CC BY
53
Бондарев В.Г.
Ставропольский технологический институт сервиса (филиал) Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»
ТЕХНОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
Анализ существующих подходов к решению транспортных проблем в городах, показывает, что все они основаны на более или менее совершенных системах управления существующими перекрестками с их штатным светофорным оборудованием. Интеллектуальные транспортные системы (ИТС) предполагают дополнительное использование датчиков интенсивности транспортных потоков, а также управляемых знаков. Однако совершенно очевидно, что возможности таких систем ограничены, поскольку они не устраняют главной причины низкой пропускной способности перекрестков - необходимость остановок транспорта. Другая причина низкой эффективности городских транспортных систем, связанна с участием человека в транспортном движении, причем как в качестве водителей транспортных средств, так и в качестве пешеходов. Создано целое ведомство- государственная инспекция безопасности дорожного движения (ГИБДД) и свод правил дорожного движения, призванные противодействиюдеструктивным действиям участников движения, однако все это как система работает не очень надежно и постоянно оборачивается массовыми человеческими жертвами и нарушениями ритмичности работы транспорта. Именно это обстоятельство приводит к мысли, что дальнейший прогресс на транспорте не возможен без автоматического управления движением автомобилей, прообразом таких средств следует рассматривать совре-менныеИТС. Однако, следует осознавать, что ИТС в ее нынешнем виде является полумерой, которая несколько повысит пропускную способность дорог, снизит смертность, уменьшит расход топлива и улучшит экологическую ситуацию. Поскольку рост числа автомобилей на наших дорогах быстро компенсирует все эти дорогостоящие достижения, то мы опять вернемся к пробкам, а ГИБДД к своей трагической статистике исчисляемой десятками тысяч погибших.
Какой же должна быть перспективная ИТС, свободная от недостатков своих предшественников.
В основе предлагаемой концепции организации автомобильного движения лежит тезис о непременном удалении человека-водителя с автомобиля и пешеходов с дорог. Роль водителя автомобиля должна выполнять система автоматического управления (САУ), для которой, основным источником навигационной информации является система технического зрения (СТЗ). Прототипом такой САУ являются существующие системы круизконтроля, которые, как правило, имеют продольный канал и не имеют бокового канала управления. Анализ навигационных и информационных возможностей систем технического зрения для обеспечения автоматизации управления транспортными средствами на основе получения полной картины движения в реальном масштабе времени показывает, что поставленная задача осуществима уже сегодня. Убежденность в этом подтверждается ежегодными состязаниями автомобилей-роботов и разработками ведущих автопроизводителей [1]. Однако, следует отметить, что разработки автомобилей-роботов в Японии, Германии и США ведутся применительно к существующей организации дорожного движения, а это существенно усложняет задачу разработчиков этих новинок, да и проблем современного автотранспорта они не решат. Дело в том, что интегрировать автомобиль-робот в среду насыщенную людьми, с их непредсказуемостью и склонностью к отступлениям от правил, очень сложно, сенсоры и интеллект этих роботов должны быть весьма совершенными. Другое дело, если с дорог удалить человека, как это сделано в метро, тогда движение автомобилей будет подчинено программным установкам, а случайные факторы сведены к минимуму.
Важнейшей элементом дорожнойинфраструктуры, является перекресток, поэтому эффективность перевозок определяется тем, как он функционирует.Известно, что образование "автомобильных пробок" в значительной степени обусловлено низкой пропускной способностью перекрестков, связанной с вынужденными остановками автомобилей.
