Файл: Петров В.В. Автоматизированные системы управления дорожным движением в городах.doc

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

+ + , (1.1)

где каждое из трёх слагаемых описывает определённую часть потока:

• – свободно движущаяся;

• – частично связанная;

• – связанная часть ТП.

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.

. (1.2)

C математическим ожиданием:

. (1.3)

С дисперсией:

D_k= . (1.4)

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

+( ) . (1.5)

, (1.6)

где – средняя интенсивность движения по всему потоку; – интенсивность внутри пачки при выходе её с перекрёстка; – расстояние пачки от перекрёстка; – максимальный порядок распределения Эрланга для пачки, только что вышедшей с перекрёстка; – порядок распределения Эрланга по потоку после окончательного распределения и слияния пачек; _, – коэффициенты распадения пачек для и ; в квадратных скобках – целая часть выражения.

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] V_min  V  V_max, где V_min – минимальное значение скорости, зависящее от технических характеристик автомобилей (как правило, V_min > 30 км/ч); V_max – максимальное значение скорости, зависящее от ограничений движения в городе (как правило, V_max = 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 и получению оценки:

, (1.7)

где n – количество измерений в течение ; – многомерный вектор- результат измерения параметров в заранее заданных сечениях дорожной сети.

После получения оценки осуществляется подбор ближайшего многомерного контрольного вектора из заранее заданного множества по минимуму вектора разницы :

. (1.8)

Для каждого контрольного вектора имеется заранее рассчитанная программа координации. При принятии решения о вводе программы координации взамен действующей необходимо учитывать наличие переходного интервала , в течение которого эффект от координированного управления резко снижается и практически становится равным нулю. Поэтому решение о смене программы координации на программу целесообразно принимать при условии

, (1.9)

где – эффективность управления за единицу времени при действующей программе и соответственно разнице; – эффективность новой программы.

Практически измерения, приведенные на действующих системах, показывают, что длительность составляет два-три цикла управления. Оценки и в настоящее время могут быть получены предварительными натурными измерениями или моделированием. Длительность может быть выбрана по критерию минимальной ошибки усреднения измеряемых параметров.

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

, (1.10)

где – усредненное значение нормы вектора скорости свободного движения автомобилей при условии их независимого движения; – коэффициент пропорциональности и приведения; – норма вектора интенсивности движения.

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

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

, (1.11)

где – 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:

; (1.12)

2) определяется коэффициент коррекции программы координации как функция от :

, (1.13)

где – коэффициент пересчета;

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.

. (1.14)

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.