Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи 10
1.1 Анализ существующих методов координированного управления транспортными потоками 10
1.2 Анализ процессов преобразования транспортных потоков 17
1.3 Критерии качества управления движением 22
1.4 Постановка задач исследования 26
1.5 Выводы по первому разделу 28
РАЗДЕЛ 2. Теоретические исследования процессов преобразования групп автомобилей при высоких интенсивностях движения 29
2.1 Описание процесса движения групп транспортных средств 29
2.2 Модель преобразования групп автомобилей при движении от стоп-линии 36
2.3 Модель динамики преобразования групп автомобилей 39
2.4 Связь параметров светофорного регулирования и преобразования транспортного потока 43
2.5 Выводы по второму разделу 49
РАЗДЕЛ 3. Экспериментальные исследования процесса преобразования групп транспортных средств 50
3.1 Постановка задачи 50
3.2. Методика проведения эксперимента 54
3.3 Анализ результатов эксперимента 57
3.4 Выводы по третьему разделу 78
РАЗДЕЛ 4. Практическая реализация 79
4.1. Постановка задачи 79
4.2 Расчет программ координации графоаналитическим методом 81
4.3 Оценка эффективности предложенного метода 95
4.4. Выводы по четвертому разделу 100
Заключение 101
Библиографический список
Использованной литературы 103
Приложение 1
- Анализ процессов преобразования транспортных потоков
- Модель преобразования групп автомобилей при движении от стоп-линии
- Связь параметров светофорного регулирования и преобразования транспортного потока
- Расчет программ координации графоаналитическим методом
Введение к работе
Актуальность исследования. Концентрация автотранспорта в больших городах за последнее десятилетие стала причиной интенсивного роста загрузки подходов магистральных перекрестков и как следствие, увеличения количества непроизводительных остановок и торможений в потоке, уровня транспортных задержек, роста загазованности окружающей среды.
Эффективность эксплуатации автомобильного транспорта на городских дорогах в значительной степени зависит от комплекса мер по организации дорожного движения. При отсутствии должных решений по организации движения происходит преждевременный износ материальной части транспортных средств (ТС), износ шин, частые поломки в дороге и как следствие повышается риск возникновения дорожно-транспортных происшествий.
Применение АСУД является одним из путей решения задачи организации дорожного движения по повышению уровня обслуживания участников движения.
Важнейшим мероприятием, направленным на повышение эффективности и качества работы автоматизированной системы является применение коорди-—- нированного управления движением транспортных потоков (ТП). Вместе с тем, методы, применяемые в системах координированного управления движением автомобилей, в настоящее время не в полной мере учитывают преобразование транспортных потоков на городских магистралях и не обеспечивают оптимальные условия по таким показателям как потери времени, безопасность движения, равномерность загрузки магистралей. В значительной мере это связано с несовершенством применяемых теоретических моделей ТП, и отсутствием достаточных обоснований применения используемых методов управления, значительно возросшим интенсивностям движения ТП. Перечисленные обстоятельства определяют актуальность настоящего исследования.
Предметом исследования являются характеристики транспортного потока высокой интенсивности и их изменение под воздействием уровня загрузки до-
5 рог.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности управления транспортными потоками высокой интенсивности с групповым характером движения на городских магистралях.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
теоретическое и экспериментальное исследование процесса преобразования групп транспортных средств при их приближении к перекрестку на разрешающий сигнал светофора;
разработка метода управления, учитывающего изменения свойств транспортного потока (интервалы между последовательно движущимися автомобилями, образование или распад групп автомобилей) при различных значениях интенсивности движения;
анализ влияния различных методов управления на изменение скорости сообщения.
Научная новизна работы заключается в установлении зависимости деформации транспортного потока с групповым характером движения в городских условиях от значения интенсивности движения.
Разработана модель преобразования групп транспортных средств различной интенсивности при движении по перегону с учётом действия программных сигналов светофора.
Разработан основной принцип управления группами автомобилей, когда разрешающий сигнал включается до начала торможения лидеров - сдвиг фаз в зоне опережения.
Предложен метод расчета сдвигов фаз в условиях координированного управления потоком высокой интенсивности с групповым характером движения.
