CC BY
69
УДК 656.13.022
ТЕХНОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ БЕЗПЕКОЮ РУХУ НА АВТОМОБІЛЬНИХ
ДОРОГАХ
В.П. Поліщук, д.т.н., В.І. Єресов, к.т.н., О.Т. Лановий, к.т.н., Національний транспортний університет, м. Київ
Анотація. Основний метод управління рухом на автомагістралях полягає у використанні систем лінійного управління що базується на моніторингу даних про режими руху і регулюванні швидкості за допомогою керованих дорожніх знаків КДЗ. Керуючі впливи, сформовані з врахуванням коефіцієнтів ризику, а також шуму швидкості здатні упередити виникнення потенційних ДТП шляхом інформаційного забезпечення водіїв через КДЗ або бортову систему автомобіля, підвищуючи таким чином плавність руху, а внаслідок — його безпеку, ефективність і екологічні характеристики.
Ключові слова: лінійне управління, керовані дорожні знаки, шум швидкості, коефіцієнти ризику.
Вступ
З точки зору специфіки автоматизованого управління автомагістралі і автомобільні дороги у приміський зоні відрізняються переважно за своєю топологією. Вони є лінійними об’єктами з одним входом і одним виходом, для управління рухом на яких у порівнянні з мережним управлінням застосовуються принципово інші правила і методи. Оскільки в цих об’єктах транспортні засоби ТЗ рухаються із значно більшими швидкостями, використовуються системи для підвищення безпеки дорожнього руху, що полягають, наприклад, у своєчасному і оперативному визначенні джерела небезпеки. Системи управління рухом на автомагістралях складаються з кількох підсистем, що підвищують пропускну здатність доріг і безпеку учасників дорожнього руху.
У технології, що склалася сьогодні в країнах західної Європи, розрізняють дві підсистеми, що мають безпосереднє відношення до управління безпекою руху на автомобільних дорогах - автоматичні системи підвищення безпеки руху і системи підвищення плавності руху [1 ].
Автоматичні системи підвищення безпеки руху вирішують такі технологічні задачі: - ідентифікація погодних умов і перешкод на дорогах ІПП; -ідентифікація заторів і ДТП ІЗ; - запобігання сну за кермом. Системи підвищення плавності руху мають дещо ширший спектр задач: лінійне управління RLTS; інформаційне і навігаційне забезпечення ІНС; електронна платня за проїзд ЕП; управління в’їздами на магістраль УВМ; - пріоритет зайнятих ТЗ; інтелектуалізація транспортних засобів ІТЗ.
Аналіз публікацій
Важко переоцінити роль тієї, чи іншої компоненти в процесі автоматизованого управління дорожнім рухом на автомобільних дорогах і впливу її на рівень безпеки руху, тим паче , що більшість перерахованих методів впроваджені на пілотному рівні. Але враховуючи досвід авторів при розробці і дослідному впровадженні автоматизованої системи управління рухом на автомобільних дорогах Київського вузла, що розроблялася в 1976 - 1989 р.р. за участю НТУ (КАДІ), даний матеріал може являти певний інтерес для фахівців з організації дорожнього руху, що займаються розробкою і впровадженням подібних систем в перспективі, зокрема у плані європейської орієнтації транспортної системи України. При цьому вводиться класифікація за рівнем управління в складній системі, що дещо відрізняється від приведеної вище. Так інтелектуалізація транспортних засобів дозволяє вирішувати низку задач на рівні бортової системи ІТЗ, як то: запобігання мікросну водія; ідентифікація перешкод на дорозі; інформаційний зв’язок і забезпечення керуючих впливів на водія та ін. З іншого боку, інформаційне і навігаційне забезпечення, електронна платня за проїзд, управління в’їздами на магістраль, пріоритет зайнятих ТЗ становлять функції лінійного або мережного управління. Крім того, до цих функцій додаються функції, що забезпечують оперативний контроль (управління) рівня небезпеки дорожнього руху і виконуються в реальному масштабі часу («on line» ) за рахунок моніторингу часових інтервалів руху з використанням коефіцієнтів ризику Кр, а також моніторингу миттєвих швидкостей руху шляхом визначення значень шуму швидкості cv [2]:
а = v
Л
1 П 2
-z (к - v )2
nг=1 г ср
(1)
Відомо, що найгостріші проблеми з транспортними заторами виникають на в’їздах до міст, мостів тунелів, в’їздах на автомагістралі, в пунктах збору платні за проїзд, якщо тут обмежується швидкість або скорочується кількість смуг руху. Вказується, що до 75% заторів виникає саме з цих причин. Супутні хвильові режими типу «Stop and Go» підвищують імовірність виникнення ДТП. Транспортні затори сьогодні приводять до втрат, що оцінюються у світовому масштабі мільярдами доларів. Йдеться не тільки про економічні втрати, що викликані перерваним режимом руху, але і про життя людей. Не можна також ігнорувати вплив стресу на водія при такому способі водіння. Все це дозволяє зробити висновок про позитивний вплив плавності руху ТЗ як на безпеку руху, так і на екологію, і на психічний комфорт водіїв.
