร


5 1.5.2 สามารถทราบเงื่อนไขหรือขอแตกตางเกี่ยวกับเงื่อนไขความเสถียรของตัวแบบรถที่ขับ ตามกันของเนเวลลในรูปแบบทีม่ ีดีเลยและไมมีดีเลย 1.5.3 สามารถใชความรูที่เราไดรับไปใชแกไขปญหาที่เกี่ยวของกับตัวแบบเนเวลลได รวมทั้ง พัฒนาหรือปรับปรุงวิธีการที่ใชในโครงงานนี้เพื่อใชประยุกตกับตัวแบบการไหลของ กระแสจราจรในรูปแบบอื่น ๆ


บทที่ 2 ความรูพื้นฐานและทฤษฎีที่เกี่ยวของ 2.1 บทนํา ในบทนี้จะอธิบายหลักการและทฤษฎีบทพื้นฐานที่แสดงความสัมพันธระหวางอัตราการไหล (flow rate) ของกระแสจราจร ความหนาแนน (density) ของกระแสจราจรและอัตราเร็ว (speed) ของกระแสจราจร โดยตัวแปรตาง ๆ เหลานี้มีความสําคัญในการวิเคราะหลักษณะของกระแสจราจร ตั ว แปรที่ เ กี่ ย วข อ งกั บ กระแสจราจรแบ ง ได เ ป น สองลั ก ษณะคื อ พารามิ เ ตอร แ บบมหภาค (macroscopic parameters) ซึ่งใชในการอธิบายพฤติกรรมของการจราจรทั้งหมดและพารามิเตอร แบบจุลภาค (microscopic parameters) ใชในการอธิบายพฤติกรรมแตละคันหรือพิจารณา ยานพาหนะเป น คู ๆ ภายใต กระแสจราจรโดยมี การตอบสนอง

(response) ประสาทสั มผั ส

(sensitivity) และตัวกระตุน (stimulus) เปนตัวแปรหลักในการวิเคราะหระบบ นอกจากนั้นยังได อธิบายถึงตัวแบบพื้นฐานตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับการขับขี่ของรถที่ขับตามกันบนถนนในหนึ่งชองทาง ซึ่งตัวแบบเหลานี้ไดอธิบายถึงพฤติกรรมของผูขับขี่ยานพาหนะผานสมการเชิงอนุพันธและสมการเชิง อนุพันธดีเลย โดยมีทั้งรูปแบบที่เปนเชิงเสนและไมเปนเชิงเสน และเนื่องจากในโครงงานนี้ไดมีตัวแปร จํานวนมากเราจึงไดสรุปตัวแปรที่สําคัญไวในบทนี้ดวย


7

2.2 ตัวแบบการไหลของกระแสจราจรมหภาค การไหล (flow) หรือกระแสการไหล (flow stream) ของยานพาหนะหรือรถยนตสามารถ จําลองไดโดยประมาณตัวแบบการไหลของการจราจรดวยลักษณะการไหลสําหรับของไหลในปญหา ทางฟสิกส ตัวอยางเชน การไหลของเลือดในเสนเลือดแดง หรือการไหลของน้ําในระบบทอน้ําในบาน ในที่ นี้เ ราตองการจํ าลองปญ หาดังกลาว โดยเชื่อมโยงกับปญ หาอัตราเร็ว และการไหลของรถใน เสนทางเดินรถในหนึ่งชองทาง โดยพิจารณาสามตัวแปรหลักที่เกี่ยวของกับการไหลของกระแสจราจร แบบมหภาค ไดแก •

อัตราการไหล (flow rate, q ) หมายถึงจํานวนยานพาหนะทั้งหมดที่แลนผานจุดใด ๆ ที่ กําหนดบนถนนในหนึ่งชั่วโมง มีหนวยเปน คันตอชั่วโมง (vehicle/hr)

ความหนาแนนของการไหล (flow density,  ) หมายถึงความแนนของยานพาหนะ ทั้งหมดบนถนนหรื อบนชองการจราจรเดีย วกันก็ได มีหนวยเปน คัน /กิโลเมตร หรือ อาจจะใชหนวยระยะทางอื่น

อัตราเร็ ว ของการไหล (flow speed, v ) หมายถึงอัตราสวนระหวางระยะทางการ เดิน ทางทั้งหมดตอหนวยเวลา โดยจะเปน เวลาทั้งหมดที่พาหนะใชในการเดินทางใน ชวงหนึ่งที่กําหนดบนถนน

2.2.1 หลักอนุรักษของยานพาหนะ (conservation of cars) จากการเคลื่อนที่ของรถบนถนน ในที่นี้เราจะประยุกตใชหลักการอนุรักษในทางฟสิกสโดย เปรียบเทียบกับปญหาของการไหลของยานพาหนะบนทองถนน โดยพิจารณาการไหลของกระแส จราจรในชวงขณะหนึ่ง และจากการใชถนนของยานพาหนะในชวงขณะหนึ่ง พิจารณาระยะพิกัด x เปนระยะเวลาชวงหนึ่งของถนนที่พิจารณาโดยกําหนดให x1  x และ x 2  x  x ดังภาพ


8

ภาพที่ 2.1 สวนของถนนที่สนใจโดยมีความยาว x

กําหนดให N (x, t ) เป นจํานวนของยานพาหนะบนถนนที่มีความยาว x ถาการไหล สามารถจําลองโดยใชกฎการอนุรักษ (conservative law) สําหรับจําลองการเปลี่ยนแปลงจํานวน ของยานพาหนะ N (x, t ) ในชวงเวลา t ซึ่งเทากับอัตราการไหลของกระแสจราจร q(x, t ) ซึ่ง กําหนดโดย N (x , t ) t  0 t

q(x , t )  lim

(2.1)

เมื่อ N (x, t ) แทนการเปลี่ยนของจํานวนยานพาหนะบนถนนในชวงเวลา t คํานวณอยางงายๆ จากผลต า งระหว า งจํ า นวนยานพาหนะ N (x, t ) ที่ เ ขา มาในถนน ณ ตํ า แหน ง x และจํ า นวน ยานพาหนะ N (x  x, t ) ณ ตําแหนง x  x, t ซึ่งเปนจํานวนรถที่ออกจากถนนในชวงที่เรา สนใจ จะไดวา N (x , t )  N (x , t )  N (x  x , t )

(2.2)

โดยที่ x แทนความยาวของชวงถนนในระยะเวลาหนึ่ง และ t แทนระยะเวลาในการเคลื่อนที่ จากสมการ (2.1) เขียนสมการในรูป N (x , t )  x    t  0 x  t 

q(x , t )  lim

(2.3)

เนื่องจากอัตราเร็ว ณ ชวงเวลา t สามารถหาไดจาก v(x , t ) 

x t

(2.4)


9 แทนคาใน (2.2) และ (2.4) ในสมการ (2.3) จะได  N (x , t )  N (x  x , t )  q(x , t )  lim   v(x , t ) x  0   x 

(2.5)

จากคาลิมิตของสมการ (2.5) เมื่อ x  0 หมายถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงจํานวนรถตอความยาว ถนน ซึ่งเปนคาของความหนาแนนของกระแสจราจรบนชวงถนนที่เรากําลังสนใจ ดังนั้นเราสามารถ กําหนดความหนาแนนของกระแสจราจรโดย  N (x , t )  N (x  x , t )  (x , t )  lim   x  0   x 

(2.6)

จากสมการ (2.5) และ (2.6) ดั ง นั้ น ความสั ม พั น ธ ร ะหว า งอั ต ราการไหล ความหนาแน น และ ความเร็วของรถ คือ q(x , t )  (x , t )v(x , t )

(2.7)

การนับจํานวนยานพาหนะในระบบการจราจร N วิธีที่หนึ่งทําไดโดยนับจํานวนรถที่ผาน จุดที่กําหนดในชวงระยะเวลา t ซึ่งเปนผลที่จ ะใชคํานวณอัตราการไหล q จากความสัมพัน ธ N  q t สําหรับวิธีที่สองที่จะนับจํานวนรถนั้น สามารถทําไดโดยการสมมติในชวงเวลาสั้น ๆ

เพื่ อ หาจํ า นวนยานพาหนะที่ เ คลื่ อ นที่ ด ว ยอั ต ราเร็ ว v จะได ร ะยะทาง x  vt จํ า นวน ยานพาหนะที่ ผ า นระยะทางที่ กํ า หนดสามารถคํ า นวณความหนาแน น  และระยะทางจาก ความสัมพันธ N  x ดังนั้น จากความสัมพันธทั้งสองจะไดความสัมพันธดังตอไปนี้ q t   x

(2.8)

ดังนั้นจากการสังเกตสมการ (2.7) ที่แสดงตัวแปรสําคัญ สามตัวแปรคือ q,  และ v เพราะฉะนั้น สมการ (2.7) ของทุก ๆ ขอบเขตกับรูปแบบที่เพิ่มขึ้นมากมาย อยางไรก็ตามการจราจรที่อยางชัดเจน ความหนาแน น  และ อั ตราเร็ ว v เปน สองตัว แปรหลักเบื้องตน ของการจราจร เพราะวา q สามารถกําหนดไดจากการไหลของกระแสจราจรโดยแทรกลงในสมการ (2.7) มากขึ้น ถากลาว


