СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА МАГИСТРАЛИ
METHOD FOR TRAFFIC FLOW REGULATION ON HIGHWAY

Изобретение относится к способам управления движением транспортных средств на магистралях с непрерывным скоростным автомобильным движением.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления движением на автомагистрали, связанный с контролем доступа автомобилей на магистраль (заявка РСТ 98/08207). Способ создает возможность управления динамикой дорожного движения путем управления транспортными потоками. Плавное и безопасное перемещение автомобилей по магистрали осуществляют предварительными действиями по созданию между ними промежутков безопасности, дающих запас времени для действий водителя при осложненных или опасных ситуациях на магистрали. При этом используются современные информационные технологии для контроля доступа транспортных потоков на магистраль. Для этого производится учет объема входящего на магистраль потока автомобилей и координация его с объемом автомобилей на магистрали путем ограничения входящего на магистраль транспортного потока до величины, соответствующей объему транспортного потока на магистрали, что определенным образом нормируется. В результате въезжающие на магистраль автомобили, обеспечиваются безопасным пространством и временем для включения в основной транспортный поток на магистрали. Соответствующим образом осуществляется и управление съездом автомобилей с магистрали. При этом учитывается соотношение въезжающих и съезжающих автомобилей.
Недостатком этого технического решения является то, что оно не обеспечивает достаточно высокой пропускной способности на магистрали для того, чтобы на магистралях в пиковый период движения не прекращалось непрерывное движение автомобилей с высокой скоростью и не создавались пробки.
Задачей изобретения является создание условий для обеспечения на магистрали непрекращающегося движения в интервале скоростей 60-90 км/час наиболее дешевыми и эффективными средствами
Техническим результатом изобретения является создание высокой пропускной способности на магистрали - около 3 тысяч автомобилей в час на каждой полосе движения магистрали при скорости автомобилей на магистрали в диапазоне 60-90 км/час.
Технический результат достигается тем, что в способе регулирования транспортных потоков на магистрали, заключающемся в контроле параметров транспортного потока на магистрали и контроле количества съезжающих с магистрали и въезжающих на магистраль автомобилей, задают два крайних пороговых значения параметров, связанных со скоростью движения автомобилей, по каждой полосе движения магистрали, устанавливают режим постоянного измерения и обработки одного из этих параметров и при выходе выбранного параметра за первое пороговое значение на соответствующем отрезке магистрали, после перехода через которое скорость движения автомобиля продолжает уменьшаться, приостанавливают въезд автомобилей с боковых направлений на соответствующий отрезок магистрали, например, с помощью запрещающего знака въездного светофора, вплоть до достижения выбранным параметром второго порогового значения, после перехода через которое скорость движения автомобиля продолжает расти, затем разрешают въезд автомобилей на соответствующий отрезок магистрали, например, с помощью разрешающего знака светофора и так далее и аналогично на всех въездных участках магистрали, поддерживая непрерывное движение автомобилей на всем протяжении магистрали в заданном интервале скоростей.
Кроме того, задают два крайних пороговых значения средней скорости транспортного потока на магистрали - 60 км/час и 90 км/час, при изменении скорости ниже 60 км/час включают запрещающий въезд автомобилей на магистраль сигнал светофора и переключают сигнал светофора на въезд автомобилей на магистраль только при достижении транспортным потоком скорости 90 км/час.
