СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА МАГИСТРАЛИ, ПЕРЕСЕКАЕМОЙ ПОТОКАМИ АВТОМОБИЛЕЙ, ДВИЖУЩИХСЯ В ПОПЕРЕЧНОМ НАПРАВЛЕНИИ
METHOD FOR REGULATION OF TRANSPORT FLOWS ON HIGHWAY CROSSED BY FLOWS OF VEHICLES MOVING TRANSVERSELY

Изобретение относится к способам управления движением транспортных средств на магистралях, пересекаемых потоками автомобилей, движущихся в поперечном направлении, движение которых на перекрестках регулируется светофорами.
Известен способ и система управления дорожным движением (заявка РСТ 92/18961). Это решение улучшает прохождение транспортных потоков через перекрестки за счет использования управляющих двухфазных сигналов, а также использования поворотной полосы движения, которая распространяется от полосы движения на одной стороне движения по магистрали через встречную полосу движения и затем по краю этой встречной полосы движения подходит к перекрестку, чтобы автомобили могли встать в очередь для поворота направо в конце поворотной полосы после появления зеленого сигнала, который создает паузу во встречном движении, освобождая для проезда встречную полосу движения.
Недостатком этого технического решения является то, что оно не обеспечивает установление на магистрали непрерывного (безостановочного) транспортного потока, а значит, максимально высокой пропускной способности на магистрали.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ регулирования движения на магистралях с перекрестками в виде так называемой «зеленой волны» (см., например, Кременец Ю.А. Технические средства организации дорожного движения. М.: Транспорт, 1990 г.). В соответствии с этим способом зеленые сигналы на светофорах включаются в зависимости от скорости движения автомобилей на трассе и расстояний между регулируемыми перекрестками, для чего все светофоры на перекрестках оснащаются специальными датчиками. Считается, что при этих условиях, то есть с регулируемыми подобным способом перекрестками, автомобилям обеспечивается безостановочный проезд по автотрассе.
Недостатком «зеленой волны», как давно уже показала практика, является нереальность выдерживания водителями автомобилей навязываемой скорости в условиях движения по перегруженной автотрассе. Кроме того, при «зеленой волне» отсутствует синхронизация работы всех светофоров на магистрали, без которой невозможно одновременное прохождение через перекрестки встречных потоков автотранспорта.
Задачей изобретения является создание условий для обеспечения на магистрали непрерывного, или безостановочного, движения в интервале скоростей 60-90 км/ч наиболее дешевыми и эффективными средствами.
Техническим результатом изобретения является создание высокой пропускной способности на магистрали - около 1500 автомобилей в час на каждой полосе движения магистрали при скорости автомобилей на магистрали в диапазоне 60-90 км/ч с учетом организации на магистрали одновременного безостановочного движения встречных транспортных потоков.
Технический результат достигается тем, что в способе регулирования транспортных потоков на магистрали, пересекаемой потоками автомобилей, движущихся в поперечном направлении, заключающемся в использовании управляющих сигналов на перекрестках, формируют отдельные колонны автомобилей, движущиеся через перекрестки непрерывно, число автомобилей в колонне и длительность разрешающего сигнала светофора задают в соответствие с установленной средней скоростью движения колонн и протяженностью перегонов между перекрестками, причем интервал движения между колоннами равен времени работы разрешающего сигнала светофора, одинакового для всех перекрестков магистрали, светофоры соседних перекрестков на магистрали работают в противофазе, подвод головных автомобилей каждой колонны к перекрестку производят к моменту появления разрешающего сигнала светофора путем сканирования водителями головных автомобилей колонны с цветоцифрового светофора и с других указателей, например, со светящихся табло, установленных на каждом перегоне сбоку или сверху информации об остающемся времени до появления разрешающего сигнала светофора, что одновременно является и средством формирования объема каждой колонны, в соответствие со сканируемой водителями информацией с указанных указателей водители производят необходимую коррекцию скорости автомобиля вручную или эта коррекция производится автоматически, поддержание квазипостоянного числа автомобилей в каждой колонне вследствие их убыли за счет съезда с магистрали осуществляют пополнением колонны автомобилями с поперечных магистрали направлений по разрешающему въезд на магистраль сигналу въездного светофора с присоединением к соответствующей колонне, разрешающий въезд сигнал включают по сигналу от датчиков, ведущих постоянный пересчет автомобилей в каждой колонне, при заданной убыли автомобилей в колонне.
Кроме того, устанавливают скорость движения на магистрали в интервале 60-90 км/ч.