Существуют различные пути решения этой проблемы. Наиболее целесообразной является организация такого взаимосвязанного управления светофоров, которое обеспечивает режим "зеленая" улица, но такой режим на практике трудно обеспечить для всех направлений движения, поэтому при высокой интенсивности движения происходит неминуемое закупоривание транспортной сети. Вторым способом увеличения пропускной способности автодорог является строительство подземных и надземных переходов, которые снижают потери времени для автотранспорта, при этом существенно повышают безопасность движения. Третьим способом борьбы с "автомобильными пробками" является строительство сети многоуровневых автомобильных развязок. Такой подход дает хорошие результаты, но стоимость таких развязок очень велика. Поэтому весьма актуальной является разработка такой организации управления движением на перекрестках, которая не будет обременительна для экономики и обеспечит высокую пропускную способность перекрестков.
Рассмотрим систему управления движением автотранспорта на перекрестке, где задачу динамической синхронизации потоков транспорта в различных направлениях решает СТЗ совместно с САУ, а вместо привычного светофора используются сигналы микромощного радиопередатчика.
Принцип действия СТЗ основан на оптическом контроле передней по ходу движения части пространства посредством пары разнесенных цифровых фотокамер, программной обработке оцифрованных изображений и определении координат местоположения автомобиля относительно линий дорожной.
Организация дорожного движения в окрестности перекрестка основана на динамической противофазной синхронизации всех пересекающихся транспортных потоков. Аналогом такой организации движения является следование информационных потоков через шину данных в цифровой вычислительной машине, синхронизация одним эталонным генератором ипротивофазная очередность обеспечивает их полную сохранность .
Рассмотрим применение этого принципа для пересекающихся транспортных потоков (рисунок 1) .Для безостановочного движения по перекрестку в направленияхА и Б необходимо, чтобы автомобилипотоковБ2 и D4 пересекалицентр перекрестка в то время когда автомобили потоковБІ и D3 находятся вне перекрестка, и наоборот. Аналогичные требования необходимо реализовать для остальных узловых точек перекрестка - Ui, U2, U3, U4.
S3
Рисунок 1 - Устройство перекрестка в виде астроиды
Чтобы выполнить эти условия необходимо обеспечить:
достаточный период следования автомобилей в каждом из пересекающихся потоков;
противоположную фазу движения потоков D , D3 и D2 , D4в центре перекрестка.
Для суммирующихся транспортных потоков (рисунок 1) должны выполняться условия предотвращающие перегрузку автодороги
IR2 + 1 D3 + 1Ц £ 1 АІ Ї , 1 R3 + 1 D4 + 1 L1 £ 1 АН , 1 R1 + 1 D2 + 1 L3 £ 1 А\ Ї , 1 R4 + 1 D1 + 1 L2 £ 1 А\ Ї ,
где входные потоки автомобилей с учетом их разделения на левый- L(left), прямой-lKdirect), правый-й(гФдЬб) обозначены Lk/ Dk, Rk (k= 1...4), Ir , Id , Іц - интенсивность потоков Rk , Dk , Lk соответственно, k = 1...4 -номера входных потоков, І а\ ї - предельная интенсивность потока.
Конфигурация перекрестка, представленная на рисунке 1 предполагает изменение направления движения автомобилябез снижения скорости. Здесь к конфигурации обычного перекрестка добавлены четыре круговых ответвления в виде астроиды, представляющие собой четверть окружности каждый. Ответвления имеют радиус, позволяющий выполнять разворот без уменьшения скорости, а кроме этого разгружают центральную часть перекрестка. Обозначим фазы потоков ср^где k = 1...4, j = 1...3, причем j = 1 соответствует левому ответвлению, j = 2- прямому участку,j = 3- правому ответвлению k-го входящего потока, Sk-входные сечения перекрестка.
Пересечение перекрестка предполагает выбор одного из трех возможных направлений движения для каждой из четырех примыкающих автодорог.При приближении к перекрестку бортовой радиоприемник синхроимпульсов каждого автомобиля принимает радиосигнал наземного радиопередатчика синхроимпульсов, в каждом пакете импульсов которого закодирован номер перекрестка.В цифровом вычислителе автомобиля этот код декодируется и по номеру перекрестка определяется направление движения по этому перекрестку .
