автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Автоматизированное управление движением на автомобильных дорогах

 со

сг>

СП

*

о «-с;

ии

иэ сгг

1— ип

О-

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ УКРАИНСКИЙ ТРАНСПОРТНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПОЛЩУК Владимир Петрович

УДК 656.13.073

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Специальность: 05.22.01 — транспортные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Украинском транспортном университете.

Научный консультант — академик ВАСИЛЬЕВ Александр Петрович

Сфициалыые оппоненты — доктор технических наук, профессор

КАРАНДАКОВ Геннадий Васильевич

— доктор технических наук, профессор

СШЬЯНОВ Валентин Васильевич

— доктор технических наук, профессор

ГАВРИЛОВ Эдуард Васильевич

Ведущая организация — Государственный дорожный научно-

часов на заседании специализ1фованного Ученого Совета Д01.27.01 при Украинском транспортном университете по адресу: 252010, Киев-10, ул.Суворова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Украинского транспортного университета.

Автореферат разослан " " деха^з? 1996 г.

Ученый секретарь

исследовательский институт

Защита состоится

1996 года в

Ю.С.ЛИГУМ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие автомобильного транспорта — одно из важнейших достижений технического прогресса XX столетия. Сегодня нет такого уголка в мире, где бы автомобиль не стал органическим и крайне необходимым элементом экономической и общественной жизни страны. Автомобильный транспорт является той областью экономики, без которой сейчас трудно представить развитие какой-либо отрасли народного хозяйства.

Наряду с большой пользой, которую несет обществу развитие автомобильного транспорта, на многих магистралях возникают проблемы, связанные с чрезмерным скоплением автомобилей, с перенапряжением движения, в результате чего преимущества от использования автомобильного транспорта снижаются. Одна из них заключается в том, что скопление автомобилей на дорогах и улицах влечет за собой снижение скорости движения, способствует образованию заторов, что в свою очередь, обусловливает потери времени, увеличивает себестоимость перевозок, снижает производительность автомобильного транспорта.

Чем насыщеннее некоторый район автомобилями, чем больше в нем плотность населения, тем чаще происходят на автомобильных дорогах столкновения автомобилей, наезды на пешеходов и другие дорожно-транспортные происшествия.

Рассмотрение и решение перечисленных проблем предполагает повышение экономичности, безопасности и комфортабельности движения, рациональное планирование затрат на улучшение дорожных условий. Все эти вопросы наиболее эффективно способна рассмотреть сравнительно новая отрасль техники, получившая наименование "организация дорожного движения" и включающая в себя планирование дорожных сетей, проектирование геометрии дорог, планировочные решения по размещению дорожных сооружений, а также управление движением транспортных потоков.

Научной основой организации движения на автомобильных дорогах являются исследования основных законов движения потока транспорта в различных, но типичных дорожных условиях; базой таких исследований являются статистические наблюдения за ско-_ ростью, интенсивностью и плотностью движения, математическое моделирование транспортных потоков, статистика дорожно-транспортных происшествий.

В свете современных идей организации движения — это проек-

тирование оптимального или, в большинстве случаев, оптимизацш уже существующего биотехнического комплекса, включающего в себя множества автомобилей, водителей, пассажиров, пешеходов 1 окружающую среду в первую очередь — автомобильную дорогу. Совершенно очевидно, что речь идет о сложной системе, а организация движения возможна на основе системного подхода к решенш перечисленных задач.

Возможно, именно отсутствием надлежащего системного подходе можно объяснить отсутствие в нашей стране специальных научных, методических и организационных центров, а также специальное администрации по организации дорожного движения в целом.

Транспортные потоки на автомобильных дорогах движутся в постоянно изменяющихся условиях. Эти изменения происходят из-зг сезонных и суточных колебаний интенсивности и состава движения, метеорологических условий и состояния дорог. Техническое совершенствование дороги и повышение уровня содержания значительно сокращает колебания ее транспортно-эксплуатационных качеств во времени и под воздействием погодно-климатических факторов, но не могут исключить их полностью. Оперативное управление движением является неизбежной необходимостью и должне быть тем более широким и гибким, чем больше амплитуда изменений в условиях движения.

Управление дорожным движением является составной частью управления и функционированием дорожно-транспортной системы е целом и может осуществляться на уровне управления дорожным движением на сети существующих дорог, на отдельно взятой дороге или на участке дороги.

В зависимости от требуемого уровня управления формулируются конкретные задачи, разрабатываются методы управления, определяются технические средства.

Стратегия управления систем исходит из основной цели, которая заключается в повышении эффективности работы автомобильного транспорта и автомобильной дороги, повышения удобства и безопасности движения. На технологическом уровне целью является достижение удовлетворительного компромисса между задержками первого рода (задержки на въездах), задержками второго рода (задержками, вызванными снижением скорости и повышением плотности движения).

Как и к любой системе управления, к системам управления до-

рожным движением предъявляются требования в отношении пропускной способности, экономичности, надежности и совместимости. Однако специфика движения автомобильного транспорта накладывает значительные ограничения на разнообразие применяемых методов управления.

Решаемая проблема — обеспечение безопасных, экономичный и удобных перевозок и пассажиров на автомобильных дорогах с использованием автоматизированного управления движением. Работа выполнялась автором в течение последних 20 лет в соответствии с Планами научно-исследовательских работ Миндорстроя УССР на 1975 - 1980, 1981 - 1985, 1986 - 1990 гг., ас 1991 г. - в соответствии с научно-технической программой "Транспорт" Минтранса Украины.

Цель работы — разработать теоретические основы и практические методы проектирования автоматизированных систем управления движением на автомобильных дорогах.

Эффективность методологии проектирования обеспечивается системным подходом и применением логистики.

Методы исследования базировались на теории больших систем; основой исследований является системный подход к изучению проблемы, поэтому в качестве средств решения использовались морфологическое, функциональное и информационное описания процесса управления движением как логистически обоснованной процедуры; структурирование системы; теория автомобильных перевозок, информации, транспортных потоков, транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог; математическое моделирование; машинное имитационное моделирование.

Объектами исследования являлись методологические основы и практика проектирования автоматизированного управления движением в различных условиях эксплуатации.

Научная новизна диссертационной работы состоит прежде всего в рассмотрении проблемы автоматизированного управления движением с позиций системного анализа и логистики, а также в том, что:

- выполнено на основе системного анализа исследование сис— темы "дорожные условия — транспортные потоки" как основы создания автоматизированных систем управления движением на автомобильных дорогах;

- разработано информационное обеспечение автоматизированно-

го управления движением с позиций общих принципов логистики на основе теории информации как составляющей части маркетинговой информации;

- впервые выполнено на основе методов системного анализа описание автоматизированного управления движением в виде иерархической структуры элементов и их взаимосвязей, что позволило рассматривать управление движением как систему взаимосвязанных элементов, а также ее формализацию в различных условиях эксплуатации;

- впервые на основе методов системного анализа проведено структурирование автоматизированного управления движением и доказана многокритериальность управления дорожным движением на различных уровнях;

- впервые на основе спектрально-корреляционной теории транспортного потока выполнена пространственно-временная дискретизация характеристик транспортного потока для сбора информации о состоянии нелинейных пространственно-временных процессов;

- впервые предложено классифицировать типовые элементы управления как основы мульти-модального принципа построения автоматизированного управления движением;

- на основе теории транспортных потоков впервые предложена стратегия и критерии управления движением на различных уровнях в различных "критических ситуациях", а также в ординарных условиях существования АСУД;

- впервые на основе методов системного анализа разработаны принципы автоматизированного управления движением на узле автомобильных дорог крупного города как иерархической структуры элементов управления на всех дорогах узла.

Достоверность научных положений, основных выводов и рекомендаций обеспечиваются:

- методологией исследования, основанной на теории больших систем, современных методах исследования и широком црименении машинного моделирования;

- анализом большого массива исходных факторов и множественностью проведенных экспериментов по формированию систем автоматизированного управления движением на основе человеко-машинного программного комплекса;

- положительными результатами внедрения научно-методических положений в практику проектирования, что подтверждается соот-

ветствующими результатами опытного внедрения 1-ой очереди АСУД;

- моделированием и трансформацией системы автоматизированного управления движением с учетом многообразия ограничений параметров в реальных условиях эксплуатации;

- создание информационного обеспечения на основе теории информации.

Практическая ценность состоит в разработке методик, алгоритмов и программ на ЭВМ для моделирования, построения и оптимизации структуры автоматизированного управления движением, стратегии управления в различных "критических ситуациях", а также создании человеко-машинного программного комплекса с учетом условий эксплуатации и возможности проверки по целому ряду ограничений в оперативном режиме управления; создании информационного обеспечения в виде информационно-поисковой системы для оценки условий движения и принятия управляющих воздействий на транспортный поток. Предложенные в исследовании методики и их опытная реализация подтвердили свою эффективность в реальных условиях создания автоматизированных систем управления движением на дорогах Киев — Харьков, Киев — Одесса и на дорогах Киевского узла.

