Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДОРОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Скрыпников А.В. 1 Чистяков А.Г. 1 Дорохин С.В. 1 Кривошеева А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
Параметры транспортного потока, такие как интенсивность движения, скорость и занятость, измеряются с помощью детекторов транспорта, расположенных на дороге или рядом с ней. Эта информация обрабатывается и используется для управления сигналами светофоров и знаками, расположенными вдоль дороги. Таким образом обеспечивается плавность движения транспортного потока, выдается водителям информация о направлениях движения и достигается также вторичный эффект в виде снижения числа дорожно-транспортных происшествий. Авторами показано, что при управлении дорожным движением простая логика не применима. Существуют два метода определения управляющих параметров для светофорной сигнализации - выбор программ управления: выбирается одна из заранее подготовленных программ (наборов параметров) в соответствии с измеренными или предсказанными параметрами условий движения; генерация программ: оптимальные параметры вычисляются в масштабе времени, близком к реальному согласно измеренным параметрам условий движения. Авторами предпринята попытка проанализировать технические средства и программное обеспечение подобной системы. Представленные технические средства и программное обеспечение обладают достаточной общностью и могут использоваться для управления дорожным движением в различных отраслях, связанных с эксплуатацией автомобильно-транспортных средств, и в дорожно-проектных организациях при формировании дорожно-транспортной сети и организации движения по ней.
программа.
подпрограмма
светофорная сигнализация
управляющие параметры
координирование
дорожное движение
1. Курьянов В.К. Пропускная способность регулируемого перекрёстка / В.К. Курьянов, А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвуз. сборник науч. тр. Вып. 2. – Воронеж, 2007. – С. 201-204.
2. Курьянов В.К. Управление, основанное на средних характеристиках транспортного потока / В.К. Курьянов, А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвуз. сборник науч. тр. Вып. 2. – Воронеж, 2007. – С. 204-209.
3. Методы, модели и алгоритмы повышения транспортно-эксплуатационных качеств лесных автомобильных дорог в процессе проектирования, строительства и эксплуатации : монография / А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова, А.И. Вакулин, В.Н. Логачев. – Москва : ФЛИНТА: Наука, 2012. – 310 с.
4. Скворцова Т.В. Критерии качества управления светофорной сигнализацией / Т.В. Скворцова, А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. В.С. Петровского. – Воронеж, 2007. – С. 179-181.
5. Скрыпников А.В. Построение процедур выбора управленческих решений на основе оптимизационных моделей // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского [Тамбов]. – 2009. - № 10 (24). - С. 217-221.
6. Скрыпников А.В. Разработка теоретических основ и методов управления лесовозным автотранспортом // Бюллетень транспортной информации. – 2009. - № 9 (171) сентябрь. – С. 25-27.
7. Скрыпников А.В. Теоретические основы и методы организации и управления дорожным движением // Бюллетень транспортной информации. – 2010. - № 1 (175). – С. 10-15.
8. Трофимов Ю.И. Макроскопические модели управления светофорной сигнализацией / Ю.И. Трофимов, Е.В. Кондрашова, Ю.В. Лобанов, Д.Ю. Сухов // Деп. в ВИНИТИ, № 30-В2007, 11.01.07 г. – 42 с.
9. Трофимов Ю.И. Микроскопические модели движения / Ю.И. Трофимов, Е.В. Кондрашова // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 1. - Воронеж, 2006. - С. 177-182.
10. Трофимов Ю.И. Макроскопические модели движения / Ю.И. Трофимов, Е.В. Кондрашова // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте : межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 1. - Воронеж, 2006. - С. 167-177.

Введение. Управление дорожным движением в двухмерных сетях принято называть сетевым управлением. В этих случаях простая логика управления, подобная случаям магистрального управления, часто неприменима [1-2].

В общем случае существуют два метода определения управляющих параметров - выбор программ управления: выбирается одна из заранее подготовленных программ (наборов параметров) в соответствии с измеренными или предсказанными параметрами условий движения; генерация программ: оптимальные параметры вычисляются в масштабе времени, близком к реальному согласно измеренным параметрам условий движения.

При сетевом управлении в сложных дорожных сетях предпочтителен, конечно, метод генерации программ, а при использовании метода выбора программ необходимо подготовить возможно большую их совокупность. Поэтому наиболее часто в качестве центрального контроллера в случае сетевого управления используют ЭВМ. Система управления светофорной сигнализацией состоит из: а) управляющего вычислительного комплекса (УВК); б) линий связи и блоков управления передачей информации; в) местных контроллеров; г) детекторов транспорта; д) мнемосхемы для операторов системы [1; 3; 4]. Рассмотрим их подробно:

а) управляющий вычислительный комплекс (УВК). Функциональные требования к ЭВМ, используемые для управления светофорной сигнализацией, аналогичны требованиям в других системах реального масштаба времени. УВК выполняет обычно в реальном масштабе времени такие операции, как сбор информации о параметрах транспортных потоков, определение стратегии управления и переключение светофорной сигнализации. Вне реального масштаба времени выполняется обработка статистической информации о движении транспорта, оценка стратегий управления методами имитационного моделирования и т. д. [5].