Для этого весь маршрут движения автомобиля программируется в виде таблицы 1, хранящейся в модуле памяти цифрового вычислителя.
Алгоритм движения по маршруту Таблица 1
№ Номер перекрестка Направление движения
1 16 L (j=1)
2 22 D (j =2)
3 24 R(j=3)
4 25 D (j =2)
В таблице занесены номера перекрестков, по которым в заданной последовательности должен проехать автомобиль и направления движения по этим перекресткам. Таблица читается следующим образом, первый перекресток по маршруту движения автомобиля №16, на этом перекрестке следует повернуть налево (left). Следующий перекресток №22, егонеобходимо пересекать в прямом направлении (direct) и. т. д.
Транспортное средство имеет два разнесенных оптических блока с параллельными оптическими осями, связанные с вычислителем, который, по изображениям, поступающим с фоточувствительных матриц,
решает задачу определения бокового отклонения транспортного средства относительно навигационной пунктирной линии разметки [2] и автоматического управления боковым движением.
Выберем в поле изображения дорожного полотна две разнесенные идентичные точки Ві, В2, расположенные на пунктирной линии дорожной разметки (рисунок 2), а также точку Вз в ближайшей вершине метки синхронизации. Координаты изображений этих точек на фотоматрицах обозначим Siv( yiv, ziv) , где первый индекс i = 1, 2 - номер фотоматрицы, а второй индекс v = 1, 2, 3 - номер точки Ві, В2, Вз,
соответственно.
Вз
Выбор точек в поле изображения может осуществляться, например, по контурам пунктирных линий разметки методом оконтуривания. Эти идентичные точки должны быть выбраны в одноименных вершинах штриховых линий разметки, ближайших к транспортному средству.
Ось ОХ совпадает с продольной осью транспортного средства, OZ - поперечная ось.
Вычислим координаты точек Ві, В2, Вз в системе координат OXYZ, связанной с транспортным средством .
Xv = F(1 + B / (Z2v- Ziv)) ,
Yv = YivB /(Ziv- Z 2v) ,
Zv= B(Ziv + Z2v)/2(Ziv- Z2v) .
где F - фокусное расстояние первого и второго фотообъективов, м;
В - расстояние между фотоматрицами, м.
Для определения искомых величин Xj , Zй, у , запишем вектор нормали к плоскости поверхности ав-
тодороги, проходящей через точки Ві
i
N =
X3 - Xi X 2 - Xi
j
Y3 - Yi Y2 - Yi
Z
3
Z
2
k
-Z
-Z
i
i
= i[(Y3 - Yi)(Z2 - Zi) - (Z3 - Zi)(Y2 - Y)]
В2
-j[(X3 - Xi)(Z2 - Zi) - (Z3 - Zi)(X2 - Xi)] +
+k[(X3 - Xi)(Y2 - Yi) - (Y3 - Yi)(X2 - Xi)]
Вз
где i , j , k - единичные орты системы координат OXYZ.
Векторное произведение І X N позволяет найти вектор N ,лежащий в плоскости автодороги и перпендикулярный вектору X проекции оси Х на плоскость автодороги.
N = І x N =
i
(Y3 - Yi)(Z2 - Zi) --(Z3 - Zi)(Y2 - Y)
j
0
(Z3 - Zi)(X2 - Xi) -
-(X3 - Xi)(Z2 - Zi)
k
0
(X3 - Xi)(Y2 - Yi) --(Y3 - Yi)(X2 - Xi)
= j((Y3 - Y,)(X2 - Xi) - (X3 - Xi)(Y2 - Yi)) + k((Z3 - Zi)(X2 - Xi) - (X3 - Xi)(Z2 - Zi))
Поперечное расстояние от автомобиля до пунктирной линии разметки Zй, найдем как проекцию век-
тора OBi на единичный вектор е -1 N
Zа = {Yi[(Y3 - Yi)(X2 - Xi) - (X3 - Xi)(Y2 - Yi)] + Zi[(Z3 - Zi)(X2 - Xi) - (X3 - Xi)(Z2 - Zi)]} /
H/[(Y3 - Y,)(X2 - Xi) - (X3 - Xi)(Y2 - Yi)]2 + [(Z3 - Zi)(X2 - Xi) - (X3 - Xi)(Z2 - Zi)]2.