Отдельные положения работы изложены в учебных пособиях, статьях, используются студентами и слушателями факультета повышения квалификации ряда ВУЗов при изучении дисциплин "Организация дорожного движения", "Автомобильные перевозки и безопасность движения", "Автоматизированное управление дорожным движением", а также при выполнении лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования и аттестационно-выпускных работ. На основании полученных результатов созданы новые разделы и дисциплина по специальности "Организация дорожного движения".

Реализация работы осуществлялась поэтапным внедрением результатов выполненных научно-исследовательских работ в системе Миндорстроя УССР, а затем корпорации Укравтодор на автомобильных дорогах Киев — Харьков, Киев — Одесса и на дорогах Киевс-_ кого узла.

Апробация работы. Основные положения и конкретные разработки докладывались на XXX — Ы1 научно-исследовательских конференциях КАДИ и УГУ в 1974 — 1996 гг.; на II научно-технической

конференции стран-членов СЭВ по проблемам безопасности движ ния в Карловых Варах (ЧССР) в 1980 г.; на I — VI межвузовск научно-технических конференциях "Пути повышения безопасное движения" в 1972 — 1991 гг.; на II и III краевых научи технических конференциях Краснодарского краевого правлен: ВНТО AT и 1-х в 1989 — 1990 гг.; на международной научной koi ференции КАДИ в 1994 г.

Структура и объем работы. Принятая структура и последовав льность изложения продиктованы последовательностью и взаимоз; висимостью элементов, составляющих систему управления движен: ем. Объем диссертации составляет 467 страниц, в том числе 3! страницы основного машинописного текста, 102 рисунка, 16 та( лиц. Список литературы включает 116 наименований. В приложен: помещены алгоритмы стратегии управления движением на автомобз льных дорогах для практического их приложения, а также докумс нты, подтверждающие апробацию и внедрение результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложены существующие методы автоматизирове нного управления движением. Состояние вопроса проектирован! автоматизированных систем управления движением рассмотрено трех аспектах: автоматизированное управление движением на ул* чно-дорожной сети городов, автоматизированное управление дв£ жением на автомобильных дорогах и критерии определения эффе? тивности систем управления движением.

Вопросы, связанные с созданием автоматизированных систе управления движением нашли отражение в работах проф. Сильяное В.В., Лобанова Е.М., Хомяка Я.В., Амбарцумяна В.В., ВасильеЕ A.n., Брайловского Н.О., Четверухина Б.М., Шештокаса В.В. Клинкевштейна Г.И., Коноплянко В.И., а также Печерского М.П. Кременца Ю.А., Фримштейна М.И., Якушина Л.А., Хилажева Е.Б. Хоровича В.Г., Грановского Б.И., Сытника В.Н., Романова А.Г. Шелкова Ю.Д., Капиганова В.Т., Гаврилова A.A., Афанасьеи М.В., Гукова H.H., Ересова В.И., Красильниковой О.В., Кущ Н.Т., Дзюбы А.П., Рейцена Е.А. и др.

Системы автоматизированного управления движением делятся к три группы:

1. Системы автоматизированного управления движением в горе

де;

2. Системы автоматизированного управления движением на одной автомобильной дороге;

3. Системы автоматизированного управления движением на сети дорог.

АСУ движением в городе может базироваться на разных критериях. Задача — улучшить условия движения на главных городских магистралях. Задачей АСУ является минимизация транспортных затрат благодаря оптимальному использованию пропускной способности уличной сети (минимизация времени сообщения). АСУ находят все большее применение в городах. Общие принципы их сводятся к следующему. На основании информации управляющий вычислительный комплекс системы выбирает заранее составленную программу регулирования, в наибольшей степени соответствующую этим условиям.

Анализ отечественного и зарубежного опыта создания систем управления движением показал, что указанный принцип управления обеспечивается рядом методов: управлением режима работы светофоров, заданием скорости движения, изменением числа полос, регулированием интенсивности движения, указанием маршрута движения, обеспечением преимущественного проезда.

С ростом интенсивности движения, несмотря на совершенствование дорожных условий, стало ясно, что многие дороги (особенно на подходах к городам) оказались со временем перегруженными и скорости движения потоков автомобилей снизились. При этом главной причиной заторов является неограниченный доступ автомобилей на магистраль с примыкающих въездов. В связи с этим возникла необходимость введения автоматизированной системы управления движением на дорогах. Все существующие системы подобного рода основаны на одном принципе управления — ограничение въезда автомобилей на магистраль, а вопросы оповещения водителей решаются по-разному.

Всякий процесс управления предполагает наличие цели, на достижение которой направлено функционирование системы управления. При этом качество функционирования или критерий эффективности системы управления следует понимать как степень ее приспособленности к выполнению стоящей перед ней задачи.

В самом общем виде цель управления сводится к поддержанию на конечном временном интервале минимума (максимума) некоторого функционала М:

М (х, и)—> min (тах) ,

где х — вектор состояния управляемого объекта;

и — вектор соответствующих управляющих воздействий.

Если мы обсуждаем вопрос достижения наилучшего значения данной функции (т.е. возможность), тогда от управления дорожньт движением требуется, по крайней мере, обеспечить эффективное функционирование дорожного движения (в смысле максимизации интенсивности движения) и его безопасность.

С недавнего времени в качестве особенно важных стали рассматривать также следующие четыре функции: предупреждение загрязнения окружающей среды и чрезмерного уровня шума, создаваемого дорожным движением; минимизация потребления энергии пру движении автомобиля; предупреждение возникновения и распространения транспортных беспорядков, вызванных заторами или дорожно-транспортными происшествиями; предупреждение полного тран-спортпого хаоса.

Вопросы проектирования автоматизированных систем управления движением в теории перевозок и транспортных систем мало исследованы. Большинство публикаций в периодических изданиях и проспектах отдельных фирм носит обзорный, постановочный или рекламный характер, где значительное внимание уделяется технической реализации АСУД. Отечественные исследователи касались отдельных аспектов этой проблемы, в основном связанных с особенностями проектирования и создания автоматизированных систем уцравления движением в городах, особенностями технико-эксплуатационных показателей, адаптацией технических возможностей реализации предложенных решений к конкретным условиям движения на улично-дорожной сети. Различным аспектам проблемы разработки автоматизированного управления движением посвящены работы таких ведущих научных организаций СНГ, как МострансНИИ-проект, НИИАТ, Гипродор НИИ, МАДИ, ХАДИ, УТУ, НИЦ БД МВД России и др.

Однако имеющиеся разработки не дали окончательного решения, поскольку не учитывали многих сложных аспектов как в условиях движения на улично-дорожной сети, так и отсутствие решений в теории транспортных потоков, являющейся основой принятия управляющих воздействий в автоматизированных системах уцравления движением. В отдельных работах наметился подход к проектирова-

нию автоматизированных систем управления движением на автомобильных дорогах, однако попытка реализации этого подхода не дала возможности получить обобщающие результаты и не увенчалась успехом. Зарубежные публикации по вопросам создания АСУД на автомобильных дорогах не носят аналитического характера и не затрагивак/т типизации элементов управления, критериальности выбора управляющего воздействия на транспортный поток, не дагсгг обобщения опыта. Тем не менее стало возможным получить основные технические характеристики таких систем,, реализованных в США, Федеративной Республике Германии, Франции, Великобритании и др. странах.

С уверенностью можно констатировать тот факт, что ни в одной из имеющихся работ не просматривается комплексный подход к проектированию АСУД на автомобильных дорогах, достаточно полно не выявлена ее специфика, не намечены пути оптимизации составляющих ее элементов.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию системы "дорожные условия — транспортные потоки" как основы создания автоматизированных систем управления движением на автомобильные дорогах.

Автомобильный транспорт представляет собой сложную систему, состоящую из множества автомобилей, путей сообщения, ремонтных предприятий и целого ряда структурных подразделений различных министерств и ведомств, целого ряда специальных служб, выполняющих определенные функции в происходящих на автомобильном транспорте процессах.

Сложность управления автомобильным транспортом как системой усугубляется децентрализацией этой системы. Подвижной состав на автомобильном транспорте и пути сообщения, т.е. автомобильные дороги, подчинены разным ведомствам, причем подвижной состав используется различными ведомствами в различных целях, что обусловливает различные требования к его эксплуатации и различные показатели работы отдельных автохозяйств. Часть подвижного состава находится в частном пользовании, причем со временем эта часть значительно возрастает.

Продукцией автомобильного транспорта, как и всех других видов транспорта, являются перевозки, а основным производственным процессом — движение транспортных потоков. Движение транспортных потоков может быть реализовано только при наличии пу-

тей сообщения, от количества и размещения которых во много зависит производительность труда на транспорте и другие пока затели его работы, в частности, показатели основного произвол ственного процесса — движения. Таким образом, из общей систем автомобильного транспорта может и должна быть выделена частна система "дорожные условия — транспортные потоки", в которой осуществляется основной производственный (перевозочный) про цесс — движение транспортных потоков (рис. 1).

