Насколько плох переезд

В хорошем подмосковном городе есть плохой железнодорожный переезд. В час пик встает не только он, но и соседние перекрестки и дороги. Проезжая в очередной раз, я задался вопросом — какая у него пропускная способность и можно ли что-то изменить?

Для ответа мы немного углубимся в нормативы и теорию транспортных потоков, проанализируем данные GPS и акселерометра с помощью Python и сравним теоретические расчеты с экспериментальными данными.

Содержание

• 1  Исходные данные
• 2  Теория транспортного потока
• 3  Сбор и анализ данных
  • 3.1  Ручной подсчет интенсивности движения
  • 3.2  Измерение средней скорости на переезде
    • 3.2.1  Визуализация на карте
    • 3.2.2  Визуализация профиля переезда
  • 3.3  Оценка плотности
• 4  Итоги

1. Исходные данные

Мы имеет одноколейный железнодорожный переезд с плохим качеством дороги, скорость на котором примерно 10 км/ч. Из подручных средств современный смартфон и ноутбук.

Весь код и данные доступны в формате Jupyter Notebook на моем GitHub'е.

Нам понадобятся следующие библиотеки:

import pandas as pd
import numpy as np
import glob

#!pip install utm
import utm

from sklearn.decomposition import PCA
from scipy import interpolate

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
sns.set(rc={'figure.figsize':(12, 8)})
import plotly.express as px

# Токен Mapbox для карт в Plotly
mapbox_token = open('mapbox_token', 'r').read()

2. Теория транспортного потока

Для начала определимся с терминами.
Плотность движения $\$inline\$\backslash rho\$inline\$$ — Число автомобилей на 1 км дороги.
$\$inline\$v\$inline\$$ — скорость АТС.

Интенсивность движения $\$inline\$Q(\backslash rho)\$inline\$$ — Количество транспортных средств, проходящие в единицу времени через определенное сечение дороги.

Пропускная способность $\$inline\$P\$inline\$$ — Максимальное число автомобилей, которое может пропустить участок дороги в единицу времени в одном или двух направлениях в рассматриваемых дорожных и погодно-климатических условиях.

Плотность движения и интенсивность связаны формулой:

$\$\$display\$\$Q\; =\; V\; \backslash cdot\; \backslash rho\$\$display\$\$$

Зависимость $\$inline\$Q(\backslash rho)\$inline\$$ часто называют фундаментальной диаграммой.

Так на графике ниже отображены экспериментальные данные «Центра исследования транспортной инфраструктуры» г. Москвы, собранные в течение одного дня в 2005 г. по четырем полосам на участке третьего транспортного кольца от Автозаводской улицы до Варшавского шоссе, и сагрегированные на одну полосу.

Оценка пропускной способности

Основным документом при оценке пропускной способности дорог и их элементов является документ ОДМ 218.2.020-2012 "Методические рекомендации по оценке пропускной способности автомобильных дорог".

Для железнодорожных переездов выделен целый раздел, и пропускная способность в разных дорожных условиях рассчитывается по формуле:

$\$\$display\$\$P\_\{ж.п.\}=P\_д\; \backslash cdot\; \backslash beta^\{ж.п.\}\_1\; \backslash cdot\; \backslash beta^\{ж.п.\}\_2\; \backslash cdot\; \backslash beta^\{ж.п.\}\_3\; \backslash cdot\; \backslash beta^\{ж.п.\}\_4\; \backslash cdot\; \backslash beta^\{ж.п.\}\_5,\$\$display\$\$$

где $\$inline\$\backslash beta^\{ж.п.\}\_1,\backslash beta^\{ж.п.\}\_2,\backslash beta^\{ж.п.\}\_3,\backslash beta^\{ж.п.\}\_4,\backslash beta^\{ж.п.\}\_5\$inline\$$ — коэффициенты снижения пропускной способности, учитывающие состав движения, характеристики железнодорожных переездов и дорожные условия в зоне переезда, которые определяются по приведенным таблицам.

