Управление транспортными потоками при перегрузках на улично-дорожной сети города

УПРАВЛЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ ПРИ ПЕРЕГРУЗКАХ НА УЛИЧНО-ДОРОЖНОЙ СЕТИ ГОРОДА

© С.В. Витолин1

Волгоградский государственный технический университет, Российская Федерация, 400005, г. Волгоград, пр-т им. В.И. Ленина, д. 28.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Предложить систему методов повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети в условиях перегрузок. МЕТОД. Анализ российского и зарубежного опыта связи параметров транспортного потока для оценки и управления качеством дорожного движения. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предлагается система управления транспортными потоками при перегрузках сети: транспортный менеджмент - автоматизированная система управления дорожным движением (высокого поколения) - локальная оптимизация на светофорном объекте. При низкой загрузке элементов дорожной сети рекомендуется ориентироваться на транспортный спрос, а при высокой загрузке - на возможности сети, т.е. на транспортное предложение. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Оценивая наличие резервов пропускной способности, свободных площадей для очередей автомобилей на отдельных элементах дорожной сети, нужно перераспределять нагрузку по сети.

Ключевые слова: транспортный менеджмент, автоматизированная система управления дорожным движением, регулируемый перекресток, пропускная способность, транспортный спрос.

Формат цитирования: Витолин С.В. Управление транспортными потоками при перегрузках на улично-дорожной сети города // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 12. С. 211-219. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-12-211 -219

TRAFFIC CONTROL IN OVERLOADED CITY ROAD NETWORKS S.V. Vitolin

Volgograd State Technical University,

28 Lenin pr., Volgograd 400005, Russian Federation

ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to offer the system of methods improving operation efficiency of a road network when overloaded. METHOD. The paper carries out an analysis of the Russian and foreign experience in traffic flow parameters correlation for traffic assessment and quality management. RESULTS. A system of traffic flow control under the overloaded road network is introduced: transport management - an automated traffic control system (of high generation) - local optimization on a traffic lights facility. It is recommended to base on the transport demand when the elements of the road network are poorly loaded. When they are highly loaded it is recommended to base on the network potential, i.e. on its capability. CONCLUSION. It is necessary to redistribute the load in the network when estimating the availability of flow capacity reserves, free areas for vehicle queues on the separate elements of the road network. Keywords: transport management, automated traffic control system, signal-controlled intersection, road capacity, transport demand

For citation: Vitolin S.V. Traffic control in overloaded city road networks. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 12, pp. 211-219. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-12-211-219

Введение

Оригинальная статья / Original article УДК 656.13.021

http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-12-211-219

В г. Волгограде, как и во многих крупных городах России, улично-дорожная сеть (УДС) сильно загружена автомобильным транспортом.

В наиболее экономически развитых

странах с этим столкнулись раньше, поэтому естественно обратиться к изучению уже имеющегося зарубежного опыта для скорейшего решения проблемы российских городов.

1

Витолин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры изыскания и проектирования транспортных сооружений, e-mail: vitolinsv@mail.ru

Sergei V. Vitolin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Investigation and Design of Transport Facilities, e-mail: vitolinsv@mail.ru

Целью данной работы является разработка системы методов повышения

эффективности функционирования УДС в условиях перегрузок.

Связь параметров транспортного потока для оценки качества дорожного движения

В часы «пик» перед элементами УДС с низкой пропускной способностью возникают регулярные заторы, следствием чего, например, перед регулируемыми перекрестками (РП) являются остаточные очереди (очереди автомобилей в конце разрешающего сигнала светофора). Наличие остаточной очереди свидетельствует о том, что степень загрузки рассматриваемого направления близка единице. В Германии принято, что при степени загрузки 0,85 и более образуется остаточная очередь. Это можно обосновать тем, что практическая пропускная способность не постоянна (рис. 1).

