СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА МАГИСТРАЛЯХ Российский патент 2016 года по МПК G08G1/00 

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для контроля и регулирования транспортных потоков на автодорогах.

Из существующего уровня техники известны способы регулирования транспортных потоков (RU 2486599, 2454726 и 2442219, G08G 1/08), где для уменьшения простоев транспортных средств перед светофорами предложено изменять длительность фаз работы светофора на перекрестке в зависимости от загруженности дороги рядом с ним, определяемой специальными датчиками. Устройство управления светофорным объектом с помощью компьютера (RU 2151424, G08G 1/081) предусматривает автоматическое адаптивное управление светофорами перекрестка.

Недостатком этих способов является отсутствие учета движения на других участках улицы. Из-за несогласованности работы светофоров автомобили останавливаются практически перед всеми светофорами улицы, что приводит к снижению средней скорости до двух раз по сравнению с максимальной допустимой скоростью, а также к значительному снижению пропускной способности улицы.

Аналогами заявляемого способа служат способ координированного управления насыщенных транспортных потоков (заявка на изобретение №:2010105909) и указатель скорости движения транспорта при управлении светофорами по «зеленой волне» (RU 353257, G08G 1/07). Между автоматическими программируемыми светофорами магистрали устанавливают связь, задают заранее рассчитанный режим координированной работы светофоров по всей длине регулируемой магистрали, одинаковый на определенный период времени суток. Транспортные средства в виде плотной группы движутся без остановки перед светофорами. Скорость потока приближается к предельной допустимой на данной магистрали. Доля пропускной способности магистрали от максимально возможной определяется долей времени для пропуска автомобилей вдоль магистрали.

Недостатком способа координированного управления является низкая пропускная способность магистрали в прямом направлении из-за необходимости пропуска автомобилей в других направлениях.

Светофоры делят время работы перекрестка между различными направлениями движения, поэтому снижают пропускную способность перекрестка для каждого из направлений. Для организации движения вдоль и поперек одной улицы с одновременными поворотами направо, для осуществления двух пар левых поворотов и для пропуска пешеходов во всех направлениях требуется иметь 5 основных фаз работы светофора с промежуточными включениями желтого сигнала. Поэтому светофор снижает пропускную способность перекрестка в каждом направлении более чем в 5 раз. Если в каком-либо направлении перекресток не освобождается в течение одного цикла, то проехать в этом направлении удастся за 2 или 3 цикла. Так что пропускная способность снижается в 10 или 15 раз. Ясно, что компенсировать такое снижение пропускной способности простым изменением продолжительности отдельных фаз светофоров или расширением дорог не реально. Если на магистрали даже один перекресток имеет светофор с большим числом фаз работы светофоров, то он определяет пропускную способность всей магистрали.

Второй аналог заявляемого способа регулирования транспортных потоков составляют известные способы повышения пропускной способности перекрестков Способ управления транспортными потоками с помощью двух рядов светофоров и стоп-линий перед перекрестком (RU 2409870), обеспечивающий ускорение пересечения перекрестка и безопасные условия для прохода пешеходов. На разрешающий сигнал светофора выезжают автомобили для движения во всех направлениях, проезжают прямо и направо. Автомобили, направляющиеся налево, останавливаются на перекрестке, пропуская автомобили, движущиеся навстречу прямо. В конце интервала на дальних от перекрестка светофорах переключают сигнал, останавливая движение прямо. Автомобили, находящиеся на перекрестке, завершают повороты налево, следом за ними начинают движение от дальних светофоров автомобили, движущиеся в поперечном направлении.

Однако описанный эффект может быть достигнут только при небольшом количестве автомобилей, совершающих поворот налево в промежуток времени между переключениями светофоров. Автомобили, стоящие на перекрестке в ожидании возможности завершить левый поворот, затрудняют движение прямо. Такой способ регулирования не имеет преимуществ перед обычным регулированием одним рядом светофоров, имеющих две основные фазы работы, где левые повороты осуществляются на желтый сигнал светофора после окончания движения в прямом направлении.

