Управление транспортными потоками на локальном перекрёстке

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Транспортный поток

Движение транспортных средств (ТС) по УДС определяется поведением, как одного, так и коллектива водителей. Отдельный водитель, пытаясь достичь собственного оптимального решения, вступает в конфликт с другими, которые взаимодействуют с ним посредством обгонов, перестроения, смены полосы движения и т.д. Такая модель рассматривается в рамках микроскопического подхода. Маневры каждого автомобиля могут быть расценены как вероятностные события.

Однако, в случаях, когда много автомобилей движется в группе, ТП может быть рассмотрен как детерминированный и непрерывный. Применение микроскопических моделей (как и любое увеличение степени детализации описания) влечет за собой увеличение точности описания и числа параметров. Таким образом, с одной стороны, при увеличении степени детализации описания объекта растёт точность модели, а с другой - рост параметров ведёт к уменьшению её точности. При решении многомерных оптимизационных задач управления возрастают ресурсные затраты (время и память), затрудняющие получение приемлемого решения.

2. Основные характеристики и диаграмма транспортного потока

Различают следующие важные характеристики транспортного потока:

- интенсивность транспортного потока, ;

- плотность транспортного потока, ;

- средняя скорость потока, .

Эти параметры связаны следующим основным уравнением:

Различают два вида средней скорости транспортного потока: среднюю пространственную скорость и среднюю временную скорость , которые связаны следующим соотношением, выведенным для случая движения по дороге без пересечений:

,

где - дисперсия средней пространственной скорости;

- средняя пространственная скорость, т.е. средняя скорость n автомобилей, находящихся на заданном участке дороги в определенный момент времени;

- средняя временная скорость, т.е. средняя скорость n автомобилей, проходящих через заданное сечение дороги за определенный промежуток времени.

Графическое отображение уравнения (1.1), в котором в качестве значения скорости используется , представляет собой основную диаграмму транспортного потока. Диаграмма построена в виде зависимостей v_s=f(I) и I=f(k) для непрерывного ТП, движущегося по дороге без пересечений.

Выделено три основных режима движения: свободный поток, групповое движение и насыщенный поток.

Свободный поток характеризуется малыми интенсивностями движения, отсутствием взаимных помех движению между отдельными автомобилями. Скорость ТП характеризуется скоростью свободного движения . При небольшой плотности зависимость между скоростью и плотностью ослабляется. С повышением интенсивности движения до максимального значения I_с, соответствующего пропускной способности дороги, скорость изменяется до величины, определяемой точкой C на основной диаграмме. В зоне В-С (рис. 1.1. а) появляются существенные взаимные помехи движению автомобилей, в результате чего уменьшается возможность свободного обгона, и образуются группы автомобилей, движущиеся с приблизительно одинаковой скоростью. Режим движения в этой зоне является неустойчивым, поскольку небольшое увеличение групп в потоке может привести не только к уменьшению скорости , но и к переходу в область С-D, т.е. к снижению интенсивности движения. Поток в области D-Е принято называть насыщенным.

Характерной чертой насыщенного коллективного потока является сильный разброс величины ускорений (замедлений) относительно среднего значения.

а) б)

Рисунок 1.1 - Основная диаграмма транспортного потока: а) зависимость v_s =f(I); б) зависимость I=f(k)

Критическая плотность потока k_c - это значение, до которого с увеличением плотности k возрастает интенсивность I. При изменении плотности потока от k_c до k_J - плотности потока в условиях затора - интенсивность уменьшается от максимального значения пропускной способности I_c до нуля. Скорость кинематической волны при заторовой плотности определяется функциональной формой зависимости между скоростью и плотностью. В области критической плотности может существовать точка разрыва функции , что приводит к скачкообразному изменению скорости движения. Тангенс угла наклона вектора, проведенного из начала координат к точке, лежащей на кривой , соответствует физическому значению скорости v_s в данной точке (рис. 1.1 б).

Классификация фаз движения ТП основана на различных фазах состояния вещества: газообразное, жидкое, твердое.

Свободный поток. Транспортная сеть не загружена, и водители придерживаются желаемой скорости, свободно меняя полосу движения. На этой стадии ТС сопоставимы с потоком свободных частиц.

