Автоматизированные системы управления движением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Список сокращений и обозначений, встречающихся в тексте

АРМ - автоматизированное рабочее место;

АСС УД - агрегатная система средств управления дорожным движением;

АСУД - автоматизированная система управления дорожным движением;

АСУД-С - АСУД на базе ПЭВМ;

ВПУ - выносной пульт управления;

ГОРОД, ГОРОД-М, ГОРОД-М1 - названия автоматизированных систем управления дорожным движением с применением ЭВМ;

ДК - дорожный контроллер;

ДПОУ - дисплейный пульт оперативного управления;

ДП - диспетчерский пункт;

ДТП - дорожно-транспортное происшествие;

ДТС - дорожно-транспортная сеть;

ДТ - детектор транспорта;

ДУ - диспетчерское управление;

ИП - инженерный пульт; ИР - индуктивная рамка; ИЦ - имитатор центра;

КДА - контрольно-диагностическая аппаратура;

КРЦ - контроллер районного центра; КТС - комплекс технических средств; КУ - координированное управление; МнСх - мнемосхема;

ПК - программа координации;

ПКУ - пульт контроля и управления;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

РУ - ручное управление;

СМЭП - специализированное монтажно-эксплуатационное подразделение;

СО - светофорный объект;

ТВП - табло вызова пешеходное;

ТЕ - транспортная единица (автомобиль);

ТИ - телеизмерение;

ТКП - табло коллективного пользования;

ТП - транспортный поток;

ТС - телесигнализация;

ТСКУ - телемеханическая система координированного управления;

ТУ - телеуправление;

УВК - управляющий вычислительный комплекс;

УДС - улично-дорожная сеть;

УЗН - управляемый дорожный знак;

УНИТП - устройство накопления информации по транспортным потокам;

УП - управляющий пункт;

УСК - указатель рекомендуемой скорости движения;

ЦУП - центральный управляющий пункт.

1. Основы управления дорожным движением

1.1 Транспортный поток как объект управления

Объектом управления АСУД является транспортный поток, описываемый совокупностью признаков, характеризующих процесс движения: интенсивностью, скоростью, составом потока, интервалами в потоке и некоторыми другими показателями.

Транспортному потоку присущи вполне определённые свойства, которые должны быть учтены при выборе управления в системе. Поэтому рассмотрим некоторые наиболее важные особенности транспортного потока.

1.1.1 Свойства транспортного потока

Во-первых, натурные обследования движения транспортных средств в городах показывают, что характеристики транспортных потоков испытывают в течение суток значительные изменения, возникающие из-за неравномерности поступления автомобилей в транспортную сеть. В этом заключается динамический характер поведения объекта управления.

Во-вторых, ежедневное периодическое измерение одних и тех же параметров потока в фиксированные интервалы времени суток показывает статистический характер процесса движения транспортных средств. Вероятностное поведение объекта управления обусловлено тем, что транспортный поток формируется из индивидуальных участников движения, использующих различные типы транспортных средств и имеющих различные цели поездки (во времени и пространстве).

В-третьих, эти статистические закономерности движения носят устойчивый характер из-за наличия детерминированных тенденций в движении транспортных средств. Действительно, подавляющее большинство поездок носит периодический характер и часто осуществляется по постоянным маршрутам (деловые поездки, работа общественного маршрутизированного транспорта, грузовые перевозки). Коллективное поведение потока, являющееся результатом взаимодействия участников с различными целями и различными психофизиологическими характеристиками, подчиняется закону больших чисел и делает стабильными вероятностные характеристики движения транспортных средств. Именно отсутствие хаоса в транспортной сети делает возможным функционирование АСУД, которая, в свою очередь, способствует ещё большей стабилизации процессов движения.

В-четвёртых, важнейшим свойством транспортных потоков, во многом определяющим принципы управления, является их инерционность. Под инерционностью понимается свойство объекта управления непрерывно переходить из состояния в состояние во времени и пространстве. Действительно, параметры движения транспортных единиц, измерённые в некоторый момент времени, не могут существенно измениться за малый промежуток времени из-за того, что каждая единица имеет конечную, вполне определённую скорость и может быть обнаружена в этом промежутке в пределах ограниченного участка транспортной сети. Это свойство проявляется, прежде всего, в том, что средние параметры потоков (интенсивность, скорость, плотность, интервалы) изменяются во времени и пространстве непрерывно. Наличие «пачек» в потоках также является результатом малой изменчивости структуры потока при его прохождении смежных перекрёстков, т.е. следствием инерционности в изменении интервалов между последовательными автомобилями. Инерционность объекта управления говорит о возможностях прогнозирования изменений его характеристик в небольших интервалах.

В-пятых, все перечисленные свойства проявляются как результат взаимозависимого движения транспортных средств. Эта взаимозависимость выражается главным образом в том, что подчас малые изменения условий движения на отдельных магистралях и перекрёстках (сужение проезжей части, изменение погодных условий, нарушение режима светофорной сигнализации) приводят к резкому изменению характера движения не только на данном участке, но и на отдалённых магистралях и перекрёстках города. Особенно сильно связность регулируемых транспортных узлов сказывается в режимах насыщения сети, когда транспортный затор, возникший на отдельном перекрёстке, распространяется на значительный участок сети. Связность в сети носит сложный, подчас непредсказуемый характер. Чем сильнее свойство связности, тем большие участки сети необходимо рассматривать, решая задачу управления, и тем сложнее эта задача, поскольку под объектом управления приходится понимать не отдельные перекрёстки, а все связанные между собой транспортные узлы.