На пересечениях улиц с односторонним движением устанавливают светофоры с двумя основными фазами работы. На разрешающий сигнал светофора автомобили проезжают прямо и поворачивают на пересекающую улицу, пропуская пешеходов.

Для улиц с многорядными движениями работа с двумя основными фазами светофоров возможна путем организации левых и правых поворотов из боковых проездов или с использованием двух рядов светофоров со всех сторон перекрестка, описанных в патенте РФ №2409870. В последнем случае пространство между рядами светофоров используют в качестве «карманов» для подготовки к совершению поворотов. На зеленый сигнал светофора выезжают автомобили для движения во всех направлениях. Из левых рядов едут прямо, а из одного или двух правых рядов поворачивают направо на пересекающую улицу. Автомобили, совершающие правый поворот, останавливаются у стоп-линий перед вторым от перекрестка светофором для пропуска пешеходов или продолжают движение по пересекающей улице. Для совершения левого поворота автомобили разворачиваются и останавливаются на другой стороне поперечной дороги у стоп-линий перед светофором, ближайшим к перекрестку. После переключения светофоров сначала уезжают автомобили, завершающие повороты и следом за ними те, которые выезжают с пересекающей улицы во всех направлениях. Пешеходы при необходимости переходят улицы за вторыми от перекрестка светофорами.

В получивших большое распространение многоуровневых развязках полностью снята проблема распределения времени между пересекающимися направлениями движения.

Недостатком всех этих способов организации движения является то, что они не исключают образование дорожных заторов. Заторы возникают в городах и на загородных шоссе, при наличии перекрестков со светофорами и при развязках на разных уровнях. При заторах скорость потоков транспортных средств снижается от 10 до 100 раз. При этом пропускная способность падает от 3 до 10 раз. Образование дорожных заторов влияет на дорожное движение сильнее других факторов. Происходят они в периоды массовых выездов автомобилей в сеть магистральных улиц, то есть тогда, когда особенно важна высокая пропускная способность сети дорог.

Известны способы оптимизации движения транспортных потоков при наличии заторов путем создания систем навигации, представляющих водителям транспортных средств информацию о местах заторов в городе и/или регионе. Известен способ, который реализован в автомобильном навигационном приборе, имеющем память для хранения карты местности, бортовой компьютер, дисплей и приемник дорожной информации (US N5742922, МПК G01C 021/00, патенты Японии №07029098 от 31.01.1995 г. и №08044997 от 16.02.1996 г.). Компьютер с помощью GPS определяет текущие координаты транспортного средства, вычисляет кратчайший маршрут от начальной до конечной точки и отображает его на дисплее. Приемник дорожной информации получает извне радиосообщение с информацией о дорожных "пробках" и затруднениях в движении на дорогах. Эта информация отображается на дисплее изменением окраски дороги в местах затруднения движения, причем степень изменения окраски соответствует степени затруднения движения транспортных средств.

Патенты RU N2153194 и 2125295, МПК G08G 1/00 предусматривают создание на центральном компьютере города электронной карты с данными о скоростных режимах на дорогах, оперативного уточнения параметров этой карты, передачу ее на компьютеры транспортных средств, где вырабатывается оптимальные маршруты для всех участников дорожного движения.

В «системе комплексного управления движением транспорта» (Патент RU 2156500? G08G 1/07), центральный компьютер с учетом полной информации о состоянии движения на дорогах и о погодных условиях не только направляет автомобили, имеющие радиосвязь с центральным пунктом управления, но и управляет работой светофоров и дорожных знаков.

Эти технические решения имеет следующие недостатки.

1. Они направлены на поиск маршрута, обеспечивающего наименьшее время движения до конечного пункта, когда на пути кратчайшего маршрута сильно затруднено движение, и остальные магистрали загружены, скорость движения по ним сильно снижена, то есть на поиск лучшего решения среди плохих.

2. Они не гарантируют выигрыш по времени в пути, так как к моменту прибытия транспортных средств к намеченной магистрали на ней может измениться состояние дорожного движения.

3. Система управления имеет большое запаздывание, что может привести к раскачиванию процесса движения, в результате которого транспортные потоки будут перенаправляться с одних магистралей на другие, создавая дополнительные нагрузки на сеть магистралей и вызывая возникновение заторов в новых местах.

