Комплексна оцінка режимів світлофорного регулювання на перехрестях

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА РЕЖИМІВ СВІТЛОФОРНОГО РЕГУЛЮВАННЯ НА ПЕРЕХРЕСТЯХ

Спеціальність: Транспортні системи

Полозенко Павло Миколайович

Київ, 1999 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Зі зростанням автомобільного парку і зі збільшенням інтенсивності руху на дорогах виникла проблема, що пов'язана з упорядкуванням процесу руху, та максимального забезпечення безпеки всіх його учасників.

З усієї кількості дорожньо-транспортних пригод (ДТП) 70% припадає на вулично-дорожню мережу (ВДМ) міста. В свою чергу аналіз статистичних даних свідчить, що 75% ДТП в містах відбувається на перехрестях. Задача організації дорожнього руху (ОДР) на перехрестях полягає у визначенні оптимального рішення, яке забезпечило б вільний і безпечний взаємний перепуск потоків транспорту та пішоходів без зіткнень, заторів і за найбільш короткий час. Транспортні засоби та пішоходи рухаються без суттєвих затримок на перехресті (виникає саморегуляція руху внаслідок виконання правил дорожнього руху), але до певного ступеня завантаження головних та другорядних напрямів. З підвищенням інтенсивності транспортних і пішохідних потоків на перехрестях починають виникати конфліктні ситуації, що різко збільшують кількість ДТП. У зв'язку з цим виникає необхідність в управлінні потоками, що рухаються по ВДМ.

Найбільш популярними методами управління рухом на перехрестях є управління рухом транспортних і пішохідних потоків за допомогою знаків, дорожньої розмітки, напрямних пристроїв, а також світлофорного регулювання (СФР). Впровадження СФР ліквідує більшість конфліктних точок, але призводить до зростання транспортної затримки. Таким чином, введення СФР не завжди виправдане і залежить, насамперед, від величин інтенсивності потоків, що конфліктують, а також ступеню їх конфлікту. Введення СФР вимагає оптимізації управління світлофорними об'єктами. Це можливо тільки з використанням сучасної техніки і технології управління, яка дозволяє наблизити режими роботи світлофорів, до відповідних умов руху на ВДМ. Для цього використовуються програмно-апаратні засоби, які об'єднуються в автоматизовану систему управління дорожнім рухом (АСУДР). Досвід створення і експлуатації АСУДР переконливо свідчить про можливості істотного підвищення ефективності процесу перевезень і безпеки учасників руху при високих рівнях інтенсивності в умовах обмеженої пропускної здатності ВДМ міста, тобто вирішення транспортної проблеми. Але в сфері управління дорожнім рухом за допомогою АСУДР саме перехрестя є місцем прикладання керуючих впливів при СФР. Крім цього слід відзначити, що перехрестя є першою і головною ланкою управління, що обумовлює необхідність проведення досліджень і удосконалень саме на перехрестях ВДМ міста. Без досконалого управління на перехресті неможливо налагодити процес управління рухом на магістралі, а тим більше в районі, в місті. Крім цього, сьогодні визначити універсальний критерій, який враховує всі фактори ефективності транспортного процесу (максимальне використання пропускної здатності ВДМ, мінімізація кількості дорожньо-транспортних пригод, забезпечення екологічних характеристик, зменшення часу поїздки та її безпечність та інші) є дуже складним завданням через те, що не всі фактори достатньо вивчені. Однак, будь-які керуючі впливи на перехресті обов'язково повинні враховувати фактор безпеки руху (БР). На сьогодні досить важко чітко обґрунтувати і оцінити введення тих чи інших керуючих впливів через відсутність можливості визначення кількісного показника рівня БР на перехресті при СФР.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження проведені в контексті “Програми забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів”, яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України від 06.04.1998 р., №466.

Метою дослідження є розробка методу комплексної оцінки режимів СФР на перехрестях ВДМ, що враховує схеми організації дорожнього руху (ОДР): параметри дорожнього руху і показники БР, для удосконалення технології управління світлофорною сигналізацією.

Задачі дослідження:

- аналіз існуючих методів оцінки складності перехресть і критеріїв управління рухом на перехресті;

- оцінка можливості принципової сумісності регульованих напрямків в окремих фазах регулювання або сигнальних групах (визначення можливості конфліктів);

- визначення кількісної оцінки конфліктності на перехресті;

- обґрунтування режимів СФР щодо вибору принципу управління, схем роз'їзду, черговості і кількості фаз регулювання (сигнальних груп), а також показників безпеки дорожнього руху;

- розробка алгоритмів оцінки технології управління світлофорною сигналізацією для формування бази математичного забезпечення систем автоматизованого проектування (САПР) ОДР на перехрестях.

