Методическое руководство Методическое руководство по стратегии управления транспортными потоками в системах автоматизированного регулирования движения на автомобильных магистралях (АРДАМ)

МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

Государственный дорожный проектно - из ы скатель ский и научно - исследовательский институт

ГИПРОДОРНИ И

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО
ПО СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ
ПОТОКАМИ
В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ
ДВИЖЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ
МАГИСТРАЛЯХ
( АРДАМ )

Утверждено

Ги продорнии .

Протокол № 2

от 28.03.80

Москва 19 80

В настоящем издании на основе опыта разработки первой в стране системы автоматизированного управления движе н ием н а автомобильной магистрали Москва - Рига ( система АР Д АМ ) излагаются материалы по стратегии управления транспортными потоками , которые могут найти применение при проектировании анало ги чных систем .

Даны основные принципы организации движения на автомобильной магистрали , оборудованной системой АРДАМ , и описан и е комплекса применяемых в системе технических средств .

Приведена блок - схема объемлющего алгоритма управления , а также методическая основа контура ручного упра в ления и модельная основа контура автоматического управления . Подробно рассмотрены алгоритмы опре д еления допустимых скорост е й , расчета управляющих программ , анализа входных сигналов , оценивания фазовых переменных транспортного потока и пропус к ной способности участков магистрали , синтеза корректирующих уп равлений . В двух приложениях приведены результаты исследова ни я характеристик транспортного пот ока на автомобильных магистралях и иссле д ов ания работы въезда на магистраль .

В основу настоящего издания положены результаты научных исследований , связанных с разработко й системы АРДАМ и проведе н ных в Ги продорнии в 1 973 - 1 978 гг . под руководством канд . техн . н аук , доцента А . П . Васильева . Им осуществлено научное редактирование издания и написаны пп . 1; 4.1; 4.4 ; 4.5; 5. Канд . т ехн . н аук В . Д . Б еловым написаны п . п . 1; 3; 4.1; 4.2; 5 и приложения . Канд . т ехн . н аук М . Я . Б линк ины м написаны п . п . 1; 4.1 ; 4.3; 4.5 - 4.9; 5, он также принял участие в подготовке приложени й . Материалы С КБ Пром ы шленной автоматики легли в основу п . 2 и частично использованы в п . 4.1.

Директор Гипродорнии

канд. техн. наук Е.К. Купцов

1 . ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Возрастающие объемы автомобильных пер е возок , увеличени е скорос тей и интенсивности движения и связанный с ними рост числа дорожно - транспортных происшествий предъявляет новые , все боле е высокие требования к техническому совершенству автомобильных дорог , их инженерному оборудованию и состоянию , транспор тн о - э ксплуа тационны м хара к теристикам и организации движения в процессе эксплуатации . Важную роль в решении этих задач играет создание автоматизированных систем управления движением . Первая в отеч е ственной практике такая система - система АР Д АМ - включена в проект участка МКАД - И с тра автомобильной дороги Москва - Рига .

1 .1 . Необходимой пред п осылкой создания систем управления движением на автомобильных магистралях является формирование стратегических концеп ц ий , комплекса моделей управляемого объекта и основанных на них алгоритмов пер е работки информации и принятия управля ющ их решений .

1 .2 . Объектами управления в этих системах являются : транспортный поток на автомобильной магистрали и транспортные потоки на въездах ; состояние поверхност и покрытия и обочин автомагистрал и .

К средствам управления относятся управляемые многопозиционные знаки основной магистрали , знаки и светофоры на въездах и съездах , а также технически е средства и ресурсы дорож н о - э к сплу атаци онн ой службы ( аварийно - патрульной и службы зимнего содержания ).

1 .3 . Конечной целью управления функционированием автомобильной дороги и дорожным движением является обеспечение высокой народнохозяйственной эффективности транспортировки грузов и пассажиров путем повыш е ния эффективности работы автомобильного транспорта и автомобильной дороги , удобств и безопасности движения .

Для отдельной дороги цель управления может быть сформулирована следую щ им образом :

При заданных характеристиках транспортного потока и аппарата обслуживания ( т . е . постоянных и переменных парам е трах автомагистрали ), процесса обслуживания ( т . е . характеристик уровня содержания дороги и организации движения ), с учетом состояния метеорологич е ских условий в каждый момент времени обеспечивать требуемые показатели функционирования дороги и дорожного движения ( скорость , пропускную способность и безопасность движения ), определяемые из условия минимума приведенных дорожно - транспортных затрат на перемещение грузов и пассажиров .

Исходя из этого целью управления на технологическом уровне являются достижение удовлетворительного компромисса между задержками первого рода , в качестве которых здесь выступают задержки на въездах , и второго рода , вызванные снижением скорости при повышении плотности транспортного потока, и уровнем безопасности движения .

1 .4 . Вследствие выше сказанного специфика систем управления транспортным потоком на автомобильных магистралях коренным образом отличается от по л учивших широкое распространение в отечественной и зарубежной практике систем светофорного регулирования в городах . Она обуславливает появление обширного круга вопросов , относя щ ихся к стратегии управления указанным объектом , решение которых необходимо для проектирования и функционирования системы АР Д АМ .

1 .5 . Принципиальные ограничения на стратегические концепции и конкретные алгоритмы управления обуславливаются геометрическими параметрами и тра н спортно-э ксплуатационными характеристиками дороги , схемой организации движения и составом технических средств системы АРДАМ . В свою очередь , с тратегия и алгоритмы управления оказывают влияние на выбор указанных параметров и характеристик дорог , а также методов и схем организации движения . Поэтому разработка систем автоматизированного управления и проектирование автомагистрали должны выполняться одновременно .

1 .6 . Формирование основных положени й стратегии управления в системе АРДАМ сводится к решению следующих научно - технических задач :

постановка цели управления движением на содержательном уровне и введение формализованного критерия качества управления ;

выбор структуры объемлющего алгоритма управления ;

рациональное ра с преде ление задач между контурами автоматического и ручного управления ;

разработка модельной основы алгоритмов из контура автоматического управления и методической основы работы оператора ( контур руч н ого управления );

выбор принципов переработки ма к роуро вневой информации о п араметрах т ран спортного потока и использования информации о параметрах окружающей среды и дорожных условий .

1 .7 . Решени е большинства из пер е численных задач может быть осу ще ствлено лишь на базе изучения характеристик транспортного потока на существ ующи х автомобильных магистралях . Поэтому была осуществлена программа натурных экспериментов по сбору таких данных и отработка основных алгоритмов управления на их основе .

С целью уточнения пр е длагаемых рекомендаций для каждой вновь проектируемой системы целесообразно проведение д о полнительных исследований условий движения и параметров транспортного потока на дорогах или участках дорог со своими характеристиками , близкими к проектируемой дороге .

2 . КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ АРДАМ*)

*) Раздел составлен по материалам , предоставленным СК В Про мавтоматик а .

Комплекс техничес к их средств системы АРДАМ включает в себя устройства центрального управляющего пункта , п е риферийные технические средства , линии связи , систему телевизионного обзора , систему аварийной связи , сервисное оборудование и контрольно - измерительную аппаратуру .

2. 1 . В состав оборудования централь н ого управляю щ его пункта входят : у п равл яющий вычислительный комплекс , пульт управления и аппаратура обм е на информации .

Управляющий вычислительный компл е кс ( УВК ) системы АРДАМ - с пецифиц ированный комплекс , ском п онованный на ос н ове сер ий но - выпу ск аемой ЭВМ с использованием допо л нительных модулей и устройств из ном е нклатуры средств вычислительной техники .

ЭВМ , на базе которой компону е тся УВК , должна удовлетворять следу ющ им требованиям :

возможность реализации радиальной схемы связи между периферийными устройствами и УВК ;

обеспечение циклического опро с а периферийных устройств с циклом 1 раз в се кунду ;

осуществление управления периферийными ус т ройст вами в реальном масштабе времени ;

выдерживание мультипроцессорного режима работы в реальном масштабе времени ;

обладание достаточным объемом оперативной памяти и быстродействие м ;

вычислительная мощность УВК должна обеспечивать развитие с истемы .

В качестве базы д л я компановки УВК на нынешнем этапе развития техники целесообразно выбирать вычислительный комплекс СМ - 2 серии СМ ЭВМ , оперативная память которого имеет емкость до 12 в К . В минимальный набор модулей и устройств вычислительного комплекса входят : два процессора , канал прямого доступа , устройства оперативной памяти , коммутаторы , согласоват ел ь ввода - вывода и таймеры . Двухпроцессорная структура комплекса позволяет использовать разделение задач управления между процессорами и одновременное их выполнение . При выходе из строя одного из процессоров все задачи , в соответствии с присвоенными приоритетами , будут решаться вторым процессором .

Для получения требуемой конфигурации вычислительный комплекс СМ - 2 дополняется рядом моду л ей и устройств . Так , связь УВК с периферийным оборудованием осуществляется чере з специальные дуплексные регистры ( Д Р ) и блоки обмена информацией ( Б ОИЦ ). В состав УВК включены устройства для работы с перф о ленточны ми носителями информации для загрузки в У ВМ системных перфолент , ввода тестовых задач при проведении п р оф илактических и ремонтных работ , вывода перфоле н точн ого носи теля ( н ап ри мер , после отладки программы ). Для выбора и фиксирования информации на бумаге в состав УВК включен ряд устройств печати , пр е дназначенных для обслуживания запросов оператора , вывода суточного журнала функционирования системы и различных форм до ку ментов , вывода на печать информации об отказах оборудования и режимах функционирования системы . В качестве аппаратных средств связи оператора системы с УВК используются дисплейные модули . Вывод технологической информации о функционировании системы на мнемосхему осуществляется через бесконтактные модули кодового управления , подключение которых к УВК производится через мультиплексные расширители интерфейса . В состав УВК включены также - у с тройства вн еш не й пам яти на магнитных дисках (4 ,8 Мбайта ) и лентах (40 Мбайт ).

2.2 . Вклю ч енная в состав оборудования центрального управляющего пункта мн е мосхема выполняет следующие функции :

а ) сигнализиру е т оператору о состоянии каждого дорожного контроллера , управляемого указателя направлений и скорости :

красным цветом - НЕИСПРАВНОСТЬ ;

белым цветом - ОСОБЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ , т . е . диспетчер с кое управление или ручное управлени е ;

б ) выдает обобщенную информацию об условиях движения и состоянии оборудования для каждого километра магистрали :

зеленый цвет - движение свободно , оборудование исправно ;

желтый цвет - движение затруднено , затор или ДТП ;

красный цвет - оборудование неисправно ;

в ) высвечивает введенную оператором в ЭВМ информацию о дорожных условиях (О СА ДКИ , ГОЛОЛЕД , ТУМАН , РЕ МО НТ ) и ДТП (АВАРИЯ ) д л я каждого участка магистрали ;

г ) высв е чивает номера телефонов системы аварийной связи , с которых поступает сообщение об аварии или заторе с маги с трали ;

д ) информирует оператора о включенных сигналах светофоров на каждом въезд е .

Мнемосхема выполняется в виде схематич е ского изображения магистрали с размещенными на нем инди к аторами , на которой предусматриваются места для размещения теле в изионных экранов , куда поступает информация с элементов магистрали , включенных в систему телевизионного обзора ( в первую очередь с развязок ).

2.3 . Пульт управления совмест н о с аппаратурой обмена информации позволя е т : взять на ко н троль и управление любое периферийное устройство , подключенное к одному ( любому ) каналу с в язи ; в ывести на индикацию содержание любого из байтов контрольной информации этого канала связи ; осуществить контроль исправности сигнальных ламп пульта и мнемосхемы .

2.4 . В состав периферийных технических средств системы АР Д АМ входит ряд специализированных устройств , впервые разрабатыва е мых для этой системы , и устройства из состава агрегатной системы средств управления дорожным движением ( АС С - УД ). Из состава А СС - УД могут быть использованы : дорожные контроллеры для переключения позиций управляемого указателя направлений и упра в ляемого указателя скорости ; детекторы транспорта различных типов для определения прохождения или присутствия транспортной единицы в контролируемой зоне , времени прохождения автомобил е м участка заданной дл и ны , состава транспортного потока ; периферийное устройство обмена информаци е й и ряд других устройств . Специально для системы АРДАМ разработаны следу ю щие п ериферийные устройства : дорожный контроллер управления въездом , выносной пульт управления , указатель скорости , управляемый указатель направлений .

2.5 . Также специально для системы АРДАМ разрабатывается передвижная лаборатория КП -508, предназначенная для сбора метеорологич е ской информации и информации о состоянии по к рытия с н еобходимой доработкой аппаратуры приоритетного пропуска из состава АСС - УД . Указанная лаборатория собирает данные по метеорологической дальности видимости , коэффициенту сцепления и скорости бокового ветра .

2.6 . В состав технических средств входит такж е сервисное оборудование , включа ю щее передвижной комплект контрольно - измерительной аппаратуры , стационарный комплект диагностической а п паратуры , и контрольно - изм е рительная аппаратура .

3 . ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНОЙ МАГИСТРАЛИ, ОБОРУДОВАННОЙ СИСТЕМОЙ АРДАМ

3. 1 . Задачи организации движения

3. 1 .1 . Организация движения на автомобильной магистрали , оборудованной системой АРДАМ , тесным образом связана со стратегией управления движением и направлена на решение задач по обес п ечению в озможн ос ти движения интенсивных транспортн ы х потоков с большими скоростями и высоким уровнем безопасности движения . В соответствии со стратегией , подробное описание которой приводится ниж е , движение транспорта на автомагистрали организуется таким образом : на магистраль производится дозированный и координированный во врем е ни и по длине магистрали впуск автомобилей с прилега ю щей сети дорог . При этом количество впускаемых на каждом въезде автомобилей должно быть таков о , чтобы загрузка магистрали не превышала некоторого оптимального уровня . Поток , движущийся по магистрали , дифференцируется по скоростям , величина их определяется в системе на основе сбора данных и анализа условий движения . Производится дросселирование скоростей движения автомобилей по каждой полосе вдоль магистрали , осуществляемое в случае резкого сниж е ния скорости либо затора в каком - либо месте магистрали , вызванного ДТП или другой причиной . Система закрывает отдельные полосы , либо участки магистрали в случае возникновения серьезных ДТП , либо заторов , а также организует обходные маршруты по прилегающей сети дорог .