4. Направление потоков автомобилей на более свободные магистрали приведет в конечном итоге к заторам на всех магистралях города и/или региона.

Наиболее близким к заявленному является способ регулирования транспортных потоков на магистрали (RU 2422908, G08G 1/01). Контролируют параметры транспортного потока на каждой полосе магистрали, задают два крайние пороговые значения параметров, связанных со скоростью движения автомобилей по магистрали. В случае выхода выбранного параметра при уменьшении скорости потока за первое пороговое значение с помощью светофоров останавливают въезд автомобилей с боковых направлений на соответствующий отрезок магистрали вплоть до достижения выбранным параметром второго порогового значения в результате роста скорости потока. После превышения второго порогового значения с помощью светофоров открывают приток автомобилей на магистраль.

Аналогично на всех остальных участках поддерживают непрерывное движение автомобилей на всем протяжении магистрали. Изобретение, по мнению авторов, позволяет повысить пропускную способность каждой полосы магистрали до 3000 автомобилей в час и удерживать скорость автомобилей в диапазоне 60-90 км/ч. В качестве параметра транспортного потока выбирают скорость автомобилей или зависящую от скорости характеристику плотности транспортного потока. Для измерения скорости используют заделанные в полотно каждой полосы магистрали датчик давления, по всплескам давления, в котором при заданной длине автомобиля 5 м определяют скорость автомобиля.

Недостатками данного технического решения являетсяследующее.

1. Принятое допущение о длине всех автомобилей 5 м и основанное на нем измерение скорости по длительности всплесков давления в проходном датчике приводит к большой погрешности измерения и получению недостоверного результата из-за движения по магистрали автомобилей значительно различающихся длиной и количеством осей.

2. Управляющие воздействия приводит к прекращению притока автомобилей на регулируемый участок магистрали на длительное время изменения скорости потока от 60 до 90 км/ч. Это приведет к значительным простоям автомобилей у светофора и периодическим изменениям в плотности потока на шоссе и прилегающих дорогах. Это должно привести к пробкам.

3. Контроль параметра потока автомобилей перед перекрестком не может быть использован на магистрали с пересечениями в одном уровне из-за снижения скорости перед светофором, а также не сможет учесть уплотнение потока на участке до перекрестка в результате аварии и вследствие ускоренного движения разреженного потока после места аварии выдаст ложный сигнал на увеличение притока на контролируемый участок.

4. Задание предельной плотности потока в начале магистрали может привести к прекращению въезда на магистраль на последующих участках. Известно устройство надежного контроля параметров потока (RU 2292085, G08G 1/01, «Система для автоматизированного контроля транспортных средств» содержит радиолокационное устройство, выполненное в виде отдельных радиолокационных сенсоров, излучающих немодулированные сигналы и закрепленных над каждой из полос движения с наклоном диаграммы направленности относительно вертикальной оси., Сенсоры фиксируют моменты вхождения и выхода автомобиля из зоны фиксации сенсоров и изменение частоты отраженного сигнала. Сенсоры подключены к входу блока регистрации и управления, в котором вычисляется скорость движения, длину и число проходящих по каждой полосе транспортных средств и, следовательно, могут быть определены дистанции между автомобилями.

Сущность изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является предотвращение образования транспортных заторов на всех магистралях города и/или региона.

Данная задача решается за счет того, что в способе регулирования транспортных потоков на магистралях, включающем контроль параметров потока и воздействие на поток каждой стороны магистрали с помощью светофоров, определяющих приток автомобилей с других дорог,

вычисляют фактическую дистанцию между автомобилями, используя измеренные скорость и временной интервал между автомобилями на каждом пункте контроля,

определяют скользящую среднюю дистанцию для всех полос одной стороны магистрали между пунктами контроля,

разность между заданным и измеренным значениями средней дистанции на каждой стороне каждого пункта контроля используют для выработки управляющего воздействия,

воздействуют на долю периода цикла работы светофоров, разрешающих приток транспортных средств на магистраль со всех дорог, примыкающих или пересекающих магистраль на участке до пункта контроля после предыдущего пункта контроля,

а также на заданное значение дистанции на предыдущем пункте контроля.