10 เกี่ ย วกั บ อั ต ราเร็ ว โดยตรงไปยั ง ความหนาแน น นั่น คื อ v  v() สามารถเขี ย นความสั มพั น ธ โดยตรงระหวางอัตราการไหลของกระแสจราจรและความหนาแนน q()   v()

(2.9)

จะเห็นวาอัตราการไหลของกระแสจราจรเกี่ยวของกับความหนาแนน ซึ่งเรื่องดังกลาวเปนหัวขอที่ใช อยางกวางขวางในตัวแบบการไหลของกระแสการจราจรที่จําลองจากปญหาการไหลสําหรับของไหล

2.2.2 ความสัมพันธการจราจรของอัตราเร็วกับความหนาแนน แมวาผูขับขี่จะไมมีความชํานาญ แตจากความสัมพันธของอัตราเร็วและความหนาแนนจะเห็น ไดวาผูขับขี่จะเพิ่มความเร็วเมื่อการจราจรนั้นไมมาก และจะลดความเร็วลงเมื่อการจราจรมีความ หนาแน นเพิ่ มขึ้ น ดั งนั้ นจากการสันนิ ษฐานการควบคุมความสัมพันธระหวางอัตราเร็วและความ หนาแนนไดจากฟงกชัน v  v()

(2.10)

ปจ จุ บั น มี ป ญ หาที่ น าศึ กษาเพิ่ มเติ มมากขึ้น เกี่ย วกับ ความสัมพัน ธที่กําหนดเงื่อนไข โดยตองการ ประยุกตหรือกําหนดรูปแบบของฟงกชันของอัตราเร็ว v() ถากําหนดใหผูขับขี่จะขับเร็วที่สุดดวยความเร็ว vmax ซึ่งอาจเปนความเร็วที่จํากัดบนถนน ที่ขับขี่ จากความสัมพันธเชิงฟสิกสพบวาเมื่อความหนาแนนประมาณดวยคานอยที่สุด (  0) แลวความเร็วจะมีคาลดลงเมื่อความหนาแนนเพิ่มขึ้น ความสัมพันธเกี่ยวกับอัตราการเปลี่ยนแปลง ของ v เปรียบเทียบ  สามารถแสดงไดดังภาพ


11

ภาพที่ 2.2 กราฟแสดงความสัมพันธของอัตราเร็วกับความหนาแนน

จากภาพ พบว าในชว งทา ยนั้น อั ตราเร็ว ของการไหลของการจราจรจะลดลงเรื่อย ๆ จนกระทั่ง v  0 ซึ่งเปนจุดที่มีความหนาแนนสูงที่สุดกําหนดโดย  jam จากความสัมพันธที่กําหนดดังกลาว

นั้น จะสามารถนํา ไปสรุปความสัมพันธสําคัญที่เกี่ยวกับคณิตศาสตรของฟงกชัน v() ดังสมบัติ ตอไปนี้ v()  vmax

เมื่อ   0

dv 0 d v()  0

เมื่อ    jam

(2.11) (2.12) (2.13)

ซึ่งความสัมพันธทั้งสามขอขางตนนั้น สามารถแสดงผลลัพธโดยกราฟ โดยทั่วไปเสนโคงที่แสดงใน ภาพที่ 2.2 เป น รู ป ทรงที่ แ น น อนของเส น โค ง แทนจํ า นวนที่ ไ ม ท ราบค า เฉพาะจุ ด ปลายและ เครื่องหมายของจุดบนความชัน


12 2.2.3 ความสัมพันธการไหลของกระแสจราจรกับความหนาแนนของกระแสจราจร จากการวิเคราะหเชิงคุณภาพของความสัมพันธอัตราเร็วกับความหนาแนน เนื่องจากในกรณีที่ ผูขับขี่ใชความเร็วสูงสุด (vmax ) จะเกิดขึ้นไดเมื่อความหนาแนนมีคานอยที่สุด v()  0 ดังนั้น จากสมการ (2.9) พบวาถา q()  0 เมื่อ   0 จะทําใหอัตราการไหลมีคาเปนศูนย ในทํานอง เดี ย วกั น การไหลของระบบจราจรมี คาช าลงเมื่อความหนาแนน เพิ่ม ขึ้น และถาความหนาแนน มี คาสูงสุดความเร็วของรถจะมีคาเปนศูนย นั่นคือ v( jam )  0 ดังนั้นจากสมการ (2.9) เมื่ออัตรา การไหลของกระแสจราจรเปนศูนยเมื่อ q( jam )   jamv( jam )  0 อัตราการไหลของกระแส จราจรจะตองมีคามากที่สุด (q max ) และมีคาเปนบวกเสมอสําหรับทุกคาของความหนาแนน ซึ่ง 0     jam อัตราการเปลี่ยนแปลงการไหลเทียบกับความหนาแนนของกระแสจราจรกําหนด

โดย dq() dv()  v()   d d

(2.14)

คําตอบที่พบโดยทั่วไปที่แสดงอยูในภาพที่ 2.3 เรียกวา แผนภาพเบื้องตนของการไหลของกระแส จราจร กับภาพที่ 2.2 ที่มีรูปรางที่ของเสนโคงซึ่งแสดงความสัมพันธระหวางอัตราการไหลและความ หนาแนน

ภาพที่ 2.3 กราฟแสดงความสัมพันธของอัตราการไหลกับความหนาแนน


13 พิจารณาตามความสัมพันธเชิงเสนระหวางอัตราเร็ว v กับความหนาแนน  โดยกําหนด ความสัมพันธ ไดดังนี้    v()  vmax  1     jam 

(2.15)

ความสัมพันธที่เห็นไดชัดเจนของเงื่อนไขที่กําหนดโดยสมการ (2.11) - (2.13) จากนั้นเปนการหา คํานวณทางคณิตศาสตรแบบงาย ๆ พิสูจนใหเปนตัวแบบจริง เมื่อแทนลงในสมการ (2.9) ที่ให ความสัม พัน ธ ฟง ก ชั น อั ต ราการไหลของกระแสจราจรของความหนาแนน ที่ เป น ลั ก ษณะสมการ พาราโบลา   2  v()  vmax       jam 

(2.16)

อัตราการไหลสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อ dq มีคาเทากับศูนย d

 dq() 2   vmax  1  0   jam  d

(2.17)

สมการ (2.17) แสดงอัตราการไหลของกระแสจราจรสูงสุดจากสมมติฐานเกิดขึ้นที่จุดกึ่งกลางของ แผนผังเบื้องตนเมื่อ  

 jam 2

และวัดคาจาก q max 

1  v 4 jam max

(2.18)

ดังนั้นความสัมพันธเชิงเสนของอัตราเร็วและความหนาแนนของสมการ (2.15) สามารถใชในการ พิสูจนวาตัวแบบมีความสมเหตุสมผลหรือไม ในการจําลองปญหาการไหลของกระแสจราจร นั้นยัง เป น ประโยชน ต อการศึ กษาระบบจราจรสําหรับ บางตัว อยาง นอกจากนั้ น ความสัมพัน ธเชิงเส น ระหวางอัตราเร็วและความหนาแนน จะแสดงการประมาณคาดีที่สุดในชวงกลางของขอมูลของขอมูล ที่สังเกตอัตราเร็วและความหนาแนน ดังแสดงในภาพที่ 2.4


14

ภาพที่ 2.4 กราฟแสดงคาที่ดีที่สุดในชวงกลางขอมูลที่สังเกตอัตราเร็วและความหนาแนน

2.3 ตัวแบบการไหลของกระแสจราจรจุลภาค จากตัวแบบจําลองแบบมหภาคที่ศึกษาความสัมพันธของคาเฉลี่ยของตัวแปรตาง ๆ ในระบบ ในหัวขอนี้ เราจะกลาวถึงตัวแบบการไหลของกระแสจราจร ไดแกตัวแบบการไหลของกระแสจราจร แบบจุลภาค (microscopic traffic model) ซึ่งในกรณีนี้การพิจารณาความสัมพันธจะถูกจํากัดลงไป ที่ความสัมพันธของรถแตละคัน โดยทั่วไปแลวตัวแบบการไหลของกระแสจาราจรแบบจุลภาคจะ พิจารณาความสัมพันธระหวางความเร็ว และความหนาแนนของการจราจร เพื่อพัฒนาสูระบบโดย ภาพรวมให ดี ยิ่ ง ขึ้ น ในหั ว ข อ นี้ จ ะเน น ตั ว แบบที่ อ ธิ บ ายถึ ง พฤติ ก รรมหรื อ ลั ก ษณะของผู ขั บ ขี่ ยานพาหนะ และผลการตอบสนอง (respond) ตอสิ่งเรา (stimulus) จากสถานการณตาง ๆ ใน ระบบการจราจร ในสถานการณจริง ผูขับขี่จะไดรับสิ่งเราตาง ๆ มากมายทั้งจากภายในและภายนอก ซึ่งทํ า ให มีผ ลต อการไหลของกระแสจราจร ตัว อยางเชน ระยะหางระหวางยานพาหนะคัน ที่อยู ขางหนาของยานพาหนะของผูขับขี่ ความเร็วของยานพาหนะคันหนากับความเร็วของยานพาหนะ ของผูขับขี่ เปนตน ในงานนี้เราจะศึกษาเฉพาะปจจัยที่เกี่ยวของกับพฤติกรรมของมนุษยเทานั้น โดยจะไมสนใจ เกี่ยวกับปญหาหรือปจจัยจากเครื่องยนตซึ่งมีผลตอการไหลของยานพาหนะในถนน โดยตัวแบบใน