Рассчитаем пропускную способность, исходя из наших условий:

$\$\$display\$\$P\_\{ж.п.\}=1500\; \backslash cdot\; 0.93\; \backslash cdot\; 0.66\; \backslash cdot\; 0.8\; \backslash cdot\; 1\; \backslash cdot\; 1\; =\; 736.56\; авт./ч\; =\; 12.3\; авт./мин\$\$display\$\$$

Мы получили теоретическую оценку, теперь перейдем к тому, что есть на самом деле.

В реальных условиях я использовал 2 метода оценки пропускной способности:

• Непосредственный подсчет проехавших через переезд АТС;
• Вычисление средней скорости движения АТС в выделенной нами области и применение различных функционалов для определения плотности.

В качестве функционала можно использовать простые модели:

• Модель Танака:

$\$inline\$\backslash rho(v)=\backslash frac\{1\}\{d(v)\}\$inline\$$,
$\$inline\$d(v)=\; L+\; c\_1\; v+\; c\_2\; v^2\$inline\$$,

где $\$inline\$d(v)\$inline\$$ – среднее (безопасное) расстояние между АТС, $\$inline\$L\$inline\$$ – средняя длина АТС, $\$inline\$c\_1\$inline\$$ – время, характеризующее реакцию водителя, $\$inline\$c\_2\$inline\$$ — коэффициент пропорциональности тормозному пути. При нормальных условиях (сухой асфальт): $\$inline\$L=5.7\; м,\; c\_1=0.504\; c,\; c\_2=0.0285\; с^2/м\$inline\$$.

• Модель Гриндшилдса:

$\$inline\$\backslash rho=\; \backslash rho\_\{max\}\; (1\; -\; \backslash frac\{v\}\{v\_\{max\}\})\$inline\$$,

где $\$inline\$\backslash rho\_\{max\}\$inline\$$ — максимальная плотность потока (при отсутствии движения), $\$inline\$v\_\{max\}\$inline\$$ — максимальная (желаемая) скорость движения АТС (при пустой дороге). Эти данные можно взять из того же ОДМ 218.2.020-2012 — $\$inline\$\backslash rho\_\{max\}\; =\; 85\; авт./км,\; v\_\{max\}=60\; км/ч\$inline\$$

# Загрузка данных для Диаграммы уравнения потока
diagram1 = pd.read_csv('Диаграмма уравнения потока.csv', sep=';', header=None, names=['P', 'V'], decimal=',')
diagram1_func = interpolate.interp1d(diagram1['P'], diagram1['V'], kind='cubic')
diagram1_xnew = np.arange(diagram1['P'].min(), diagram1['P'].max())

# Загрузка данных для Фундаментальной диаграммы
diagram2 = pd.read_csv('Фундаментальная диаграмма.csv', sep=';', header=None, names=['P', 'Q'], decimal=',')
diagram2_func = interpolate.interp1d(diagram2['P'], diagram2['Q'], kind='cubic')
diagram2_xnew = np.arange(diagram2['P'].min(), diagram2['P'].max())

def density_Tanaka(V):
    # Функция плотности для модели Танака

    V = V * 1000 / 60 / 60 # переводим км/ч в м/с
    L = 5.7 # м
    c1 = 0.504 # с
    c2 = 0.0285 #с**2/м

    return 1000 / (L + c1 * V + c2 * V**2) # авт./км

def density_Grindshilds(V):
    # Функция плотности для модели Гриндшилдса 

    pmax = 85 # авт./км
    vmax = 60 # км/ч

    return pmax * (1 - V / vmax) # авт./км

# Построение графиков
V = np.arange(1, 80) # км/ч
V1 = np.arange(1, 61) # км/ч

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(16, 8))

ax1.plot(density_Tanaka(V), V, label="Модель Танака")
ax1.plot(density_Grindshilds(V1), V1, label="Модель Гриндшилдса")
ax1.plot(diagram1_xnew, diagram1_func(diagram1_xnew), label="Экспер. данные ТТК")
ax1.set_xlabel(r'Плотность $\rho$, авт/км')
ax1.set_ylabel(r'Скорость $V$, км/ч')
ax1.legend()

