МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний транспортний університет

Пономаренко Любов Анатоліївна

УДК 656.13

Управління нестаціонарними транспортними потоками на регульованих перехрестях

Спеціальність 05.22.01 - транспортні системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Єресов Володимир Іванович Національний транспортний університет.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Бєляєвський леонід Степанович

Національний транспортний університет, професор кафедри “Транспортне право, системний аналіз та логістика”;

кандидат технічних наук,

Душник Володимир Феліксович,

директор Центру безпеки дорожнього руху Департаменту

державної автомобільної інспекції МВС України (м. Київ).

Провідна установа: Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра „Транспортні системи та логістика” (м. Харків).

Захист відбудеться “23” червня 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “19” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент В.І. Каськів

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Автомобільний транспорт є найзручнішим і найефективнішим видом транспорту, але постійне зростання чисельності транспортних засобів (ТЗ) призводить до постійного росту інтенсивності дорожнього руху. Для ефективного функціонування цього виду транспорту необхідне оптимальне співвідношення рухомого складу та мережі автомобільних доріг, або, як кажуть, дорожніх умов і транспортних потоків (ТП). Вулично-дорожня мережа (ВДМ) значно відстає від розвитку рухомого складу в силу різниці витратних механізмів. Тому максимальне використання пропускної здатності існуючої ВДМ міст можливе тільки при раціональній організації дорожнього руху. Існуючі методи управління (здебільшого — програмні) не враховують нестаціонарність параметрів дорожнього руху, що природно впливає на якість світлофорного регулювання (СФР). У той же час існуючі критерії якості управління, такі як непродуктивні транспортні затримки, довжина черги перед “стоп”-лінією, кількість транспортних засобів у черзі також не враховують нестаціонарність потоків. Існуючі методики, які використовують у практиці світлофорного регулювання базуються на представлені світлофорних об’єктів як систем масового обслуговування (СМО), що працюють у сталому режимі при усереднених характеристиках потоків. Експериментальні дослідження, напроти, доводять, що характеристики ТП не є сталими у просторі і часі, що свідчить про їх нестаціонарну поведінку, врахування якої мусить покращити ситуацію.

Тема дисертаційної роботи спрямована на розроблення методики управління транспортними потоками на регульованих перехрестях ВДМ з урахуванням нестаціонарності вхідних транспортних потоків.

Зв’язок роботи з науковими програми

Робота виконувалась згідно з “Цільовою комплексною програмою розвитку транспортного комплексу України “Транспорт” прийнятої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 23.07.1993 № 551-Р; “Програмою забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів”, прийнятою постановою Кабінету Міністрів України від 06.04.1998 № 456; “Державною програмою забезпечення безпеки руху на автомобільних дорогах, вулиця міст, інших населених пунктів і залізничних переїздах на 2003 – 2007 роки”, схваленою розпорядженням Кабінету Міністрів України від 29.01.2003 №56 – Р; планами Міністерства освіти і науки України за напрямом “Проблеми формування раціональних транспортних логістичних систем і забезпечення ефективного функціонування їх складових”; планами роботи науково – дослідного центру з безпеки дорожнього руху МВС України, згідно закону України “Про національну програму інформатизації” від 04.02.98 № 76/98 – ВР; відомчою програмою МВС України “Створення першої черги інтегрованої інформаційно-аналітичної системи правоохоронних органів на період 2000-2005 років”; організаційних та практичних заходів по розвитку та впровадженню новітніх технологій і технічних засобів у галузі забезпечення безпеки дорожнього руху в Україні “ЛАД - ІІІ” на період 2000-2005 рр., схвалених Колегією МВС України.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності СФР шляхом врахування закономірностей процесу прибуття ТЗ до “стоп”-лінії регульованих перехресть, внаслідок чого виникає можливість розрахунку і організації режимів СФР близьких до оптимальних.

Задачі, що вирішуються в дисертації:

- Аналіз недоліків функціонування існуючих транспортних систем, в плані врахування нестаціонарності вхідних транспортних потоків.

- Формулювання робочої гіпотези механізму впливу параметрів нестаціонарності на функціонування транспортних систем масового обслуговування інтегруючого типу (ТСМО ІТ).

- Встановлення впливу не стаціонарності транспортних потоків на ефективність СФР.

- Розробка математичного опису моделі ТСМО ІТ на прикладі регульованого світлофорами перехрестя ВДМ.

- Моделювання нестаціонарних режимів руху транспортних потоків для різних законів розподілу імовірності прибуття ТЗ.

