Теория городских пассажирских перевозок - Принципы контроля и регулирования движения

Принципы контроля и регулирования движения потоков немаршрутного городского транспорта

Городское движение делят на немаршрутное и маршрутное.
Не маршрутное (свободное) движение — это движение, не ограничиваемое расписаниями и выбором маршрута (индивидуальный транспорт, немаршрутные такси, грузовой транспорт). Полусвободным движением может быть названо движение в системах PRT. Маршрутное движение — это движение, регламентированное расписанием, выбором маршрута и режимом движения на маршруте (ГМПТ).
Принципы и методы регулирования движения немаршрутного и маршрутного ГПТ различны.
Целью регулирования потоков немаршрутного транспорта является обеспечение им условий для безостановочного движения. Для распределения и регулирования движения потоков немаршрутного транспорта в настоящее время используют дорожную разметку, дорожные знаки и различные виды светофорной сигнализации, действие которых при совместном регулировании движения немаршрутных и маршрутных транспортных средств распространяется и на все виды МПТ (автобус, троллейбус, трамвай). Дорожные знаки, разметка проезжей части улиц и дорог, а также дополнительные средства дорожной информации регламентированы ГОСТ 10807—71.
Дорожные знаки разделяются на предупреждающие, запрещающие, предписывающие и указательные.
Предупреждающие дорожные знаки информируют (предупреждают) водителей транспортных средств о приближении к участкам улицы или дороги с повышенной опасностью для движения и о характере предстоящей опасности. Общий признак предупреждения для этих знаков — треугольник с красным окаймлением. В городах и других населенных пунктах предупреждающие знаки устанавливают на расстоянии 50— 100 м до начала опасного участка. Всего таких знаков 25.
Запрещающие дорожные знаки запрещают водителям транспортных средств и пешеходам движение или выполнение определенных действий. Общий признак запрещения для этих знаков — круг с красным окаймлением или красным фоном (кроме знака «проезд без остановки  запрещен», имеющего форму восьмиугольника). Запрещающие знаки устанавливают непосредственно перед участками дорог или местами, на которых введены соответствующие ограничения, либо на расстоянии от них, указанном на табличке. Всего таких знаков (со знаками окончания действия ограничений) 25.
Предписывающие дорожные знаки разрешают движение только в определенных направлениях или только транспортных средств определенного вида. Общий признак предписания для этих знаков — голубой круг. Предписывающие знаки, как и запрещающие, устанавливают непосредственно перед участками дорог или местами, на которые распространено их действие, либо на расстоянии от них, указанном в табличке. Всего предписывающих знаков (вместе со знаком «конец ограничения минимальной скорости») 8.
Указательные дорожные знаки информируют водителя об особенностях дорожной обстановки и расположенных на пути следования объектах, обозначенных на знаках. Общий признак указания для этих знаков — прямоугольник или стрелка с преимущественно голубым фоном и соответствующими знаками или названиями.
Дорожными знаками и разметкой регулируют распределение свободных потоков транспорта по дорожной сети в соответствии с назначением дорожных проездов, их пропускной способностью, характеристиками и видом транспортных средств, в результате чего повышаются однородность транспортного потока и скорость движения транспортных средств, снижается опасность ДТП, повышается пропускная способность транспортных проездов.
Регулирование движения свободных потоков транспорта по уличным проездам осуществляют регулировщики ОРУД или светофорная сигнализация. Назначением регулирования движения являются: повышение скорости и обеспечение безопасности движения транспорта и пешеходов; повышение пропускной способности транспортных проездов и площадей городов; снижение потерь времени, горючего и электроэнергии, излишнего транспортного шума и газообразования, возникающих при скоплениях и задержках транспорта у перекрестков.