На защиту выносится:
Анализ процессов преобразования транспортных потоков
На основании анализа, проведенного в предыдущем разделе, была поставлена задача изучения свойств ТП с групповым характером движения.
Для этого требуется выполнить обзор публикаций, содержащих описание существующих моделей, наиболее полно отражающих поведение ТП с групповым характером движения.
Вопросы исследования движения транспортных потоков группового характера отражены как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Закономерности преобразования групп автомобилей в процессе движения по магистрали исследовались в нашей стране Е. М. Лобановым, И. О. Брайловским, Б. И. Грановским, В. В. Петровым, В. Т. Капитановым, за рубежом — Д. Робертсоном, Д. Уиземом, И. Виндольфом, И. Бертольдом и другими.
Наиболее полное описание поведения ТП с групповым характером движения рассмотрен в работах [10, 12, 21, 34, 36, 38, 41, 46, 49, 50, 56, 57, 58, 63, 74, 77, 78].
Так, в частности в методе ТРАНЗИТ [74] транспортная модель не рассматривает движения каждого отдельного автомобиля, а учитывает поведение ТП как движение групп автомобилей. При этом вариации интенсивности в группе автомобилей, вызываемые работой светофоров, предсказываются с разрешающей способностью в 1 или 2 с. Группы автомобилей, образующиеся вследствие работы сигнализации, представляются периодами повышенной концентрации потока длительностью 0,02 цикла регулирования или более. Каждое направление движения в сети задано в виде связей между перекрестками, являющимися узлами сети. Группа автомобилей при движении от узла к узлу постоянно диффундирует с известной скоростью в зависимости от среднего времени проезда, задаваемого наряду с интенсивностями движения на входах в сеть в качестве исходной величины. Для предсказания интенсивности движения в сечении связи в любой момент времени используется рекуррентное соотношение: где qj - шггенсивность движения в группе автомобилей, покидающей перекресток; q - интенсивность движения в рассматриваемом сечении связи; / - номер временного интервала, выраженный в долях цикла регулирования; - среднее время проезда по связи от перекрестка до рассматриваемого сечения (выражается в долях цикла регулирования); F - коэффициент экспоненциального сглаживания. Этот коэффициент определяется по формуле: Программа ТРАНЗИТ, используя описанный метод группообразования, вычисляет при заданных режимах регулирования на всех перекрестках длины очередей автомобилей у светофоров, задержки и количество остановок. Эксперименты показали достаточно высокую адекватность модели. Основным достоинством модели является то, что в ней учтено такое свойство ТП как распад группы при движении группы по перегону [74]. Недостаток: модель имеет приближенный характер и не учитывает процесса формирования групп при торможении. В работе [14] для аппроксимации прибывающего к перекрестку потока использовалось несколько подходов к его описанию. Предполагалось, что на входе перегонов интенсивность ТП I(t) — периодическая, с периодом Т, функция времени t. По перегону транспортное средство движется со случайной скоростью. Задача состояла в поиске интенсивности ТП в точке, отстоящей от входной на расстоянии /. Предпосылки были следующими: среднее время х и дисперсия времени проезда транспортным средством т перегона длиной / не зависели от функции I(t), а зависели лишь от средней интенсивности ТП на перегоне. Это положение позволяло получить приемлемые по простое и точности выражения; случайное время х движения по перегону распределено по нормальному закону: а - схема автомагистрали; б - функция зависимости. Т - длительность цикла; С - поиск насыщения; г - длительность эффективного красного сигнала; t - время движения по перекрестку; Р - временная длина. Интенсивность ТП на входе перекрестка предполагалась постоянной и равной / (. Коэффициент К 0,008 определялся из условия минимума отклоне 20 шія кривых, характеризующих зависимость задержки от сдвига цикла и построенных на основе описанного метода и предложенной аппроксимации. В результате моделирования было установлено, что погрешность расчета задержки при Х=1Т/[С(Т-г)]«0,5 не превышает 10% и уменьшается с ростом X. В ряде случаев для описания поведения ТП на перегоне целесообразно пользоваться простой моделью, предложенной В. Т. Капитановым [17]. Поток