- Розробка технологій управління транспортними потоками на регульованих перехрестях ВДМ з урахуванням нестаціонарності вхідних транспортних потоків.

Об’єктом дослідження є транспортні потоки на регульованих світлофорами перехрестях.

Предметом дослідження є закономірності впливу характеристик прибуття ТЗ до перехрестя на якість світлофорного регулювання.

Методи дослідження. Теорія масового обслуговування використовувалася для опису функціонування перехресть. Теорія ймовірності та математичної статистики для аналітичного описання процесів, що відбуваються в транспортних системах. Імітаційне моделювання та дослідження операцій використовувалася при створенні моделей транспортних процесів. Теорія нестаціонарних процесів для вивчення перехідних режимів в системах масового обслуговування.

Наукова новизна одержаних результатів. Аналітичним та експериментальним шляхом встановлено наявність і суттєвість впливу закономірності прибуття ТЗ до регульованого перехрестя на величину непродуктивної транспортної затримки.

Формалізовано зв’язок параметрів розподілу ймовірностей прибуття ТЗ до “стоп”-лінії перехрестя з параметрами черги і значенням непродуктивної транспортної затримки, внаслідок чого виникає можливість розрахунку непродуктивної транспортної затримки з врахуванням показників нестаціонарності потоку прибуття.

Розроблено новітні ефективні технології місцевого гнучкого світлофорного регулювання (МГР), що враховують нестаціонарність транспортних потоків, механізми формування черг ТЗ, і призначені для реалізації у складі міських автоматизованих систем управління дорожнім рухом (АСУР).

Практичне значення отриманих результатів

Практична цінність полягає в розробці удосконалених технологій автоматизованого управління дорожнім рухом, що дозволяє зменшити черги на підходах до регульованих перехресть, а також непродуктивні транспортні затримки і, таким чином, підвищити пропускну здатність регульованих перехресть і ефективність світлофорного регулювання в цілому.

Практична цінність підтверджується впровадженням результатів роботи під час виконання держбюджетної теми № 20 „Теоретичні основи розвитку транспортних систем великих і значних міст України” протягом 2003 року. А також дослідним впровадженням “Методики управління сигнальними групами світлофорів на перехрестях вулично-дорожніх мереж значних та найзначніших міст” в інституті „Київдормістпроект”.

Особистий внесок здобувача

Особистий внесок полягає у дослідженні перехідних режимів функціонування СМО; визначенні характеристик СМО на основі моделі матеріального балансу; формалізації перехрестя як мережі масового обслуговування та створення моделі його функціонування при нестаціонарному процесі надходження транспортних засобів; виявленні наявності і суттєвості впливу закономірності прибуття ТЗ до регульованого перехрестя на величину непродуктивної транспортної затримки; розробці моделі визначення непродуктивної транспортної затримки при нестаціонарному процесі надходження транспортних засобів на перехрестя та аналізі отриманих результатів; створенні математичної моделі перехрестя і визначенні оптимальних параметрів його функціонування в умовах нестаціонарності потоку надходження транспортних засобів та адаптивному управлінні; розробці алгоритму адаптивного управління за сигнальними групами в умовах нестаціонарності потоку надходження транспортних засобів.

За матеріалами дисертації опубліковано 10 статей, з яких одна одноосібна і 2 тези доповідей на наукових конференціях.

У публікації із співавторами особистий внесок полягає: у дослідженні систем масового обслуговування інтегруючого типу [1]; виявленні, що для визначення середньої довжини черги не можливо використовувати ймовірності станів, отриманих шляхом розв’язання диференційних рівнянь Колмогорова [2]; створенні програмного забезпечення для дослідження перехідних режимів в програмному середовищі MathCAD [3]; визначенні ймовірностей станів СМО інтегруючого типу як функції часу [4]; розробленні якісного аналізу деяких властивостей СМО, а також методу чисельного аналізу перехідних процесів у СМО за допомогою програмного середовища MathCAD [5]; порівнянні розрахунку непродуктивної транспортної затримки по формулі Вебстера та на основі моделювання [6]; створенні математичної моделі функціонування перехрестя та розрахунку оптимальних параметрів функціонування перехрестя [7]; дослідженні напрямків оптимізації структури циклу світлофорного регулювання [9]; розробленні методики адаптивного управління нестаціонарними транспортними потоками на регульованих перехрестях [10].