Наукова новизна роботи - на основі формалізації зв'язку показників потенційної аварійності на перехресті з параметрами режимів світлофорної сигналізації розроблено метод комплексної оцінки режимів СФР з урахуванням інтенсивності руху транспортних потоків, ступеня їх конфліктності, типу і небезпечності конфліктних точок.

Практична цінність. Розроблена методика дозволяє:

- отримувати кількісну оцінку якості режимів СФР на перехрестях ВДМ;

- удосконалювати режими СФР на перехресті;

- обґрунтовувати та розраховувати режими СФР “за окремими напрямками” (сигнальними групами);

- оцінювати запропоновані до реалізації схеми ОДР, з точки зору забезпечення необхідного рівня БР на стадії проектування;

- автоматизувати процес проектування світлофорних об'єктів.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались на наукових конференціях Українського транспортного університету (1993-1999 рр.), на міжнародній науковій конференції “Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення” у м. Києві (1994 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 5 статей.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури та додатку. Повний обсяг дисертації складає 136 сторінок машинописного тексту. Дисертація містить 53 рисунки, 12 таблиць, 110 найменувань літературних джерел.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладені положення про актуальність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі дослідження.

Перший розділ присвячено аналізу сучасних методів оцінки складності перехресть і технологій управління рухом на ВДМ. Особливу увагу приділено проблемі критерії управління, вирішення якої дозволяє визначити шляхи удосконалення технології управління на перехресті. Цьому присвячені наукові праці багатьох вітчизняних та іноземних науковців: Вебстера Ф., Гаврилова О.А., Дзюби О.П., Дрю Д., Єресова В.І., Капітанова В.Г., Клінковштейна Г.І., Кременця В.І., Лобанова Є.М., Лук'янова В.В., Печерського М.П., Поліщука В.П., Раппопорта Г., Сільянова В.В., Самойлова Д.С., Фішельсона М.С., Хейта Ф., Четверухіна Б.М., Шештокаса В.В., Якушина Л.А. та ін.

Аналіз літературних джерел показав, що на даний час оцінка складності перехрестя найчастіше здійснюється методом конфліктних точок, який був запропонований у 60-тих роках Раппопортом Г. і розвинутий далі проф. Фішельсоном М.С., проф. Клінковштейном Г.І., проф. Шештокасом В.В та іншими. Така оцінка складності перехрестя враховує характеристики транспортного потоку і тип конфліктної точки, але не дає повної картини для вибору керуючих впливів, тому що перехрестя - складна система, яка характеризується не тільки процесом руху, а також багатьма іншими факторами, а саме: дорожні умови, існуюча забудова, видимість, схема ОДР і таке інше. Тому запропонований метод потребує доопрацювання і уточнення.

Проф. Лобанов Є.М. запропонував метод, що ґрунтується на використанні статистичних досліджень по аналізу ДТП, який дозволяє оцінити кожну конфліктну точку показником - небезпечність конфліктної точки. Така оцінка конфліктних точок дає можливість отримати прогнозовану величину - аварійність на перехресті. Вона дозволяє оцінити рівень БР на перехресті. Але ця методика не містить рекомендацій щодо шляхів оптимального вирішення схеми ОДР і застосування тих чи інших керуючих впливів.

Введення СФР або інших керуючих впливів (дорожні знаки, розмітка) регламентується відповідними державними стандартами, проте параметри режимів СФР: принцип управління (за фазами чи сигнальними групами), кількість та черговість фаз, заборона окремих маневрів на перехресті - не регламентуються і призначаються здебільшого на основі інженерно-інтуїтивних методів. Крім того, велике значення має сам спосіб оцінки ефективності тих чи інших керуючих впливів на транспортний потік.

Виходячи з цих умов пропонується удосконалити нормативну (традиційну) схему розрахунку режимів СФР шляхом оптимізації керуючих впливів з урахуванням додаткових кількісних і якісних показників.

Під режимом (програмою) СФР розуміється сукупність тривалості циклу регулювання, послідовність та тривалість фаз і тактів для сигнальних груп усіх напрямків перехрестя.

