Введение

Быстрое развитие методов и средств автоматизированного управления дорожным движением обусловлено интенсивным ростом городских перевозок. В нашей стране данная тенденция особенно проявила себя в последние четыре десятилетия. Это связано прежде всего с тем, что разработка и производство средств автоматизированного управления дорожным движением (АСУД) были поставлены на промышленную основу. В 60-х годах было начато широкое оснащение городов техническими средствами и АСУД. Создание и внедрение АСУД осуществляется в соответствии с государственными программами по науке и технике. За 30 лет объём выпуска данных средств возрос более чем в 30 раз. В настоящее время в большинстве средних и крупных городов функционируют АСУД. Большое внимание уделяется унификации технических и программных средств.

Внедрение АСУД, как правило, обеспечивает быструю экономическую отдачу и положительно влияет на безопасность движения. Эффект от внедрения этих средств за счёт сокращения задержек транспорта и уменьшения количества расходуемого на передвижение бензина составляет в среднем 30 %.

Количество дорожно-транспортных происшествий (ДТП) на перекрёстках, оснащённых современными средствами управления, на 10 –15 % ниже, чем на нерегулируемых.

Постоянное усложнение дорожно-транспортных условий требует непрерывного совершенствования методов и средств управления движением. Если проанализировать динамику развития АСУД, то можно выделить четыре основных этапа.

На первом этапе разрабатывались локальные средства регулирования движения, заменяющие постовых милиционеров для изолированных перекрёстков. Были созданы установки для жёсткого регулирования движения, гибкого управления в зависимости от параметров транспортных потоков, устройства вызывного действия, обеспечивающие безопасный переход пешеходов через улицу. Все эти приспособления существенно повысили надёжность регулирования движения, позволили уменьшить количество инспекторов ГИБДД, регулировщиков движения транспорта. В определённой мере они обеспечили и повышение эффективности функционирования транспортных потоков. Например, применение установок гибкого регулирования снижает задержки транспорта по сравнению с жёстким на 10 – 20 %.

На втором этапе были созданы методы и средства жёсткого координированного управления транспортными потоками на отдельных магистралях или на небольших участках дорожных сетей. Были разработаны телемеханические системы координированного управления. Данные системы, обеспечивая работу светофорной сигнализации в режиме «зелёная волна», позволили основной массе транспорта проходить несколько перекрёстков подряд без остановок. При внедрении подобных систем резко возрастает средняя скорость движения транспорта, уменьшается количество задержек перед перекрёстками. Движение транспорта становится более упорядоченным, выравниваются в определённой степени скорости автомобилей, что способствует повышению безопасности движения.

Третий этап характерен созданием крупных АСУД, осуществляющих адаптивное управление транспортными потоками на больших городских территориях. Данные системы, обладая развитым информационно-измерительным и управляющим вычислительным комплексом, осуществляют непрерывный контроль параметров транспорта и автоматическую оптимизацию управления транспортными потоками на всей территории. Важным преимуществом АСУД является высокая адаптируемость к условиям дорожного движения на основе накопления и автоматической обработки данных по транспортным потокам. Существенной является и возможность автоматического безостановочного пропуска по дорожной сети специальных автомобилей. Отмеченные преимущества, а также автоматический контроль работы светофорных объектов обеспечили широкое распространение данных систем в крупных городах.

На четвёртом этапе были созданы АСУД на базе персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ) и микропроцессорной техники. Эти системы в несколько раз расширили перечень функций и решаемых задач, а также сократили затраты на их обслуживание за счёт большей интеграции. В настоящее время в нашей стране АСУД на базе ПЭВМ функционируют в 30 городах.

Широкое внедрение средств и систем автоматизированного управления дорожным движением осуществляется и в зарубежных странах. Ведущие фирмы по этому направлению – «Мацусита» (Япония), «Сименс» (ФРГ), «Плесси» (Англия), «ТРТ» (Франция), «ПИК ТРЭФФИК» (США) – обеспечивают разработку и внедрение АСУД. Следует подчеркнуть, что при общности основных концепций построения и развития данных средств и систем отечественные разработки различаются тактико-техническими данными, конструктивным исполнением и схемной реализацией.

Постоянное совершенствование методов и средств автоматизации управления дорожным движением требует развития служб эксплуатации. В состав службы АСУД с применением ПЭВМ должны входить специалисты со средним техническим и высшим образованием. Их подготовка должна иметь многосторонний комплексный характер. Обслуживание систем требует знаний в области измерительной техники, логических устройств, систем кодирования и передачи информации компьютеров. В то же время специалисты должны владеть элементами организации движения, знать свойства транспортных потоков, быть знакомыми с основами строительного и монтажного дела.

Современная АСУД – это комплекс строительных сооружений, кабельных проводок, сложнейших электронных и логических схем и сети компьютеров.

В данной книге делается попытка обобщить и систематизировать материал и опыт разработки и создания АСУД на базе ПЭВМ и микропроцессорной техники.

Изложенный в книге материал рассчитан на студентов специальностей «Организация и безопасность дорожного движения» и специалистов в области проектирования и эксплуатации АСУД.

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.