При оптимизации управления системой "дорожные условия • транспортные потоки" можно стремиться к достижению различны целей (критериев оптимальности), и в зависимости от этих целе рассматривать различные задачи оптимального управления. На ав томобильном транспорте, включая в это понятие систему путе сообщения, наиболее важными представляются следующие задачи обеспечение наименьшего времени сообщения цри ограниченных : заранее заданных дорожных затратах; обеспечение заданног* (расчетного) времени сообщения цри возможно наименьших дорож ных затратах; обеспечение наименьших транспортных затрат пр ограниченном (заданном) уровне дорожных затрат; обеспечени наименьших дорожных затрат при ограниченном (заданном) уровн транспортных затрат; обеспечение максимальной пропускной спо собности дороги при ограниченном (заданном) уровне дорожно транспортных затрат; обеспечение максимально возможного уровн: безопасности движения при ограниченном (заданном) уровне доро жно-транспортных затрат; обеспечение заданного (требуемого уровня безопасности движения при наименьших возможных дорожно транспортных затратах; достижение минимума дорожно' транспортных затрат цри условии обеспечения заданного объем, перевозок (движения), заданной скорости и требуемой безопасно сти движения.

Наиболее важной является задача по минимизации дорожно транспортных затрат при условии обеспечения заданного объем, перевозок, заданной скорости и безопасности движения. Матема тическая модель этой задачи, т.е. математическая модель опти мального управления системой "дорожные условия — оранспортньк потоки" может быть представлена в следующем виде:

Е = min,

A>N

13 _ V > V

К8> к5

где 1ц - маршрут между корреспондирующими пунктами /и ]; Е — суммарные приведенные дорожно-транспортные затраты; Аи — пропускная способность дороги при скорости движения транспортного потока V; N — интенсивность движения — средняя скорость движения транспортного потока; V — заданный уровень скорости движения транспортного потока; К$—коэффициент безопасности движения; Кз~ заданное минимальное значение коэффициента безопасности движения.

Следует подчеркнуть, что решение основной задачи не исключает, а наоборот, предполагает исследование и других вышеперечисленных задач, которые по отношению к основной являются частными.

Научной основой оптимального управления движением транспортных потоков на автомобильных дорогах является исследование основных законов движения потоков транспорта в различных, но типичных дорожных условиях на базе статистических наблюдений за интенсивностью, скоростью и плотностью потоков и математического моделирования транспортных потоков.

Общий анализ потоков первичной информации в системе "дорожные условия — транспортные потоки" показывает, что всю массу сообщений, связанную и оптимизацией этой системы, можно разделить на две основные группы, первая из которых включает единичные (отдельные) сообщения, отделенные друг от друга отрезками времени, исчисляемыми несколькими годами или даже десятками лет, а вторая, наоборот, требует проведения нескольких наблюдений или даже десятков наблюдений в течение одного года.

К группе единичных сообщений можно относить:

а) Сообщения о процессах, не изменяющихся во времени или изменяющихся очень медленно — это в первую очередь изменения природных условий района: топографии климата, гидрологических и гидрогеологических режимов, грунтов, геологии, растительности и др. Сообщения этого типа изменяются в основном только в связи с преобразовательной деятельностью человека -(постройкагидроузлов, населенных гг/нктов и промышленных предприятий, облесение и т.д.) и с достижениями науки и техники, позволяющими вносить поцравки и уточнения в ранее имевшуюся информацию;

Рис. 1. Система ДУ — ТП

Система исполнительных органов

СПРДС СЭАД СОД АТС

'Г 'М_пп>

РД ГД ПЧ СД

дорожные условия

';_¡1" м_; _;'

СД пд ид в ПС

транспортные потоки

"* - — Прямая связь

к — обратная связь СПРДС — служба планирования развития дорожных сетей; СЭАД — строительство и эксплуатация автомобильных дорог; СОД — служба организации движения; АТС — автотранспортная служба; РД — размещение дорог; ГД — геометрия дорог; ПЧ — проезжая часть; ОД — обстановка дороги; СД — скорость движения; ПР — плотность движения; В — водители;

ИД — интенсивность движения;

ПС — подвижной сООТаВ.

б) Сообщения о процессах, изменяющихся более быстро. Это процессы, изучающиеся, главным образом, в связи с социально-экономическими изменениями: развитие производительных сил района, транспортных связей, поток грузовых и пассажирских перевозок, изменения геометрии дорог и сооружений на них, качества покрытий и другие, а также в связи с безаварийностью движения и работы дорог. Информация этого типа, как правило, собирается с интервалом в несколько лет.

К группе массовых сообщений надо относить сообщения о характеристиках движения автомобильных потоков.

Из всех рассмотренных видов первичной информации этот вид является наиболее подвижным во времени. Он складывается из показаний о параметрах движения отдельных автомобилей и характерен циклическими изменениями в течение недели, сезона, года; требует сбора данных по всей протяженности дороги или на специально выделенных для этого участках дороги по всем дорогам района в течение года по специальному графику,- отражает изменение экономики района, состояние дорог и сооружений; отражает тенденцию к непрерывному росту интенсивности и изменению состава движения.

В третьей главе рассматриваются вопросы сбора и переработки информации о характеристиках системы "дорожные условия — транспортные потоки". Анализ различной информации, существующей в системе "ДУ — ТП", дал основания полагать, что для целей выявления состояния этой системы и ее прогноза на перспективу возможно использовать тридцать показателей, которые были сведены в специальную информационную форму в виде карточки. Эти тридцать показателей характеризуют две подсистемы: и "дорожные условия" и "транспортные потоки" (рис. 2) . Каждая информационная форма о системе "ДУ — ТП" составляется на отдельный участок автомобильной дороги, показатели которого характерны по всей его длине. Первая часть информационной карточки о системе "ДУ — ТП" содержит пятнадцать показателей, необходимых для оценки состояния участка автомобильной дороги по аварийности и его прогноза. Вторая часть информационной карточки о системе. "ДУ — ТП" предназначена для оценки условий движения на участке автомобильной дороги.

Разработана методика оценки состояния системы. "дорожные условия — транспортные потоки", включающая расчет показателей

АВТОМОБИЛЬНАЯ ДОРОГА УЧАСТОК КМ - б 5 - КМ-78 ЛРОТЯЖ Е Н И Е - 7 3 ШИФР - код - I I V

п/п ПОКАЗАТЕЛИ ЕДИН изи г КСОТОЩЦШ1Ы АВАРИЙНОСТИ

ГОДЫ годы

71 72 73 71 72 73

1 интенсивность движения дат/ сур 3100 3400 443« К! 0.75 0.75 0.75

2 ширина проезжей части м 7.0 7.0 7.0 К, 1.5 1.5 1.5

3 ширина обочин м 2.5 2.5 2.0 К, 1.2 1.2 1.2

4 максимальный продольный уклон 7~ 20 20 20 1.0 1.0 1.0

5 минимальный радиус кривой в плане м > 2 > 2 >2 К? 10 10 10

6 видимость в плане видимость в профиле М-" 500 500 500 ч 10 10 10

7 ширина проезяей части мостов по отношению к проеэяей части дороги < 1 < 1 № к, 60 60 30

8 длина прямых участков км 3 3 3 К* 1.0 1.0 1.0

9 тип пересечения с примыкающей дорогой к, 1.5 1.5 1.5

10 пересечение в одном уровне при интенсивности движения 31С0 3400 3110 Кю 2.0 2.0 2.0

11 видимость пересечения в одном уровне м >60 >60 >60 КЦ 1.0 1.0 1.0

12 число полос движения на проезжей части ЯГ. 2 2 2 1.0 1.0 1.0

13 расстояние от застройки до проеэяей части м 6 1(1 Е 10 6 10 Ки 5.0 5.0 5.0

14 расстояние от населенного гтункта до 200 да 200 до 200 КЦ 2.0 2.0 2.0

15 величина коэффициента сцепления и характеристика покрытия 0.6 0.6 0.6 К* 1.3 1.3 1.3

2Хв 315.9 'И5Я га.®

Ш п/п ПОКАЗАТЕЛИ ЕДИН ЮМ. ГОДЫ обо знд че-ния ГТ^ЕВОЦИ-ЫЗ мэро-ГТр-ЕПИЯ гк> улучшен-ю условий движения

71 72 73

16 количество подъемов (спусков) с уклоном >50® - - -

17 количество кривых с радиусом меньше 200 м - - -

18 количество участков с ограниченной скооостьо <€0 км/час т - - 1

19 наибольшее ограничение скорости км /ч - - 30

20 тип покрытия Ц/Щ ц/щ ц/щ

21 интенсивность движения в час 'пик" авг л< 310 340 363 Ма

22 Состав движения грузовые % 45 45 33,3 ГЛ

легковые % 35 35 32,8 Л

автополэд.ч % 10 10 18,7 АШ

автобусы % 9 9 71 АНГ

мотоциклы « 1 1 5,1 М

23 средняя скорость движения ЕМ/ ч 85 85 85 V,

24 средняя свободная скорость движения км/ ч 90 90 90 V®

25 путевая скорость движения легкового автомобиля км/ ч 70 70 70 V»

26 оптимальная скорость движения хм/ ч 44, 7 44, 7 44, 7 Хпг

27 максимальная пропускная способность авг /ч 2746 2745 27,46 Д:ЕК

23 уровень загрузки 0,1 1 0,1 2 од 3 7,

29 минимальный коэффициент безопасности 1.0 1,0 1.0 Кб

30 фактическая аварийность

Рис. 2. Информационная форма системы "дорожные условия — транспорт потоки" (пример)

информационной формы, прогноз состояния системы, основанный на прогнозировании величины интенсивности движения, а также оценке аварийности движения на каждом участке дороги.

