CC BY
20TRANSPORT
ЗАСТОСУВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКУ ПРИ ОЦ1НЦ1 РЕЖИМ1В РУХУ
професор Сресов В. I., ст. викладач Григор'ева О. В., здобувач Попов С. Ю.
Украта, Кшв, Нацюнальний транспортний утверситет
Abstract. Situations that arise in acidence traffic, described with gaps between vehicles and defined the parameters that determine the stability of the regime of traffic flow. Also defined the further directions of research to study the transient process in the traffic flow. To assess the potential road danger was proposed the parameter traffic flow "pulse ".
Keywords: road accident, model, pulse, traffic flow, traffic safety.
Зростання аваршносп i трив^ затори на вулицях i дорогах все часпше стають причиною значних економiчних втрат. Перевантаження транспортних мереж крупних мют, що стало наразi хiба що не обов'язковою принадою функщонування мюького транспорту, найчастiше виникае на перехрестях, у тому чи^ i регульованих свiтлофорами. У цьому випадку при наявносп системи управлiння дорожнiм рухом, що оснащена детекторами транспорту i здiйснюе монiторинг характеристик транспортних потоюв, iснуе принципова можливiсть цiлеспрямованого впливу на управлшня транспортом з метою нормалiзащl умов руху. Тому дедалi актуальнiшим стають питання адекватно! ощнки i трансформаци режимiв руху транспортних потоюв.
Бiльшiсть математичних моделей не можуть вщобразити коректно фiзику переходу вщ вiльного до щiльного потоку, ш основних властивостей його структури, що виникають в результатi. Вщомо, що зрозумiти фiзичну сутнiсть транспортних процешв такого роду можна лише виходячи з аналiзу емпiричних даних. З розвитком шформацшних технологiй це стае дедалi реальнiшим. Вiдомо, що заторовим явищам притаманна властивiсть пстерезису, тобто заторам значно легше запоб^ти, нiж надалi !х лiквiдовувати. Тому в проблемi запобiгання заторам найпершим завданням е прогнозування, тобто визначення умов, мюць i часу, коли слщ очiкувати !х виникнення.
Найбшьш надiйно це завдання може виршуватися за допомогою оперативного монiторингу основних дшянок ВДМ [2] з подальшими маршрутними трансформацiями схем руху. Звичайно таю задачi вирiшуються в рамках телематичних систем управлiння дорожнiм рухом у мютах. Наприклад, в рамках технологи ддачих телематичних систем SCOOT, ГОРОД передбачаються наступнi процедури [3]:
- перша - виявлення передзаторових i заторових ситуацш;
- друга - включення вiдповiдних позицiй керованих знакiв для обходу транспортом заторних дiлянок.
Перша операцiя заснована на визначенш середнього часу присутностi автомобшв тпр в контрольованих перетинах, що розташовуються в зонi перехресть, де висока ймовiрнiсть затору. Ця процедура реалiзуеться стандартними детекторами проходження ДТ2, ДТ3 [3].
Далi перевiряеться нерiвнiсть
r
— > с
r
(1)
де тпр - сумарний час присутностi автомобшв протягом циклу, наведений в однш CMy3i; r - кiлькiсть контрольованих циктв (3-5); С - емтрична константа.
При рiвностi щентифшуеться передзаторовий стан, при стшкому перевищеннi -заторовий.
Звичайно при такому пiдходi виникае задача визначення конкретних значень параметрiв г i С для даних умов i перегонiв. Крiм того, вираз (1) мае скорше евристичний змiст i не враховуе динамiчну сторону явища. Як витшае з вищевикладеного, нинiшня концепцiя заторового контролю з позици авторiв не може бути признана досконалою для своечасного 1 усшшного попередження заторiв у мiстах i потребуе певного удосконалення.
Цiкавим моментом, що мае вщношення до прогнозування перевантаження транспортних мереж у даному контексп, е показник що називаеться шумом прискорень - а . Цей чинник зв'язаний з трьома основними елементами транспортного потоку - водiем, дорогою i головне -умовами руху. Цей параметр, що визначаеться як середне квадратичне вiдхилення прискорення [1], е показником рiвномiрностi руху i по сутi характеризуе ентропiю процесу, тобто е мiрою його впорядкованосп (стохастичностi). Останнi двi обставини дозволяють стверджувати наявнiсть кореляцп з показниками потенцшно! аварiйностi всього процесу.
Пщкреслюеться, що термiн "шум" звичайно шдкреслюе випадковий характер, аналогiчний перешкодам, наприклад, в радю- або ТУ-каналах.
