Алгоритм управления транспортными потоками

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И ПРОСВЕЩЕНИЯ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОУ ВПО  «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ  МАТЕМАТИКИ, ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ БЕЗОПАСНОСТИ 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

на  тему:

«Алгоритм управления транспортными  потоками» 
 
 

                                                               Выполнил:

                                                               студент IV курса

                                                               гр. 389

                                                               Е.И. Буторина 

                                                               Проверил:

                                                               И.М.Фролов 
 
 

     Тюмень, 2012 

Содержание

1. Введение 3

2. Классификация методов автоматизированного управления транспортными потоками 4

2.1. Локальные жесткие алгоритмы управления 6

2.1.1. Локальное жесткое управление длительностью цикла и длительностями фаз 6

2.1.2. Жесткое управление структурой промежуточных тактов 9

3. Сервисов для предотвращения образования автомобильных “пробок” 12

3.1. Описание сервисов 12

3.1.1. Сервисы моделирования и управления движением транспорта в транспортной сети 12

3.1.2. Сервис информационной поддержки участников дорожного движения. 13

3.2. Математическая модель управления транспортной сетью 14

4. Заключение 19

5. Список литературы 21 

1. Введение

     Резкий  рост автомобилизации, наблюдающийся  в последнее десятилетие во всех городах России и в частности  в  Санкт-Петербурге, ведет к обострению всего комплекса транспортных проблем: снижению скоростей движения транспорта, заторам,  росту аварийности, ухудшению  экологических показателей, характеризующих  качество городской среды.

     Радикального  улучшения условий движения транспорта в городе на длительную перспективу  можно достичь при осуществлении  мер градостроительного характера: строительстве мостов, тоннелей, пробивке новых магистралей. Осуществление  таких проектов требует значительных финансовых вложений и затрат времени.  Анализ показывает, что значительно  смягчить ситуацию позволит комплекс мероприятий, связанных  в основном с  совершенствованием управления транспортными  потоками в городе. Эти мероприятия  могут быть реализованы в кратчайшее время  с минимальными затратами  и по предварительной оценке позволят сократить задержки транспорта на 15-40%, сократить объем эмиссии выхлопных  газов на 10-28%, повысить безопасность движения и снизить вероятность  возникновения заторов.

     Развитие  систем автоматизированного управления дорожным движением (АСУ ДД), наряду с разработкой комплексной схемы  организации движения транспорта в  пределах большого Санкт-Петербурга и  оптимизацией системы парковки автотранспортных средств, относится к комплексу  первоочередных работ по этому направлению.

2. Классификация методов автоматизированного  управления транспортными  потоками

     АСУ ДД представляет собой комплекс технических  средств, реализующий определенные технологические алгоритмы управления транспортными потоками.

     В настоящей работе рассматриваются  методы автоматизированного управления транспортными потоками посредством  светофорной сигнализации (светофорного регулирования) на городских улично-дорожных сетях (УДС). В задачу не входит вопрос рассмотрения нашедших широкое применение в мировой практике систем и методов  автоматизированного управления скоростными  городскими  и загородными магистралями (в настоящее время скоростные магистрали в Санкт-Петербурге отсутствуют), реверсивными полосами, сигнализацией  на железнодорожных переездах, а  также навигационных систем типа route guidance, предполагающих массовое оснащение транспортных средств специальным оборудованием. Таким образом, в рамках настоящего отчета будут рассмотрены только АСУ ДД, относящиеся к классу городских систем управления транспортными потоками. В англоязычной литературе для таких систем обычно используется термин UTCS – urban traffic control system.

       Методы автоматизированного управления   светофорной сигнализацией допускают  классификацию по пространственному  и временному критериям (рис. 4.1.1).

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

     Алгоритм  светофорного регулирования является локальным, если для определения  параметров регулирования на перекрестке  используется только информация  о  транспортных потоках на подходах к  этому перекрестку и в зоне перекрестка.  При этом локальный  алгоритм может использовать  информацию, полученную как непосредственно  на стоп-линиях, так и   на отдаленных подходах к перекрестку (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 перекрестка, интенсивности и составе транспортных потоков на подходах к нему и/или на геометрических направлениях проезда через перекресток, наличии и/или отсутствии транспорта и пешеходов в различных зонах перекрестка (на стоп-линиях, в конфликтных точках).