В условиях увеличения интенсивности и плотности движения на автомобильных дорогах достоверная информация о дорожном движении может быть получена только на основе автоматизации ее сбора. В результате анализа факторов, влияющих на траекторию передвижения транспортных средств, предложена целевая функция выбора метода и соответствующей структуры учетного пункта, обеспечивающего максимально достоверную информацию о дорожном движении:

С=Г(М,УА,УП),

где С — структура учетного пункта ? N — интенсивность дорожного движения;

Уд, Уп — соответственно дорожные и погодно-климатические условия .

Основными методами сбора информации о дорожном движении являются последовательный, параллельный и комбинированный. Применимость того или иного метода сбора информации о дорожном движении в конкретных дорожных и погодно-климатических условиях определяется комплексом показателей, основным из которых является достоверность получаемой информации.

В четвертой главе разработаны структура автоматизированной системы управления движением, а также типовые элементы управления движением на автомобильных дорогах. Представление об управлении как об информационном процессе, состоящем из этапов (процедур) получения, сбора, передачи и обработки данных, поступающих из внешней среды и по обратной связи от управляемого объекта, как раз и позволяет реализовать возможность такой настройки системы управления (СУ) .

Следует отметить, что сбор и предварительная обработка данных — это лишь часть процедур общего алгоритма управления (см.

для подготовки решения необходимо проанализировать полученные данные и найти оптимальный вариант решения* наилучший с учетом имеющихся ограничений) . В АСУ эта процедура (в отличие от систем обработки данных) обязательно автоматизируется. С этой целью выбирается критерий оптимальности и применяются специальные экономико-математические методы подготов-

ки оптимальных решений в соответствии с заданным критерием ограничениями. В системе управления движением все функции раз делены на три уровня:

Уровень I (локальное управление): обнаружение сложных ситу аций и в случае их появления изменение управления; переход к локальное управление в случае неисправности связи с ЭВМ.

Уровень II (коордишфованное управление): управление лока льное изолированное или в системе; уцравление локальное коор динированное или в системе; изменение плана управления; конт роль работы датчиков; управление сложными пересечениями.

Уровень III (централизованное управление): исполнение one ративного плана управления; изменение планов; преобразовали данных от датчиков; управление в зависимости от сложных сшуа ций; синхронизация передачи данных; контроль и сигнализаци повреждений; формирование параметров процесса дорожного движе ния; рапорты и сообщения о состоянии наблюдаемого процесса.

Центр управления может иметь следующие функции: формулиро вание целей управления для уровня II; представление состояли условий движения на сети на специальных картах района и мнемо схеме; ручное управление отдельными пересечениями с пульт, оператора; преобразование информации о процессе и прогноз ег< состояния; подготовка и разработка планов уцравления; наблюде ние цроцесса движения в "узких" местах сети с помощью телеви дения; формирование стоянок автомобилей; дорожная информация < маршрутах; информация о стоянках; руководство обслуживание! системы. Объектом уцравления в указанных системах является транспортный поток. Управление сложной динамической системой подвергающейся воздействию изменчивой внешней среды, сопряжен« с необходимостью привлечения огромных объемов информации. Поэтому структура управляющей системы строится по иерархическом; принципу. Выбор рациональной структуры управления сложной системой — проблема необычайно трудная. В рационально организованной иерархической управляющей системе каждый ее m-й уровеи осуществляет управление (т - 1)-й ступенью и одновременно управляется (т + 1)-м уровнем. Все уровни информационно связан! между собой:

информация, поступающая от объекта управления, движется i противоположном направлении — от нижних уровней к верхним j при этом последовательно "сжимается";

чем самостоятельнее функционирует каждый уровень управления, тем больше информации он "поглощает" и тем меньше ее поступает от него в последующий уровень. Максимальная самостоятельность кадцого уровня управления в рамках компетенции и последовательное "сжатие" информации — главное условие эффективности многоуровневого управления;

функционирование управляемой системы как единого целого достигается согласованием целей управления каждым ее элементом и их совокупностей с целями, стоящими перед системой. Это значит, что иерархия управляющей системы ставится в соответствие иерархии целей.

Используя диалектический подход к решению данной задачи, можно найти его на пути "от частного к общему". Так, вся сеть автомобильных дорог и отдельная дорога могут быть разделены на типовые элементы управления движением при фиксации состояния системы ДУ — ТП на сети и отдельной дороге в какой-то момент времени. Число этих элементов будет зависеть от развития сети и появления новых мест, требующих управления движением. Можно утверждать, что существует только увеличение или уменьшение числа типовых элементов управления, а появление новых видов исключено. На автомобильных дорогах проведена классификация типовых элементов управления движением, которая положена в основу разработки цринципов управления на автомобильной дороге: 1) крупные пересечения и примыкания в разных уровнях, на которых возможно изменение траектории движения основного потока (т.е. управление изменением объема движения по основному направлению при распределении интенсивности движения и регулировании въезда на основную дорогу); 2) крупные пересечения и примыкания в одном уровне, на которых возможно изменение траектории движения основного потока (т.е. управление изменением объема движения при распределении интенсивности движения и регулировании въезда на основную дорогу и ее пересечение); 3) перегоны между крупными пересечениями, на которых возможно регулирование скоростей и интенсивности движения, в том числе и то погодным условиям; 4) перегоны в населенных пунктах, на ко-_ горых возможно регулирование въезда на основную дорогу и скоростей движения, а также пешеходного движения с помощью светофорной сигнализации; 5) перекрестки, на которых возможен только въезд и съезд с основной дороги (т.е. регулирование въезда

по вливанию в поток на основной дороге и скоростей движения) 6) пересечение с железной дорогой в одном уровне, на которс возможно управление проезда с помощью светофорной сигнализа ции; 7) стоянки транспорта, на которых возможно управление вь ездом автомобилей на основную дорогу; 8) места отдыха и виде вые площадки, на которых возможно управление выездом автомоби лей на основную дорогу; 9) места интенсивного пешеходног движения, на которых возможно регулирование перехода основнс дороги в одном уровне с помощью специальной светофорной сигна лизации.

Приведенная классификация типовых элементов управлени движением позволяет сформулировать способы управления на каж дом элементе.

В пятой главе представлены теоретические и практические ме тоды разработки подсистем "информационное обеспечение" "информационное отображение" в автоматизированных системах уп равления движением на автомобильных дорогах.

Автоматизированные системы управления движением на автомо бильных дорогах состоят из трех основных подсистем: 1. Подсис тема сбора и обработки информации о состоянии систем "дорожные условия — транспортные потоки" (подсистема обеспече ния АСУД) . 2. Подсистема принятия решения о методе управлени движением (подсистема математического обеспечения АСУД). 3 Подсистема передачи и представления принятого решения по упра влению для участников движения (подсистема информационног отображения АСУД).

Разработанная стратегия управления движением базируется н информации об условиях движения, усредненной за определенны* интервалы, обусловливающие репрезентативность выборок. Но гла вной задачей является необходимость определения величины реа льного масштаба времени как критерия возможности управлени транспортным потоком. При этом, с одной стороны, величина это го масштаба времени должна быть такой, чтобы не вызвать у уча стников движения иллюзии неисправности аппаратуры отображени: информации. А с другой стороны, масштаб времени должен быт: достаточным для сбора исходных данных об условиях движения необходимых для выработки правильных управляющих воздействий Таким образом, для решения поставленной задачи ограничивающи условием является второе.

Одновременно с этим, при управлении движением в реальном масштабе времени возникает задача своевременности управляющего воздействия с тем, чтобы обеспечить эффективную работу АСУД. При этом необходимо рассмотреть два случая сочетаний сбора информации и управляющего воздействия.

Случай 1. Информацию о характеристиках транспортных потоков и погодно-климатических условиях получаем в ссчении 1-1 (см. рис.).

J и_I и_

1

TT

Необходимо решить задачу о том, можно ли, получив информацию в сечении I-I, управлять транспортным потоком в этом же сечении, но через период оперативного управления с учетом реальности масштаба времени?

Случай 2. Если невозможно управлять движением при условии, представленном в случае 1, необходимо решить задачу: на каком расстоянии от сечения I-I управление транспортным потоком будет адекватным полученной информации в сечении 1-1?

Случай 3. При наличии нескольких сечений, в которых осуществляется сбор информации о характеристиках транспортных потоков и погодно-климатических условиях (сечения I-I и II-II) , решить задачу: какое расстояние должно быть между сечениями цри наличии случая 1 и случая 2 и их сочетании?

Кроме того, для разработки алгоритмов усреднения информации в пункте управления движением необходимо определить минимально необходимый объем первичной информации, получаемый от периферийных контрольных пунктов, а также периодичность ее обновления в цетре управления. Это позволит определить необходимый объем памяти технических средств АСУД и требуемое быстродействие.

Примем, что транспортный поток на подходе к сечению дороги, в котором осуществляется сбор информации о характеристиках транспортных потоков, подчиняется цуассоновскому закону распределения моментов прибытия транспортных средств:

п\

где п — число транспортных средств, прибывающих в сечение

1-1 за время т0; Рп — вероятность выполнения этого условия; X ■

интенсивность движения.