Фактор взаимозависимости проявляется также и в условиях стеснённого движения транспортных средств по перегонам и через перекрёстки сети. Для того чтобы обеспечить безопасное и быстрое движение автомобилей в транспортном потоке, водители вынуждены совершать различные манёвры, обусловленные реальной дорожной ситуацией. В результате этого закономерности движения отдельных транспортных средств можно рассматривать как следствие суммарных взаимодействий в потоке. Характеристики результирующего взаимодействия являются теми исходными для системы параметрами, по которым решается вопрос о назначении того или иного управления движением.

1.1.2 Состояния транспортного потока

Остановимся несколько подробнее на типичных случаях дорожного движения. Экспериментальные и теоретические исследования дают основания выделить три качественно различных состояния, которые мы условимся называть свободным, групповым и вынужденным [2].

При малой интенсивности потока, когда пропускная способность дороги не является фактором, ограничивающим беспрепятственное движение, скорость движения транспортных средств близка к скорости свободного движения. Взаимодействие между транспортными единицами в режиме свободного движения настолько мало, что им можно пренебречь. Состояние свободного транспортного потока характеризуется не только независимым движением отдельных транспортных единиц, но и тем, какие интервалы между единицами в потоке складываются при этом. Многочисленные экспериментальные работы, а также предельные теоремы

массового обслуживания говорят о том, что распределение интервалов в свободном потоке близко к экспоненциальному и, следовательно, число прибытий транспортных единиц потока в некотором интервале во времени или пространстве описывается законом Пуассона [6]. Свободное состояние потока наблюдается в реальной транспортной сети на перегонах с редким движением в сечениях, удалённых более чем на 800 м от питающих перекрёстков.

Иная картина возникает, если рассматривать групповой режим движения. Групповое движение транспортных средств складывается при несколько больших интенсивностях движения, когда пропускная способность дороги и перекрёстка уже оказывает существенное влияние на условия движения. Для того чтобы сохранить скорость, водители быстроходных автомобилей вынуждены совершать обгоны, перестроения и другие манёвры. В режиме свободного движения обгоны в потоке осуществляются практически без взаимодействия между транспортными единицами. Групповое движение характеризуется максимальным взаимодействием единиц при движении, максимальной интенсивностью вынужденных манёвров. В результате этого весь транспортный поток разделяется на совокупность очередей, имеющих скорость тихоходных головных автомобилей. Скорости быстроходных транспортных единиц при этом падают. Теперь уже движение транспортных средств не может быть описано законом Пуассона, поскольку расстояния между последовательными автомобилями в очередях близки к расстояниям безопасности, т.е. не подчиняются экспоненциальному распределению. Характерным примером группового потока является движение транспортных средств, наблюдаемое в сечении перегона, расположенного в 20 - 30 м за питающим его перекрёстком. Пачки в потоке, возникающие после прохождения транспортных единиц через перекрёсток, по мере движения по перегону «разваливаются» сравнительно медленно, и поток в рассматриваемом сечении имеет ещё ярко выраженную групповую форму.

Когда интенсивность движения увеличивается и достигает пропускной способности дороги, условия обгонов быстроходными автомобилями тихоходных затрудняются, очереди, образованные при групповом режиме движения, удлиняются и практически сливаются в единую очередь. При этом скорости транспортных средств в потоке выравниваются и оказываются близкими к скоростям самых тихоходных автомобилей, интервалы между транспортными единицами в потоке становятся близки к детерминированным, равным расстояниям безопасного движения. Этот режим движения будем называть вынужденным.

Ещё одной особенностью объекта управления является наличие в нём тенденции развития. Количественные изменения объекта управления связаны с естественным ростом автомобилизации, сооружением новых регулируемых перекрёстков, строительством развязок в разных уровнях, улучшением динамических характеристик транспортных средств, с пересмотром организации движения в регулируемом районе (введение и отмена поворотных движений, введение улиц с односторонним движением, запрещение проезда по некоторым улицам грузовому транспорту, запрещение и разрешение стоянок и др.). Эти количественные изменения приводят, как правило, к изменению структуры потоков, степени связанности отдельных перекрёстков сети, масштабов регулируемой сети, что может потребовать качественной перенастройки управляющего органа и привести к пересмотру вида алгоритмов управления для того или иного перекрёстка. Таким образом, система управления движением обязательно должна быть «гибкой» по отношению к объекту управления.

1.1.3 Распределение временных интервалов

Большинство исследователей [2], рассматривая транспортный поток на отрезке магистрали значительной длины, пользуются для описания временных интервалов составными распределениями вида

- свободно движущаяся;

- частично связанная;

Каждый из трёх коэффициентов А, В, С означает долю интенсивности движения, находящуюся в одном из трёх состояний, поэтому их сумма равна 1.

Распределение (1.1) достаточно хорошо описывает ТП на магистралях непрерывного движения. Рассматривая задачу описания ТП на городских улицах, оснащённых светофорами, более целесообразно анализировать распределение временных интервалов внутри пачек автомобилей по мере удаления регулируемого перекрёстка. Такой подход тесно связан с решением вопроса о постепенном распаде пачек, а следовательно, возможности организации координированного управления движением транспорта.

Эксперименты, поставленные некоторыми исследователями [2], показывают, что более подходящим для описания временных интервалов внутри пачек является нормированное распределение Эрланга.

В пользу данного распределения говорит тот факт, что, задаваясь различными K, можно получить любую степень последствия, следовательно, отразить степень связанности потока внутри пачки. Эффект распадения пачек обуславливает зависимость средней интенсивности движения внутри пачек ? и порядка распределения K от расстояния пачки до выходного перекрёстка. Экспериментальные исследования показали, что уменьшение ? и K по мере удаления пачки от перегона хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью

Эксперименты показывают, что для пачки, только что вышедшей с перекрёстка, величина K=9.