3. 1 .2 . Решение указанных задач обеспечивается планировочными мероприятиями и применением различных средств организации движения . Планировочные решения должны удовлетворять требованиям п лавности изменения скоростей движения , полной ясности для водителей направления движения и соответствия траекторий движения автомобилей направлениям предназначенных для этого полос . К числу планировочных мероприятий относится устройство проезж их частей , имеющих достаточное число полос движения , разделительных полос , развязок в разных уровнях , переходно - скоростн ы х полос , применение вертикальных и горизонтальных кривых большого радиуса , устройство продольных уклонов , обеспечивающих движение с расчетной скоростью . Эти мероприятия заложены в проекте дороги и выполня ю тся в процессе ее строительства .

К числу основных ср е дс тв , применяемых для организации движения , следует отнести дорожные знаки , разметку , ограждающие и направляющие устройства .

3.2 . Особенности режимов движения автомобилей на автомагистралях

Характерной особенностью автомобильных магистралей является движение по ним и н тенсивных потоков автомобиле й с высокими скоростями движения . В этих условиях резко увеличивается длина тормозного пути автомобиля ; во время дождя появляется вероятность возникновения гидропланирования ; возрастает воздействие бокового ветра , меняется восприятие водителем процесса движения . В часы « пик » значительно усложняется управление автомобилем , так как водитель движется в плотном потоке с высокой скоростью . Водитель вынужден удалять взгляд на значительное расстояние от автомобиля , что является с ледствием увеличения тормозного пути и возникновения мелькания в глазах боковых предметов дорожно й обстановки . Чтобы рассмотреть какой - либо предмет знак или сигнал на высокой скорости водитель должен сосредотачивать на нем свой взгляд издалека , иначе у него просто не хватит времени , чтобы опознать его . Малое время , которое водитель может затратить на опознавание средств организации движения , должно учитываться при их применении .

Другой характерной особенностью р е жима дви ж ения на автомагистрали является мно го полосность . Это также затрудняет восприятие водителем информации на знаках и сигналах , осуществляющих управление движением , что накладывает отпечаток на размещение информации и ее качество .

Однако , условия безопасности движения на автомагистралях намного лучше , так как нет близко идущего встречного потока , отсутствуют потоки транспорта и пешеходов , пересека ющ их основной поток , значительно легче производится процесс обгона . Следовательно , на автомобильных магистралях применяется ограниченное количество предупреждающих и запрещающих знаков и возраста е т роль информационно - указательных знаков и знаков серви с а .

3.3 . Особ енн ости прим ене ния дор ож ных знаков

Дорожные знаки , применяемые на автомобильной магистрали , оснащ е нной системой АР Д АМ , могут быть как с постоянной информацией , т ак и с переменной . При этом для оперативного управления движением используются только знаки с п е ременной информацией .

3.3 .1 . Из числа предупреждающих зна к ов чаще всего используется знак 1 .8 « Светофорное регулирование », который устанавливается перед светофорами , регулирующими въезд на автомагистраль .

3.3.2 . Из знаков приоритета применяются знаки : 2. 1 *)« Главная дорога », 2.2 « Конец главной дороги » и 2.4 « Уступите дорогу », устанавливаемые на развязках для организации движения в местах слияния транспортных потоков , а в местах въездов на магистраль у светофоров - знак « Уступите дорогу ».

*) Здесь и далее номера знаков указаны в соответствии с ГОСТ 10807-78 « Знаки дорожные . Общие технические условия ».

3.3. 3 . Из запрещающих знаков применяются знаки 3. 1 « Въезд за п рещен », устанавливаемые в конце участков , на которых организовано односторонне е движение , но возможен ошибочный въе з д со встречного направления , а также знак 3.24 « Ограничение максимальной скорости », размещенные на съездах в конце полос замедления . Величина скорости выбирается исходя из геометрии съезда и качества покрытия .

3.3.4 . Из группы предписывающих знаков наиболее часто применяются следующие :

4. 1 .1 - « Движение прямо » устанавливается на ма ги страли перед въездами на нее в начале полосы ускорения , а такж е в местах примыканий , где повороты могут служить причиной выезда на съезды с односторонним движением н австречу п от оку ;

4 .1.2 - « Движение направо » размещается в местах выезда с АЗС и других объектов на проезды с односторонним движение м ;

4.2. 1 - « Объезд препятствия справа » устанавливается на развязках в местах разветвления потоков , движущихся в противоположных направлениях .

3.3.5 . Наиболее представительная группа знаков на магистрал я х - информационно - указательные . Среди них чаще всего применяются знаки :

5 .1 - « Автомагистраль » устанавливается с табличкой 7.1.1 перед ближайшим к началу на автомагистрали местом разворота или перекрестком , а также с табличкой 7. 1 .3 или 7 .1 .4 перед съездами на магистраль ;

5 .2 - « Конец автомагистрали » применяется в конце автомагистрали и в начале съездов с нее , а также предварительно с табл и чкой 7. 1 .1 на расстоянии 400 и 1 000 м от конца автомагистрали ;

5 .18 - « Ре к оменду емая скорость » указывает величину скорости , с которой рекомендуется движение на данном участке дороги ;

5.20. 1 и 5 .2 0.2 - « П ред варительный указатель направлений » служат для указания направлений движения к населенным пунктам или другим объектам . Знак 5.20. 1 устанавливается на расстоянии не менее 300 м от начала полосы замедления на развязках и повторяется не менее чем за 800 м до начала полосы зам е дления . Знак 5.20.2 размещается над проезжей частью непосредственно перед началом полосы замедления ;

5 .21.1 - « У к азатель направлений » применяется на развязках автомагистрали в местах разделения транспортных потоко в ;

5 .24 - « Н ачало населенного пункта » и 5.25 « Конец населенного пункта » устанавливаются в начале и конце участков автомагистрали , проходящих по территории населенного пункта ;

5 .2 6 - « Н аи ме новани е объекта » дается непосредственно перед объектами , через которые или рядом с ними проходит автомагистраль ;

5 .2 7 - « У к азатель расстояний » применя е тся для указания расстояний до населенных пунктов , расположенных на маршруте . Он устанавливается на выездах из городов и других крупных населенных пунктов , а также между ними не реже , чем через 40 км ;

5 .2 8 - « Ки ломет ровый знак » применяется для указания расстояния от места его установки до одного из конечных пунктов марш ру та . Ус танавл ивается через каждый километр на разделительной полосе или с правой стороны дороги для каждого направле н ия движения ;

5 .2 9.1 - « Номер маршрута » указывается в начале дороги и повторяется через 1 5 - 20 км , а знак 5.29.2 - перед развязками ;

5 .3 3 - « Стоп - л ини я » устанавливается при всех въездах на магистраль у светофоров , где транспорт останавливается при запрещенном сигнале . Он дублирует разметку 1 .1 2 и размещается справа от дороги , непосредственно в створе нанесения разметки 1 .1 2.

3.3.6 . На магистрали , как правило , должен предусматриваться целый комплекс знаков , и н формирующих водителей об объектах сервиса . Размещение и номенклатура этих знаков зависят от места располож е ния отдельных объектов и видов обслуживания .

Знаки сервиса устанавливаются непосредственно у объектов , у мест поворота к ним , если они расположены в стороне от дороги , в последнем случае на знаке должно указываться направлени е движения к объекту и расстояние до него . Знаки сервиса должны ра з мещаться предварительно за 60 - 80, 1 5 - 20 км и 400 - 800 м от обозначаемого объекта . В этом случае на знаках должно указываться расстояние до объекта .

3.3.7 . Применяемые на автомагистрали знаки имеют увеличенные размеры по сравнению со знаками на дорогах с двумя и тремя поло с ами движения . Так , сторона треугольника предупреждающих знаков составляет 1 ,2 м , а диаметр запрещающих и предписывающих знаков - 0 ,9 м .

Зна к и индивидуального проектирова н ия , у с танавливаемые на автомаги с трали , также имеют существенные отличия от таких же знаков , применяемых на других дорогах . В частности фон знаков 5.20. 1 и 5.20.2 при указании на них нескольких направлений движения должен быть зеленого цвета . На этих знаках надпись , содержащая названи е населенного пункта или объектов , движение к которым осуществляется не по автомагистрали , должна быть выполнена на вставке с синим фоном , а при установке такого знака в пределах населенного пункта наименования объектов этого населенного пункта выполняются на вставке с белым фоном .

Знак 5.20.2 при указании на нем одного направления движения должен иметь : зеленый фон , если указыва е тся направление движения к н аселенному пункту или объекту , движение к которому осуществляется по автомагистрали , синий - если движение осуществляется не по автомагистрали , белый - если указанные объекты находятся в населенном пункте . Такие знаки с зеленым фоном обычно устанавливаются над основными полосами движения , а с синим и белым - над перех одн о - скорост ны ми полосами для потоков , уходящих с магистрали .

Знаки 5.2 1 .1 должны иметь зеленый фон , если движение к указанным на них населенным пунктам или объектам осуще с твляется по автомагистрали , синий , если движение осуществляется по другим дорогам , и белый , если указанные на знаке объекты расположены в населенном пункт е .

Знаки 5.24 « Начало населенного пункта », 5.25 « Конец населенного пункта », 5.26 « Наименование объекта », 5.27 « Указатель расстояний», 5.28 « Километровый знак », 5.29. 1 и 5.29.2 « Номер маршрута » должны на автомагистрали также иметь зеленый фон .

Высота шрифта , которым выпо л няются надписи на знаках 5.20. 1 , 5.20.2, 5.21.1 - 5.27, п редназначенных д ля установки на автомагистрали , должна быть равна 400 или 500 мм .

Наличие на автомобильной магистрали сист ем ы АР Д АМ об у славли вает применение управляемых знаков со сменной информацией . Номенклатура таких знаков зависит от задач , реша е мых в каждой конкретной системе , но чаще других это знаки , ограничивающие максимальную скорость , либо рекомендующие движение с определенной скоростью , а также предварительные указатели направлений .

В случаях , когда автомагистраль осв е щена , должны прим е няться знаки с внутренним освещением .

3.4 . Особенности применения разметки

Условия движения по автомагистрали отличаются от условий на обычных дорогах , поэтому применяемая на ней разметка имеет ряд особенностей . Одной из характ е рных особенностей является то , что на магистрали применяются не все линии разметки , а чаще всего следующие линии для обозначений :

1 .2 *) - края проезжей части ;

* ) Здесь и далее номера линий разметки даны в соответствии с ГОСТ 13508-74 « Разметка дорожная ».

1 .5 - границ полос движения ;

1 .8 - грани ц ы между полосой разгона или торможения и основной полосой проезжей части ;

1.9 - полос , предназначенных для реверсивного движения в случаях , когда магистраль не имеет разделит е льной полосы ;

1 .1 2 - места остановки автомобилей на въездах у светофоров , в случае регулирования съезда на магистраль ;

1 .1 6 - направляющих островков в зоне развязок ;

1 .22 - номера дороги или маршрут а ;

2.4 - направляющих столбиков ;

2.5 и 2.6 - боковых поверхностей дорожных ограждени й ;

1 .3 - для разделения транспортных потоков противоположных направле н ий в случаях , когда авто м агистраль не имеет разделительной полосы и

1 .11 - попутных направлений в случаях примыкания к проезжей части магистрали дополнительной полосы , чтобы исключить ее блокирование ав т омобилями , движущимися по правой полосе ;

1 .1 8 - для указания разрешенных направлений движения по полосам .

Важным фактором , который долж е н учитываться при приме н ении на автомагистрали дорожной разметки , является обеспечение ее видимости при высокой скорости движения . С этой целью на автомагистрал я х , не и м еющи х искусственного освещения , применяется разметка , обладающая с в етов озв ращ ающи ми свойствами , дальность видимости которой в несколько раз выше обычной разметки . Кроме того , ширина ли н ий , обозначающих край проезжей части , берется в 2 раза шир е (0,2 м ), чем на обычных дорогах .

Учитывая высокую скорость движения , размеры штрихов и разрывов между ними у линий разметки 1 .5, 1 .8 и 1 .11 берутся максимальными .

Одной из наиболее важных особенностей применения разметки на магистрали является использовани е износоустойчивых материалов с тем , чтобы сохранить достаточно продолжительный с рок службы разметки в условиях интенсивного движения . Для этого , как правило , применяются термопластики , либо краски типа « Пл астирут » ( рис . 1).

Рис . 1 . Износоустойчивость разметки из различных м а териалов :

1 - краски на основе ал кидны х смол ; 2 - краски на основе алкидны х смол и хлоркауч у ка ; 3 - краски на основе хлоркауч ук а ; 4 - термопластики

3.5 . Особенности применения светофорной сигнализации

На автомобильной магистрали , оснащенной системой автоматизированного управления движением , могут применяться два типа светофоров . Один из них предназначен для регулирования движения по основным полосам , а второй устанавливается на въездах .

Регулирование движения по полосам осуществляется с помощью светофоров типа 3*). Оно применяется с целью закрытия отдельных участков полос движения при возникновении на них ДТП . Регулирование дви жения м о же т п р именяться не по всем полосам , а лишь по предназначенным для реверсивного движения . Введение реверсивного регулирования обычно должно производиться при одновременном наличии следу ю щих условий :

интенсивность движе н ия в час « пик » составляет более 500 ед ./ ч на каждую полосу проезжей части в более загруженном направлении ;

суммарная интенсивность движения в час « пик » в прямом направле н ии превышает интенсивность встречного движения более чем на 500 ед ./ ч ; указанная неравномерность движения систематически изменяется по направлениям в течение суток или по дням недел и ;

проезжие части , предназначенные для различных направлений движения , не отделены друг от друга разделительной полосой .

*) Кла с сифик аци я светофоров соответствует ГОСТ 23457 -79 « Технические средства организации дорожного движения . Правила применения ».

Светофоры типа 3 устанавливаются в начале полосы ( над ней ) и повторяются таким образом , чтобы расстояние между этими светофорами обеспечивало видимость водителями транспортных средств сигналов не менее двух последовательно расположенных светофоров .

Регулирование въездов осуществляется с помощью обычных трехсе кци онны х светофоров типа I , которые в случае однополосного въезда устанавливаются на правой стороне въезда . Если въезд осуществляется по двум полосам одновременно , то один светофор устанавливается на колонке у правой полосы , а второй ( дублирующий ) подвешивается над левой полосой . В случае , когда на двухполосном въезде каждая полоса работает самостоятельно , то светофоры размещаются над каждой полосой .

3.6 . Организация движения по магистрали

3.6. 1 . В соответствии с задачами организации движения на автомобильной магистрали транспортный поток ди ф ференцируется по скоростям движения , что позволяет наиболее полно использовать динамические качества автомобилей и создает для водителя возможность двигаться в наиболее удобном для него режиме . Наличие многополосной проезжей части позволяет выделить для групп автомобилей , движущихся с различными скоростями , самостоятельные полосы движения , что осуществляется с помощью линий разметки .