Синхронизированный поток. Транспортная сеть становится переполненной, водители теряют возможность свободного манёвра и вынуждены согласовывать свою скорость со скоростью потока. Эта стадия подобна потоку воды.

Широкие перемещающиеся заторы. Транспортные средства и их группы подобны кусочкам льда, движущимся в потоке жидкости.

Старт-стопное движение. При большом скоплении транспортных средств, движение ТП приобретает прерывистый характер. На этой стадии транспортный поток можно уподобить потоку замерзающей воды: транспортные средства становятся на какой-то промежуток времени как бы «примёрзшими» к данной точке улично-дорожной сети.

3. Механизм образования затора

Транспортный затор - это скопление на дороге транспортных средств, движущихся со средней скоростью, значительно меньшей, чем нормальная скорость для данного участка дороги. При образовании затора значительно (до 20 раз и более) снижается пропускная способность участка дороги. Если прибывающий поток транспорта превышает пропускную способность участка дороги, затор растёт лавинообразно. Дорожные заторы появляются по всему миру как результат увеличивающейся автомобилизации, урбанизации, а также как роста населения, так и увеличивающейся плотности заселения территории. Дорожные заторы уменьшают эффективность дорожно-транспортной инфраструктуры, увеличивая таким образом время в пути, расход топлива и уровень загрязнения окружающей среды.

В условиях затора резко возрастает вероятность дорожно-транспортного происшествия (ДТП). Ограничение и регулирование интенсивности движения может влиять на количество ДТП.

Рассмотрим механизм образования затора (рис. 1.2). Пусть на рассматриваемом перегоне длиной находится очередь из единиц транспорта, ожидающих права проезда через перекресток , и работа этого перекрестка обеспечивает пропуск потока от к , т.е. (пропускная способность перекрёстка больше, чем интенсивность прибывающего на него ТП).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 - Схема образования затора

Если длина дороги , занимаемая очередью на перегоне, не больше длины перегона, т.е. если то работа перекрестка протекает нормально. Однако, незначительное увеличение интенсивности транспортного потока, либо сбой работы светофорной сигнализации перекрёстка могут привести к ситуации, когда , т.е. когда очередь автомобилей, ожидающих права проезда через перекрёсток , не умещается на перегоне (i, j) и скапливается в зоне перекрёстка . Это немедленно ведет к нарушению нормального функционирования перекрёстка , на конфликтующих направлениях которого накапливается очередь ТС. Возникает положительная обратная связь по потоку, и затор лавинообразно распространяется на участок сети.

Заторы подразделяются на случайные и систематические, т.е. такие, которые характеризуются периодичностью во времени и устойчивостью в пространстве. Наиболее существенными и определяющими являются заторы, обусловленные пропуском ТС по пересекающимся направлениям, и составляют 75% общей задержки времени в сети.

Часто целью задачи управления при заторах на изолированном перекрёстке считается минимизация задержки ТС за интервал времени существования затора. Установлено, что весь интервал целесообразно разделить на два подынтервала, в каждом из которых управляющие воздействия различны. Оптимальность регулирования движения достигается путём использования циклов и фаз светофорного регулирования разной длительности.

Неустойчивость ТП в области пропускной способности и распространение возмущений в ТП приводят к разрывам в значениях его характеристик. Теоретическое и экспериментальное изучение многими исследователями механизма резкого изменения скорости позволило установить, что при приближении к уровню пропускной способности, увеличивается вероятность резкого снижения интенсивности и скорости движения. При обработке экспериментальных данных об изменении характеристик транспортных потоков в точке k_c фиксируется «прыжок» скорости от верхней границы к нижней (рис. 1.3), при этом вероятность резкого падения характеристик ТП возрастает от 10% при интенсивности движения, составляющей 0.75 от максимальной, до 90% при уровне пропускной способности.

Первые предположения о возможности возникновения разрывов в зависимостях между интенсивностью, плотностью и скоростью высказаны Л. Эдаем в 1961 г. Для описания разрывов используются макромодели, имеющие разрыв в точке k_c: одна модель - для низкой плотности , другая - для высокой .