Практические исследования с использованием АСУД в городах: Харькове, Минске, Красноярске, Нижнем Новгороде и др., проведённые в 80 - 90 гг., позволили получить представительные статистические данные о транспортном потоке [10].

Анализ распределения интервалов при различных интенсивностях, а также минимально допустимые интервалы между автомобилями указывают на существование трёх групп автомобилей в транспортном потоке:

?автомобили, движущиеся свободно, не оказывающие влияния друг на друга при интервалах более 8 с;

?частично связанные автомобили, движущиеся с интервалом 1,5 - 8,0 с; распределение интервалов таково, что водители отдельных автомобилей имеют возможность маневрировать внутри потока;

?связанная часть потока; в этом случае в течение всего времени наблюдаются только малые интервалы порядка 1,0 - 1,3 с.

На практике автомобили, двигающиеся свободно, наблюдаются при интенсивности до 300 автомобилей в час на полосу. Частично связанные автомобили наблюдаются при интенсивности порядка 300 - 600 автомобилей в час на полосу. Связанный поток наблюдается при интенсивности более 600 автомобилей в час на полосу.

1.2 Основные принципы управления

В процессе проектирования систем управления дорожным движением необходимо решать задачи, связанные с анализом процессов функционирования объекта управления, а также синтезом алгоритмов управления и обработки информации. На первом этапе требуется определить основные параметры объекта управления. Отметим, что объектом управления является транспортный поток (ТП).

Параметры транспортного потока. Основными параметрами ТП, отражающими изменения его свойств в соответствии с основной транспортной диаграммой [2], являются скорость, интенсивность и плотность. Учитывая взаимную связь данных параметров, целесообразно выбрать интенсивность и скорость. Выбор этих параметров обусловлен следующими причинами: во-первых, они наиболее полно отражают изменения свойств ТП [1], во-вторых, они могут быть измерены экономически выгодными методами и устройствами [9].

На втором этапе решения общей задачи необходимо изучение вероятностно-статистических характеристик выбранных параметров. Качественное выполнение этого этапа позволяет определить сложность математического аппарата для достоверного описания преобразований ТП, а также наметить состав основных алгоритмов управления процессом движения ТП.

Анализ статистических данных, полученных в результате эксплуатации систем первого и второго поколений, позволил сделать следующие выводы:

? суточный характер изменения интенсивности движения по каждому направлению на перекрестках практически не зависит от дня недели, кроме выходных дней. Колебания интенсивности движения в одни и те же периоды различных дней не превышают 3 - 5%;

? изменение интенсивности движения на различных направлениях одного перекрестка имеет независимый характер и очень мало зависит от внешних условий (погоды, освещенности). В основном характер изменения интенсивности движения определяется режимом работы всего городского хозяйства и поэтому позволяет прогнозировать его в течение суток;

? интенсивность движения в течение суток изменяется от нуля до определенной величины и является независимым (локальным), детерминированным и прогнозируемым параметром;

? величина средней скорости движения зависит от погодных условий, уровня освещенности, интенсивности движения и изменяется в определенном диапазоне [8] Vmin ? V ? Vmax, где Vmin - минимальное значение скорости, зависящее от технических характеристик автомобилей (как правило, Vmin > 30 км/ч); Vmax - максимальное значение скорости, зависящее от ограничений движения в городе (как правило, Vmax = 60 км/ч);

? скорость является параметром, общим для больших участков дорожно-транспортной сети (как правило, для подрайона управления) и ее изменения трудно поддаются прогнозированию, так как в основном они зависят от случайных обстоятельств.

1.2.1 Параметры управления

Регулирование каждого транспортного потока, движущегося в определенном направлении через перекресток, осуществляется тремя световыми сигналами - зеленым, желтым и красным. Но параметры управления транспортным потоком имеют достаточно сложную структуру, обусловленную спецификой объекта управления. Их можно представить в виде параметров цикла светофорного регулирования, компонентами которого являются:

? длительности основных тактов - комбинаций одновременного горения светофорных сигналов, разрешающих или запрещающих движение потоков по определенным направлениям;

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

? длительности фаз управления, каждая из которых объединяет основной и следующий за ним промежуточный такты;

? длительность цикла - интервала времени, в течение которого происходит смена всех разрешающих тактов;

? состав фаз в цикле, определяющий перечень регулируемых направлений движения на перекрестке;

? последовательность фаз в цикле, определяющая очередность разрешающих сигналов для транспортных направлений на перекрестке;

? временные сдвиги между включениями фаз на соседних перекрестках, влияющие на возможность безостановочного движения транспортных средств по дорожной сети.

В дальнейшем под программой управления (программой координации) для сети перекрестков будем понимать многомерный вектор, компонентами которого являются перечисленные выше параметры, определяемые для каждого перекрестка.

1.2.2 Методы управления

Ниже приведены основные методы управления движением транспортных потоков, которые реализуются системой [9].

1. Метод управления со сменой программ координации по времени (суток, недели, сезона).

На основании периодических измерений параметров транспортных потоков производится анализ эффективности действующей программы и сравнение ее с контрольными значениями. Если разница более константы А, то производится перерасчет программы координации и контрольных значений времени ее действия. Величина А определяется экспертным путем.

Ввод в действие конкретной ПК производится при совпадении реального времени с контрольным.

2. Метод управления со сменой программ координации по параметрам транспортных потоков.

Смена программ координации происходит в результате анализа в контуре автоматического управления параметров транспортных потоков. Анализ параметров обычно сводится к их усреднению в течение заранее заданного периода времени Ty и получению оценки:

3. Метод управления с общей коррекцией программы координации.