ax2.plot(density_Tanaka(V), density_Tanaka(V) * V, label="Модель Танака")
ax2.plot(density_Grindshilds(V1), density_Grindshilds(V1) * V1, label="Модель Гриндшилдса")
ax2.plot(diagram2_xnew, diagram2_func(diagram2_xnew), label="Экспер. данные ТТК")
ax2.set_xlabel(r'Плотность $\rho$, авт/км')
ax2.set_ylabel(r'Интенсивность $Q$, авт/ч')
ax2.legend()

plt.show()

Модель Гриндшилдса с исходными данными для переезда существенно занижает интенсивность по сравнению с экспериментальными данными для обычной дороги. Давайте сравним эту модель с реальностью.

3. Сбор и анализ данных

3.1 Ручной подсчет интенсивности движения

Я не стал усложнять и применять нейронные сети для распознавания машин, а просто написал кейлогер с сохранением времени и нажатой клавиши. Чтобы после каждого нажатия не вводить Enter, код немного усложнился:

%%writefile "key-logger.py"
import pandas as pd
import time
import datetime

class _GetchUnix:
    # from https://code.activestate.com/recipes/134892/
    def __init__(self):
        import tty, sys

    def __call__(self):
        import sys, tty, termios
        fd = sys.stdin.fileno()
        old_settings = termios.tcgetattr(fd)
        try:
            tty.setraw(sys.stdin.fileno())
            ch = sys.stdin.read(1)
        finally:
            termios.tcsetattr(fd, termios.TCSADRAIN, old_settings)
        return ch

def logging():
    path = 'logs/keylog/'
    filename = f"{time.strftime('%Y-%m-%d %H-%M-%S')}.csv"
    path_to_file = path + filename
    db = []
    getch = _GetchUnix()
    print('Процесс...')
    while True:
        key = getch()
        if key == 'c':
            break
        else:
            db.append((datetime.datetime.now(), key))
    df = pd.DataFrame(db, columns=['time', 'click'])
    print(df)
    df.to_csv(path_to_file, index=False)
    print(f"\nSaved to {filename}")

if __name__ == "__main__":
    logging()

Пришлось посидеть возле переезда 20 минут и внимательно смотреть за потоком. Я записал 2 периода сразу после проезда поезда, т. е. при загрузке переезда на 100%:

files = glob.glob('logs/keylog/*.csv')
keylogger_data = []
print(f'Количество файлов - {len(files)} шт.')
for filename in files:
    df = pd.read_csv(filename, parse_dates=['time'])
    keylogger_data.append(df)
keylogger_data = pd.concat(keylogger_data, ignore_index=True)
keylogger_data.head()

Клавиша "a" — машина проехала через переезд из города, клавиша 'd' — в город.
Сагрегируем данные по минутам и направлению:

keylogger_data['time'] = keylogger_data['time'].astype('datetime64[m]')
keylogger_per_min = keylogger_data.groupby(['click', 'time'], as_index=False).size().reset_index().rename(columns={0:'size'})
keylogger_per_min.head()

sns.catplot(x='click', y='size', kind="box", data=keylogger_per_min);

print(f"Средняя пропускная способность: {keylogger_per_min['size'].mean():.1f} авт./мин \
или {keylogger_per_min['size'].mean() * 60:.1f} авт./ч")

Средняя пропускная способность: 11.7 авт./мин или 700.0 авт./ч
Экспериментальная интенсивность почти соответствуют расчетной с неудовлетворительным состоянием переезда.
Вспомним нашу модель Гриндшилдса — интенсивности в 700 авт./ч соответствует скорость около 10 км/ч (о 50 км/ч речи не идет) — по ощущения при переезде это так и есть.

plt.plot(V1, density_Grindshilds(V1)*V1, label="Модель Гриндшилдса")
plt.xlabel(r'Скорость $V$, км/ч')
plt.ylabel(r'Интенсивность $Q$, авт/ч')
plt.show()

3.2 Измерение средней скорости на переезде

Для измерения скорости я использовал приложение для Android GPSLogger с сохранением трекинга в csv файлы. В процессе написания статьи возникла идея посмотреть на данные акселерометра (линейного ускорения) с привязкой данных GPS — с этим отлично справилось приложение Physics Toolbox Suite.