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертації доповідалися та обговорювалися на наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (2001 2005 рр.), VII та ІХ Міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики та освіти” (м. Київ, 2001 р., 2003 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Безпека дорожнього руху: сучасність і майбутнє” (м. Київ, 2004 р.), П’ятому конкурсі науково-технічних проектів “Інтелектуальний потенціал молодих вчених місту Києву” (2005 р.), конкурсі наукових проектів “Інтелект молодих - на службу столиці”(2005 р.).

Публікації

У процесі виконання дисертаційної роботи теоретичні та практичні положення надруковані у наукових фахових виданнях, збірниках наукових праць та в тезах доповідей на конференціях. Всього 10 публікацій із них 1 одноосібна. У спеціалізованих виданнях за переліком ВАК України 6 статей, а також 2 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертації

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків та додатків. Повний обсяг роботи складає 120 сторінок, 53 рисунка, 12 таблиць, 6 додатків і список використаних джерел із 130 найменувань.

Основний зміст

У дисертації розвинуті ідеї професора Четверухіна Б.М., пов’язані із дослідженням перехідних режимів в системах масового обслуговування інтегруючого типу. А також ідеї доц. Єресова В.І. по розробці сучасних технологій управління дорожнім рухом на перехрестях ВДМ, зокрема, адаптивного управління, а також роботи доц. Єресова В.І. та інж. Рябця Я.В. у напрямку оцінки потенційної конфліктності маневрів транспортних засобів та пішоходів.

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної теми, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено основні наукові результати, показано практичне значення отриманих результатів та напрямки впровадження.

У першому розділі дисертаційної роботи встановлено, що в сучасних умовах розвитку і впровадження у транспортному комплексі сучасних технологій організації руху на базі використання нових інформаційних та інтелектуальних технологій можна підвищити ефективність транспортних систем.

Проблемі раціональної організації присвячені наукові праці багатьох вітчизняних та іноземних науковців: Вебстера Ф., Іносе Х., Хамади Т., Гаврилова О.А., Дзюби О.П., Дрю Д., Бєляєвського Л.С., Єресова В.І., Капітанова В.Г., Клінковштейна Г.І., Кременця В.І., Лобанова Є.М., Лук’янова В.В., Печерського М.П., Поліщука В.П., Полозенка П.М., Раппопорта Г., Сільянова В.В., Самойлова Д.С., Фішельсона М.С., Хейта Ф., Четверухіна Б.М., Шештокаса В.В., Якушина Л.А. та ін.

Аналіз вітчизняної і іноземної технічної літератури показує, що стан задачі оптимізації режимів СФР регулювання на перехрестях ВДМ з використанням гнучких схем організації дорожнього руху на даний час знаходиться у зародковому стані. У той же час підкреслюється висока ефективність подібного підходу.

Існує декілька напрямків удосконалення світлофорного регулювання, серед яких слід відзначити, у першу чергу, два: застосування адаптивних режимів регулювання світлофорних об’єктів та оптимізація структури циклу світлофорного регулювання. Серед адаптивних алгоритмів зі зворотнім зв’язком найбільшого поширення набули алгоритми, в яких необхідність переключення світлофорної сигналізації вирішується по інформації про стан перехрестя в даному циклі регулювання. Проведено аналіз таких алгоритмів та виявлено недоліки.

Розрахунок тривалості циклу і його елементів виконується по методиці, яка запропонована ще в 50-і роки англійським дослідником Вебстером. Вона базується на співставленні фактичної інтенсивності і потоків насичення. Головним є те, що методика мінімізує середню затримку транспортних засобів. Розглянуто критерії якості СФР.

У літературі практично відсутня методика розрахунків у випадку управління за напрямками, оскільки не має чітких критеріїв для вибору цього методу управління.

На сьогодні не існує жодного адаптивного алгоритму, який би кількісно враховував ступінь конфліктності напрямків, нестаціонарність транспортних потоків, черговість фаз та був ефективний та простий в реалізації. Також важливим є аналітичне обґрунтування вибраного алгоритму та розрахунок критерію ефективності управління, що на сьогодні також має досить розширене поняття. Оптимальним був би симбіоз усіх цих алгоритмів в один з урахуванням сучасних умов руху. Адже насьогодні проблемою сучасних АСУР є не технічна реалізація, а відсутність ефективної технології управління. Ускладнення технічних засобів АСУР, розширення їх обчислювальних можливостей дають змогу реалізації багатокритеріальних адаптивних алгоритмів. Тільки при раціональному використанні в АСУР математичних моделей та методів управління можна розраховувати на значне підвищення ефективності систем. Підвищення якості управління дорожнім рухом можна досягнути за рахунок розроблення нових принципів управління, що володіють більшим ступенем адаптації управляючої системи до випадкових змін параметрів транспортного потоку. Можливий шлях підвищення якості функціонування систем – оперативна зміна в процесі руху не тільки світлофорних сигналів, але і схем організації руху.