Таким образом, степень загрузки ориентировочно от единицы свидетельствует о перегрузке элемента УДС. При оценке интенсивности дорожного движения в сечении автомобильной дороги существует проблема оценки транспортного спроса (рис. 2) - количества автомобилей, которые должны проехать через сечение дороги без образования затора (очереди

стоящих или медленно движущихся автомобилей). Если движение осуществляется в одном направлении, можно посчитать интенсивность движения в более широком месте дороги перед расчетным местом. Если же рассматривается РП, движение в сечении стоп-линии может осуществляться по трем направлениям. Анализируя интенсивность движения на предыдущем РП с более высокой пропускной способностью, сложно определить, по какому направлению будет осуществляться движение на следующем РП. Поэтому на РП можно определить транспортный спрос только всего сечения, анализируя длину очереди [1].

Перегрузка элементов УДС влияет на народно-хозяйственные потери. Экономические потери связаны с большим потреблением топлива (рис. 3), а экологические - со значительными выхлопами и шу-мом2. Качество координации светофорных объектов (СО) может быть различным, что определяет среднюю скорость на участке

Рис. 1. Вероятностное соотношение интенсивности движения и пропускной способности Fig. 1. Probabilistic ratio of traffic intensity and flow capacity

2Витолин С.В. Совершенствование транспортных потребительских свойств изолированных регулируемых перекрестков улично-дорожной сети города: дис. канд. техн. наук : 05.23.11 : защищена 27.05.14 : утв. 13.10.14. Волгоград, 2014. 169 с. / Vitolin S.V. Improvement of transport consumer properties of the isolated signalized intersections of the city road network: Candidate's Dissertation in Technical Sciences, 05.23.11, defended 27 May 2014, approved 13 October 2014, Volgograd, 2014. 169 p.

Рис. 2. Пример соотношения интенсивности движения, транспортной потребности и пропускной способности в течение дня при перегрузке Fig. 2. Example of the ratio of traffic intensity, transport demand and flow capacity during a day under overload

Рис. 3. Зависимость потребления топлива от скорости сообщения при различной степени загрузки элементов УДС2 Fig. 3. Dependence of fuel consumption on speed under different loading degree of road network elements

УДС. При перегрузке СО координация не раются в еще не разъехавшиеся очереди работает, так как пачки автомобилей упи- на следующем светофорном объекте.

Анализ опыта разгрузки УДС города

На основе зарубежного опыта представлена система методов повышения эффективности функционирования дорожно-транспортной сети города (рис. 4).

При низкой загрузке сети, ориентируясь на транспортный спрос, повышают

комфортабельность поездки, обеспечивая координацию СО. При высокой загрузке сети, ориентируясь на пропускные возможности элементов УДС, осуществляют дозированный пропуск транспортных средств на перегруженные участки.

В Германии и Швейцарии с перегрузками УДС борются с помощью системы транспортного менеджмента [2, 3]. Пример метода транспортного менеджмента представлен на рис. 5.

Благодаря комплексному воздействию на мобильность населения можно добиться перераспределения загрузки как отдельных элементов, так и всей УДС (рис. 6).

Оценить состояние перегонов на УДС можно по длительности заторов в процентах к рассматриваемому периоду

Наиболее эффективно можно управлять транспортными потоками при

перегрузке элементов УДС в режиме реального времени, т.е. при оценке состояния элементов УДС и возможности управления online с помощью светофоров и динамических дорожных знаков нужно дозировать въезд на перегруженные участки, перераспределять транспортную нагрузку по сети. Оценивая интенсивность движения, уровень загрузки, длину очередей, прогнозируя параметры транспортного потока на сети в режиме реального времени, можно применять современные системы управления транспортными потоками, например Balance (рис. 8).

Рис. 4. Система методов воздействия на транспортные потоки УДС города [2] Fig. 4. System of methods to impact traffic flows of the city road network

Zürich

«ш

Игяшн

Рис. 5. Пример воздействия на транспортный поток Fig. 5. Example of traffic flow impact

Рис. 6. Сопоставление изменения желаемого и фактического уровней интенсивности движения в течение суток[4] Fig. 6. Comparison of change in desirable and actual levels of traffic intensity during a day

Рис. 7. Оценка длительности заторов на элементах УДС в процентах к рассматриваемому периоду Fig. 7. Assessment of congestion duration on road network elements in percents of the period under examination

В г. Волгограде на светофорных объектах, как правило, работает одна программа, рассчитанная на пиковую нагрузку (рис. 9). Актуальность данной программы и эффективность ее работы определяются двумя факторами: как и когда была получена расчетная интенсивность. Очевидно, что в межпиковые периоды цикл избыточен, поэтому средние задержки выше возможного уровня.