Кроме того, пересчет автомобилей в колонне производят на каждом перегоне с помощью проходных детекторов, которые выдают сигналы при появлении автомобиля в контролируемой каждым детектором зоне на всех полосах движения, фиксируя факт появления автомобиля, затем осуществляют в устройстве обработки информации, поступающей со всех детекторов, пересчет автомобилей в колонне и передают с помощью управляющего устройства на светофор команду на включение разрешающего въезд автомобилей с поперечных направлений на магистраль сигнала только при 10-процентной убыли автомобилей из уже сформировавшейся в соответствии с параметрами движения и параметрами магистрали колонны.
Кроме того, коррекцию скорости автомобилей на перегонах в зависимости от показаний информационных табло производят автоматически путем считывания видеодатчиками в автомобиле информации с табло или светофора, ее обработки и передачи соответствующего сигнала на датчик-регулятор скорости, который производит необходимое изменение скорости автомобиля в соответствии с передаваемой информацией о времени до изменения знака светофора в рамках установленного интервала скоростей, видеодатчики также принимают информацию о наличии пешеходов на автомагистрали и учитывают расстояние безопасности до соседних автомобилей с передачей соответствующих команд на систему управления автомобилем.
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, с 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, а в данном случае с их количеством в сформированной колонне автомобилей, можно постоянно удерживать движение по магистрали в обозначенных рамках значений скорости или плотности транспортного потока, например, в рамках скорости 60-90 км/ч, если предусмотреть между отдельными сформированными колоннами автомобилей интервал движения, равный продолжительности действия разрешающего сигнала светофора, что позволяет при указанных дополнительных условиях установить непрерывное движение по магистрали с встречными полосами движения. Указанный 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 сначала процесс формирования транспортных потоков на магистралях 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:
2
lдб=τз·v+v/50,
где τз - время задержки, то есть время реакции водителя на изменение окружающей обстановки; v - скорость автомобиля.
Если окружающая обстановка для водителя является стабильной и не беспокоит его, то, как показывает опыт, в среднем τз составляет около 0,5 с. В среднем это время задержки сохраняется при скоростях автомобиля от 30 км/ч до 90 км/ч.
При снижении скорости за предел в 30 км/ч 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 τз увеличивается до 1 с.
При высоких скоростях движения, начиная от 90 км/ч, физическое и психологическое напряжение водителя увеличивается, так как опасность возрастает, и τз снова увеличивается до 1 с.
Время реакции водителя τз, 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 sт=v/2a, где a - отрицательное ускорение в м/с. По техническим требованиям для современных транспортных средств а должно быть не меньше 5 м/с. Допустимый разброс имеет порядок 10%. Возьмем в качестве примера худший вариант - автомобиль, идущий впереди, отрегулирован при торможении на a=5,5 м/с, а следующий за ним автомобиль отрегулирован на a=4,5 м/с. Тогда, если один автомобиль, идущий со скоростью 25 м/с, пройдет при торможении v/2a=625/9, другой автомобиль пройдет путь v/2a=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/с (90 км/ч) 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/ч (25 м/с). 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 с. За одну секунду автомобиль пройдет 5/6 lд (25 метров).
За один час пропускная способность полосы движения N при данной скорости составит 5/6×3000 с = 3000 автомобилей в час.
При снижении скорости будут меняться динамическая длина и пропускная способность полосы движения. Например, если автомобили движутся со скоростью 7,2 км/ч (2 м/с) дистанция безопасности lдб составляет 2,1 метра, то есть при времени задержки τз=1 с расстояние между автомобилями составляет чуть больше 2 метров, динамическая длина lд - около 7 метров, а пропускная способность N=2/7~0,3 авт/с, то есть она сократилась в три раза - с 5/6 авт/с до 2/7 авт/с.
Пропускная способность полосы движения магистрали в зависимости от скорости меняется нелинейно, 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/с (7,2 км/ч) до 45 м/с (162 км/ч). Для сравнения отметим в таблице также 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/с)
lд (м)
N (авт/с)
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/с (~36 км/ч) до 25 м/с (90 км/ч) 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/ч для наиболее выгодного расхода горючего автомобилей и для сокращения времени автомобиля в пути.
Введем понятие плотности транспортного потока γ, которая равна отношению физической длины автомобиля к динамической длине автомобиля: γ=ls/lд.
При v=25 м/с (90 км/ч) lд=25+5=30 м и γ=5/30=1/6~17%.
При v=17 м/с (60 км/ч) lд=14,3+5=19,5 м и γ=5/19,3=1/6~26%.
Поэтому мерой для эффективного использования магистралей непрерывного движения является решение задачи обеспечения плотности транспортного потока в диапазоне 17-26%, что соответствует скорости движения автомобилей в интервале 60-90 км/ч.