15 ที่นี้จะอธิบายถึงพฤติกรรมของผูขับตามผลที่ไดรับจากสิ่งเราที่มากระตุน โดยเริ่มตนพิจารณาจากตัว แบบไมมีดีเลยจากระยะเวลาในการตอบสนองตอสิ่งกระตุน หลังจากนั้นจึงมีการเพิ่มดีเลยซึ่งเปนผล จากระยะเวลาตอบสนองเขาไปในตัวแบบที่เราเลือกมาศึกษา นอกจากนั้นยังมีตัวแบบรถที่ขับตามกันแบบเชิงเสน (Linear car-following models) ที่ นําเสนอโดย Reuschel [25] และ Pipes [23] ไดรับการยอมรับจากสากลเกี่ยวกับทฤษฏีการ เคลื่ อนที่ ตามกั น ของรถในช วงต น ป 1950 เปน ครั้งแรกและตั้งแตนั้น มาก็ไดมีการศึกษาเกี่ย วกับ ทฤษฎีนี้มาอยางตอเนื่องโดย Chandler, Herman และ Montroll [4] ไดนําเสนอกรอบแนวคิด การศึกษาเรื่องการเคลื่อนที่ของรถตามกันดังสมการ Response = F  sensitivity, stimulus 

(2.19)

นอกจากนั้นใน [4] ยังชี้ใหเห็นวาผูขับขี่จะเรงหรือเบรคในสัดสวนของความเร็วจากสมการที่ (2.19) จากแนวคิดนี้จึงไดใชตัวแบบเชิงเสนเปนเครื่องมือในการวิเคราะหโดยพิจารณาสมการ M nan (t  T )  v(n 1)/n (t )

(2.20)

เมื่อ M n คือมวลของรถคันที่ n an (t  T ) คือความเรงของรถคันที่ n หลังจากเกิดปฏิกิริยา

v(n 1)/n (t ) คือความเร็วสัมพัทธของรถคันที่ n  1 กับรถคันที่ n ในเวลา t T คือดีเลยการตอบสนองของผูขับ

 คือคาประสาทสัมผัส

หลังจากนั้น Gazis, Herman และ Rothery [6] ไดชี้ใหเห็นวาตัวแบบการเคลื่อนที่ตามกันของรถ ควรจะไดรับการแกไขเพิ่มเติมโดยสะทอนใหเห็นถึงปจจัยทางดานจิตวิทยาโดยพวกเขาไดนําเสนอดัง สมการ (2.21) และภาพที่ 2.5 การตอบสนอง  ประสาทสัมผัสตัวกระตุน

(2.21)


16

ภาพที่ 2.5 รูปแบบพื้นฐานและคาตัวแปรตาง ๆ ที่เกีย่ วของกับตัวแบบรถที่ขับตามกัน

จากสมการที่ (2.21) ยานพาหนะแตละคันเคลื่อนที่ในชวงเวลาเดียวกัน ตําแหนงของรถคันที่ n

ที่เวลา t กําหนดโดย xn (t ) สมการพื้นฐานสําหรับใชในการคํานวณการเคลื่อนที่ของรถแตละ

คันขึ้นอยูกับปจจัยทางพฤติกรรมของมนุษยหรือผูขับขี่ โดยที่การตอบสนองในที่นี้เปนการศึกษาเกี่ยวกับผูขับขี่ยานพาหนะ ดังนั้นตอบสนองของผูที่ ขับยานพาหนะนั้ น คือการเพิ่มความเรงหรือการลดความเรง และประสาทสั มผั สหมายถึงระบบ ประสาทสัมผัสของแตละคนโดยในที่นี้จะใหเปนคาคงที่ kp โดยที่ kp นั้นตองมีคามากกวาศูนยใน ขณะที่ตัวกระตุน พิจารณาจากผลตางของรถคันที่ n กับรถคันที่ n  1 ดังนั้นจากสมการ (2.21) จึงสามารถทําใหอยูในรูปสมการเชิงอนุพันธไดเปน d  d2 d x (t )  k p  x n 1(t )  x n (t )  2 n 1 dt dt  dt 

(2.22)

จากสมการ (2.22) สามารถอธิบายสถานการณตาง ๆ ที่เกิดขึ้นในขณะที่ผูขับขี่ยานพาหนะนั้นจะเพิ่ม ความเรงหรือลดความเรงนี้ไดโดยเพิ่มดีเลยลงในสมการ (2.22) d  d2 d x (t   )  k p  x n 1(t )  x n (t )  2 n 1  dt  dt dt

(2.23)


17 ถาใหคาสัมประสิทธิ์ kp เปนคาคงที่ สมการ (2.23) จะเปนสมการเชิงอนุพันธอันดับหนึ่งแบบเชิง เสน และจะไดความสัมพันธ d x (t   )  k p  x n 1(t )  x n (t )   cn 1 dt n 1

(2.24)

จากภาพที่ 2.5 สมมุติใหรถแตละคันมีความยาวเทากันคือ Ln 1  Ln  L ดังนั้นระยะระหวาง รถทั้งสองกําหนดโดย d(t ) เขียนความสัมพันธไดดังสมการ d (t )  x n (t )  x n 1(t )  L

(2.25)

ให N R คือจํานวนรถในถนนที่เราศึกษา และ LR คือความยาวของถนน สามารถหาจํานวนรถที่ เคลื่อนที่บนถนนไดจากสมการ NR 

LR L  d (t )

(2.26)

กําหนดให  คือความหนาแนนของจํานวนรถบนถนน ซึ่งหมายถึงจํานวนรถตอความยาวของถนน ดังนั้นเมื่อนําสมการ (2.26) หารดวย LR จะไดความหนาแนน  ในรูปของ 

NR 1 1   LR L  d (t ) x n (t )  x n 1(t )

(2.27)

จากสมการ (2.27) เปนสมการที่ใชในทางดานวิศวกรรมการจราจรของสหรัฐอเมริกาจึงมีหนวยเปน ฟุต แตในการคํานวณทางตัวเลขดานการจราจรนั้นจะใชหนวยไมล ดังนั้นจึงตองเปลี่ยนหนวยจากฟุต เปนไมล ซึ่งจะไดสมการใหมดังนี้ 

5280 L  d (t )

(2.28)

โดยที่  จะมีหนวยเปนคันตอไมล สมมุติใหยานพาหนะบนถนนทั้งสายวิ่งดวยอัตราเร็วเดียวกันดังนั้น d d x n 1(t   )  x n 1(t )  v dt dt

(2.29)


18 ดังนั้นนําสมการ (2.27) และ (2.29) แทนลงในสมการ (2.24) จะได v

kp 

(2.30)

c

คาของ c จากสมการ (2.30) เปนคาคงที่ โดยสามารถหาคา c ไดจากสมการ (2.13) นั่นคือ v( jam )  0 ซึ่ง ความเร็ ว จะมี คาเปน ศู น ย เ มื่อความหนาแน น มี คาสูงสุ ด ( jam ) ดังนั้น จะไดคา c

kp  jam

นั่นคือ 1 1  v  k p       jam 

(2.31)

ความสัมพันธของตัวแปร  และ v จากสมการ (2.31) เปนไปดังภาพที่ 2.6

ภาพที่ 2.6 ความสัมพันธระหวางอัตราเร็วและความหนาแนน

จากภาพที่ 2.6 แสดงใหเห็นวาความเร็วมีคาเขาใกลอนันตเมื่อความหนาแนนมีคาเขาใกลศูนย ดังนั้น จึงสามารถเขียนสมการของความเร็วในรูปของฟงกชันที่แบงเปนชวง ๆ ไดเปน  vmax ,    v()     1 1    k  ,  p      jam   

  crit   crit

(2.32)


19 โดยที่ crit คือคาความหนาแนนที่ทําใหคาความเร็วมีคาสูงสุด ดังนั้น v 1 1   max  crit     jam   k p

(2.33)

ซึ่งความสัมพันธของตัวแปร  และ v จากสมการ (2.33) เปนไปดังภาพที่ 2.7

ภาพที่ 2.7 ความสัมพันธระหวางอัตราเร็วกับความหนาแนน

เนื่องจาก q  v ดังนั้นในการหาอัตราการไหลจึงคูณ  เขาไปทั้งสองขางของสมการ (2.32) จะ ไดฟงกชันของอัตราการไหลในรูป   vmax ,     q()        1   ,  k  p    jam    

  crit   crit

(2.34)