Набольшее применение нашли следующие типы разрывных макромоделей:

Флуктуация количества ТС приводит к неустойчивости процесса движения в зоне пропускной способности и возникновению точки бифуркации. В этой связи основным направлением реализации полученных знаний выбрана теория катастроф. Переход от моделей теории катастроф к моделям дорожного движения состоит в изучении потерь устойчивости, определении факторов, влияющих на скачкообразное изменение параметров, интерпретации параметров катастрофы, построение и исследование модели.

4. Управление транспортными потоками

Управление ТП является типичной проблемой, в которой, с одной стороны, выступают присущая ей параллельность, динамика, децентрализация и недетерминизм, а с другой - широта спектра приложений, для которых она является ключевой. Разработка и исследование эффективности различных методов управления ТП требует знания закономерностей поведения ТП на улично-дорожной сети города - интенсивности движения ТП, плотности ТП, распределения интервалов между транспортными средствами в потоке в заданном сечении, времени проезда по некоторому перегону УДС, транспортных задержек и др.

Задачи управления ТП можно решать в рамках функционирования систем управления транспортной инфраструктурой: интеллектуальных транспортных систем (ИТС). Системный подход к решению задач управления транспортной инфраструктурой большого города обеспечивается разработкой и использованием ИТС.

Виды управления транспортными потоками

Методы автоматизированного управления транспортными потоками посредством светофорной сигнализации (светофорного регулирования) на городских УДС допускают классификацию по пространственному и временному критериям.

По пространственному критерию все алгоритмы светофорного регулирования делятся на локальные и координированные.

Алгоритм светофорного регулирования является локальным, если для определения параметров регулирования на перекрёстке используется только информация о ТП на подходах к этому перекрёстку и в зоне перекрёстка.

Перекрёсток это место пересечения, примыкания или разветвления дорог на одном уровне, ограниченное воображаемыми линиями, соединяющими соответственно противоположные, наиболее удаленные от центра перекрёстка начала закруглений проезжих частей. [ПДД

Различают следующие виды перекрёстков:

? равнозначные

? неравнозначные

? регулируемые (управляемые)

? нерегулируемые (неуправляемые)

? перекрёстки с круговым движением

Локальный алгоритм управления предусматривает использование информации, полученной как непосредственно на стоп-линиях, так и на отдаленных подходах к перекрёстку (200 - 400 м от стоп-линии). Локальные алгоритмы определяют цикл регулирования, последовательность фаз регулирования, их длительности или моменты переключения фаз, параметры промежуточных тактов. Для определения перечисленных параметров используется информация о геометрических характеристиках перекрёстка, интенсивности и составе транспортных потоков на подходах к нему и / или на геометрических направлениях проезда через перекрёсток, наличии и / или отсутствии транспорта и пешеходов в различных зонах перекрёстка (на стоп-линиях, в конфликтных точках).

Особенностью координированных алгоритмов является использование для определения параметров регулирования информации о транспортной ситуации на нескольких перекрёстках, обычно связанных в единую сеть, характеризующуюся значительной интенсивностью движения транспорта между соседними перекрёстками и небольшими (до 600-700 м) расстояниями между ними. Как правило, на координированном уровне определяются циклы регулирования для группы перекрёстков и сдвиги. Для определения этих параметров, помимо данных, необходимых для локального управления, используется информация о топологии сети, взаимосвязях ТП на соседних стоп-линиях и / или на геометрических направлениях проезда через перекрёстки, временах проезда между соседними стоп-линиями. В состав исходной информации, используемой для координированного управления, может входить матрица корреспонденций и данные о маршрутах их реализации.