Оценим пропускную способность на магистралях с перекрестками, на которых автомобилями производится остановка по запрещающему сигналу светофора, по сравнению с пропускной способности на тех же магистралях с перекрестками при условии обеспечения на них движения автомобилей без остановки.
Управление движением на магистралях с перекрестками производится с помощью светофоров. При включении запрещающего сигнала транспортный поток прерывается и перед перекрестком накапливаются автомобили. После включения разрешающего сигнала автомобили начинают движение последовательно: сначала трогается первый, через секунду - второй, третий - через две секунды и т.д. Таким образом, каждый автомобиль трогается через секунду, так как каждому надо иметь минимальную дистанцию безопасности. Для каждого последующего автомобиля возрастает расстояние до перекрестка. Если принять, что автомобиль за автомобилем занимают промежуток 6 метров, второй автомобиль будет двигаться до перекрестка 6 метров, третий - 12 метров и т.д. Расчет набора скорости показывает, что второй автомобиль будет двигаться до перекрестка одну секунду, в общей сложности у него уйдет две секунды для продвижения до перекрестка, у двадцатого - 40 секунд. Поэтому на каждый автомобиль уходит последовательно 2 секунды. В итоге, если время разрешающего сигнала 40 секунд, то за это время через перекресток пройдут по одной полосе движения 20 автомобилей, то есть пропускная способность перекрестка по отношению к одной полосе движения составляет 1/2, или 0,5 авт/с. Однако за разрешающим сигналом включится запрещающий сигнал светофора на 40 секунд. Таким образом, через перекресток за 80 секунд пройдет 20 автомобилей, а с учетом паузы на трехсекундный сигнал промежуточного желтого цвета еще меньше (~18), то есть пропускная способность N=18/80=0,22 авт/с=800 авт/ч.
Получаем в результате, что пропускная способность перекрестка для одной полосы движения примерно в четыре раза ниже пропускной способности одной безостановочной полосы движения при скорости в диапазоне 40-90 км/ч.
Если все автомобили перед светофором за полный цикл смены знаков (80 с) не успеют пройти, то у оставшихся время ожидания будет в два раза больше и средняя скорость автомобилей на магистрали падает при той же пропускной способности магистрали. Поэтому эффективность использования транспортных средств еще больше снижается из-за этого уменьшения скорости.
Пропускную способность полосы движения можно увеличить в два раза, если пропускать автомобили через перекресток с ходу, или без остановки. Тогда каждая отдельная колонна автомобилей проходит перекресток без остановки, но средняя эффективность использования транспортных средств будет в два раза ниже, так как между колоннами имеется промежуток, равный времени действия сигнала светофора. Однако по сравнению с обычным движением автомобилей через перекрестки со светофорами с остановками пропускная способность при организации безостановочного движения колоннами через перекрестки повышается в два раза - с 800 авт/ч до примерно 1500 авт/ч за счет непрерывного движения колонн друг за другом без остановки.
Предложенный способ регулирования автомобильного движения на магистрали состоит в том, что реализуется пересечение транспортным потоком перекрестка сходу. Этим и обеспечивается максимальная пропускная способность N для прерывистого транспортного потока. Для этого формируют поток транспортных средств с разрывами, состоящий из колонн (пулов), которые сходу, друг за другом, соблюдая установленный интервал, пересекают каждый перекресток на магистрали на разрешающий сигнал светофора.
Первой обязательной мерой для этого является фазирование потока транспортных средств, то есть решение задачи подвода головных автомобилей каждой отдельной колонны к перекрестку к моменту появления разрешающего сигнала светофора. Это обеспечивается путем информирования водителя автомобиля тем или иным способом о времени, остающемся до появления разрешающего сигнала светофора. Водители головных автомобилей и водители, следующие за первыми, видя время, остающееся до появления разрешающего сигнала, так или иначе манипулируют скоростью движения автомобиля и тем самым обеспечивают подход к перекрестку головных автомобилей колонны к моменту появления разрешающего сигнала светофора. Коррекцию скорости автомобилей на перегонах в зависимости от показаний информационных табло можно также производить автоматически путем считывания видеодатчиками в автомобиле информации с табло или светофора, ее обработки и передачи соответствующего сигнала на датчик-регулятор скорости, который производит необходимое изменение скорости автомобиля в соответствии с передаваемой информацией о времени до изменения знака светофора в рамках установленного интервала скоростей, видеодатчики также принимают информацию о наличии пешеходов на автомагистрали и учитывают расстояние безопасности до соседних автомобилей с передачей соответствующих команд на систему управления автомобилем (см., например, патент РФ №2317592).