Продольное расстояние
до метки Xj найдем как проекцию вектора OB3 на вектор B2Bi
Xj = [ X3( X2 - Xi) + Y3Y - Yi) + Z 3( Z 2 - Zi)] / V( X 2 - Xi)2 + (Y2 - Yi)2 + (Z 2 - Zi)2 ,
Поперечная координата Zй до ближайшей к автомобилюточки на пунктирной линии разметки может
быть использована для управления автомобилем по курсу в автоматическом режиме.
Угол у отклонения продольной оси автомобиля относительно линии дорожной разметки найдем через
скалярное произведение единичных векторов e^B и е^ .
В качестве источника синхронизирующего сигнала необходимо использовать последовательность импульсов Uc (рисунокЗ), которая излучается посредством наземного радиопередатчика синхроимпуль-сов, а затем принимается бортовым приемником синхроимпульсов.
Код номера перекрестка
(Ус k ппппп пгппп
_______t
tc t(pK
Рисунок 3 - Синхроимпульсы наземного радиопередатчика
Параметры этих импульсов имеют следующие значения:
T = H / V ; t = 1 / V ,
где Т - период повторения группы импульсов синхронизации (период следования автомобилей), t -длительность группы импульсов, H - дистанция между автомобилями в потоке, 1 - длина участка
дороги, предназначенного для размещения автомобиля.
Для того, чтобы все автомобили, участвующие в движении, не нарушали синхронизма, все отсчеты времени, выполняемые в цифровом вычислителе осуществляются относительно синхроимпульсов, формируемых посредством приема радиосигналов наземного радиопередатчика синхроимпульсов, общего для всех участников движения на перекрестке. За пределами перекрестка последовательность синхроимпульсов формируется программно в вычислителе каждого автомобиля, при этом вместо группы формируется один импульс.
Синхронизация транспортных потоков на перекрестке
Необходимо решить задачу по определению соотношения фаз всех потоков, которое обеспечит взаимное проникновение потоков без столкновений. Опишем фазы потоков в зависимости от времени и положения автомобиля в процессе его движения по тому или иному ответвлению. Для каждого из четырех потоков (i = 1...4) начальным моментом времени t = 0 будем считать момент прохождения сечений Si, отстоящих от центра перекрестка на расстоянии R.
Тогда для потоков^, Di, Ri фазы запишутся следующим образом
fj = f +1 / О - Xj / (VT) ,
где X j - расстояние от сечения Siдо узла пересечения потоков по пути следования в j-мнаправлении; t - текущее время; V - скоростьавтомобиля;f - начальная фаза потока.
Примем, что начальная фаза потока 1 fj =0 . Тогда из условия одновременного прохождения центра
перекрестка начальная фаза встречного потока D3 должна удовлетворять условию f j = f =0 (1). Для
взаимного проникновения взаимно перпендикулярных потоков D1, D3 и D2, D4, необходимо, чтобы эти пары потоков имели начальную фазу соответствующую половине периода.
f2j = f4j = °’ 5 . (2)
Кроме этого, расстояние от входных сечений до центра перекрестка должно быть кратным величине H , то есть R = nH , где П = 1,2,3... . Это условие совместно с условиями (1) и (2) обеспечивает одновременное прохождение автомобилей встречных потоков через центр перекрестка и противофазное пересечение взаимно перпендикулярными потоками.