На основі проведеного аналізу і були сформовані мета і задачі дослідження.

Практично будь-яка динамічна система починає своє функціонування із нестаціонарної стадії, що називається перехідним процесом. Тому у другому розділі було досліджено перехідні режими в системах масового обслуговування (СМО) та встановлено, що результати отримані для сталого режиму та усереднені результати для перехідного режиму відрізняються. Розглянуто транспортні системи інтегруючого типу, черга в яких при умові, що вхідна інтенсивність не дорівнює інтенсивності обслуговування, буде зростати нескінченно в той чи інший бік необмежено і сталого режиму в таких СМО практично не існує. Проаналізувавши подібні СМО було зроблено висновки про те, що для аналізу перехідних режимів графи станів типу “загибелі та розмноження” не завжди є придатними. Тому для отримання загальної моделі функціонування інтегруючої СМО використали модель “проточної репродуктивної системи”, запропонованої проф. Самсонкіним В.М. для аналізу перевізного процесу.

Розглянуто методи оцінки накопичувальних СМО на основі динамічної моделі матеріального балансу, запропонованої професором Четверухіним Б.М. для аналізу транспортних СМО, де в ролі параметра стану аналізується довжина черги ТЗ. У загальному випадку швидкість зміни черги транспортних засобів матиме вигляд:

, (1)

де – інтенсивність надходження заявок як функція часу,

– інтенсивність обслуговування заявок як функція часу.

Рішення у загальному випадку матиме вигляд:

, (2)

де L0 – початкова довжина черги при t=0.

Якщо розглядати процес зміни черги як неперервний при (t)?(t), остання може лінійно збільшуватись при (t)>(t), або лінійно зменшуватись при (t)<(t). Такі СМО отримали назву інтегруючих.

Виходячи з цього були розглянуті окремі випадки: СМО з інтенсивністю обслуговування, що залежить від довжини черги. Для цього випадку приймемо наступне: - змінюється довільно, , тобто, інтенсивність обслуговування пропорційно залежить від довжини черги.

Рішення такого рівняння матиме наступний вигляд:

, (3)

де , .

Також були розглянуті накопичувальні СМО з наявністю нетерплячих клієнтів в яких початкові умови задаються: , , (), але в черзі чекання обслуговування є “нетерплячі” клієнти, що покидають СМО необслуженими, якщо час чекання або довжина черги їх не влаштовує. Приймемо, що , де – фактична інтенсивність вхідного потоку, – його втрати за рахунок наявності черги чекання, які є пропорційними довжині черги. Тоді рівняння матеріального балансу матиме вигляд:

На основі досліджень були отримані наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

Застосування систем масового обслуговування інтегруючого типу для опису процесу функціонування перехрестя дозволяє вирішити низку задач, щодо удосконалення існуючих технологій світлофорного управління та перейти до адаптивних методів управління рухом. Тому подальшим кроком дослідження була формалізація перехрестя як мережі масового обслуговування інтегруючого типу (рис. 1.).

Рис. 1. Граф станів перехрестя двох вулиць з одностороннім рухом

S1А - стан системи, коли обслуговується заявка із напрямку А; S1Б - стан системи, коли обслуговується заявка із напрямку Б; S0А - стан системи, коли по напрямку А черга відсутня; S0Б - стан системи, коли по напрямку Б черга відсутня

У третьому розділі проведено порівняльний аналіз існуючих критеріїв якості управління транспортними потоками. Визначено довжину черги як локальний та загальносистемний критерій, а також непродуктивну транспортну затримку, як основні якісні параметри оцінки стану транспортного потоку у вузлі і необхідний етап для подальшого визначення витрати палива і екологічного навантаження середовища поблизу вузла. Розглянуті методи визначення непродуктивної транспортної затримки при жорсткому програмному управлінні. Проаналізовано методи визначення непродуктивної транспортної затримки при адаптивному управлінні. Класичні методи базуються на усереднених годинних характеристиках транспортного потоку і зводяться до розрахунку непродуктивної транспортної затримки при жорсткому управлінні. Розрахунок чисельних характеристик проводиться по формулі Вебстера. Такий підхід має ряд недоліків: якщо розглядати адаптивне та жорстке програмне управління при однакових середніх інтенсивностях транспортного потоку отримуємо однакові результати. Цей факт вказує на те, що адаптивне управління не є ефективним, а тому і доцільним. Практичне впровадження адаптивного управління доводить протилежне. У сучасних дорожніх умовах підвищеної інтенсивності транспортного протоку слід шукати інші підходи до розрахунку непродуктивної транспортної затримки, що дозволить чисельно оцінити ефективність заходів по організації руху. Тому було розглянуто непродуктивну транспортну затримку та чергу автомобілів біля „стоп”-лінії, як основний визначаючий її фактор.

