Бесперебойное функционирование дорожно-транспортного комплекса является базовым условием устойчивого развития экономики и социального благополучия населения. Автомобилизация, играя положительную роль в развитии экономики города и общества, без соответствующего инфраструктурного подкрепления порождает ряд серьезных проблем в области дорожного движения, имеющих далекоидущие последствия для социальной и экономической сферы.
Для поиска эффективных стратегий управления ТрП в мегаполисе, оптимальных решений по проектированию улично-дорожной сети и организации дорожного движения необходимо учитывать широкий спектр характеристик ТрП, закономерности влияния внешних и внутренних факторов на динамические характеристики смешанного ТрП. Применение моделирования и создания адекватной модели ТрП является актуальной задачей в процессе организации и управления дорожным движением.
Для решения задачи моделирования и управления ТрП необходимо провести классификацию существующих методов и моделей управления. Классификация методов управления ТрП приведена на рисунке.
Классификация методов управления транспортными потоками
Различают локальное и системное управления. Локальное заключается в выработке воздействий в зоне одного перекрестка на основе статистически оцененных микро- или макрохарактеристик потока, основываясь на предположении о пуассоновском характере прибывающего ТрП. Целевая функция локального управления обеспечивает получение оценки эффективности функционирования одного перекрестка без учета соседних.
Любой модуль программной среды интеллектуальной транспортной системы, локализованный информационно, как программный эквивалент класса объектов предметной области «Организация дорожного движения», характеризуется триадой <ТуреOb, TFunction, Algorithm>, где ТуреOb – тип объектов класса, TFunction – действия над объектами – переменными типа ТуреOb, Algorithm – схемы поведения объектов – экземпляров класса. TFunction и ТуреOb экспортируются из модуля-класса, Algorithm инкапсулированы в нем, так что пассивация и активация элементов Algorithm вне модуля опосpедована, – она производится через вызовы элементов Tfunction.
Под расчетом управляющих воздействий на изолированном (локальном) перекрестке понимается нахождение цикла работы светофорного объекта, всех основных и промежуточных тактов, обеспечивающих оптимум некоторого критерия качества.
Задача локального управления на перекрестке разделена на несколько частных задач, решаемых в следующей последовательности:
1. Фазообразование – формирование фаз управления, т.е. совокупностей неконфликтующих направлений, по которым могут двигаться транспортные средства на перекрестке. Критерием качества фазообразования примем общее число фаз управления на перекрестке и уровень загрузки фазы транспортными средствами. Сокращение числа фаз уменьшает число переходных интервалов, увеличение загрузки фазы повышает пропускную способность перекрестка.
2. Компоновка фаз – формирование последовательности включения фаз управления. Возможны включения в цикл специальных фаз, рассчитанных на пропуск отдельных видов ТС – трамвая, специальных автомобилей, либо пропуск фазы в цикле управления при отсутствии на соответствующих направлениях движения ТрС или пешеходов.
3. Коррекция длительностей – формирование длительностей фаз управления и формирование переходных интервалов, в течение которых происходит смена фаз управления [9].
Системное управление обеспечивает оптимизацию движения транспортных потоков в зоне, включающей в себя множество перекрестков и, как правило, производится с учетом макрохарактеристик потоков. Причем изменение управляющих воздействий на одном перекрестке неизбежно вызывает изменение характеристик ТрП на соседних перекрестках. Метод состоит в решении системы уравнений для взаимосвязанных транспортных потоков, на входах зоны эти потоки считаются пуассоновскими с постоянной интенсивностью. Каждый перегон и каждый перекресток описывается уравнением преобразования ТрП с учетом того, что исходящий поток одного перекрестка является входящим для других смежных перекрестков.
Обычным является конфликт целей локального и системного управлений. Поэтому, если на улично-дорожной сети (УДС) применяются совместно оба метода управлений, они разделяются по времени действия. Время, отводимое для локального управления, выбирается таким образом, чтобы ограничить воздействие ТрП на соседних перекрестках. Как локальное, так и системное управления могут быть реализованы как «жесткими» алгоритмами, не учитывающими кратковременные флуктуации потоков, так и адаптивными алгоритмами, которые «следят» за прибытием и убытием ТрП. Оба эти вида управления имеют серьезные недостатки. Локальное изолированное управление обладает недостаточной точностью. Системное (сетевое) управление сводится к решению систем нескольких десятков и даже сотен уравнений, требующих большого количества исходной информации о параметрах ТрП: интенсивности потоков для всех перекрестков, доли поворотного движения на каждом из них, типовые маршруты движения ТрП и т.д. Трудоемкое «точное» решение системы сетевых уравнений оправдано лишь при высокой точности описания транспортной ситуации, т.е. при наличии элементов адаптации.
Разделение методов управления на программные (off-line) и адаптивные (on-line) является еще одним способом классификации. Программное управление базируется на статистической устойчивости характеристик ТрП и заключается в расчете управляющих воздействий – программ координации для заранее выявленных типовых ситуаций и дальнейшем введении в действие соответствующих воздействий при появлении на объекте ситуаций, близких к типовым. Суть адаптивных методов заключается в оперативном расчете или коррекции управляющих сигналов в реальном масштабе времени в соответствии с результатами измерения и анализа характеристик ТрП. Приведенная классификация не отражает всего многообразия методов управления. В каждом из них имеются алгоритмы, отличающиеся видом целевой функции, описанием характеристик ТрП.