Условия синхронизации при выполненииправых и левых поворотов, с учетом сделанных предположений имеют вид
H' = 31(R + h / 2)[(6k -1)1 + 2R] ,
H " = 3n1(R - h / 2)[(6k +1)2 + 2R] .
где H = 61 , H = 61 , 1 = 1 + D , 1 = 1 + D , здесь приращения А и А учитывают изменение скорости автомобиля, h - ширина полосы движения.
Эти выражения дают возможность нанесения меток синхронизации на пунктирных линиях разметки на круговых ответвлениях перекрестка, обеспечивающих противофазное преодоление точек пересечения автомобилями.Управляющий сигнал, обеспечивающий выдерживание скорости, формируется путем сравнения фазы синхронизирующей последовательности импульсов и сигнала фотокамеры, считывающей изображения пунктирных линий дорожной разметки. При этом на пунктирных линиях дорожной разметки необходимо нанести метки временной синхронизации с периодом H (H , H ) .
Формирование сигнала фотокамеры (рбё осуществляется посредством программной обработки оцифрованных изображений поверхности автодороги.Выходными сигналами при выполнении этой процедуры являются момент времени бфкобнаружения метки синхронизации и ее координата на фотоматрице X] . Поскольку метка смещена относительно центра автомобиля, то временная поправка на это смещение имеет вид
At = (X] + 0,52)/ V .
Используя величину поправки At и время бсдо переднего фронта ближайшего синхроимпульса радиомаяка (рисунок 3), вычислим управляющее воздействие в продольном канале управления, обеспечивающем регулирование оборотов двигателя и согласованное с ним торможение автомобиля
Un = K,[(te, -At) -1„]/ T ,
где Kf - значение передаточного числа регулятора оборотов двигателя.
При этом система управления автомобиля работает в режиме стабилизации скоростиV = H / О .
Таким образом, рассмотренный алгоритм управления транспортными потоками в окрестности перекрестка, обеспечивает безостановочное движение автомобилей, однако для синхронизации пересекающихся транспортных потоков придется обеспечивать некоторое изменение их скорости (10-15%), что приведет к дополнительному расходу топлива на выполнение этих маневров. Наилучшее решение задачи экономии топлива позволяет обеспечить круговой перекресток, в котором примыкающие дороги выполнены с радиусом кривизны равным радиусу круга (рисунок 4).
Рисунок 4 - Устройство кругового перекрестка:РМ - наземный радиомаяк; Мс - метки синхронизации;
D1, D2, D3, D4- транспортные потоки.
Вторым достоинством такого перекрестка является малая относительная скорость автомобилей пересекающихся потоков при вхождении в круг, что обеспечивает лучшую безопасность движения.
Синхронизация потоков достигается следующим сдвигом фаз для потоков D1, D2, D3, DA
f2 — f f — Ф2 = f4 — f f — f4 = 4 .
Эти соотношения могут быть выполнены при условии pR = 2H .
Таким образом, круговой перекресток позволяет обеспечить синхронизацию всех транспортных потоков простейшим способом, при этом скорость движения по перекрестку неизменна и равна скорости за его пределами, что позволяет достигнуть наибольшей экономии топлива, а поэтому и наилучшей экологической ситуации на таком перекрестке. Следует отметить, что круговой перекресток наиболее предпочтителен для использования за городом, а перекресток в виде астроиды в городе, поскольку при равном радиусе кривизны занимает площадь в 4,5 раза меньшую, чем круговой.
ЛИТЕРАТУРА 1 2
1. Компания Continental испытала автопилот для автомобилей[Электронный ресурс] // Автомобильное издание: [сайт] . [2000] . URL: http://motor.ru/news/2 012/03/27/autodrive/ (дата обращения:
27.03.2012) .
2. Способ определения положения транспортного средства относительно дорожной разметки:пат. №2422772 Рос. Федерация. №2010103438; заявл. 2.02.2010;опубл. 27.06.2011.Бюл. № 18. 10 с.