За всё время у меня набралось около 50 проходов переезда. Данные записывались и при нулевом трафике и в пробках — я старался проезжать переезд со скоростью потока.

Загрузим все данные, при этом сразу добавим информацию о направлении движения — это понадобится в дальнейшем для графиков.

Данные приложения GPSLogger

Приложение GPSLogger сохраняет много информации, но нам потребуется только:

• time — дата и время;
• lat и lon — широта и долгота, град;
• speed — скорость, $\$inline\$м/с^2\$inline\$$;
• direction — направление, в город или из города.

files = glob.glob('logs/gps/*.csv')
gpslogger_data = []
print(f'Количество файлов с данными GPS - {len(files)} шт.')
for filename in files:
    df = pd.read_csv(filename, parse_dates=['time'], index_col='time')
    if df.iloc[10, 1] < df.iloc[-1, 1]:
        df['direction'] = 0 # в город
    else:
        df['direction'] = 1 # из города
    gpslogger_data.append(df)
gpslogger_data = pd.concat(gpslogger_data)
gpslogger_data.head()

gps_1 = gpslogger_data[['lat', 'lon', 'speed', 'direction']]

Количество файлов с данными GPS — 37 шт.

Данные приложения Physics Toolbox Suite:

files = glob.glob('logs/gps_accel/*.csv')
print(f'Количество файлов с данными акселерометра - {len(files)} шт.')
pts_data = []

for filename in files:
    df = pd.read_csv(filename, sep=';',decimal=',')
    df['time'] = filename[-22:-12] + '-' + df['time']
    if df.iloc[10, 5] < df.iloc[-1, 5]:
        df['direction'] = 0 # в город
    else:
        df['direction'] = 1 # из города
    pts_data.append(df)
pts_data = pd.concat(pts_data)
pts_data.head()

Количество файлов с данными акселерометра — 14 шт.

Данные содержат некорректные записи с нулевой широтой, долготой — почистим:

pts_data = pts_data.query('Latitude != 0.')

Приложение Physics Toolbox Suite записывает данные с максимальной частотой для акселерометра 400 Гц, но датчик GPS работает с частотой 1 Гц, поэтому разделим данные по датчикам:

pts_data['time'] = pd.to_datetime(pts_data['time'], format='%Y-%m-%d-%H:%M:%S:%f')
pts_data = pts_data.rename(columns={'Latitude':'lat', 'Longitude':'lon', 'Speed (m/s)':'speed'})

Данные акселерометра:

accel_data = pts_data[['time', 'lat', 'lon', 'ax', 'ay', 'az', 'direction']].copy()
accel_data = accel_data.set_index('time')
accel_data['direction'] = accel_data['direction'].map({1.: 'Из города', 0.: 'В город'})
accel_data.head()

Данные GPS:

gps_2 = pts_data[['time', 'lat', 'lon', 'speed', 'direction']].copy()
gps_2 = gps_2.set_index('time')
gps_2 = gps_2.resample('S').mean()
gps_2 = gps_2.dropna(how='all')
gps_2.head()

Объединим все GPS данные:

gps_data = gps_1.append(gps_2, ignore_index=True)
gps_data['direction'] = gps_data['direction'].map({1.: 'Из города', 0.: 'В город'})
gps_data.head()

3.2.1 Визуализация на карте

Визуализируем данные на карте с помощью библиотеки Plotly:

fig = px.scatter_mapbox(gps_data, lat="lat", lon="lon", color='direction', zoom=17, height=600)
fig.update_layout(mapbox_accesstoken=mapbox_token, mapbox_style='streets')
fig.show()

3.2.2 Визуализация профиля переезда

Чтобы построить график продольного сечения переезда нужно выполнить два преобразования:

1. Перевести координаты GPS, а это обычно система координат WGS 84 в плоскую проекцию.
2. Спроецировать данные на профиль дороги.

