CC BY
198
УДК 656.13.051/057
Власов Алексей Александрович
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза1
Доцент кафедры «Организация и безопасность движения»
Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Орлов Никита Андреевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза
Аспирант кафедры «Организация и безопасность движения»
E-Mail: [email protected]
Чушкина Кристина Александровна
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза Студент
E-Mail: [email protected]
Методика расчета режимов работы светофорных объектов в условиях насыщенного движения
Аннотация: Транспортные заторы в городах стали повседневным явлением, с каждым годом их число и продолжительность неуклонно увеличивается. Предотвратить или, по крайней мере, уменьшить перегрузку транспортной сети возможно только при использовании современных методов управления дорожным движением.
В статье рассмотрена методика расчета режимов работы светофорных объектов, препятствующая образованию общесетевых транспортных заторов. Обзор методов управления в современных автоматизированных системах управления дорожным движением показал, что для управления насыщенными транспортными потоками используются сценарии, заранее подготовленные на основе опыта транспортных инженеров.
В данном исследовании задача нахождения режимов работы светофорных объектов была сформулирована как задача максимизации интенсивности движения в области управления при соблюдении баланса входящих и исходящих потоков на предварительно указанных транспортных связях. Данная постановка задачи позволяет исключить образование транспортного затора на магистральном направлении. Оценка эффективности метода была проведена на микроскопической модели фрагмента транспортной сети в программе SUMO. Моделирование движения показало существенное сокращение времени движения по сети и задержек на перекрестках в сравнении с локальным адаптивным управлением.
Ключевые слова: Pежим работы светофорного объекта; насыщенное движение; баланс входящих и исходящих потоков.
Идентификационный номер статьи в журнале 02TVN214
1 440028, Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кабинет: 5206
1
Рост автотранспортного парка сопровождается резким увеличением интенсивности движения на автомобильных дорогах и городских улицах. Транспортная инфраструктура, в свою очередь, не может развиваться в таком же высоком темпе. Строительство новых и реконструкция существующих дорог является дорогим и трудоёмким процессом, требующим значительного времени. В результате транспортные заторы в городах стали повседневным явлением, с каждым годом их число и продолжительность неуклонно увеличатся. Заторы приводят к экономичным потерям из-за продолжительных задержек, которые они вызывают, и они также оказывают негативное воздействие на окружающую среду, увеличивая уровень шума и загрязнение токсичными компонентами отработанных газов.
Предотвратить или, по крайней мере, уменьшить перегрузку транспортной сети возможно за счет более эффективного использования имеющихся дорог при использовании современных методов управления дорожным движением. Ряд российских исследователей обращались к вопросам определения режимов работы светофоров в условиях возникновения транспортных заторов [4, 5, 6, 7], однако результаты их исследований не были востребованы практикой управления дорожным движением.
Основным принципом управления транспортными потоками в современных автоматизированных системах управления дорожным движением (АСУДД) является управление путем остановки транспортных средств. На каждый транспортный поток, движущийся через перекрёсток, посредством светофора воздействует один из сигналов -зеленый, желтый или красный. При внешней простоте управляющих воздействий, современные АСУДД имеют достаточно сложную структуру, которая включает, в том числе подсистему управление в условиях насыщенного движения (управление в условиях заторов) [1,2]. Рассмотрим принципы управления насыщенными транспортными потоками, на примере наиболее известных зарубежных АСУДД - SCOOT и MOTION.
SCOOT - одна из старейших АСУДД, реализующих централизованное адаптивное управление транспортными потоками. Централизация системы позволяет использовать общесетевые стратегии управления: пропуск пиковой загрузки; противозаторовое управление и нормирование объемов движения на подходах к зонам заторов; централизованный приоритет транспорта общего пользования [9].