ซึ่งความสัมพันธระหวางอัตราการไหล q กับความหนาแนน  ที่กําหนดในสมการ (2.34) สามารถ แสดงไดดังภาพที่ 2.8 ดังตอไปนี้


20

ภาพที่ 2.8 ความสัมพันธระหวางอัตราการไหลกับความหนาแนน

จากภาพที่ 2.8 ความหนาแนนสูงสุดจะเกิดขึ้น ณ ที่ crit ดังนั้น    q max  q(crit )  critvmax  k p  1  crit    jam 

(2.35)

ตัวอยางขอมูลที่เก็บรวบรวมมาจาก [24] และนํามาศึกษาความสัมพันธระหวางตัวแปรและ พารามิเตอรตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับกระแสการไหลของการจราจรไดแก อัตราเร็ว การไหล และความ หนาแนน แสดงไดดังภาพที่ 2.9 และภาพที่ 2.10

ภาพที่ 2.9 ตัวอยางกราฟแสดงความสัมพันธของขอมูลความเร็วกับความหนาแนน Recker [24]


21

ภาพที่ 2.10 ตัวอยางกราฟแสดงความสัมพันธของขอมูลการไหลกับความหนาแนน Recker [24]

2.4 ตัวแบบการเคลื่อนที่ตามกันของรถที่เกี่ยวของ การศึ ก ษากระแสการไหลของการจราจรนั้ น เกี่ ย วข อ งกั บ ป ญ หาทางสั ง คมในวงกว า ง ยกตัวอยางเชน การจัดการขนสงใหมีประสิทธิภาพ การอพยพหรือการเคลื่อนยายผูคนในกรณีฉุกเฉิน ตลอดจนการวางผังเมือง การสรางตัวแบบการจราจรอาจจะพิจารณาเปรียบเทียบกับการไหลของ ของไหลที่มีแรงอัดซึ่งเปนการมองแบบมหภาค หรือการพิจารณาระบบหลาย ๆ ระบบของผูขับขี่ เฉพาะบุคคลเปนการมองแบบจุลภาค ดังนั้นตัวแบบที่ปรากฏอยูหลายแบบจะมีสมการอุณหพล ศาสตร บ างสมการอาจจะเป น สมการเชิง อนุพัน ธและอาจจะอยู ในตั ว แบบเซลลู ล าร ออโตมาตา (cellular automata model) เปนตน ทั้งนี้ตัวแบบรถที่ขับตามกันในงานอื่น ๆ ที่ผานมานั้นไดสรุป ไดดังตารางตอไปนี้


22 ตารางที่ 2.1 ตัวแบบการเคลื่อนของรถแบบตางๆ

ลําดับที่ 1

ตัวแบบ Chandler Model [4]

T ,

an (t  T )  v(t )

2

Generalized GM Model [6] an (t  T )  

3

vn (t  T )m x (t )

v(t )

T ,  ,m , 

Gipps Model [7]  v (t )  2.5aT (1  v (t ) / V ) 0.025  v (t ) / V ,      n n n    1/2            2 ( ) ( ) ( ) x t x t s v t T   vn (t  T )  min   2 2 n n    n 1      bT b T b        vn 1(t )2 / b *              

4

พารามิเตอรที่ตองการ หาคาเหมาะสม

T , b ,V , b *

Krauss Model [15] vsafe  vn 1 

gn (t )  vn 1(t )T  vn (t )  vn 1(t ) / 2b  T

เมื่อ gn (t )  xn 1(t )  xn (t )  s

T , b ,V

vdes  min  vn (t )  a t, vsafe ,V 

Vn (t  t )  max  0, vdes  a  

ในที่นี้จะสมมติให t  0.1 และ a  คือเซตของศูนย 5

Leutzbach Model [18] v(t )2 an (t  T )   an 1(t ) 2  S  x (t ) 

T ,S


23 ตารางที่ 2.1 ตัวแบบการเคลื่อนของรถแบบตางๆ (ตอ)

ลําดับที่ 6

ตัวแบบ Cellular Automata [20] Vn (t  t )  min  gn (t ) / T , vn (t )  a,V 

7

T ,V

Optimum Velocity Model [1] an (t  T )   V0  vn (t )

เมื่อ V0  8

พารามิเตอรที่ตองการหา คาเหมาะสม

T ,

2b  x n 1(t )  x n (t ) 

Newell Model [21] dx n (t )  F  x n 1(t )  x n (t )    dt

ในที่นี้เราเลือกศึกษาตัวแบบของเนเวลล (ตัวแบบที่ 8 จากตารางที่ 2.1) โดยสามารถสรางตัว แบบที่เปนระบบของอนุภาคที่เคลื่อนที่ในหนึ่งมิติในทิศทางดังภาพที่ 2.11

ภาพที่ 2.11 แสดงการเคลื่อนที่ของรถใน 1 ชองทาง

ในภาพที่ 2.11 เปนภาพที่แสดงรูปแบบความหนาแนนของอนุภาคที่เปลี่ยนแปลงคอนขางสม่ําเสมอ เปนความหนาแนนของอนุภาคที่เพิ่มขึ้นจนทําใหอัตราเร็วมีคาคงที่ ในที่นี้เราสามารถพิจารณาแตละ อนุภาคดวยรถแตละคัน ดังนั้นตัวแบบรถที่ขับตามกันจึงจําลองไดจากภาพที่ 2.11 โดยมีความสัมพัธ ตามสมการเชิงอนุพันธดีเลย


24 x n (t )  F  x n (t   )       x n (t )  x n 1(t )  x n (t )   

(2.36)

โดยที่ n  1, 2, ...., N และ xn (t ) คื อ ตํ า แหน ง ของรถที่ n ที่ เ วลา t และ xn (t ) คื อ ระยะทางระหวางรถคันที่ n และคันที่ n  1 ในสมการ (2.36) สังเกตเห็นวาสมการดังกลาวแสดง ความเร็ว xn (t ) ของรถแตละคัน โดยจะพิจารณาระยะทางที่แยกจากรถคันหนาโดยการเพิ่มดีเลย x n (t   ) และฟงกชัน F (x ) ในสมการ (2.36) เรียกฟงกชันของอัตราเร็วที่ดีที่สุดซึ่งมักจะถูก

ใชจากขอมูลการจราจรจริงโดยตัวแบบที่ใชในที่นี้คือตัวแบบเนเวลล (Newell’s Model)     F  x n (t   )     V  1  exp    x n (t   )       V   

โดยที่ , V และ  เปนพารามิเตอรของระบบ


บทที่ 3 วิธีดําเนินการ 3.1 บทนํา การพิจารณาชนิดของความเสถียรสําหรับตัวแบบจราจร หรือการไหลของยานพาหนะใน ระบบการจราจร โดยทั่วไปสามารถแบงออกไดสองประเภท Chandler [4] และ Herman [11] ไดแก 1. การวิเคราะหความเสถียรเฉพาะที่ (local stability) หรือความเสถียรสัมพัทธ เปนการ วิเคราะหสําหรับการขับตามกันของรถ ในโครงงานนี้เราจะพิจารณาความเร็วคงที่ 2. การวิเคราะหความเสถียรวงกวาง (global stability) หรือความเสถียรสัมบูรณ เปนการ วิเคราะหระบบการไหลของรถทั้งหมดบนถนน หรืออาจกลาวไดวาเปนการศึกษาการ เปลี่ยนแปลงทางดานพลวัต (dynamics) ทั้งระบบที่เราศึกษา โดยพิจารณาจากคาเฉลี่ย ของปริมาณตาง ๆ ในระบบ การวิเคราะหความเสถียรถูกนําไปใชบอยในการวิเคราะหวาตัวแปรตาง ๆ ที่กําหนดในระบบจะเขาสู สภาวะสมดุล (steady state) ไดอยางไร วิธีหนึ่งที่ใชในการวิเคราะหความเสถียรของจุดสมดุล สามารถทําไดโดยการใชวิธีเพอรเทอรเบชัน (perturbation method) โดยพิจารณาวาระบบมีความ เสถียรหรือไม ถาคําตอบลูเขาสูภาวะสมดุลเราจะเรียกวาระบบมีความเสถียร (stable) แตถาคําตอบ ไมลูเขาเราจะเรียกวาระบบไมเสถียร (unstable) จากงานที่ผานมาการวิเคราะหของ Bando กับ Hasebe [2] และ Kesting กับ Treiber [14] ไดนําเสนอวิธีที่จะใชศึกษาความเสถียรของตัวแบบซึ่ง


26 ไมมีเวลาตอบสนอง (non-reaction time) เกิดขึ้น นอกจากนั้นในงานของ Chandler [4] และ Herman [11] และ Bando [3] ไดรวมกันศึกษาตัวแบบรถที่ขับตามกัน (Car-following model) ที่ มีเวลาตอบสนอง (reaction time) ในที่นี้ เราจะพิจารณาลักษณะการไหลของรถในระบบการจราจรสําหรับตัวแบบการจราจรที่ กําหนด เพื่อหาความเสถียรของสภาวะสมดุลแบบเอกพันธ (homogeneous steady state) ในงาน ของ Kesting กับ Treiber [14] และ Tordeux [26] ไดศึกษาตัวแบบรถที่ขับตามกัน โดยศึกษา สมการ dx n (t )  F  x n 1(t )  x n (t ), vn (t ), vn 1(t )  dt