Существуют два типа архитектур УВК, используемых для этих целей: централизованная или параллельная архитектура; иерархическая архитектура.

Рисунок 1 - Параллельная структура системы

В первом случае сигналы светофоров управляются одной ЭВМ или множеством ЭВМ, работающих параллельно, как это показано на рисунке 1. В иерархической системе, с другой стороны, одна главная вместе с одной или несколькими подчиненными ей ЭВМ управляет светофорной сигнализацией, как это показано на рисунке 2.

В общем случае операции, выполняемые УВК в процессе управления светофорной сигнализацией, могут быть разделены на две категории. Первая категория содержит те операции, которые требуют сложной обработки информации, такие как определение стратегии управления, в то время как вторая включает совокупность простых операций в реальном масштабе времени, таких как обработка сигналов на выходах детекторов транспорта и переключения сигналов светофоров [1; 6; 7].

Рисунок 2 – Иерархическая структура системы

В этом случае загрузка УВК распределяется в правильном соответствии с возможностями технических средств управления дорожным движением;

б) линии связи и блоки управления передачей информации. Передача информации от ЭВМ к светофорам и от детекторов транспорта к ЭВМ осуществляется по каналам связи. Хотя в давно созданных системах автоматического координированного управления использовались специально проложенные кабельные линии, обычно в больших системах управления с использованием ЭВМ применяются телефонные линии связи как более удобные в эксплуатации;

в) местные контроллеры. Местные контроллеры, устанавливаемые на каждом перекрестке, принимают импульсы переключения фаз регулирования. Хотя такие контроллеры могут быть реализованы с помощью одних стандартных логических модулей, использование ряда дополнительных устройств дает возможность присоединить существующее оборудование перекрестка к системе управления, включающей ЭВМ;

г) детекторы транспорта. Наиболее широко используемыми детекторами транспорта являются индуктивные и ультразвуковые. Обычно желательно определять с помощью детектора транспорта несколько параметров транспортного потока, таких как интенсивность, плотность, ско­рость, длина очереди и т.д. Однако детектор, который может быть реализован наиболее экономичным способом, может определять только присутствие автомобиля, причем этот параметр в дальнейшем преобразуется с помощью ЭВМ [8; 9].

Технологические программы выполняют обработку информации, собранной детекторами, выбирают стратегии управления, переключают сигналы светофоров и т.д.

Поскольку достоинством управления с помощью ЭВМ является его универсальность и совместимость, желательно разделение мониторных и технологических программ на множество функциональных модулей, которое облегчает смену функций, или добавление новых.

П1. Подпрограмма считывания информации с выходов детекторов транспорта. ЭВМ определяет не только число импульсов на выходе детекторов транспорта, но и их длительность, необходимую для подсчета занятости. Определение длительности импульсов выполняется путем периодического сканирования выхода детектора.

Наличие сигнала на выходе означает присутствие автомобиля в зоне действия детектора, а отсутствие сигнала — отсутствие и автомобиля в зоне его действия. Блок-схема подпрограммы сканирования приведена на рисунке 3. Поскольку сама подпрограмма не отсеивает ошибочные изменения состояний, связанные, например, с мгновенными шумами, желательно ввести дополнительную функцию, благодаря которой ненормально короткие интервалы наличия или отсутствия сигнала рассматривались бы как ошибочные. Для этой цели подвергаются изменению длительности интервалов отсутствия сигнала [10].

Количество автомобилей и суммарная ширина импульсов, оп­ределяемые данной подпрограммой, преобразуются затем в интенсивность, занятость и другие параметры посредством описанной ниже подпрограммы усреднения.

П2. Подпрограмма усреднения. Информация, полученная с помощью подпрограммы считывания, сглаживается и преобразуется в требуемые параметры транспортного потока, такие как интенсивность движения, занятость, скорость, плотность, степень затора и т.д. Техника усреднения не сводится к единственной подпрограмме, а реализуется множеством программ, подготавливаемых заранее в соответствии с видом информации, необходимой для функционирования остальных программ. Частота их вызова распределена между 100 с и несколькими десятками минут.

ПЗ. Программа нахождения длительности цикла регулирования для основных перекрестков. Длительность цикла регулирования в районе управления определяется величиной интенсивно­сти движения на наиболее загруженном перекрестке. Так как количество перекрестков, которые могут быть наиболее загружены, ограниченно, то вычисление длительности цикла может производиться для заранее заданных пере­крестков. Период вызова этой подпрограммы приблизительно равен 5 мин.

П4. Подпрограмма определения района координации. Для определения сдвигов желательно разделить сеть перекрестков на некоторое количество подрайонов и для каждого из них найти длительность цикла. Это позволяет использовать тот факт, что в каждом из районов имеются отличия в интенсивности движения. Подобные подрайоны, в случае если имеются их естественные границы (парк, река, железная дорога и т.д.), могут быть фиксированными.