а2=^о [ а (1 ¿)-асР] 2(1 ^ (2)
де о - шум прискорень, м/сек;
Т - тривалють виборки, сек;
а ( С () - прискорення ТЗ в момент м/сек2;
аСр - середне прискорення, м/сек2.
(При виршенш практичних задач прискорення автомобшя може вимiрюватись акселерометром або визначаеться за графшом залежностi швидкост вiд поточного часу).
Як вщомо, найбiльш вагомим фактором, що впливае на характер руху е водш (диспершя термiну реакцп, стаж, вш, тощо). Оцiнка його поведiнки в транспортному потощ являе найбiльш складну задачу. У той же час шум прискорень дозволяе оцшити поведшку рiзних водив в у ТП (транспортний потiк) з позицiй потенцшно! небезпеки. Оскшьки даний параметр залежить вiд збiльшення (зменшення) швидкостi руху, необережний водiй, що прагне рухатися зi швидюстю. бiльшою швидкостi потоку, вимушений часто i рiзко гальмувати i розганятися, при цьому вш буде витримувати значно бiльший шум прискорень, шж водiй, якого влаштовують умови руху. Цей факт дозволяе зробити припущення, що поточне вимiрювання (мониторинг) даного параметра у щшьних потоках може бути використано як iндикатор iмовiрного затору. Адже у колонних режимах щiльного руху зупинка автомобшя, що утворюе затор як раз е наслщком хвильового коливального процесу "розгш - гальмування" у результат дефiциту реакци водiя на гальмування автомобiля - лiдера. Таким чином наявшсть коливань прискорення автомобшв (що оцiнюеться за змiною шуму прискорення о) свщчить не лише про потенцшну небезпеку режиму руху, але й про iмовiрнiсть зупинки потоку - затору. При цьому чим бiльшi i частiшi модульш \ векторнi вiдхилення, тим iмовiрнiша конфлiктна ситуацiя i зупинка потоку.
У [1] також шдкреслюеться, що тре^м фактором, що впливае на шум прискорень е транспортне перевантаження: при зростанш перевантажень шум прискорень зростае внаслщок бшьш високих штенсивностей руху i наявностi автомобiлiв, що зупинилися на узбiччях дорiг. Перевищення шуму прискорення над природним шумом аШп, притаманним данiй дiлянцi дороги по суп однозначно характеризуе режим руху.
Якщо розглянути запропонованi пропозицп з точки зору енергетичного тдходу. потрiбно констатувати, що для будь-якого стану потоку на визначенш дшянщ дороги х закон збереження енерги полягае в тому, що повна енерпя Р дорiвнюе сумi кшетично! енергil Е i внутрiшньоl енерги I транспортного потоку.
Р = Е + 1 = а! ■ 2 + а, (3)
де
I = о.
а - константа (зворотне значення максимально можливого числа автомобшв на вiдрiзку дороги довжиною х):
q - щшьнють руху авт./км;
V - середня швидюсть руху, км/год.
Таким чином шум прискорень одночасно представляе внутрiшню енерпю потоку. Шум прискорень е середне квадратичне вiдхилення варiацiй швидкостi У]. Вигляд функцп приведений на рис. 1
Натурш спостереження доводять, що рух транспортного потоку у зош дiаграми лiвоpyч точки мшмуму omin стае нестiйким внаслщок високо! щiльностi, спостеpiгaeться коливальний характер руху - так званий режим "Stop & Go", аж до повно! зупинки потоку.