Формалізовано зв’язок параметрів черги і непродуктивної транспортної затримки, як основних якісних параметрів оцінки стану транспортного потоку у вузлі та мережі. Описано процес утворення черг біля „стоп”-лінії (5, 6) на основі моделі матеріального балансу.

Виходячи з цього було визначено сумарну транспортну затримку в автомобіле-одиницях на основі графіку динаміки черги по кожному напрямку.

Доведено, що оцінка функціонування СМО ІТ у перехідних режимах не може коректно визначатися на основі усереднених характеристик.

З цих міркувань виникає необхідність розробки методики визначення затримок транспортних засобів у черзі із врахуванням нестаціонарності надходження заявок. Методика була реалізована в програмному середовищі MathCAD, її алгоритм наведено на рис. 2.

Рис. 2. Узагальнений алгоритм розрахунку транспортної затримки в умовах нестаціонарності транспортних потоків при адаптивному програмному регулюванні

Порівняльний аналіз існуючої методики та алгоритму дозволяє зробити висновок, що при зростанні інтенсивності справджується гіпотеза про те, що похибка по Вебстерівській методиці зростає. Тобто, принцип квазирегулярності не діє.

При цьому було переглянуто класичні та альтернативні підходи до розрахунку тривалості циклу та здійснено їх порівняння. А також запропоновано формулу, що буде враховувати нестаціонарність транспортного потоку.

, (7)

де , – інтенсивності по напрямках, авт./год.;

, – кількість автомобілів в черзі на початку циклу по напрямках;

– потік насичення для напрямків, авт./год.

Четвертий розділ присвячений імітаційному моделюванню функціонування регульованого перехрестя. Для перевірки адекватності запропонованої методики в програмному середовищі MathCAD була створена імітаційна модель функціонуванням перехрестя двох вулиць з одностороннім рухом. Для моделювання надходження транспортних засобів був використаний розподіл Левіса та програмне забезпечення, розроблене доц. Дзюбою О.П.

Рис. 3. Загальний алгоритм імітаційного моделювання функціонування перехрестя

Результати імітаційного моделювання із розрахунком тривалості циклу по формулі (7) проілюстровано на рис. 4, 5. Вони показують доцільність використання запропонованого алгоритму як при низьких так і високих інтенсивностях.

Рис. 4. Динаміка черги автомобілів на перехресті по напрямку при інтенсивності

400 авт./год.

Рис. 5. Середня затримка по циклах по напрямку при інтенсивності 400 авт./год.

При цьому проводиться розрахунок показників нестаціонарності транспортного потоку. Адже будь-яка динамічна система починає своє функціонування з деякої нестаціонарної стадії, що називається перехідним процесом. Саме врахування цього дозволило більш раціонально підійти до організації дорожнього руху.

П’ятий розділ стосується перспективного напрямку в ОДР – управління за сигнальними групами. При реалізації цього принципу для кожного напрямку виділяється своя сигнальна група. При цьому принципово можливим стає незалежне, і навіть індивідуальне управління кожним каналом руху на перехресті. Це значить, що кожен напрямок може характеризуватися незалежною тривалістю основного і додаткового тактів, а також циклу регулювання. Такий принцип відкриває нові можливості для удосконалення сучасної технології управління дорожнім рухом на перехрестях ВДМ, перш за все – адаптивного управління.

При цьому напрямки і зміст оптимізації формулюються наступним чином:

1) формалізація вихідних даних;

2) оптимізація формування сигнальних груп;

3) оптимізація чергування сигнальних груп;

4) оптимізація тривалості тактів і циклу;

5) алгоритмізація розрахунків.

Для формалізації вихідних даних обрана матрична форма представлення схеми руху на перехресті. Матриця має розмірність iЧj. При цьому транспортні та пішохідні напрямки позначаються у вихідній матриці номерами відповідних рядків та стовпців. Якщо певний і-й напрямок згідно схеми організації руху не конфліктує із j-м, то комірка ij містить нуль. Тобто, кожна клітина матриці відповідає певним конфліктам між варіантами маневрів на перехресті.