(3.1)

และสมการ dx n (t )  vn (t ) dt dvn (t )  F  x n 1(t )  x n (t ), vn (t ), vn 1(t )  dt

           

(3.2)

เมื่อ xn และ vn แทนตํ า แหนงและความเร็ วของรถคัน ที่ n ตามลําดับ ในขณะที่ xn 1 และ vn 1 แทนตําแหนงและความเร็ว ของรถคัน ที่ n  1 ซึ่งอยูห นารถคัน ที่ n ตามลําดับ และ F

แทนฟงกชันของอัตราเรง นอกจากนั้นเรายังตองการที่จะวิเคราะหหาเงื่อนไขสําหรับความเสถียรของ ปญหา (3.1) - (3.2) สําหรับตัวแบบการจราจรหลักที่เราจะพิจารณาในที่นี้ คือ ตัวแบบของเนเวลล ซึ่งเปนตัวแบบ ไมเชิงเสน กําหนดโดยสมการ dx n (t )  F  x n 1(t )  x n (t )    dt

(3.3)

สมการ (3.3) เปนตัวแบบอยางงายโดยพารามิเตอรพื้นฐานอยูสองตัว คือ ฟงกชันเปาหมายของระยะ ปลอดภัย (targeted safety gap function) และเวลาตอบสนอง  วัตถุประสงคหลักของงานนี้


27 คือ ตองการหาเงื่อนไขของพารามิเตอรสําหรับตัวแบบรถที่ขับตามกันที่ทําใหระบบที่กําลังศึกษาลูเขา สูสภาวะสมดุลของระบบเอกพันธ การพิจารณาการไหลของรถ N คัน ในถนนหรือระบบที่ศึกษา ซึ่งมีความยาว L ทั้งนี้ระบบ ที่ศึกษานั้นประกอบดวยสมการเชิงอนุพันธไมเชิงเสนจํานวน N สมการ ที่มีความสัมพันธกัน โดย สภาวะสมดุลของระบบเอกพันธ กําหนดโดยใชสัญลักษณ {H } ซึ่งมีระยะทางและความเร็วของ ยานพาหนะเปนคาคงที่เทากันทั้งหมด เขียนแทนดวย x n 1(t )  x n (t ) 

สําหรับทุก ๆ n โดยที่ vn (t ) 

dx n (t ) dt

L N

และ

vn (t )  v {H }

(3.4)

คือความเร็วของรถคันที่ n ณ เวลา t ในขณะที่ตัวแปร

x n แทนตําแหน งของรถคัน ที่ n และ x n 1 คือตําแหน งของรถคัน ที่ n  1 สภาวะสมดุ ล ของ

ระบบเอกพันธ สามารถแสดงลักษณะไดโดยความสัมพันธ x n 1(t )  x n (t ) 

L N

และ x n (t )  x n (0)  v {H }t

(3.5)

สําหรับทุก ๆ n การวิเคราะหความเสถียรในการศึกษาครั้งนี้ ประกอบดวยการวิเคราะหความแตกตางระหวาง ตําแหนงและความเร็ว ซึ่งเปนตัวแปรของระบบที่กําลังศึกษาและตัวแปรของระบบเอกพันธ ในที่นี้จะ ได xn (t )  x n (t )   x {H }(0)  v {H }t  vn (t )  vn (t )  v {H }

    

(3.6)

และสภาวะสมดุลของระบบเอกพันธจะกลาววามีความเสถียร เมื่อ t   สําหรับทุก ๆ คา n xn (t )  0

และ

สําหรับ xn{H } และ v {H } โดยที่ n  1,2,..., N

vn (t )  0


28

3.2 การวิเคราะหความเสถียรของตัวแบบเนเวลลที่ไมมเี วลาตอบสนอง ในการศึกษาตัวแบบของเนเวลลเบื้องตนที่ไมมีเวลาตอบสนอง dx n (t )  F  x n 1(t )  x n (t )    dt

(3.7)

เมื่อ F คือฟงกชันของความเร็วเปาหมายสําหรับระยะหาง และ  คือความยาวของรถหรือในบาง กรณีอาจหมายถึง ระยะที่นอยที่สุดของชวงวางระหวางรถ ระบบประกอบดวยความสัมพันธของ สมการเชิงอนุพันธไมเชิงเสน N สมการ โดยใชการแปลงฟงกชัน F ใหอยูในรูปเชิงเสนทําใหระบบ มีคาเขาใกลสภาวะสมดุลแบบเอกพันธ {H } ซึ่งระบบสมการเชิงอนุพันธเชิงเสนหาไดจากวิธีเพอรเทอรเบชัน กําหนดให x(t )  x (t )  x {H }

(3.8)

จะไดสมการประมาณในรูปเชิงเสน (linearization equation) คือ dxn (t )    xn (t )  xn 1(t )   0 dt

 N

(3.9)

 

โดยที่   F   L    คําตอบของระบบเชิงเสนเปนผลรวมเชิงเสนของฟงกชันเอ็กซโพเนนเชียล N 1

xn (t )   A(k )e zktck i 1

เมื่อ ck

2 k i e N

เมื่อ k  1, , N  1 , โดยที่ i 

(3.10)

1

ในงานของ Bando และ Hasebe [3] ไดหาคําตอบของ (3.10) โดยใชการกระจายอนุกรมฟู เรียร ในขณะที่ Tordeux [26] สามารถหาคําตอบของปญหาเดียวกันนั้นได โดยใชหลักการของ


29 เมทริกซแคลคูลัส (matrix calculus) สําหรับเงื่อนไขคาเริ่มตน ซึ่งคําตอบทดลองสามารถเขียนได ดังนี้ xn (t )  e zktck 2 k

โดยที่ ck  e N

i

(3.11)

เมื่อ k  1, , N  1 โดยแทนคา xn (t ) ในสมการ (3.11) ลงในสมการ

(3.9) จะไดวาจํานวนเชิงซอน zk จะสอดคลองสมการ z k    1  ck   0

(3.12)

ความเสถียรของระบบขึ้นอยูกับ Re(zk ) กลาวคือ ถา Re(zk )  0 ระบบจะกวัดแกวงและไมลู เขา เราจะเรียกวาระบบไมมีความเสถียร ในทางกลับกันถา Re(zk )  0 ระบบจะมีความกวัด แกวงลูเขา เราจะเรียกวาระบบมีความเสถียร และจะลูเขาสูระบบเอกพันธ 2 k

จากสมการ (3.12) เนื่องจาก ck  e N

i

เมื่อ k  1, , N  1 ดังนั้นเมื่อหาสวนจริง

ของ zk โดยพิจารณา zk จาก  2k i  z k   e N  1   

(3.13)

โดยสูตรของออยเลอร ที่วา e i   cos   i sin  เมื่อแทนลงในสมการ (3.13) จะไดวา   2k   2k   z k    cos    i sin    1   N   N   

(3.14)

  2k   Re(z k )    cos    1   N   

(3.15)

ดังนั้น สวนจริงของ zk คือ

และภายใตสมมติฐานเกี่ยวกับฟงกชันเปาหมายของความเร็วจะพบวาสมการ (3.7) เกิดสภาวะสมดุล แบบเอกพันธ ถา   0 นอกจากนี้ เราจะแสดงตัวแบบที่มีเวลาตอบสนองในหัวขอตอไป ซึ่งจะ พิจารณาเงื่อนไขของความเสถียรโดยเปรียบเทียบกับกรณีที่ไมมีเวลาตอบสนอง


30

3.3 การวิเคราะหความเสถียรของตัวแบบเนเวลลที่มีเวลาตอบสนอง ในตั ว แบบที่ มีส องช ว งเวลาคือชว งเวลา t และเวลาที่ t  T r สามารถอธิบ ายไดโ ดย สมการ d n (t  T r )  F  x n 1(t )  x n (t ), vn 1(t ), vn (t )  dt

(3.16)

และสมการ d n (t  T r )  F  x n 1(t )  T r vn 1(t )  x n (t  T r ), vn (t  T r ), vn 1(t )  dt

(3.17)

เมื่อ n อาจแทนดวยระยะทางหรืออัตราเร็วของรถคันที่ n โดยที่ F เปนฟงกชันการตอบสนอง (reaction functions) และ T r  0 เปนเวลาตอบสนอง ซึ่งทั้งสมการ (3.16) และ (3.17) เปน รูปแบบทั่วไปของตัวแบบการไหลของกระแสจราจร สําหรับปญหาที่มีการรวมที่มีเวลาตอบสนอง T r  0 เปนการประยุกตตัวแบบของเนเวลลโดยใชสมการ (3.7) แลวศึกษาความเสถียรของสภาวะเอกพันธโดยตัวแบบดีเลยที่เปนเชิงเสน จาก [27] ไดนําเสนอกราฟที่แสดงความสัมพันธระหวางอัตราเร็ว ความหนาแนน และเวลา เปาหมายจากตัวแบบ (3.16) และตัวแบบ (3.17) ดังภาพที่ 3.1 และภาพที่ 3.2 ตามลําดับ

