Асу регулирования дорожного движения Основные принципы работы городской системы управления

При создании архитектуры управления транспортом в городе обычно следует осуществить подходящую декомпозицию задачи, заключающуюся в делении на меньшие участки с точки зрения положения конечных устройств или с точки зрения используемых технологий. Далее следует выбрать подсистемы, которые будут образовывать единое телематическое решение. Таким образом, для упрощенной структуры следует определить функциональные и информационные связи и выбрать удовлетворительную стратегию управления.

Иерархия городских систем управления

Существующее разделение городской системы управления транспортными потоками, которое исходит из классического подхода к транспортным устройствам управления, обычно характеризуется трехступенчатой иерархией, когда на самом низком уровне работает перекресток со светофорами. Обычно на данном уровне выбираются устройства управления транспортным потоком типа master, которые управляют или синхронизируют несколько подчиненных устройств управления типа slave. Типичным приложением является так называемая, «Зеленая волна», когда речь идет об устройствах управления транспортным потоком, включенных последовательно.

На втором уровне данные от/до устройств управления обычно концентрируются. В результате этого уменьшаются требования к каналам связи между вышестоящим центром и устройством управления транспортом. Скорее в качестве исключения и на данном уровне используется управление присоединенными светофорами. В таком случае концентратор данных заменен локальной транспортной центральной станцией.

На третьем, самом высоком уровне работает вышестоящий компьютер, который обрабатывает данные и посредством концентраторов ведет связь с устройствами управления. На данном уровне обычно используется и диспетчерский надзор, который контролирует работу автоматизированной системы управления и который посредством диспетчеров способен реагировать и на чрезвычайные события в транспортном потоке или на другие чрезвычайные требования.

Первый уровень

Первый уровень в иерархии городских систем образован отдельными транспортными узлами. В самом простом случае транспортным узлом является светофор на перекрестке так же, как и закрытая парковка, локальные предупреждающие устройства, ограничивающие скорость транспортного потока, система управления движением в тоннеле и т.п. Всегда речь идет об относительно закрытом узле, образованном транспортными детекторами и исполнительными элементами, которыми могут быть сигналы светофора или управляемые дорожные знаки и автоматизированная система управления. Локальная система управления с такой концепцией имеет определенные функциональные связи и информационное содержание по отношении к другим транспортным узлам или к вышестоящему центру.

Второй уровень

Транспортная система в городской агломерации образована транспортными узлами, которые создают относительно закрытые топологические комплексы, образованные всегда технологиями одинакового типа. Отдельные технологические комплексы могут также находиться в любом месте города. Топологическим комплексом являются, например, устройства управления транспортными потоками в определенном выделенном районе города, где между устройствами управления имеются взаимные связи. Наоборот, например, имеются системы управления движением в автотранспортных тоннелях или устройства управления стоянками типа Park and Ride, которые представляют одинаковые технологии, расположенные где угодно в пределах города.

Поэтому определение второго уровня, который представляет собой управление на уровне области, подразделяется на управление топологическими или технологическими узлами. Областью могут быть, например, светофорные объекты (топологическая область), где также расположена областная станция управления или несколько локальных парковок, расположенных в разных районах и соединенных беспроволочной связью с областным управляющим компьютером (технологическая область).

С точки зрения собственных процедур управления, на данном уровне в самом простом случае используется временное управление находящимися в области светофорных объектов, которое однако не реагирует на мгновенное состояние транспортного потока. Поэтому чаще используется транспортно-зависимое управление в современных телематических системах и методы адаптивного управления.

Создание, т.е. идентификация области, обычно связана с эвристическим подходом. Область выбирает транспортный эксперт на основании своих знаний, опыта или на основании анализа характеристик движения транспортных потоков. При создании области стремятся найти относительно закрытые комплексы с минимальной связью с окрестностями, причем каждая область должна быть однозначно характеризована.

Если имеются в распоряжении статистически значащие массивы транспортных данных за достаточно длинный период времени, то для более точной идентификации области можно использовать дедуктивный метод. Целью данного метода является создание математического аппарата для идентификации области. Более простым и обычно более быстро ведущим к цели является индуктивный метод, когда эксперт по конкретным данным находит искомую область. Следовательно, речь идет об экспериментальной идентификации.

