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Type: Tese
Title: Navegação descentralizada de múltiplos pacotes em redes de transporte e estudo sobre a influência da velocidade máxima permitida nas vias de uma cidade com desordem
Authors: Silva, Samuel Morais da
Advisor: Araújo, Ascânio Dias
Keywords: Redes de Kleinberg;Mundo pequeno;Tráfego de informação;Trânsito das cidades;Transição de fase;Congestionamento;SPQM
Issue Date: 2020
Citation: Silva, S. M. Navegação descentralizada de múltiplos pacotes em redes de transporte e estudo sobre a influência da velocidade máxima permitida nas vias de uma cidade com desordem. 136f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Abstract in Brazilian Portuguese: Investigamos, por simulação numérica e análise de tamanho finito, o impacto de conexões de longo alcance em uma rede de transporte espacialmente incorporada. Nossas redes são construídas a partir de redes regulares quadradas (d =2) que são melhoradas através da adição de ligações de longo alcance estabelecidas com probabilidade P(ri j) r􀀀ai j [J. M. Kleinberg, Nature 406, 845 (2000)]. Considerando essas redes aprimoradas, realizamos simulações numéricas da navegação de vários pacotes discretos e encontramos um limite para a quantidade de pacotes que fluem pela rede. Tais limites são caracterizados por uma probabilidade crítica de criação de pacotes pc, onde acima deste valor ocorre a transição para o estado congestionado. Além disso, pc segue uma lei de potência, pc L􀀀g , onde L é o tamanho da rede. Nossos resultados indicam a existência de um valor ótimo de amin 1:7, onde o parâmetro g alcança o seu valor mínimo e as redes são mais resilientes ao congestionamento para sistemas de tamanhos maiores. Curiosamente, este valor está próximo do valor analiticamente encontrado de a para a navegação ótima de pacotes únicos em redes espacialmente incorporadas, onde aopt = d. Também constatamos que o espectro de potência para o número de pacotes navegando na rede, para um dado passo de tempo t, que está relacionado com a divergência do tempo esperado de entrega, segue uma função Lorentziana universal, independentemente dos detalhes topológicos das redes. O funcionamento inadequado do sistema de transporte de veículos em uma cidade causa danos tanto do ponto de vista econômico, ambiental e de saúde pública para a população. Esse fenômeno normalmente acontece devido à presença de uma demanda elevada quanto ao volume de tráfego em relação à capacidade das vias de comportar tal demanda em algumas regiões específicas da cidade. Neste trabalho, propomos um estudo sistemático acerca de um modelo que apresenta uma dinâmica de tráfego com restrições espacial e temporal. O modelo inclui uma implementação de fila nas ruas de uma cidade, e, a partir desta implementação, procuramos entender em que condições o sistema se torna vulnerável à presença de congestionamentos. Inicialmente propomos uma descrição idealizada para as cidades, onde estas são representadas por meio de uma rede bidimensional composta por vias conectadas entre si. Em uma primeira abordagem, consideramos as vias com volume limitado, e nestas aplicamos o modelo discreto e espacial de filas (SPQM). Com base neste modelo, investigamos a ocorrência de uma transição de fase entre um estado livre de completa fluidez para os veículos e um estado congestionado onde carros não conseguem chegar aos seus destinos. A transição de fase foi caracterizada em função do parâmetro t, que está associada à velocidade máxima de trânsito dos carros nas vias. A partir deste estudo, observamos que a relação entre velocidade máxima nas vias e a existência de congestionamentos não acontece de forma trivial. Esse comportamento é observado na condição de uma demanda fixa de carros na rede com origem e destino estabelecidos de forma aleatória. Para esta condição, encontramos um regime onde um número maior de carros consegue chegar aos seus destinos se reduzimos a velocidade máxima nas vias. Em seguida, aplicamos o mesmo modelo na rede de vias de alguns centros urbanos, tais como Fortaleza, Boston e Porto. Para estes centros, concluímos que o modelo pode ser eficiente em prever a existência de limites de velocidade que melhoram o trânsito em cidades reais. Investigamos também o comportamento do sistema ao modificar o tempo de espera t através das distribuições gaussiana e em lei de potência, com e sem concorrência de ruas.
Abstract: We investigate by numerical simulation and finite-size analysis the impact of long-range shortcuts on a spatially embedded transportation network. Our networks are built from two-dimensional (d = 2) square lattices to be improved by the addition of long-range shortcuts added with probability P(ri j) _ r􀀀ai j [J. M. Kleinberg, Nature 406, 845 (2000)]. Considering those improved networks, we performed numerical simulation of multiple discrete package navigation and found a limit for the amount of packages flowing through the network. Such limit is characterized by a critical probability of creating packages pc, where above this value a transition to a congested state occurs. Moreover, pc is found to follow a power-law, pc _ L􀀀g , where L is the network size. Our results indicate the presence of an optimal value of amin _ 1:7, where the parameter g reaches its minimum value and the networks are more resilient to congestion for larger system sizes. Interestingly, this value is close to the analytically found value of a for the optimal navigation of single packages in spatially embedded networks, where aopt = d. Finally, we show that the power spectrum for the number of packages navigating the network at a given time step t, which is related with the divergence of the expected delivery time, follows a universal Lorentzian function, regardless the topological details of the networks. The inadequate functioning of the vehicle transport system in a city causes damage from the economic, environmental and public health point of view to the population. This phenomenon usually happens due to the presence of a high demand as to the volume of traffic in relation to the capacity of the ways of behaving such demand in some specific regions of the city. In this work, we propose a systematic study about a model that presents traffic dynamics with spatial and temporal constraints. The model includes a queuing implementation on the streets of a city, and from this implementation, we try to understand under what conditions the system becomes vulnerable to the presence of congestion. Initially we propose an idealized description for the cities, where these are represented by means of a two-dimensional network composed by roads connected to each other. In a first approach we consider the limited volume routes, and in these we apply the Spatial Point Queue Model (SPQM). Based on this model, we investigated the occurrence of a phase transition between a free state of complete fluidity for the vehicles and a congested state where cars can not reach their destinations. The phase transition was characterized as a function of the parameter t, which is associated to the maximum traffic speed of the cars in the tracks. From this study we observed that the relationship between, maximum speed in the roads and the existence of congestion does not happen in a trivial way. This behavior is observed in the condition of a fixed demand of cars in the network with origin and destiny established of random form. For this condition, we find a regime where a greater number of cars can reach their destinations if we reduce the maximum speed on the roads. We then apply the same model to the road network of some urban centers, such as Fortaleza, Boston and Porto. For these centers, we conclude that the model can be efficient in predicting the existence of speed limits that improve traffic in real cities. We also investigated the behavior of the system When modifying the waiting time t through the Gaussian and power law distributions, with or without competition of way.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/57479
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