Другий блок реалізується на основі теорії графів. Задача буде полягати у розбитті множини існуючих напрямків руху на певну кількість груп таким чином, щоб усі напрямки руху, що об’єднані в одну групу, могли виконуватися одночасно, не створюючи конфліктних проблем один для одного. Очевидно, що при вирішенні даної задачі бажано не тільки мінімізувати число розбивок вхідної множини напрямків на групи, що відповідає визначенню мінімальної кількості фаз світлофорного регулювання (при груповому регулюванні – мінімальної кількості сигнальних груп на перехресті), але також і послідовність виконання руху зазначених груп, Саме це і визначає структуру циклу світлофорного регулювання.

Очевидно, що поєднання окремих напрямків у сигнальну групу повинно проводитись на базі кількісного аналізу можливості такого суміщення (конфліктності). У цьому плані можуть бути використані останні дослідження, у напрямку оцінки потенційної конфліктності маневрів ТЗ та пішоходів.

Реалізація блоків 3, 4, 5 представлена розробленим алгоритмом адаптивного управління сигнальними групами складного перехрестя (рис. 6). Вихідними даними є необхідна і достатня тривалість зеленого сигналу по напрямках. Вона розраховується із врахуванням кількості автомобілів, що знаходяться у черзі та кількості автомобілів, що надійдуть за зелений сигнал:

, (8)

де – інтенсивність по напрямку і як функція часу, авт./год.;

– кількість автомобілів в черзі на початку циклу по напрямку і як функція часу;

– потік насичення для напрямку і, авт./год. У загальному випадку для напрямку визначається:

, (9)

де H – ширина проїзної частини,

б – поздовжній нахил,

m – кількість маневрів зі смуги руху,

R – радіус повороту.

Алгоритм реалізує гнучке переформування сигнальних груп із пріоритетом напрямку із максимальним числом ТЗ у черзі в реальному масштабі часу.

Рис. 6. Удосконалений алгоритм адаптивного управління за сигнальними групами

Переформування групи можливе в одному з трьох випадків:

1) черга по вибраному напрямку роз’їхалася:

, (10)

2) тривалість зеленого сигналу по напрямку досягла свого максимального значення:

, (11)

3) черга по одному із конфліктних напрямків досягла критичного значення.

. (12)

Таким чином, нестаціонарні потоки ТЗ, що прибувають на регульовані напрямки перехрестя, обслуговуються як паралельно, так і послідовно. При цьому пріоритет надається напрямку, де утворилася найбільша черга ТЗ. З іншого боку, на будь-якому з решти напрямків технологічні обмеження регламентують час перебування у черзі і непродуктивну затримку. Тривалість терміну обслуговування кожного каналу (дозволяючий сигнал світлофора) визначається індивідуально в процесі регулювання в реальному масштабі часу (“on line”), що надає можливість звести до певного мінімуму інтегральний термін обслуговування всіх напрямків.

Треба зазначити, що окрему задачу представляє мінімізація сумарної тривалості перехідних інтервалів, що, як виявилося, залежить не тільки від кількості сигнальних груп, що беруть участь у поточному циклі обслуговування, а і від їх черговості у циклі:

, (13)

де m = 2, 3…G, G – число сигнальних груп на перехресті.

Врахування перехідних режимів і адаптація режимів світлофорного регулювання з урахуванням нестаціонарності потоків дозволяє знизити затримки транспорту і підвищити ефективність світлофорного регулювання.

Висновки

1. Аналітичним та експериментальним шляхом доведено, що ефективність функціонування транспортних систем інтегруючого типу взагалі і на ефективність світлофорного регулювання на перехрестях ВДМ зокрема, істотний вплив має нестаціонарність процесу надходження транспортних засобів.

2. Розроблено гіпотезу механізму впливу параметрів нестаціонарності на функціонування транспортних систем масового обслуговування інтегруючого типу, яка полягає встановлені кількісні зв’язки між параметрами нестаціонарності процесу надходження транспортних засобів до перехрестя, непродуктивною затримкою транспортних засобів, довжиною черги перед “стоп”-лінією.