Під сигнальною групою розуміється сукупність світлофорних секцій (транспортних, пішохідних, трамвайних, додаткових), які перемикаються синхронно протягом усього циклу. При цьому режими перемикання сигнальних груп реалізують прийняту схему роз'їзду транспортних засобів і пішоходів на перехресті, що є складовою частиною загальної схеми ОДР на перехресті і режиму СФР зокрема.

Другий розділ присвячено розробці кількісної оцінки потенційної конфліктності транспортних потоків на перехресті. Для обґрунтування кількості фаз (сигнальних груп) в режимі СФР було розроблено механізм оцінки можливості сумісності окремих маневрів транспортних засобів в одній фазі (сигнальній групі).

Визначення “ваги” конфліктів на перехресті (ступеня конфліктності) дозволило підвести аналітичну базу для призначення кількості фаз, а втім, і розробку схем пофазового роз'їзду і чергування фаз. Для вирішення даної задачі було проведено формалізацію і систематизацію масиву даних, який характеризує схему ОДР на перехресті, у вигляді матриці напрямків, яка відбиває можливості виконання окремих маневрів з одного боку і ступінь конфліктності одночасного виконання декількох маневрів (у фазі) - з іншого. Така матриця інформаційне відображає схему ОДР на перехресті разом з певними характеристиками його геометрії. Поставлена задача була вирішена застосуванням певної системи кодування комірок матриці, а також їх вмісту.

Вхідні напрямки позначаються непарними цифрами, а вихідні - парними за годинниковою стрілкою. Була побудована матриця, колонки якої позначені номерами вихідних напрямків, а рядки - номерами вхідних. Таким чином, кожна комірка відповідає одному з маневрів. Введені позначення маневрів транспортних засобів:

- Р - розворот;

- П - прямо;

- Л - ліворуч;

- R - праворуч.

Суттєво, що при такому відображенні кожний маневр займає свою діагональ, тобто матриця є симетричною. Крім того, кожна комірка матриці відповідає однозначно певному маневру. Під ускладненням маневру розуміється, наприклад, рух ліворуч із крайньої правої смуги. Ці закономірності характерні і для більш складних перехресть.

Запропонований метод визначає матрицю маневрів на перехресті, але для кількісної оцінки БР необхідно мати інформацію про рівень безпеки дорожнього руху при здійсненні того чи іншого маневру і для перехрестя в цілому. Для цього необхідно визначити вагові коефіцієнти кожної комірки матриці перехрестя. Під ваговим коефіцієнтом розуміється числовий показник, який оцінює потенційну конфліктність маневру на перехресті.

Для визначення вагових коефіцієнтів кожної комірки матриці перехрестя була використана методика, в основу якої закладені результати статистичних досліджень аварійності на чотирьохсторонніх регульованих перехрестях, що не мали обмежень по виконанню маневрів, а на всіх підходах здійснювався двосторонній рух. Були визначені 15 схем типових конфліктів (типів конфліктних точок), що можуть виникати на перехрестях. В основу кількісної оцінки конфліктності покладено залежність кількості ДТП, які можуть виникнути на перехресті, від інтенсивності руху транспортних потоків і типу конфлікту. На роль вагового коефіцієнту було введено статистичну величину - очікувана кількість ДТП на перехресті за одиницю часу (рік).

Схеми типових конфліктів та математичні рівняння, які дозволяють визначити вагові коефіцієнти кожної зі схем. Ці рівняння враховують залежність очікуваної кількості ДТП (n) на перехресті від інтенсивності руху транспортних потоків (N) у відповідних напрямках.

Також, були визначені необхідні числові коефіцієнти, які коригують показник очікуваної кількості ДТП (b0, b1, b2):

Такий підхід дозволив побудувати схеми конфліктних ситуацій, які виникають при здійсненні кожного маневру. Для кожної конфліктної ситуації визначається показник п, а небезпечність даного маневру визначається відповідним ступенем конфліктності, який розрахований як сума вагових коефіцієнтів (п) кожної з конфліктних ситуацій. Для прикладу, побудована схема для оцінки ступеня конфліктності при маневрі “рух прямо”.

Конфлікти за схемами 1 і 2 відбуваються всередині транспортного потоку і відрізняються місцем виникнення (за схемою 2 - в зоні перехрестя, за схемою 1 - на підході до нього). Конфлікт за схемою 3 є конфліктом зі зустрічним рухом. Таким чином, під час здійснення маневру “рух прямо” можливе виникнення 11 типів конфлікту, які виникають за схемами 1, 2, 3, 4 (двічі), 5, 6, 7, 8, 13, 14. Для кожного типу конфлікту розраховується показник п, а ступінь конфліктності (n_сум) визначається за формулою:

Для маневрів “рух праворуч”, “рух ліворуч” аналогічним чином були побудовані схеми і обчислені ступені їх конфліктності.