Величина скорости , рекомендуемая для автомобилей на каждой полосе , определяется в системе по алгоритмам , изложенным ниже , в зависимости от условий движения по магистрали ( погодные условия , загрузка магистрал и , наличие Д Т П и заторов ) и доводится до сведения водителей путем размещения над каждой полосой знаков , которые повторяются по всему протяжению магистрали через некоторое расстояние . Оптимальная его величина была определена экспериментально , путем наблюдения за движением автомобилей по участкам дороги , на которых производилось управление скоростью по каждой полосе движения ( см . п риложение 1). Было получено , что н езависимо от полосы и величины скорости оптимальным расстоянием повторения знаков является 1 ,5 - 2,0 км , так как при большем расстоянии водители не соблюдают ограничений скорости ( с м . р ис . 4, прилож . 1 ).

3.6.2 . В случае воздействия неблагоприятных погодных условий , заторов или ДТП возникает задача снижения скоро с ти движения либо закрытия отдельного участка магистрали . При этом целесообразно такое снижение скорости производить постепенно по отдельным тактам с таким расчетом , ч тобы о но ос у ществлялось плавно и не было бы двух соседних участков маги ст рали с высокой разницей скоростей движения ( рис . 2 ).

Рис . 2 . Потактное снижение скорости по полосам магистрали

Закрыти е движ е ния по отд е льным участкам полос осуществляется с помощью с ветофоров . Д л я этого необходимо , чтобы на д каждой полосой в местах размещения знаков , регламентирующих скорость движения , были и светофоры .

3.6.3 . Организация движения на въездах на автомагистраль может быт ь осущ ествлен а различными способами в зависимости от интенсивности движения , возможностей получения оперативных данных об изменении характеристик транспортного потока и желаемой степени автоматиза ц ии управления въездом .

В самых простых случаях в часы « пик » въезд может быть з акрыт на некоторое время . Этот метод прим е няетс я обычно , когда поток , движущийся по магистрали , ра ве н ее пропускной способности и л ишняя доза транспорта , въезжающего на магистраль , может привести к затор у .

В случаях , когда поток на магистрали достаточно высокий , но он еще не приближается к величине пропускной способности , может применяться дозированный впуск по жесткой программе . Программы могут меняться во времени , но суммарный поток на магистрали и въезде не должен превышать ее пропускную способность .

В с лучаях , когда с помощью детекторов с обирается информация о характеристиках транспортного потока на магистрали перед въездом , могут быть использованы различные методы организации движения , реагирующие на случайное изменение этих характеристик . К ним , в частности , относятся :

метод анализа спроса и пропускной способ н ости , при котором автомобилям по одному разрешается въезд на магистраль в моменты , когда спро с не превышает пропускной способности магистрали ;

метод контроля занятости участка магистрали перед въездом , когда для различного уровня занятости подсчитывается возможная доза впуска на магистраль ;

метод замера интенсивности движения на крайней по л осе , при котором количество впускаемых автомобиле й на магистраль за единицу времени зависит от интенсивности на крайней ( правой ) полос е ;

метод по иск а п риемле мого интервала , когда автомобилям разрешается въезд на магистра л ь в интервалы между автомобилями на правой полосе ;

метод по иск а приемлемого интервала со световой индикацией , при котором вдоль въ е зда устанавливается световая индикация , показывающая величину приемлемо г о интервала и скорость его движения . Этот метод обычно применяется , когда видимость на въезде неудовлетворительна , либо его геометрические характеристики отличаются от обычных .

Самым прогрессивным методом является координированный впуск, завися щ ий от параметров транспортного потока н а всей магистрали , когда анализируют с я состояния движения на всех у частках магистрали и въездах и с помощью ЭВМ принимаются решения о до пу стимы х потоках на любом въезде , исходя из условий обесп е че ния минимальных зад е рже к транспорта , максимально й про пус кной способности либо другого выбранного критерия .

Организация регулиру е мого движения автомобилей на въездах требует оборудования их светофорами и детекторами транспорта .

3.6.4 . При высокой загрузке первой ( крайней ) поло с ы движения может возникнуть задача обеспечения входа на эту полосу автомобилей , въезжающих на магистраль . С этой целью может быть использована техника искусственного создания разрывов в потоке на первой полосе . Она заключается в том , что с помощью снижения скорости д вижения на э той полосе можно добиться того , что часть автомобилей с этой полосы уйдут на соседнюю полосу движения и тем самым на ней появятся интервалы , при е млемые для въезда на нее .

3.7 . Организация обход ны х маршрутов

Несмотря на высокие технико - эксплуатационные характеристики автомобильных магистралей на них не исключены дорожно - транспортные происшествия . При этом , как показывает практика , вследствие высоких скоростей движения эти ДТП имеют цепной характер , т . е . в них могут участвовать несколько автомобиле й , следующих один за другим . Возникновение таких ДТП может вызвать полное или частичное блокирование проезжей части и тем самым явиться причиной серьезных заторов . Причиной заторов может быть также чрезмерная загрузка магистрали в случае , когда не применяется ограничение потока на въездах .

Организация маршрута , обходящего участок с затором , помогает избежать роста затора и з - за прибывающих автомобилей и тем самым снизить их задержки . Естественно , что организация обходных маршрутов возможна лишь при условии наличия параллельных дорог и сети дорог , соединяющих их с магистралью .

Возможны два варианта организации обходных маршрутов . При одном из них автомобили минуют закр ыты й у часток магистрали по дороге , проходящей справа по направлению движения , а при другом - по дороге , проходящей слева . Принципиальная разница этих вариантов заключается в том , что при первом варианте автомобили , идущие по обход у , выполняют левы е повороты на дороге параллельной магистра л и , а при втором - на с амой магистрали по развязкам . Это важное обстоятельство должно учитываться , так как первый вариант не всегда может быть приемле м .

При организации обходных маршрутов приходится решать две основные задачи : направление потока на съезд и информация водителей о направлении движения по обходному маршруту . Это выполняется с помощью управляемых знаков и светофоров . П ервая задача решается пут е м постепенного снижения скорости движения по полосам и их выравнивания , а затем постепенного закрытия основных полос д вижения , начиная с левой полосы ( рис . 3).

Рис . 3 . Направление потока на съезд при организации обходного маршрута

Вторая - путем установки предварительных указателей направлений движения на всех пересечениях , где обходной маршрут меняет свое направление ( рис . 4 и 5).


Рис . 4 . Пример расстанов к и управляемых дорожных знаков на обходном маршруте для направления движения из пункта А в пункт Б


Рис . 5 . Управляемые дорожные знаки , используемые для организации обходных маршрутов при закрытии участка магистрали :

а - знаки , устанавливаемые в начале перехо дн о - скоростно й полосы ; б - знаки , устанавливаемые за 1 000 и 500 м до съезда

4 . ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ В СИСТЕМЕ АРДАМ

4. 1 . О бъе м лющий алгоритм управле ния

4. 1 .1 . Алгоритм управления транспортными потоками в системе АРДАМ построен по р е зультатам разработок Ги продорни и и С КБ Пром автом атики , с учетом зарубежного опыта в данной области и от е чественного в области городских систем управления движением . Его блок - схема приведена на рис . 6. Блоки , соответству ю щие объекту у п равлени я - транспортном у потоку и т рем основным генераторам входных перем ен ны х - тра н спортной ситуации на примыкающей с ети , дорожным условиям на магистрали и окружающей ср е де , введены в целях наглядности .

4. 1 .2 . Движени е транспортного потока на автомобильной магистрали рассматривается как система обслуживания в том смысл е , что в нем выделяются два взаимосвязанных , но различных элемента :

спрос на обслуживание , т . е . на пользовани е магистралью , который создается потоками в граничных створах магистрали , а такж е потоками въездов и съездов ;

процесс обслуживания , обеспечиваемы й аппаратом обслуживания и над е ленный определенной дисциплиной обслуживания , т . е . процесс функционирования объекта управления , параметрами которого являются фазовые переменны е транспортного потока ( плотности , средние пространственные скорости по полосам и участкам магистрали и длины очередей на въездах ).

Аппаратом обслуживания является при этом автомобильная магистраль как и н женерное сооруже ни е , параметры которой , изменяющиеся под воздействием окружающей среды , также являют с я управляе мыми .

Под дисциплиной обслуживания понимается порядок удовлетворения спроса на пользовани е магистралью , который устанавлива е тся действующей в системе АРДАМ с т ратегие й управления и реализуется через объ е млющий алгоритм управления .

4. 1 .3 . Алгоритм состоит из контура автоматичес к ого управления и контура , замкнутого на человека - оп е ратора .

Рис . 6 . Блок - схема а лгоритма управления

В контуре р учного управл е ния по предложению канд . т ехн . наук Васильева А . П . предусмотрен блок управления состоянием автомобильной магистрали ( блок II ). Для его реализации предполагается , что в рамках системы АР Д АМ дорожные службы , прикрепленные к управляемому участку магистрали , находятся в оперативном подчинении оператора системы . Все другие блоки относятся исключительно к управлению транспортным потоком .

4. 1 .4 . Контур автоматического управления имеет сложную многоуровневую структуру . Принципиальным моментом является принятие двухуровн е вой схемы реализации управления :

уровень А - управляющие программы , т . е . координированные наборы управля ю щих воздействий на скорости движения по автомагистрал и и работу въездов , являющ и еся оптимальными по заданному критерию и рассчитанны е вне реального масштаба времени для существенно различных ситуаций по спросу на по льзование магистралью и ( или ) условиям окружающей среды ;

уровень В - рассчитываемые в реальном масштабе времени корректирующие управления . На этом уровне осуществляются реакции управляющего алгоритма на рассог л асования фактических и номинальных для программы уровня А параметров транспортного потока .

4. 1 .5 . Различаются четыре уровня локализации управления как по масштабам координации управляющих воздействий , так и по объему релевантной информации :

уровень локального управления « 0 » относитс я к управляющим воздействиям , рассчитанным для рассматриваемых изолированно въездов и полос движения в пределах элементарного участка ;

уровень локального управления «1» предполагает координацию управлений в пределах элементарного участка ;

уровень координированного управления «2» предполагает управление системой последовательно расположенных въездов и координированное задание скоростей в пределах определенного участка магистрали ( например , для всего участка МКАД - Истра );

уровень координированного управления «3» включает возможность перераспределения потоков на примыкающей сети ; в частности , сброс транспортного потока с управляемого участка , формирование альтернативных маршрутов следования и т . д .

4. 1 .6 . К блоку 1 отнесены алгоритмы первичной обработки информации о параметрах объекта управления , которые обрабат ыв ают ежесекундно поступающую информацию с детекторов интенсивности , врем е ни присутствия , с корости , состава движения и формируют соответствующие массивы исходных данных . Эти алгоритмы разработаны в СК Б П ро мавтоматик а .

4. 1 .7 . Алгоритмы блока 2, осу щ ествляющи е обнаружение заторов и дорожно - тран с портных происшествий ( разработаны в СК Б Промавтоматика ), основаны на модели распространения ударн ы х волн в плотном транспортном потоке . Блок замкнут на оператора . Тем самым предполага е тся наличие экстренных ситуаций , реа кци я на которые в контуре ручного управления опережает реакцию контура автоматического управления , где та же информация пройдет по каналу

Б 1 →Б 14 → Б 7 →Б 8 , Б 9 или

Б 1 → Б 4 → Б 13 → Б 8

4. 1 .8 . С учетом необходимости реагирования на изменения условий окружающей среды (ОС), дорожных условий , а также возможности н е посредственного выхода на исполнительные блоки контур , замкнуты й на оператора , выглядит следующим образом :

ТП→ Б 1 →Б 2 →Б3→ Б 8 , Б 9, Б 11

ОС →Б 6

Организация блока 3 выполнена в виде человеко - машинной процедуры , которая обеспечивается как набором инструкций непо с редственного пользования , так и алгоритмами , обеспечивающими диалог оператора и ЭВМ . Контур ручного управления описан в п . 4.2.

4. 1 .9 . Координирующим в контуре автоматического управле ни я является блок 7, осуществляющий выбор упр авля ющей программы , соответствующей данному уровн ю спроса на пользова н ие автомобильной магистралью ( дуга 1 4- 7), задействованной альтернативе сетевого управления ( дуга 5 - 7) и с остоянию окружающей среды ( дуга 6 - 7). Указанный выбор происходит путем просмотра списка управляющих программ , р ассчитанного вне реального масштаба времени .

Расчет управляющих программ происходит в блоке 1 2, который является ключевым в стратегической концепции , выдвинутой в Гип ро дорни и в ходе разработки с истемы АР Д АМ . Алгори т м из блока 1 2, наряду с алгоритмами блоков 4 и 1 3, базируется на разработанных в Гипродорнии макроскопических моделях транспортного потока . Алгоритм использует при формировании критерия оптимальности знач е ния скоростей по участкам и полосам магистрали , вычисл е нные для ситуации , соответству ю щей данной программе , в блоке 1 0 по моделям С КБ Пр о мавто матики . Верхние ограничения скоростей ( так называемые допустимые скорости ) определяют по рекомендациям п . 4.4.

4. 1 .1 0 . Управляющая программа реали з уется через исполнительные блоки 8 и 9. Одновременно с ней в блоке 1 2 вычисляется соот в етствую щая ей оптимальная фазовая траектория объекта управления. Степень рассогласования между оптимальной и фактической траекторией определяет , в силу алгоритма из блока 1 3, величину корректиру ю щего управления . Корректирующие управления реализуются путем изменения интенсивностей движения на въездах , т . е . сменой уставок соответствующих контроллеров ( блок 8).

4. 1 .11 . Алгоритм сетевого управления ( блок 5), разработанный в С КБ Промавтоматики , использует информацию о транспортной ситуации на автомобильных дорогах , примыкающих к управляемому участку , и выдает решения о необходимости сброса определенных объемов движения на дорогу - дублер .

4. 1 .1 2 . Блок 1 4 базируется на алгоритмах фильтрации и прерывания , разработанных в Гипродорнии ( п . 4.6 .), и алгоритме п рог ноза из матобеспечения АС С - УД ( разработка С КБ Пр о мавтоматик а ). Фактическая фазовая траектория объекта управления оценивается в блоке 4 с помощью алгоритма , разработанного в Гипродорнии и основанного на методе нелинейной фильтрации К алман а ( п . 4.7 .).

4. 1 .1 3 . Алгоритмы блока 6 должны осуществлять идентификацию любого конкретного состояния дорожных и погодных условий на принадлежность к одному из заранее выделенных и существенно различных , с точки зрения принятия решений , классов . Необходимый материал изложен в п . 4.4 . Часть информации на вход этого блока поступает от передвижной лаборатории КП - 50 8, описанной в п . 2 .