Область в таком случае определяется с некоторой погрешностью, которая зависит от качества и достоверности полученных данных о движении транспортных потоков и от их обработки транспортным инженером. Хорошим методом для подтверждения того, что данный узел входит в область, является корреляционный анализ, обеспечивающий степень соответствия транспортных параметров узла модели транспортного потока в области.

С точки зрения управления, принципиальное значение имеет и конфигурация транспортных узлов. Относительно простым случаем является расположение узлов в линии, для которой можно относительно легко найти алгоритмы управления, так как оптимизация касается только распространения пачек транспортных средств в одном или в обоих направлениях. Более сложным является управление транспортными средствами с узлами, расположенными на площади, что является типичным для городской агломерации. В таком случае следует выбирать относительно сложные процедуры оптимизации типа метода TRANSYT, которые способны охватить многонаправленное движение транспортных средств в сети. Следовательно, топологическая область далее делится городской системы управления с точки зрения расположения узлов на:

• область с плоской конфигурацией,

• область с линейной (артериальной) конфигурацией.

Третий уровень

Транспортный комплекс является самой высокой степенью иерархии управления. Обычно он содержит несколько областей, Прага, например, с точки зрения светофорных объектов, разделена на десять областей. На третьем уровне интегрированы отдельные областные пункты управления (светофорными объектами, тоннелями, парковочными системами и т.п.). В настоящее время при проектировании системы управления комплексом необходимо ввести понятие интегрированной системы управления транспортными потоками (Integrated Traffic Management — ITM). Очень важным также является создание единой архитектуры и обеспечение взаимодействия всех систем. Для телематической управляющей системы характерно то, что любая информация может быть доступной в любое время и в любом месте сети.

На данном уровне используются и системы управления в случае наличия транспортных заторов или чрезвычайных ситуаций, а также следящие телевизионные системы. Обычно системы работают в автоматическом режиме с возможностью ручного вмешательства диспетчера. Значительную помощь при управлении в случае чрезвычайных ситуаций предоставляют экспертные системы, которые помогают решить или автоматически решают проблемы в чрезвычайных ситуациях.

Комплексом может быть не только сеть узлов и областей в городской агломерации, но и система управления автомагистралями на территории страны, например, система перевозки опасных грузов (RISC management) на международном уровне.

Телематические подсистемы городской системы управления движением транспортных потоков

Существует несколько способов категоризации телематических систем. Ниже дан обзор, который вытекает из стандарта ISO (ISO 1997), разработанного и изданного в рамках PIARC (Постоянная международная ассоциация дорожных конгрессов), который для телематической системы определяет 32 подсистемы. Каждая из этих подсистем способна работать независимо, но одновременно она может быть объединена с другой подсистемой. Отдельные подсистемы далее группируются в восемь групп. Одновременно термином «развитые» принято обозначать следующие группы управляющих систем:

• ATMS — развитые системы управления транспортными потоками (Advanced Traffic Management Systems);

• ATIS — развитые информационные системы (Advanced Traveler Information Systems);

• AVCS — развитые системы управления в транспортных средствах (Advanced Vehicle Control Systems);

• APTS — развитые системы городского пассажирского общественного транспорта (Advanced Public Transportation Systems);

• CVO — развитое управление коммерческими транспортными средствами (Comercial Vehicle Operations);

• EMC — развитое управление в чрезвычайных ситуациях (Emergency Management Control).

В таблице дан широкий перечень групп телематических услуг, выбор и комбинация которых всегда зависят от конкретной ситуации, которая должна решаться телематической системой.