По временному критерию все алгоритмы светофорного регулирования делятся на методы, реализующие управление дорожным движением по прогнозу и методы, действующие в реальном времени (адаптивные алгоритмы). При этом, к адаптивным методам традиционно относятся и алгоритмы, использующие краткосрочный прогноз транспортной ситуации на ближайшие 3 - 15 мин. Управление по прогнозу (или жёсткое управление) не исключает достаточно частого (до 3-5 раз в суточном цикле) изменения параметров регулирования, однако эти параметры определяются исходя не из текущей транспортной ситуации, а методом её прогноза, основанного на выполненных ранее (за сутки, неделю или более длительный период) наблюдениях. Промежуточное положение между адаптивными и неадаптивными алгоритмами занимают методы, основанные на ситуационном управлении. Методы этой группы предполагают предварительный расчёт параметров регулирования для различных классов транспортных ситуаций и создание библиотеки типовых режимов регулирования. Выбор конкретного режима из библиотеки производится в реальном времени на основании текущей информации о транспортной ситуации и отнесении её к одному из классов транспортных ситуаций.

Таким образом, в зависимости от сочетания перечисленных критериев, каждый метод автоматизированного управления ТП в ИТС можно отнести к одному из следующих классов:

- локальные жёсткие алгоритмы управления,

- координированные жёсткие алгоритмы управления,

- локальные адаптивные алгоритмы управления,

- координированные адаптивные алгоритмы управления.

Локальные жёсткие алгоритмы управления

В настоящее время наиболее распространенным является метод локального жёсткого однопрограммного управления светофорной сигнализацией. Данный метод основан на предварительном расчёте длительности цикла регулирования и фаз регулирования. Существуют три подхода к расчёту этих параметров:

- расчёт по эвристическим формулам,

- метод, основанный на минимизации суммарной задержки транспортных средств при проезде перекрёстка,

- метод, основанный на выравнивании загрузки на всех транспортных регулируемых направлениях на перекрёстке.

В качестве исходных данных для расчёта используется информация об интенсивности и составе ТП по направлениям проезда через перекрёсток, информация о количестве полос движения на подходах к перекрёстку и их специализации, а также данные о схеме пофазного регулирования и структуре промежуточных тактов. При расчёте также должны учитываться технологические ограничения, связанные с минимальной и максимальной длительностью фаз. Учёт ограничений на минимальные длительности фаз позволяет обеспечить длительность горения разрешающего сигнала, достаточную для перехода пешеходами проезжей части, проезда зоны перекрёстка трамваями. Учёт ограничений на максимальные длительности фаз позволяет избежать продолжительного горения запрещающего сигнала, ведущего к нарушению правил дорожного движения и снижению безопасности движения. При локальном жёстком однопрограммном регулировании исходные данные, как правило, соответствуют периоду максимальной загрузки перекрёстка.

Управление транспортными потоками в условиях затора

Одной из важнейших функций системы управления дорожным движением ИТС является предотвращение транспортных заторов. По мере своего роста затор не только останавливает движение первоначально вовлеченных в него транспортных потоков, но влияет на потоки на других улицах. Поэтому задачей управления является предупреждение не только возникновения, но и распространения заторов. Проблема управления насыщенными ТП осложняется трудностью локализации заторов в границах их первоначального возникновения.

Затор - особая ситуация на улично-дорожной сети, при которой среднее время задержки D транспортного средства превышает длительность цикла .

Заторы бывают «разовые» (случайные) и систематические (устойчивые). Причиной возникновения разовых заторов являются случайные факторы, например, дорожно-транспортные происшествия, аварийно-восстановительные работы на УДС. Для систематических заторов характерны периодичность во времени и устойчивость в пространстве. Такие заторы возникают на определенных направлениях движения на одних и тех же участках УДС в определенные интервалы времени, чаще всего в часы «пик».

В этой связи задача распознавания, предсказания и ликвидации предзаторовой ситуации, не допуская возникновения затора, является актуальной в управлении транспортными потоками. Решение проецируется на область устранения причин, вызывающих перегрузки «узких» участков УДС, путем перераспределения ТП. Система управления ТП должна своевременно в определенных точках УДС информировать водителей о возможности попадания в затор и рекомендовать какие-либо объездные маршруты следования, позволяющие обойти перегруженный участок сети.

5. Модель распространения затора

Зоны неустойчивости поведения ТП, существующие в области пропускной способности, незатухающие возмущение скорости приводят к разрывам в значениях характеристик ТП. В этих случаях транспортные средства в потоке вынуждены неоднократно трогаться с места и останавливаться. Небольшие изменения интенсивности движения распространяются вдоль потока ТС в виде «кинематических волн», которые могут накладываться друг на друга и вызывать появление «ударных волн», создающих большие перепады скорости в сторону её уменьшения. Ударные волны распространяются против движения и образуются на участках с пониженной пропускной способностью - в «узких» местах.