Более эффективным является адаптивное (временно-зависимое) регулирование, которое позволяет учитывать пиковые и межпиковые периоды (рис. 10). Для г. Волго-

града в 2009 г. проектировали автоматизированную систему управления дорожным движением (АСУДД) с набором временных программ (основанных на сборе данных ин-тенсивностей дорожного движения), но вследствие отсутствия финансирования проект не был реализован. К чемпионату мира по футболу 2018 г. планируется внедрить АСУДД, но данные 2009 г. уже не актуальны, так как произошли существенные изменения в дорожно-транспортной системе г. Волгограда. Приведенный практический пример оценки параметров транспортного потока говорит о необходимости учета

Рис. 8. Микроскопическая транспортная модель в Balance [5] Fig. 8. Microscopic transport model in Balance[5]

Q [авт./час] / À [vehicle per hour]

Time

Рис. 9. Диаграмма суммарной суточной интенсивности движения на перекрестке Fig. 9. Diagram of total daily traffic intensity at the intersection

Q [авт./час] / 4 [vehicle per hour]

-г --1--'-1----

0 6 12 18 24 Время /

-P1-{РЗ)1— P3—+— P2—+— P3—+— P2—+—P4—T'me

Рис. 10. Диаграмма суммарной суточной интенсивности движения на перекрестке с выделенными пиковыми и межпиковыми периодами расчетной интенсивности движения Fig. 10. Diagram of total daily traffic intensity at the intersection with the identified peak and interpeak rated traffic intensities

скорости реализации управляющих воздействий на транспортные потоки города.

Еще более эффективным (экономичным) является расчет программ СО на более низкую, чем пиковая, интенсивность

движения и снижение нагрузки на СО за счет адаптивного изменения светофорной программы и транспортного менеджмента (рис. 11).

Рис. 11. Диаграмма суммарной суточной интенсивности движения на перекрестке с принятой расчетной интенсивностью меньше «пиковой» на основе [6] Fig. 11. Diagram of the total traffic intensity at the intersection with the accepted rated traffic intensity less than

the "peak"one based on [6]

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее простым и понятным может быть следующее представление оценки уровня загрузки или качества дорожного

движения (уровня удобства движения -УУД) для перекрестков (рис. 12).

Степень загрузки, задержки / Loading degree, delay

Пограничное состояние / Borderline state

Приграничное состояние / Border state

Л

С В А

V Допустимые значения I Admissible values

Рис. 12. Оценка качества дорожного движения на перекрестке Fig. 12. Assessment of traffic quality at the intersection

Уровень удобства движения - субъективный параметр. Однозначно низкое качество организации дорожного движения для УУД можно считать Е и F (степень загрузки более 0,85 - наличие остаточной очереди перед РП). Для эффективного управления качеством дорожного движения на РП необходимо провести следующие мероприятия:

- установить пограничные и приграничные значения критериев оптимизации;

- оценить эти значения для определенных периодов времени;

- организовать регулярную проверку и уточнение уровней требований.

На основе системного анализа применяемых за рубежом и в России методов

предлагается следующая система повышения эффективности функционирования УДС города при перегрузках (рис. 13).

Если в экономически развитых странах большинство АСУДД третьего поколения, то в России только первого и второго поколения. Это вызвано как фактором высокой стоимости систем третьего и четвертого поколения (следует заметить, однако, что затраты на их создание быстро бы окупились), так и отсутствием отечественных программных и технических разработок в этом направлении. При этом внедрение АСУДД за рубежом осуществляется комплексно, на основе апробированных решений в отдельных регионах [7].