Свого часу Лайгхшом, У^хемом i Рiчapдсом було доведено, що збурення в ТП, викликаш змiнaми щiльностi ТП, розповсюджуються aнaлогiчно ударним хвилям у стисливих газах. Зaкономipно, що параметри хвиль (ампл^уди, довжини, пеpiоди, тощо) визначаються у цьому випадку частотними властивостями середовища розповсюдження, тобто транспортного потоку обмеженого вщповщними доpожнiми умовами. При цьому коливальш процеси в мехашчних середовищах виникають завдяки перетворенню кшетично! енерги у внyтpiшню i навпаки, а !х сума - повна енеpгiя потоку становить константу. У випадку, коли внутршня енеpгiя наближаеться до нуля, кшетична енеpгiя наближаеться до повно! енеpгi! потоку
Р = а' ■ qm ■ vfit = 4/ 2 7 ■ а' ■ qj ■ vj при n = 1. (4)
У випадку, коли кшетична енерпя наближаеться до нуля, внутршня доpiвнювaтиме максимальному значенню шуму прискорення
I = От. (5)
З цих мiркувань здаеться очевидним той факт, що ще бiльш чутливим показником ступеня коливальност потоку буде похiдна за часом вщ шуму прискорення (друга похщна вiд швидкостi руху - "пульс" ш ),
ш =
d2V
dP"'
(6)
оскiльки вiн враховуе не тшьки модульне значення прискорення але i варiащl його вектора (штенсившсть змiн прискорення на гальмування i - навпаки). Величина "пульсу" ТП однозначно зв'язана з частотою змш координати, швидкостi i прискорення автомобшв i врештi з граничним (пороговим) значенням частоти при досягненш яко! рух неможливий (в межах реальних значень термiну реакцп водiя). При цьому виникае можливiсть завдяки аналiзу "пульсу" ТП робити висновки стосовно iмовiрностi виникнення конфлiктних ситуацш i ДТП, або зупинки потоку - затору.
Апаратурна задача вимiрювання "пульсу" ТП може бути порiвняно легко вирiшена шляхом удосконалення юнуючих стандартних детекторiв для вимiрювання швидкосп: ДТ-4, РЕ 2001, РЕ 2023 або шших шляхом введення в аналогову частину первинного перетворювача ланок, що виконують подвiйне диференцiювання корисного сигналу вщ чутливого елемента (Рис.2).
кариснии сигнал
А dt
dt2
чутлиЬий пербинний диференцуюча диференцуюча бих/дний тя
елемент перетдарюЬач ланка 1 ланка 2 пристри зЬ'язку
Рис.2. Структурна схема пристрою для вим1рювання величини "пульсу" на 6a3i стандартного детектора швидкостг
Та ж задача може виршуватись i на верхшх рiвнях автоматизованих систем управлшня рухом керуючим обчислювальним комплексом системи, але вже програмним шляхом.
Подальша задача попередження заторiв i конфлiктних ситуацiй несе техшчний характер i полягае в трансляцп водiям транспортних засобiв вирахуваних ошгашзованих маршрутiв. У ролi виконавчих оргашв використовуються iснуючi системнi засоби, що шформують водiя про передбачуваш затори i рекомендують йому об'1зш шляхи руху, пристро!, здатнi змшюватп пропускну здатнiсть дiлянок дорiг i термiни про!зду ланок ВДМ (бортовi монiтори i сервери, свiтлофори, кероваш дорожнi знаки, табло та ш.) [4].
Пiсля всiх етапiв вибору маршрут транслюеться користувачу: водiю - через автомобшьну пiдсистему; пасажирам - за допомогою вiдповiдних iнформацiйних систем; менеджерам транспортних фiрм - через системи управлшня перевезеннями. Управлiння рухом на обраному маршруп, як правило, здшснюеться в покроковому режимi, що iнодi називають «поворот за поворотом». Наприклад, у складi iнтелектуальних транспортних систем 1ТС передбаченi рiзнi варiанти вибору маршруту в залежностi вщ розташування користувача (транспортний зашб. робоче мюце, пасажирський термiнал) i техшчних засобiв iнформацiйного доступу - серверiв. Однобiчна передача даних пiдсистемою шформацшного провайдера видiленим радiоканалом для ушх водив, що настрошися на даний канал, мютить тiльки найбiльш загальну iнформацiю i не враховуе мету кожного водiя. Системна арх1тектура шдтримуе автономний вибiр маршруту руху в автомобшьнш пiдсистемi i динамiчний вибiр маршруту, здiйснюваний через пiдсистему шформацшного провайдера. Звичайно, автономнi маршрути, надаш водiю автомобiльною пiдсистемою, визначенi за персональним запитом до конкретного пункту призначення, при цьому повиннi вщповщати реальнiй дорожнiй обстановцi.
Останнi досягнення в областi iнтелектуалiзацil автомобiля дозволяють реалiзовувати такi функцн автопiлота як активний кру!з-контроль ACC (Adaptive Cruise Control) з функщею "stop & go" в потощ завдяки бортовому комп'ютеру i радарам дистанцп. Це система шдтримки постшно! швидкостi руху i, одночасно, безпечно! дистанцп до автомобшя, що рухаеться попереду. Основний елемент активного кру!з-контролю - ультразвуковий давач, встановлений у передньому бамперi або за радiаторною решiткою автомобшя. Його штервал дп становить
200-300м, а кут огляду обмежений декшькома градусами. Якщо ультразвуковий сигнал знайшов перешкоду у виглядi автомобiля, що рухаеться меншою швидкiстю, i повернувся, -треба знизити швидкiсть. Як тшьки дорога звiльнилася, автомобiль розганяеться до швидкостi.