Для пуассоновского закона распределения характерным являет

ся равенство среднего числа транспортных средств (ц) за едини

2

цу времени и дисперсии интенсивности движения (ст^ ) цри доста-

2

точно цродолжительных выборках, т.е. ¡1 — Ох, тогд.

Поскольку оценкой интенсивности движения является в данно! случае величина ц, то погрешность оцределения А. по ц. может бьгп охарактеризована отношением

1

или

1

--— --— I -

ц Лта л]Лт0 Ят0

откуда может быть определено время выборки т0, равное времени выборки р., обеспечивающее задание значения отношение (ОХ/Ц) =

1

г — 0 Я

V м.

Тогда минимальный объем выборки, по которой можно судить с характеристиках транспортных потоков, может быть ограничен следующими значениями jj^: при [cçj = 10% = 100; при [cjj = = 15% = 45,- при [ах] = 20% R„in = 25.

Теоретическое обоснование подобного подхода к задачам оценки изменяющихся во времени характеристик транспортного потоке получено на основе црименения спектрально-корреляционной теории случайных процессов.

Специфика АСУД заключается в том, что на разных уровнях иерархии системы используется информация как о мгновенных скоростях движения ТС, так и о текущей средней скорости движения ТП, поэтому оценке этих параметров уделено основное внимание. Выражение, связывающее период съема информации с дисперсией погрешности оценки состояния v(t) по значению црогнозиругацей функции имеет вид

гДе Po\âj',T0 J определится при подстановке X = v

После несложных преобразований получаем выражение текущего интервала временной дискретизации v(t):

г„ = — In X

2D„

2 Dv-[o*]_

При определении текущего интервала временной дискретизации скорости движения во втором (верхнем) уровне 2-х уровневой системы управления необходимо в качестве /7„|Д;;го I в выражении

V

использовать /?„(Я,; V,; г) либо р а (Л1; г) в зависимости от

V 171

алгоритма обработки поступающей информации. В частности, при контроле ^(Ь) выражение для то1 примет вид

2 /)„.

2Л,

-Jn

2Z)V, -[aj]

Аналогично получена пространственная дискретизация сбора информации о параметрах транспортного потока.

К аппаратуре сбора информации относится аппаратура, собирающая данные с участка или дороги в целом об основных характеристиках транспортного потока и погодных условиях. К аппаратуре отображения относится аппаратура, которая дает необходимую информацию водителям для принятия правильного решения о маршруте и режиме движения по магистрали.

Для осуществления управления движением на автомобильной дороге последняя расчленяется на типовые элементы управления, из которых можно вьщелить две группы: основные и второстепенные элементы управления. К первой группе относятся пересечения и примыкания в разных уровнях; крупные пересечения и примыкания в одном уровне; перегоны между крупными пересечениями, на которых возможно регулирование скоростей движения; перегоны в" населенных пунктах, на которых возможно регулирование скоростей и объемов движения. Вторая группа содержит элементы, входящие полностью или частично в пределы основных типовых элементов, и состоит из перекрестков, на которых возможен въезд или

съезд ; пересечений с железной дорогой в одног-

уровне; стоянок транспорта; мест отдыха и видовых площадок, не которых возможно управление въездом и выездом автомобилей; мест интенсивного пешеходного движения.

Такое разделение возможно в силу функциональных особенностей этих элементов, т.е. первые позволяют осуществлять стратегию управления в целом, а вторые работают в зависимости от условий работы основных элементов. Типизация элементов управления движением и приведенная классификация позволяют осуществлять автоматизацию проектирования подсистемы сбора информации об условиях движения, а также автоматизацию проектирования подсистемы отображения информации на дороге, т.е. управляющих воздействий.

Таким образом, вся автомобильная дорога представляется в виде набора основных типовых элементов, следующих один за другим в определенном порядке, на которые налагаются второстепенные типовые элементы, входящие в границы первых на основе потребности в них в тех или иных местах дороги (рис. 3).

Условные обозначения к -рис. 3 -.

— датчики интенсивности движения; ^ — локальная система управления; ^ — многопозиционное табло; П — датчик состава движения; — датчик скорости движения; ^ — знак ограниче-

ния скорости движения; Д — знак рекомендуемой скорости движения.

Однако транспортный поток, движущийся по дороге, в.качестве объекта управления несет в себе еще и такую дополнительную информацию, как превышение установленного ограничения скорости движения, возникновение дорожно-транспортных происшествий, уровень шума и загазованности воздушного бассейна. В этих местах производится дополнительная установка средств сбора информации и средств отображения управляющих воздействий.

Основными критериями определения типа и емкости канала связи между периферийным оборудованием и центром управления, а также размеров счетных устройств в центре управления является объем информации, которая передается, и время, за которое информация должна быть передана и обработана в центре. При этом возникают некоторые специфические особенности определения информации как по показателям, так и по объему. В связи с тем,

I—

]0\) ---\оч

Рио.! 3 Получение целостного объема управления

о_оа о

о

что речь идет об информации, которая получается с объекта управления и подлежит передаче, будем оперировать понятием энтропии, учитывая, что информация, получаемая с дороги, равна энтропии. Предложены зависимости для определения объема э1ггро-пии за один замер и в единицу времени по отдельным видам информации, к которым принадлежит энтропия: интенсивности движения, скорости движения, состава движения, интенсивности движения на пересечениях и примыканиях, контроля скорости, выявления ДТП, шума, недостаточной видимости, гололедицы, загазованности, исправности технических средств управления, управляющих воздействий. Разработана программа машинной реализапии проектирования расстановки аппаратуры сбора информации и отображения управляющих воздействий, в результате работы которой выявляется пикетажные положения всех параметров элементов управления, датчиков, аппаратуры отображения информации, локальных систем, а также их количество по видам и объемам энтропии информации. Все это позволяет формулировать техническое задание на периферийное оборудование и аппаратуру системы управления базой данных АСУД.

Подсистемы информационного обеспечения состоят из информационной базы и системы управления базой данных (СУБД). База данных как информационная система, содержиг фонд данных (БД, описание данных, словари, прикладные программы), управляемый СУБД.

Непрерывное увеличение объемов информации, территориальная разобщенность объектов управления, высокая степень централизации принятия решений на верхнем уровне управления требуют создания автоматизированных систем сбора, хранения и переработки информации. Поэтому в АСУ дорожным движением ведущее место отведено автоматизированному банку данных, выполняющему функции накопления, хранения, обновления и поиска информации, необходимой для решения задач справочного обслуживания аппарата управления, прогнозирования показателей эксплуатационной работы, реализации оперативного анализа и регулирования. При этом к нему предъявляются следующие требования: — полнота отображения, т.е. в базе данных должна храниться широкая номенклатура показателей, необходимая для реализации управления дорожным движением; — актуальность и динамическая непрерывность хранимых данных, т.е. непрерывное поступление необходимой новейшей

информации и хранение сопоставимых показателей за прошлые периоды; — независимость данных, когда изменения в их описании не требуют обязательного изменения программ, использующих эти данные; — гибкость, обеспечивающая наращивание базы данных по любому перечню показателей без изменения его структуры и нарушения режимов функционирования.

Первичные данные служат источником информации о состоянии системы ДУ — ТП. При оценке качества данных, информации и самой информационной системы ДУ — ТП необходимо учитывать следующие понятия: — понятие верности, что означает верность отражения в информации процессов, явлений и т.д., а также соответствие (одинаковость) данных в моменты их составления и использования; — понятие полноты — информация считается полной, если на ее основе можно принять правильное решение; — понятие ценности — мерилом ценности информации может быть только эффект от ее использования; — понятие своевременности — любая информация должна быть своевременной, чтобы оказать определенное воздействие на принимаемое решение. При оперативном управлении движением требование своевременности информации становится все более жестким и приобретает максимальную остроту, когда система начинает работать в реальном режиме.

В шестой главе рассмотрены структура и критерии управления дорожным движением на различных уровнях.

Управление дорожным движением предполагает автоматизированный сбор информации о состоянии характеристик транспортных потоков и погодных условий, передачу ее диспетчеру, принятие решения по организации движения, передачу решения диспетчера к автоматизированным средствам отображения информации и реализация их. Информация о характеристиках транспортного потока должна передаваться на диспетчерский пункт в двух видах: а) осреднения за 5 минут для выявления критических ситуаций и оперативного управления; б) осредненная за 15 минут — для тактического управления и регистрации. В связи с этим необходимы разработка и создание устройств для осреднения и хранения информации соответственно за 5 и 15 минут.

Управление движением на магистрали должно осуществляться следующими воздействиями: а) управления транспортным потоком путем ограничения скорости движения; б) управления транспортными потоками с указанием рекомендуемой скорости движения на

этих участках магистрали; в) управления транспортным потоком^ помощью многопозиционных знаков направления движения,- г) све тофорного управления перекрестками с большой нагрузкой; д светофорного управления въездом на магистраль; е) управлеш транспортным потоком с помощью информационных табло.

Контрольный пункт (КП) представляет собой комплекс алпарг туры по сбору информации о характеристиках движения транспорт ного потока и погодных условий, а также аппаратуры по уцравле нию средствами отображения информации на дороге. Места измене ния характеристик транспортного потока определяют и места уг. равпения ими.