Управление транспортными потоками (АТМС)	1.	Поддержка транспортной планировки города и транспортных связей
	2.	Управление транспортными потоками
	3.	Управление в чрезвычайных транспортных ситуациях
	4.	Управление по вызову/по требованиям
	5.	Контроль и надзор
	6.	Система управления инфраструктурой
Транспортная информация (ATIS)	7.	Информация перед поездкой
	8.	Информация во время движения
	9.	Информация во время движения для городского пассажирского общественного транспорта
	10.	Пассажирские информационные услуги
	11.	Направление по маршруту, направление
Системы транспортных средств (AVCS)	12.	Улучшение распознавания
	13.	Автоматизированные функции управления
	14.	Защита от столкновения в продольном направлении
	15.	Защита от столкновения сбоку
	16.	Меры безопасности
	17.	Распространение информации о столкновении
Коммерческие транспортные средства (CVO)	18.	Определение маршрута движения для коммерческих транспортных средств
	19.	Электронное управление для коммерческих транспортных средств
	20.	Автоматизированный контроль состояние дороги
	21.	Бортовая система мониторинга безопасности
	22.	Управление коммерческими транспортными средствами и управление грузами
Городской пассажирской общественный транспорт (APTS)	23.	Управление общественным транспортом
	24.	Управление транспортом по вызову/по требованию
	25.	Интермодальные перевозки
Управление в чрезвычайных ситуациях (EMS)	26.	Сигнализация опасной ситуации и личная безопасность
	27.	Управление транспортными средствами спасательных служб
	28.	Управление перевозкой опасных грузов
Электронная система оплаты (EFC)	29.	Электронные финансовые трансакции
Безопасность	30.	Безопасность в общественном транспорте
	31.	Безопасность инвалидов
	32.	Интеллектуальный перекресток

Системы управления транспортными потоками на городских сетях

Управление узлом (в зависимости от времени) хорошо разработано, так как оно используется уже с пятидесятых годов. Со второй половины восьмидесятых годов разрабатывается ряд динамических систем, которые рассчитывают параметры сигнального плана, продолжительность цикла или состав фаз в зависимости от изменяющихся реальных транспортных условий. Тем не менее, качество динамического управления определено качеством модели транспортного потока. Здесь существуют и ограничения, вызванные тем, что модель обычно не подготовлена для экстремальных изменений состояния транспортного потока. Сама проблематика динамического управления узлом или группой узлов не является простой, если учесть, что на простом перекрестке с пересечением может быть 12 направлений движения транспортных средств. /Для простой сети, образованной десятью узлами, речь идет уже о 120 направлениях. Выходом процесса регулирования должна быть минимизация задержки для 120 направлений, причем интенсивность движения изменяется во времени и в пространстве.

Для управления транспортной сетью в городе используются транспортные устройства управления, обычно оснащенные датчиками для мониторинга наличия

транспортных средств или пешеходов, причем исполнительными элементами являются сигнальные светофоры, которые предоставляют информацию водителю или пешеходам. Устройства управления могут работать изолированно без связи с другими устройствами управления или с центральной станцией, могут быть установлены в координированной линии или могут управляться центром управления. С точки зрения управления, различаются два основных состояния: управление транспортным узлом и управление транспортной сетью (областью), которые будут описаны ниже.

Основной принцип методов управления всегда основан на:

1. Модели транспортного потока, использовании данных за прошлые годы или существующих данных.

2. Алгоритме оптимизации заданных параметров, которыми являются длительность зеленого сигнала, длительность цикла, сдвиг (временной сдвиг между соседними светофорными объектами) и т.п.

Управление движением в транспортных узлах

Современное состояние управления транспортными потоками в большинстве городов можно вообще характеризовать так, что устройства управления (узлы) управляются по фиксированному графику или по состоянию транспортного потока. Существенная разница заключается в том, что для управления по графику времени не нужны детекторы и система неспособна реагировать на какие-либо изменения транспортного потока. В случае транспортно-зависимого управления перед стоп-линиями имеются детекторы, которые фиксируют моментальное присутствие транспортных средств, и устройство управления, таким образом, реагирует на мгновенные условия в узле, например, увеличением длительности зеленого сигнала. Следовательно, речь идет об управлении в секундной сетке времени.

Категории управления движением в транспортных узлах:

Временно-зависимое (автономное) управление - транспортные состояния определяются на основании статистического анализа исторических значений характеристик движения транспортных потоков (интенсивность движения) и на их основании определяются выходные значения процесса регулирования.