Разновидностью системного управления со сменой программ координации является координированное управление, составляющее основу стратегии и тактики управления дорожным движением. За последние годы проводилось широкое исследование проблемы координированного управления ТрП. Накопленный материал позволил установить некоторые закономерности изменения физических характеристик ТрП. Схема управления должна быть пригодной для различных условий, но достаточно простой, чтобы гарантировать надежность. Сущность координированного управления сводится к обеспечению безостановочного проезда группы автомобилей с определенной скоростью через все регулируемые перекрестки магистрали.
В рамках системного координированного управления, когда на длительности фаз накладываются большие ограничения с верхних уровней, данные алгоритмы функционируют в достаточно малых интервалах времени (15–20 мин).
Для больших районов управления задачи координированного управления целесообразно разделить на следующие:
1) выделение зон управления и оперативное формирование программ координации для каждой из них;
2) синхронизация программ координации (при условии равенства или кратности циклов управления).
Задачи системного управления ТрП взаимосвязаны между собой. В результате решения задачи высокого уровня определяется область ограничений для задач нижнего уровня. На задачи локального управления накладываются ограничения, определяемые на втором уровне переключения светофорных сигналов. На задачи второго уровня накладываются ограничения по циклу, определяемые в результате решения задач синхронизации программ координации. В свою очередь, задачи второго и третьего уровней решаются с учетом ограничений, вырабатываемых на верхних уровнях.
Целью расчета параметров светофорного регулирования при координированном управлении является определение длительности фаз и величин сдвигов фаз, обеспечивающих минимум обобщенного критерия, учитывающего величину задержек и число остановок ТрС на перекрестках магистрали.
Для расчета программ координации необходимо, чтобы исследуемый объект удовлетворял ряду требований [4]:
– интенсивность движения от 300 до 1000 авт/час на полосу движения (в приведенных единицах);
– количество полос – не менее двух, для осуществления маневров;
– диапазон длин перегонов до 1000 м;
– характер движения автомобилей на перегонах – групповой;
– отсутствие на перегонах помех движению (стоянки ТС, остановки общественного транспорта и т.д.).
Порядок расчета выглядит следующим образом:
– расчет длительности цикла на каждом перекрестке магистрали и выбор общего;
– расчет длительностей фаз на каждом перекрестке;
– расчет величин сдвигов фаз на каждом перекрестке.
Рассмотрим основные методы координированного управления на перекрестках [5].
Программное управление со сменой программ координации по времени. На основании эпизодических измерений характеристик потоков и показателей качества производятся анализ эффективности действующих программ координации и сравнение их с контрольными значениями. Если эффективность недостаточна, то перерассчитывается «библиотека» управляющих воздействий и контрольных значений времени их действия. Ввод в действие программы координации происходит в определенные, заранее установленные моменты времени.
Программное управление со сменой программ координации по характеристикам транспортных потоков. Смена программ координации происходит автоматически на основе информации, получаемой в течение заданного периода времени. При принятии решения о смене программы координации учитывается наличие переходного интервала, которым характеризуется режим работы светофора. В течение переходного интервала эффективность управления резко снижается. Оценка длительности интервала может быть получена из условия обеспечения минимальной ошибки усреднения измеряемых параметров.
Программное управление с общей коррекцией программ координации. В течение периода квазистационарности управляющие воздействия корректируются на основе информации об объекте. Локальное гибкое управление – объединяет методы управления на отдельном перекрестке, когда запаздыванием выработки управляющих воздействий по отношению к измерению и анализу характеристик можно пренебречь.
Комбинированное управление. В современных автоматизированных системах управления дорожным движением обычным является совмещение выбора программ координации из «библиотеки», общая и местная гибкая коррекции.
Управление в реальном масштабе времени – такое системное управление, при котором запаздывание отработки управляющих воздействий, рассчитываемых в процессе функционирования системы управления, не превышает времени, в течение которого можно пренебречь нестационарностью транспортного потока.
Эффективность координированного управления повышается, если задачу расчета программ координации решать с учетом взаимного влияния соседних перекрестков, степени распадения групп в зависимости от длины перегона, степени формирования групп в зависимости от величины сдвига фаз. Сущность компьютерных аналитических расчетов заключается в переборе вариантов, в результате чего определяются управляющие параметры, соответствующие минимуму критерия эффективности:
,
где f(Di) – задержка ТрП на i-м перекрестке для прямого направления;
– задержка ТрП на i-м перекрестке для встречного направления.
Эффективность программ координации определяют следующие основные факторы:
– снижение уровня задержек ТС у перекрестков, обусловленное оптимизацией управления светофорной сигнализации;
– увеличение средней скорости движения ТС на перегонах между перекрестками за счет уменьшения длин очередей у светофоров на красный сигнал и обеспечения минимально возможного числа перерывов в движении;
– сокращение числа неоправданных остановок в процессе движения, что приводит к уменьшению износа материальной части ТС и дорожных покрытий.