характеризуется двумя величинами - временной длиной Р группы автомобилей и средней интенсивностью потока J. перегона; tr - время торможения. Анализ полученной зависимости позволил сделать вывод о том, что характер преобразования групп зависит от длины перегона (времени проезда) и момента смены запрещающего сигнала на разрешающий, то есть сдвига фаз. Таким образом, оптимизация выбора величины сдвига фаз при заданной длине перегона является главной задачей нового подхода в управлении движением, заключающемся в активном влиянии на процесс преобразования групп. Модель [29, 34], разработанная Петровым В. В., наиболее полно учитывает процесс формирования и распада групп. Но предложенная модель применима к удельной интенсивности ТП с коэффициентом загрузки Ки направления равным 0,3 К „ 0,5, где где S - поток насыщения, авт/час; Л - интенсивность авт/час. В результате проведенного исследования установлено, что процесс преобразования групп автомобилей имеет три четко выраженных стадии: образование гругш при движении очереди от стоп-линий; распад групп при движении по перегону; « формирование групп при подходе на запрещающий сигнал в зоне перекрестка; К сожалению, как показала практика, рассмотренные модели применимы только к средним загружам перекрестков (0,3 КЯ 0,5). Поэтому требуется провести дополнительное исследование процессов, происходящих с группами транспортных средств при значениях высоких (имеющих место быть в настоящее время) удельных интенсивностях движения, близких к пропускной способности.
При решении задач организации дорожного движения координированное управление, прежде всего, должно предоставлять участникам движения достаточный уровень обслуживания, определяемый такими показателями, как время, затрачиваемое на поездку, число остановок и изменений скоростных режимов при движении, свобода маневрирования, эксплуатационные расходы. Кроме того, в условиях быстрых темпов автомобилизации важной задачей координированного управления становится достижение максимальной степени использования пропускной способности дорожно - уличной сети, а также снижение отрицательного влияния транспортных потоков на окружающую среду [17,36,60,57].
Модель преобразования групп автомобилей при движении от стоп-линии
В предыдущем разделе рассматривался процесс преобразования свойств ТП автомобилей высокой интенсивности при движении по перегону.
Следовательно, требуется проанализировать первоначальный этап данного процесса, то есть необходимо исследовать процесс разъезда очереди автомобилей со стоп - линии.
Целью данного раздела является исследование зависимости интервалов между последовательными автомобилями при разъезде со стоп - линии от порядкового их номера в очереди. В разные годы данным вопросом занимались Д. Дрю, Е. М. Лобанов, А. Г. Романов и другие.
Как отмечалось в первом разделе, на характер распределения интервалов и дистанций оказывают влияние интенсивность, состав движения, дорожные условия [10, 21,57,58, 64].
Интервалы между автомобилями при разъезде так же зависят от порядкового номера их в очереди. Для первого автомобиля интервал включает в себя время, которое затрачивается на реакцию водителя, приведение в движение автомобиля и преодоление пути до линии «Стоп». Это движение происходит в режиме разгона. В этом же режиме движется и второй автомобиль. Величина интервала во времени на линии «Стоп» между ними зависит от того, на сколько водитель второго автомобиля запаздывает с строганием с места относительно первого. Следующие автомобили также начинают движение с некоторым запаздыванием относительно предыдущего, но это запаздывание ликвидируется за счет более длительного времени (а иногда и более интенсивного) разгона, что позволяет водителям выбрать минимально допустимый по условиям безопасности движения интервал. Чем раньше до линии «Стоп» будет, достигнут этот интервал, тем раньше будет создана максимальная плотность потока и, следовательно, получена максимальная пропускная способность полосы движения. Как показывают наблюдения, максимальная плотность потока достигается после прохода 5-6 автомобилей через линию «Стоп» [21]. Данные наблюдения имели место в 70 - 80 тые годы и рассматривались условия движения транспортных средств с низкими техническими характеристиками (присущими тому времени). ТП имел значения интенсивностей менее 600 авт/час.