Кроме того, задают два крайних пороговых значения плотности транспортного потока на магистрали - 25% и 17%, где плотность транспортного потока γ равна отношению средней физической длины автомобиля ls к динамической длине автомобиля lд:
γ=ls/lд,
где динамическая длина автомобиля lд есть сумма средней физической длины автомобиля ls и дистанции безопасности для автомобиля lдб:
lд=ls+lдб,
где дистанция безопасности для автомобиля lдб составляет
3
2
lдб=τ·v+v/50,
3
где τ - время задержки, то есть время реакции водителя автомобиля на изменение дорожной обстановки, составляющее в среднем 0,5-1 секунду,
v - скорость автомобиля,
2
v/50 - показатель, учитывающий тормозной путь автомобиля при отрицательном ускорении а не менее 5 м/сек и допустимом разбросе а не более 1%,
при повышении плотности транспортного потока и переходе ее за предел первого порогового значения γ 26% включают сигнал светофора, запрещающий въезд на магистраль, который переключают на въезд автомобилей на магистраль только при достижении плотностью второго порогового значения плотности транспортного потока 17%.
Кроме того, средняя физическая длина автомобиля ls составляет 5 метров.
Кроме того, параметры транспортного потока измеряют датчиками, установленными на каждой полосе движения магистрали у въездных участков на магистраль, например датчиками, реагирующими на давление автомобиля, обрабатывают данные измерений и передают соответствующие команды через управляющее устройство на светофор.
Кроме того, каждый датчик давления регистрирует при прохождении над ним автомобиля интервал роста давления, этот интервал при заданной средней физической длине автомобиля ls соответствует скорости автомобиля, а оба показателя - средняя физическая длина автомобиля ls и скорость автомобиля - определяют значение плотности транспортного потока на данный момент.
Имеющееся в настоящее время стандартное оборудование в виде различных датчиков, в частности контактных детекторов, электромагнитных детекторов, детекторов излучения; средств обработки информации и управления, контроллеров, управляющих светофорами, и средств управления дорожным движением, например светофоров, позволяет сравнительно эффективно и недорого осуществлять постоянный процесс сбора информации детекторами транспорта, ее обработки и выдачей контроллерами соответствующих команд на светофоры для регулирования движения по магистрали в соответствии с предложенным способом. Таким образом, соотнося количество въезжающих на магистраль автомобилей со скоростью или плотностью транспортного потока, можно постоянно удерживать движение по магистрали в обозначенных рамках пороговых значений скорости или плотности транспортного потока, например в рамках скорости 60-90 км/час. Этот интервал скоростей транспортного потока на магистрали, как это будет показано ниже, является наиболее эффективным. При этом на магистрали не возникают пробки и четко выдерживается дистанция безопасности между автомобилями.
Оценим процесс формирования транспортных потоков на магистралях без светофоров применительно к одной полосе движения. Кроме этого, для простоты рассуждений все выкладки будут даны в применении к легковому автотранспорту
Водитель, двигаясь с определенной скоростью по полосе движения, соблюдает дистанцию безопасности. Ее протяженность зависит от скорости движения и определяется из следующего соотношения:
3
2
lдб=τ·v+v/50,
3
где τ - время задержки, то есть время реакции водителя на изменение окружающей обстановки; v - скорость автомобиля.
3
Если окружающая обстановка для водителя является стабильной и не беспокоит его, то, как показывает опыт, в среднем τ составляет около 0,5 сек. В среднем это время задержки сохраняется при скоростях автомобиля от 30 км/час до 90 км/час.
3
При снижении скорости за предел в 30 км/час на загруженных магистралях автомобили сближаются, появляется своего рода теснота, которая увеличивается с уменьшением скорости. Обстановка на дороге становится более сложной, и время задержки увеличивается. Опыт показывает, что в этом случае τувеличивается до 1 сек.
3
При высоких скоростях движения, начиная от 90 км/час, физическое и психологическое напряжение водителя увеличивается, так как опасность возрастает, и τ снова увеличивается до 1 сек.
3
Время реакции водителя τ, конечно, зависит от опытности и квалификации водителя, но в среднем оно таково.