4. 1 .1 4 . Важным частным случаем управляющих программ являются программы , допускающие частичную или полную декомпозицию , т . е . относящие с я к уровням локализации « 0 » и «1». К ним принадлежат в первую очередь алгоритмы управления отдельным въездом в различных режимах ( блок 8). Этот мат е риал разработан в СК В Про мавтоматик а и Гип родорнии .

4.2 . Методиче с кая основа контура управления , замкнутого на оператора

Важнейшая роль в обеспечении эффективного функционирования автомагистрали принадлежит оператор у . Среди задач , решаемых им , следует выделить три , наиболее важные : наблюдение за работой системы , ручное управление движением и осуществление связи с дорожными и другими организациями .

4.2. 1 . Набл ю дение за работой системы производится оператором с целью своевременного обнаружения возмущений в транспортном потоке , вызванных заторами , ДТ П , либо сложными погодными условиями , а также о б наружения неисправностей в работе систе м и принятия мер по их устранению . Необходимость такого наблюдения вызвана т е м , что оператор , используя систему телевизионного обзора , может на самой ранней стадии обнаружить п редзаторо вые ситуации , в то время как контур автоматического управления обнаружит их только при наличии существенных изменений в характеристиках транспортного по тока . Оператор следит за индикацией на мнемосхем е , сигнализирующей об исправности оборудования и состоянии погодных услови й .

4.2.2 . Ручное управление движением производится оператором в случае получения им информации по системе телев и зион ного обзора или радио о наличии на дороге затора или ДТП , образования гололеда , снежного заноса , а также при необходимости специального режима движения при пропуске спецавтомобилей . Оно может осуществляться на одном или группе въездов , а т ак же на каком - либо участке перегона , либо на перегоне в целом .

4.2.3 . Управление движением на въезде может решать две задачи : выделение наиболее благоприятных условий для тр а нспорта , движущегося по магистрали , и предоставление приоритета транспорту , в ъ езжающе му на магистраль с боковой дороги . Решение первой задачи станов и тся необходимым в момент , когда на магистрали во з никает предзат о ров ая ситуация , либо затор , а также беспрепятственный пропуск по магистрали спе ц машин . Вторая задача характерна для случая , когда спецмашинам необходимо обеспечить быстрый и беспрепятственный въезд на магистраль . Д л я этого в первом варианте по команде оператора на въезде загорается кр а сный сигнал светофора и горит до тех п о р , пока оператор не отме н ит команду . Во в т ором , наоборот , на светофоре на въе з де загорается зеленый сигнал , а по магистрали на первой полосе закрывается движение либо снижается его скорость на участке , находящемся перед въездом . Организация такого движения показана на рис . 7 .

Р ис . 7 . Схема организации движения при п редоставлении приоритета транспорту , в ъ езжающему на магистраль

4.2.4 . Управле н ие оператором движением на п е регонах включает в себя управление скоро с тью движения и закрытие или открытие отдельных полос движения или участков магистрали . Управление скоростью движения должно осуществляться оп е ратором в случаях получения информации , с помощью имеющихся у него средств связи ( до поступле н ия сигналов от датчиков в ЭВМ ), о воздействии неблагоприятных погодных факторов либо при вероятности их скорого появления . Он м о жет снизить рекомендуемую скорость движе н ия как на всей дороге , так и на отдельных ее перегонах . При выборе скорости оп е ратор м о жет руководствоваться показаниями устройства для электрического мод е лирования условий и режимов движения на магистралях , либо назначать их в соответствии с рекомендациями о назнач е нии скоростей движения при различных погодных условиях .

За к рыт ие оператором участка полосы движения осуществляется в момент получения информации о возникновении на этом участке ДТП , либо другого обстоятельства , мешаю щ его проезду транспорта . В результате на ближайшем к закрываемому участку знаке , находящемуся над данной полосой движения , загорается сигнал в виде двух перекрещивающихся наклонных полос красного цв е та , а с помощью предыдущих знаков на этой же полосе производится сниж е ние скорости движения до минимальной величины . Соответственно меняются величины рекомендуемых скоростей движения на знаках , установленных на соседних полосах движения ( рис . 8).

Рис . 8 . Схема организ а ции движения при закрытии участка полосы движения

Закрытие полосы движения может осуществляться оператор о м в случае проведения на ней ремонтных работ , а также при необходимости пропуска по ней спецмашин . Для этого на всех указателях рекоменду е мой скорости движения , установленн ы х над этой полосой , включается сигнал в виде двух перекрещивающихся наклонных полос красного цвета , а на указателях , размещаемых над другими полосами , значение безопасной скорости движения . Причем , если на закрытой полосе производятся ремонтные работы , то оператор сам выбирает значения безопасной скорости движения на соседних полосах . Если же полоса закрывается для пропуска спецмашин , то величина рекомендуемой скорости выбирается ЭВМ на основе реализуемой ею стратегией управления движением .

Закрытие участка магистрали между двумя развязками о с уществляется оператором в случаях, когда на магистрали набл ю дается серьезный затор , вызванный ДТП , проводятся дорожные работы , либо имеются другие причины , не позволяющие осуществлять движение транспорта . Транспортный поток по соединительным дорогам переводится на параллельные дороги . Поскольку соединительные дороги , как правило , имеют небольшую пропускную способность , то пропуск по ним интенсивных потоков может осуществляться с пониженными скоростями . Движение перед закрытыми участками организуется таким образом : производится постепенное замедление транспортного потока с помощью указателей скорости и закрытие основных полос движения , а с помощью изменения информации на предварительных указателях направлений движения осуществляется перевод потока на соединительную дорогу ( см . р ис . 4).

4.2.5 . Взаимодействие оператора и контура автоматического управления определя е тся следующими принципами :

1 . При любых де й ствиях оператора контур автоматического управления осуществляет автоматическую подстройку всей совокупности управляющих воздействий под изменения , вносимые оператором . В этом случае в оптимизационной подсистеме решается та же задача оптимального управления , а управляющие воздействия , н азначенные оператором , рассматриваются как дополнительные ограничения на пространство управлений .

2 . Контур автоматического управления не позволяет оператору устанавливать режимы , которые для имеющихся на дороге условий движения могут быть опасными .

3 . Перед закрытым участком полосы , либо участком с ограниченной скоростью должно производиться постепенное сниже ни е скорости движения с шагом не более 20 км / час . При этом если величины скоростей по полосам перед таким участком были разли ч ны , то скорости на них сначала необходимо в ы ровн ять по меньшему значению , а затем снижать .

4 . При установлении по полосам рекомендуемых различных скоростей движения их величины на соседних полосах не должны отличаться более чем на 20 км / час .

5 . Закрытие оператором участка магистрали должно сопровождаться автоматич е ской организацией обходного маршрута .

4.2.6 . С целью успешного и безопасного функционирования магистрали оператор осуществляет связь с дорожными и другими организациями , обслуживающими магистраль . Такая связь особенно необходима в случаях возникновения ДТП , выпадения снега , в периоды гололеда , при повр е ждениях покрытия проезжей части , при падении груза на проезжую часть и т . п .

Когда оператор получа е т сообщение о ДТП ( по радио , с помощью телевидения или от сиг н ально - перегов о рны х устройств ), немедл е нно по телефону извещает об этом службу скорой помощи , органы ГАИ и дорожную службу . В необходимых случаях он дол ж ен вызывать техническую помощь .

При выпадении с нега и образовании на отдельных уча с тках гололеда , либо повреждении проезжей части оператор сообщает об этом подчиненной ему дорожной слу ж бе . Если при этом оператор самостоятельно ограничивает скорость движения , то отмену введенных им ограничений он осуществляет только после получения информации об устранении помех движению от передвижных лабораторий или работников дорожной службы .

4.3 . Модельная основа конт ура автоматического управления

4.3. 1 . Для описания транспортного потока на автомагистрал и как объекта управления используется макроскопическая нелинейная м одель в агрегированных переменных , отражающая его дина м ику , структуру локал ь ных взаимодействий и отклик на управляю щ ие воздействия [ 4 ]. Выбор макроскопических моделей в качестве аппарата исследования и оптимизации движения транспортного по ток а , т . е . моделирование феномена его коллективного поведения на уровне динамики средних , обосновывается следующими положениями :

управляющие воздействия носят коллективный характер , т . е . предназначены не отдельному автомобил ю , а их определенной пространственно - временной совокупности . Поэтому естественно рассматривать объект управления на уровне агрегированных переменных , характеризу ющи х эту совокупность ;

в теории оптимальных систем для самых различных задач управления используется физическая методология , связанная с выявлением связей типа законов сохранения и уравнений состояний . Такие связи в транспортном потоке выявляются лишь на макроскопическом уровне ;

однонаправле н ный плотный транспортный поток о пи сывается на базе физико - механических аналогий , а именно в случае плотного транспортного потока возникают наиболее содержательные и пр а ктически важные з адачи управления движ е нием .

4.3.2 . В качестве фазовых переменных управляем о го о бъекта выбираются плотности , средние пространственные скорости и длины очер е дей на въездах .

Модель основана на специального вида дискретизации системы уравнений , состоящей из стандартного уравнения неразрывности и уравнения состояния объекта типа сжимаемой жидкости с релаксационным членом в правой ча с ти .

Формально построенная модель является аппроксимацией системы уравнений в частных производных с помощью разностной схемы первого порядка . С физической стороны постулируется , что значения некоторой фазовой координаты в последующий момент времени зависят ( наряду с управляющими и входными п е ременными ) только от значений « соседних » фазовых координат в предыдущий момент време н и, т .е . от па рамет ров потока на участках , непосредственно примыка ющ их к данному . Таким образом , уравнения модели имеют следующий вид :

               ( 4. 1 )

где Xij = { ρij ; Vij } - п а ра фазовых координат - плотность и простра н ствен ная скорость потока на полосе j участка i автомагистрали ;

Fij - оператор , соответствующий графу Ф ij , прич е м Ф1 ij - множество индексов фазовых переменных д л я графа , Ф2 ij - множество индексов входных переменных ; Ф3 ij - множ е ство индексов управлений въездами ; Ф4 ij - множество индексов управлений перестроениями ;

UR α , UVij ; ULi αβ - управляющие переменные ( соответственно въездами с коростями , перестроениями);

t - дискретная переменная времени ;

Δ - временный шаг модели ( величина порядка - 0,0 1 часа );

li - пространственный шаг модели или длина э л ементарного участка ( порядок - 1 км ).

Если Ф2 ij ≠ Æ , т . е . на данную полосу возможен въезд , следу е т при с оединить уравнение длины очередей Xi 0 :

Xi 0 (t + 1) = Xi0(t) + ΔZ+i(t) - min{ Xi0(t) + ΔZ+i(t); ΔCi(Xi-1,1(t), URi(t)}           ( 4 .2 )

где Z + i - интенсивность спроса на данный въезд ;

C i + - функция динамической пропускной способности .

Для начального участка автомагистрали вводится функция спроса fj .

4.3.3 . Операторы Fij определяются только структурным графом , а не конкретной парой индексов ( i , j ) . При их выборе были учтены следу ю щие механизмы макротеории транспортного потока , вв е денные различными исследователями на основе экспериментального изучения однонаправленного плотного потока :

закон сохранения числа автомобиле й ;

диаграмма « скорость - плотность »;

эффект релаксации ;

- " - инерции ;

- " - торможения - всасывания ;

механизм смены полос по Оливер у - Лэм у ;

динамическая пропускная способность въезда .

В типичном случае с учетом перечисленных эффектов уравнение ( 4.1 .) перепишется в виде :

                                           ( 4.3 )

где I 1 ij = ρi -1,j (t )Vi -1,j (t );

I 2 ij = - ρij (t )Vij (t );

I 3 ij = - ULij , j +1 ( t ) Pi , j , j +1 ρ 2ij (t )[

I 4 ij = - ULi , j +1 ( t ) Pi , j +1. j ρ 2i,j +1 (t )[

а I 5 , I 6 выражается аналогично I 3 , I 4 с заменой j + 1 на j - 1 ;

слагаемое инерции -

слагаемое релаксации -

,

с лагае мое торможения - всасывания -

Здесь R 1 , R 2 , R 3 (1), R 3 (-1) - к оэффициенты ин е рции , релаксации , торможения и всасывания . Формула ( 4.1 .) раскрывается для других графов с небольшими видоизменениями .

4.3.4 . Конкретные условия движения , в частности , влияние факторов окружающей среды , вводятся в модель ( 4.1 ) и ( 4.2 ) через з н ачени я динамических ( Rj ) параметров , в первую очередь через коэффици е нты формул для Vij ( ρ ) . Адекватность модели 4.1 и 4.2 , в силу экспериментального происхождения формиру ю щих ее элементарных механизмов , определяется выбором значен и й ее параметров .

Выяснение физических допустимых наборов значений параметров было произведено в ходе разработок п утем сопоставления результатов численных экспериментов на ЭВМ и натурных наблюдений . Числовые параметры P i αβ и параметры зависимостей Vij ( ρ ) были оценены в одной процедуре с фазовыми переменными по материалам с п ециально проведенного эксперимента ( см . п риложение 1).

4.4 . Определ ени е допустимых скоросте й движения автомобилей с учетом метеорологических и дорожных условий движения

4.4. 1 . Величина максимально допу с тимой скоро с ти по условиям безопасности движения определяется состоянием комплекса « водитель - автомобиль - дорога - среда » ( ВА Д С ). Количественные характеристики состояния этого комплекса отражены в условиях движения , т . е . подразумевается та реальная обстановка на дороге , в которой движется автомобиль в данный момент времени .

4.4.2 . Условия движения включают в себя дорожные условия , т . е . совокупность параметров и тра н спортно-э ксплуатационных качеств дороги , имеющих непосредственное отношение к движению , транспортный поток ( состав , интенсивность , плотность ) и состояние окружающей среды . Параметры , входящие в условия движения , могут изменяться в ту или иную сторону . Следовательно , существует оптимальное сочетание этих параметров , обеспечивающее наиболее эффективное функционирование комплекса В АД С . Такое сочетание называют эталонными условиями движения . Для дорог первой категории за эталонные могут быть приняты условия движения одиночного легкового автомобиля по любой из поло с при условиях движения , приведенных в табл . 1 .