В сервисах онлайн карт обычно используется проекция Web Mercator, которая имеет один недостаток — это сильное искажение расстояний, именно поэтому Гренландия на картах выглядит больше Африки, хотя на самом деле меньше в несколько раз.

Для геодезических и картографических работ применяются проекции, основанные на поперечной проекции Меркатора. В России и многих других странах применяется проекция Гаусса — Крюгера, в США — универсальная поперечная проекция Меркатора (UTM).

Проекция Web-Mercator

Проекция UTM

Для преобразования в UTM для Python есть простое решение https://github.com/Turbo87/utm, его и будем использовать.

gps_data['xs'] = gps_data[['lat', 'lon']].apply(lambda x: utm.from_latlon(x[0], x[1])[0], axis=1)
gps_data['ys'] = gps_data[['lat', 'lon']].apply(lambda x: utm.from_latlon(x[0], x[1])[1], axis=1)
gps_data['speed_kmh'] = gps_data.speed / 1000 * 60 * 60

Оставим данные только вокруг переезда в радиусе 50 метров:

# Координаты переезда
lat0 = 56.35205
lon0 = 37.51792
xc, yc, _, _ = utm.from_latlon(lat0, lon0)

r = 50
gps_data = gps_data.query(f'{xc - r} < xs & xs < {xc + r}')\
                   .query(f'{yc - r} < ys & ys < {yc + r}')

fig = px.scatter_mapbox(gps_data, lat="lat", lon="lon", color='direction', zoom=17, height=600)
fig.update_layout(mapbox_accesstoken=mapbox_token, mapbox_style='streets')
fig.show()

Теперь спроецируем точки на ось дороги. Это по сути задача понижения размерности с 2d в 1d, которая решается методом главных компонент (PCA).

Мы можем поступить 2 способами — вручную вычислить матрицу поворота и взять одну компоненту или довериться реализации scikit-learn. Для простоты выберем Sklearn:

pca = PCA(n_components=1).fit(gps_data[['xs', 'ys']])
gps_data['xs_transform'] = pca.transform(gps_data[['xs', 'ys']])

sns.relplot(x='xs_transform', y='speed_kmh', data=gps_data, aspect=2.5, hue='direction');

В большинстве случаев после переезда скорость возрастает. По графику можно выделить границы переезда — это примерно интервал [-5, 25]. Для уточнения посмотрим на данные с акселерометра.

accel_data['xs'] = accel_data[['lat', 'lon']].apply(lambda x: utm.from_latlon(x[0], x[1])[0], axis=1)
accel_data['ys'] = accel_data[['lat', 'lon']].apply(lambda x: utm.from_latlon(x[0], x[1])[1], axis=1)
accel_data = accel_data.query(f'{xc - r} < xs & xs < {xc + r}')\
                       .query(f'{yc - r} < ys & ys < {yc + r}')
accel_data['xs_transform'] = pca.transform(accel_data[['xs', 'ys']])

Оси акселерометра в Android располагаются следующим образом:

При записи данных телефон всегда лежал по ходу движения (ось Y). Посмотрим на графики отдельно по осям:

sns.relplot(x='xs_transform', y='ax', data=accel_data, aspect=2.5, hue='direction');

sns.relplot(x='xs_transform', y='ay', data=accel_data, aspect=2.5, hue='direction');

sns.relplot(x='xs_transform', y='az', data=accel_data, aspect=2.5, hue='direction');

Увеличим масштаб по оси Z:

sns.relplot(x='xs_transform', y='az', data=accel_data.query('-20 < xs_transform < 40'), aspect=2.5, hue='direction');