Для наиболее полного использования пропускной способности магистрали пункты контроля оборудуют после каждого пересечения или примыкания других магистралей.

Кроме того, с целью увеличения пропускной способности магистрали, пересекающейся с другими магистралями на одном уровне, организуют движение с двумя основными фазами работы светофоров и управляют светофорами по системе «зеленой волны», а для регулирования притока автомобилей на каждую магистраль используют дополнительные секции светофоров.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что на всех магистралях города и/или региона предотвращается образование заторов, предотвращается снижение скорости автомобилей и пропускной способности магистралей, сокращаются до минимума очереди в улицах местного значения и время перемещения до пункта назначения, а также достигается наибольший для существующей сети дорог и погодных условий поток автомобилей в магистралях города и/или региона. То есть достигается оптимум по всем параметрам движения в городе и/или магистрали.

Для пояснения сущности изобретения и причины достижения технического результата используется диаграммы, построенные на основании модели, предложенной в прототипе.

Дистанция между автомобилями, необходимая для безопасного движения по магистрали, определяется выражением

d=t·v+v·v/50 м;

плотность потока на магистрали

P=1000/(d+b) авт./км;

пропускная способность полосы дороги

Q=3.6·v·P авт./ч, где

t - время реакции водителя, с;

v - скорость автомобиля, м/с;

b - длина автомобиля, м.

Эти зависимости представлены графически на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 дана зависимость пропускной способности дороги от скорости для трех вариантов параметров. Пропускная способность увеличивается при увеличении скорости, достигает максимума при скорости около 50 км/ч и мало изменяется в диапазоне скоростей 44-80 км/ч. Для длинных (10 м) автомобилей пропускная способность ниже, чем коротких (5 м). Задание вдвое большего значения времени реагирования приводит к сокращению пропускной способности вдвое.

При больших дистанциях, когда длина транспортного средства мало влияет на плотность потока, пропускная способность близка к максимальной. При уменьшении дистанций плотность потока приближается к пределу 1000/b, но допустимая скорость стремится к нулю и пропускная способность резко падает. Задачей регулирования транспортного потока является не допускать переуплотнения потока.

Пропускная способность практически не зависит от скорости в диапазоне допустимых скоростей. Водители выбирают скорость не только в зависимости от плотности потока, но и в зависимости от погодных условий: туман, снегопад, гололед. Поэтому скорость не может быть параметром для управления плотностью потока и пропускной способностью дороги.

На фиг. 2 представлена зависимость пропускной способности и скорости от дистанции. Из-за ограничения скорости дорожными знаками чрезмерное увеличение средней дистанции приводит к уменьшению пропускной способности дороги.

В качестве заданного значения следует выбрать дистанцию, соответствующую максимуму пропускной способности при максимальной допустимой скорости. Тогда небольшие локальные уплотнения потока не будут приводить к снижению пропускной способности, а увеличения заданной дистанции приведет к уменьшению пропускной способности участка дороги и приток автомобилей на последующие участки будет ограничен.

Время реагирования зависит от физиологических параметров людей. Но водители не всегда адекватно оценивают время своей реакции и, тем более, не могут учесть зависимость тормозного пути своего автомобиля от скорости и часто выбирают слишком малую дистанцию, что приводит к групповым столкновениям при резком торможении одного из автомобилей в ряду. Ограничение притока автомобилей формирует движение с заданной дистанцией, что позволяет обеспечивать безопасность движения по магистрали и снижение вероятности аварий. Уменьшается вероятность резкого сокращения пропускной способности дороги.

Средняя дистанция между автомобилями является однозначным параметром безопасности движения при любой скорости и для автомобилей любой длины. Стабилизация дистанции для любых погодных условий позволит обеспечить безопасное движение в плохих погодных условиях путем снижения скорости. На скользкой дороге, когда коэффициент трения шин по дороге падает в несколько раз и становится непредсказуемым на разных участках дороги, самым надежным способом увеличить безопасность движения является снижение скорости без уменьшения дистанции. При этом пропускная способность дороги снизится, но заторов не будет.