Из рисунка 2.2 видно, что характеры кривых в указанном отрезке времени отличаются друг от друга, и в настоящий момент времени приобретают вид прямой. Дорожная инспекция в Братиславе (ЧССР) проводила в течении 4 часов измерение времени начала движения автомобилей, стоящих у перекрестка, после включения зеленого сигнала [73]. За это время по двум параллельным полосам через перекресток прошли 2380 автомобилей, количество которых в каждом ряду перед стоп - линией достигало 14. Результаты показали, что по желтому сигналу приходят в движение 78,75% первых, в очереди автомобилей, 25,0% - вторых в очереди и 3,75% - третьих в очереди. Начало движения для автомобилей, стоящих вторыми и далее в очереди, по зеленому сигналу требует около 3 секунд времени, т. е. очень близко к моменту прекращения желтого сигнала. Этот показатель изменился по сравнению с данными подобных измерений 1976 года, когда по желтому сигналу начинали движение только 39% водителей, стоящих в очереди в первом ряду, а стоящие вторыми вообще не начинали движения [73].
Это указывает на то, что в настоящее время при современных технических характеристиках транспортных средств значение величины интервала между последовательными автомобилями в створе линии «Стоп» при разъезде очереди имеет совершенно другой вид. Транспортные средства без особых усилий развивают и поддерживают среднюю скорость (60 км/час). При этом разброс скоростей столь незначителен, что им можно пренебречь. Поэтому можно предположить, что автомобили стартуют с равными значениями интервалов. Согласно статистическим исследованиям, приведенным в [46, 50, 64, 65, 66, 68, 71, 75, 76, 78, 79, 81] средние значения временных интервалов между последовательно движущимися автомобилями находятся в диапазоне от 1,1 до 1,5 .секунд.
Функция X (t) при X Лз показывает характер изменения свойств ТП при разъезде группы автомобилей, движущихся по перегону, и может применяться при низких значениях удельной интенсивности (не более 300 авт/час). Функция X (t) при tnp - tT s t tnp и X X3 показывает характер изменения свойств ТП группы автомобилей в зоне торможения при движении на запрещающий («красный») сигнал светофора и она верна для средних значений удельной интенсивности (не более 450 авт/час). Функция X (t) при Л Лз позволяет учитывать изменения свойств ТП на разных стадиях и представляет собой модель преобразования ТП при высоких значениях удельной интенсивности (более 600 авт/час).
Связь параметров светофорного регулирования и преобразования транспортного потока
Методика измерений заключается в определении временных длительностей групп автомобилей в нескольких сечениях на перегоне между перекрестками. Наблюдатель №1 находится на обочине дороги в створе линии «Стоп». В момент включения зеленого сигнала при пересечении передним бампером лидера группы линии «Стоп» включается секундомер. После пересечения линии «Стоп» задним бампером последнего автомобиля выключается секундомер. Значения измеренной длительности группы автомобилей записываются в форму представленную в таблице 3.1. Второй третий и четвертый наблюдатели на этом перегоне проводят измерение временной длительности группы, проходящей последовательно от первого до четвертого наблюдателя. Таким образом, по полученным данным можно отследить изменения временной длительности группы при различных значениях начальной интенсивности движения. Измерение считается недействительным, если на пути движения группы автомобилей возникли помехи (остановившийся автомобиль, пешеходы, и т. д.). №1, №2, №3 - номера учетчиков; Время проведения экспериментов: Вторшж 10.00 (Дз), количество экспериментов -100; Пятница 18.00 (Л), количество экспериментов - 100); Суббота 11.00 (Д), количество экспериментов - 100. Во время проведения эксперимента одновременно фиксировалось: № эксперимента; длительность группы ТС; подсчет ТС на каждой полосе у стоп - линии; состав транспортного потока. По описанной методике было проведено порядка 300 экспериментов на четырех различных магистралях. Рассматривался транспортный поток со значением интенсивности в диапазоне 300 X 600 авт/час. На основе исходной (предварительной) информации при проведении эксперимента были зафиксированы интервалы времени, в течение которых интенсивность существенно не меняется. При проведении эксперимента в определенные интервалы времени интенсивность X являлась постоянной величиной при следующих значениях: fc=300 авт/час, Х,=450 авт/час, Х 600 авт/час. Результаты, выполненных согласно предложенной методике экспериментальных исследований приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1, табл. 1.1,1.2, 1.3. Первая задача, которая решалась при обработке экспериментальных данных, заключалась в определении характера изменения длительности группы автомобилей на опытных участках перегона и установление вида зависимости гр - /() при значениях интенсивности Х.