Исходя из вышесказанного, следует, что данные о состоянк системы ДУ — ТП достаточно определять на перегонах однороднь участков (исключая влияние на них пересечений, примыканий прочих типовых мест изменения характеристик подсистемы ТП) , управление транспортным потоком (т.е. выдачу управляющих воз действий на транспортный поток) необходимо проводить в начал таких участков с контролем принятого решения в середине и ков це его. Таково достаточное условие размещения контрольных пун ктов.

Если дорожные условия являются фиксированными в течение до статочно длительного промежутка времени и не требуют статисти ческого обобщения, то движение транспортных потоков есть цро цесс вероятностный и для выявления закономерностей его движе ния на конкретной дороге требуются объемные статистические на блюдения и обобщения. Для выявления мест изменения траектори движения транспортного потока, его состава и обоснования необ ходимости управления движением на пересечениях и примыканиях одном уровне, необходимо провести исследование изменения инте нсивности движения и состава транспортного потока в вышепере численных типовых местах. Согласно принципам расстановки конт рольных пунктов характеристики подсистемы "транспортные пото ки" должны быть получены в экстремальных ситуациях — т.е. пр: максимальных интенсивностях движения.

Управление дорожным движением дает возможность повысить эф фективность использования существующих дорожных условий з. счет незначительных дополнительных капиталовложений. Априори можно утверждать, что дорожные условия эффективно исполъзуютс; до тех пор, пока они соответствуют требованиям транспортньг

ютоков. Анализируя существующие подходы к определению показателя, характеризующего соответствие дорожных условий требова-мо транспортных потоков, можно прийти к выводу, что искомый юказатель должен быть представлен как функция трех взаимозависимых переменных: ежегодной работы транспортного потока, ежегодных дорожных и транспортных затрат:

пс = ттп, а а)

С ростом интенсивности движения (что характеризует требования транспортного потока) вышеуказанные составляющие показате-1Я соответствия (ПС) характеризуются ростом своих значений. )днако различный вид графиков изменения ежегодных транспортных I дорожно-эксплуатационных затрат с ростом интенсивности [вижения и выполненной работы транспортного потока может быть >пределена как:

f(wTIIo +А1УТП)-/(1УТП0)

1С - lim —----- — Стр. +Ся„л ,

AWTII П' 3°Р

де СГР. — ежегодная транспортная составляющая себестоимости [еревозок,- Сдср — ежегодная дорожная составляющая себестоимости :еревозок. А граница периода соответствия определяется дости-ением минимального значения ПС.

Момент ввода в эксплуатацию самого низшего по иерархии уровня управления дорожным движением определяется из технико-кономического расчета окупаемости затрат на его устройство и ксплуатацию:

<fn0( 1+fi 'f С to (1+ £)' to(l + E)'

де П0 — снижение транспортных потерь в исходном году за счет-

ведения самого низшего по иерархии уровня управления; р — ко-ффициент ежегодного прироста интенсивности движения; Е — нор-

ативный коэффициент экономической эффективности; Тн — срок

купаемости капиталовложений; 3 — затраты на создание системы

управления дорожным движением; С — ежегодные затраты на эка луатацию системы управления.

Следующий по иерархии уровень управления дорожным движени« следует вводить в эксплуатацию после наступления границы nepi ода соответствия предшествующего уровня управления.

В седьмой главе представлены теоретические основы и практ! ческие методы разработки подсистемы математического обеспеч« ния в автоматизированных системах уцравления движением на ai томобильных дорогах.

Требования к системам управления дорожным движением в отнс шении пропускной способности, экономичности, надежности и coi местимости, как и к любой системе управления, довольно высою Однако, в отличие от других систем, системы управления дороа ным движением имеют свои особые проблемы, в том числе следуя щие. Во-первых, дорожные системы исключительно сложны. Вс вторых, автомобили движутся без установленных графиков или ме ршрутов, а водители имеют самые разнообразные характеры и нг выки. Эти особенности автомобильного транспорта налагают се рьезные ограничения на применяемый метод управления. Например неупорядоченное во времени движения огромного количества авте мобилей по самым разнообразным маршрутам в исключительно слоя ной дорожной системе делает почти невозможным оптимальное рас пределение транспортных потоков.

Для принятия решений по управлению транспортным потоком не обходимо знать в каждый момент временной дискретизации величр ну пропускной способности дороги. Оценивая величину процускнс способности, мы характеризуем одно из предельных состояний су сгемы "дорожные условия — транспортные потоки". На величин лроцускной способности оказывает влияние большое количеств факторов. Все эти факторы могут быть объединены в следующк группы: факторы, связанные с дорожными условиями (ДУ), харак теристики транспортного потока (ТП), факторы, связанные с пс годными условиями (ПУ) , факторы, связанные с психофизиологие водителя (ПФВ), факторы, связанные с техническим состояние автомобиля (ТС), фактор времени (В), уровень квалификации вс дителя (УКВ), уровень безопасности движения (УВД), социальнь: факторы (СФ).

В каждом конкретном случае величина пропускной способност будет определяться сочетанием этих факторов. Величина пропуск

ной способности не остается постоянной ни по длине дороги, ни во времени. Сочетание этих факторов носит случайный характер. Таким образом, говоря о величине пропускной способности, необходимо комплексно оценивать состояние системы "дорожные условия — транспортные потоки" и рассматривать пропускную способность как вероятностную пространственно-временную характеристику. Взаимодействие характеристик системы "ДУ — ТП" в конечном итоге сводится к их влиянию на состояние транспортного потока , которое в значительной степени определяется поведением водителя. Выходным параметром этого взаимодействия является распределение временных интервалов между автомобилями в транспортном потоке.

Так как временной интервал между автомобилями представляет собой непрерывную случайную величину, то для задания закона ее распределения достаточно задать плотность распределения ее вероятностей :

^(х,х0,сгг) =

О ,п ри х< 0;

..г

1

I 2 ,при х> 0

Логарифмически нормальное распределение определяется параметрами х, и ог. Для оценки влияния интенсивности движения на внутреннюю структуру транспортного потока предлагается использовать коэффициент изменения внутреннего состояния транспортного потока:

а

щ

^пкк11 ^1110(12

где с^, сгм, — средние квадратические отклонения при различных значениях интенсивности движения; — модальные значе-

ния интервалов при тех же интенсивностях.

На распределение минимальных временных интервалов будет гакже оказывать влияние сочетание типов автомобилей. Интервал цо впереди идущего автомобиля будет зависеть от типов автомо-_ 5илей, образующих пару.

Тогда величина пропускной способности определится следующим зыражением:

32

л_3600_ 3600-у0

>шп ¿0 + 1

где t — средний минимальный интервал следования; У0 — средш скорость движения, соответствующая пропускной способности; < — средняя дистанция между автомобилями при У0; 1 — средга длина автомобиля в потоке. Величина максимальной интенсивное ти, соответствующая конкретной величине средней скорости тра! спортного потока, с учетом величины среднего временного инте^ вала между автомобилями определится следующим образом:

/г

N _ 3600

3600vo In

b+l

[d=f(Vj;<p)] + l

где t — средний интервал следования; d — средняя длина дистг нции между автомобилями; <р — коэффициент сцепления; b — сред няя дистанция цри заторе.

При организации движения по магистрали возникает необходимость распределения движения по параллельным маршрутам. Та кг ситуация возникает тогда, когда магистраль по своей пропускнс способности не обеспечивает пропуск всего автотранспорта г данному маршруту. Для правильного распределения движения необ ходимо обоснованное решение, по какому маршруту направлят движение для оптимизации потерь автотранспорта. Это распредае ление должно производиться с учетом состояния системы "ДУ ТП" на параллельных маршрутах и подъездах к ним.

Учитывая вышесказанное, можно сделать следующие выводы: 1 Распределение транспортных потоков по параллельным маршруте необходимо проводить цри достижении интенсивности движения хс тя бы по одном/ из маршрутов величины: Njf = min, 2. Границе существования распределения транспортных потоков по параллель ным маршрутам, как метода управления дорожно-уличным движенр:

ем, является достижение интенсивности движения на всех парах

*

лельных маршрутах величин N:j = min. 3. Область загрузки движе

ж *

нием параллельных маршрутов от N^ = min до Ыц = тт определяв

уже неэкономичное функционирование исследуемой дорожно-уличне

*

сети. Дальнейшая эксплуатация маршрутов при N>N^ — mm возмоя на только при условии увеличения дорожных условий на маршру

"ах, в противном случае народное хозяйство несет физические ютери в грузах.