Регулирование движения регулировщиками ОРУД на перекрестках и в других конфликтных точках транспортной сети отличается гибкостью, так как регулировщик оценивает транспортную ситуацию на перекрестке и выбирает длительность фаз регулирования в соответствии с фактической потребностью. Однако этот вид регулирования требует большого штата регулировщиков, не выгоден по экономическим соображениям и не обеспечивает координированного управления движением в пределах всего города и районов движения, так как регулировщик не видит транспортной ситуации за пределами своего перекрестка. Поэтому основной вид регулирования движения в настоящее время — светофорное регулирование.
Рабочим органом всякой светофорной сигнализации служит светофор. Применяют точечные или очковые светофоры различных конструкций: одно-, двух- и трехочковые; с вертикальным и горизонтальным расположением фонарей: с подвеской на тросах, с установкой на кронштейнах у стен и столбов, с установкой на колоннах.
Виды светофорной сигнализации отличаются методами управления светофорами. Наиболее простыми системами управления светофорами являются системы ручного управления, простого автоматического жесткого регулирования, координированного жесткого однопрограммного или двух-, трехпрограммного регулирования с постоянными параметрами.
Длительность фаз регулирования при ручном управлении движением задает и меняет регулировщик, который устанавливает ее в зависимости от потребностей движения на регулируемом перекрестке. В своей основе эта система светофорного регулирования ничем не отличается от ручного регулирования движения регулировщиком и характеризуется, следовательно, теми же недостатками. Разница состоит только в том, что регулировщик управляет движением не жестами и положением своего тела, а с использованием технических средств — светофоров, облегчающих его труд.
При простом автоматическом жестком регулировании движения переключение и длительность фаз светофорной сигнализации обеспечиваются простейшей автоматикой без участия регулировщика и определяются заложенной в ней программой. Таких программ может быть одна и несколько (две, три), рассчитанных на разные периоды движения. При этом безостановочное движение транспорта возможно только в случае, когда водители выбирают соответствующую скорость движения на каждом перегоне так, чтобы подойти к перекрестку при горении зеленой фазы светофора. Возможность такого регулирования движения водителями транспортных средств определяется тем, что все светофоры города или района движения при простом автоматическом жестком регулировании загораются и гаснут одновременно. Поэтому водитель, зная расстояние между перекрестками, может оценить требующуюся скорость для прохождения этого расстояния так, чтобы подойти к перекрестку во время горения зеленой фазы светофора.
При координированном жестком регулировании движения на магистралях моменты включения зеленой фазы светофоров на перекрестках сдвигают во времени так, чтобы обеспечить безостановочное продвижение транспорту. Такая система регулирования получила название «зеленой волны». Требующийся сдвиг моментов времени включения зеленой фазы светофоров при зеленой волне определяют по диаграммам l (t), построенным для заданной магистрали ОЕ с перекрестками О, А, В, С, D(рис. 19.2). Рекомендуемая скорость определяет наклон кривой безостановочного движения ОЖ по магистрали. Требующиеся сдвиги между моментами включения зеленой фазы на смежных перекрестках определяются отрезками Δt1, Δt2, Δt3, ... .
Системы жесткого светофорного автоматического регулирования перекрестков максимально просты и дешевы в эксплуатации, но их характеристики значительно хуже характеристик ручного регулирования, так как они не учитывают фактической транспортной ситуации на городских проездах. Поэтому применение таких систем приводит к увеличению потерь времени транспорта на ожидание у перекрестков, росту транспортного шума и загазованности воздушного бассейна городов. Для устранения этого недостатка применяют системы автоматического регулирования, учитывающие транспортную ситуацию, хотя все они несравненно сложнее и дороже систем жесткого автоматического регулирования.
Простейшими из этих систем являются системы индивидуального светофорного автоматического регулирования перекрестков. Предложено множество таких систем, но структура всех их одинакова. Эти системы включают в себя три элемента (рис. 19.3):