Основний метод управління рухом на автомагістралях полягає у використанні систем лінійного управління (Road Line Traffic Control - RLTC), що успішно застосовуються у Німеччині і в Голландії. До інших відомих методів підвищення безпеки і плавності руху відноситься система Ramp Metering - система «впуску» ТЗ з примикань у головний потік транспорту на дорозі. У США з цією метою використовуються системи High Occupancy Vehicles - HOU.
Лінійне управління транспортними потоками базується на моніторингу даних про режими руху (інтенсивності, швидкості, склад транспортного потоку) на достатньо протяжній ділянці дороги (800-1000 м) і регулюванні швидкості за допомогою керованих дорожніх знаків КДЗ ( позиції вітчизняних КДЗ - 3.29 «Обмеження максимальної швидкості»,
3.27 «Обгін вантажним автомобілям заборонено»^]). Схема доповнена також позиціями попереджувальних знаків 1.39 «Інша небезпека», 1.37 «Дорожні роботи», 1.38 «Затори в дорожньому русі» та ін., що вказують на причину обмеження швидкості. КДЗ розміщуються на порталі над проїзною частиною дороги в обох напрямках руху над кожною смугою руху окремо.
При підвищенні щільності транспортного потоку внаслідок перешкод виникає нестійкий режим, що проявляється у вигляді пульсуючих хвиль «Stop and Go». Ці хвилі характеризуються різкими змінами швидкості, а внаслідок - високим значенням середнього квадратичного відхилення СКВ швидкості - ov. При прийнятті гіпотези про нормальний характер розподілу швидкостей співвідношення математичного очікування швидкості M [V(t)] = Кср і її СКВ - Ov може характеризувати існуючий стан дорожнього руху за потенційною небезпекою. Ще більш ретельна оперативна оцінка може бути проведена на основі визначення шуму швидкості та шуму прискорення
транспортних засобів оа [ 3]. При цьому чим більше математичне очікування швидкості M [V(t)\, і чим більше СКВ - Ov, тим небезпечніше режим руху і навпаки.
Адекватність такого підходу підтверджується також матеріалами закордонних дослідників. Так на 6-му кілометрі ділянки автомагістралі А10 біля Берліну був проведений натурний експеримент. Даною ділянкою проходить у двох напрямках близько 140 000 авт/доб. З аналізу статистики витікає, що 80 % ДТП відбувається безпосередньо під час руху, а решта - при в’їзді або при виїзді з неї. При цьому 40 % від усіх ДТП, що ста-ються під час руху, виникають при появі пульсуючої хвилі «Stop and Go».
Мета і постановка задачі
Очевидно, що керуючі впливи, сформовані з врахуванням приведених міркувань, здатні упередити виникнення потенційних ДТП шляхом інформаційного забезпечення водіїв через КДЗ або бортову систему автомобіля, підвищуючи таким чином плавність руху, а внаслідок - його безпеку, ефективність і екологічні характеристики. В наявності маємо багатокритеріальну задачу лінійного управління, загальна мета якої може бути сформульована за рангами.
Перша мета лінійного управління. Першою і найважливішою метою є гармонізація і стабілізація транспортного потоку, в результаті чого істотно підвищується первинна безпека. На прикладі співстав-лення двох станів транспортного потоку, представлених симетричними кривими розподілу з однаковими середніми значеннями швидкостей (90 км/год) і різними СКВ крива з низьким СКВ (av = 2км/год) відображає стабілізований потік V(t) = Vcp ± 30v (Vmin = 84 км/год; Vmax = 96 км/год), тоді як крива з високим СКВ (av = 7 км/год) свідчить, що ТЗ у цьому стані набагатоімовірніше можуть спостерігатися ТЗ, як з низькими, так і з високими швидкостями (Vmin = 69 км/год; Vmax = 111 км/год).