2
Показатель v/50 учитывает разброс тормозных систем автомобилей.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Тормозной путь автомобиля Sτ=v/2a, где а - отрицательное ускорение в м/сек. По техническим требованиям для современных транспортных средств а должно быть не меньше 5 м/сек. Допустимый разброс имеет порядок 10%. Возьмем в качестве примера худший вариант - автомобиль, идущий впереди, отрегулирован при торможении на а=5,5 м/сек, а следующий за ним автомобиль отрегулирован на а=4,5 м/сек. Тогда, если один автомобиль, идущий со скоростью 25 м/сек, пройдет при торможении v/2а=625/9, другой автомобиль пройдет путь v/2а=625/11. Разность этих двух отрезков будет такова: Δs=v/9-v/11=(11v-9v)/99=2v/99~v/50.
2
Например, при v=25 м/сек (90 км/час) дистанция безопасности lдб=0,5·25+25/50=12,5+12,5=25 м.
Введем понятие динамической длины транспортного средства lд. Динамическая длина является суммой средней физической длины автомобиля ls и дистанции безопасности lдб:
lд=ls+lдб.
В среднем физическая длина автомобиля ls составляет 5 метров. Таким образом, динамическая длина lд - это участок дорожного полотна, который занимает автомобиль с учетом дистанции безопасности lдб.
Отношение скорости движения автомобиля к динамической длине (v/lд) является
пропускной способностью полосы движения N.
Например, пять автомобилей движутся друг за другом на скорости 90 км/час (25 м/сек). Они занимают 150 метров полосы движения (5 авт × 30 м). При указанной скорости расстояние в 150 метров будет пройдено за 6 секунд, то есть за 6 секунд пройдут все пять автомобилей. Таким образом, каждый автомобиль проходит lд (30 м) за 1,2 сек. За одну секунду автомобиль пройдет 5/6 lд (25 метров).
За один час пропускная способность полосы движения N при данной скорости составит 5/6 × 36000 сек = 3000 автомобилей в час.
3
При снижении скорости будет меняться динамическая длина и пропускная способность полосы движения. Например, если автомобили движутся со скоростью 7,2 км/час (2 м/сек), дистанция безопасности lдб составляет 2,1 метра, то есть при времени задержки τ=1 сек расстояние между автомобилями составляет чуть больше 2 метров, динамическая длина lд - около 7 метров, а пропускная способность N=2/7 ~ 0,3 авт/сек, то есть она сократилась в три раза - с 5/6 авт/сек до 2/7 авт/сек.
Пропускная способность полосы движения магистрали зависит от скорости автомобиля и меняется нелинейно с изменением скорости, что важно для выбора наиболее выгодного или оптимального интервала скоростей для установления непрерывного движения по магистрали с учетом использования максимального значения ее пропускной способности.
Приведем таблицу, в которой покажем изменение динамической длины lд, пропускной способности N в зависимости от скорости движения автомобиля V в интервале скоростей от 2 м/сек(7,2 км/час) до 45 м/сек (162 км/час). Для сравнения отметим также в таблице изменение количества автомобилей n на единичном отрезке полосы движения, например на 1 км, в зависимости от скорости V с учетом соблюдения указанной нами дистанции безопасности движения lдб и физической длины автомобиля, которые в сумме составляют динамическую длину автомобиля lд: n=1000 м/ lд.
v (м/сек)
lд (м)
N (авт/сек)
n (авт.)