1. систему индуктивных, электроконтактных, фотоэлектрических или других датчиков — транспортных детекторов Д, расположенных на подходах к перекрестку и фиксирующих подходящий к нему транспорт;
2. вычислительный блок (логическое устройство) ВБ, накапливающий сигналы датчиков, анализирующий их и задающий в соответствии с результатами этого анализа длительность сигналов светофоров по направлениям движения;
3. исполнительное устройство (светофорный контроллер) К, переключающее сигналы светофоров.

Длительность сигналов светофоров в системах индивидуального автоматического регулирования перекрестков находится в прямой зависимости от величины транспортных потоков, подходящих к перекрестку в пересекающихся направлениях.  

Рис. 19.2
Схема расчета ОД на магистрали по методу, зеленой волны

Поэтому системы автоматического регулирования обеспечивают минимальные задержки транспорта у перекрестков, позволяют максимально повысить их пропускную способность. В принципе системы индивидуального автоматического регулирования аналогичны системам ручного управления движением на перекрестках регулировщиками с той лишь разницей, что функции регулировщика выполняет автоматика. Однако автоматика обеспечивает им несравненно большее быстродействие и исключает ошибки, связанные с индивидуальными особенностями регулировщиков: их квалификацией, физической утомляемостью и т. д. Вместе с тем системы индивидуального автоматического регулирования отличаются тем же недостатком, что и ручное управление: они неспособны учитывать общей транспортной ситуации в регулируемом районе движения и поэтому не могут обеспечить оптимального распределения транспортного потока по всей транспортной сети, что имеет большое значение, когда вся она работает на пределе пропускной способности. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяют разработке систем программно-диспетчерского и телеавтоматического координированного регулирования светофоров в отдельных районах города с особо интенсивным движением или даже в городе в целом с применением ЭВМ. Примером таких систем является система телеавтоматического координированного регулирования дорожного движения «Изумруд», успешно работающая в районе Серпуховской заставы в Москве. ЭВМ в этих системах непрерывна решают задачу оптимизации движения в заданном районе по критерию минимума затрат транспортного времени на ожидание транспортом у перекрестков сигнала, разрешающего движение, и соответственно регулируют длительность горения фаз светофоров.
Применение систем программно-диспетчерского и телеавтоматического координированного регулирования светофоров позволяет максимально использовать пропускную способность уличных проездов, снизить до минимума задержки транспорта и обеспечить оптимальный режим организации движения. 
Однако вследствие высокой стоимости средств автоматики они находят пока ограниченное применение и используются в основном в городах с особо интенсивным движением транспорта.

Рис. 19.3

Схема системы индивидуального светофорного автоматического регулирования перекрестков: а — установка оборудования на перекрестке; б — схема системы; С — стоп-линии; Д — транспортные детекторы; ВБ — логическое устройство (вычислительный блок); К — светофорный контроллер

Телемеханические системы автоматического регулирования (ТСКУ-3, ТСКУ-4), счетно-решающие устройства «Спрут-1», автоматические регистраторы транспорта АРТ-3 и другие устройства контроля и регулирования движения выпускают в нашей стране серийно.
Высшей формой организации движения транспортных средств является разработка и использование автоматизированных систем управления движением АСУД.
Создание автоматизированных систем управления дорожным движением (АСУД) стало актуальной задачей в связи с непрерывным ростом автоматизации и неспособностью обеспечения эффективного использования автотранспорта старыми техническими средствами ОД. Установлено, что внедрение АСУД позволяет сократить непроизводительные задержки транспорта на 20—30%, увеличить среднюю скорость его движения на улицах городов на 8—10%, пропускную способность дорожно-транспортной сети на 10—15%, повысить безопасность движения (сократить вероятность дорожно-транспортных происшествий) на 8—10%. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что внедрение АСУД в городе с населенностью 500 тыс. жителей дает экономический эффект порядка 400—600 тыс. руб. при сроке окупаемости 1—2 года.
В нашей стране созданы, освоены промышленностью и выпускаются серийно системы координированного управления дорожным движением на магистралях со сменой программ по времени суток (ТСКУ), координированного управления дорожным движением на группе магистралей со сменой программ по ступеням интенсивности движения транспортных потоков (АСКУ) и система управления дорожным движением в крупном городе с применением ЭВМ (система «Город»). Система АСКУ внедрена, в частности, в Баку и находится в стадии промышленной эксплуатации. Опытный образец системы «Город» внедряется в Алма-Ате.
Основными принципами управления движением в системе «Город» являются общее управление движением с учетом интенсивности и скорости транспортных потоков и местная коррекция режимов движения на перекрестках с учетом реальной транспортной ситуации. В системе используется периферийное оборудование (дорожные контроллеры, транспортные детекторы, управляемые дорожные знаки) и управляющие пункты с ЭВМ М-6000, обслуживающие районы управления до 150 перекрестков.
Для столичных городов с интенсивным движением транспорта разработана телеавтоматическая система управления движением транспорта «Старт», опытный образец которой внедряется в Москве. Особенность этой системы — построение по принципу саморегулирующихся систем, обеспечивающее широкие возможности адаптации к условиям различных городов, возможности расширения и тиражирования. Основные функции системы «Старт» следующие:

1. автоматическое управление светофорной сигнализацией, а также многопозиционными дорожными знаками и указателями в целях снижения транспортных задержек у перекрестков улиц и на площадях, повышения скоростей движения, уменьшения вероятности транспортных заторов и повышения безопасности движения транспорта и пешеходов;
2. диспетчерское управление движением транспорта по уличной сети с центрального пункта операторами, получающими информацию от комплекса специальных технических средств о параметрах транспортных потоков и состоянии светофорной сигнализации в крупнейших транспортных узлах города;
3. сбор и обработка статистической информации о параметрах транспортных потоков на уличной сети с целью использования для планирования перевозок и решения различных градостроительных задач.