Друга мета лінійного управління. Стабілізація транспортного потоку основана на обмеженні швидкості руху ТЗ. В результаті низької швидкості руху зменшується дистанція між автомобілями і значно зростає пропускна здатність ділянки. Вона є максимальною при швидкості у межах 70 - 80 км/год. У середньому, як показує практика експлуатації RLTC, підвищення пропускної здатності становить 15 %. У цьому випадку на безпеку руху впливає і величина інтервалу (просторового, часового) руху, регулювання якою може здійснюватись також КДЗ, позиція 3.20 «Рух ТЗ без дотримання дистанції ... м заборонено».
Третя мета лінійного управління: Первинне підвищення безпеки досягається за рахунок гармонізації транспортного потоку. Крім того, зростає і так звана вторинна безпека за рахунок використання КДЗ, що
інформують водіїв про потенціальну небезпеку. У Німеччині і Г олландії у більшості випадків застосовуються позиції КДЗ 1.39 «Інша небезпека» з додатковими таблицями, 1.37 «Дорожні роботи» і 1.38 «Затори в дорожньому русі».
Розв’язання задачі
Апаратурна конфігурація систем є відносно усталеною, істотна різниця полягає в програмному забезпеченні. Для проекту RLTC можна використовувати директиви, випущені в Німеччині, наприклад, RWVZ — Richtlinen fur Wechelverkehrszieichen an Bundesfernstrasen, Bundesministerium fur Verkehr, Ausgabe 1997, оскільки в Україні подібні директиви поки що не розроблені. Конфігурація системи утворена детекторами транспорту і виконавчими елементами. В даному випадку виконавчими елементами є керовані дорожні знаки КДЗ, розташовані на порталі над проїзною частиною дороги. Рекомендований крок окремих контрольних перерізів становить 800 - 1000 м і не повинен бути більше 1500 м. Остання умова викликана можливістю того, що водій може «забути» наказ КДЗ. Крім того, кожний переріз доповнений вимірювальними перерізами, в яких вимірюються принаймні три параметри: інтенсивність, швидкість і склад транспортного потоку. Зазначено, що період вимірювань залежить від алгоритму обробки інформації і не повинен перебільшувати 5 хвилин. З іншого боку, у авторів існує власна концепція щодо мінімізації кількості і дислокації контрольних перерізів, а також періоду опитання детекторів в залежності від дорожніх умов та деяких інших факторів, викладена в спеціальній літературі.
Типовим є те, що КДЗ 3.29, які обмежують швидкість, розташовані над віссю кожної окремої смуги, а над лініями поздовжньої розмітки проїзної частини, що обмежують смуги руху, розташовані попереджувальні КДЗ, у більшості доповнені додатковими інформаційними табличками. Переважно використовуються КДЗ, що використовують принцип волоконної оптики, рідше - світлодіодні знаки. Головною умовою реалізації є висока надійність світіння КДЗ. При цьому світловіддача регулюється у залежності від зовнішнього освітлення. На внутрішній і центральній смугах швидкість обмежується ступенево 120-100-80, у той же час на зовнішній смузі, що використовується здебільшого вантажними авто, ступені швидкості відповідно обмежуються - 60-50-40. З метою регулювання транспортних потоків використовуються також позиції 3.25 «Обгін заборонено»,
3.27 «Обгін вантажним автомобілям заборонено»,
що монтуються над лініями розмітки смуг руху, крім позицій 1.39 «Інша небезпека», 1.37 «Дорожні роботи», 1.38 «Затори в дорожньому русі», 1.5.1—1.5.3 «Звуження дороги», 1.13 «Слизька дорога», 7.12 «Ожеледиця», використовуються оптичні сигнали реверсивних світлофорів (тип 4 за ДСТУ4092-02. Світлофори дорожні ) для керування рухом окремими смугами.
Внаслідок лінійного рішення, що передбачає відносно довгі ділянки, в кожному контрольному перерізі (пункті) передбачено блок управління, що є вільно програмованим автоматом, який керує КДЗ і здійснює попередню обробку даних, а також виконує функції контролю апаратури. Контрольні пункти пов’язані з місцевим чи регіональним центром управління, що автономно здійснює управління лінійною ділянкою за відповідними технологічними алгоритмами. Функціонування системи базується на обробці і оцінці масивів даних від детекторів транспорту. У випадку трьох смуг руху в кожному з напрямків і 10 контрольних пунктів, вимірювання проводяться з періодом 10 секунд; через кожні 15 хвилин отримуються вимірювання 2700 параметрів транспортного потоку, на базі чого розраховується багато-розмірна модель стану об’єкта. В алгоритми доцільно ввести і врахування метеорологічних умов, що істотно підвищує безпеку руху і якість управління. Внаслідок цього проводиться ідентифікація стану об’єкта і аналізується його стійкість. На основі аналізу транспортної ситуації визначаються і змінюються символи КДЗ.