4.4.3 . Максимальную допустимую или максимальную во з мож ную скорость движения одиночного легкового автомобиля в эталонных усло в иях движения принято называть расчетной скоростью . Отклонение значений параметров от указанных в табл . 1 , ведущее к снижению эффективности функционирования комплекса ВАДС , вызывает соотв е тственное уме н ьшение расчетной скорости . Для сравнения максимальной безопасной скорости движения в данных условиях ( V ф ) с максимальной безопасной скоростью в эталонных условиях ( V э ) канд . т ехн . н аук А . П . Васильевым предложены коэффициенты обеспеченности расчетной скорости K рс , равные отношению этих скоростей . Если K рс получены по отклонению какого - либо одного параметра ( Xi ) от эталонного , то эти коэффициенты обеспеченности расчетной скорости называют частными ( K рс xi ). В основу определения итогового коэффициента обеспеченности расчетной скорости ( K рс итог ) положена гипот е за о н али чии сложной функциональной связи между итоговым и частными коэффициентами обеспеченности расчетных скоростей :

K рс итог = f ( K рс x 1 , ..., K рс xn ).

В этом случае максимальная допустимая скорость движения

V max = K рс итог V э .                                                              ( 4.4.)

4.4.4 . Все параметры и характеристики условий движения разделены на постоянные и переменные . К постоянным относятся параметры неизменные при см е не погодно - кл и мати чески х факторов : геометрические параметры дороги ( если с воевреме нно убирают снег и не создают снежных валов , уменьшающих ширину проезжей части дороги и геометрическую дальность видимости ), параметры автомобиля и пр . Значения других параметров могут изменяться в довольно широких пределах . Важнейшими из этих параметров ( по условиям безопасности движения ) являются коэффициенты с цепления , определяющие длину тормозного пути автомобиля , метеорологич е ская дальность видимости ( МДВ ) и скорость бокового ветра .

Метеорологическая дальность видимости, м

Рис . 9 . Зависимость коэффициента снижения расчетной и допустимой скорости д вижения одиночного автомобиля от МДВ и коэффициента сцепления :

1 - V = 1 20 к м / ч, φ = 0,5;

2 - V = 1 40 к м / ч, φ = 0,5;

3 - V = 1 20 к м / ч , φ = 0, 3;

4 - V = 1 40 к м / ч, φ = 0,3

На рис . 9 представл е ны зависимости K рс и V max от МДВ при различных значениях коэффициента сцепления , полученные расчетно - а н али ти чески м путем , исходя из теоретических моделей взаимоде й ствия автомобиля с дорогой . На рис . 10 представлены зависимости K рс и V max от скорости бокового ветра .

Таблица 4 .1

Основные характеристики эталонных условий движения

Система комплекса ВАДС и их параметры

Единица измерения

Величина

Эталонные па р аметры дороги

Прямой горизонтальный уча с ток дороги , продольный уклон

0

Ширина полосы движения

м

3,75

Ширина обочины

- " -

3,75

в том числе укрепленной

- " -

2,00

Геометрическая видимость

- " -

750

Эталонное состояни е дороги

Покрытие шероховато е, коэффициент сцепления сухого покрытия

-

0,8

То же , мокрого покрытия

-

0,6

Ровность покрытия ( просвет под трехметровой рейкой или сумма неровностей по ПК РС -2)

мм

см / км

5

300

Сопротивление качению

-

0 ,01

Эталонный автомобиль

( Легковой автомобиль В АЗ - 21 03, ГАЗ - 24)

Максимальная скорость

км / ч

1 40

Ширина кол е и

мм

1 345

Габаритная ширина

- " -

1 611

Длина к узова

- " -

4073

Максимальная мощность двигателя

л . с .

75

Эталонные у словия погоды

Сезон года

-

лето

Температура воздуха

°С

20

Осадки , интенсивность

мм / ч

0

Ветер , скорость

м / с

0

Метеорологическая дальность видимо ст и

м

более 750

Полученные резуль т аты относятся к движению одиночного автомобиля . При назначении рекомендуемых скоростей движения потока они выступают в роли верхних ограничений .

4.4.5 . По условиям безопасности для определения максимально допу с тимой скорости движения автомобилей в потоке ( V доп пот ) в сложных метеорологических условиях может быть , с некотор ы ми допущениями , использована формула , аналогичная ( 4.4 ):

V доп пот = V э пот (ρ) K рс ,                                                      ( 4.5)

где V э пот (ρ) - максимальная допустимая ск орость автомобилей в потоке при эталонных метеорологических и дорожных условиях движения ;

ρ - плотность потока автомобилей . Ожидаемые зависимости V э пот (ρ) от плотности получены на основе натурных н а блюдений на шестиполосном участке МКАД .

Рис . 1 0 . Зависимость ко эф фици ента снижения расчетной и допустимой скорости движения одиночного автомобиля от скорости бокового ветра :

1 - двигатель впереди ; 2 - двигатель сзади

4.4.6 . Так как дорожные контролле р ы ДК -7, применяемые в системе АР Д АМ для упра в ления указателями скорости , имеют шесть значений позиций рекомендуемой скорости движения , то результаты с овместной оценки по формуле ( 4.5 ) удобно представить в виде таблицы . Для этого метеорологические и дорожные условия движения разбиты на шесть зон опасности ( табл . 4.2 и 4.3 ). Передвижная дорожная лаборатория на основании показаний приборов для определения коэф ф ициента сцепления , МДВ и скорости б окового ветра устанавливает номер зоны и после прохождения каждого управляемого участка передает его в центр управления в виде четырехзначного двоичного кода , причем , I зоне соответствует кодовая комбинация 000 1 ; II зоне - 00 1 0; III зоне - 0011 ; IV зоне - 0 1 00; V зоне - 0 1 01 ; VI зоне - 0110.

Центр управления , располагая полученной информацией о зоне опасности метеорологических и дорожных условий , а также информацией о плотности потока автомобилей на управляемых участках автомагистрали , устанавливает зону усло вий движения ( см . т абл . 4.4), которая позволяет определить значения допустимых скоростей движения ( см . т абл . 4.5), соответствующих четырехполосному участку автомагистрали ( за первую полосу принята крайняя правая полоса движения ).

Трехполосному участку соответствует 1 , 2 и 4 столбцы , д вухполосному 1 и 4 стол б цы - 2 . 5.

Таблица 4.2

Соответстви е зон опасности величине метеорологической дальности видимости и коэффициента сцепления ( при V ветра = 1 0 м / с )

Коэффициент сцепления , φ

Метеорологическая дальность видимости , м

75

150

225

300

450

600

750

0,6 - 0,8

-

-

III

IV

V

V

VI

0,5 - 0,6

-

-

III

IV

IV

V

V

0,4 - 0,5

I

II

III

III

III

IV

IV

0,3 - 0,4

I

II

III

II

III

III

III

0,2 - 0,3

I

I

I

II

II

II

II

0 - 0,2

I

I

I

I

I

I

I

Та б лица 4 .3

Изменение зон опасности при различных значениях скорости бокового ветра

Зоны опасности при V ветра = 10 м / с ( из табл . 4.2 )

Скорость бокового ветра , м / с

12

18

24

30

VI

VI

V

VI

III

V

V

V

IV

III

IV

IV

IV

IV

III

Таблица 4.4

Определение зон условий движения через зоны опасности и плотность потока автомобилей

Зона опасности из табл . 4.3 .

Плотность потока , авт ./ км

10

18

25

30

VI

6

5

4

3

V

5

5

4

3

IV

4

4

4

3

III

3

3

3

3

II

2

2

2

2

I

1

1

1

1

Таблица 4 .5

Допустимы е скорости движени я ( км / ч ) по полосам для различных зон условий движения

Зоны условий движения из табл . 4.4

Полосы движения

4

3

2

1

6

1 20

11 0

1 00

9 0

5

1 00

90

80

80

4

80

80

70

70

3

60

60

60

60

2

40

40

40

40

1

20

20

20

20

4.5 . Расчет управляющих программ

Расчет программных управлений , соответствующих различным условиям движения и уровням спроса на пользование автомагистралью , является одним из важнейших моментов при проектировании систем управления движением .

4.5. 1 . Задача расчета управляющей программы для дачного участка автомагистрали и фиксированного отрезка времени T = N Δ формулируется следующим образом : на основе принятой модели ( 4.1 ) при параметрах , соответствующих заданным условиям движе н ия , и переменных входа , соответствующих заданному спросу , найти управление U = { UR , UV , UL }, оптимальное в смысле принятого критерия функциониро в ания . При этом выбор критерия функционирования должен соответствовать стратегическим целям системы управл е ния , в частности , при высоком уровне спроса на пользование магистралью отражать неизбежный компромисс между плотностью потока и временем ожидания въе зд а . Критерий формализуется введением целевого функционала J { X ( t ) , V ( t )} , на управление накладываются ограничения физической реализуемости ( UR - неотрицательн ы и целоч и сленны; UV - соответствуют значениям указаний скорости , содержащихся в управляемых знаках ; число переключений ограничено ). Помимо ограничений физической реализуемости на переменны е UV накладываются огранич е ния по величине допустимой скорости ( см . п . 4.4 .).

4.5.2 . Расчет программных управлений сводится к решению следующей задачи дискретного оптимального управления :

                                    ( 4.7)

где (4.7) - векторная запись уравнений ( 4.3);

Ω t - область допустимых управлений .

4.5.3 . В качестве наиболее универсальных предлагаются функционалы :

                                          ( 4.8 )

который соответствует критерию максимального потока в наиболее « узком » из контрольных сечений ( ма к сималь ный критерий пропускной способности )

                              ( 4.9)

сумма квадратичных форм от плотностей потоков и длин очередей на въездах , которая соответствует критерию обобщенной задержки [ 3]. В зависимости от конкретных условий становится оправданием применение одного из введенных критериев . Наличие же активных ограничений на UV делает разницу между ними несуществе н ной ввиду малости области допустимых управлений .

Во в ремя часа « пик », когда урове н ь загрузки превышает оптимальный , в нормальных условиях движения следует использовать ф ункцион ал ( 4.8). При этом режим движения на дороге в целом будет назначаться исходя из условий наиболее полного использования пропускной способности дороги .

Во второй характерной ситуации , когда уровень загру з ки ниже оптимального и условия движения благоприятны , следует использовать функционал ( 4.9).

В третьей характерной ситуации - при действии неблагоприятных погодно - кл и матически х факторов и в ночное время - ограничения на область допустимых управлений по условиям безопасности движения выступают в роли активных и по этой причине вид целевого функционала не имеет определяющего значения .

Из л оженная концепция о критериях управления была выдвинута канд . т ехн . н аук А . П . Васильевым .

Таким , образом , управляющие программы вычисляются как решение оп т имальной задачи с ограничениями . Компромисс « безопасность - задержки I рода - задержки II рода » разрешается при этом следующим образом : ограничения по безопасности движения , накладываемые условиями , имеют безусловный характер ; в рамках этих ограничений вычисляются управления , оптимальные по критерию стоимостного ( различные варианты суммирования задержек ) или минимаксного типа ( различные варианты учета пропускной способности участка ).

4.5.5 . Сформулированная задача имеет большую размерность (60 - 80 в практически интересных случаях ), но весьма простую структуру , задаваемую элементарными графами . Ее численное решение осуществляется с п омощью комбинации известных методов : случайного поиска и локальных вариаций , причем области постоянства целевого функционала параметризуются с помощью штрафных функций . Следует отметить , что в качестве диспетчерского решения ( нулевого , приближения оптимального ) используется так называемые « нейтральное управление » - въезды открыты , скорости ограничены только по з н ачениям V * ( ρ ) , смена полос разрешена . Отличия оптимального уп равления от диспетчерского характеризуют преимущества координации локальных управляющих воздействи й .

4.5.6 . Эффективность предлагаемог о алгоритма была проверена в эксперименте на ЭВМ , проведенном по реал ь ным данным для головного участка (7,2 км ) дороги Москва - Р ига . Он продемонстрировал успешную работу алгоритма как в стандартных , так и в ряде экстремальных ситуаций ( закрытие о дн ой или двух полос в пределах отдельного участка ).

4 .6 . А лгоритм ана лиз а входных си гна лов

4.6 .1 . Одним из типичных случаев смены программных управлений является ситуация значительного изменения спроса на пользование автомагистралью , связанного с неравномерностью суточной интенсивности движения . Резкие перепады интенсивности в различных сечениях автомагистрали могут вызываться локальны м заторами , ДТП и другими обстоятельствами , требующими оперативного вмешательства . Поэтому важной задачей управления движе н ием является фиксация момента существенного изменения интенсивности движения на фоне ее неизбежных случайных флуктуаций . Для решения это й задачи предлагается процедура фильтрации интервальных (за такт Δ) значений интенсивности движения .

4.6.2 . Процедура основана на модели Бре й ман а [ 12 ] для случайного процесса интервальных отсчетов J , силу которой

J (t) = Yt + Zt.                                                                  ( 4.10)

Медленно меняющийся процесс Yt подчиняется условию :

E [| Δ 2 Yt |] ≤ β ,                                                                   ( 4 . 11 )

где E - оператор математического ожидания ;

Δ 2 - оператор в торой конечной разности ;

β = const .

Zt - стационарный гауссовс ки й процесс с параметрами

E [ Zt ] = 0 , E [ Zt , Zs ] = δtsσ 2 ,

причем δts =   символ К ронек ера , а отношение β / σ - мало .

По материалам наблюдений за интенсивностью движения , проведенных на дорогах Московского транспортного узла , установлен следующий диапазон для величин β / σ : 0,00 1 ≤ β / σ ≤ 0,0 1 при Δ = 1 мин .

4.6.3 . Модели ( 4.10 ), ( 4.11 ) приводятся к стандартной форме линейного стохаст и ческого разностного уравнения :

                                              ( 4 .1 2 )

где

В такой постановке задача фильтрации интервальных отсчетов интенсивности сводится к оценке « переменной состояния » по набл юд ениям сигнала J ( t ) [ 3]. Ковариационные матрицы ω , ξ и начальной оценки равны соответственно :

где

Задача решается с помощью алгоритма фильтрации К алман а .

4.6.4 . Предложенный алгоритм осуществляет разделение шкал измен е ний интенсивности на шкалу существенных изменений и шкалу флуктуации . На рис . 11 представлены фактическая и сглаженная траектория интервальных отсчетов для 50 - минутного интервала наблюдений , произведенного на МКАД ( лето 1 978 г .) . Сглаже н ные траектории соответствуют h = 0,0001 и h = 0,0000 1 .

Рис . 11 . С глаживание случайного процесса интервальных отсчетов

4.6.5 . Оптимальные значения параметров фильтра определялись на материале реальных данных на стационарном ( 1 40 мин .) и нестационарном (393 мин .) тестах . Значения параметров фильтра таковы : К = || 0,0 796; 0,0795; 0,0 765|| в стационарном случае и K = || 0,1 41 5; 0,1 41 5; 0,1 322|| в нестационарно м .