Система «Старт» включает в себя мощный управляющий вычислительный комплекс, развитую сеть каналов связи и различные виды оборудования, располагаемого на улично-дорожной сети города. Важнейшей задачей, решаемой системой в контуре автоматического управления, является оптимизация режимов работы устройств светофорной сигнализации, В основу системного алгоритма при этом положен принцип макрорегулирования, т. е, выбора оптимальной Программы координации движения на сети в целом, согласующей между собой действие светофорной сигнализации отдельных перекрестков в соответствии с изменением реальных условий движения.
Транспортная обстановка на улично-дорожной сети за некоторый отрезок времени описывается набором случайных параметров транспортного потока Д как функция интенсивностей J по направлениям движения и средних скоростей υср движения в узловых точках сети:
(19.1)
Движение транспортных потоков в системе может быть охарактеризовано в каждый момент времени множеством таких наборов. На основании их группировки по периодам суток и определения для каждого периода усредненных параметров движения рассчитывают оптимальные для принятых условий базовые программы координации светофорных объектов. Они хранятся в памяти управляющего вычислительного комплекса (УВК), образуя библиотеку программ. Получая информацию о действительных условиях движения, УВК определяет базовую программу регулирования, наиболее отвечающую текущему периоду работы системы, и переходит на нее. Программа задает длительность циклов работы светофорной сигнализации и сдвигов фаз на отдельных перекрестках между собой.
Операция выбора базовых программ представляет собой стратегический уровень управления в системе, на котором учитываются наиболее общие и решающие факторы, определяющие характер движения транспортных потоков в транспортной сети. Следующим, тактическим уровнем управления в системе, является выбор координированного режима работы светофоров с учетом локальных особенностей движения в пределах каждого перекрестка и транспортного узла. На этом уровне используется алгоритм гибкой координации, в основе которого лежит поиск достаточно большого разрыва в транспортном потоке, пересекающем магистраль. Хотя длительность фаз при этом случайна, 
нарушения координации работы перекрестков не наблюдаются, поскольку интервал времени, на который укорачиваются фазы при появлении разрыва в цикле, прибавляется к зеленой фазе по магистрали в следующем цикле. Таким образом, задаваемые из стратегических соображений длительность цикла регулирования и сдвиг момента включения зеленого сигнала остаются неизменными в рамках действующей базовой программы. Следовательно, программы, выбираемые УВК из библиотеки, определяют базу действия системы. Но они могут корректироваться на отдельных перекрестках в соответствии с локальными условиями движения в пределах, обеспечивающих соблюдение стратегических интересов системы, т. е. не являются жесткими.
Помимо коренного усовершенствования управления светофорной сигнализацией в системе «Старт» использованы принципиально новые методы регулирования уличного движения, основанные на применении дистанционно управляемых многопозиционных дорожных знаков и указателей. В точках дорожной сети, расположенных перед зонами потенциально возможных заторов, устанавливают указатели, информирующие водителей о наличии или непосредственной опасности затора, причем так, чтобы они имели возможность совершить объезд. Заторовое и предзаторовое состояния движения выявляются специальными алгоритмами, основанными на расчетах концентрации экипажей по данным о скорости и интенсивности транспортного потока или длины очереди у перекрестков, расположенных в потенциально опасных по заторам зонах.
Управляемые указатели используют также на магистралях для изменения рядности поворотного движения, разрешения или запрещения проезда отдельным видам транспорта, разрешения или запрещения поворотов в соответствии с фактической интенсивностью движения, что позволяет сократить перепробеги транспортных средств, их задержки и повысить безопасность движения.
Комплекс технических средств контура автоматического управления системы «Старт» состоит из средств вычислительной техники, составляющих УВК, подсистемы передачи данных и периферийных устройств. УВК реализуется на агрегатных средствах вычислительной техники и построен по многопроцессорной схеме на базе процессоров М-6000, причем обеспечивается возможность их взаиморезервирования по большинству выполняемых функций. Связь УВК с периферийными устройствами системы, первичная обработка поступающей в центр информации и формирование отдаваемых команд производится специализированными процессорами М-6010.
Подсистему передачи данных составляют устройства телемеханики. Одни из них предназначены для работы на пунктах сбора информации, которые организуют в наиболее важных сечениях магистралей (в них по каждой полосе движения с интервалом 5 м устанавливают два транспортных детектора для контроля скорости движения по величине интервала времени между моментами прохода их экипажем; передача информации осуществляется число-импульсным кодом); другие — управляют светофорными контроллерами и многопозиционными дорожными знаками и указателями. Во всех устройствах телемеханики используется принцип временного разделения сигналов. Каналами передачи информации являются кабели городской телефонной сети.