Стратегия управления движением на автомобильной дороге пос-роена на принципе "критическая ситуация — решение". Под критической ситуацией" следует понимать сложившиеся условия (вижения (как на самой дороге, так и на параллельных маршру-'ах) , резко отличающихся от ординарных, требующие изменения >тих условий в соответствии с критериями оптимальности: налиме интенсивности, близкой к процускной способности, наличие гедостаточной видимости на дороге, наличие влажного покрытия, [аличие гололедицы на дороге, наличие дорожно-транспортного роислгествия, проведение дорожно-ремонтных работ, необходи-юсть процуска специальных автомобилей и колонн, нарушение коростных режимов на участках контроля скорости движения, ударная волна", превышение уровня загазованности воздушного ассейна, превышение уровня шума в населенных пунктах, наличие , системе неисправной аппаратуры. Наличие на автомобильной до-оге каждой из "критической ситуации" фиксируется либо с поморю технических ср>едств сбора и передачи информации о дорожном вижении, либо с помощью специальных сообщений в центр управ-ения, а также фиксируется системой контроля исправности апла-атуры. В каждом конкретном случае возникновения "критической итуации" в подсистеме математического обеспечения принимается ешение, которое реализуется путем подачи команд на средства тображения управляющих воздействий на дороге. При этом необ-одимо ввести приоритет в решение той или иной "критической итуации" при одновременном возникновении нескольких. Поэтому се "критические ситуации" разделены, прежде всего, по груп-ам: I группа — ограничивающие скорость движения на магистра-и, II группа — ограничивающие поступление автомобилей на ма-истрали, III группа — непосредственно не влияющие на транспо-гный поток. В каждой группе также вводится приоритет решения адачи управления: 1. I группа: - наличие гололедицы, - возни-новение дорожно-транспортного происшествия, - наличие недос-аточной видимости, - наличие влажного покрытия, - дорожно--эмонтные работы, - нарушение скоростных режимов на участках онтроля. 2. II группа: - пропуск специальных автомобилей и элонн, - наличие интенсивности движения близкой к пропускной лособности, - превышение уровня загазованности воздушного ба-

ссейна, - превышение уровня шума в населенном пункте. 3. I группа: - наличие неисправной аппаратуры, - наличие дорожн транспортного происшествия в случае, когда пропускная спосо ность магистрали не ограничивается. При отсутств: "критических ситуаций" транспортный поток не остается без у равления, т.к. в соответствии с характеристиками систа "дорожные условия — транспортные потоки" осуществляется рек мендация оптимальной величины скорости движения на всех элем нтах управления. Для разработки стратегии управления транспо] тными потоками необходимо выбрать методики определения велич; ны управляющих воздействий на транспортный поток, а соответс венно и критические величины характеристик погодных услови транспортных потоков и т.д. Для этого следует: определить описать зависимости управляющего воздействия для ликвидат? критической ситуации в конкретных условиях движения; опред лить необходимые исходные данные по каждому контрольному пун ту (КП) для принятия решения по разработке величины уцравля] щего воздействия; рассчитать критические величины характера тик по каждой ситуации и для каждого КП; рассчитать улравля] щие воздействия по каждой "критической ситуации" и каждому КП Автоматизированные системы управления движением на автом< бильных дорогах могут соединяться в общую систему, т.е. сист< му, позволяющую управлять движением на узле этих дорог в ц< лом. Основные задачи, выполняемые системой АСУ движением I узле: а) регулирование движение по узлу главных дорог по пр] нятому критерию; б) информация водителей о состоянии покрыти! в погодных условиях, о скоростных режимах; в) информация вод телей о маршрутах движения. Выполнение этих задач дает возмо; ность: а) организовать движение на основных дорогах узла; ( регулировать въезд и выезд на основные дороги; в) регулировав скоростные режимы как на отдельных дорогах, так и на узле целом; г) сократить время проезда автомобилей через узел; ) разделять движение по узлу с целью обеспечения максимальн< пропускной способности узла. Система управления движением ] автомобильных магистралях узла представляет собой двухуровн! вую систему управления с подразделением по централизации упр; вления. 1-й уровень управления представляет собой координир! ванное управление движением на участках между контрольными гг нктами по автомобильной магистрали. 2-й уровень управлеы

представляет собой централизованное управление по сети магистралей и маршрутов.

Изложенный принцип позволил сформулировать перечень критических ситуаций и задач, по которым главный диспетчер принимает решения: недостаточная метеорологическая видимость (по метеорологическому прогнозу); возможность возникновения гололедицу (по метеорологическому прогнозу); длительная перегрузка движением (более 30 минут) отдельных участков магистрали; экстренное ограничение скорости по всей сети дорог узла (или на отдельных магистралях) по указанию ГАИ и вышестоящих органов; пропуск специальных автомобилей и колонн автомобилей; возникновение дорожно-транспортного происшествия, перекрывающего часть или всю ширину проезжей части; проведение дорожно-ремонтных работ, перекрывающих часть или всю ширину проезжей части; наличие в системе неисправной аппаратуры. Отдельные задачи, непосредственно не связанные с управлением движением: глобальные вопросы содержания управляемых магистралей

узла; формирование и анализ служебной информации по узлу управляемых магистралей.

ВЫВОДЫ

1. В результате выполнения диссертационной работы, на основе системного подхода к большим системам, разработана методо-ггогия проектирования автоматизированных систем управления движением на автомобильных дорогах в различных условиях их эксплуатации. Применение разработанных принципов создания АСУД в условиях Украины на подходах к крупным и крупнейшим городам позволяет снизить число дорожно-транспортных происшествий на 30 % и повысить скорости движения на 20 %.

2. Доказано, что система "дорожные условия — транспортные лотоки" является основой создания автоматизированных систем управления движением на автомобильных дорогах. При этом эффек-гивное взаимодействие подсистем "дорожные условия" и "транспортные потоки" поддерживается методами организации до-, рожного движения, т.е. малыми капиталовложениями.

3. Разработано, исследовано и представлено информационное обеспечение автоматизированного управления движения с использованием методов теории информации. В основе информационного

обеспечения лежат требования транспортных потоков в виде хар ктеристик уровня безопасности, экономичности и удобства пер возок к условиям движения на автомобильных дорогах.

4. Впервые выполнено описание автоматизированного управл ния движением в виде иерархической структуры элементов и взаимосвязей, что позволило рассматривать управление движени как систему взаимосвязанных элементов, а также ее формализац в различных условиях эксплуатации. Предложено рассматрива три уровня управления движением на автомобильных дорогах: л кальное, координированное и централизованное, которые позвол ют осуществлять управление как в критических ситуациях, так в ординарных условиях движения. Впервые проведено структурир вание автоматизированного управления на различных уровнях доказана многокритериальность выбора управляющих воздейств] на транспортный поток как основа реального процесса автомап зированного управления. Впервые на основе спектральн< корреляционной теории транспортного потока выполнена простра: ственно-временная дискретизация характеристик подсисте! "транспортные потоки" для сбора информации о состоянии нелин< йных пространственно-временных процессов на автомобильной д< роге по ее длине и во времени с обоснованием отнесения эт< информации к сечению, в котором осуществляется управл енз движением.

5. Дано математическое формализованное понятие процесса у1 равления движением в различных дорожных условиях формирован! требований транспортных потоков с разработкой классификагр типовых элементов управления движением на автомобильной доро] как основы культимодального построения автоматизированного уг равления движением. На основе теории транспортных потоков впе рвые предложена стратегия и критерии управления движением г различных уровнях, на различных типовых элементах управление в различных "критических ситуациях", а также в ординарнь условиях существования автоматизированных систем управлега движением на автомобильных дорогах.

6. Впервые разработаны принципы автоматизированного упрш ления движением на узле автомобильных дорог крупных и крупне£ ших городов как иерархической структуры элементов управлею на всех дорогах узла. Обосновано пространственное и временнс информационное обеспечение для автоматизированной системы ут

равления движением на узле автомобильных дорог, взаимосвязь /правления на узле с централизованным управлением на отдельных автомобильных дорогах, а также стратегия и критерии управления з различных "критических ситуациях" по переброске движения с эдного направления на другое.

7. Разработаны методики, алгоритмы и программы на ЭВМ для юделирования, построения и оптимизации структуры автоматизи-хэванного управления движением, а также стратегии управления в зазличиых "критических ситуациях" на различных уровнях управ-1ения, а также создан человеко-машинный программный комплекс с /четом условий эксплуатации и возможности проверки по целои^у зяду ограничений в оперативном режиме управления, разработано шформационное обеспечение автоматизированной системы управления движением на автомобильной дороге в виде информационно-юисковой системы для оценки условий движения и выработки управляющих воздействий в подсистеме "математического обеспече-!ия" АСУД.

8. Результаты диссертационного исследования дают основу для 1альнейшего повышения эффективности функционирования системы 'дорожные услЪвия — транспортные потоки", развития теории тра-гспортных потоков в транспортных системах, совершенствовании технологии обеспечения безопасности, экономичности и удобства геревозок и управления этими перевозками на автомобильных до-югах узлов крупных и крупнейших городов.

Основные положения и результаты диссертационной работы приставлены в следующих публикациях:

1. Полишук В.П. Оценка потерь времени в зоне влияния развя-,ок автомобильных дорог // Автомоб. дороги и дор. стр-во. — :., Будувельник, 1969. - Вып. 5. - С. 48 - 50.

2. Хомяк Я.В., Полишук В.П. и др. Закономерности движения ранспоргных потоков и их использование в целях усовершенство-;ания дорожных условий. Тезисы всесоюзной конференции. — Моск-:а, МАДИ, 1972. - С. 61 - 62.

3. Оценка и прогноз состояния системы "дорожные условия —_ ранспортные потоки" // Автомоб. дороги и дор. стр-во. — К., Удувельник. - Вып. 11. - С. 137 - 143.