Будем полагать, что плотности соседних участков и УДС различны, обозначим плотность и скорость движения на участках и соответственно через и , и и . Если - скорость движущейся границы между участками и , то, исходя из закона сохранения, имеем

.

Решая уравнение относительно , получим

,

где и - интенсивности движения на участках и соответственно.

Для малых изменений плотности скорость передвижения граничной точки из уравнения (1.4), т.е. .

.

Для модели Гриншилдса величины и определяют по формулам:

,

.

Из уравнения (1.8) следует, что скорость граничной точки при пренебрежимо малом изменении (или ) удовлетворяет условиям:

.

При распространении ударной волны в ТП часть волны будет двигаться назад - в противоположном направлении движения потока, другая часть волны - вперёд, в направлении потока. При образовании ударной волны происходят резкие изменения плотности вплоть до разрыва, автомобили вынуждены замедлять скорость или останавливаться.

В подтверждение метода, учитывающего наличие разрывов, определены три зоны: зона постоянной скорости, зона постоянной интенсивности и зона постоянного изменения интенсивности в зависимости от плотности. В первой зоне скорость ТС определяется состоянием самой УДС, а интенсивность соответствует предъявляемым к УДС требованиям. Вторая зона представляет собой зону, в которой ожидаются «сбои» в режиме движения: средняя скорость падает, в то время как интенсивность можно поддерживать на высоком уровне. В третьей зоне (старт-стопное движение) скорость и интенсивность падают, что само по себе может являться определением затора.

Затор возникает в том случае, когда в транспортной сети на некоторых перегонах образуются очереди, длина которых оказывается больше длины соответствующих перегонов, т.е. . Поэтому управление в вынужденном режиме движения, в первую очередь, должно быть направлено на создание таких условий движения, при которых удовлетворяются ограничения для всех перегонов УДС.

Рассмотрим УДС , содержащую участков , каждый из которых наделен имманентными свойствами: уникальным номером , интенсивностью и др. Будем считать известными параметры УДС, ТП и алгоритмы работы светофорной сигнализации. Анализ снимков интенсивности позволяет заблаговременно выявить зоны, в которых наблюдаются режимы перенасыщенного движения.

Вне области предполагаемых заторов выделим некоторое количество участков , на которых будет измеряться интенсивность движения с дискретностью . Снимок интенсивностей в момент времени в зоне предполагаемого затора позволяет определить значение интенсивности, которое сложится к моменту времени t на дуге графа УДС:

,

где и - коэффициенты.

Суммирование ведется по всем участкам УДС, не принадлежащим зоне предполагаемых заторов. Для прогнозирования интенсивностей в областях, подверженных заторам, в системе управления необходимо хранить и периодически обновлять значения коэффициентов и , входящих в уравнение регрессии. По вычисленным значениям и при известных режимах работы светофорных объектов несложно вычислить длины очереди транспортных средств на перегонах в момент времени .

Если при прогнозировании по (1.10) окажется, что , это будет означать возможность появления затора на перегоне к моменту времени . Транспортную ситуацию, возникшую в момент времени , назовём предзаторовой.

6. Модель светофорного регулирования

Затор, сконцентрированный в пределах малой зоны, оказывает влияние на другие ТП и, если интенсивность движения превышает пропускную способность, затор распространяется ещё шире. Во избежание подобной катастрофы необходимо рассасывать очереди с целью уменьшения их влияния на другие ТП. Одним из методов рассасывания очередей является распределение ТП путём управления маршрутами движения ТС. Одним из методов борьбы с заторами является управление распределением периодов в цикле, минимизирующее величину интервала существования затора.

Пусть множество транспортных потоков , движущихся по дугам перекрёстка и подходов к нему, прибывает к перекрёстку с интенсивностью по -му направлению движения в течение времени , при этом интенсивность и потоки насыщения соответствуют заторовым. При многофазной работе светофорного объекта, для которого количество фаз регулирования равно , существует множество транспортных потоков , , осуществляющих движение во время эффективной разрешающей фазы: , тогда

,

где - потерянное время -го потока, - ограничительные константы.