Ковариационные матрицы равны соответственно :

4.6.6 . Другим эффективным алгоритмом сглаживания является алгоритм с запаздыванием , построенный на результатах [ 12 ]. А л горитм основан на нахо жд ении параметров { a k } , обеспечивающих минимум выражения

в классе последовательностей { Y }, удовлетворя ю щих условию ( 4.11).

Здесь δ - параметр запаздывания и , разумеется , W δ < W ' δ при δ > δ ' . Коэффициенты вычисляются по формулам :

где    

Ниже приведены значения a i при δ = 1 0 и типичном значении γ = 46.

a 0 = 0,051 523; a 1 = a -1 = 0,051 411 ;

a 2 = a -2 = 0,0 51 076; a3 = a -3 = 0,050521;

a 4 = a -4 = 0,0 49753; a 5 = a -5 = 0,048776;

a 6 = a-6 = 0,0 47601; a 7 = a -7 = 0 ,046239;

a 8 = a -8 = 0,0 44701; a 9 = a -9 = 0,043002;

a 1 0 = a -10 = 0,0411 57.

Алгоритм реализован на ЭВМ и предлагается в качестве а л ьтернативного (или дополнительного ) варианта реализа ц ии блока 1 4.

4.6.7 . Сглаженная траектория интервальных отчетов дает оператору и контуру автоматического управления информацию об истинном , « свободном от флуктуации » уровне интенсивности .

Алгоритм прерывания устанавливает ко л ичественную меру существенности изменения и момент прерывания периода , в котором уровень интенсивности считается постоянным . Он основан на статистике Б рей ман а :

                                   ( 4.13 )

где J ( t ) - определено в п . 4.6.2 .;

σ 2 - дисперсия одиночного отсчета . Согласно результатам Бреймана статистика B ( t ) распределена нормально с параметрами 0 и 1.

4.6.8 . Алгоритмы прерывания

Шаг 0. Положить t = 0.

Шаг 1. Вычислить B ( t ) .

Шаг 2. Е с ли | B ( t )| < α , т о { t : = t + 1 , перейти к шагу 0}.

Шаг 3. Найти ближайш е е t 0 < t , где | B ( t )| ≤ 1 ; п е рейти к шагу 0.

Точка t 0 является точко й преры в ания . Рекомендуемое значение α = 3,5. При этом вероятность ошибочного прерывания ( например, на интервале 1 00 Δ ) равна :

P { max | B ( t )| > α } = 0, 04 .

0 ≤ t ≤ 100

4.6.9 . Применение теста к анализу изменения интенсивности в период с 7.00 до 1 3.30 на одной из автомобильных дорог московского транспортного узла по реальным данным показало его высокую эфф е ктивность . По р езультатам те с та выделены с ледующие промежутки со статистически значимыми изменениями интенсивности :

Первый промежуток 7.00 - 8. 1 4 ................. 1 577 авт / ч ;

Второй          - " -            8. 1 5 - 9.47 ................. 1 880     - " -

Третий          - " -            9.48 - 1 3.30 ............... 1 978 авт / ч .

4 .7 . Оц е нивани е фа зовых пер е менных трансп о ртного потока

4.7. 1 . Фазовые переменные транспортного потока не поддаются непосредственным измерениям в рамках технического обеспеч е ния , используемого в системах управления движением . По этой причине в цепи обратной связи таких систем должен присутствовать преобразователь информации , осуществляющий оценивание фазовых переменных объекта управления по текущим значениям его непосредственно измеряемых параметров . В рамках прилагаемой технологии управления оцениванию подлежат средние плотности и скорости по пространственно - временной совокупности , соответствующей данной полосе движения в пределах определенного участка магистрали и временного такта . Задача оценивания решается изолированно для отдельного участка магистрали , при этом непосредственным изме р ениям подлежат интенсивности и средние за такт Δ скорости движения по каждой полосе начального и конечного сечения участка .

4.7.2 . Помимо значений непоср е дственно измеряемых параметров транспортного по ток а используется информация , закл юч енная в моделях динамики транспортного потока и связей между фазовыми переменны м и и сигналами на выходе . Эти модели представляют собой систему стохастических разностных уравнений :

где X - пополненный вектор ф азовых переменных , его к омпонентами являются плотности и средние пространственные скорости ТП , а также априори неопределенные параметры модели ;

W - вектор , составленный из интенсивностей и скоростей на входе в участок и скоростей на выходе из участка ;

Y - вектор , и н тенсивностей на выходе из участка;

α и β - гауссовс ки е шумы с известными ковариацион н ыми матрицам и [ 2].

Уравнения ( 4.14) представляют собой стохастический аналог уравнений ( 4.1 .), упрощенный путем использования известных текущих значений вектора W . Уравнения ( 4.15) вытекают из стандартного соотношения « скорость - плотность - интенсивность » - λ = ρV , которое для истинных ( в отличие от средних значений ) переменных транспортного потока является верн ы м с точностью до случайного слагаемого с известной дисперсией .

4.7.3 . Задача оценивания вектора фазовых переменных решается на основе моделей ( 4.14 ) и ( 4.15 ) с помощью расширенного фильтра К алман а - Бь юси . Оценка для X (0) делается на основе гармонической средне й скорости автомобилей , проходящих в конечном сечении участка за такт Δ и соотношения « скорость - плотность - интенсивность ». Рис . 12 отражает результаты применения алгоритма к экспериментальным данным , описанным в п рилож . 1 .

4 .7.4 . Первоначально ал г оритм был испытан на данных , имевшихся в зарубежной литературе [ 16 ]. Испытания подтвердили высокую эфф е ктивность этого алгоритма , одновременно выяснилось значение априорной информации , заключенной в численных з н ачениях элементов , следующих ковариационных матриц :

R ( α ) - ковариа ции ошибки модели состояния ;

R ( β ) -        - " -                - " -           - " -     наблюдения .

Рис. 1 2 . Результат ы оценивания плотности транспортного потока на одной из полос шестиполосного участка магистрали

Наибольшее влияние на точность оценки оказывают отношения верхних шести диагональных элементов матрицы R ( α ) и диагональных элементов м а трицы R ( β ).

По материалам эксперимента , совмещавшего одновременную посе кундную киносъемку участка и ручное фиксирова н ие скоростей и числа проходящих автомобилей, удалось получить ряд конкретных оценок . Так была получена последовательность рекуррентных оценок ковариационной матрицы ошибок корректированных оценок , которую можно использовать далее в качестве приближения для R ( α ). Основной интерес представляет значение верхней левой подм а трицы , где находятся дисперсии и к ов ариации скоростей и плотностей транспортного потока .

Подматрица P 6 таков а :

и была в ы числена при

.

Ниже приведены также рассчитанные по тому же материалу значения матричных элементов фильтра :

.

В Ги про дорнии имеется программа , реализую щ ая описанный алгоритм как в варианте , рассчитанном на исследовательские цели , так и для работы с реальными данными .

4.8 . Синтез корректирующих управлений

4.8. 1 . О с нованием для смены управля ю щих программ является значительное изменение спроса или условий движения . Однако , в рамках примерно постоянных значений этих внешних переменных происходят отклонения истинной трае к тории объекта управления X ( t ) от расчетной X 0 ( t ) для данной программы управления , связанные со стохастической природой транспортного потока . Задача синтеза корректирующих управлений заключается в нахождении алгоритма , ос ущ еств ляющ его соответствие δ X ( t ) → δU ( t ), между отклонениями от расчетной траектории и корректиру ю щим управлением , оптимальным в смысле заданного критерия .

4.8.2 . Для использования в системе АР Д АМ предлагается один из возможных подходов к решению этой задачи , связанный со сведением ее к известному классу задач синтеза - л и нейному оптимальному управ л ению с квадратичным критерием . Так как потактные переключения управлений имеют физический смысл только для назначений допустимых потоков на въездах URi , то в рамках каждой конкретной задачи синтеза UVij и UVi αβ п ред полагают ся фиксированными . Необходимая в этом случае модель представляет собой линеаризацию модели ( 4.1 ) в окрестности стационарной устойчивой траектории . Ее следует трактовать как модель распространения флуктуации в многорядном транспортном потоке при наличии управлении .

4.8.3 . Мерой отклонения объекта управления от расчетной траектории считается математическое ожидание суммы квадратичных форм от δ X и δU . Решение задачи задается линейным оператором L ( t ), не зависящим от статистических характеристик помехи и вычисляе м ым стандартным образом .

На рис . 13 показаны траектории одной из фазовых переменных для ситуации непродолжительного (3 мин ) резкого торможения потока . Управление δU обеспечивает здесь более умеренную « воронку » скоростей за счет своевременной задержки транспорта на въездах .

Рис . 13 . Сгл а живание « воронки скоростей »

4.8.4 . Сформированной здесь моделью завершается построение модельной основы предлагаемого варианта технологии управления транспортными потоками на автомобильной магистрали . Она включает в себя двухуровневую стратегию управления и цепь обратной связи , состоящую из блока оценивания и блока коррекции . Существенные колебания спроса , зарегистрированные в блоке фильтрации ( блок 4 ), наряду с внешними факторами ( блок 6 ), которые могут изменять значения динамических параметров модели , дают основания для очередной смены управляющих программ . Программы рассчитаны вне реа л ьного масштаба времени . С каждой из них связ а на определенная номинальная траектория и , как пр а вило , постоянный оператор обратной связи L. Рассогл а сования между номинальной и фактической траекторией определяют в силу величину корректирующего управления .

4.9 . Оценка пропускной способности в реальном м а сштабе времени

4.9. 1 . Пропускная способность различных участков автомобильной магистрали является важнейшей характеристикой э того инженерного сооружения как аппарата обслуживания . Факторы , влияющие на этот показатель , описаны в специальной литературе [ 5 , 11 ] . Оперативная оценка пропускной способности имеет определя ю щее значение для работы блока управления функционированием дороги ( блок 11 ).

4.9.2 . Для определения пропускной способности контрольного сечения автомобильной магистрали ( сечения , оборудованного детекторами скорости ) канд . т ехн . н аук М . Я . Б ли нкины м была предложена процедура , дающая оценку этого показателя в реальном масштабе времени и использующая только текущую информацию о параметрах транспортного потока . Известные методы [ 9 ] предполагают либо наличие априорной информации , либо организации специальных режимов движения ( например , искусственного затора ). По этой причине их применение в системах управления движением нецелесообразно .

4.9.3 . Процедура определения пропускной способности по максимуму функции регрессии ( МФ Р ) реализуется с помощью комплекса , состоящего из нескольких ( по числу полос движ е ния ) детекторов скорости и работающего синхронно с ними п реди ктора - выч и сли тельной системы , реализованной а пп аратурно или программно .

4.9.4 . Процедура МФР основана на совместном измерении инт е рва льных , например минутных , объемов движения и скоростей проходящих автомобилей , рекуррентного уточнения по полученным данным р е грессионной зависимости между плотностью и интенсивностью транспортного потока в диапазоне полученных данных и определении пропускной способности как максимума функции регрессии методом стохастической аппроксимации .

Для простоты изложения в описанной ниже процедуре МФР предполагает с я наличие трех детекторов , использование линейной по параметрам функции регрессии и простейшего варианта ал г о ритм а К ачм аж а [ 10] для рекуррентной оценки ее параметров .

4 .9.5 . Процедура МФ Р .

Шаг 1. Ввод уставок Δ , Т , а 0 , b 0 , u 0 .

( Здесь Δ - временный такт , по которому осре дняют ся параметры его порядок 1 /1 00 ¸ 1 /30 ч ; T - число тактов в процедуре ; T Δ - полное время процедуры ; a 0 - вектор , В 0 - матрица , да ю щие начальное приближение для линейных регрессионных зависимостей:

где i = 1, 2 , 3 - ин д екс полосы ;

t - индекс временного такта ;

u 0 - начальное приближение для плотности , соответствует пропускной способности .

λit и ρit - интенсивность движения и средняя плотность за такт t ).

Шаг 2 . t : = 0. ( Включение счетчика дискретного времени , t )

Шаг 3 . τ : = 0.

( τ ≤ Δ , включение счетчика непрерывного времени внутри такт а ).

Шаг 4 D 1 K 1 : = 0; S 1 : = 0;

Шаг 4 D 2 K 2 : = 0; S2 : = 0;

Шаг 4 D 3 К 3 : = 0; S 3 : = 0.

( Ш аги с индексом Di относятся к функционированию детектора i , с индексом P - к функционированию предиктор а ; K i - переменная числа прошедших автомобилей по полосе i ; Si - переменная суммы обратных значений скоростей ).

Ш аг 5. Если τ > Δ, то {τ : = 0 ; переслать K i и Si в память предиктора ; перейти к шагу 4}.

Шаг 6 D 1 . В случае срабатывания детектора скорости на полосе 1 { K 1 = K 1 + 1; S 1 : = S 1 + v -1 1, k ; перейти к шагу 5}.

Шаг 6 D 2. Аналогично для полосы 2.

Шаг 6 D 3. Ан а логично для полосы 3.

( З десь vi , k - скорость k - того по счету автомоби л я , прошедшего по полосе i в данном такте .)

Шаг 6 Р . Если очередные значения Si и ki по с тупили , то

{ для i = 1 , 2, 3; λti : = ki /Δ ; vit = ki /Si ;                                            ( 4. 1 6 )

            ( 4.17)

Здесь используются сл едующи е обозначения :

вектор Wit = { ρit , ρitρ 1 t , ρitρ 2 t , ρitρ 3 t };

- " - Cit = {ait, bi1t, bi2t; bi3t};

- " - ej - единичный орт оси j в пространстве { W } ;

скаляр Pt - текущая оценка пропускной способности ;

αt , βt - числовые последовательности из метода стохастической аппроксимации , удовлетвор яющи е условиям

Формула ( 4.16) - рекуррентное соотношение из алгоритма К ачм аж а [ 10] , формула ( 4.17) - рекуррентное соотношение из алгоритма стохастической аппроксимации Роббинса - М онро [ 8], предназначенного для отыскания максимума ф ункции регрессии .

Ша г 7. Если t < Т , то { t : = t + 1; перейти к шагу 3}

Шаг 8. Конец .

4.9.6 . В рамках алгоритма управления системы АР Д АМ процедуру М Ф Р следует регулярно применять в различных хара к терных дорожных условиях . Применение процедуры МФ Р вне систем управления движением станет возможным после ее аппа р атурной реализации в рамках предлагаемого комплекса « детектор скорости - пре ди ктор пропуск н ой способности ». В этом случае процедура может быть повсеместно испо л ьзована в практике « с целью оценки возможности пропуска колонн автомобилей , получения дополнительных коэффициентов снижения пропускной способности , а также оценки эффективности мероприятий по повышению пропускной способности » [ 9 ].

