Изменение климата и воздействие на окружающую среду – это актуальные темы в Германии. В 2019 году Европейский парламент издал директиву, согласно которой к 2025 году 45% пассажирских автобусов должны иметь низкий или нулевой уровень выбросов. Ожидается, что в течение следующих 5-10 лет доля экологичного транспорта продолжит расти.
В связи с этим немецкая компания SimPlan, предоставляющая услуги по моделированию и оптимизации, приняла участие в проекте совместно с городом Ханау и Франкфуртским университетом прикладных наук. Цель проекта ― смоделировать работу муниципального электротранспорта и на основе этого разработать цифровой двойник.
Проблема: моделирование работы муниципального электротранспорта
В этом проекте разработчики компании SimPlan моделировали работу двух типов транспортных средств (ТС): городских автобусов (HSB - Hanauer Straßenbahn) и мусоровозов (HIS - Hanau Infrastruktur Service). В ходе моделирования работы этих ТС необходимо было выявить:
- оптимальное соотношение разных типов электротранспорта: работающих на свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (аккумуляторных ТС) и работающих на водороде (ТС на топливных элементах);
- оптимальную конфигурацию зарядной инфраструктуры и необходимый для нее объем электроэнергии;
- зависимость работы системы от расписания движения и маршрутов транспорта.
Кроме того, разработчики компании SimPlan столкнулись с двумя проблемами, которые они также должны были учесть при моделировании работы электротранспорта.
В отличие от транспортных средств, работающих на дизельном топливе, у электротранспорта ограничена дальность передвижения. Например, обычный автобус может проехать без дозаправки 500 км, в то время как автобус на альтернативном топливе – лишь 300-350 км.
Первая проблема заключалась в том, что это расстояние было меньше, чем протяженность маршрута обычного общественного транспорта. В связи с этим нужно было корректировать расписания и маршруты новых типов автобусов и мусоровозов, чтобы учесть их возможности и особенности.
Во-вторых, скорость зарядки электротранспорта нелинейна. Она зависит от того, сколько заряда осталось в транспортном средстве, объема электроэнергии на зарядных станциях и количества одновременно заряжаемых ТС.
Решение
Для создания имитационной модели операций парка электротранспорта специалистам SimPlan сначала необходимо было собрать данные о транспортных средствах (их типе, дальности передвижений, потребления электроэнергии), расписании их движения, местоположении автобусных остановок и контейнеров для мусора, затратах и т.д. Данные в модель AnyLogic импортировались из Excel-таблиц.
Разработчики модели использовали агентный метод для построения двух моделей AnyLogic, отражающих движение электротранспорта. В этих моделях в качестве агентов выступали транспортные средства, объекты транспортной инфраструктуры и зарядные станции. Специалисты компании SimPlan описали процесс зарядки диаграммами состояний и разработали эвристические алгоритмы на Java для отображения местоположения, планирования расписания, построения маршрутов без разворотов и распределения задач.
При работе над моделью инженеры SimPlan обнаружили еще четыре ограничения для построения маршрутов, которые необходимо было учесть, чтобы точно отразить поведение системы:
- Направление движения на дорогах (одностороннее или двустороннее).
- Сторона, по которой грузовик должен собирать мусор (левая или правая сторона улицы).
- Необходимость избегать разворотов. Большегрузным транспортным средствам следует избегать их, чтобы не блокировать движение.
- Труднодоступные мусорные контейнеры. Инженеры SimPlan разработали алгоритмы для определения наиболее доступных для грузовиков маршрутов к таким контейнерам.
Специалисты SimPlan также разработали оригинальный пользовательский интерфейс для моделей парка электротранспорта, чтобы пользователи могли легко настраивать их под себя и тестировать разные сценарии.
Моделирование работы парка электроавтобусов
Одной из моделей, которую разработчики SimPlan создали для этого проекта, была модель функционирования электробусов. В окне настроек пользователь может выбрать типы транспортного средства (на дизеле, аккумуляторных батареях и топливных элементах) и количество транспортных средств каждого типа в парке, а также установить количество зарядных станций в депо и их максимальную мощность. Пользователь также может выбрать опцию учета влияния температуры на энергопотребление транспортных средств.
На карте модели пользователь видит автобусы разных типов, движущиеся по улицам Ханау, уровень их заряда, тип питания, остановки и зарядные станции для электротранспорта (депо).
Моделирование работы парка электроавтобусов
Вторая модель, созданная специалистами SimPlan, отражала операции по сбору мусора электрогрузовиками. Поскольку настройки были схожи с настройками предыдущей модели, мы будем подробно описывать лишь различия в отображении агентов на карте.
Модель показывает не только мусоровозы, движущиеся по улицам Ханау, их уровень заряда, тип питания и зарядные станции (депо), но и контейнеры для разных типов мусора. Пользователь также может выбрать предпочитаемые дни недели и частоту сбора мусора и наблюдать за изменениями в расписании движения грузовых электротранспорта. Если грузовик полностью загружен, он едет к месту утилизации мусора, выгружает собранный мусор и продолжает поездку.
Статистика
При запуске модели средства визуализации AnyLogic позволяют получить представление о динамике процессов и отслеживать ключевые показатели эффективности, показывая уровень заряда, продолжительность и километраж поездки, а также задачи для каждого транспортного средства.
После запуска моделей разработчики экспортировали результаты прогона во внешнюю базу данных, оценивали полученную информацию и сравнивали результаты сценариев.
Результаты моделирования
В рамках описанного проекта специалисты компании SimPlan разработали модели функционирования городского парка электротранспорта. В моделях рассматривались и выступали агентами два типа транспортных средств: автобусы и мусоровозы (как обычные аккумуляторные электромобили, так и работающие на топливных элементах). Чтобы точно описать поведение систем, инженеры использовали диаграммы состояний AnyLogic и Java для разработки эвристических алгоритмов.
Компания использовала имитационное моделирование, поскольку оно может точно спрогнозировать работу большого парка электротранспорта и помочь оценить её эффективность.
После прогона различных сценариев и обработки результатов, специалисты SimPlan проанализировали отчет о необходимом количестве транспортных средств каждого типа. Выяснилось, что в течение всего года, особенно холодного времени года, требуется больше ТС с нулевым и низким уровнем выбросов по сравнению с более теплыми месяцами.
Кроме того, разработчики получили представление о потенциальных потребностях в электроэнергии для инфраструктуры зарядных станций. Полученная статистика помогла спрогнозировать, как на работу автопарка повлияют ограничения в количестве зарядных станций или электроэнергии в целом. Кроме того, специалисты смогли увидеть, как это скажется на расписании движения электротранспорта.
В будущем SimPlan планирует изучить возможность подзарядки электротранспорта в рабочее время днем (вместо нахождения на зарядной станции в депо в течение ночи). Также специалистов интересует, можно ли с помощью таких транспортных средств удовлетворить потребительский спрос не только на регулярные рейсы общественного транспорта, но и на автобусные туры без фиксированного расписания. Для повседневных операций компания планирует разработать цифрового двойника на основе уже созданной в рамках проекта имитационной модели.
Проект был представлен доктором Надья Галаске из компании SimPlan на конференции AnyLogic – Моделирование работы муниципального электротранспорта.