Таким чином, формується матриця перехрестя з показниками БР у залежності від схем ОДР та інтенсивності транспортних потоків. У ролі критеріїв ОДР на перехресті використовується прогнозована величина - ступінь конфліктності.

Ступінь конфліктності перехрестя являє собою інтегральний кількісний показник оцінки рівня організації і БР на перехресті (як регульованому, так і нерегульованому), що залежить від схем ОДР (схем фазового роз'їзду), кількості і типу конфліктних точок, а також інтенсивності потоків, що конфліктують. Розраховується за формулою:

Де:

п_сум.і - ступінь конфліктності і-того маневру;

k - кількість маневрів можливих для виконання на перехресті.

Завдяки викладеному підходу виникла принципова можливість кількісної оцінки схеми ОДР у фазах СФР, з урахуванням показників безпеки та обсягів дорожнього руху. Третій розділ присвячений удосконаленню технології управління транспортними потоками на регульованих перехрестях. В процесі проведення числових експериментів було виявлено, що при певних умовах, які визначаються способом розрахунку додаткових тактів (перехідних інтервалів) циклу СФР, такий параметр режиму СФР, як втрачений у циклі час (L) залежить не лише від загальної кількості фаз (тактів), а також від черговості цих фаз (тактів) у циклі. Так при врахуванні часу руху транспортного засобу до найдальшої конфліктної точки (НКТ) перетинання в кожному з додаткових тактів, величина L змінюється на 15-20% у залежності від загального числа фаз (тактів) регулювання та їх черговості. Експериментально було доведено, що:

- існує оптимальна черговість фаз (тактів), при якій значення втраченого часу у циклі регулювання є мінімальним;

- при збільшенні кількості фаз (тактів), і як наслідок - кількості варіантів черговості фаз, діапазон:

L = Lmax - Lmin

В результаті була розроблена методика удосконалення технології управління транспортними потоками на регульованих перехрестях щодо вибору принципу управління (за фазами чи сигнальними групами), схем фазового роз'їзду, черговості і кількості фаз (сигнальних груп), та показників БР. У четвертому розділі викладений процес розробки алгоритмів для реалізації методики. Завдяки матричній формі опису системи взаємодії транспортних потоків на перехресті, зручності машинної обробки, був розроблений алгоритм вибору оптимальних керуючих впливів на перехресті. Умови оптимізації режиму СФР можна записати так:

В реальних умовах на (3) накладаються обмеження:

Числове значення критерію п_кр, що входить до обмеження (4) повинно коригуватися для кожного конкретного перехрестя з урахуванням сучасних наукових і практичних концепцій (наприклад, за проф. Лобановим Є.М. п_кр<3).

Запропонований алгоритм дає можливість на основі аналізу і оцінки сумісності напрямків та ступеня їх конфліктності визначити схеми роз'їзду транспортних засобів, що мінімізують вираз (3), кількість сигнальних груп на перехресті за критерієм рівня безпеки дорожнього руху. Після мінімізації кількості фаз і формування сигнальних груп визначаються схеми фазового роз'їзду транспортних засобів на перехресті. Це надає можливість розраховувати усі додаткові такти та перехідні інтервали для усіх можливих варіантів черговості фаз. Умови оптимізації режиму СФР за критерієм мінімального втраченого часу у циклі регулювання можна записати так:

Кількість можливих варіантів черговості з т сигнальних груп (фаз) регулювання при обмеженнях:

При цьому вираз для визначення втраченого часу у циклі має вигляд:

У свою чергу, тривалості додаткових тактів (перехідних інтервалів) t_пі є функціями параметрів транспортних потоків і дорожніх умов:

Де:

д - термін реакції водія, с;

V - швидкість на напрямку перехрестя, м/с;

d - комфортне уповільнення, м/с²;

lа - довжина автомобіля, м.;

l'НКТ, l”НКТ- відповідно дистанції від стоп-лінії до НКТ у фазі, м.;

a - максимальне прискорення при розгоні автомобіля, м/с².