5 . ВЫВОДЫ

Стратегия управления в системе АР ДАМ взаимообусл о влена со схемой организации движения на участке МКАД - Истра и номенклатурой предполагаемых технических средств , системное использование которых она призвана обеспечивать . Алгоритм управления движением в системе АРДАМ , реализующий стратег и ческие концепции состоит из дв ух контуров , обусловленных необходимостью управления д в ижением , как в автоматическом режиме , так и вручную .

Контур автоматического управления включает в себя двухуровневую стратегию ( в узком смысле ) управления и цепь обратной связи , состоящую из блока оц е нивания и блока коррекции . Существенные колебания спроса , зарегистрированные в блоке фильтрации ( наряду с внешними факторами ), дают основания для очередной смены управляющих программ . Программы рассчитаны вне реального масштаба времени , в каждой из них связана определенная номинальная траектория и оператор обратной связи . Р ассогласования между номинальной и фактической траекториями определяют величину корректирующего управления .

Контур ручного управления ограничен кругом задач , направленных на оперативное изменение управляющих воздействий . Необходимость их решения возникает в случаях , когда оператор с помощью имеющихся у него средств наблюдения и связи первым получает информацию о существенных изменениях в нарушении нормального функционирования аппарата ( автомобильная магистраль ) или процесса обслуживания ( движение транспортного потока ). Другими поводами для включения к о нтура ручного управления является необходимость создания особых режимов движени я , связанных с обеспечением приоритетного пропуска определенных автомобилей или проведением на дороге работ , требующих введения соответствующих ограничений . При этом контур автоматического управления осуществляет автоматическую подстройку всей совокупности управляющих воздействий под изменения , вносимые оператором . В этом случае в оптимизационной подсистеме решается та же задача оптимального управления , а управляющи е воздействия , назначенные оператором , рассматри в аются как дополнительные ограничения на п ространств о управлени й .

Основные алгоритмы опт им изацио нно й и информационной подсистемы контура автоматического управления следует базировать на ра з работанных кан д . т ехн . н аук М . Я . Б линки ны м макроскопических моделях транспортного потока , позволяющих учесть возможность координированного применения комплекса технических средств . Данный класс моделей предложен на основе принципов физическо й методологии в теории оптимальных систем и экспериментальных фактов, характеризующих многорядны й однонаправленны й плотный транспортный поток на автомобильной магистрали как объект управления .

Совокупность предложенных моделей проверена на адекватность и к али брована по результатам натурных экспериментов . В ходе последних были получены данные о скорости , интенсивности и плотности движения транспортных потоков по полосам , отклика транспортного п о тока на управляющие воздействия , а также данные о величинах приемлемых интервалов на въезде на маг и страль . Ряд их получен для автомагистралей нашей страны впервые .

Ограничения на рекомендуемые скорости движения , определяющие область допустимых управлений , следует рассчитывать по методике канд . т ехн . н аук А . П . Васильева , позво л яющей связать допустимые скорости движения с полной с овокупностью дорожных и метеорологических факторов .

Задача расчета управляющих программ для системы АР Д АМ в рамках данной стратегии и разработанных моделей отно с ится к классу задач дискретного оптимального управления , а коррекции - к классу задач д искретного линейного оптимального управления .

Основной информацией для смены управляющих программ служат данные об изменении уровня спроса на пользование участками магистрали . В связи с этим разработаны алгоритмы фильтрации интервальных объемов движения , параметры которого рассчитаны по реальным данным . Алгоритм обладает преимуществом перед стандартными процедурами сглаживания за счет использования априорной информации , специфичной для транспортного потока .

Для решения задачи оценивания фазовых переменных транспортного потока в реальном масштабе времени предложена стохаст и ческая макроскопическая модель . Алгоритм фильтрации , основанный на предлагаемой модели и настроенный на параметры , в ы численны е по реальным данным , дает , в частности , возможность получать оценки плотностей транспортного потока раздельно по полосам движения - параметров , недоступных для непосре д ственного измерения техническими средствами .

Результаты настоящей работы были использованы при разработке объектно - ориентированного математического обеспече н ия системы АР Д АМ и нашли применение в дальне й шем при разработке АСУД на автомобильных магистралях ; для анализа проектных решений и схем организации движения на проектируемых автомобильных магистралях ; расчета допустимых скор о стей движения при использовании знаков со сменной информацией ; при экспертизе по вопросу целесообразности приобретения зарубежных АСУД ; для подготовки специалистов по безопасности и управлению движ е нием соответствующих учебных курсах .

Приложение 1

Исследование характеристик транспортного потока на автомобильных магистралях

1 .1 . Исследовани е х а рактеристик транспортного потока проводилось с целью получения данных о режимах движения тран с порта на автомобильных магистралях , на основе которых были установлены ди а пазоны значений численных параметров различных блоков объемлющего алгоритма управления . Также требовалось получить данные по отклику транспортного потока на управляющие воздействия - предписания по скоростям движен и я . Для этих целей в качестве исходного материала были необходимы данные об интенсивности , скорости и плотности транспортного потока и в первую очередь для магистралей , имеющих различное число полос движения ( от 4 до 8), отдельно для каждой полосы движения . Частично такие да нны е имеются в отечественной и зарубежной литературе , однако они являются не вполне удовлетворительными для этой области применения ввиду значительной разницы состава потока на дорогах нашей страны и за рубежом , а также ввиду того, что отечественные данные были получены преимущественно на городских магистралях [ 11 , 15 ].

1 .2 . Методика проведения исследований заключалась в проведении на магистралях натурного эксперимента со съемкой транспортного потока на кинопленку . В качест в е магистралей были выбраны Ярославское шоссе ( обход г . П ушкино ) и Горь к овское шоссе ( перед поворотом на Ногинск ), имеющие четыре полосы движения , МКАД на участке с шестью полосами движения и Каширское шоссе за МКАД , имеющие восемь полос движения . Все магистрали имеют разделительные полосы .

Для проведения ки н осъемки был изготовлен комплекс аппаратуры , позволяющий вести покадровую съемку с интервалами 0,5; 1, 0; 2,0; 4,0 и 8,0 сек . Съ е мка во всех случаях велась c путепроводов , что позволило охватить участок магистрали значительно й протяженности . Для оценки плотности транспортного потока регис т рация его параметров осу щ ествлялась си н хронн о в двух створах , отстоящих друг от друга на 500 м . В этих случаях в одном из створов использовался руч н ой метод по л учения данных ( с помощью с к оростеметров ).

1 .3 . Методика проведения эксперимента по изучению отклика транспортного потока на управляю щ ие воздействия зак л ючал ась в экспозиции над каждой полосо й д в ижения дорожных знаков , ограничивающих скорость движения , и проведении автоматической покадровой ки н осъемки через 1 с участка дороги , находящегося за знаком . Съемка производилас ь непосредственн о в месте установки знаков и за 20 0, 500 и 1 200 м за ним и . Знак и , ограничивающие скорость движения , устанавливались над по л осами дви ж ения в следующей последовательности : 40 и 40 км / ч , 40 и 60 км / ч , 60 и 60 км / ч , 60 и 80 км / ч , 600 и 1 00 км / ч ( рис . 1 , п рил ож . 1 ).

Экспозиция каждой пары знаков менялась после прохода под ними 500 - 60 0 автомобилей . Знаки имели III - й типоразмер и были изготовлены в соот в етствии с ГОСТ 13508-74 . Съемка велась на 1 6 мм ки н опленку с эле к тромеханически м спусковым устройством , позволяющим менять время между съемкой последо в ательны х кадров в пределах от 0,25 до 3 с .

1 .4 . О бработка да н ных съемки проводилась путем проектирования кадров на масштабны й экран и измерения п е ремещ ений автомобилей за время между двумя соседними кадрами . Полученные таким образом данны е затем обрабатывались на ЭВМ для определения необходимых статистических характеристик .

1. 5 . В результате обработки данных были получены :

1 . Средние значения скоросте й движения автомобилей ( без разделения по составу ), дисперсия скоростей и распределение их величин для каждой полосы движения ( табл . 1 , п рилож . 1 ).

2 . То же , для легковых автомобилей ( табл . 2 , прилож . 1 )

3 . То же , для грузовых автомобилей ( табл . 3 , прилож . 1 ).

4 . Интенсивность движения за каждую минуту по полосам и типам автомобилей совместно со средними с к оростями движения за эти же интервалы .

5 . Уровни факторов и дисперсионный анализ массива скоростей в трех ф ак торной схеме ( фактор знака , полосы движения и типа транспортного средства ) отражены в табл . 4 , прилож . 1 .

6 . Зависимость уровней з агрузк и о тдельных по л ос при различной интенсив н ости движения по магистрали ( см . рис . 1 , п рилож . 1 ).

Рис . 1 . Загрузка полос движения на автомагистрали :

а - четырехполосной ; б - шестиполосной ; в - восьмиполосной ( 1, 2, 3 , 4 - полосы движения )

Р ис . 2 . Распределение величин приемлемых интерв а лов при въезде а втомобилей на магистраль :

1 - сходу ; 2 - после ост а новки

7 . Распределение величин приемлемых интервалов автомобиле й на въезде на магистраль ( рис . 2 прило ж . 1 ).

1 .6 . Получе н ная в результате обработки данных информация позволила выполнить ряд операци й по обработке отдельных блок о в алгоритма управления в систем е АР Д АМ на реальных данных :

произвести оптимиза ц ию работы программных управлений в заторовых ситуациях ;

определить параметры ф ильтров случа й ного процесса изменения интен сив ности движения и фазовых переменных транспортного потока ;

исследовать работу с ъез дов на магистраль , работающих в режиме поиска разрыв в потоке .

Рез у льтаты обработки приведены выше при описании блоков 4, 1 2, 1 3, 1 4.

1 .7 . Влия н ие каждого из рассматриваемых факторов можно увидеть на более подробном анализе материалов массива , п олученного н епосредственно за знаком .

Значение , уровни факторов таковы :

фактор состава -

легковые                                               T 1 + 3,5 08

грузов ы е                                               T 2 = -3,5 08,

фактор полосы -

1                                                             L 1 = - 4 ,558,

2                                                             L 2 = +4, 5 58,

фактор знака , км / ч -

40                                                           E 1 = -3,259,

60                                                           E 2 = 0,088,

80                                                           E 3 = 3,892,

1 00                                                         E 4 = 1 ,842

отсутствие з н ак а : E 0 = 1 ,785.

Значен и е уровней факторов T и L являются вполне лог и чными и соответствуют средней разности между скоростями легковых и грузовых автомобилей 7,0 1 6 км / ч , между полосами движения - 9, 11 6 км / ч . Уровни факторов знака находятся в логическом соответствии с содержанием соответствующих знаков , но их количественные значения находятся весьма далеко от разностей между указанными на знаках скоростях .

1 .8 . Анализ распределения скоростей движения в месте установки дорожного знака , ограничивающего скорость движения , показывает , что попытки р езк ого о г рани чения скорости без дополнительно й информации , поясняющей причину такого ограниче н ия , не приводят к желаемому результату . Кроме того, это вызывает значительное расширение диапазона скоро с тей движения транспортных средств , так как лишь небольшая часть водителе й начинает двигаться с установленной скоростью , что приводит к появлению в потоке боль ш ого числа обгоняющих автомобилей и увеличению шума ус к орения . Тем самым значительно ухудшаются условия безопасности движения .

Анализ изменения в е ли чин средних скор о стей дви ж ения по длине дороги за местом установки знака прив е ден на рис . 3 пр и лож . 1, где показано и зменение скоросте й д виж ения после установки з н аков по отношению к скорости движения на этом же участке до уста н овки знаков . Из этого рисунка видно , что изме не ние скорости д в иж ения транспорта на п е рвой и второй полосе различно . На перво й п о лосе , где транспортные средства на подходе к знаку им еют невысокие скорости движен и я ( порядка 60 км / ч ), наличие знаков ограничения скорости дви ж ения до 40 и 6 0 км / ч одинаково вызывало с нижени е до уровня 0,9 от первоначального значения . М а к сим альное с н ижение скорости наблюдалось на участке от 200 до 600 м за знаком . Д а лее скорость движе н ия восста н авливалась до первоначального з н ачения .

На второ й полос е , где средняя скорость движения транспорта до устано в ки знаков была довольно высока ( более 60 км/ ч ), зн ак и ограничен ия скорост и вызывали более резкое ( до уровн я 0,75) изменение скорости в месте установки знака . Уви д ев , что это ограниче н ие не имеет как и х - либо ос н ований , они восстанавливают свою перв о начальную скорость дв иж ения и , чтоб ы компенсировать п о терю времени , начинают двигаться с повышенной скоростью . Причем водители грузовых автомобиле й , имеющие, как правило, больший опыт работы , после снижения скорости дви ж ения под знаком сразу начинают ее увеличивать и на расстоянии 600 м полностью восстана в ли вают ее до первоначального значения . Водите л и л егковых автом о билей , в числе которых большо й процент любителе й , после сниж ени я скорости под знаком движутся с пониженной скоростью около 400 м , а затем на ра с стоянии 1 000 м восстанавливают е е первоначальное значе ни е .