Каждая магистраль имеет много примыкающих дорог. В городах к каждой магистральной улице примыкают или ее пересекают много других улиц. Пока автомобилей было не слишком много, приток автомобилей на каждую дорогу с других дорог приводил к увеличению плотности потока и увеличению благодаря этому пропускной способности дороги при той же допустимой скорости.

Однако при дальнейшем возрастании числа автомобилей на магистрали уплотнение потока приводило к сокращению дистанций между автомобилями до значений, при которых в целях безопасности движения приходится снижать скорость ниже допустимой. При этом снижается пропускная способность, поток еще больше уплотняется, скорость и пропускная способность еще более снижаются. То есть движение транспортного потока является неустойчивым процессом и любое даже временное повышение плотности потока или снижение пропускной способности, например, в результате аварии, приводит к лавинообразному снижению скорости потока и пропускной способности дороги. Затор может рассосаться только в месте значительного оттока транспортных средств, резкого расширения дороги или в случае прекращения притока автомобилей на дорогу. Регулированием средней дистанции между автомобилями путем изменения доли времени периодического притока автомобилей на магистраль с помощью светофоров можно предотвратить образование заторов и стабилизировать поток автомобилей.

При уменьшении дистанции ниже заданной увеличивают заданное значение дистанции на предыдущей точке контроля и с помощью светофоров сокращают длительность времени притока на участке перед контрольной точкой. При увеличении дистанции выше заданной сокращают заданное значение дистанции на предыдущей точке контроля, приближая ее к оптимальной на магистрали. С помощью светофоров увеличивают время притока на магистраль на участке перед контрольной точкой.

Контрольные точки оборудуют после примыканий или пересечений с другими магистралями. Это позволяет регулировать приток автомобилей на перекрестке и на всем контролируемом участке изменением доли времени разрешающего сигнала светофора, а также приток с предыдущих участков магистрали путем изменения заданного значения дистанции на предыдущем пункте контроля.

Этим предотвращается ложное срабатывание на сокращение дистанции из-за уплотнения потока при остановке перед светофором на пересечении магистралей в одном уровне. Способ работает наиболее эффективно при организации движения с двумя основными фазами светофоров и при согласовании работы светофоров по принципу «зеленой волны». Полосы для поворотов направо и налево на пересекающую магистраль снабжают специальной секцией светофора и отделяют от полос для движения по магистрали прямо. Доля периода цикла работы светофора для выезда на магистраль не может превышать доли периода цикла движения по пересекающей магистрали и может быть уменьшена в случае необходимости путем сокращения времени работы дополнительной секции светофора.

В соответствии с описанной организацией движения на регулируемом перекрестке возможно управлять притоком автомобилей только сразу на оба направления движения. Но на всех примыканиях к магистрали потоков автомобилей с других улиц или боковых проездов возможно раздельное управление на каждое направление движения. На всех пересечениях дорог в разных уровнях доступно управление притоком автомобилей на каждое из двух направлений движения по магистрали.

В случае аварии после перекрестка, когда прекращается движение по одной или двум полосам, пропускная способность этого участка дороги резко падает. В контрольной точке после места аварии, когда магистраль резко расширяется, дистанция между транспортными средствами возрастает, вырабатывается ложное управляющее воздействие на увеличение притока автомобилей и выдается задание оптимальной дистанции на предыдущем участке управления. Однако до места аварии плотность потока возрастает, измеренное значение дистанции становится меньше заданного и на контрольной точке до места аварии вырабатываются сигналы на сокращение притока с пересекающей магистрали и увеличение заданного значения дистанции на предыдущей контрольной точке - перед пересекающей магистралью. Притоки транспортных средств с магистрали до контрольной точки и с пересекающей магистрали сокращаются, плотность потока перед аварией снижается, все транспортные средства перестраиваются в свободные полосы и пропускная способность достигает максимального возможного значения на месте сужения дороги из-за аварии.

Сокращение притока с пересекающей магистрали может привести к образованию очереди на съезд. Если эта очередь на съезд начнет приводить к уплотнению потока на пересекающей магистрали, будет сокращен приток на эту магистраль. Скорость и пропускная способность на пересекающей магистрали не изменятся.