Периферийные устройства системы состоят из контроллеров различного назначения и транспортных детекторов. Основной тип контроллера — контроллер для управления трехцветной светофорной сигнализацией. Его нормальный режим работы — переключение светофорных ламп по командам УВК, поступающим через устройства телемеханики. При повреждениях линии связи, устройств телемеханики или аппаратуры управляющего пункта контроллер автоматически переходит на режим автоматического жесткого регулирования от имеющегося в нем резервного программного устройства. Контроллер оборудован системой контроля исправности ламп красных сигналов, пультом ручного управления и может работать в режиме желтого мигающего сигнала. Специальными контроллерами осуществляется переключение многопозиционных знаков и указателей, управляемых из УВК. В качестве транспортных детекторов используют в основном индуктивные и в отдельных случаях ультразвуковые детекторы. Их устанавливают на всех регулируемых перекрестках, а также в пунктах измерения интенсивности и скорости движения транспорта. Поступающая от детекторов в УВК информация о параметрах транспортных потоков во всех контролируемых узлах дорожной сети используется не только для оперативного управления движением, но и накапливается для систематизации и статистической обработки. В результате УВК выдает обработанные статистические данные по часам суток, дням, месяцам и годам об интенсивностях движения по магистралям, улицам и отдельным перегонам дорожной сети, гистограммы интервалов прибытий экипажей, мгновенных скоростей движения и длительностей фаз регулирования с вычислением средних значений, дисперсий и статистических моментов этих величин. Все эти данные представляют собой ценный материал для развития теории транспортных потоков, для градостроителей, сотрудников ГАИ, специалистов плановых органов, работников транспортных и дорожных организаций.
Таким образом, система позволяет исключить трудоемкие натурные обследования транспортных потоков и дает возможность исследования всех основных параметров движения в динамике. Кроме того, эти же статистические материалы являются исходными для корректировки и совершенствования базовых программ и, следовательно, качества и эффективности управления уличным движением в системе. Задача оптимизации базовых программ с учетом характеристик фактического исполненного движения решается УВК методами статистического моделирования.
Комплекс средств диспетчерского управления, используемый штатом операторов и дежурных ГАИ по городу, включает в себя мнемосхему, устройства телевизионного обзора, дисплей и устройства диспетчерской связи.
Мнемосхема представляет собой план-схему дорожно-транспортной сети со световыми индикаторами, встроенными в местах расположения контрольных пунктов. На нее выводится интегральная информация об исправности периферийного оборудования и заторах движения.
Более детальную информацию о движении оператор получает через дисплей (устройство визуального отображения, выполненное на электроннолучевой трубке). По запросу оператора на экран дисплея выводятся в символической и буквенно-цифровой форме данные о параметрах транспортных потоков, состоянии знаков и указателей, режимах работы светофорной сигнализации и функционировании периферийного оборудования любого из регулируемых перекрестков.
Устройства телевизионного обзора позволяют операторам непосредственно наблюдать процесс движения на перекрестках и площадях с наиболее сложными условиями движения.
Для диспетчерской связи операторов со всеми подразделениями ГАИ, городскими службами и организациями используется городская телефонная сеть.
Через имеющийся комплекс технических средств операторы получают исчерпывающую информацию о движении и в случае необходимости могут включиться в процесс управления: сменить базовую программу работы светофорной сигнализации, взять любой перекресток на диспетчерское управление и переключать светофоры на нем по своему усмотрению, изменять положение дорожных знаков и указателей.
По имеющимся расчетам внедрение системы «Старт» в большом городе снижает уровень транспортных задержек у перекрестков в среднем на 25% по сравнению с существующими методами регулирования; обеспечивает снижение числа ДТП вследствие наличия корреляционной связи между уровнем задержек транспорта и аварийностью; увеличивает среднюю скорость движения транспортных средств и снижает расход горючего вследствие сокращения количества остановок в процессе движения; улучшает экологическое состояние городской среды за счет уменьшения выбросов отработанных газов автотранспортом и снижения уровня шумов, связанных с уменьшением количества пусков и торможений; увеличивает пропускную способность транспортной сети, повышает достоверность и оперативность получения статистических данных о реальном движении.