4.4 Автоматизированные системы управления дорожным движением

4.4.1 Классификация и назначение

Управление движением в условиях предельного насыщения дорог транспортными и пешеходными потоками требует все более совершенных методов регулирования движения. В последнее время все большую актуальность приобретает применение автоматизированных систем управления дорожным движением (АСУДД), представляющих собой комплекс технических средств, реализующий определенные технологические алгоритмы управления транспортными потоками.

Основная цель введения АСУДД заключается в снижении суммарных задержек транспортных средств на пересечениях в зоне действия этой системы - на перекрестке, в районе или городе. Общие требования к АСУДД определены ГОСТ 24.501 - 82 «Автоматизированные системы управления дорожным движением. Общие требования».

Классификация АСУДД с разделением по методам управления приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.22 – Классификация автоматизированной системы управления дорожным движением (АСУДД)

Л окальной является АСУДД, если для определения параметров регулирования на перекрестке используется только информация о транспортных потоках на подходах к этому перекрестку и в зоне перекрестка. С помощью локальных алгоритмов определяют цикл регулирования, последовательность фаз регулирования, их длительности или моменты переключения фаз, параметры промежуточных тактов.

Особенностью сетевых АСУДД является их использование для определения параметров регулирования информации о транспортной ситуации на нескольких перекрестках, обычно связанных в единую сеть, характеризующуюся значительной интенсивностью движения транспортных средств между соседними перекрестками и небольшими (до 600...700 м) расстояниями между ними.

Как правило, на сетевом уровне определяются циклы регулирования для группы перекрестков и временные сдвиги для отдельных светофорных объектов. Для определения этих параметров помимо данных, необходимых для локального управления, используется информация о топологии сети, взаимосвязях транспортных потоков на соседних стоп-линиях и (или) геометрических направлениях проезда через перекрестки, временах проезда между соседними стоп-линиями.

По временному критерию все алгоритмы светофорного регулирования подразделяют на алгоритмы, реализующие управление дорожным движением по прогнозу (программные, жесткие), и алгоритмы, действующие в реальном времени (адаптивные).

Управление по прогнозу не исключает достаточно частого (до 3 − 5 раз в суточном цикле) изменения параметров регулирования, однако эти параметры определяются не исходя из текущей транспортной ситуации, а ее прогнозированием, основанным на выполненных ранее наблюдениях.

Промежуточное положение между адаптивными и неадаптивными алгоритмами занимают алгоритмы, основанные на ситуационном управлении. Алгоритмы этой группы предполагают предварительный расчет параметров регулирования для различных классов транспортных ситуаций и создание библиотеки типовых режимов регулирования. Выбор конкретного режима из библиотеки производится в реальном времени на основании текущей информации о транспортной ситуации и отнесении ее к одному из классов транспортных ситуаций.

Таким образом, методы автоматизированного управления транспортными потоками в АСУДД можно отнести к одному из четырех классов, как это показано на рисунке 4.4 (для каждого класса указаны наиболее распространенные алгоритмы управления).

В настоящее время в России наиболее распространенным является метод локального жесткого однопрограммного управления светофорной сигнализацией.

Данный метод основан на предварительном расчете длительности цикла регулирования и фаз регулирования.

Рисунок 4.23 – Методы автоматизированного управления транспортными потоками в АСУДД

В качестве исходных данных для расчета используется информация о интенсивности и составе транспортного потока по направлениям проезда через перекресток, о числе полос движения на подходах к перекрестку и их специализации, а также данные о схеме пофазного регулирования и структуре промежуточных тактов.

При расчете должны учитываться технологические ограничения, связанные с минимальной и максимальной длительностью фаз. Учет ограничений на минимальные длительности фаз позволяет обеспечить длительность горения разрешающего сигнала, достаточную для перехода пешеходами проезжей части или, например, проезда зоны перекрестка трамваями. Учет ограничений на максимальные длительности фаз позволяет избежать продолжительного горения запрещающего сигнала светофора, ведущего к нарушению правил дорожного движения и снижению безопасности движения.

При локальном жестком однопрограммном регулировании исходные данные, как правило, соответствуют периоду максимальной загрузки перекрестка, но не могут учитывать колебания транспортного потока и текущее изменение ситуации.

Кроме жесткого однопрограммного управления светофорным регулированием на перекрестке возможно применение режимов жесткого многопрограммного управления, при котором переключение программ осуществляется в соответствии со временем суток и днем недели.

Такой вариант стратегии управления близок к оптимальному, если характеристики транспортных потоков достаточно устойчивы, а уровень загрузки перекрестка не превышает 70 %. Мировой опыт показывает, что для эффективного управления необходимо использовать набор не менее чем из 5 − 7 программ, например:

• программа для утра буднего дня;

• программа для дневного периода буднего дня;

• программа для вечера с понедельника по четверг;

• программа для вечера пятницы;

• программа для вечера воскресенья;

• программа для периода низкой интенсивности транспортных потоков (ночной);

• программа для умеренной интенсивности (выходного дня).

Возможно также использование различных программ для летнего и зимнего периодов года и специальных программ, рассчитанных с учетом различных состояний дорожного покрытия (сухое, мокрое, гололед и т.д.).