Для формирования управляющих воздействий SCOOT использует транспортную модель, аналогичную программе TRANSYT и работающую в режиме online. SCOOT использует трех стадийную оптимизацию, последовательно определяя длительность цикла, разбиения длительности фаз и смещения начала цикла (используются соответственно оптимизаторы цикла, разбиения и сдвига). Каждый оптимизатор оценивает эффект небольшого изменения в сигнальном плане при данной транспортной нагрузке области, через индекс пригодности (performance index - PI), являющийся комбинированным показателем времени задержки транспортных средств и числа остановок на каждой связи:
PI = Х Кд + KwsSi)+ QP]
i=l
где di - задержка на связи i (определенной на множестве связей n); K - установленный пользователем фактор штрафа остановки, выражающий важность остановок относительно задержки; Si - количество остановок на связи i; wdi, wSi - установленные для каждой связи весовые коэффициенты задержки и остановки; QP - штраф очереди.
Управление в условиях сверх насыщенности движения основывается на следующих методах: смена значимости фактора перегрузки транспортных связей QP (при перегрузке транспортной связи производится смена ее коэффициентов значимости); нормирование и смена весовых коэффициентов wdi и wSi целевой функции.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,
Выпуск 2, март - апрель 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: [email protected]
Фактор значимости перегрузки определяется для каждой связи и используется для воздействия на оптимизацию разбиения (split) в пользу связи, на которой обнаружен затор. Смещение при перегрузке связи является фиксированной величиной, определяемой инженером экспертно, и используется только в условиях затора. Нормирование въезда позволяет уменьшить время разрешающего сигнала на подходах к переполненному участку и тем самым ликвидировать затор.
Система MOTION разработана в Германии и предназначена для работы в условиях постоянно увеличивающейся транспортной загрузки городов [8]. Главное отличие MOTION от традиционных АСУДД (таких как SCOOT, UTOPIA, SCATS) заключается в том, что оперативное посекундное управление сигнальными группами отдельного перекрестка отделено от уровня адаптивного управления сетью. Дорожные контроллеры используют локальное адаптивное управление («actuated traffic control»), а на сетевом уровне решаются задачи общесетевого характера и каждые 5 - 15 минут производится обновление настроек дорожных контроллеров.
Управление в случае возникновения дорожно-транспортных происшествий или заторов обеспечивается специальным модулем системы - CIM. Он использует предварительно подготовленные сценарии, качество которых зависит от опыта транспортных инженеров. Модуль CIM обеспечивает в общей сложности двенадцать стратегий управления. Рассмотрим подробнее некоторые из них.
Если транспортный спрос превышает пропускную способность управляемой области транспортной сети, то используется стратегия нормирования транспортного предложения. Для этого на основании транспортно-технического анализа выбираются транспортные узлы, на которых производится сдерживание входящего в область транспортного потока. Выбор узлов производится по следующим критериям:
• узел в направлении большого значения транспортного спроса на входах в область;
• узел, задержка в котором не будет иметь негативных экологических последствий для данной области;
• узел, увеличение очереди транспортных средств в котором не скажется отрицательно на транспортном потоке в соседней области.
В случае внедрения данной стратегии управления, в выбранных узлах устанавливается укороченные разрешающие сигналы:
tGi = MGG + (1 - SI /100)-(tGn -MGG),
где tGi - длительность сокращенного зеленого сигнала, MGG - минимальная длительность сокращенного зеленого сигнала, SI - весовой коэффициент, tGn - нормальная длительность зеленого сигнала.
Если был установлен факт возникновение транспортного затора, то увеличивается весовой коэффициент SI и соответственно сокращается длительность зеленого сигнала. При улучшении транспортных условий настолько, что логическая функция, идентифицирующая факт образования затора, не выполняется, то коэффициент SI автоматически уменьшается вдвое и новое значение длительности зеленого сигнала вводится в расчеты MOTION. Ситуация повторно оценивается через 15 минут. Минимальное значение индекса SI может быть равным 20, при меньших значениях устанавливается нормальная длительность зеленого сигнала.
Стратегия предотвращения блокировки поперечных направлений используется для того, чтобы воспрепятствовать возникновению длинных очередей на перегонах, способных заблокировать соседние узлы. Управление заключается в согласовании длительности разрешающих сигналов и временных сдвигов двух соседских узлов так, чтобы не превышалась пропускная способность перегона между ними.