Транспортно-зависимое (режим текущего времени - онлайн) управление, в англосаксонской литературе называемое также Traffic Responsive, заключается в том, что вмешательство системы управления рассчитывается по мгновенной транспортной ситуации. Методы режима онлайн обеспечивают работу в реальном времени и на основании переменных входных данных о движении транспортных потоков каждую секунду изменяют и оптимизируют параметры управления, т. е. продолжительность зеленого сигнала в соответствующем направлении.

Устройства управления в данном режиме работают независимо или, в крайнем случае, расположены в линии и линейно координированы. Управление осуществляется на локальном уровне. Если используется центр управления, то потом часто осуществляется только мониторинг состояния устройств управления или мониторинг состояния транспортного потока.

Транспортный узел - управление в реальном времени

Управление светофорами в реальном времени является достаточно известным и стандартно используется под наименованием транспортно-зависимое управление или динамическое управление. Его принцип заключается в том, что транспортный узел оснащен обычно двумя видами датчиков: датчиками интервалов и вызова, которыми являются в большинстве случаев индуктивные петли. Транспортное устройство управления управляет по программе, которая непрерывно тестирует состояние транспортного потока над отдельными датчиками и на основании заранее заданных алгоритмов увеличивает длительность сигналов, модифицирует последовательность фаз или вкладывает фазу по вызову. Данные изменения обычно осуществляются в рамках заранее определенного времени цикла и заранее определенных максимальных значений длительности зеленых сигналов.

Датчик интервалов, расположенный приблизительно на 30-50 м перед стоп-линией, получил свое название в результате того, что он непрерывно измеряет интервалы времени между транспортными средствами и если они меньше данного значения (обычно 3-5 секунд), то он увеличивает продолжительность зеленых сигналов вплоть до заранее заданного максимума. Такой способ измерения называется «Управление измерением интервала времени». Кроме того, продолжительность зеленых сигналов может также увеличиваться на основании измерения состояния занятости датчика, которое по сути дела представляет собой относительное время, в течение которого над датчиком находится транспортное средство, и на основании этой величины, выражаемой в процентах, удлиняется или сокращается продолжительность зеленого сигнала [24].

Наоборот, датчик вызова расположен непосредственно перед стоп-линией или в более удаленных точках, где могут нерегулярно образовываться заторы. В обоих случаях в зависимости от алгоритмов управления вкладывается фаза, если идентифицируется занятость датчика транспортным средством.

Для полноты следует отметить и группировку нескольких устройств управления в линию и способ управления в системе, так называемой «зеленой волны». Методы расчета являются достаточно известными и исходят из расчета параметра координирования, которым является временной сдвиг. Последний на основании расстояния между перекрестками и в зависимости от скорости перемещения пачки транспортных средств определяет временную задержку (сдвиг) выдачи сигнала «проезд разрешен» на следующем перекрестке для пачки транспортных средств, выезжающих из предшествующего узла.

Новые методы управления транспортными потоками в узлах

Прогрессивные разработки управляющих процессов касаются и уровня узла, где кроме стандартного транспортно-зависимого управления начинают использоваться новые возможности управления. Последние исходят из параметров современных устройств управления, оснащенных 32-битовыми процессорами, которые существенно расширяют возможности программирования устройств управления. Часто и для управления транспортным узлом используется принцип искусственного интеллекта. При управлении узлом речь идет, в частности, о следующих методах:

TRENDS/TRELAN — транспортный инженер разрабатывает логику управления в форме блок-схем, которые непосредственно из графической среды типа CAD вводятся в устройство управления. В результате этого исключается этап программирования и, следовательно, возможные потенциальные ошибки программиста. Одновременно данное рабочее место дает возможность моделирования разрабатываемого решения, основанного на микроскопической модели движения транспортных потоков.

VS-Plus — для управления транспортным потоком на перекрестке всегда предусмотрены детектор (индуктивная петля) и исполнительный элемент (светофор), причем логика устройства управления каждую секунду оптимизирует режим работы светофорного объекта в зависимости от мгновенной ситуации тем, что сравнивает требования каждого из транспортных потоков, и на основании заранее подготовленных правил свободно включает транспортные потоки в отдельные фазы. Правила определяют также, например, и преимущества городского пассажирского общественного транспорта (ГПОТ). При образовании фаз соблюдаются все правила безопасности и таблица промежуточных интервалов времени.

