СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

___________________________________________________________________

УДК 656.13

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ УЧЕТА ВРЕМЕННОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ

МНОГОПРОГРАММНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ИЗОЛИРОВАННЫХ ПЕРЕКРЕСТКАХ

IMPROVEMENT OF METHOD CONSIDERING TRAFFIC FLOW VARIABILITY OVER TIME WHEN IMPLEMENTATION MULTIPROGRAM CONTROL AT ISOLATED INTERSECTIONS

А.С. Кашталинский

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), Россия, г. Омск

Аннотация. Приведена актуальность учета временной неравномерности транспортных потоков на изолированных регулируемых перекрестках с целью повышения транспортной эффективности их эксплуатации.

Представлена модель многопрограммного регулирования на перекрестках, предложены рекомендации по определению его параметров. Проведен анализ эффективности предложенных рекомендаций, который показал, что их применение позволяет значительно

снизить задержки транспорта на перекрестках.

429

Ключевые слова: временная неравномерность, транспортный поток, многопрограммное светофорное регулирование, транспортная задержка, изолированный перекресток.

Введение

Высокий уровень автомобилизации в городах РФ в настоящее время приводит к необходимости эффективного управления транспортом на регулируемых перекрестках посредством светофорной сигнализации. Транспортные потоки (ТП) в крупных городах обладают высокой интенсивностью, что приводит к затруднениям в их движении, заторам и прочим негативным явлениями, особенно в районах, прилегающих к регулируемым перекресткам. При этом ТП обладают свойством стохастичности [1,2], которое проявляется в неравномерности движения, как во времени, так и в пространстве [3]. Стохастичность ТП вызвана неравномерным спросом на движение со стороны водителей в течение времени [4], а также наличием случайных факторов формирования ТП на улично-дорожной сети [5]. В

результате этого в зоне перекрестков в течение определенных интервалов, не превышающих 30 минут возникают ситуации, когда пропускная способность подходов к перекресткам не позволяет пропустить необходимое количество транспорта, что снижает эффективность их эксплуатации.

Учет временной неравномерности транспортного потока

Наиболее часто применяемый метод жесткого однопрограммного управления на изолированном перекрестке (не требующим включения в координированное управление с другими перекрестками) подразумевает использование при расчете значений параметров управления (длительности цикла и фаз регулирования) усредненных показателей интенсивностей движения на регулируемых направлениях (РН). Это приводит к избыточным задержкам в межпиковые периоды и в ночное время, а также к чрезмерным задержкам в наиболее загруженные пиковые периоды суток в связи с увеличением транспортных очередей. Что может вызывать образование затора, который в свою очередь снижает пропускную

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

способность перекрестка на более длительный срок, по сравнению с периодом своего появления [6,7]. Пример такого процесса для регулируемого направления на перекрестке с 5-ти

минутной динамикой изменения интенсивности движения представлен на рисунке 1.

Поэтому актуальным на сегодняшний день является применение на регулируемых перекрестках другого метода – жесткого многопрограммного управления [8], не требующего

серьезных материальных затрат, но позволяющего учитывать суточную и внутричасовую неравномерность ТП, а значит увеличить эффективность эксплуатации регулируемого перекрестка за счет снижения транспортных задержек.

Рисунок 1 – Пример превышения уровня интенсивности движения за 5-ти минутные интервалы

над уровнем пропускной способности регулируемого направления на перекрестке

430

Многопрограммное регулирование на перекрестке подразумевает наличие нескольких сигнальных программ (СП) работы светофорной сигнализации (максимальное количество зависит от конфигурации дорожного контроллера), моменты включения и параметры управлениях которых соответствуют суточной динамике интенсивности движения РН. Поэтому основными параметрами многопрограммного регулирования является количество СП, моменты их смены и длительности цикла и фаз для каждой из них.

В настоящий момент количество СП на перекрестке и моменты их смены в течение суток определяются специалистами в большинстве случаев «на глаз», также зачастую отсутствуют точные данные о суточной динамики интенсивности движения РН, либо они неполные.

Но даже после проведения длительного обследования на перекрестке и при наличии соответствующей исчерпывающей информации о движения транспорта в течении суток для специалиста задача организации эффективного многопрограммного регулирования на научной основе является трудновыполнимой. Это связано с отсутствием научных основ и рекомендаций по организации многопрограммного управления на изолированных перекрестках в РФ.

Поэтому целью данной работы является повышение эффективности функционирования регулируемых перекрестков путем организации многопрограммного светофорного регулирования, позволяющего снизить на них транспортные задержки в течение суток.

Пусть имеется перекресток с N –количеством регулируемых направлений движения.

