1385

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства» (ПГУАС)

А.А. Власов, Н.А. Орлов

УПРАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫМИ ТРАНСПОРТНЫМИ

ПОТОКАМИ В ГОРОДАХ

Пенза 2014 1

УДК 656.1 ББК 39.3

В58

Рецензенты: доктор технических наук, профессор Ю.В. Родионов (ПГУАС); доктор технических наук В.В. Коновалов

Власов А.А.

В58 Управление насыщенными транспортными потоками в городах: моногр. / А.А. Власов, Н.А. Орлов. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 188 с.

ISBN 978-5-9282-1133-2

Рассмотрены основные вопросы построения современных адаптивных систем управления дорожным движением. Обобщен и систематизирован мировой опыт разработки систем, использующих обратную связь «транспорт – управление – транспорт». Изложены способы управления изолированными пересечениями и транспортными сетями в условиях насыщенного движения. Рассмотрены математические модели и алгоритмы оптимального управления транспортными потоками.

Монография подготовлена на кафедре «Организация и безопасность движения» и предназначена для студентов, обучающихся по направлению 23.04.01 «Технология транспортных процессов», аспирантов и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, внедрением и эксплуатацией АСУДД.

4

ВВЕДЕНИЕ

Рост автотранспортного парка сопровождается резким увеличением интенсивности движения на автомобильных дорогах и городских улицах. Транспортная инфраструктура, в свою очередь, не может развиваться в таком же высоком темпе. Строительство новых и реконструкция существующих дорог является дорогим и трудоёмким процессом, требующим значительного времени. В результате транспортные заторы в городах стали повседневным явлением, с каждым годом их число и продолжительность неуклонно увеличатся. Заторы приводят к экономичным потерям из-за продолжительных задержек, которые они вызывают, и они также оказывают негативное воздействие на окружающую среду, увеличивая уровень шума и загрязнение токсичными компонентами отработанных газов.

Предотвратить или, по крайней мере, уменьшить перегрузку транспортной сети возможно за счет более эффективного использования имеющихся дорог в сочетании с использованием современных методов управления дорожным движением.

Данное научное исследование, посвященное разработке методов повышения эффективности организации дорожного движения на регулируемых пересечениях в условиях насыщенного движения.

5

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОФОРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Транспортным потоком можно управлять тремя способами – остановкой транспортных средств, изменением параметров движения, информацией и изменением направления движения. В условиях городского движения используются все три вышеуказанных метода управления.

Управление путем остановки транспортных средств. Принцип управления путем остановки транспортных средств является основой управления транспортными потоками в городах. Типичным для этого способа является управление посредством светофоров. На каждый транспортный поток, движущийся через перекресток, воздействуют три световых сигнала — зеленый, желтый и красный. Однако при внешней простоте управляющие воздействия на светофорную сигнализацию имеют достаточно сложную структуру, обусловленную спецификой объекта управления. Данные воздействия можно представить в виде многомерного вектора, компонентами которого являются:

длительности промежуточных тактов (переходных интервалов), во время которых происходят закрытие и подготовка к открытию направлений движения;

длительность цикла (Cycle) – интервал времени, в течение которого происходит смена всех разрешенных тактов;

разбиение (Split) эффективной длительности цикла между фазами регулирования;

временные сдвиги (Offset) между включениями фаз на соседних перекрестках, влияющие на возможность безостановочного движения транспортных средств по дорожной сети;

последовательность фаз в цикле, обуславливающая очередность открытия движений на перекрестке.

В дальнейшем под сигнальным планом (планом координации для сети перекрестков) будем понимать многомерный вектор, компонентами которого являются перечисленные параметры, устанавливаемые для каждого перекрестка.

Кроме светофоров в качестве исполнительных элементов для остановки транспортных средств могут использоваться и управляемые дорожные знаки «Въезд запрещен», светофоры для движения по полосам или механические препятствия – шлагбаумы.

Существенным недостатком управления путем остановки является ухудшение экологических условий, вызванное повышенным расходом

6

топлива, расходуемого транспортными средствами для восстановления кинетической энергии после остановки.

Управление путем изменения характеристик движения. Управле-

ние путем изменения характеристик движения транспортных потоков заключается в том, что транспортное средство не останавливается, но изменяет параметры своего движения, как, например, скорость на основании знака «Ограничение максимальной скорости» или транспортное средство движется по указанной полосе. Этот способ управления используется не только для гармонизации транспортного потока при управлении движением по полосам автомагистралей, но он имеет большое значение и в городских системах обеспечения безопасности движения, когда ограничение максимальной скорости вводится перед опасным поворотом или водитель получает информацию о другой опасности.

Исполнительными элементами в этом случае являются управляемые дорожные знаки на базе световодов или светодиодов. Информация на этих знаках оперативно реагирует на изменяющиеся параметры транспортного потока. Эффективность таких систем получила высокую оценку, так как динамические изменения адекватнее воспринимаются водителями и, следовательно, ими соблюдаются.

Управление информацией и направлением движения. Третья кате-

гория управления транспортным потоком основана на изменении маршрута движения в результате получения водителем информации об условиях движения. Этот способ управления все чаще используется в городах при перегрузке дорог и заключается в направлении транспортного потока в обход участка, на котором образуются заторы. В эту категорию управления входит управление информацией, предназначенной как для индиви-

дуального транспортного средства (Vehicle Information and Communication System), так и вцелом для транспортногопотока(Traffic Flow Information System).

Информационные и направляющие системы в зависимости от характера объекта управления располагаются:

– непосредственно в автомобиле при управлении индивидуальными транспортными средствами;

–рядом с дорогой при воздействии на весь транспортный поток. Принципиальная разница между информационными и направляющими

системами заключается в том, что при управлении информацией водитель получает информацию о транспортной ситуации на его пути, и принимает решение о дальнейшем маршруте движения самостоятельно. При воздействии направляющих систем транспортные средства направляются принудительно на новый маршрут движения.