Нечеткая логика — несколько экспериментов показало, что «мягкое» программирование превращает транспортное устройство управления в очень универсальное и гибкое средство управления, главным образом, изолированным узлом, где имеются большие возможности динамического изменения параметров. В случае узла, включенного в координированную трассу с более высокими ступенями нагрузки и с требованиями к преимуществу ГПОТ, возможности управления с помощью нечеткой логики довольно сильно ограничены.

Все реже используются сложные «классические» методы программирования, когда вся логика управления заранее подготовлена транспортным инженером на основании измерения интенсивности движения транспортных потоков, например, по методике RILSA, и программист данную логику затем включает в программу устройства управления. При новом подходе устройство управления само определяет динамику управления (VS-Plus, Fuzzy), включая последовательность включения отдельных сигнальных групп и способ предоставления преимущества ГПОТ.

Управление транспортными потоками на сети

Вторая возможность заключается в том, что отдельные узлы соединены с центром управления движением транспортных потоков, который на уровне района координирует и управляет работой узлов. Для управления областью используются следующие режимы:

Временно-зависимое (автономное) управление - информацию о характеристиках состояния транспортных потоков в районе получают путем статистического анализа данные о характеристиках движения транспортных потоков (интенсивности и состава движения) за прошлые годы, измеренных в главных точках транспортной сети, и на их основании определяется режим работы транспортных устройств управления. Затем они вводятся в устройства управления в зависимости от времени суток или дня года. При расчетах оптимизируется длительность зеленых сигналов, продолжительность цикла и временной сдвиг.

В качестве примера метода, основанного на автономном режиме, можно привести метод TRANSYT, когда фиктивные транспортные средства «выпускаются» в соответствии с заранее заданными правилами в область, и через данную область проходят на основании и в соответствии с моделью движения транспортного потока. На их движение оказывает влияние изменение управляемых параметров узла. С помощью числовых математических методов (градиентный метод) для разных параметров, как например, длительность цикла, длительность зеленых сигналов и временной сдвиг, находится минимум определенной целевой функции (оптимизация параметров).

Транспортно-зависимое (режим онлайн) управление характеризуется тем, что для различных состояний транспортных потоков на сети заранее рассчитываются системы сигнальных планов, которые хранятся в устройствах управления или в центре управления движением транспортных потоков. Следовательно, речь идет об управлении в режиме онлайн без оптимизации. Для расчета максимальных значений длительности зеленого сигнала, длительности цикла и временного сдвига, как правило, используется метод TRANSYT.

Одновременно в области выбраны стратегические датчики и составлены логические уравнения, описывающие разные комбинации состояний всех или выбранных датчиков. В зависимости от мгновенной транспортной ситуации посредством соответствующего уравнения выбирается программа, которая лучше всех соответствует данной ситуации. Примером может служить описание состояния транспортного потока по стратегическим датчикам SDV1 и SDV5, которое означает: если в точке SDV1 существует степень 2 и одновременно в точке SDV5 — степень 4, то следует выбрать сигнальную программу номер 6.

IF SDV1 = 2 & SDV5=4 THEN SP6

Если в сети не классифицируется состояние транспортного потока, то для описания используется только один параметр, которым является интенсивность движения. Транспортно-зависимое управление используется в реальной шкале времени и каждую секунду принимает сигналы выбранных датчиков. Однако переключение сигнальных программ осуществляется с определенным гистерезисом для обеспечения стабильности в транспортной сети. На практике это означает изменение программы устройства управления в сетке нескольких десятков минут.

Управление в режиме онлайн с оптимизацией (централизованные системы): Интеллект системы сосредоточен в центре управления, куда передаются характеристики движения транспортных потоков по транспортной сети и в секундной сетке осуществляются расчеты оптимизации длительности зеленых сигналов, длительности цикла и временного сдвига. Следовательно, светофоры управляются непосредственно центром управления. Представителем этой категории управления являются методы SCOOT или SCATS. Недостатком централизованных систем является относительно жесткие требования к системе связи с устройствами управления. Преимуществом является оптимизация управление движением на транспортной сети на уровне каждого узла в реальном времени.