В данном варианте дополнительно появляется контур общей коррекции программы координации. Исходными предпосылками применения общей коррекции программы координации служат два основных допущения.

Первое сводится к аппроксимации зависимости скорости движения транспортных потоков от их интенсивности линейной функцией

- усредненное значение нормы вектора скорости свободного движения автомобилей при условии их независимого движения;

Данное допущение приемлемо в левой части основной транспортной диаграммы [2, 3] для небольших диапазонов изменений V и J.

Второе допущение предполагает, что интенсивность движения и оптимальный цикл управления также связаны линейной зависимостью

где J ? - норма вектора интенсивности движения, по которой принимается решение о выборе и оптимизации цикла координированного управления.

В пределах 5 - 10%-ного изменения предположение линейности также

практически приемлемо.

С учетом принятых допущений в контуре общей коррекции производятся следующие операции:

1) вычисляется разница между вектором-результатом измерения параметров транспортных потоков и контрольным вектором, соответствующим введенной в действие программе координации:

2) определяется коэффициент коррекции программы координации как функция от

3) все параметры программы координации умножаются на полученный коэффициент, в том числе цикл длительности тактов переключения светофорной сигнализации, временные сдвиги между включениями фаз управления, т.е.

После выполнения всех указанных действий программа координации наиболее адекватна транспортной ситуации в районе управления.

1.3 Основные функции и состав системы

Основные функции системы:

? координированное управление светофорной сигнализацией по параметрам транспортных потоков (при наличии детекторов транспорта) либо по времени суток;

? диспетчерское управление перекрёстками либо группой перекрёстков («зелёная улица») с дисплейного пульта оперативного управления;

? формирование статистики по работе технических средств;

? формирование статистики по параметрам транспортных потоков и выдача рекомендаций по изменению режимов управления.

Рассмотрим особенности АСУД, определяющие основные принципы их построения.

Современная АСУД создается как общегородская система, зоной действия которой является дорожно-транспортная сеть города. В этом находит выражение единый системный подход к управлению движением транспортных потоков, значительно возрастает взаимозависимость условий движения различных районов дорожно-транспортной сети между собой. Сеть и потоки в ней становятся единым организмом, требующим единого системного управления [4].

Общегородской характер АСУД имеет своим следствием повышение степени централизации управления. Это приводит, если учитывать значительные размеры территории современных крупных городов, к наличию в составе системы большого числа пунктов управления и контроля за движением, оборудованных аппаратурой автоматики и удалённых на десятки километров от управляющего центра.

Структурно АСУД представляет собой совокупность упорядоченных приёмов управления и взаимосвязанных элементов, реализующих эти приёмы. Основными компонентами, составляющими эффективно действующую АСУД, являются:

? комплекс технических средств;

? программное (математическое) обеспечение;

? организационное обеспечение.

Комплекс технических средств - детекторы транспорта, устройства передачи различных видов информации, образующие управляющий вычислительный комплекс системы, местные исполнительные устройства (дорожные контроллеры управления светофорной сигнализацией, знаками и указателями), средства диспетчерского контроля и управления движением.

Программное обеспечение (ПО) системы состоит из внешнего и внутреннего. В АСУД внешнее ПО образует набор программ (их часто называют технологическими программами), реализующих конкретные алгоритмы управления транспортными потоками. Внутреннее ПО - неотъемлемая часть средств вычислительной техники системы, поставляемая изготовителем вместе с этими средствами. ПО включает в себя программы (их называют служебными), обеспечивающие взаимодействие различных частей управляющего вычислительного комплекса системы между собой, ввод и реализацию алгоритмов управления объектом, вывод результатов выполнения технологических программ. Кроме того, в состав внутреннего ПО входят программы контроля и диагностики вычислительного комплекса, а также вспомогательные программы для его тестирования и наладки.

Организационное обеспечение - штат специалистов, осуществляющих функции управления движением, а также эксплуатацию и обслуживание технических средств, подготовку и корректировку программ, составляющих ПО системы. Таким образом, наряду с техническими и математическими средствами человек является неотъемлемым элементом АСУД.

В процессе создания АСУД нельзя допускать недооценки какого-либо из этих трёх перечисленных компонентов. К сожалению, на практике часто имеет место недооценка математического обеспечения и подготовки персонала, что приводит к затягиванию сроков ввода систем в эксплуатацию и их невысокой эффективности.

1.4 Расчёт режимов управления

При настройке режимов управления АСУД используются уже готовые параметры управления, которые рассчитываются вне реального масштаба времени на основе собранной информации об условиях движения на перекрёстках. К основным параметрам управления, которые наиболее часто используются при подготовке программ координации, относятся длительность цикла, длительности фаз и величины сдвигов фаз. Расчёт фаз не рассматривается, так как эта процедура выполняется гораздо раньше, при проектировании организации дорожного движения для локального режима.

Аналитическое выражение для определения оптимальной длительности цикла T, обеспечивающего минимизацию задержки автомобиля у перекрёстка, можно выразить следующим образом [8]:

Следует отличать величину переходного периода от величины промежуточного такта. Переходный период является составной частью промежуточного такта.

Оптимальным считается цикл, при котором средняя задержка на один автомобиль при изменении длительности цикла в диапазоне

Таким образом, изменение средней задержки на автомобиль малочувствительно к отклонениям от оптимальной длительности цикла, что упрощает применение предложенной формулы в практических применениях при подготовке программ координации, где величину цикла необходимо изменять на нескольких перекрёстках.