Формальна логіка, що покладена в основу технологічних алгоритмів автоматизованого управління транспортними потоками, все частіше останнім часом замінюється «розмитою» логікою управління. Причина полягає у тому, що ми маємо справу з випадковими величинами, тому формальна логіка не може адекватно відображати характер транспортного процесу. Умови прийняття рішень прийнято записувати у формі лінгвістичних правил при використанні для цього вербального змінного. Задачу системи, наприклад, можна сформулювати таким чином.
Стабілізувати потік і зменшити СКВ су до прийнятного значення шляхом зниження швидкості з дискретністю 20 км/год і одночасною забороною обгону вантажним автомобілям. Форма запису результатів процесу управління у цьому випадку наводиться у вигляді табл. 1.
Т аблиця 1 Форма запису керуючих впливів
ЯКЩО середня швидкість > 130 І ОДНОЧАСНО > 20 ТО знизити швидкість на 20 км/год
ЯКЩО склад потоку має > 20 % вантажних авто І ОДНОЧАСНО середня швидкість на центральній смузі близько 90 км/год ТО встановити позицію КДЗ 3.27
ЯКЩО іде дощ І ОДНОЧАСНО середня швидкість > 130 ТО встановити позицію КДЗ 3.29 на «90»
Перед активізацією КДЗ середнє значення швидкості перебільшує 110 км/год і СКВ швидкості теж велике. Після ввімкнення КДЗ 3.29 «110» середнє значення швидкості зменшується, але значення СКВ залишається великим. Це викликано відносно великою часткою ТЗ, що виконують обгони по смугах, що призначені для більших швидкостей, але при цьому рухаються повільно. Тому в певний момент реалізується заборона обгону вантажним автомобілям. Внаслідок того, що пропускна здатність дороги все ще недостатня, встановлюється позиція КДЗ 3.29 «70». Після цього керуючого втручання середнє значення швидкості і її дисперсія зменшились і автомобілі рухаються в максимально замкненій колоні.
Висновок
Таким чином у ролі керуючих впливів виступають обмеження швидкості руху і обгонів. Легко уявити, що таким же чином можливий вплив на обмеження мінімального інтервалу у русі (позиція КДЗ 3.20), що запобігатиме виникненню потенційних ДТП. Обмеження швидкості при обмеженні метеорологічної видимості може розраховуватись за формулою
V б =■
ke
*[-36+АІ(36)2+6Й5(¥ -^ (2)
3,6
де Уб - швидкість, км/год; ^ - коефіцієнт ефективності гальмування; у - коефіцієнт зчеплення коліс з дорогою; - сумарний час розпізнання перешкоди, реакції водія і спрацювання приводу гальм, с; k - коефіцієнт розсіювання світла атмосферою (чинник послаблення) м-1 ; 5і - зупиноч-ний зазор, м.
Обмеження швидкості при наявності ожеледиці Уобм може розраховуватись з рівняння
де А = ^/254 (V ± і); В = 0,277 - 810/ X; С = £; і -поздовжній ухил; X - інтенсивність руху од/год.
Максимальне значення кореня рівняння (3) дає верхнє значення обмеження швидкості руху, що забезпечує безпеку руху при рівні 5 % -го забезпечення.
Обмеження швидкості при наявності вологого покриття розраховується за формулою
Уобм = 10,56
І +ді
П1 + ^
(4)
АУ2обм + ВУобм + С = 0,
(3)
де І+АІ - довжина змоченої поверхні шини , м; п1 - ступінь збільшення товщини водної плівки перед зоною контакту; кшт - повна товщина водної плівки, мм.
Література
1. Пржибыл П., Свитек М. Телематика на транс-
порте. Пер с чешского. - М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - 540 с.
2. Четверухін Б.М., Єресов В.І., Дудніков О.М.
Оцінка енергетичного стану та рівня безпеки руху транспортних потоків. // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво. - К. -2001. - Вип. 61. - С. 268 - 273.
3. Єресов В.І., Четверухін Б.М. Оперативна оцін-
ка рівня безпеки дорожнього руху в інтелектуальних транспортних системах. // Безпека дорожнього руху: сучасність і майбутнє. -К., 2004. - С. 90 - 94.
4. ДСТУ 4100-02. Знаки дорожні. Правила засто-
сування, загальні технічні умови. - К.: Держстандарт, 2002.
Рецензент: Е.Д. Чихладзе, професор, д.т.н..
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 12 вересня 2006 р.