4. Хомяк Я.В., Полишук В.П. Оценка дорожных условий по ава-ийности в системе "дорожные условия — транспортные потоки" //

Автомоб. дороги и дор. стр-во. — К., Буд1вельник. — Вып. 13. С. 85-87.

5. Полишук В.П., Хомяк Я.В. Исследование и оптимизация а темы "дорожные условия — транспортные потоки". — Т. 1, 2 НТО, КАДИ, й г.р. 74055967. Инв. № В348189. - К. - 141 е., ; с.

6. Полишук В.П. К воцросу исследования оптимизации систе "дорожные условия — транспортные потоки" (на словацком язьш // Сильнични обзор. ЧССР. - 1974. - № 9. - С. 272 - 274.

7. Полищук В.П. Схема оптимизации системы "дорожные услоЕ

— транспортные потоки". Тезисы VI республиканской конференщ-

- Вильнюс, 1975. - С. 61-63.

8. Полищук В.П. , Тищенко-Тишковец Л.К., Вабко Л.И. Инфор]у ционное обеспечение управления системой "дорожные условия транспортные потоки" // Автомоб. дороги и дор. стр-во. — К ^пДвельник. — Вып. 21. — С. 20 — 28.

9. Полищук В.П. К вопросу оценки условий движения на авт мобильных магистралях // Автомоб. дороги и дор. стр-во. — К Буд1вельник. - Вып. 21. - С. 22 - 24.

10. Полищук В.П. Принципы разработки АСУ движением на авт мобильных дорогах. Тезисы всесоюзной конференции. — Кие 1978. - С. 86 00 88.

11. Полищук В.П., Пальчик А.Н. Обоснование необходимое параллельных маршрутов по направлению автомагистралей для ра работки АСУ движением. Тезисы всесоюзной конференции. — Кие 1978. - С. 89 -90.

12. Полищук В.П. Метод определения вида и объема информац для автоматизированной системы управления движением // Авт моб. дороги и дор. стр-во. — К., Вуд1вельник. — Вып. 25. — 85-87.

13. Полищук В.П., Хомяк Я.В. Разработка автоматизировали систем управления движением на автомобильных дорогах. Матери лы II научно-техн. конференции СЭВ, Карловы Вары (ЧССР) М СССР. -М., 1980. - С. 372 - 380.

14. Полищук В.П., Гуков Н.И. Особенности проектирован АСУД на автомобильных дорогах. Тезисы республиканской конфер нции. - Киев, 1981. - С. 6-7.

15. Полишук В.П., Ярославцев А.С. Пространственно-временн исследование транспортных потоков // Автомоб. дороги и до]

гр-во. - К., Будгвельник. - Вып. 29. - С. 11 - 16.

16. Полишук В.П., Гухов Н.VI. Управление дорожным движением а различных уровнях его развития. Тезисы всесоюзной конферен-■т. - Москва, 1981. - С. 2.

17. Полишук В.П., Гуков Н.И. Стратегия управления дорожным зижением при диспетчерском управлении. Тезисы IV всесоюзной энференции, Ташкент. — С. 158 - 159.

18. Полишук В.П. Решение вопросов обеспечения безопасности эрожного движения при диспетчерском управлении. Тезисы всесо-шой конференции, Тбилиси, 1982. — С. 93—94.

19. Полищук В.П. Информационное обеспечение автоматизирова-зых систем управления движением на автомобильных дорогах // зтомоб. дороги и дор. стр-во. — К., Буд1вельник, 1983. — Вып. >. - С. 82 - 84.

20. Полишук В.П., Богаченко В.Н. Моделирование на ЭВМ тран-юртных потоков на съездах развязок автомобильных дорог / / зтодорожник Украины. — 1983. — И 2. — С. 45 — 47.

21. Четверухин Б.М., Полищук В.П., Ересов В.И. Оценка и хэгаозирование состояния транспортного потока для автоматизи->ванного управления движением // В сб.: Совершенствование ме->дов проектирования, строительства и эксплуатации автомоб. >рог. - Краснодар, 1985. - С. 68 - 76.

22. Полишук В.П. Проектирование автоматизированных систем ¡равления движением на автомобильных дорогах. Учебное посо-ie. - К.: КАДИ, МПП Минвуза УССР, 1985. - 94 с.

23. Четверухин Б.М. , Полишук В.П.. Ересов В.И. Оценка по->елшости ступенчатого восстановления скачкообразных, процессов > дискретным отсчетам. — М., Метрология. — 1983. — К 10. — С. - 10.

24. Полищук В.П., Новикова Т.Н. Автоматизация цроектирова-гя подсистемы сбора им отображения информации для автоматизи-©агаюго управления на дорогах // Автомоб. дороги и дор. стр- К., Вуд1вельник, 1984. - Вып. 34. - С. 83 - 87.

25. Полишук В.П., Озол А.О. Структура автоматического сбора формации о дорожном движении // Автомоб. дороги и дор. стр-^. ). - К., Будавельник, 1984. - С. 99 - 104.

26. Полищук В.П., Четверухин Б.М. Информационный листок: ,томатизированная система управления движением на автомобиль-к дорогах // Госплан УССР УНИИ НТИ и НЭИ. - К., 1986. - б с.

27. Полишук В.П. Формирование базы данных для автоматизир ванного управления движением // Автомоб. дороги и дор. стр-в - К., Еуд1вельник, 1987. - С. 68 - 70.

28. Полишук В. П. Автоматизированное управление дорожн движением на узле автомобильных дорог // Автомоб. дороги дор. стр-во. — К., Будавельник, 1987. — С. 92 — 96.

29. Хомяк Я.В., Полишук В.П. и др. Автоматизация проектир вания автомобильных дорог. Учебное пособие. — К. : Вища школ 1987. - 192 с.

30. Полишук В.П. Проектирование автоматизированных сист< управления движением на автомобильных дорогах. Учебное пос< бие. - К.: УМК ВО, 1990. - 54 с.

31. Полишук В.П., Красильников О-В. Учет вероятностного х, рактера процускной способности цри использовании АСУД на дор< гах высших категорий // Дел. в УкрНШНТИ, 24.09.90, № 1674 Ук 90. - К. - 9 с.

32. Полишук В.П., Кунда Н.Т. Движение транспортного пото: в условиях образования ударной волны // Деп. в ГНТБ Украиз 31.08.93, К 1807 - Ук 93. - К. - 10 с.

33. Полищук В.П., Красильникова О.В., Янишевский C.B. Рев( рсивное движение в условиях функционирования автоматизирова! ной системы управления движением на магистралях // Автошляхе вик Укра1ни. - 1994. - № 3. - С. 24 - 27.

34. Полишук В.П., Кунда Н.Т. Оценка уровня безопасное: движения плотного транспортного потока с учетом режима движ« ния и психо-физиологических качеств водителя // Весты ХГАДТУ. - Харьков, 1995. - Вып. 2. - С. 45 - 48.

Анотад1я

Пол±щук В.П. Автаматтазоване керування рухсм на автемоблл! них дорогах.

Дисертащя у вигляд1 рукопису на здобуття наукового ступе! доктора технгчних наук по спец1альност1 05.22.01 — Транспорт! системи.

Укра1нський транспортний утверситет, Кихв, 1996 р.

Захищаеться теоретичне узагальнення наукових положень г. комплекс црактичних методов проектування автоматизованих сис тем керування рухом на автомобз.льних дорогах. Розроблено, дос

11джено та представлено л.нформац:1йне забезпечення автоматизо-заного керування, його структурування на р1зних р1внях керува-шя i доказана багатокритераальнасть вибору керуючого впливу га транспортний поток. Виконана математична формал1зац1я керування рухом на автомобхльних дорогах та вузл1 дор1г великих ¿ст, запропоновано математичне забезпечення стратегаi керува-ия в рхзних "критичних ситуавд-ях", на р1зних р1внях керуван-!я, для типових елемент1в керування.

Ключов1 слова: автоматизована система керування рухом, ав-'омоб^льна дорога, вузол автомоб1ЛЬних доргг, система "дорожн1 "мови — транспорта! потоки", орган1зац1я дорожнього руху, без-[ека руху.

Abstract

Vladimir P.Polishchuk, Ph.D.C.E. Autariized control of trafic flow an automobile roads.

Doctoral Dissertation (Scientific Degree: Doctor of Sci-mces) for the Speciality # 05.22.01 — "Transportation Sys-ems".

Ukrainian Transportation University, Kiev, 1996.

Fundamental theoretical results and a set of practical :ethods for the designing of an automized systems which allow о control the traffic on the automobile roads are presented.

Information support for the process of automized control nd its structuring for various levels of control are devel-ped, studied and presented; the multicriterial principles for he selection of control actions (control input) on the trafic flow are proposed and justified.

Mathematical formalization for the control of the traffic n automobile road and on highways' junction of a major (big) ity is presented; the mathematical support allowing for the ifferent strategies of control to be adopted for various critical situations" (for the various levels of control) is resented.

Key words: Automized Systems for Traffic Control, Highway,-unctions of Highways, "Road Conditions — Traffic Flows" Sys-em, Control and Organization of Road Traffic, Traffic Safety.