Эффективные длительности фаз (основные такты) ti при оптимальной длительности цикла регулирования определяются следующим выражением:

При подготовке программ координации необходимо учитывать дополнительное требование при расчёте длительности основного такта:

- минимальная длительность основного такта i-й фазы.

Это требование обусловлено необходимостью перехода с одной ПК на другую.

Расчёт величин сдвигов фаз выполняется при подготовке программ координации. Сдвиг фаз обеспечивает согласованную работу смежных перекрёстков, при которой достигается безостановочный режим движения автомобилей.

При проектировании АСУД обязательным условием является количество охватываемых системой перекрёстков. Эта величина должна быть не менее 25-ти перекрёстков. В противном случае система не оправдает вложенные в её создание средства.

Применение ручных методов подготовки ПК [1] на практике ограничено по причине большой трудоёмкости. Поэтому при подготовке библиотеки программ координации следует пользоваться программными средствами.

Программа «LENTA» позволяет рассчитывать программы координации для магистралей, а программа «Трасса» сложной структурой.

Графоаналитический метод расчёта ПК

Использование этого метода целесообразно для расчёта ПК на магистрали любой протяжённости с неравными перегонами и количеством полос не менее двух для движения в каждом направлении и при любых значениях интенсивности движения. Основным недостатком этого метода является большая трудоёмкость.

Для расчёта ПК графическим методом необходимы следующие данные:

- схемы движения на перекрёстках;

- длительности цикла ПК;

- интенсивность движения по направлениям;

- расстояние между перекрёстками района управления (длины перегонов);

- средние величины скорости движения и времени проезда по перегонам.

Интенсивности движения должны быть в приведённых единицах на одну полосу движения.

Длина перегона указывается от стоп-линии одного перекрёстка до стоп-линии следующего (включая ширину зоны первого перекрёстка).

Важным вопросом при подготовке ПК является выбор средней скорости движения ТЕ. Учитывая опыт эксплуатации АСУД в нашей стране и за рубежом, можно отметить, что скорость движения групп ТЕ определяется рядом следующих условий: интенсивностью движения, числом полос, длиной перегона и др.

Введение координированного управления позволяет изменять среднюю скорость ТЕ на всей магистрали за счёт выравнивания её при движении ТЕ на перекрёстках. Поэтому искусственное навязывание определённой скорости движения ТЕ с помощью ПК эффекта не даёт.

Значения интенсивности и времени проезда должны соответствовать периоду времени, в течение которого будет функционировать рассчитываемая ПК.

График координированного управления строится в системе прямоугольных координат «время - путь». График выполняется на миллиметровой бумаге, по горизонтальной оси (в масштабе в 1 мм - 1 с) откладывают значение времени, по вертикальной оси (в масштабе в 1 мм - 10 м) последовательно откладывают отрезки прямой, соответствующие стоп-линиям перекрёстков регулируемой магистрали (рис. 1.1 и 1.2).

На горизонтальной полосе, соответствующей максимально загруженному перекрёстку, наносят в масштабе слева направо рассчитанную последовательность сигналов, указывая основные и промежуточные такты (например, перекрёсток 2).

От начала зелёного сигнала на этой горизонтали откладываем отрезок, равный времени проезда до следующего перекрёстка, затем к следующей горизонтали проводим перпендикуляр. Полученная точка есть время подхода пачки к перекрёстку. Аналогично получаем времена подхода пачек по всей магистрали в прямом направлении. Соединяя полученные точки на смежных перекрёстках линией, получим траекторию движения лидеров пачек.

Рис. 1.1 Схема района управления

Тц

1

1 2 1 2 1

2

2 1 2 3 1 2 3

Для движения в обратном направлении выполняем такую же процедуру и получаем при этом времена подхода пачек в обратном направлении.

На линиях, соответствующих каждой поперечной магистрали, наносим последовательность сигналов светофорного регулирования с указанием номеров фаз таким образом, чтобы времена подхода пачек транспортных средств соответствовали зелёному сигналу. Взаимное расположение по горизонтали точек, соответствующих началу зелёных сигналов, определяет совокупность их сдвигов относительно принятой нулевой отметки (в нашем случае - относительно времени включения зелёного сигнала на втором перекрёстке).

В процессе подготовки графика «зелёной волны» могут возникать трудности, обусловленные различными длинами перегонов, временами проезда и другими причинами. В связи с этим предлагается ряд следующих рекомендаций, позволяющих решать возникающие проблемы:

а) если при небольшом расстоянии между перекрёстками при подходе пачки транспортных средств у стоп-линии уже образовалась очередь ТЕ, въехавших с пересекающих магистралей или же остановленных в предыдущем цикле, то необходимо давать опережение включения зелёного сигнала, чтобы к подходу пачки накопившиеся автомобили продвинулись за стоп-линию. Величина опережения определяется следующим образом:

б) при большом расстоянии между перекрёстками (L>700 м) рекомендуется давать запаздывание включения зелёного сигнала, чтобы уменьшить распадение пачек ТС на подходе к следующему перекрёстку. Величина запаздывания зависит от длины перегона и составляет примерно 10% от времени проезда;

в) при несовпадении времени прибытия встречных пачек на перекрёсток предпочтение отдаётся тому ТЕ, который прошёл более короткий перегон, можно также варьировать значениями времени проезда в пределах + 15%, за исключением тех случаев, когда время проезда обусловлено не только скоростью движения ТС, но и особенностями перегона:

- пересечение с трамвайными путями;

- железнодорожный переезд;

- остановки общественного транспорта без специальных подъездных карманов;

- искусственное сужение проезжей части;

- изменение полосности магистрали;

г) при несовпадении времени прибытия встречных пачек можно также в целях расширения ленты времени, повышения эффективности управления изменять порядок следования фаз в цикле для данного плана координации;

д) необходимо учитывать особенности организации движения:

- движение в прямом и обратном направлениях организовано в разных фазах;

- движение организовано в нескольких фазах;

- движение организовано в промежуточном такте;

- наличие вызывных фаз;

е) иногда при расчёте сдвигов целесообразно ввести дополнительные изменения схем движения с целью повышения эффективности координированного управления:

- организовать движение в прямом и обратном направлениях в разных фазах;

- организовать поворотные движения, мешающие разгрузке основного потока, в промежуточном такте или других фазах;

- организовать координируемое направление в нескольких фазах.