Задачу нахождения управляющих параметров: светофорного цикла и фаз, минимизирующих величину интервала существования затора , можно записать как

транспортный затор поток светофорный

,

где Ї интенсивность потока при , при .

Задачу минимизации суммарной длительности задержки транспортных средств на перекрёстке за время существования затора можно решать как:

Решения сформулированных задач находятся численными методами.

6. Интеллектуальные транспортные системы

Термин «Интеллектуальные транспортные системы» характеризует комплекс интегрированных средств управления транспортной инфраструктурой (УДС, ТСОДД, ТП), применяемых для решения задач организации дорожного движения, на основе современных информационных технологий, организации информационных потоков о функционировании транспортной инфраструктуры в реальном режиме времени. Многоуровневая, сложноорганизованная ИТС представляет собой гибридную систему, состоящую из множества разнородных систем, сложным образом взаимодействующих друг с другом - управляющих, классифицирующих, прогнозирующих, экспертных, принимающих решения или поддерживающих эти процессы, объединенных для достижения единой цели.

Приоритетным направлением развития интеллектуальных транспортных систем является обеспечение безопасности дорожного движения. К функциям ИТС этого вида относятся: прогнозирование опасных ситуаций, выявление заторов и дорожно-транспортных происшествий, разработка планов действий в опасных ситуациях, информирование участников движения о возникновении нештатных ситуаций. Преимуществом ИТС при работе в этих условиях является возможность интеграции всех источников информации.

Задачи интеллектуальных транспортных систем

Классификация задач, решаемых в рамках функционирования транспортной инфраструктуры, позволит определить стратегию и тактику синтеза интеллектуальных транспортных систем.

1. Задачи мониторинга

1.1. Мониторинг транспортных потоков:

- мониторинг характеристик ТП (скорость, интенсивность, плотность и др.);

- сбор данных об условиях движения с помощью контрольных автомобилей;

- управление движением на скоростных дорогах.

1.2. Мониторинг характеристик улично-дорожной сети:

- паспортизация УДС, многоуровневых транспортных развязок и тоннелей;

- паспортизация надземных и подземных пешеходных переходов;

- паспортизация железнодорожных переездов;

- оценка текущего состояния УДС;

- мониторинг аварийно-восстановительных работ на УДС;

1.3. Мониторинг технических средств управления движением

- реестр дорожных знаков;

- реестр светофорных объектов;

- реестр дорожной разметки;

- магистральное и сетевое управление светофорной сигнализацией;

- автоматическая электронная плата за проезд и парковку;

1.4. Мониторинг загрязнения окружающей среды

2. Задачи управления.

2.1. Управление транспортными потоками

- координированное управление транспортными потоками;

- оценка качества функционирования транспортной сети;

- управление движением в чрезвычайных ситуациях;

- обнаружение дорожно-транспортных происшествий;

- мониторинг заторовых ситуаций для оценки динамики их развития;

- разработка стратегии управления дорожным движением в условиях заторовой ситуации;

- интеграция систем управления дорожным движением;

2.2. Управление перевозочным процессом

- обеспечение дотранспортной информацией, информирование клиентов о маршрутной сети, планирование поездок;

- бронирование транспортных услуг;

- оценка спроса на перевозки;

- маршрутное ориентирование, on-line мониторинг прохождения маршрута;

- выработка стратегии управления в конкретных ситуациях;

- оперативное изменение схем организации дорожного движения;

- управление приоритетным движением маршрутного транспорта;

- маршрутная навигация и предоставление приоритета специальным одиночным и колоннам транспортных средств (ТС);

- мониторинг перевозки опасных и крупногабаритных грузов;

- оптимизация маршрутной сети;

- интеграция систем управления перевозками;

3. Задачи информационного обеспечения участников движения:

- передача информации по каналам связи;

- сегментация информационных потоков;

- интеграция систем управления базами данных о дорожном движении.

Размещено на Allbest.ru

...