Как видим, основной задачей управления насыщенными транспортными потоками является балансировка транспортного спроса и предложения на заранее определенных транспортным инженером связях (перегонах городских улиц). Балансировка достигается путем модификации весовых коэффициентов целевой функции управления или определяющих соотношений, причем значение корректирующих коэффициентов устанавливается транспортным инженером на основе собственного опыта.
Рассмотрим решение задачи управления светофорными объектами, обеспечивающее балансировку транспортного спроса и предложения в пределах отдельной области транспортной сети. Введем следующие обозначения:
J - множество транспортных связей области управления;
jpr - множество «защищенных» транспортных связей, на которых необходимо обеспечить движение без образования заторов, jpr е J;
N - множество регулируемых пересечений.
В общем случае, причиной образования транспортного затора является возникновение остаточных очередей на подходе u вследствие превышения количества вошедших в связь автомобилей qe"ter числа ее покинувших qa"'v (рисунок 1). Выход автомобилей из зоны управления, как правило, происходит по магистральным улицам общегородского или районного значения, соответственно множество jpr включает связи указанных улиц.
С учетом вышеизложенного сформулируем задачу оптимального управления в следующем виде:
max Q(g, о); (1)
при ограничениях:
qepr (g,о)- q J (g,o)< 0; (2)
gmin < g < gmax , (3)
где Q(g,o) = £ qarnv(g,о) - суммарная интенсивность отъезда в районе управления,
j
j е J ; g - управляющие воздействия (множество длительностей сигналов управления на светофорных объектах); о - транспортный спрос; gmax , gmin - соответственно верхние и нижние ограничения на длительность сигналов управления.
Qj
arnv a ,u
q2____
arriv qa 2 ,u
arriv qu ,b1
rr
enter
± qu -
arriv
I
arriv
qa3 ,u
Q3
----: b2
arriv 2
arriv qu ,b3
Ьз
Рис. 1. Баланс транспортных потоков на перегоне городской улицы
При условии, что исходящие транспортные связи не заблокированы, qu можно определить следующим образом:
qa
= min
А с • S ^
enter u о n,u u
qu
V
T
(4)
n у
где си - поток насыщения связи и; - длительность разрешающего сигнала на пересечении п е N.
Количество автомобилей, вошедших в транспортную связь, определяется долей поворотных потоков /Заи и длительностью разрешающих сигналов на предшествующем
пересечении:
qer = У min
Pa^q
arriv C a S n-1,a
T
n—1 у
(5)
где a - множество связей, входящих в пересечение n — 1, a е J
Согласно выражениям (4 - 5), оценка интенсивности движения в формулах (1 - 2) не может быть выполнена одномоментно на всех связях J транспортной сети. Для получения
^ arriv enter f ^ ^
всех значений qj и qj необходимо выполнение следующей итерационной процедуры:
1. задаем кортеж M , определяющий интенсивность входящих потоков на связях j;
2. задаем кортеж K, который будет включать связи транспортной сети, для которых определены все входящие потоки;
3. выполняем расчет входящих потоков кортежа M по формуле (5);
4e
. связи, для которых определены все входящие потоки, перенесем в кортеж q
5. выполним расчет исходящих потоков по формуле (4);
6. если кортеж M не пуст, выполняем п. 3 - 5, иначе процедура завершается.
enter . lu ;
a
В enter
результате выполнения процедуры получаем кортеж qu , в котором определены все входящие потоки связей J с учетом принятого управления g.
Как видим поставленная задача оптимального управления транспортной сетью со светофорным регулированием (1 - 5) является задачей нелинейного программирования, которая может быть решена численными методами.
Рассмотрим применение приведенного выше решения задачи управления для расчета режима работы светофорных объектов транспортной сети, приведенной на рисунке 2. Фазы движения транспортных средств показаны на рисунке 3, при этом на пересечениях A, B и C пропуск автомобилей производится в четыре фазы (I-IV фаза), на пересечении D предполагается наличие пятой, выделенной пешеходной фазы продолжительностью 20 с.
Распределение потоков по направлениям движения в пределах перекрестков в направлении север - юг: прямо - 85%, направо - 10%, налево - 5%; в направлении запад -восток: прямо - 55%, направо - 35%, налево - 10%.