=300 авт/час, =450 авт/час, Х ;600 авт/час. Второй задачей является сравнение установленных зависимостей t = f(L) при указанных значениях интенсивности, а также проведение анализа о характере изменения длительности группы ТС (tep) при движении ее по перегону. В рамках поставленных задач рассмотрены следующие вопросы: определение необходимого числа измерений для обеспечения необходимой достоверности результатов. обработка экспериментальных данных с применением методов математической статистики; сравнение данных, полученных в ходе эксперимента с расчетными значениями, полученными во втором разделе настоящей работы установление зависимостей вида t = f(L) на опытных участках перегона при средних значениях интенсивности Аг=300 авт/час, А,=450 авт/час, А 600 авт/час; сравнение полученных зависимостей; анализ характера изменения длительности группы ТС при движении ее по перегону; нахождение зависимости отображающей изменение величин сдвигов фаз для различных длин перегонов в широком диапазоне интенсивности; выводы. На первом шаге выполним предварительную обработку экспериментальных данных, приведенных в ПРИЛОЖЕНИИ 1.
Обработка экспериментальных данных методами математической статистики была выполнена с использованием компьютерной программы «STATISICA» для среды «WINDOWS», далее по тексту STATISTICA. Данная интегрированная система дает более широкий информационный выход при незначительных затратах времени, прежде всего из-за опасности ошибок ручного расчета [4].
Значение генеральной совокупности или общего количества экспериментов на участке перегона составляет 100, получаемая при этом ошибка не превышает нескольких процентов. В области техники обычно используют пяти- и однопроцентный уровень значимости, которому соответствуют обращенные значения функции Лапласа равные 1,96 и 2,58. Далее в соответствии с [7,9,51] рассчитываются объемы выборки для рекомендуемых нормативными документами значений относительной точности 0,05, 010, 0,15, и 0,20. Результат расчета для предельно расширенного диапазона коэффициентов вариации 0,1...0,4 выбираем из таблицы 2.4 [4]. Для целей технической эксплуатации можно ограничится уровнем значимости 0,05, считающимся достаточным при использовании программы STATISTICA, и относительной точностью 0,1...0,15 при коэффициенте вариации 0,3. Значение объема выборки для нормального распределения составляет 36. Обычно этого оказывается достаточным, а при необходимости можно произвести дополнительные корректировки результатов на основе распределения Стьюдента, не повторяя сложных опытов [4].
Выполнение в пакете STATISTICA: результаты измерения временных длительностей группы транспортных средств при L = 600 метров занесены в таблицу с одним столбцом (NewVar) и 36 строками; соответствующий файл назван, например, Diamz.sta. Обработка в модуле Nonparametric Statistics (непараметрическая статистика), Distribution Fitting (подбор распределения). В поле Continuous Distributions: Normal - Variable: d-в поле Plot distribution: Frequency distribution (частоты распределения) - отказ от теста Колмогорова - Смирнова -ОК. Наблюдалась таблица частот, в которой нам нужны столбцы observed frequency (наблюдаемые частоты) и expected frequency (ожидаемые частоты).
Расчет программ координации графоаналитическим методом
В настоящем подразделе рассмотрим процедуру построения программ координации традиционным (ТРАНЗИТ) и предлагаемым методами. Покажем существенные отличия и особенности при управлении ТП предлагаемым методом.
Для осуществления систематического управления сетью светофорной сигнализации необходимо определение величины сдвига или, как еще его можно назвать, фазы синхронизации для светофоров перекрестков [19].
При использовании жесткой прогрессивной системы «зеленая волна» длительность цикла на всех перекрестках устанавливается одинаковой, но длительность зеленых сигналов может быть различной, и включение этих сигналов в общем случае производится не одновременно, а с заданным сдвигом во времени, зависящим от длины перегона и расчетной скорости.
Построение типового графика координированного регулирования основывается на графической зависимости «путь - время», изображаемой в прямоугольной системе координат (см. Рис. 4.1).