В случае необходимости можно изменить длительность зелёного сигнала для координируемого направления за счёт второстепенных (пересекающих) направлений или же за счёт ликвидации одной - двух фаз;

ж) при небольших расстояниях управление на одном перекрёстке оказывает непосредственное влияние на транспортные процессы на соседнем перекрёстке, поэтому целесообразно до построения графика координированного управления на всей магистрали провести анализ взаимодействия на таких парах перекрёстков и рассчитать для них сдвиги включения сигналов друг относительно друга. Полученные результаты использовать при построении графика;

з) в ряде случаев, когда несколько перекрёстков на магистрали имеют длительность цикла T / 2, а один или два перекрёстка (как правило, с трёхфазной схемой) имеют длительность цикла T, в целях повышения эффективности ПК на перекрёстках с длительностью цикла T целесообразно организовывать повторение координируемой фазы (например, 1-2-1-3). Таким образом, длительность первой фазы делится на два равных интервала (при выполнении условия) и этим обеспечивается возможность прохождения «зелёной волны» в двух полуциклах;

и) в целях уменьшения задержки очередей ТЕ либо пешеходов без потерь эффективности ПК на трехфазных перекрёстках с циклами более 70 с целесообразно организовывать повторение включения этих фаз через другую фазу, например 1-2-3-2, где 2 - пешеходная фаза.

После нанесения на график последовательности сигналов для всех перекрёстков магистрали (с учётом вышеизложенных положений) график приобретает законченный вид.

Кроме того, на графике должны быть указаны времена проезда (от стоп-линии предыдущего перекрёстка до стоп-линии следующего).

Если район управления представляет собой совокупность взаимосвязанных участков управления, ПК также состоит из соответствующих участков, имеющих одинаковые или кратные наименьшему циклу управления. В этом случае строятся графики ПК отдельно для каждого участка. При этом необходимо учитывать, что на перекрестке, являющемся пересечением двух участков управления (управляемых магистралей), сдвиг включения зеленого сигнала, рассчитанный в ПК для одного участка, является нулевой точкой отсчета при построении графика ПК для другого участка управления. Поэтому целесообразно вначале рассчитать сдвиги включения светофорных сигналов для магистрали, имеющей наибольшее количество пересечений с другими управляемыми магистралями, а затем последовательно рассчитывать ПК для каждого последующего участка.

Несмотря на то, что одним из критериев координированного управления является минимизация количества остановок, в ряде случаев на протяженной магистрали допускается вводить на одном из перекрестков запланированную остановку с целью формирования пачки, что дает больший эффект управления на всей магистрали по сравнению с пропуском пачки на конец зеленого сигнала. Такую остановку целесообразно планировать на длинном перегоне.

Контрольные вопросы

1. Какие основные свойства и состояния присущи транспортному потоку?

2. Какие применяются параметры управления?

3. Какие параметры транспортного потока применяются в системе?

4. Назовите основные рекомендации при построении графика «зеленой волны».

2. Технические средства АСУД

2.1 Классификация технических средств

Комплекс технических средств для построения АСУД имеет значительное многообразие по функциональным возможностям и по назначению. В классификацию технических средств по функциональным возможностям входят следующие группы [5]:

? периферийные технические средства (дорожные контроллеры, детекторы транспорта, контроллер зонального центра);

? устройства центрального управляющего пункта (контроллер районного центра, дисплейный пульт оперативного управления, табло коллективного пользования);

? контрольно-проверочная аппаратура (имитатор центра, инженерный пульт).

В настоящее время технические средства для управления дорожным движением выпускают около 15-ти фирм в Российской Федерации. Для удобства дальнейшего изложения в качестве примеров в основном будут приводиться изделия, выпускаемые ЗАО «Автоматика-Д» г. Омска.

2.1.1 Периферийные технические средства

Дорожные контроллеры (ДК) для локального управления дорожным движением. Эти устройства осуществляют переключение светофорной сигнализации только с учётом местных условий движения, существующих на управляемом перекрёстке. Обмен информацией с устройствами управляющих пунктов в данных контроллерах не предусмотрен.

Устройства данного класса подразделяются на следующие типы:

?ДК с вызывными устройствами, осуществляющие переключение светофорных сигналов по вызову пешеходами. Предназначены для управления дорожным движением на пешеходных переходах транспортных магистралей или перекрёстках с малой интенсивностью движения транспорта по направлению, пересекающему магистрали. К этим устройствам относятся контроллеры ДКС с ТВП;

?ДК с фиксированными длительностями фаз, осуществляющие переключение светофорных сигналов по одной или нескольким заранее заданным временным программам и предназначенные для управления дорожным движением на пересечениях улиц с мало изменяющейся в течение дня интенсивностью движения транспортных средств. К устройствам данного типа относятся модификации контроллеров ДКС, ДКП и др.;

?ДК с переменной длительностью фаз, осуществляющие переключение светофорных сигналов в зависимости от параметров транспортного потока и предназначенные для управления дорожным движением на пересечениях улиц, на которых интенсивность движения транспорта часто изменяется в течение суток. К устройствам данного типа относятся контроллеры ДКМ4-4.