П5. Подпрограмма выбора метода управления. Методы и критерии управления определяются в зависимости от условий движения. Метод управления определяется для каждого подрайона или основного перекрестка, а стратегия управления назначается в соответствии с выбранным методом. Эта программа вызывается каждые 15…60 мин [1; 5].

П6. Подпрограмма нахождения распределения периодов в цикле на основном перекрестке. Эта подпрограмма определяет распределение периодов в цикле регулирования на основном перекрестке и вызывается приблизительно каждые 5 мин.

Рисунок 3 – Программа сканирования выходов детекторов транспорта

П7. Подпрограмма нахождения набора распределений периодов в цикле. Данная подпрограмма одновременно определяет распределения периодов в цикле регулирования для всех перекрестков, кроме основных, и также вызывается с периодом, приблизительно равным 5 мин. В этом случае набор сдвигов находится с помощью метода выбора программ, основанного на макроскопической модели транспортного потока, поскольку неэкономично устанавливать детекторы транспорта на всех подходах к каждому перекрестку и отсутствует необходимость точного вычисления сдвигов для всех перекрестков, кроме основных [5].

П8. Подпрограмма формирования дерева. Эта подпрограмма определяет оптимальное дерево, максимизирующее полную сумму эффективности сдвигов в каждом подрайоне.

Блок-схема подпрограммы показана на рисунке 4.

П9. Подпрограмма определения сдвигов. Эта подпрограмма определяет оптимальные сдвиги для каждой дуги, включенной в оптимальное дерево, и вызывается каждые 5 мин.

П10. Подпрограмма динамического управления сдвигами. Подпрограмма оптимизирует сдвиги в динамическом режиме. Начиная с набора сдвигов, определенного подпрограммами П8 и П9, она модифицирует сдвиги в направлении, уменьшающем задержки на основе полученной в реальном масштабе времени информации. Интервал вызова составляет 100~500 с.

П11. Подпрограмма смены сдвигов. Эта подпрограмма определяет оптимальное направление смещения сдвигов от одного набора к другому. Когда набор сдвигов определен методом выбора программ, может быть выполнена выборочная смена сдвигов.

П12. Подпрограмма преобразования сдвигов из относительных в абсолютные. Эта подпрограмма преобразует величины относительных сдвигов, найденные подпрограммами П10 и П11, в набор абсолютных сдвигов.

П13. Подпрограмма формирования расписания переключений сигналов. Эта подпрограмма формирует расписание переключений сигналов светофоров, назначений длительностей цикла, распределений периодов в цикле и сдвигов.

П14. Подпрограмма смены фаз регулирования. Эта подпрограмма определяет (например, каждую секунду) необходимость передачи импульса смены фаз на перекресток на основе расписания, сформированного подпрограммой П13.

Остаток времени горения наличного сигнала светофора на -м перекрестке уменьшается посекундно до тех пор, пока он не станет равным нулю. В этот момент на перекресток передается импульс смены фаз. Если этот импульс обрабатывать раздельно для каждого перекрестка, то резко снижается эффективность канала ввода-вывода ЭВМ. Вместо этого выполняется следующая процедура. Формируется таблица сигналов смены фаз для всех перекрестков, содержащая единицы для перекрестков, на которых необходимо сменить фазу и нули для остальных; все содержимое таблицы генерируется ЭВМ каждую секунду [6; 7].

Рисунок 4 – Программа формирования дерева

П15. Подпрограмма управления с адаптацией к транспортному спросу. Эта подпрограмма осуществляет управление на всех перекрестках данной сети, переключения светофоров на которых имеют адаптацию к транспортному случаю. Управление осуществляется путем подготовки раздельных расписаний для каждого перекрестка или путем модификации расписаний, подготовленных подпрограммой П14. Длительность действия зеленого сигнала удлиняется в зависимости от наличия прибывающих автомобилей на второсте­пенном направлении перекрестка. Оставшееся время действия данной фазы, и принимает значения от 1 до 4, представляя фазы или такты светофора. Желтый сигнал игнорируется, и в дальнейшем принято, что факт прохождения автомобиля над детектором определяется другой подпрограммой. Импульсы смены фаз генерируются так же, как и в подпрограмме для светофоров, управляемых по жесткой программе [8].

Вывод. Представленные технические средства и программное обеспечение обладают достаточной общностью и могут использоваться для управления дорожным движением в различных отраслях, связанных с эксплуатацией автомобильно-транспортных средств, и в дорожно-проектных организациях при формировании дорожно-транспортной сети и организации движения по ней.

Рецензенты:

Яковлев К.А., д.т.н., доцент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», г. Воронеж.

Кондрашова Е.В., д.т.н., профессор кафедры технического сервиса и технологии машиностроения ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж.


Библиографическая ссылка

Скрыпников А.В., Чистяков А.Г., Дорохин С.В., Кривошеева А.В. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДОРОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12927 (дата обращения: 19.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074