     Особенностью  сетевых алгоритмов является использование  для определения параметров регулирования  информации о транспортной ситуации на нескольких перекрестках, обычно связанных  в единую сеть, характеризующуюся  значительной интенсивностью движения транспорта между соседними перекрестками  и   небольшими (до 600-700 м)  расстояниями  между ними. Как правило, на сетевом  уровне  определяются циклы регулирования  для группы перекрестков и сдвиги. Для определения этих параметров, помимо данных, необходимых для локального управления, используется информация о топологии сети, взаимосвязях  транспортных потоков на  соседних стоп-линиях и/или на геометрических направлениях проезда через перекрестки, временах проезда между соседними стоп-линиями. В состав исходной информации, используемой  для сетевого 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 жесткое управление) не исключает достаточно частого (до 3-5 раз в суточном цикле) изменения параметров регулирования, однако эти параметры определяются не исходя из текущей транспортной ситуации, а методом ее 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 расчет 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 ее к одному из классов транспортных ситуаций.

     Таким образом, в зависимости от сочетания  перечисленных критериев, каждый метод  автоматизированного управления транспортными  потоками в АСУ ДД можно отнести  к одному из следующих классов:

     - локальные жесткие алгоритмы  управления,

     - сетевые жесткие алгоритмы управления,

     - локальные адаптивные  алгоритмы  управления,

     - сетевые адаптивные  алгоритмы  управления.

1. Локальные жесткие алгоритмы управления

1. Локальное жесткое управление длительностью цикла  и длительностями фаз

     В настоящее время в Санкт-Петербурге наиболее распространенным является метод  локального жесткого однопрограммного управления светофорной сигнализацией. Этот метод используется на всех светофорных постах, не входящих в системы ТСКУ, АСУ ДД «Сигнал» или «Siemens», то есть более, чем на  500-х регулируемых перекрестках.

     Данный  метод основан на предварительном  расчете длительности цикла регулирования  и фаз регулирования. Существуют три подхода к расчету  этих параметров:

     расчет  по эвристическим формулам,

     метод, основанный на минимизации суммарной  задержки транспортных средств при проезде перекрестка,

     метод, основанный на выравнивании загрузки на всех транспортных регулируемых направлениях  на перекрестке.

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

     Во  всех методах  расчета параметров регулирования для локального жесткого  управления считаются заданными:

     I – количество направлений движения транспорта через перекресток,

     K – количество фаз регулирования,

     q_i -  интенсивность транспортного потока на направлении i, физических единиц в час,

     N_i – интенсивность потока насыщения на направлении i, физических единиц в час (Применяемая в России методика   определения этого параметра подробно описана в /1, 2/, однако она не учитывает, например, наличия парковок в зоне перекрестка, эффекта просачивания левоповоротных потоков, а также правоповоротных потоков, вынужденных пропускать пешеходов.),

     a_ik – коэффициенты распределения направлений по фазам (a_ik =1, если направлению i разрешено движение в фазе k, a_ik =0 в противном случае),

      t_k^min, t_k^max - минимальное и максимальное значение длительности фазы k, определяемые с учетом времени, необходимого для проезда транспорта и перехода пешеходами перекрестка, и допустимого времени ожидания разрешающего сигнала, 

     структура промежуточных тактов светофорного регулирования.

     При определении параметров регулирования по эвристическим формулам предварительно рассчитываются фазовые коэффициенты y_k:

     y_k=max{ a_ik*q_i/N_i},

     затем определяется длительность цикла T в секундах,

     T=max {25,min {120, (1.5*T_п+5)/(1- y_k)}}          (1)

     где Т_п – потерянное время, величина которого зависит от структуры промежуточных тактов и количества фаз регулирования.