ภาพที่ 3.1 ความสัมพันธระหวาง อัตราเร็ว ความหนาแนน และเวลาเปาหมายจากตัวแบบ (3.16) [27]


31

ภาพที่ 3.2 ความสัมพันธระหวาง อัตราเร็ว ความหนาแนน และเวลาเปาหมายจากตัวแบบ (3.17) [27]

ขั้นตอนของการเพิ่มเวลาตอบสนองในระบบ โดยใชสมการ (3.16) จะพบวาเมื่อมีเวลามา ตอบสนองตัวแบบในสมการ (3.7) เขียนไดใหมเปน dx n (t  T r )  F  x n 1(t )  x n (t )    dt

(3.18)

เมื่อใชวิธีเพอรเทอรเบชันสามารถประมาณระบบ (3.18) ไดโดย dxn (t  T r )    xn 1(t )  xn (t )  dt

 N

(3.19)

 

โดยที่   F   L    ซึ่งสมการ (3.19) คือระบบของสมการเชิงอนุพันธดีเลยซึ่งมีเทอมของ ดีเลย T r มาเกี่ยวของ Mahnke [19] เสนอวิธีแกปญหาโดยการประยุกตอนุกรมเทยเลอร (Taylor’s series) เพื่อประมาณระบบโดยใชอนุพันธอับดับหนึ่งโดยมีเวลา T r มาเกี่ยวของ ซึ่ง อธิบายไดสองสมการดังนี้


32 dxn (t )  vn (t ) dt dvn 1 (t )     xn 1(t )  xn (t )   vn (t )  dt Tr

           

(3.20)

โดยแทนคํ า ตอบของสมการ (3.11) ลงในสมการ (3.20) จะพบว า จํานวนเชิงซอน zk ซึ่งแทน คาไอเกนจะสอดคลองสมการ z k2 

zk Tr

(1  ck ) Tr

0

(3.21)

จะพบไดเมื่อ Re(zk )  0 สําหรับทุกๆ k  1,...N  1  

   N  

จากเงื่อนไขที่วา T r  1  cos  2k    1 สภาวะสมดุลของระบบเอกพันธจะเสถียร สําหรับตัวแบบในสมการ (3.18) เมื่อ 0    1 r เงื่อนไขเพียงพอของผลลัพธเกิดจากการ 2T

กระจายความเร็วของยานพาหนะแบบโหมดเดี่ยว (uni-modal) โดยการไหลจะเปนรูปแบบเอกพันธ เมื่อ 2T r  T ขั้นตอนของการรวมที่มีเวลามาตอบสนองโดยใชสมการ (3.17) ตัวแบบของเนเวลลสามารถ ทําตามขั้นตอนของการรวมที่มีเวลามาตอบสนองโดยใชสมการ (3.17) ซึ่งเขียนไดดังนี้ dx n (t  T r )  F  x n 1(t )  T r vn 1(t )  x n (t  T r )    dt

(3.22)

โดยการใชวิธีเพอรเทอรเบชัน สามารถประมาณระบบ (3.22) ไดโดย dxn (t  T r )    xn 1(t )  T r vn 1(t )  xn (t  T r )  dt

(3.23)


33  N

 

เมื่อ   F   L    ถาใชอนุกรมเทยเลอรอันดับหนึ่งอธิบายสามารถประยุกตเกี่ยวกับดีเลยข องเวลา T r ของปริ ม าณ vn (t  T r ) และใช เ ทย เ ลอร อั น ดั บ สองอธิ บ ายเกี่ ย วกั บ ปริ ม าณ xn (t  T r ) จากวิธีเพอรเทอรเบชันจะได dxn (t )  vn (t ) dt   xn 1(t )  xn (t )  T r  vn 1(t )  vn (t )    vn (t ) dvn  (t )      dt T r  1  T r   2

               

(3.24)

ถาอธิบายคําตอบของสมการ (3.11) จะพบวาคาไอเกน zk จะสอดคลองสมการ z k2  z k

T r (1  ck )  1 (1  ck )  0 r r  r r      T  1  T T  1  T     2  2 

(3.25)

จะไดวา Re(z k )  0 ถา 2(T r )3  4(T r )2  2T r   4  0

สภาวะหยุ ดนิ่ งคงที่ จ ะเสถี ย รสํ า หรับ แบบจํา ลองในสมการ (3.22) ถ า 0    1r เงื่อ นไข T

เพียงพอของผลลัพธเกิดจากการกระจายความเร็วของยานพาหนะเปนแบบโหมดเดี่ยว การไหลจะ เปนรูปแบบเอกพันธ เมื่อ T r  T


บทที่ 4 ผลการดําเนินงานและสรุปผล ในบทนี้เราจะแสดงตัวอยางการวิเคราะหความสมดุลของตัวแบบรถที่ไหลตามกันของเนเวลล โดยใชผลที่ไดแสดงผานมาแลวในบทที่ 3 โดยการวิเคราะหและผลนั้นจะแสดงเปนสองกรณี คือ กรณี ที่ไมมีดีเลยื และกรณีที่มีดีเลย พรอมทั้งแสดงตัวอยางประกอบสําหรับกรณีทั้สอง สําหรับในสวนทาย ของบทนี้จะเปนการสรุปผลที่ไดจากการจัดทําโครงงานนี้ พรอมทั้งแสดงขอเสนอแนะสําหรับการ ประยุกตใชผลของโครงงานสําหรับผูที่สนใจตอไป

4.1 ตัวอยางของตัวแบบรถทีข่ ับตามกันของเนเวลลกรณีที่ไมมีดีเลย จากบทที่ 3 เราไดนําเสนอการวิเคราะหสําหรับตัวแบบเนเวลล ในที่นี้เราจะใชผลจากบทที่ ผานมา เพื่อวิเคราะหปญหาเฉพาะบางปญหาของตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลล ในกรณีที่ไมมี ดีเลย และในกรณีที่มีดีเลย 4.1.1 ความเสถียรของตัวแบบเนเวลลที่ไมมีดีเลย พิจารณาตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลลแบบที่ไมมีเทอมของดีเลยเขามาเกี่ยวของ dx n (t )  F  x n (t )    dt

เมื่อ x n (t )  x n 1(t )  x n (t )

(4.1)


35 ทั้งนี้จากบทที่ 3 พบวาจุดสมดุลของสมการ (4.1) คือ L   โดยจุดสมดุลดังกลาวนั้นจะเสถียร N

 N

 

ถา   0 เมื่อ   F   L    ในที่นี้เราจะแสดงตัวอยางการวิเคราะหปญหาโดยกําหนดฟงกชันจาก [21] กําหนดให     F (x )  V  1  exp   (x )    V   

โดยที่

V คือ ความเร็วที่เหมาะสมที่สุดของรถ

และ

 แทนอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟงกชัน F ที่ x n  

(4.2)

ตัวอยางของฟงกชันความเร็วเหมาะสมที่สุด (optimal velocity function) สําหรับตัวแบบ เนเวลล เมื่อกําหนด V  120,   6 และ   5 โดยในที่นี้ V แทนความเร็วสูงสุดที่กําหนด และคาของ  แทนอนุพันธของ F ที่ xn   เมื่อ  แทนระยะนอยที่สุดระหวางรถยนตแต ละคัน ความสัมพันธระหวาคาพารามิเตอรตาง ๆ ขางตนแสดงดังภาพที่ 4.1

ภาพที่ 4.1 ความสัมพันธระหวางคาพารามิเตอร V ,  และ  จากสมการ (4.2)

เมื่อแทนฟงกชัน F จากสมการ (4.2) ลงในตัวแบบของเนเวลลในสมการ (4.1) จะได     dx n (t )  V  1  exp   (x n (t )  )    V    dt

(4.3)


36 จากสมการ (4.2) หาอนุพันธของ F จะได    F (x )   exp   (x )   V 

(4.4)

และจากสมการ (4.3) จุดสมดุลหาจากการแทนคาอนุพันธทางดานซายใหเปนศูนย จะไดจุดสมดุลคือ x  xn (t )    0

หรือ xn   ซึ่งหมายถึง xn  L จะไดวา N

 L  F (x)   exp         V  N  

เงื่อนไขทีจ่ ุดสมดุลจะเสถียร คือ L    F       N   L    exp         0   V  N  

จากเงื่อนไขขางตน เนื่องจากเทอมของเอ็กซโพเนนเชียลมีคาเปนบวกเสมอ ดังนั้นเงื่อนไขที่จะทําให จุด สมดุล ของอสมการใน (4.3) มีความเสถีย ร คือ   0 ซึ่งจะไดเงื่อนไขของความเสถียรตาม ทฤษฎีบทตอไปนี้ ทฤษฎีบท 4.1 ความเสถียรของสมการเนเวลลแบบไมมีดีเลย ถา   0 แลวจุดสมดุลของสมการ (4.3) มีความเสถียร

จากทฤษฎีบท 4.1 คา   0 จะเปนเงื่อนไขเพียงพอที่จะทําใหระบบสมการของเนเวลล ในสมการ (4.3) มีความเสถียร