По горизонтальной оси (в масштабе 1мм - 1с) откладывают значение времени, по вертикальной оси (в масштабе 1 мм - 10 м) последовательно откладываются отрезки прямой, соответствующие расстояниям между перекрестками (учитывая ширину перекрестков). Через полученные точки проводятся прямые линии параллельно горизонтальной оси, соответствующие стоп - линиям перекрестков регулируемой магистрали. На горизонтальной полосе, соответствующей максимально загруженному перекрестку, наносят в масштабе слева направо рассчитанную последовательность сигналов, указывая основные и промежуточные такты. От начала зеленого сигнала на этой горизонтали откладывают отрезок, равный времеші проезда до следующего перекрестка, затем к следующей горизонтали проводят перпендикуляр. Полученная точка есть время подхода пачки к перекрестку. Аналогично получаются времена подхода пачек по всей магистрали в прямом направлении. Соединяя полученные точки на смежных перекрестках линией, получают траекторию движения лидеров пачек.
Для движения в обратном направлении выполняют такую же процедуру и получают при этом времена подхода пачек в обратном направлении.
На линиях, соответствующих каждой поперечной магистрали, наносят последовательность сигналов светофорного регулирования с указанием номеров фаз таким образом, чтобы моменты подхода пачек транспортных средств соответствовали включению зеленого сигнала.
Взаимное расположение по горизонтали точек, соответствующих началу зеленых сигналов, определяет совокупность их сдвигов относительно принятой нулевой отметки (в нашем случае, относительно времени включения зеленого сигнала на втором перекрестке).
На рисунках 4.1 и 4.2 представлены графики системы координированного регулирования при одностороннем и двухстороннем движении ТП, выполненные по общепринятой методике. На этих рисунках показаны примеры работы светофорной сигнализации на магистрали, состоящей из четырех перекрестков. На горизонтальных полосах условно изображены параметры светофорной сигнализации.
При обеспечении достаточной ширины ленты и ТП только при низких и средних интенсивностях движения, т.е. интенсивностях которые имели место в 80—х годах все автомобили «размещаются» полностью в пределах ленты безостановочного движения. В этом случае почти все автомобили могут проехать через все перекрестки без остановок. Когда же интенсивность движения более 600 авт/час, ТП не умещается в пределах ленты безостановочного движения и как указывалось выше в подразделе 2.4, лидеры группы за несколько метров до стоп - линии следующего перекрестка, видя красный сигнал, начинают тормозить, тем самым останавливая группу автомобилей, следующую за ними, что приводит к задержкам последних автомобилей группы (каждый цикл) вследствие чего возникают задержки движения ТП, которые будут рассматриваться далее.
Далее рассмотрим графическую иллюстрацию траектории движения лидеров группы ТС при высокой интенсивности в прямоугольной системе координат. Рисунок 4.3 отображает фрагмент графика координированного регулирования. На горизонтальных полосах условно изображены параметры светофорной сигнализации, а также траектория лидеров группы ТС. Рассмотрим процесс движения группы автомобилей высокой интенсивности, имеющей длительности ігр, начавшей движение на зеленый сигнал и проходящей весь перегон до следующего перекрестка.
Согласно теоретическим и статистическим данным, представленным выше длительность группы транспортного потока с высокой интенсивностью и с ограничением скорости до 60 км/час при движении по перегону практически не изменяется. Иначе говоря, длительность группы ТС при покидании первого перекрестка имеет тоже значение при подходе к следующему перекрестку, т.е. t?p = const. В рассматриваемом нами случае, когда значение интенсивности более 600 авт/час на полосу, а ПК рассчитана традиционным методом очевидно, что значение длительности горения зеленого сигнала - t3ejJ в большинстве случаев должно быть равно значению длительности группы - 1гр. А также, очевидно, требуется давать опережение включения фазы, в которой разрешено движение, потому что при подходе к следующему по ходу движения перекрестку, лидеры группы автомобилей притормаживают, что приводит к торможению ТС следующих за ними. В целях подтверждения изложенного необходимо обратиться к рассмотрению реального объекта и сравнить количественные показатели, характеризующие управление пропуском ТП.