3. Встановлено, що:

- величина транспортної затримки, що розраховується нормативним шляхом (формула Вебстера) дає похибку (чим більше значення інтенсивності, тим більша похибка) і не може адекватно характеризувати якість СМО;

- величина транспортної затримки повинна розраховуватися із урахуванням інтенсивності надходження ТЗ на перехрестя та довжини черги біля “стоп”-лінії;

- інтенсивність обслуговування повинна залежати від довжини черги ТЗ перед “стоп”-лінією та інтенсивності їх надходження.

4. Розроблено математичну модель регульованого перехрестя ВМД, що враховує нестаціонарність процесу прибуття транспортних засобів мінімізує непродуктивну транспортну затримку і довжину черги біля “стоп”-лінії на підходах до перехрестя.

5. У результаті моделювання нестаціонарних режимів руху транспортних потоків розроблено методику управління сигнальними групами світлофорів на перехрестях ВДМ, що надає можливості адаптивного переформування черговості фаз і сигналів у залежності від співвідношення довжини черг та інтенсивностей руху на напрямках перехрестя і реалізації режимів світлофорного регулювання, близьких до оптимальних.

6. Розроблені новітні технології автоматизованого управління дорожнім рухом (п.4, п.5), які можуть функціонувати в режимі “on line”, призначені для використання у складі сучасного математичного забезпечення міських АСУР.

7. Результатом роботи є дослідне впровадження “Методики управління сигнальними групами світлофорів на перехрестях вулично-дорожніх мереж значних та найзначніших міст” в інституті “Київдормістпроект”.

Список опублікованих праць

Публікації:

1. Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Динамічні моделі інтегруючих транспортних систем масового обслуговування.// Безпека дорожнього руху України, 2001, – №3 (11).– С. 21-29.

2. Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Узагальнений підхід до аналізу транспортних систем масового обслуговування накопичу вального типу.// Вісник Національного транспортного університету та Транспортної академії України, 2001. – №5. – С.148-151.

3. Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Дослідження перехідних режимів транспортних систем масового обслуговування. // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Збірник наукових праць., – К., – 2002. – C. 214-217.

4. Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Моделювання нестаціонарних режимів руху транспорту на регульованому перехресті.// Безпека дорожнього руху України. – 2003. – № 3-4 (16). – С. 109-114.

5. Пономаренко Л.А., Четверухін Г.Б. Аналіз ймовірностей станів транспортних систем масового обслуговування у програмному середовищі MathCAD // Весник Харьковского Национального автомобильно-дорожного университета и Северо-Восточного Научного Центра Транспортной Академии Украины. – 2003. – № 20. – С. 87 - 91.

6. Прокудін Г.С., Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Оптимізація структур циклів світлофорного регулювання на ізольованих перехрестях // Безпека дорожнього руху України. – 2004. – № 1-2 (17). – С. 120-128.

7. Єресов В.І., Пономаренко Л. А. Застосування систем масового обслуговування накопичувального типу для моделювання регульованих перехресть ВДМ // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2004. –Вип . 70. – С.293–299.

Тези конференцій:

8. Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Дослідження несталих режимів транспортних систем масового обслуговування. // Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики та освіти: Зб. наукових праць VII Міжнародної наук.-практ. конф., Київ, 6-7 грудня 2001 р. // Редкол.: І.І. Тимошенко (голова) та ін. – К., – 2002. – C. 134-136.

9. Четверухін Б.М., Пономаренко Л.А. Моделювання нестаціонарних процесів формування черги транспортних потоків на перехресті, обладнаному світлофорною сигналізацією. // Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики та освіти: Зб. наукових праць IХ Міжнародної наук.-практ. конф., Київ, 27-28 листопада 2003 р. // Редкол.: І.І. Тимошенко (голова) та ін. – К., – 2004. – C. 387-393.

10. Пономаренко Л.А. Аналіз розрахунку величини затримки автомобілів в транспортних системах масового обслуговування накопичувального типу. // Безпека дорожнього руху: сучасність і майбутнє. Збірник матеріалів науково-практичної конференції. – К., – 2004. – C. 70 -72.

11. Пономаренко Л.А. Застосування сучасних комп’ютерних технологій при моделюванні впливу світлофорного регулювання на режим руху нестаціонарних транспортних потоків. 60 Ювілейна наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К. – 2004. – C.128

12. Пономаренко Л.А. Застосування сучасних комп’ютерних технологій для розробки моделі управління світлофорними об’єктами за сигнальними групами. 61 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К. – 2005. – C.147.

Анотація

Пономаренко Л.А. Управління нестаціонарними транспортними потоками на регульованих перехрестях – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.22.01 - транспортні системи. Національний транспортний університет, Київ, 2006.