Дорожные контроллеры для АСУД. Эта группа контроллеров осуществляет переключение светофорных сигналов в зависимости от управляющих воздействий УП и включает следующие типы:

? программные контроллеры, осуществляющие переключение светофорной сигнализации по одной из нескольких заранее заданных временных программ. Все дорожные контроллеры подключены к магистральному каналу связи, а инициатором начального момента включения программы являются устройства управляющего пункта, таймер или непосредственно один из контроллеров. К устройствам данного типа относятся модификации ДКС;

? контроллеры непосредственного подчинения, осуществляющие переключение светофорной сигнализации по командам из управляющего пункта. Каждый из контроллеров связан с управляющим пунктом отдельной телефонной линией, по которой получает управляющие воздействия и сигнализирует о режиме функционирования и состоянии светофорного объекта. В ряде контроллеров заложена возможность коррекции управляющих воздействий в зависимости от реальной ситуации, сложившейся в данный момент времени на перекрёстке. К контроллерам непосредственного подчинения относятся модификации ДКС, ДКП, КДУ и др.

Детекторы транспорта для определения характеристик транспортного потока. Данный класс устройств подразделяется на следующие типы:

? детекторы проходные, которые выдают сигнал при появлении транспортной единицы в контролируемой зоне, причём параметры сигнала не зависят от времени нахождения и направления движения транспортных единиц. К таким детекторам относится ДТ-ИК;

? детекторы присутствия, обеспечивающие выдачу сигнала в течение всего времени нахождения транспортных единиц в контролируемой зоне.

К ним относится ДТ-ИК-П;

? детекторы скорости, обеспечивающие выдачу сигнала в течение времени прохождения транспортных единиц между зонами действия двух детекторов, установленных на одной полосе движения при фиксированном расстоянии между ними. К таким детекторам относится ДТ-ИК-С;

? детекторы состава потока, которые формируют сигналы прохождения транспортных единиц с разделением их по типам автомобилей. К ним относится ДТ-ИК-СП;

? устройства для получения статистических данных о транспортных потоках, которые обеспечивают оперативный подсчёт количества транспортных единиц с раздельной фиксацией результатов подсчёта для заданного периода времени вне систем. К таким ДТ относится устройство накопления информации по транспортным потокам (УНИТП).

2.1.2 Устройства центрального управляющего пункта (ЦУП)

Устройства ЦУПа выполняют функции координации и диспетчерского управления светофорными объектами и в зависимости от назначения могут быть следующих видов:

? специальные устройства - контроллер районного центра (КРЦ), выполняющий функции координации светофорной сигнализации в район управления. КРЦ на базе ПЭВМ устанавливаются в помещении центрального управляющего пункта и служат для выполнения функций управляющего вычислительного комплекса (УВК). Данные устройства обладают программным обеспечением и хранят библиотеку программ координации;

? дисплейный пульт оперативного управления (ДПОУ). Пульты управления, предназначены для диспетчерского управления светофорной сигнализацией в АСУ дорожным движением. Пульты оперативного управления выполняют функции набора определённых команд управления и визуальной индикации о выполнении посланных команд. Пульты систем, в состав которых входит УВК (АСУД-С), обладают качественно более высокими функциональными возможностями. Это позволяет диспетчеру не только контролировать состояние всех периферийных объектов, но и вмешиваться в управление как отдельным перекрестком, так и группой перекрёстков, организуя специальные режимы: «Зелёная улица», «Жёлтое мигание» и т.д.;

? специальные табло коллективного пользования (ТКП), отражающие конфигурацию управляемого района, места установки технических средств и индикацию, позволяющую контролировать их работоспособность. Функциональная нагрузка, выполняемая ТКП, заключается в выдаче диспетчеру информации об отработке и неисправностях технических средств; автоматизированный система управление транспортный

? аппаратура обмена информацией, построение которой обусловлено алгоритмами сопряжения периферийных устройств с устройствами центрального управляющего пункта системы. Необходимость уменьшения количества линий связи привела к созданию блоков, имеющих возможность обмена информацией по магистральному каналу связи. Однако сложность узлов ввода-вывода информации, их недостаточная надёжность обусловили разработку данных узлов параллельно с использованием радиального канала связи. К устройствам этого типа относятся устройства согласования УС.

2.1.3 Контрольно-проверочная аппаратура

Проверка технических средств производится с помощью контрольно- диагностической аппаратуры (КДА), применяемой для контроля работоспособности в процессе функционирования КТС, настройки и программирования периферийных устройств.

В состав КДА входят следующие устройства:

? инженерный пульт для проверки, настройки и частичного программирования контроллеров серии ДКС;

? имитатор центра для проверки подчинения дорожных контроллеров командам из центра.

2.2 Основные принципы построения систем

В соответствии с общепринятой классификацией структур АСУД [9] по области применения и сложности функционирования имеется три уровня систем.

Первый уровень систем наблюдается на любом регулируемом перекрёстке со светофорной сигнализацией, функционирующем в локальном режиме.

Второй уровень систем представляет собой группу регулируемых перекрёстков (как правило, до шестнадцати ДК на одной магистрали), функционирующих в согласованном друг с другом режиме. Согласованный режим может обеспечиваться средствами радиосвязи, либо магистральным каналом с устройствами согласования ДК, либо по радиальным каналам связи с использованием контроллера зонального центра (КЗЦ).

Примерами систем второго уровня являются системы на базе контроллеров ДКМ2С-4 из средств АСС-УД, а также системы с применением КЗЦ из средств КТС «Сигнал» [10].