     Длительность  основного такта фазы k f_k определяется равенством

     f_k=(T-T_п)*y_k/ y_k,                                         (2)

     а общая длительность фазы k t_k – суммарной длительностью основного и предшествующего ему промежуточного такта. Определенные формулами (1-2) длительности фаз подлежат корректировке с учетом ограничения их минимальных и максимальных значений.

     В /3/ показано, что параметры регулирования, определенные по эмпирическим формулам, близки к оптимальным с точки  зрения минимума суммарной задержки транспортных средств для четырехсторонних перекрестков с  симметричной конфигурацией  и простой двухфазной схемой организации  движения. Для более сложных перекрестков формулы (1-2) не позволяют определить оптимальные параметры регулирования.

     Зарубежные  методики предлагают несколько иные формулы для определения параметров регулирования. Так, в руководстве  по организации движения /4/ предлагается следующее соотношение для длительности цикла:

     T=T_п*X_Т/(X_Т- y_k,),

     где Х_Т – критический уовень загрузки перекрестка.

     При определении параметров регулирования методом минимизации суммарной задержки транспортных средств длительность цикла и фаз регулирования определяется в результате решения задачи выпуклого целочисленного программирования:

     min {T* q_i*[(1-G_i/T)²/(1-q_i/N_i) + 3600*q_i*T²/(q_i² G_i – T*G_i*q_i*N_i)]}     (3)

     где G_i – длительность разрешающего сигнала для направления i,

     G_i= a_ik* t_k - d_i

     d_i – величина потерь в промежуточном такте для направления i,

     при линейных ограничениях

      t_k =T,                                                                                         (4)

     q_i*T ‹ N_i*G_i,        i=1,...,I,                                                               (5)

     T< 120,                                                                                            (6)

      T>25,                                                                                              (7)

       t_k^min < t_k < t_k^max,    k=1,...K                                                              (8)

     и условии целочисленности переменных Т и t_k.

     Равенство (4) естественно следует из определения  параметров регулирования, неравенства (5) обеспечивает отсутствие заторов  на всех направлениях, а (6) – (8) отражают технологические ограничения, накладываемые  на длительности фаз и цикла регулирования.

     Решение задачи  (3) при ограничениях (4)-(8) обеспечивает минимум задержки транспортных средств на перекрестке в том  случае, если транспортный поток на подходах к нему не обладает выраженной пачкообразной структурой, что наблюдается при достаточно длинных перегонах между перекрестками, или цикличность прибытия пачек не совпадает и не кратна  циклу работы светофорного объекта. В случае совпадения или кратности циклов регулирования на соседних близко расположенных перекрестках минимизация задержки может быть обеспечена только в результате обеспечения их координированной работы.

     При определении параметров регулирования методом выравнивания загрузок   транспортных направлений     длительность цикла и фаз регулирования определяется в результате решения задачи 

     min max {q_i*T/(N_i*G_i)}                                          (9)

     при ограничениях (4) –(8) и условии целочисленности переменных Т и t_k.

     Параметры регулирования, полученные при выравнивании загрузок транспортных направлений, в  общем случае не позволяют обеспечить минимума задержки транспорта на перекрестке, но достоинством этого подхода является его применимость к перекресткам, уровень загрузки которых превышает 100%. Для таких перекрестков в принципе неприменимы формулы (1) – (3), выведенные в предположении об отсутствии заторов  на перекрестке.

     Помимо  трех перечисленных выше подходов к  определению длительности цикла  и фаз регулирования, возможно определение  этих параметров исходя из требования минимизации задержек всех участников движения, включая пассажиров общественного  транспорта (такая методика может  найти применение при решении  задач обеспечения приоритетных условий движения общественного  транспорта), или исходя из требования минимизации объема эмиссии выхлопных  газов.

     Режим регулирования, определенный по одной  из перечисленных выше методик и  использующийся в течение всего  суточного цикла, как это происходит при однопрограммном управлении, не обеспечивает оптимизации параметров регулирования при  характеристиках  транспортных потоков, отличающихся от расчетных.    Кроме жесткого однопрограммного управления длительностью цикла и длительностями фаз на перекрестке возможно применение режимов жесткого многопрограммного управления, при котором переключение программ осуществляется в режиме календарной автоматики в соответствии с временем суток и днем недели. Такой вариант стратегии управления близок к оптимальному, если характеристики транспортных потоков достаточно устойчивы в пределах календарных циклов,  а уровень загрузки перекрестка не превышает 70%.