Такой способ управления транспортными потоками обеспечит максимум пропускной способности сети дорог и максимальную скорость перемещения в городе или регионе.

То есть предлагаемый способ направлен не на поиск лучшего решения для неорганизованных потоков транспортных средств, когда пропускная способность сети дорог значительно снижена, а позволяет управлять движением вблизи глобального оптимума.

В городе существует сеть магистральных дорог, обеспечивающая доступ к любому району города или выезд за город. Наряду с этим существует густая сеть улиц, обеспечивающих доступ к сети магистральных дорог из микрорайонов города. Если на ближайшей магистральной дороге образовался затор, то для выезда на эту магистральную дорогу на улицах выстраиваются длинные очереди. Если на магистральной дороге максимальная пропускная способность, то доступ на нее максимальный и на улицах очереди будут минимальны или вовсе исчезнут.

Если на многих магистралях города образовались заторы, то снижается пропускная способность сети магистральных дорог и резко возрастает время перемещения по городу и выезда за город. Образование заторов определяется не количеством автомобилей в городе, а количеством автомобилей, одновременно движущихся по магистралям города. Когда скорость перемещения по дорогам мала, то велико время пребывания автомобилей на магистралях города. За длительный промежуток времени в сеть магистральных дорог выезжает много автомобилей. Плотность потоков возрастает, заторы усугубляются.

Поэтому оптимум движения транспортных потоков в городе или регионе достигается при максимальной пропускной способности магистральных дорог и максимальной допустимой скорости. При этом максимальное количество автомобилей в единицу времени выезжает в сеть магистральных дорог и достигает пункта назначения, очереди на местных дорогах для выезда в сеть магистралей минимальны, время проезда от места выезда до пункта назначения каждого автомобиля минимально. Причиной всех недостатков дорожного движения была одна - переуплотнение потоков на магистралях. Устранив ее, мы получили глобальный оптимум для определенной сети магистральных дорог. Увеличивая связность дорог, реконструируя дороги критических направлений, мы сможем без лишних затрат улучшить параметры движения: уменьшить перепробеги, увеличить пропускную способность дорог в критическом для города или региона направлении.

Изобретение относится к способам и устройствам для контроля и регулирования потоков транспорта на автомобильных магистральных дорогах. В заявленном способе регулирования транспортных потоков на магистралях определяют среднюю дистанцию между автомобилями в контрольных точках магистрали. Сравнивая ее с заданным значением, вырабатывают сигнал для регулирования с помощью светофоров притока транспортных средств на магистраль со всех примыкающих и пересекающих улиц и магистралей до контрольной точки так, чтобы обеспечить оптимальную дистанцию и пропускную способность, близкую к максимальной. Обеспечивается предотвращение образования заторов, снижения скорости автомобиля и пропускной способности магистралей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования транспортных потоков на магистралях, включающий контроль параметров потока и воздействие на поток каждой стороны магистрали с помощью светофоров, определяющих приток автомобилей с других дорог, отличающийся тем, что, с целью предотвращения образования заторов на всех магистральных дорогах города и/или региона,
вычисляют фактическую дистанцию между автомобилями, используя измеренные скорость и временной интервал между автомобилями на каждом пункте контроля,
определяют скользящую среднюю дистанцию для всех полос одной стороны магистрали между пунктами контроля,
разность между заданным и измеренным значениями средней дистанции на каждой стороне каждого пункта контроля используют для выработки управляющего воздействия,
воздействуют на долю периода цикла работы светофоров, разрешающих приток транспортных средств на магистраль со всех дорог, примыкающих или пересекающих магистраль на участке до пункта контроля после предыдущего пункта контроля,
а также на заданное значение дистанции на предыдущем пункте контроля,
для наиболее полного использования пропускной способности магистрали пункты контроля оборудуют после каждого пересечении или примыкания других магистралей.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью увеличения пропускной способности магистрали, пересекающейся с другими магистралями на одном уровне, организуют движение с двумя основными фазами работы светофоров и управляют светофорами по системе «зеленой волны», а для регулирования притока автомобилей на каждую сторону магистрали используют дополнительные секции светофоров.