Для объективной оценки эффективности предложенного способа расчета режимов работы светофоров, создана микроскопическая имитационная модель описанной выше транспортной сети в программе SUMO [10]. В качестве базового алгоритма управления принят общеизвестный метод адаптивного управления - алгоритм поиска разрыва в потоке (в зарубежной литературе именуемый «actuated traffic control») [4].
2000 авт/ч
2500 авт/ч
Рис. 2. Схема транспортной сети со светофорным регулированием
И
ИГ
I
Рис. 3. Фазы движения транспортных средств
При базовом методе управления наличие выделенной пешеходной фазы на пересечении Б инициирует образование транспортного затора на перегоне С - Б. В прошествии 20-25 минут затор принимает общесетевой характер, блокируя связь В - С, а впоследствии и весь маршрут движения А - В - С - Б. Плотность транспортного потока в зоне затора колебалась в пределах 205 - 100 авт/км в расчете на одну полосу движения (прерывистая линия на рисунке 4).
При установке режима работы светофоров, рассчитанного по формулам (1 - 5) образование затора не происходило, при этом наблюдались незначительные колебания плотности транспортного потока в районе 20 авт/км в расчете на одну полосу движения
(сплошная линия на рисунке 4). Благодаря этому суммарная задержка транспортных средств на перегонах маршрута движения А - В - С - Б сократилась в 2,5 - 4 раза (рисунок 5).
220 200 180 160
140 | 120
£ 100
5 80 сх
60 40 20 0
*
• /'
' 1 1 Г^ "г--1 '' '
/ X V Л 1 .• • V
' / " « ,
/ •
/ /
**
/ . . 111111111111111111 11111
300
1800
3300
4800
6300
1, с
- базовое управление ♦ предлагаемая методика
Рис. 4. Динамика плотности транспортного потока на связи В - С 70
А-В В-С С-Э
■ базовое управление
Рис. 5. Суммарная задержка на маршруте движения А - В - С - Б
Среднее время движения транспортных при базовом способе управления составила 234,63 с, а при установке режимов работы светофоров, рассчитанных по предлагаемой методике - 211,67 с. Среднее время ожидания разрешающего сигнала соответственно уменьшилось со 118,49 с до 101,96 с.
Как видим, использование предложенной методики позволяет не допустить образование общесетевого затора, уменьшить время движения в сети на 9,79% и сократить среднюю задержку на 13,95% в сравнении с алгоритмом адаптивного управления по поиску разрыва в потоке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоматизированные системы управления дорожным движением [Текст] / М.П. Печерский, В.Г. Хорович - М.: Транспорт, 1979. - 175 с.
2. Адаптивные системы управления дорожным движением в городах [Текст] / А. А. Власов: Монография. - Пенза: Изд-во ПГУАС, 2012. - 162 с.
3. Кременец, Ю.А. Технические средства организации дорожного движения [Текст] : Учебник для вузов / Ю.А. Кременец. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.
— 279 с.
4. Методика предупреждения сетевых транспортных заторов [Текст] / Р.Ю. Лагерев, Михайлов А.Ю., Лагерева С.В. // Вестник НЦБЖД. - 2010. - № 5. - с. 82-88.
5. Теоретические принципы возникновения и упреждения заторовых состояний на автодорогах [Текст] / В. Г. Живоглядов, О. Н. Бахтина // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2004. - N 3. - с. 103-105
6. Управление движением транспортных средств [Текст] / Н.О. Брайловский, Б.И. Грановский - М.: Транспорт. 1978. - 112 с.
7. Управление транспортными потоками в городах [Текст] / В.Т. Капитанов, Е.Б. Хилажев. — М.: Транспорт, 1985. - 94 с.
8. MOTION-a new on-line traffic signal network control system [Текст] / Bielefeldt, C. Busch, F.// Road Traffic Monitoring and Control, Seventh International Conference on London - 1994. - pp. 55-59
9. SCOOT - A Traffic Responsive Method of Coordinating Signals [Текст] / P.B. Hunt, D.I. Robertson, R.D. Bretherton, R.I. Winton // Report TRRL 1014 - Transport and Road Research Laboratory, Crowthorne, Berkshire, U.K., 1981 - 44 pp.