Организация светофорного регулирования на этом перекрестке будет являться управлением, объектом управления являются ТП, подъезжающие к перекрестку. Входными параметрами для каждого направления в определенный момент времени является интенсивность движения:

где λi (t ) – вектор интенсивности ТП на перекрестке для i-го отрезка времени (λ1, λ2,…, λN); i –

порядковый номер единичных отрезков времени.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Также параметром, характеризующим ТП, является поток насыщения, в рассматриваемой модели мы исходим из того, что для каждого конкретного направления в определенный рассматриваемый период является постоянным:

где si (t ) – вектор значений потока насыщения для РН на перекрестке для i-го отрезка времени

(s1, s2,…, sN).

Применение многопрограммного регулирования со сменой СП в соответствии с календарным графиком подразумевает наличие периодов, в течение которых процесс изменения интенсивности регулируемых направлений можно рассматривать как стационарный аддитивный процесс вида:

порядковый номер СП.

Графическое отображение расчетных и фактических значений интенсивности в течение периода ∆i использовании i-ой СП на перекрестке приведено на рисунке 2.

При этом, применение значений интенсивности с учетом дополнительной составляющей при расчетах параметров СР для каждой СП в соответствии с формулами (3) позволит учесть

большую часть флуктуаций интенсивности и обеспечить дополнительное время горения разрешающего сигнала для исключения удлинения очередей перед стоп-линией.

Применение каждой СП на временном поле можно представить в виде интервальных сегментов, в течение которых управление на перекрестке будет неизменным. В течение этого же периода интенсивности на направлениях, в соответствии с которыми определяются параметры управляющих воздействий, будут иметь различные статистические характеристики. И в то же время их изменение не будет требовать переключения СП.

431

Рисунок 2 – Фактические значения (сплошные линии), средние значения (штриховые линии)

и дополнительная составляющая (пунктирные линии) интенсивностей для регулируемых направлений в течение периода ∆i использовании i-й СП на перекрестке

Таким образом, набор СП, используемый на перекрестке в течение суток можно представить в виде:

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

где Сi – длительность цикла для i-ой СП; GiN – вектор длительностей разрешающего сигнала

(g1, g2,…, gN) для i-ой СП; tiвкл – время включения i-ой СП; tiвыкл – время выключения i-ой СП; ∆i

– интервал использования i-ой СП.

Исходя из формулы Вебстера, которая приводится многими авторами в своих работах [1,2,3,7] , длительность цикла является функцией фазовых коэффициентов, которые в свою очередь, при условии (2), являются функцией интенсивности и поэтому:

Длительность разрешающего сигнала, в конечном итоге, зависит от длительности цикла и

Определение параметров управления (2.20) и оптимального количества СП в течение суток, а также эффективности предлагаемой модели, должно производиться с помощью критерия, в качестве которого, отлично подходит показатель задержки на перекрестке.

Задержка на перекрестке является функцией параметров СР и параметров ТП на этом

Задержка за интервал использования i-ой СП, когда применяется ui, равна:

где b – среднее время задержки ТС при смене СП; Pi – число ТС в районе перекрестка в i-ый

интервал времени.

Наличие выражений (11,12) позволяет определить некоторый оптимум количества СП в

течение суток, который позволит значительно снизить задержки и при этом ограничит количество задержек, вызванных наличием переходных интервалов при смене СП.

В качестве модели транспортной задержки на перекрестке возможно использование модели, предложенной в североамериканском руководстве по оценке пропускной способности HCM 2000 [9], которая позволяет учитывать при расчете время исследуемого интервала, дополнительную задержку от наличия остаточной очереди и пр. [7,10], а также показывает

более точное совпадение с экспериментальными данными, чем модель Вебстера.

Для реализации представленной модели многопрограммного регулирования, а также для оптимизации его параметров был выбран регулируемый Т-образный перекресток в г. Омске,

удовлетворяющий требованиям изолированного. Перекресток имеет 3 фазы регулирования и 6 транспортных РН. На рассматриваемом перекрестке в апреле 2016 года было проведено продолжительное обследование, которое позволило установить динамику изменения удельной интенсивности движения на РН, приведенной к одной полосе в течение суток с 15-ти

минутными интервалами. Графики изменения интенсивности движения на РН приведены на рисунке 3.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Рисунок 3 – Динамика изменения удельной интенсивности движения регулируемых направлений на Т-образном перекрестке пр. Космический – ул. Индустриальная

в г. Омске (апрель 2016 г.)

Для определения оптимального количества СП и моментов их смены в первую очередь были рассчитаны значения длительностей цикла и фаз для каждого 15-ти минутного интервала

в соответствии с исходными данными. Далее на основе полученных данных о динамике оптимальной длительности цикла была произведена кластеризация интервалов со схожими значениями длительности цикла для формирования первичного набора СП.