Затори або рух з частими гальмуваннями i розгонами викликають у водiя стрес i дискомфорт, оскiльки навiть пiд час руху з швидюстю пiшохода вщ нього вимагаеться максимальна увага. Активний кру!з-контроль з функцiею "Stop & Go" на основi радарно! технологи здшснюе пiдтримку при рушаннi i гальмуваннi в рухомiй колонi автомобшв i забезпечить належну дистанцiю до автомобшя, який рухаеться попереду. Навантаження на водiя знижуеться, вiн може бшьше уваги придiляти роботi за кермом i без зайво! напруги перечiкувати можливi паузи у руи.
Активний кру!з-контроль з функцiею "Stop & Go" розрахований на дiапазон швидкостей вiд 180 км/ч до повно! зупинки автомобшя, вш розганяе i уповiльнюе автомобiль автоматично, що не лише призводить до розвантаження водiя при русi в колош на низькш швидкостi, але i забезпечуе переваги у комфортi i безпецi в умовах динамiчнiшого руху. В умовах щшьного руху з частими зупинками водш звiльняеться вщ потреби частого гальмування.
Кру!з-контроль з функщею "Stop & Go" оснащений датчиком для далеких дистанцш з дальнютю дi! 150 м i давачами для ближньо! зони, що "розшзнають" учасникiв руху, що рухаються попереду на вiдстанi до 20 метрiв. Максимальне уповiльнення, яке шщюе активний кру!з-контроль пiд час руху на автомагiстралi становить 2,5 м/с2. Як тшьки радарш датчики активного кру!з-контролю з функцiею "Stop & Go" зарееструють автомобiль, що рухаеться попереду, а системний процесор блоку управлшня шляхом узгодження даних розшзнае небезпечну ситуацiю, водiй отримае попереджувальний сигнал. Критерiями спрацьовування такого попереджувального сигналу служать вiдноснi швидкостi вщповщних учасникiв руху, вiдстанi мiж ними i запас часу, що залишився для екстреного гальмування.
Якщо водш не реагуе на попередження, система додатково формуе вiзуальний i акустичний сигнали про необхiднiсть втручання водiя. Якщо тепер водiй натискатиме педаль гальма, то вже приведена в стан готовност допомiжна система приводу щентифшуе це як сигнал до екстреного гальмування i швидко забезпечить необхщний тиск в гальмiвнiй OTCT^i - за потреби аж до спрацьовування ABS. В результат гальмiвний шлях помiтно скорочуеться, i водш отримуе важливий резерв безпеки. Навт у ситуацiях, коли зiткнення неминуче, безпосередньо перед ударом система безпеки включае попереднiй натяг пасiв, щоб привести водiя i переднього пасажира у вiдповiдне положення i цим звести небезпеку травми до мшмуму.
Таким чином, з вище викладеного можна зробити наступнi висновки.
Коливальш процеси в транспортних потоках, що слщ розглядати як негативне явище, можуть пояснюватися обмiном мiж внутршньою i кiнетичною енергiею потоку, при цьому !х сума - повна енерпя потоку становить константу.
Для оцшки потенцiйно! небезпеки i ефективност дорожнього руху у ролi параметрiв контролю доцiльно використовувати або шум прискорень, або другу похщну вщ швидкостi за часом - "пульс" потоку.
Керуючi впливи, що запобпають перевантаженню транспортних мереж можуть формуватися як в центральному процесорi системи управлшня, так i в бортовому комп'ютерi iнтелектуального транспортного засобу.
Л1ТЕРАТУРА
1. Дрю Д. Теория транспортных потоков и управление ими. Москва: Издательство „Транспорт", 1972.
2. Капитанов В. Т., Хилажев Е. Б. Управление транспортными потоками в городах. Москва: Издательство „Транспорт", 1985.
3. Системы и средства автоматизированного управления дорожным движением в городах/ Е.Б.Хилажев, В.С.Соколовский, В.М.Гурулев, Я.И.Зайденберг.-М.: Транспорт, 1984, 183 с.
4. Пржибыл П., Свитек М. Телематика на транспорте. Пер. с чешского. Под ред. проф. В.В.Сильянова. М.: МАДИ (ГТУ), 2003 - 540с.