При использовании средств фазирования транспортного потока все светофоры магистрали имеют одинаковый цикл работы, или одинаковую продолжительность разрешающего сигнала, что обеспечивает неизменное количество автомобилей в колонне и одинаковый проход колонны через все перекрестки, то есть при появлении запрещающего сигнала в колонне не будут скапливаться дополнительные автомобили. Кроме того, это обеспечит синхронизацию движения встречных потоков автомобилей на магистрали.
Длительность разрешающего сигнала соответствует скорости движения транспортного потока между перекрестками - около 75 км/ч - при преодолении средней протяженности перегона.
Светофоры соседних перекрестков магистрали работают в противофазе.
В процессе движения по магистрали часть автомобилей покидает магистраль и уменьшает количество автомобилей в колонне. Поэтому для поддержания высокой эффективности использования магистрали и высокой эффективности использования транспортных средств необходимо регулировать количество автомобилей в колонне.
Поскольку длительность разрешающего сигнала на всех перекрестках одинакова и поскольку при измерении скорости в интервале 10-25 м/с пропускная способность полосы движения N изменяется не более чем на 5%, целесообразно обеспечить приблизительно постоянное число автомобилей в колонне. Например, время разрешающего сигнала светофора - 40 секунд. Тогда при пропускной способности 3000 авт/ч, или 5/6 авт/с по каждой полосе движения через перекресток (5/6×40 с) пройдет не более 33 автомобилей. Тогда при трехполосной магистрали в колонне будет примерно 100 автомобилей
Для регулирования числа автомобилей в колонне используют стандартные датчики того или иного типа, например проходные детекторы, которые выдают нормированные по длительности сигналы при появлении транспортного средства в контролируемой датчиками зоне. Таким образом, детектор фиксирует факт появления автомобиля (см., например, 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.). Такие проходные детекторы измеряют число автомобилей в колонне, обрабатывают и передают информацию на управляющее устройство, которое дает команду на включение разрешающего сигнала въездного светофора с бокового направления только при уменьшении числа автомобилей в колонне, например, на 10% (со 100 автомобилей в данном примере до 90) и переключает сигнал въездного светофора на запрещающий, когда число автомобилей в колонне восстановится (до 100) за счет въехавших автомобилей. Совокупность этого оборудования составляет на каждом перекрестке локальный автомат управления движением.
Практически число автомобилей в колонне определяется параметрами магистрали и длительностью разрешающего сигнала светофора.
Следует отметить, что остановка тех или иных автомобилей не опасна, так как эти автомобили отсекаются от одной колонны и присоединяются к другой. А неодинаковая протяженность перегонов между перекрестками и возможная неодинаковость запрещающих движение сигналов компенсируются изменением скорости движения колонны между перекрестками.
Локальные автоматы управления движением работают практически автономно. При стыке магистралей между собой работа автоматов соседних магистралей согласуется между собой. В этом случае оказывается предпочтение одной из магистралей, имея в виду перемещения части потока с одной магистрали на другую.
Совокупность автоматов магистрали и автоматов всех магистралей представляют собой распределенную автоматическую систему управления всех магистралей города.
Информировать водителей о времени переключения светофора можно различными способами. Например, перед появлением разрешающего сигнала включать желтый сигнал или большими цифрами на фоне красного сигнала сообщать об остающемся времени до появления разрешающего (зеленого) сигнала светофора.
Наиболее надежным представляется цветоцифровой способ информации водителей автомобилей о смене знак светофора. При этом информацию на светофоре можно дублировать большими цветоцифровыми индикаторами (табло), установленными с определенным интервалом, например через каждые 100 метров, на перегоне по бокам или сверху. Такого рода табло не только информируют водителей о времени, остающемся до переключения светофора, но и формируют колонну автомобилей, проходящую целиком перекресток за время разрешающего сигнала светофора. Кроме этого светящиеся табло можно использовать для считывания с них видеодатчиками, установленными на движущемся по перегону автомобиле, информации о времени, остающемся до переключения светофора, передавать соответствующий сигнал на датчик-регулятор скорости, установленный на автомобиле, и этот датчик-регулятор автоматически, то есть без участия водителя, производит соответствующую коррекцию скорости автомобиля для его безопасного проезда в рамках установленного интервала скоростей 60-90 км/ч в составе колонны через перекресток.
Установленный скоростной режим при движении колоннами с установленным интервалом на магистрали 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 а также, в случае необходимости, для движения общественного транспорта.
При стыке магистралей между собой работу локальных автоматов управления движением 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 представляет 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.