Це також накладає обмеження на вираз (6). У третьому розділі доведено, що умова оптимізації (6) виконується при черговості фаз (сигнальних груп) для якої:

Мінімізація втраченого у циклі часу відповідно до виразів (6) і (11) реалізується алгоритмом, що приведений на рис. 10. Взагалі, визначення відстані до НКТ виконується експериментально через те, що значення lНКТі залежить від траєкторії руху транспортних засобів. На траєкторію руху впливають геометричні параметри перехрестя, такі як кут доріг, ширина та кількість смуг руху. Для кожного перехрестя геометричні параметри є індивідуальними і визначити аналітичні закономірності обчислення НКТі, які б охоплювали всі види перехресть, досить важко.

Проте сучасні комп'ютерні графічні технології дозволяють змоделювати траєкторії руху і визначити lНКТі, lНКТі. Черговість, що відповідає виразу (11) приймається за оптимальну.

П'ятий розділ присвячено практичному використанню розробленої методики і програмного забезпечення, в ньому сформульовані вимоги до апаратури, що реалізує запропоновані методики, а також основні економічні переваги запропонованого підходу та сфера застосування. Економічні перспективи запропонованого підходу ілюструються на прикладі типового перехрестя міської ВДМ. При цьому економічний ефект досягається за рахунок зменшення аварійності і скорочення непродуктивних транспортних затримок. Завдяки розробленим методам мінімізації конфліктності та втраченого часу в модернізованому режимі СФР він становить близько 270 тис. грн. на одне перехрестя.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Удосконалення технології управління транспортними потоками є важливою й актуальною задачею, пов'язаною з підвищенням ефективності міських транспортних систем. Аналіз вітчизняних та іноземних досліджень показує, що у більшості підходів такі параметри режимів СФР, як кількість фаз (сигнальних груп), їх черговість, вибір принципу управління призначаються на інженерному рівні і не мають математичного обґрунтування, що у ряді випадків обмежує можливості СФР як за ефективністю, так і за БР. Існуючі методи, алгоритми та моделі потребують постійного розвитку і адаптації до сучасних умов, що й склало мету дисертаційної роботи;

2. Формалізовано оцінку можливості принципової сумісності регульованих напрямків в сигнальних групах, що дозволяє обґрунтувати кількість фаз (сигнальних груп) в режимі регулювання;

3. Запропоновано кількісний показник рівня БР на перехресті, - ступінь конфліктності перехрестя - що враховує схему ОДР на перехресті, фазовий роз'їзд та інтенсивності транспортних потоків, тип і небезпечність конфліктних точок, а також кількість фаз або сигнальних груп в режимі регулювання;

4. Розроблено математичний опис для регульованого перехрестя, що враховує принцип управління, кількість і послідовність фаз (сигнальних груп), схеми фазового роз'їзду та інтенсивності руху транспортних засобів, а також показник безпеки дорожнього руху;

5. Розроблено і запропоновано комплексний метод оцінки, а на його базі - обґрунтування режимів і удосконалення технології СФР щодо вибору принципу управління, схем фазового роз'їзду, кількості і черговості фаз регулювання (сигнальних груп), а також показників безпеки дорожнього руху. Застосування цього методу дозволяє знизити: ступінь конфліктності перехрестя;втрачений час у циклі регулювання на 15-20%;

6. Розроблені підходи до комплексної оцінки технології управління світлофорною сигналізацією на перехрестях ВДМ є основою (базою) для математичного забезпечення систем автоматизованого проектування світлофорних об'єктів. Сформульовані принципи, структура і алгоритми, спрямовані на експертні методи прийняття проектних рішень.

ПУБЛІКАЦІЇ

перехрестя транспортний світлофорний

1. Полозенко П.Н., Ересов В.І. Комплексная оценка потенциальной конфликтности транспортных потоков на перекрестках // Автошляховик України. - 1997, №1. - С. 25-27.

2. Полозенко П.Н., Ересов В.І. Пути оптимизации светофорного регулирования посредством чередования фаз // Автошляховик України. - 1997, №2. - С. 5-8.

3. Полозенко П.М. Оцінка потенційних конфліктів транспортних засобів на перехрестях // Автошляховик України. - 1998, №2. - С. 20-23.

4. Полозенко П.М. До питання управління на перехрестях вулично-дорожньої мережі // Автошляховик України. - 1999. - №1. - С. 26.

5. Полозенко П.М. Щодо питання оптимізації режимів світлофорного регулювання на перехрестях вулично-дорожньої мережі // Безпека дорожнього руху України: науково-технічний вісник. - Київ: НДЦ БР МВС України, 1998 р. - №1. - С. 90-97.

Размещено на Allbest.ru