Транспортный менеджмент / Transport management

АСУДД

Локальная оптимизация на CO / Local optimization on a traffic light object

Рис. 13. Система управления транспортными потоками при перегрузках УДС Fig. 13. Control system of traffic flows in overloaded road networks

Заключение

Эффективность управления транспортными потоками в условиях перегрузки элементов УДС зависит от актуальности данных о параметрах транспортных потоков, их точности и детализации, а также от качества применяемых методов управления и скорости их принятия. Оценивая наличие резервов пропускной способности, свободных площадей для очередей автомобилей на отдельных элементах УДС, нужно перераспределять нагрузку по сети. Светофорные объекты являются основными элементами УДС города, позволяющи-

ми координировать и дозировать транспортные потоки в режиме реального времени, поэтому необходимо развивать теорию и практику управления СО.

Перспективным направлением системного воздействия на мобильность населения для России является транспортный менеджмент. Предложена современная система повышения эффективности функционирования УДС города при перегрузках (рис. 13). Детализация и адаптация предложенной системы к условиям России требует дальнейших исследований.

Библиографический список

1. Витолин С.В. Значение длины очереди автомобилей перед светофорным объектом и современные подходы к ее оценке. Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2016. Вып. 4 (50). С. 53-59.

2. Schwerzmann Daniel A. Busfahren im Stau. Herausforderungen und Lösungsansätze im Kanton Aargau. Verkehrsmanagement im Kanton Aargau. VöV-Fachtagung, 25. Mai 2016. 30 p.

3. Busch F. Verkehrssteuerung-management des Gesamtverkehrs in Metropolen. Technische Universität München, Berlin, 2 Juni 2008. 24 p.

4. Boltze M. «Spitzen meiden» - Ansätze zur effizienteren Nutzung der Verkehrssysteme. Technische Uni-

versität Darmstadt, Fachgebiet Verkehrsplanung und Verkehrstechnik ZIV - Zentrum für integrierte Verkehrssysteme GmbH, Darmstadt, 7 Juni 2010. 18 p.

5. Friedrich B. Steuerung von Lichtsignalanlagen, Balance - ein neuer Ansatz. Jan. 2000. [Электронный ресурс]. Available at: https://www.researchgate.net/ profile/Bernhard_Friedrich/publication (1 November 2017).

6. Hoffmann S. Dynamischer Entwurf von Straßenverkehrsanlagen. Institut für Verkehrswirtschaft, Straßenwesen und Städtebau, Universität Hannover. 2002, 11 p.

7. Жанказиев С.В. Интеллектуальные транспортные системы. Москва. МАДИ. 2016. 119 c.

References

1. Vitolin S.V. Significance of the vehicle queue length in front of the signalized object and modern approaches of its estimation. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta [Vestnik of the Siberian State Automobile and Highway University]. 2016, ussue 4

2. Schwerzmann Daniel A. Busfahren im Stau. Herausforderungen und Lösungsansätze im Kanton Aargau. Verkehrsmanagement im Kanton Aargau. VöV-Fachtagung, 25. Mai 2016, 30 p.

3. Busch F. Verkehrssteuerung-management des Gesamtverkehrs in Metropolen, Technische Universität München, Berlin, 2 Juni 2008, 24 p.

4. Boitze M. «Spitzen meiden» - Ansätze zur effizienteren Nutzung der Verkehrssysteme. Technische Uni-

versität Darmstadt, Fachgebiet Verkehrsplanung und Verkehrstechnik ZIV - Zentrum für integrierte Verkehrssysteme GmbH, Darmstadt, 7 Juni 2010, 18 p.

5. Friedrich B. Steuerung von Lichtsignalanlagen, Balance - ein neuer Ansatz. Jan. 2000. Availabe at: https://www.researchgate.net/profile/Bernhard_Friedrich /publication

6. Hoffmann S. Dynamischer Entwurf von Straßenverkehrsanlagen, Institut für Verkehrswirtschaft, Straßenwesen und Städtebau, Universität Hannover, 2002, 11 p.

7. Zhankaziev S.V. Intellektual'nye transportnye sis-temy Moscow [Intelligent transportation system]. MADI Publ,. 2016 . 119 p.

Критерии авторства

Витолин С.В. подготовил статью и несет ответственность за плагиат.

Authorship criteria

Vitolin S.V has prepared the article for publication bears the responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this paper.

Статья поступила 02.11.2017 г.

The article was received 02 November 2017