Рис . 3 . Изм е нение величин средних скоростей движения за местом установки знаков :

а - на первой полосе ; б - на второй полосе ; 1 - легковые ; 2 - грузовые автомобил и

Та блица 1

Средние значения скоростей движения автомобилей ( без разделения по составу ), дисп е рсия скоростей и распределение их величин для каждой полосы на ш ест ип олосн ой магистрали

Распределение , до

Средние по полосам

52,837

68,798

82,038

Среднеквадратичные по полосам

8,270

8,564

10,760

1 0

0,0000

0,0000

0,0000

1 5

0,0007

0,0000

0,0000

20

0,0034

0,0000

0,0000

25

0,034

0,0000

0,0000

30

0,0 1 44

0,0000

0,0000

35

0,0239

0,0000

0,0000

40

0,0574

0,0000

0,0000

45

0, 1 811

0,00 1 4

0,0000

50

0,4395

0,0 1 24

0,0000

55

0,7068

0,0606

0,0000

60

0,8722

0,22 1 8

0,0 1 89

65

0,950 1

0,4477

0,0566

70

0,98 1 5

0,6543

0, 1 604

75

0,99 11

0,84 1 6

0,349 1

8 0

0,9973

0,9270

0,5660

85

0,9993

0,9793

0,698 1

90

1 ,0000

0,9972

0,7830

95

1 ,0000

1 ,0000

0,9 1 51

1 00

1 ,0000

1 ,0000

0,9528

1 05

1 ,0000

1 ,0000

0,98 11

11 0

1 ,0000

1 ,0000

1 ,0000

Таблица 2

Средние значения скоросте й движения легковых а в томобилей , дисперсия скоростей и распределение их величин для каждой полосы шестиполосной магистрали

Распределение , до

Средние по полосам

57,304

69,967

82,633

Среднеквадратичные по полосам

9,771

8,531

10,907

1

2

3

4

25

0,0000

0,0000

0,0000

30

0,0044

0,0000

0,0000

35

0,0 1 76

0,0000

0,0000

40

0, 0 529

0,0000

0,0000

45

0, 1 366

0,0000

0,0000

50

0,2906

0,0073

0,0000

55

0,4626

0,0388

0,0000

60

0,6960

0, 1 977

0,0204

65

0,8458

0,3857

0,06 1 2

70

0,9339

0,589 1

0, 1 429

75

0,9692

0, 81 76

0,3265

8 0

0 ,9 868

0,9050

0,5306

85

0,9956

0,9748

0,6735

90

1 ,0000

0,998 1

0,7653

95

1 ,0000

1 ,0000

0 ,9 082

1 00

1 ,0000

1 ,0000

1 ,9490

1 05

1 ,0000

1 ,0000

0,9796

11 0

1 ,0000

1 ,0000

1 ,0000

Таблица 3

Средние значения скорости движения грузовых автомобилей, дисперсия скорости и распределение их величин для к аж дой полосы шестиполосной магистрали

Распределение , до

Средние по полосам

52,017

65,924

74,750

Среднеквадратичные по полосам

7,606

7,942

4,380

1

2

3

4

1 0

0,00 0 0

0,0000

0,0000

1 5

0,0008

0,0000

0,0000

20

0,0040

0,0000

0,0000

25

0,0040

0,0000

0,0000

30

0,0 1 62

0,0000

0,0000

35

0,025

0,0000

0,000

40

0,0583

0,0000

0,0000

45

0, 1 893

0,0048

0,0000

50

0,4668

0,0238

0,0000

55

0,75 1 6

0, 11 43

0,0000

60

0,9045

0,28 1 0

0,0000

65

0,9693

0,6000

0,0000

70

0,9903

0,8 1 43

0,3750

75

0,995 1

0,9000

0,6250

8 0

0 ,9 992

0,9810

1 ,0000

85

1 ,000 0

0,9905

1 ,0000

90

1 ,0000

0 ,9 952

1 ,0000

95

1 ,0000

1 ,0000

1 ,0000

Таблиц а 4

Результаты дисперсионного а нализа

Источник дисперсии

Сумма квадратов

Число степеней свободы

Средний квадрат

F

F табл . α = 0,005

Экспозиция знаков

SE = 1 24,66

4

σE 2 = 3 1 ,1 65

FE = 1 0,7

3,7 1 5

Полоса движения

SL = 476,57

1

σL 2 = 476,57

FL = 1 64,3

7 ,8 8

Вид тр а нспорта

ST = 309,68

1

σT 2 = 309,68

FT = 106,3

7,88

Внутри групп

S ξ = 2452,5

842

σξ 2 = 2,978

Гипотеза о равенстве средних отвергается по всем факторам на 0,5 % уровне значимости

Полная сумма квадратов

SS = 3965,41

848

σ 2 = 4,676

Приложение 2

Исследование работы въездов на магистраль

2. 1 . Полученные в результате натурного эксперим е нта данные о величинах интервалов , принимаемых водителями при входе автомобиля в поток на магистрали , а также да н ные о распределении транспорт н ых средств по полосам , п о зволили ис след овать работу въездов на всех запроектированных пересечениях участка магистрали от М КАД до г . Истра , при регулирован и и движения на них по алгоритму поиска разрывов в транспортном потоке ( рис . 4 , прило ж . 2 ).

Рис . 4 . Работа автоматической системы , регулирующей въезд на магистраль по алгоритму поиска разрыва в потоке :

а - обнаруживание приемлемого интервала ; б - перенос приемлемого интервала ; в - вхождение в основной поток ; 1 - приемлемый интервал ; 2 - детектор ; 3 - светофор на въезде

М е тодика исследований включает д в а этапа . Первый из них заключался в применении метода статистического моделирования на ЭВ М , которы й позволял п о лучить пропускну ю способность въезда , а также ожидаемые задержки транспорта на въезде при любо й транспортно й нагрузке [ 1].

2.2 . Модель построена таким образом , что автомобили , движущиеся по магистрали , проходят в зоне въезда без задержек . Автомобил и , желающ и е влиться в поток транспорта на магистрали , входят в него по мере появления на первой полосе магистрали таких интервалов , в которые автомобили на в ъ езде успевают безопасно присоединиться к потоку . Если автомобиль , желающи й попасть на магистраль , подходит к въезду в тот момент , когда на ма г истрали имеется приемлемый интервал , то на светофоре на въезде загорается зелены й сигнал и он входит на магистраль без задер ж ек .

В противном случае загорается красный сигнал и автомобиль останавливается , начиная ждать приемлемый интер в ал . С появлением последнего опять загорается зеленый сигнал и автом о биль на въезде трогается , но в этом случае ему наз на чается задержка . Все события , происход я щие в модели ( прибытие автомобилей , их задержка , от п равление и т . п . ), фиксируются во времени и производится подсчет задержек , очередей и количества автомобиле й , успевших пройти пересече н ие во время моделирования .

Принято , что распределение интервалов прибытия сл еду ет смещенному экспоненциальному закону .

Кроме того, в модели при н яты следующие допущения :

1 . Различаются д ва типа приемлемых интервалов Δ t и Δt 0 в зависимости от того , происходит ли вливан и е в основной поток автомобиля , желающего попасть на магистраль сходу или после остановки у стоп - линий . Кроме того, величина этих интервалов зависит от интенсивности движения по первой полосе магистрали , что учитывается специальным коэ фф ициентом .

2 . Если автомобиль останавливается и стоит в очереди первым , ему после отправления назначается задержка на ускорение и трогание .

3 . Когда автомобиль выезжает на магистраль после остановки со второго места в очереди , ему на значается меньшая з а держка ускорения и задержки подхода к стоп - л инии .

4 . Если автомобиль выезжает на магистраль с третьего места в очереди и далее , то задержка на ускорение и подход к стоп - л инии имеет еще меньшее значение .

5 . Автомобили въезжают на магистраль один за другим , н е обгоняя друг д руга .

Статистическая модель реализована Алгол - программой , составленной по разработке канд . т ехн . н аук В . Д . Белова [ 1]. В результате проведенного моделирования были получены зависимость возможного потока на въезде от интенсивности движения по первой полосе магистрали ( рис . 5, п рилож . 2), а также ожидаемые в еличины задержек транспорта и очередей на въезд в зависимости от интенсивности движения на первой полосе магистрали и въезде ( см . табл . 4, прилож . 1).

2.3 . Второй этап исследований основан на аналитическом моделировании , с использованием результатов Дрю [ 7 ] и Ф еррари [ 19] и вычислениях на ЭВМ . Выходной характеристикой въезда ( при данном расположении на магистрали и геометрических параметрах ) является так называемый критический интервал ( T ), который определяется как медиана случайной ве л ичины ξ :

ξ = ατ 0 + (1 - α ) t 1 ,

где τ 0 - максимальный из отвергнутых , а τ 1 - приемлемый для данного экипажа интервал , 0 ≤ α ≤ 1. По данным американских авторов эта величина находится в пределах 2,7 - 4,7 с [ 13], отечественные данные представлены на рис . 2 п рилож . 1.

Рис . 5 . Зависимость возможного потока на въезде от интенсивности движения на первой полосе :

1 - данные статистического моделирования ; 2 - данные аналитического моделирования

Здесь предполагается , что поток прибытий ( интервал И ) на въез д является пу ассоновски м ( с параметром λ). Справедливость приводимых здесь результатов в незначительной степени зависит от этого допущения , в то время как его принятие значительно упрощает итоговые формулы .

Работу « аппарата обслуживания » характеризует распределение случайной величины X - времени ожидания головного автомобиля очереди . Суммарное время ожидания V представляет собой сумму

V = X + W,

где W - время нахождения автомобиля в очереди . Математическое ожидание V равно :

Величина 3600/ Ex равна пропускной способности въезда .

Величины Ex и Dx , через которые выражаются время ожидания , длина очереди , пропускная способность , зависят в свою очередь от распределения интервалов на полосе движени я .

Здесь удовлетворительным ( это проверялось на экспериментальном материале ) и аналитически удобным является предположение о том , что интерв а лы на полосе движения подчинены распределению Эрланга :

где Q - инте н сивность движения ; k - параметр регулярности . Случай k = 1 соответствует пу ассоновскому распределению , при k →∞ функции fk ( t ) сходятся к δ - распределению Дирака . При k ≥ 6 фу н кции fk ( t ) вполне удовлетворительно аппроксимируются н ормальным распределением . Первые два статистичес ки х момента случайной величины равны соответственно :

Et = 1/Q                                                                         ( 1)

Dt = (Et)2/k ,                                                                   ( 2)

Известно , что k возрастает с ростом Q . Следуя Феррари , принимае м , что k = 1 при Q ≤ 1 /6 авт / с (60 авт / ч ), а при больших интенсивност я х растет ступенчат о

k = entier(9Q - 0,5),                                                       ( 3)

здесь entier ( Z ) - целая часть Z .

Значения Ex и Dx вычислены в работе [ 14], эти формулы таковы:

                                                    ( 4 )

                                            ( 5)

С учетом формулы 4 п рилож . 2, имеем выражение для пропус кн ой способности въезда :

C AP (Q) = 3600/Ex.

В макроскопической модели 4.3 для CAP ( Q ) используются по лин оми нальны е аппр о ксимации . Численные результаты получены счетом по специально разработанной программе на ЭВМ М -222.

Полиноминальные аппроксимации при различных T имеют общий вид :

САР (Q) = a0 + a1Q + a 2Q 2 + a 3Q 3                                                       ( 7)

и сведены в табл . 5.

Таблица 5

Коэффициенты аппроксимирующих полиномов

T

Степень

Коэф фициент детерминации

a 0

a 1

a 2

a 3

3

1

0,998

1 724,88

-0,7697

0

0

4

2

0,998

1 691 ,21

- 1 ,31 76

0,23706 · 10-3

0

5

2

0,997

1 577,07

- 1 ,6041

0 ,411 01 · 10-3

0

6

2

0,995

1 41 0,05

- 1 ,651 2

0, 4 851 2 · 1 0-3

0

7

2

0,99

1 230,53

- 1 ,5676

0,49459 · 1 0-3

0 -6

8

3

0 ,9 94

1 226,72

-2, 1 487

0, 1 2741 5 · 1 0-2

-0,255 1 6 · 1 0-6

9

3

0,992

1 091 ,89

-2,0785

0, 1 3301 4 · 1 0-2

-0,2 85272 · 106

1 0

3

0,99

97 1 ,1 3

-1 ,957

0 ,1 31 984 · 1 0-2

-0,2 95741 · 1 0-6

Наличие конкретны х данн ы х для формулы ( 7) п рилож . 2 позволяет предложить способ регулирования потока на въезде , основанный не на непосредственном ограничении на впус к , а на выборе такого T , для которого ограничение выполняется автоматически . Та ко й способ обеспечил более равномерный впуск в течение шага регулирования .

2.4 . Полученные данные используются в процедуре макроскопического моделирования , но имеют также и самостоятельный интерес , например , в задачах проектирования въе з дов на автомобильную магистраль .

ЛИТЕРАТУРА

1 . Белов В . Д . Исследование работы транспортных нере гу ли руемы х пересечений в одном уровне методом моделирования . Из д - во « М осп роект - 1» , М ., 1 968, 75 с .

2 . Бл инкин М . Я . Оценка фазовых переменных в системе АР Д АМ . Труды Ги продорни и, в ып . 1 5, 1 975, 73 - 78 с .

3 . Блинкин М . Я . Вопросы расчета и смены управляющих программ в системе АРДАМ . Труды Ги прод орнии , вып . 16 . М ., 1 976, 1 48 - 1 61 с .

4 . Блинкин М . Я . Задача оптимального управления транспортным потоком на автомобильной магистрали . Автоматика и телемеханика , 1 976, № 5.

5 . Васильев А . П . Состояние дорог и безопасность движения автомобилей в сложных погодных условиях . М ., « Транспорт », 1 976.

6 . Васильев А . П ., Фри мштейн М . И . Управление движением на автомобильных дорогах . М ., « Транспорт », в печати .

7 . Др ю Д . Теория транспортных потоков и управление ими . М ., « Транспорт », 1 973, 424 с .

8 . Ермольев Ю . М . Методы стохастического программирования . М ., « Наук а », 1 976, 240 с .

9 . Методические рекомендации по оценке пропускной способности автомобильных дорог . М инавтодор РСФСР . М ., « Транспорт» , 1 976.

10 . Райбман Н . С ., Чадеев В . М . Адаптивные модели в системах управления . М ., « Советское радио », 1 966.

11 . Си ль ян ов В . В . Теория транспортных потоков в п роектировании дорог и организации движения . М ., « Транспорт », 1 977, 303 с.

1 2 . Эйкхо фф П . Основы идентификации систем управления , М ., « Мир » , 1 975.

13 . Breiman L ., Lawrence R .L . Time Scales, Fluctuation and Constant Flow Periods in Uni -directional Traffic . «Transportation Research », 1 973, vol. 7, p. 7 7 - 105.

14 . Ferrari P . Congestion Phenomena on Freeway Entrance . «11th Int. Stady Week Traffic Eng . and Safety. Brussels, 1 972, Proc .» London, 1 973.

15 . Kendall D . Some Problems of the Theory of Queues . «J . of the Royal Statistics Society », vol. XIII, № 2 , 1 951.

16 . Munjal P.K ., Hsu Y.S . Characteristics of Freeway Traffic and Freeway Lanechanging Behavior. «Highway Research Record », 19 73, № 4 53.

17 . Munjal P.K ., Guan -Shic Hsu. Experimental Validation of Lanechanging Hypothesis of Aerial Data. «Highway Research Record », 19 73, № 456 , p. 8 - 19 .

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие положения . 1

2. Краткое описание комплекса технических средств системы АРДАМ .. 3

3. Принципы организации движения на автомобильной магистрали, оборудованной системой АРДАМ .. 5

4. Основные положения стратегии управления транспортными потоками в системе АРДАМ .. 16

5. Выводы .. 37

Приложение 1. Исследование характеристик транспортного потока на автомобильных магистралях . 38

Приложение 2. Исследование работы въездов на магистраль . 45

Литература . 48

Еще бесплатно скачать

Рейтинг:
  • Итоги рейтинга 5.00/5
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
5.0/5 (1 голос)

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:

RSS
Комментарий:
Введите символы: *
captcha
Обновить