Третий уровень систем имеет ЦУП с сетью ПЭВМ, выделенные телефонные каналы связи (возможно применение радиосвязи) и неограниченное множество дорожных контроллеров (возможны варианты с КЗЦ). Обобщённая структурная схема АСУД третьего уровня приведена на рис. 2.1.

Как видно из схемы, любой ДК позволяет подключать к нему табло вызова пешеходное (ТВП) и управлять светофорными объектами (СО). На одну линию связи можно подключать ДК и ДТ. Кроме того, по коммутированным каналам связи ГТС через модем можно передавать информацию с ЦУПа в ГИБДД.

Рис. 2.1 Обобщенная структурная схема АСУД третьего уровня

2.3. Дорожные контроллеры

2.3.1 Функциональные блоки

Основным видом периферийных технических средств АСУД являются дорожные контроллеры, обеспечивающие переключение светофорной сигнализации на перекрёстках.

В настоящее время 15 фирм России выпускают дорожные контроллеры (ДК) разных типов и конструкций. Но, несмотря на это разнообразие, все производители ДК придерживаются общих принципов. Обобщённая структурная схема дорожного контроллера представлена на рис. 2.2.

В структуре построения любого ДК можно выделить ряд основных блоков, каждый из которых выполняет обязательную функциональную задачу. К таким блокам относятся следующие: системный, питания, связи и силовой.

Рис. 2.2 Обобщенная структурная схема дорожного контроллера

Основное назначение блока связи заключается в расшифровке информации, поступающей из ЦУПа, и формирование объектной сигнализации.

Главным элементом системного блока является микропроцессор с памятью и программным обеспечением. Этот блок выполняет все логические операции ДК, а именно: выбор приоритета, режима управления, формирование команд на переключение светофорной сигнализации, осуществление контроля за неисправностью составных частей и обеспечение взаимодействий всех блоков.

Блок питания обеспечивает формирование требуемых уровней напряжения и тока для всех блоков ДК.

Разнообразие ДК обусловлено рядом требований и причин.

Во-первых, выполнение всей схемы ДК на единой плате (ДКС-Д) либо на различных платах - субблоках (ДКС16). В случае выполнения на единой плате стоимость изготовления существенно снижается по сравнению с субблоковым вариантом, но при этом значительно сокращается возможность ДК по подключению к нему внешних устройств (устройство связи с ДТ, выносной пульт управления).

Во-вторых, требование к количеству коммутируемых групп ламп изменяется от 8 до 64 и зависит от сложности организации движения на перекрёстке. Наиболее распространёнными являются варианты ДК на 16 (около 75%) и 24 (около 15%) коммутируемых групп ламп. Совершенно очевидно, что изготовление ДК в соответствии с требованием количества коммутируемых групп ламп является экономически выгодным.

И, в-третьих, все изготовители ДК при выборе конструктивных решений адаптируются к условиям завода-изготовителя и его наработкам.

В настоящее время в России фирмы, имеющие наибольшие объемы реализации ДК, находятся в городах: Нальчик, Нарткала, Екатеринбург (две фирмы), Омск, Красноярск, Пенза.

Ниже приведено описание распространённого во многих городах России типового дорожного контроллера ДКС, выпускаемого ЗАО «Автоматика-Д» (г. Омск).

2.3.2 Дорожный контроллер ДКС-Д

Назначение изделия. Контроллеры дорожные ДКС-Д, внешний вид которых приведен на рис. 2.3, предназначены для работы на городских перекрестках с малой и средней сложностью организации движения и осуществляют:

- координированное управление транспортными и пешеходными светофорами в составе АСУД;

- локальное управление движением транспорта и пешеходов по жесткой временной программе, выбираемой в зависимости от времени суток, дня недели, месяца;

- оперативное задание режима «Желтое мигание» от встроенного

тумблера ЖМ.

Рис. 2.3 Внешний вид ДКС-Д

ДКС-Д могут работать в составе АСУ дорожным движением разных поколений, таких как АСС-УД, АСУД «Сигнал», АСУД-С, КТС-М. ДКС-Д рассчитаны на непрерывную круглосуточную работу в стационарных условиях на открытом воздухе при температуре от -40 до +50 ?С.

Технические характеристики. Технические данные ДКС-Д в зависимости от модификации приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Модификация	Отличительные признаки
	Функция связи с центром	Тип клеммного блока для расключения входных кабелей	Тип нагрузки	Габаритные размеры, мм
ДКС-Д	Нет	Под пружину	Лампы	520х430х350
ДКС-Д-01	Есть
ДКС-Д-02	Нет		Светодиоды
ДКС-Д-03	Есть
ДКС-Д16	Нет	Под винт	Лампы	670х430х382
ДКС-Д16-01	Есть
ДКС-Д16-02	Нет		Светодиоды
ДКС-Д16-03	Есть

Максимальное число выходных силовых цепей для подключения групп светофорных ламп - 16. При подключении светодиодных секций сохраняются все функции контроля.

Максимальное количество направлений - 6. Максимальное количество регулируемых фаз - 6.

Максимальный ток нагрузки, коммутируемый в любой момент времени, - 15 А.

Максимальный ток нагрузки одной силовой цепи - не более 3 А для ламповой нагрузки и не более 1,2 А для светодиодной нагрузки.

Минимальный ток нагрузки одной силовой цепи соответствует току лампы накаливания мощностью 60 Вт, для светодиодной нагрузки - 40 мА.

Контроллеры ДКС-Д обеспечивают возможность щадящего включения ламп, увеличивающего ресурс их работы в 1,5 - 2 раза.

...