Небольшие кластеры объединялись с более крупными соседними при условии уменьшения суммарной суточной задержки на перекрестке. Таким образом, было определено оптимальное 433 количество СП, оно оказалось равным 6. Графическое отражение результата кластеризации представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Графическое отображение результатов кластеризации по показателю длительностей цикла: Срасч – расчетная длительность цикла;

Спр – принимаемая длительность цикла для управления

После этого для каждой СП проводилась процедура оптимизации длительности цикла и фаз методами градиентного спуска, реализованными в стандартном приложении Microsoft Excel,

направленной на дальнейшую минимизацию суточной задержки транспорта. По окончании всех процедур был получен набор СП, отвечающих требованиям минимальной задержки на перекрестке, который представлен в таблице 1.

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Таблица 1 – Оптимальные параметры многопрограммного управления на перекрестке

Рисунок 5 – Графики изменения суммарной задержки на перекрестке

в течение суток при использовании разных видов управления

Заключение

Дальнейшее развитие методов оптимизации параметров многопрограммного регулирования нуждается, в первую очередь, в разработке методов и алгоритмов автоматизированного разделения временного пространства на кластеры (интервалы), в течение которых необходимо использование одной СП, а также определения оптимальных параметров каждой СП. Далее на основе разработанных алгоритмов необходимо создание специализированного программного

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

обеспечения, которое позволяло бы на основе исходных данных о регулируемом перекрестке в автоматизированном режиме представлять оптимальное управление в виде таблицы, схожей с таблицей 1. Такие методы позволят облегчить работу специалистов в рассматриваемой области и направлены на совершенствование методологии организации многопрограммного регулирования.

Библиографический список

1.Петров, В.В. Управление движением транспортных потоков в городах: монография / В.В. Петров. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 92 с.

2.Брайловский, Н. О. Управление движением транспортных средств / Н.О. Брайловский, Б.И. Грановский. – М.: Транспорт, 1975. – 110 с.

3.Печерский, М.П. Автоматизированные системы управления дорожным движением в городах / М.П. Печерский, Б.Г. Хорович. – М.: Транспорт, 1979. – 176 с.

4.Кашталинский, А.С.Расчет параметров светофорного регулирования с учетом неравномерности движения транспортных потоков / А.С. Кашталинский, В.В. Петров // Развитие дорожно-транспортного и

строительного комплексов и освоение стратегически важных территорий Сибири и Арктики: вклад науки: материалы Международ. науч.практич. конф. – Омск: СибАДИ, 2014. −Кн. 1. – С. 254–256.

5.Кашталинский, А.С. Влияние дорожно-транспортных факторов на неравномерность транспортных потоков в городах/ А.С. Кашталинский, В.В. Петров // Вестник ИрГТУ. – 2016.– №1 (108). – С. 116–123.

6.Левашев, А.Г. Проектирование регулируемых пересечений: учеб. пособие / А.Г. Левашев, А.Ю. Михайлов, И.М. Головных. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. – 208 с.

7.Капитанов, В.Т. Управление транспортными потоками в городах / В.Т. Капитанов, Е.Б. Хилажев. – М.: Транспорт, 1985. – 94 с.

8.Кашталинский ,А.С. Учет внутричасовой неравномерности транспортных потоков на регулируемых

пересечениях / А.С. Кашталинский // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: материалы V Междунар. заочн. науч.-практ. конф. – Новокузнецк: Филиал КузГТУ в г. Новокузнецке, 2016.

–С. 38–43.

9.Highway Capacity Manual // TRB, Washington, DC, 2000. – 1134 p.

10.Власов, А.А. Расчет режимов работы светофорного объекта в условиях насыщенного движения /

[Электронный ресурс]. – 2014. – № 3. – С.41. – Режим доступа: http://elibrary.ru/download/37218301.pdf (дата обращения: 10.12.2016).

IMPROVEMENT OF METHOD CONSIDERING TRAFFIC FLOW VARIABILITY OVER TIME WHEN IMPLEMENTATION MULTIPROGRAM CONTROL AT ISOLATED INTERSECTIONS

A.S. Kashtalinsky

Abstract. Given the relevance of taking into account the time variability of traffic flows at isolated signalized intersections with the aim of improving the transport efficiency of their operation.

The model of multiprogram control at intersections is presented, recommendations on the definition of control parameters is proposed. The analysis of the effectiveness of the proposed recommendations is conducted, which has shown that multiprogram control use can significantly reduce the traffic delay on intersections.

Keywords: time variability, traffic flow, multiprogram signal control, traffic delay, isolated intersection.

Кашаталинский Александр Сергеевич (Россия, Омск) – преподаватель кафедры «Организация и безопасность движения» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета

(СибАДИ) (644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 5 , e-mail: ask1188@mail.ru).

Kashtalinsky Alexander Sergeevich (Russian Federation, Omsk), lecturer, department traffic organization and safety of the Siberian State Automobile and Highway University (SibADI) (644080, Russian Federation, Omsk, Mira, 5 prospect, e-mail: ask1188@mail.ru).

Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.