2. Жесткое управление структурой промежуточных тактов

     Целью управления структурой промежуточных  тактов является сокращение потерь времени, связанных с переключением сигналов светофоров, при обеспечении безопасности движения транспорта и пешеходов  в период переключения фаз.

     Основными управляющими параметрами, задающими  структуру промежуточного такта  между двумя последовательными  основными тактами, являются его  длительность и определяемая для  каждого регулируемого направления  продолжительность интервала от начала промежуточного такта до момента  переключения с разрешающего на запрещающий сигнал или наоборот. Все остальные параметры (моменты переключения с красного на красно-желтый, с красно-желтого на зеленый, с зеленого мигания на желтый и так далее) являются производными от основных управляющих параметров промежуточного такта.

     Исходные  данными для определения моментов переключения являются времена разгрузки  регулируемых направлений. Времена  разгрузки определяются для каждой упорядоченной пары конфликтных  направлений, в том числе и  для пар «транспорт - пешеходы»  и «пешеходы - транспорт».  Эти  параметры в общем случае зависят  от:

• геометрических характеристик перекрестка, определяющих дислокацию конфликтных точек,
• динамических характеристик транспортных средств, преобладающих в транспортном потоке на регулируемом направлении (точнее, от характеристик транспортного средства, первым въезжающего на перекресток с включаемого направления, и транспортного средства, въезжающего на перекресток последним с выключаемого направления)
• факторов, влияющих на скорость проезда перекрестка – состояния дорожного покрытия, уклонов, наличия и состояния трамвайных путей.

     В /1, 2/ приведены рекомендации по определению  простейшей структуры промежуточного такта, состоящего из двух подтактов. Эти рекомендации не учитывают требования максимизации длительности разрешающих сигналов в промежуточном такте.  Уже отечественные контроллеры, разработанные в начале 80-х годов (серии ДКМ и ДКЛ), допускали реализацию промежуточных тактов сложной структуры, состоящих из большего количества подтактов. Для определения структуры таких промежуточных тактов известны три отечественные методики:

     метод, основанный на максимизации длительности разрешающих сигналов в промежуточном  такте,

     метод, обеспечивающий скорейшее включение  разрешающих сигналов во включаемой фазе (так называемый алгоритм раннего  включения),

     метод, обеспечивающий максимальную задержку включения разрешающих сигналов во включаемой фазе (так называемый алгоритм позднего включения).

       При максимизации длительности разрешающих сигналов в промежуточном такте /5/ его параметры определяются в результате решения задачи линейного целочисленного программирования:

     max ( b_m*s_m- b_n*s_n)                                       (10)

     при ограничениях, обеспечивающих безопасность движения:

     s_n-s_m≥ r_mn,              m=1,...,M, n=M+1,...N,         (11)

     гарантирующих минимально возможную длительность промежуточного такта:

     s_n≤max{r_mn}                          n=M+1,...N,           (12)

     и условии целочисленности переменных.

     Предполагается, что направлениям с номерами m=1,...,M разрешено движение в первом из двух последовательных основных тактов и запрещено движение во втором, а направлениям с номерами n=M+1,...N, наоборот, запрещено движение в первом из двух последовательных основных тактов и разрешено движение во втором. В выражениях (10) –(12) использованы следующие обозначения:

     r_mn – время разгрузки направления m относительно направления n,

     s_m,  m=1,...,M – интервал от начала промежуточного такта до выключения разрешающего сигнала на направлении,

     s_n, n=M+1,...N - интервал от начала промежуточного такта до выключения запрещающего сигнала на направлении,

     b_m, m=1,...,N – весовой коэффициент, зависящий от типа направления и уровня его загрузки.

     Алгоритмы раннего и позднего включения  представляют собой вычислительные схемы, позволяющие определить значения s_m и s_n, обеспечивающие минимальную или максимальную (соответственно) задержку включения разрешающих сигналов во втором основном такте.