10. Recent Development and Applications of SUMO - Simulation of Urban MObility [Текст] / Daniel Krajzewicz, Jakob Erdmann, Michael Behrisch, and Laura Bieker. // International Journal On Advances in Systems and Measurements, - 2012. - 5 (3&4).
- pp.128-138
Рецензент: Родионов Юрий Владимирович профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ПГУАС, доктор технических наук.
Aleksey Vlasov
Penza State University of Architecture And Construction
Russia, Penza E-Mail: [email protected]
Nikita Orlov
Penza State University of Architecture And Construction
Russia, Penza E-Mail: [email protected]
Kristina Chushkina
Penza State University of Architecture And Construction
Russia, Penza E-Mail: [email protected]
Design procedure of traffic light signals in the conditions of the
saturated movement
Abstract: Transport jams in cities became a daily appearance, every year their number and duration steadily increases. To prevent or, at least, to reduce overload of a transport network probably only at use of modern methods by traffic control.
In paper the design procedure of traffic light signals, which interfere with formation of common network transport jams is considered. The review of control methods in the modern automated traffic control systems shown, that for control of the saturated transport streams in advance prepared scenarios on the basis of experience of transport engineers use.
In the given research the problem of a finding of functional modes of traffic light signals has been formulated as a problem of transport flows maximisation in the field of control at observance of balance of entering and driving off streams on beforehand specified transport links. The given statement of a problem allows exclude formation of a transport jam on main direction. The estimation of methods efficiency has been led on microscopic model of a transport network fragment in program SUMO. Movement modelling has shown essential shortening of network travel time and delays time at intersections in comparison with a local adaptive control.
Keywords: Traffic light signals; saturated movement; balance of entering and driving off streams.
Identification number of article 02TVN214
REFERENCES
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Avtomatizirovannye sistemy upravlenija dorozhnym dvizheniem [Tekst] / M.P. Pecherskij, V.G. Horovich - M.: Transport, 1979. - 175 s.
Adaptivnye sistemy upravlenija dorozhnym dvizheniem v gorodah [Tekst] / A. A. Vlasov: Monografija. - Penza: Izd-vo PGUAS, 2012. - 162 s.
Kremenec, Ju.A. Tehnicheskie sredstva organizacii dorozhnogo dvizhenija [Tekst] : Uchebnik dlja vuzov / Ju.A. Kremenec. — M.: IKC «Akademkniga», 2005. — 279 s.
Metodika preduprezhdenija setevyh transportnyh zatorov [Tekst] / R.Ju. Lagerev, Mihajlov A.Ju., Lagereva S.V. // Vestnik NCBZhD. - 2010. - № 5. - s. 82-88.
Teoreticheskie principy vozniknovenija i uprezhdenija zatorovyh sostojanij na avtodorogah [Tekst] / V. G. Zhivogljadov, O. N. Bahtina // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki. - 2004. - N 3. - s. 103-105
Upravlenie dvizheniem transportnyh sredstv [Tekst] / N.O. Brajlovskij, B.I. Granovskij - M.: Transport. 1978. - 112 s.
Upravlenie transportnymi potokami v gorodah [Tekst] / V.T. Kapitanov, E.B. Hilazhev. — M.: Transport, 1985. - 94 s.
MOTION-a new on-line traffic signal network control system [Tekst] / Bielefeldt, C. Busch, F.// Road Traffic Monitoring and Control, Seventh International Conference on London - 1994. - pp. 55-59
SCOOT - A Traffic Responsive Method of Coordinating Signals [Tekst] / P.B. Hunt, D.I. Robertson, R.D. Bretherton, R.I. Winton // Report TRRL 1014 - Transport and Road Research Laboratory, Crowthorne, Berkshire, U.K., 1981 - 44 pp.
Recent Development and Applications of SUMO - Simulation of Urban MObility [Tekst] / Daniel Krajzewicz, Jakob Erdmann, Michael Behrisch, and Laura Bieker. // International Journal On Advances in Systems and Measurements, - 2012. - 5 (3&4). - pp.128-138