Адаптивные методы управления: Они являются комбинацией вышеуказанных методов и повышают их качество благодаря тому, что они наделяют устройства управления значительным локальным интеллектом, в результате чего устройство управления работает в секундной сетке в режиме взаимодействия с транспортными детекторами движения транспортных потоков — Traffic Responsive. Однако при этом центр управления осуществляет оптимизацию в течение большего интервала времени — обычно 15-30 минут. К следующим регулируемым величинам относятся: максимальная длительность зеленых сигналов, длительность цикла и временной сдвиг. В результате этого регулируемые величины постоянно согласовываются с транспортной ситуацией в сети. Последняя должна быть опять оснащена стратегическими датчиками, которые измеряют интенсивность и скорость (занятость). Одним из удачных методов, разработанных в рамках Европейского Союза, является программа MOTION.

Экспертное и эвристическое управление: В некоторых случаях в транспортной сети имеется настолько сложная ситуация, что необходимо использовать экспертное управление. Оно работает на основании базы заранее определенных и постоянно модифицируемых условий так, что оно в определенных ситуациях моделирует действия эксперта. Речь может быть о случае транспортных заторов, когда должны быть изменены условия управления в сети, например, предпочтением надежных и заранее известных направлений. Точно так же речь может идти о насыщении

транспортной сети, когда необходимо «освобождать» выбранные направления для того, чтобы не произошла взаимная блокировка транспортных узлов. Перечень стратегий управления транспортным узлом и транспортной сетью (районом) приведен в таблице.

	Стратегии управления	Временной шаг	Управляемые величины	Измеряемые величины	Примечания
Узел	Временно-зависимые (автономные)	Часы/дни	нет	Время	Изменение программ устройства управления
	Транспортно-зависимые (режим онлайн)	Секунда	– Длительность зеленого сигнала – Вкладывание фаз – Изменение последовательности фаз	– Дистанция между транспортными средствами – Степень занятости датчика – Вызов	Traffic Responsive
	VS-PLUS	Секунда	– Длительность зеленого сигнала – Вкладывание фазы – Изменение последовательности фаз	– Дистанция между транспортными средствами – Степень занятости датчика – Вызов	Индивидуальное управление каждой полосой движения Преимущества ГПОТ
	Нечеткое управление	Секунда	– Длительность зеленого сигнала – Длительность цикла	– Дистанция между транспортными средствами – Степень занятости датчика – Вызов	Изолированные узлы с пониженной интенсивностью транспорта
Область	Временно-зависимые (автономные)	Часы/дни	Нет	Время	Изменение программы устройств управления в области
	Транспортно-зависимые (режим онлайн)	В зависимо- сти от состояния транспорта	Нет	- Интенсивность - Скорость	Изменение программы устройств управления в области
	Адаптивные (режим онлайн)	– Секунда (узел) – Минуты (сеть)	– Длительность зеленого сигнала, сеть: – Макс, длительность зеленого сигнала – Длительность цикла – Временной сдвиг	– Интенсивность – Скорость	Узел: транспортно- зависимое управление Сеть: адаптация
	Экспертная система	Минуты	- Все параметры - Изменение программ	- Классификация - Длина колонн - Эксцессы	Решает специальные случаи

Из вышеуказанной таблицы вытекает, что имеется разница в том, если реакция исходит из мгновенной транспортной ситуации (методы онлайн) или если она исходит из данных о транспортных потоках прошлых лет, для которых рассчитаны соответствующие программы или управляемые параметры (методы в режиме онлайн).

Отклик на мгновенную ситуацию основан на создании соответствующего образа состояния транспортного потока в узле или в сети на основании измеренных транспортных параметров. Поэтому данная система всегда оснащена датчиками и стоит дороже. Измеренные данные входят в модель транспортного потока, которая осуществляет оптимизацию.