В случае применения информационных систем в индивидуальных транспортных средствах водитель может отказаться от предложенного

7

маршрута движения. Результаты некоторых европейских проектов показали, что существенные изменения в транспортной ситуации наблюдаются в том случае, если 10-15 % водителей следуют рекомендациям информационных систем.

Вслучае применения направляющих систем, транспортные средства направляются на новые маршруты движения управляемыми запрещающими и предписывающими знаками. Этот способ управления предъявляет жесткие требования к техническому оснащению, так как он нуждается в обозначении маршрута движения по всей ее длине.

Вгородских условиях при применении информационных и направляющих систем необходима согласованность изменения маршрутов движения с работой светофорных объектов.

1.1Существующие методы светофорного регулирования

Светофорное регулирование первоначально вводилось для обеспечения безопасного пересечения конфликтующих транспортных потоков автомобилей и пешеходов. Рост транспортного спроса вскоре показал, что при установке светофора появляется возможность осуществлять (при обеспечении безопасности движения) более или менее эффективное воздействие на транспортный поток в рамках транспортной сети. Указанный эффект послужил основой при разработке стратегий оптимального управления, выполняющих минимизацию полного времени движения.

Светофорное регулирование – основной способ управления в транспортных сетях городов. 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 (адаптивное управление). Существенная разница заключается в том, что для управления по графику времени не нужны детекторы, но система неспособна реагировать на какие-либо изменения транспортного потока. В случае адаптивного управления имеются детекторы, которые фиксируют присутствие транспортных средств, и устройство управления, реагирующее на мгновенные условия в узле или транспортной сети.

Временно-зависимое (автономное) управление. Управление ведется по временному графику. Применение метода требует всестороннего изучения характеристик состояния транспортных потоков в районе управления. Информацию получают путем статистического анализа данные о характеристиках движения транспортных потоков (интенсивности и состава движения) за прошлые годы, измеренных в характерных точках транспортной сети, и на их основании определяется режим работы системы управления.

8

На основании эпизодических измерений параметров транспортных потоков (X) производится, в основном вручную, анализ эффективности действующих планов – FЭ (X) и сравнение ее с контрольными значения-

ми – FКЭ(X).

При FKЭ(X) – FЭ(X) A производится перерасчет библиотеки планов управления (координации) {Yi} и контрольных значений времен их действия {tк}. Ввод в действие плана Yi, производится при совпадении реального времени tp с контрольным tK.

При расчетах оптимизируется длительность разрешающих сигналов, продолжительность цикла и временной сдвиг. Затем они вводятся в

устройства управления и производят смену сигнальных планов в зависимости от времени суток или дня года.

Временно-зависимое управление имеет определенные преимущества:

–возможность простого контроля;

–простота модификации сигнальных планов;

–относительно низкие расходы на оборудование и установку. Вместе с тем, имеются существенные недостатки метода:

–невозможно повысить эффективность использования времени разрешающих сигналов;

–нельзя покрыть пики интенсивности;

–нельзя устранить возникшие транспортные заторы.

Транспортно-зависимое (traffic-responsive) управление характери-

зуется тем, что для различных состояний транспортных потоков на сети заранее рассчитываются сигнальные планы, которые хранятся в устройствах управления или в центре управления движением. В области управления устанавливаются стратегические детекторы транспорта. Логика управления производит выбор конкретных сигнальных планов по состоянию транспортного потока в зоне расположения указанных детекторов транспорта.

Смена сигнальных планов происходит в результате анализа параметров транспортных потоков, который обычно сводится к их усреднению в течение заранее заданного периода времени Ту и получению оценки:

n

X Ty 1 nXi ,

где п – количество измерений в течениеТу; Xi – многомерный вектор –

результат измерения параметров в заранее заданных сечениях дорожной сети.

9

После получения оценки X Ty осуществляется подбор ближайшего многомерного контрольного вектора Xk i из заранее заданного мно-

жества (i=1...M) по минимуму вектора разницыRmin

Xi Ty R Xk i Rmin .

Для каждого контрольного вектора имеется заранее рассчитанный сигнальный план. При принятии решения о вводе сигнального плана взамен действующего необходимо учитывать наличие переходного интервала Tпеp, в течение которого эффект от координированного управления резко снижается и практически становится равным нулю. Поэтому решение о смене плана координации Yi, на план Yj- целесообразно принимать при условии

Fэ Yi Ty Fэ Yj Ty Tпер ,

где Fэ(Yi) – эффективность управления за единицу времени при действующем плане и соответственно разнице; Fэ(Yj) – эффективность нового плана.

Практические исследования, проведенные на действующих системах, показывают, что длительность Tпер составляет два, три цикла управления. Оценки Fэ(Yj) и Fэ(Yi) могут быть получены моделированием. Длительность Tу может быть выбрана по критерию минимальной ошибки усреднения измеряемых параметров.

Практически невозможно оборудовать детекторами транспорта все разрешенные направления движения в районе управления. Обычно возникает необходимость выбора представительного подмножества точек измерения. В этом случае целесообразным было бы соблюдение равенства:

dX * dX t , dt dt

где левая часть представляет полную производную изменения нормы вектора параметров в точках измерения, правая – полную производную нормы вектора параметров на всех разрешенных направлениях движения.

Соответствующим подбором точек измерения возможно обеспечить:

dX * dX t C , dt dt

где С– допустимое отклонение.

Методика выбора точек измерения основана на трудоемких длительных измерениях с выявлением максимальной области представительства в каждой предполагаемой точке.

10