По осям X и Z четко определяются границы переезда — интервал [-10, 25] с центром в точке 7.5.

cross = gps_data.query('-10 < xs_transform < 25')

fig = px.scatter_mapbox(cross, lat="lat", lon="lon", color='direction', zoom=19, height=600)
fig.update_layout(mapbox_accesstoken=mapbox_token, mapbox_style='streets')
fig.show()

Теперь посмотрим как распределена скорость на переезде:

mean_v = cross.speed_kmh.mean()
print(f"Средняя скорость на переезде - {mean_v:.2} км/ч")
sns.distplot(cross.speed_kmh);

Средняя скорость на переезде — 9.4 км/ч

Округлим координаты до метра и построим еще немного красивых графиков:

base = 1
gps_data['xs_transform_round'] = gps_data['xs_transform'].apply(lambda x: base * round(x / base))
accel_data['xs_transform_round'] = accel_data['xs_transform'].apply(lambda x: base * round(x / base))

sns.relplot(x='xs_transform_round', y='speed_kmh', data=gps_data, kind="line", aspect=2.5);

sns.relplot(x='xs_transform_round', y='az', data=accel_data, kind="line", aspect=2.5);

3.3 Оценка плотности

Для расчета пропускной способности используем две модели для плотности:

gps_data['flow_Tanaka'] = density_Tanaka(gps_data.speed_kmh) * gps_data.speed_kmh
gps_data['flow_Grindshilds'] = density_Grindshilds(gps_data.speed_kmh) * gps_data.speed_kmh

sns.relplot(x='xs_transform_round', y='flow_Grindshilds', data=gps_data, aspect=2.5, kind='line', hue='direction');

cross = gps_data.query('-10 < xs_transform < 25')

mean_flow_Tanaka = cross.flow_Tanaka.mean()
print(f"Средняя пропускная способность по модели Танака - {mean_flow_Tanaka:.1f} авт/ч \
или {mean_flow_Tanaka / 60:.1f} авт/мин")

Средняя пропускная способность по модели Танака — 1275.5 авт/ч или 21.3 авт/мин

mean_flow_Grindshilds = cross.flow_Grindshilds.mean()
print(f"Средняя пропускная способность по модели Гриндшилдса - {mean_flow_Grindshilds:.1f} авт/ч \
или {mean_flow_Grindshilds / 60:.1f} авт/мин")

Средняя пропускная способность по модели Гриндшилдса — 660.0 авт/ч или 11.0 авт/мин
Как видно, наша оценка по модели Гриндшилдса наиболее близка данным эксперимента в 700 авт./ч.

plt.plot(V1, density_Grindshilds(V1)*V1, label="Модель Гриндшилдса")
plt.xlabel(r'Скорость $V$, км/ч')
plt.ylabel(r'Интенсивность $Q$, авт/ч')
plt.show()

Исходя из этой модели, если мы каким-то образом увеличим скорость на переезде всего до 30 км/ч — пропускная способность увеличится почти в два раза.

Примерно тоже самое мы получим при расчете по формуле, введя коэффициент для хорошей ровности дороги:

$\$\$display\$\$P\_\{ж.п.\}=1500\; \backslash cdot\; 0.93\; \backslash cdot\; 0.98\; \backslash cdot\; 0.8\; \backslash cdot\; 1\; \backslash cdot\; 1\; =\; 1093.7\; авт./ч\; =\; 18.3\; авт./мин\$\$display\$\$$

Также проблему железнодорожных переездов с предложениями хорошо осветил автор статьи "Как надо решать проблему ж/д переездов".

4. Итоги

Исходя из нашего анализа можно утверждать, что железнодорожный переезд находится в неудовлетворительном состоянии и скорость потока составляется примерно 10 км/ч, что при полной загрузке дороги вызывает затруднение движения и пробки.

Пропускную способность переезда можно существенно повысить при приведение переезда в удовлетворительное состояние.