Дисертація присвячена удосконаленню технології управління дорожнім рухом на перехрестях ВДМ сучасних міст в умовах нестаціонарності транспортних потоків, що надходять до перехрестя.

Метою дослідження є підвищення ефективності світлофорного регулювання шляхом встановлення і подальшого врахування закономірностей прибуття транспортних засобів до „стоп”-лінії перехрестя, внаслідок чого виникає можливість розрахунку і реалізації режимів регулювання, близьких до оптимальних. На базі формалізації нестаціонарної поведінки транспортних потоків і подальшого моделювання процесу світлофорного регулювання на перехресті розроблено методику коректного визначення таких параметрів регулювання як довжина, час перебування і кількість транспортних засобів у черзі перед „стоп”-лініями, непродуктивна транспортна затримка та інших.

Запропонований технологічний алгоритм гнучкого світлофорного регулювання, розроблений за принципом управління „сигнальними групами” світлофорів на перехресті, дозволяє мінімізувати непродуктивні транспортні затримки, черги на підходах до перехрестя і таким чином підвищити пропускну здатність перехресть і ефективність світлофорного регулювання в цілому.

Результати дисертації впроваджені в Методиці управління сигнальними групами світлофорів на перехрестях вулично-дорожніх мереж значних та найзначніших міст у інституті “Київдормістпроект”.

Ключові слова: організація дорожнього руху, світлофорне регулювання, сигнальні групи, непродуктивна транспортна затримка.

Аннотация

Пономаренко Л.А. Управление нестационарными транспортными потоками на регулированных перекрестках – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук из специальности 05.22.01 - транспортные системы. Национальный транспортный университет, Киев, 2006.

Диссертация посвящена усовершенствованию технологии управления дорожным движением на перекрестках улично-дорожной сети современных городов в условиях нестационарности транспортных потоков, которые поступают на перекресток.

Цель исследования повышение эффективности светофорного регулирования путем установления и дальнейшего учета закономерностей прибытия транспортных средств к „стоп”-линии перекрестка, вследствие чего возникает возможность расчета и реализации режимов регулирования, близких к оптимальных. На базе формализации нестационарного поведения транспортных потоков и дальнейшего моделирования процесса светофорного регулирования на перекрестке разработана методика корректного определения таких параметров регулирования как длина, время пребывания и количество транспортных средств в очереди перед „стоп”-линиями, непроизводительная транспортная задержка и других.

Предложенный технологический алгоритм гибкого светофорного регулирования, разработанный по принципу управления „сигнальными группами” светофоров на перекрестке, разрешает минимизировать непроизводительные транспортные задержки, очереди на подходах к перекрестку и таким образом повысить пропускную способность перекрестков и эффективность светофорного регулирования в целом.

Результаты диссертации внедрены в Методике управления сигнальными группами светофоров на перекрестках улично-дорожных сетей значительных и виднейших городов в институте “Киевдормостпроэкт”.

Ключевые слова: организация дорожного движения, светофорное регулирование, сигнальные группы, непроизводительная транспортная задержка.

Summary

Ponomarenko L.A. Management by non-stationary transport streams on the regulated crossroads – Manuscript.

Thesis on competition for the scientific degree of engineering sciences candidate, specialty 05.22.01 - transport system. National transport university, Kyiv, 2006.

This thesis is devoted to the improvement of technology of traffic management on crossroads of the road systems of modern cities in the conditions of the non -stationary of transport streams that approach crossroads.

The purpose of research in the increase of efficiency of the traffic light regulation by means of establishment and further calculations of patterns of arrival of vehicles to „stop”-lines of the crossroads owing to what there is an opportunity of calculation and realization of modes of the regulation which are close optimum. On the basis of formalization of non – stationary behavior of transport streams and further modeling of process of the traffic light regulation on the crossroads, the technique of correct definition of such parameters of regulation as length, time of stay and number of vehicles in the queue before the „stop”-lines, an unproductive transport delay and others was developed.

The offered technological algorithm of the flexible traffic light regulation, developed by a principle of management of “alarm groups” of traffic lights on the crossroads, allows to minimize the unproductive transport delays and queues on the crossroads, and thus allows to raise the throughputs of crossroads and efficiency of traffic light regulation as a whole.

Results of the thesis are introduced in the Technique of management by the alarm groups of traffic lights on crossroads of road system of csignificant and most outstanding cities on the institute “Kievdormostproekt”.

Keywords: organization of traffic, traffic light regulation, alarm groups, unproductive transport delay.