4.1.2 ตัวอยางผลจากสมการเนเวลลกรณีที่ไมมีดีเลย ในหัวขอนี้ เราจะแสดงตัวอยางคําตอบของสมการเนเวลล (4.3) เพื่อสนับสนุนผลจากการ วิเคราะหตัวแบบเนเวลลกรณีที่ไมมีดีเลยขางตน โดยกําหนดพารามิเตอรตาง ๆ ตามที่ไดกําหนดไวใน [23] ดังตอไปนี้


37 เมื่อกําหนด N  10 และ L  560 จะไดความหนาแนน   10/560  1/56 เรา จะเห็นไดวาความหนาแนนคอนขางนอย ดังนั้นรถจึงสามารถเคลื่อนที่ไดอยางสะดวก ผลที่ไดในกรณี นี้แสดงไดดังภาพที่ 4.2 โดยระยะทางที่รถแตละคันเคลื่อนที่ไดจะเพิ่มขึ้นแบบเชิงเสน และความเร็ว ของรถมีการกวัดแกวงเล็กนอยกอนที่รถแตละคันจะมีความเร็วคงที่ ซึ่งจะพบวาความเร็วของรถใน ระบบมีความเสถียรเมื่อเวลาผานไประยะหนึ่ง ภาพที่ 4.3 แสดงผลในกรณี ที่ N  10

และ L  150 จะได ค วามหนาแน น

  10/150  1/15 เราจะเห็นไดวาความหนาแนนมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับกรณีแรก ภาพที่

4.3 (ก) แสดงความสัมพันธระหวางเวลากับระยะทางที่รถแตละคันเคลื่อนที่ได ซึ่งระยะทางที่รถแต ละคั นเคลื่ อนที่ ไดจ ะเพิ่มขึ้ นเรื่ อย ๆ สําหรับภาพที่ 4.3 (ข) แสดงความสัมพัน ธร ะหวางเวลากับ อัตราเร็วของรถแตละคัน จากภาพพบวาอัตราเร็วของรถแตละคันเปลี่ยนแปลงแบบแกวงกวัดแบบมี คาบ ซึ่งหมายถึงอัตราเร็วของรถเพิ่มขึ้นและลดลงบนชวงอัตราเร็วจํากัด ในกรณีที่ 3 กําหนด N  10 และ L  20 จะพบวาความหนาแนนมีคาเพิ่มขึ้นมาก เมื่อ เปรียบเทียบกับสองกรณีแรก นั่นคือ   10/20  1/2 ผลที่ไดในกรณีนี้แสดงดังภาพที่ 4.4 ซึ่ง จะพบวา จากภาพ 4.4 (ก) ระยะทางที่รถแตละคันเคลื่อนที่ไดจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในขณะที่พบวา อัตราเร็วของรถแตละคันเปลี่ยนแปลงแบบแกวงกวัดแบบลูเขา ดังภาพที่ 4.4 (ข)


38 x (t )

t v(t )

t

(ก)

t

(ข)

t

ภาพที่ 4.2 ความสัมพันธระหวาง (ก) ระยะทางกับเวลา และ (ข) อัตราเร็วกับเวลา จากตัวแบบของเนเวลล ในกรณีที่ไมมีดเี ลย เมื่อกําหนดคาพารามิเตอร N  10 และ L  560


39 x (t )

t

(ก) v(t )

t

(ข) ภาพที่ 4.3 ความสัมพันธระหวาง (ก) ระยะทางกับเวลา และ (ข) อัตราเร็วกับเวลาจากตัวแบบของเนเวลล ในกรณีที่ไมมีดเี ลย เมื่อกําหนดคาพารามิเตอร N  10 และ L  150


40 x (t )

t

(ก) v(t )

t

(ข) ภาพที่ 4.4 ความสัมพันธระหวาง (ก) ระยะทางกับเวลา และ (ข) อัตราเร็วกับเวลาจากตัวแบบของเนเวลล ในกรณีที่ไมมีดเี ลย เมื่อกําหนดคาพารามิเตอร N  10 และ L  20


41

4.2 ตัวอยางของตัวแบบรถทีข่ ับตามกันของเนเวลลทมี่ ีดีเลย พิจารณาสมการของตัวแบบรถที่ขับตามกันซึ่งมีดีเลย ที่กลาวมาแลวในบทที่ 3 : dx n (t  T r )  F  x n 1(t )  x n (t )     F  x n (t )    dt

(4.5)

ซึ่งจะเกิดจุดสมดุลแบบเอกพันธที่มีความเสถียร ถา 0

1 2T r

เมื่อ   F ( L  l ) ในที่นี้เราจะพิจารณากรณีศึกษาของตัวแบบเนเวลล จาก [23] ซึ่งกําหนดตัว N

แบบรถที่ขับตามกันแบบมีดีเลยโดย     dx n (t )  V  1  exp   (x n (t   )  )    V    dt

(4.6)

ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับสมการ (4.5) พบวาเปนสมการที่สอดคลองกัน โดยการแทนคา T r ดวย  และแทนคา t ดวย t   โดยมีฟงกชัน F คือ     F (x )  V  1  exp   (x )     V  

(4.7)

ในที่นี้เราจะวิเคราะหเงื่อนไขความเสถียรของสมการ (4.6) โดยใชพิ้นฐานและหลักการที่ไดกลาว มาแลวในหัวขอ 3.3 จากสมการ (4.7) หาอนุพันธของ F จะได    F (x )   exp   (x )   V 

(4.8)

เชนเดียวกับกรณีที่ไมมีดีเลยในหัวขอ 4.2 พิจารณาสมการ (4.6) จุดสมดุลหาจากการแทนคาอนุพันธ ทางดานซายใหเปนศูนย จะไดจุดสมดุลคือ x  xn (t )    0

หรือ xn   ซึ่งหมายถึง xn  L จะไดวา N

 L  F (x)   exp         V  N  

กําหนดให L    F       N 


42 จะไดวา  L     exp         V  N  

เงื่อนไขที่จุดสมดุลจะเสถียร คือ 0    1 จะไดเงื่อนไขคือ 2

 L  1 0   exp           V  N   2

(4.9)

ถากําหนดให   0 พบวาอสมการแรกของ (4.9) เปนจริงเสมอ เราจึงสามารถลดเงื่อนไขไดเปน  L  1  exp           V  N   2

จัดรูปอสมการขางตนใหม จะได 

L  1 exp       V  N   2

ซึ่งเปนเงื่อนไขของคาดีเลย  ซึ่งสามารถสรุปผลไดตามทฤษฎีบทตอไปนี้ ทฤษฎีบท 4.2 ความเสถียรของสมการเนเวลลแบบที่มีดีเลย เงื่อนไขเพียงพอสําหรับคาของดีเลย  ที่จะทําใหจุดสมดุลของสมการของเนเวลลที่มีดีเลย (4.6) เปนจุดสมดุลที่มีความเสถียร คือ 

L  1 exp       V  N   2

ในลําดับตอไป จาก Newell [21] ไดเสนอการวิเคราะหเพื่อหาคําตอบของสมการ (4.6) ใน ที่นี้เราไดทําการเรียบเรียงผลดังกลาวเพื่อแสดงผลคําตอบของ (4.6) ดังตอไปนี้ ดังนั้นเมื่อแทนฟงกชัน F จาก (4.7) ลงในสมการ (4.6) จะได     xn (t )  V  1  exp    x n (t   )         V  

(4.10)

โดยการเปลี่ยนตัวแปร กําหนดให x n (t )  V0t   0n  yn (t )

(4.11)


43 และจะไดความสัมพันธ x n 1(t )  V0t   0 (n  1)  yn 1(t )

จะไดวา x n (t )  x n 1(t )  x n (t )

 V0t   0 (n  1)  yn 1(t )  V0t   0n  yn (t )   V0t   0n    yn 1(t )  V0t   0n  yn (t )   0  yn 1(t )  yn (t )

ดังนั้น x n (t )   0  yn (t   )

(4.12)

แทน xn (t ) จากสมการ (4.12) ลงในสมการ (4.10) จะได     xn (t )  V  1  exp     0  yn (t   )        V  

(4.13)

จากการเปลี่ยนแปลงตัวแปรใน (4.11) นั่นคือ x n (t )  V0t   0n  yn (t )

เมื่อ V0,  0 และ n เปนคาคงที่ ดังนั้น เมื่อหาอนุพันธเทียบตัว แปร t ทั้งสองขางของสมการ ขางตน จะได xn (t )  V0  yn (t )

(4.14)

แทนสมการ (4.14) ในสมการ (4.13) จะได     V0  yn (t )  V  1  exp     0  yn (t   )       V            V  1  exp   ( 0  )   exp    yn (t   )     V  V    

ดังนั้น        yn (t )  V  1  exp   ( 0  )   exp    yn (t   )     V0     V   V  

(4.15)

จากความสัมพันธของอัตราเร็วกับความยาวถนนจะได     V0  V  1  exp   ( 0  )    V   

(4.16)