2 (7,2 км/ч)
7,08
0,28
141
3
8,18
0,37
122
4
9,32
0,43
107
5
10,50
0,48
95
6
11,72
0,51
85
7
12,98
0,52
78
8
14,28
0,56
70
9 (30 км/ч)
11,12
0,81
90
10
12,00
0,83
83
11
12,92
0,85
78
12
13,90
0,86
72
13
14,90
0,87
66
14
16,00
0,875
63
15
17,00
0,88
59
17 (60 км/ч)
19,30
0,88
51
18
20,50
0,88
49
20
23,00
0,87
43
21
24,30
0,86
41
22
25,70
0,86
39
23
27,00
0,85
37
24
28,50
0,84
35
25 (90 км/ч)
30,00
0,83
33
26
44,50
0,60
22
27
46,60
0,59
21
28
48,70
0,58
20
29
50,80
0,57
20
30 (108 км/ч)
53,00
0,57
19
35
64,50
0,54
15
40
77,00
0,52
13
45 (162 км/ч)
90,50
0,50
11
Из этой таблицы видно, что изменение пропускной способности полосы движения в зависимости от скорости движения автомобилей носит нелинейный характер. При скоростях движения автомобилей в диапазоне от 10 м/сек (~36 км/час) до 25 м/сек (90 км/час) пропускная способность N максимальна и изменяется незначительно - примерно на 5%. Поэтому эффективность использования магистрали для движения транспортных средств в этом интервале скоростей оптимальна, причем этот интервал скоростей для установления постоянного движения можно сузить до 60-90 км/час для наиболее выгодного расхода горючего автомобилей и для сокращения времени автомобиля в пути.
При этом в определенной степени разгружаются остальные дорожные сети, поскольку магистраль позволяет за минуты проехать десятки километров.
Введем понятие плотности транспортного потока γ, которая равна отношению физической длины автомобиля к динамической длине автомобиля: γ=ls/lд.
При v=25 м/сек (90 км/час) lд=25+5=30 м и γ=5/30=1/6~17%.
При v=17 м/сек (60 км/час) lд=14,3+5=19,5 м и γ=5/19,3=1/6~26%.
Поэтому мерой для эффективного использования магистралей непрерывного движения (без светофоров) является решение задачи обеспечения плотности транспортного потока в диапазоне 17-26%.
В процессе движения транспортные средства покидают магистраль и плотность транспортного потока γ уменьшается, с другой стороны, на магистраль транспортные средства въезжают, за счет чего плотность транспортного потока возрастает. Поэтому, воспользовавшись указанной стандартной аппаратурой и оборудованием для измерения параметров транспортных потоков и их регулирования, можно не только измерять скорость транспортного потока, но и его плотность. Комплект оборудования и приборов в виде автомата управления может дать команду светофору на въезд автомобилей на магистраль, если плотность потока γ станет меньше 17%. Разрешение на въезд будет действовать, пока γ не увеличивается до 26%, после чего автомат даст команду, запрещающую въезд автомобилей на магистраль. Для измерения плотности транспортного потока данные с датчиков в устройстве обработке информации приводят к значениям плотности транспортного потока и затем используются для регулирования светофоров в автоматическом режиме. Локальные автоматы, разрешающие и запрещающие въезд на магистраль автомобилей с боковых направлений в соответствии с предложенным способом, устанавливают на магистрали там, где имеются въездные участки.
Для непрерывного транспортного потока связь обоих параметров γ и v однозначна, поскольку плотность транспортного потока зависит от динамической длины, а динамическая длина зависит от скорости.
При установленном значении физической длины автомобиля ls (5 метров) каждый автомобиль, проходя в зоне чувствительности соответствующего датчика, вызовет его реакцию, например при наезде автомобиля на чувствительные элементы датчика при скорости автомобиля 25 м/сек датчик реагирует на автомобиль в течение 5 м/25 м/сек = 0,2 сек, что означает, что при данной скорости плотность транспортного потока γ=ls/lд=5/30~17%.
Способ реализуется с помощью комплекта стандартной аппаратуры в виде локального автомата управления въездом на магистраль с боковых направлений автомобилей в соответствии со скоростью или плотностью транспортного потока на магистрали. Эти параметры автомат управления движением поддерживает в рамках соответственно 60-90 км/час или 17-26%. Локальный автомат в своем составе имеет следующее оборудование: датчики, в качестве которых могут использоваться контактные детекторы, электромагнитные детекторы, детекторы излучения; средства обработки информации; контроллеры, управляющие светофорами; средства управления въездом автомобилей на магистраль в виде светофоров (см., напр., 1. Кременец Ю.А. Технические средства организации дорожного движения. М.: Транспорт, 1990 г. 2. Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б. Организация дорожного движения: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1992 г.).