Сетевое жесткое управление светофорной сигнализацией обеспечивает координацию работы светофорных объектов в пределах некоторого района. Все перекрестки района, на которых происходит перераспределение транспортных потоков, должны быть оборудованы светофорной сигнализацией, работающей с единым циклом регулирования.

Практически единственным методом расчета жестких сетевых планов координации является алгоритм TRAffic Network Study Tool (TRANSYT), разработанный Transport Research Laboratory (TRL) в начале 1970-х гг. и совершенствующийся по настоящее время.

В качестве критерия оптимальности плана координации используется взвешенная сумма задержек транспортных средств и числа остановленных автомобилей на всех стоп-линиях перекрестков сети. Весовые коэффициенты определяются пользователем и могут быть заданы дифференцированно для каждой стоп-линии. Метод позволяет учитывать в целевой функции и другие критерии: расход топлива, задержки пассажирского транспорта, объем эмиссии отработавших газов и т.п.

Локальные адаптивные алгоритмы управления позволяют управлять отдельным светофорным объектом в зависимости от реальной ситуации. Для этого могут использоваться следующие методы:

• метод поиска разрыва − предполагает контроль присутствия транспортных средств в сечениях, отстоящих от стоп-линий на расстоянии 30...50 м;

• метод разъезда очереди − требует определения длин очередей на направлениях проезда через перекресток. Определение длины очереди может осуществляться как непосредственно, так и расчетным методом, путем сравнения числа транспортных средств, прошедших через два контролируемых сечения − у стоп-линии и на некотором расстоянии от нее;

• метод расчетного определения длительностей цикла и фаз − основан на использовании в реальном времени данных об интенсивности транспортных потоков и интенсивности разгрузки очередей на направлениях проезда через перекресток. Расчет может выполняться 1 раз в цикл с использованием сглаженных данных, накопленных за несколько циклов, предшествующих расчету, или 1 раз в несколько циклов. Частота пересчета, как показывает мировой опыт, не должна превышать 15 мин;

• метод прогноза прибытий − предполагает наличие информации о моментах пересечения транспортными средствами сечений, расположенных на значительном (200...300 м) удалении от стоп-линий перекрестка. Эта информация позволяет прогнозировать моменты прибытия транспортных средств к стоп-линиям.

Реальные алгоритмы управления, как правило, используют комбинацию перечисленных методов. Примером такого алгоритма может служить алгоритм MOVA, разработанный в TRL и сочетающий два последних метода.

Сетевые адаптивные методы управления светофорным регулированием позволяют обеспечить его наибольшую эффективность, особенно в условиях высокой интенсивности движения, когда случайное изменение интенсивности может привести к лавинообразному росту очереди и блокированию целых участков дорожной сети.

Причиной всплеска интенсивности движения и роста уровня загрузки участка дорожной сети могут быть как случайное изменение параметров транспортных потоков, так и ДТП, блокирование полосы движения неисправным автомобилем и т. д.

Наиболее широко применяемым в мире алгоритмом сетевого адаптивного управления является SCOOT, разработанный TRL совместно с фирмами Plessey (в настоящее время права перешли к Siemens AG) и Peek Traffic. Алгоритм SCOOT используется более чем в 200 городах, а, например, в Лондоне зона управления SCOOT охватывает примерно 2000 регулируемых перекрестков.

Район управления в SCOOT разбивается на подрайоны. В пределах каждого подрайона обеспечивается сетевая координация работы светофорных объектов с единым циклом регулирования.

Система сбора информации о транспортных потоках предполагает наличие датчиков на каждой полосе движения непосредственно перед стоп-линией и на значительном расстоянии от нее, как правило, у выхода со смежного перекрестка. Алгоритм использует получаемую в реальном времени информацию об интенсивности транспортных потоков и времени проезда транспортных средств удаленных от стоп-линий сечений.

Процесс оптимизации параметров регулирования в SCOOT имеет трехуровневую структуру, каждый уровень которой соответствует оптимизации одного типа параметров.

На верхнем уровне для каждого подрайона выполняется оптимизация цикла регулирования, для оптимизированного цикла определяются базовые длительности фаз на каждом перекрестке. Оптимизация сдвигов выполняется 1 раз в цикл. В каждом цикле существует возможность изменения сдвига не более, чем на 4 сек.

На нижнем уровне − уровне перекрестка − происходит уточнение моментов переключения фаз и принимается решение об удлинении или укорочении фазы на величину, не превышающую 4 сек. Эта процедура выполняется перед каждым переключением фаз и основывается на краткосрочном прогнозе транспортной ситуации на перекрестке.

Критерием оптимальности при выборе управляющих параметров, как и в TRANSYT, является взвешенная сумма задержек и остановок транспортных средств.

Характерными особенностями SCOOT являются:

• использование большого числа детекторов транспортных средств;

• отсутствие скачкообразных изменений параметров регулирования;

• отсутствие долгосрочного (на цикл и более) прогноза транспортной ситуации.

Техническая реализация SCOOT предусматривает централизованное управление и не предъявляет высоких требований к локальным контроллерам. Применяемые в настоящее время модификации SCOOT обеспечивают приоритетный пропуск общественного транспорта.