44 แทนสมการ (4.16) ในสมการ (4.15) จะได            yn (t )  V  1  exp   ( 0  )   exp    yn (t   )     V  1  exp   ( 0  )    V  V  V                   V   exp   ( 0  )   exp    yn (t   )    exp   ( 0  )    V  V  V              V exp   ( 0  )    exp    yn (t   )    1    V    V 

ดังนั้นจะไดสมการ     yn (t )  V  V0   1  exp    yn (t   )     V   

(4.17)

พิจารณาสมการ (4.17) โดยให sn (t ) 

  y (t   )  yn (t   )  V n 1

(4.18)

จากสมการ (4.18) จะไดสมการ 1  s (t )   exp  sn 1(t   )   exp  sn (t   )  0 n

V  V 

    V 

 

เมื่อ 0    1  0    exp      0     

ภาพที่ 4.3 คําตอบ sn (t ) ซึ่งเปนฟงกชันของ t เมื่อกําหนดคา n ตาง ๆ โดยกําหนดคาของพารามิเตอรเปน 0  5, b  1 และ   2

(4.19)


45

4.3 สรุปผลการดําเนินงานและขอเสนอแนะ ในโครงงานนี้เราไดศึกษาตัวแบบเกี่ยวกับการไหลของการจราจร โดยเริ่มศึกษาจากตัวแบบ การไหลของการจราจรแบบมหภาค ซึ่งเปนการมองการไหลแบบภาพรวม เพื่อใหทราบความหมาย และตัวแปรตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับการไหลของกระแสจราจร จานั้นจึงศึกษาเกี่ยวกับตัวแบบจุลภาค โดยนําเสนอตัวแบบตาง ๆ ที่เกี่ยวของกับการไหลของรถ สําหรับการวิเคราะหนั้นในโครงงานนี้ไดทํา การวิเคราะหตัวแบบรถที่ขับตามกันของเนเวลล ซึ่งเปนตัวแบบที่ไดมีการศึกษากันอยางกวางขวาง ซึ่งในที่นี้เปนการยกตัวอยางรูปแบบหนึ่งของสมการเนเวลลมาพิจารณา ซึ่งตัวแบบดังกลาวอยูใน รูปแบบของสมการเชิงอนุพันธดีเลย หลังจากเราศึกษาและวิเคราะหตัวแบบโดยไมพิจารณาดีเลย จากการกําหนดใหดีเลย   0 ไดผลสรุปตามทฤษฎีบท 4.1 และในกรณีที่มีดีเลยไดผลสรุปตาม ทฤษฎีบท 4.2 ซึ่งจากทั้งสองกรณีสรุปไดวา เทอมของดีเลยมีผลตอความเสถียรของระบบการไหล   V  N

  

ของการจราจร กลาวคือ ถา   1 exp    L     แลวระบบจะมีความเสถียร 2

สํ า หรั บ ข อ เสนแนะจากการทํ า โครงงานนี้ พ บว า เราสามารถจํ า ลองป ญ หาต า ง ๆ ใน ชีวิตประจําวันดวยตัวแบบทางคณิตศาสตร ในที่นี้ตัวแบบที่เลือกมาใชเปนตัวแบบที่อยูในรูปสมการ เชิงอนุพันธดีเลย ซึ่งจะสังเกตไดวาพลวัตของสมการดังกลาวนั้นคอนขางยุงยากกวากรณีของสมการ เชิงอนุพันธสามัญ และในขั้นตอนการวิเคราะหทางพลวัตของสมการการไหลของเนเวลลพบวามี ปญหาตาง ๆ อีกมากที่ยังสามารถนําไปวิเคราะหตอเนื่องในขั้นสูงขึ้นตอไป เชนการวิเคราะหเงื่อนไข การเกิดคําตอบแบบคาบ ตลอดจนการวิเคราะหไบเฟอรเคชันของระบบ รวมทั้งการเพิ่มพารามิเตอรื อื่น ๆ เขาไปในระบบและวิเคราะหเพื่อทําใหตัวแบบสมบูรณขึ้นเมื่อเทียบกับสถานการณจริง


เอกสารอางอิง [1]

Bando H. Hasebe K., Nakayama A. and Shibata Y. (1995) “A Dynamical Model of Traffic Congestion and Numerical Simulation," Physics Review, Part E, Vol.51, No. 2, pp.1035-1042.

[2]

Bando M. and Hasebe K., 1995, “Dynamical Model of Traffic Congestion and Numerical Simulation”, Physics Review. E 51(2), pp.1035-1042.

[3]

Bando M., Nakanishi K. and Nakayama A., (1998), “Analysis of Optimal Velocity Model with explicit delay”, Physics Review. E 58(5), pp.5429-5435.

[4]

Chandler R. E., Herman R. and Montroll E. W., (1958), “Traffic dynamics: studies in car following”, Operations Research. 6(2), pp.165-184.

[5]

Chandler, R. E., Montroll, E. W., Potts, R. B. and Rothery, R.W., (1959) “Traffic Dynamics: Analysis of Stability in Car Following,” Operations Research, 7(1), pp.86–106.

[6]

Gazis, D. C., R. Herman and Richard W. Rothery (1961), “Nonlinear FollowThe-Leader Models Of Traffic Flow,” Operations Research Vol. 9, pp.545-567.

[7]

Gipps, P.G. (1981) “A Behavioral Car Following Model for Computer Simulation,” Transportation Research B 15, pp.105-111.

[8]

Greenshields, B.D., (1935) “A Study in Highway Capacity,” Highway Research Board Proceedings, pp.14.

[9]

Haberman, R., Mathematical Models, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1977.

[10]

Hasabe K., Nakayama A. and Sugiyama Y., Phys. Lett. A 259, 135 (1999)


47 [11]

Herman R., Montroll E. W., Potts R. B. and Rothery R. w., (1959), “Traffic dynamicals: analysis of stability in car following”, Operations Research. 7(1), pp.86-106.

[12]

Hirota R., The Discrete Method in Solution Theory, Cambridge University Press, Cambridge, 2004.

[13]

Igarashi Y. and Itoh K., Nakanishi K., J. Phys. Soc. Jpn. 68, 791 (1999)

[14]

Kesting, A. and Treiber, M., 2008, “How reaction time, update time and adaptation factor influence the stability of traffic flow”, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering 23, pp.125-137.

[15]

Krauss, S. (1997) “Microscopic Modeling of traffic Flow: Investigation of Collision Free Vehicle Dynamics,” Ph D. Thesis, University of Cologne, Cologne, Germany.

[16]

Lakshmanan, M. and Rajasekar, S., Nonlinear Dynamics: Integrability, Chaos and Patterns (Springer, Berlin, 2003)

[17]

Lakshmanan, M. and Senthilkumar, D.V., (2010) Dynamics of Nonlinear Timedelay Systems, Springer Series in Synnergetics.

[18]

Leutzbach, W. and Wiedemann, R, (1986) Development and Application of Traffic Simulation Models at Karlsruhe Institut fur Verkehrwesen, Traffic Engineering and Control, May, pp. 270-278.

[19]

Mahnke R., Kaupuzs J. and Lubashevsky I., 2008, Physics of stochastic processes : how randomness acts in time, WILEY-VCH Verlag.


48 [20]

Nagel, K. and Schrekenberg, M. (1992) A Cellular Automaton Model for Freeway Traffic, Journal of Physics, France, Vol. I2, pp.2221

[21]

Newell, G. F, Operations Research. 9 (1961) pp.209.

[22]

Newell, G. F. (2002) “A Simplified Car Following Theory: A Lower Order Model,” Transportation Research, Part B, Vol. 36, pp. 195-205.

[23]

Newell, G., (1991) “A Simplified Theory of Kinematic Waves: I General Theory; II Queuing at Freeway Bottlenecks; III Multi-destination Flows,” Transportation Research-B, 27B, pp.281–313.

[24]

Pipes, L. A., “An Operational Analysis of Traffic Dynamics” (1953), Journal of Applied Physics, Vol. 24, No.3, pp.274-287.

[25]

Recker, W.W., “Understanding the Nature of Traffic,” Notes for CE122Transportation Systems II: Operations and Control, University of California, Irvine, CA, Winter 2003.

[26]

Reuschel (1950), Vehicle Movements in a Platoon with Uniform Acceleration or Deceleration of the Lead Vehicle, Zeitschrift des Oesterreichischen Ingenieur-und Architekten-Vereines, No.95, pp.59-62 and pp.73-77.

[27]

Tordeux A., Lassare S. and Roussignol M., (2010) “An adaptive time gap carfollowing model”, Transportation Research. Part B 44(8-9), pp.1115-1131.

[28]

Tutiya Y. and Kanai M., J. Phys. Soc. Jpn. 76, 083001 (2007)


49 [29]

Wattleworth J. A., “Traffic Flow Theory,” in J. E. Baerwald (Ed.), Transportation and Traffic Engineering Handbook, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1976.

[30]

Wohl M. and Martin B.V., Traffic Systems Analysis, McGraw-Hill, New York, 1967.

[31]

Whitham G.B., Linear and Nonlinear Waves, Wiley, New York, 1974.


Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.