Датчики, измеряющие параметры движения на каждой полосе движения магистрали, определяют скорость каждого проходящего автомобиля на данном участке и передают зарегистрированные данные в устройство обработки информации, где после их обработки определяется средняя скорость транспортного потока на данном участке или средняя плотность транспортного потока. В соответствии с имеющейся программой поддержания на магистрали скорости или плотности транспортного потока соответственно в интервале 60-90 км/час и 17-26% при выходе соответствующего параметра за указанные рамки контроллер выдает необходимую команду на светофор для смены знака. Например, при изменении плотности транспортного потока выше 26% следует команда включить запрещающий въезд автомобилей на магистраль сигнал светофора. Запрещающий сигнал будет действовать до тех пор, пока количество съехавших с магистрали автомобилей не приведет значение плотности транспортного потока к 17%. Тогда с контроллера последует команда включить разрешающий въезд на магистраль сигнал светофора. Эта процедура позволяет удерживать установленный скоростной режим на магистрали и не создает условий для возникновения на ней пробок. Вместе с тем предложенный способ позволяет существенно уменьшить число дорожных происшествий, так как вместе со скоростью четко выдерживается дистанция безопасности между автомобилями. Для того чтобы съезжающие с магистрали автомобили не тормозили скоростное движение остальных автомобилей по крайней полосе движения, рядом со съездными участками могут быть выделены зоны-накопители, на которые перед съездом въезжают автомобили, не затрудняя движение остальных автомобилей на магистрали. Эти зоны, в зависимости от характеристик магистрали, могут быть рассчитаны на 10-20 автомобилей. В случае же постоянно действующих в самом жестком режиме движения магистралей, например кольцевых, и большом количестве съезжающих автомобилей вся крайняя полоса движения освобождается от движения и используется только для съезда и, в случае необходимости, для движения общественного транспорта.
При стыке магистралей между собой работу автоматов соседних магистралей согласуют между собой. В этом случае оказывается предпочтение одной из магистралей, имея в виду перемещения части потока с одной магистрали на другую. При локальном управлении переключение сигналов обеспечивает контроллер, расположенный непосредственно на перекрестке. Возможно также системное управление, при котором на каждом въездном участке используются данные о параметрах транспортного потока с других въездных участков для дополнительного повышения эффективности действия магистрали. При системном управлении контроллеры перекрестков могут выполнять функции трансляторов команд, поступающих по специальным каналам из управляющего пункта.
Совокупность автоматов магистрали и автоматов всех магистралей представляют собой распределенную автоматическую систему управления всех магистралей города.
Изобретение позволяет максимально использовать возможности действующих магистралей городов и городских дорожных сетей благодаря тому, что скорость автомобилей на магистралях удерживается в том оптимальной интервале, который позволяет максимально использовать пропускную способность магистрали, то есть делает эффективность каждой магистрали наибольшей, и таким образом пропускает по ней максимальное количество автомобилей с наиболее выгодной скоростью. При этом в определенной степени разгружаются остальные дорожные сети.
Однако возможности каждого города в дорожном движении ограничены количеством магистралей, а возможности каждой магистрали ограничены числом полос движения на ней. Например, по шестиполосной магистрали протяженностью 20 километров при пропускной способности каждой ее полосы движения 3000 км/час в течение трех пиковых часов может проехать 54 тысячи автомобилей. Если 90% автомобилей проследуют по магистрали транзитом, а 10% автомобилей, то есть 5400 автомобилей, съедут с магистрали, то въехать на нее за эти три часа смогут тоже только 5400 автомобилей. Остальные автомобили, если таковые имеются, должны ожидать своей очереди или следовать по другим магистралям (улицам) или выезжать на магистраль до или после эти трех пиковых часов.