z. 73 Transport 2010
Stanisław Krawiec, Ireneusz Celiński
Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Inżynierii Ruchu
ALTERNATYWNY ROZWÓJ SYSTEMÓW
OBSZAROWEGO STEROWANIA RUCHEM
DROGOWYM
Rękopis dostarczono, październik 2010
Streszczenie: W artykule przedstawiono alternatywne podejście do problemu rozwoju systemów obszarowego sterowania ruchem drogowym. Zwrócono szczególną uwagę na specyficzne uwarunkowania układu drogowego miast w kontekście ich podatności na implementację sterowania obszarowego. Przedstawiono ponadto koncepcję wprowadzenia modyfikacji istniejących, wdrażanych i planowanych systemów obszarowego sterowania ruchem drogowym pod kątem optymalizacji ruchu w obszarach miejskich z zastosowaniem teorii płynności ruchu.
Słowa kluczowe:ATCS, ITS, sterowanie obszarowe
1. ATCS JAKO ELEMENT INTELIGENTNYCH
SYSTEMÓW TRANSPORTOWYCH
Inteligentne Systemy Transportowe (ang. ITS: Inteligent Transport Systems) stanowią zbiór różnorodnych technologii informatycznych stosowanych w infrastrukturze i środkach transportu [1,3,4,5]. Stosowanie ITS w obszarze ruchu drogowego może prowadzić do osiągnięcia wymiernych korzyści, w szczególności:
• redukcji kongestii ruchu na poziomie od 5% do 15% poprzez stosowanie: dynamicznego zarządzania ruchem, dynamicznych systemów nawigacji, systemów automatycznego poboru opłat (ang. ETC: Electronic Toll Collection),
• redukcji zdarzeń drogowych na poziomie od 5% do 15%, w tym od 5% do 10% wypadków drogowych, poprzez zastosowanie systemów kontroli trakcji pojazdów (ang. ESC: Electronic Stability Control), systemów kontroli pasa ruchu, systemów monitorujących i ograniczających prędkość pojazdu, eCall (automatyczny system powiadamiania o wypadku),
• od 10% do 20% redukcji emisji substancji szkodliwych, poprzez zwiększenie płynności ruchu, zwiększenie multimodalności przewozów w transporcie towarowym etc. [2][6].
Poglądy odnośnie korzyści wynikających z wprowadzenia ITS są zróżnicowane. W opracowaniu [8] podano następujące efekty wprowadzenia systemów ITS: zwiększenie przepustowości do 15%, redukcja wypadków drogowych do 40%, zmniejszenie emisji substancji szkodliwych do 50%1. W tym kontekście wyjaśnienia wymaga kwestia
zróżnicowania wartości efektywności systemów ITS (ang. MOE’s Measures of Effectivness). Wynika to ze stosowania różnorodnych technologii sterowania obszarowego, których efektywność zależy od:
• typu stosowanego rozwiązania (dostawcy systemu),
• sposobu implementacji systemu w warunkach docelowego układu drogowego (czas wdrożenia, kalibracja systemu etc.),
• topologii sieci transportowej i wzajemnych interakcji pomiędzy poszczególnymi pojazdami.
Popularnym obszarem zastosowań ITS jest budowa zaawansowanych systemów zarządzania i sterowania ruchem drogowym. Systemy zarządzania ruchem określa się jako ATMS (ang. Advanced Traffic Management Systems). W odniesieniu do systemów sterowania ruchem drogowym używa są określenia ATCS (ang. Advanced/Area/Adaptive Traffic Control System). ATMS jest to zbiór technologii, zaimplementowanych w jednym systemie, umożliwiających kompleksowe monitorowanie i zarządzanie ruchem drogowym w sieciach transportowych rozległych obszarów metropolitalnych. Celem budowy systemu sterowania obszarowego, niezależnie od tego czy jest to tylko system ATCS czy rozbudowany ATMS jest zwiększenie efektywności systemu transportowego, w tym przypadku układu drogowego.
Systemy zarządzania i sterowania ruchem drogowym stosuje się głównie w wybranych korytarzach transportowych charakteryzujących się znacznym wolumenem natężenia ruchu oraz w obszarach występowania kongestii ruchu. Systemy obszarowego sterowania ruchem mogą być dwojakiego rodzaju. Pierwszym z nich są systemy tzw. „wyspowe” (jest to tzw. sieć zamknięta, ang. island solutions). Dyrektywa europejska nr 2010/40/EU z lipca 2010 r. zaleca unikanie rozwiązań typu wyspowego [32][33][34]. Zgodnie z tą dyrektywą sposobem wdrożenia systemu obszarowego ma być dążenie do sterowania ruchem na jak największym obszarze układu drogowego. Zgodnie z koncepcją tzw. sieci otwartej obszar sterowania układem drogowym każdorazowo może być ewolucyjnie rozszerzany poprzez włączanie w jego zakres oddziaływania nowych skrzyżowań. Rozwój sterowania obszarowego w takim wypadku następował będzie poprzez skalowanie zasięgu terytorialnego systemu.
Sterowanie obszarowe ruchem drogowym jest zastosowaniem wybranego algorytmu celem optymalnego rozkładu potoków ruchu w sieci. W systemach sterowania obszarowego oprócz funkcji podstawowych stosuje się szereg zróżnicowanych technologii, w postaci modułów funkcjonalnych, takich jak m. in.:
• PGS (ang. Parking Guidance Systems - system kierowania pojazdów na parkingi), • GPS Taxi Dispatching - optymalizacja obiegu taksówek,
• Real-time bus information at the stop- system informacji w transporcie publicznym, • Adaptive Traffic Management- system priorytetów dla komunikacji zbiorowej, • Octopus- system bezprzewodowej kontroli i rozliczania biletów i wiele innych.
1 autorzy licznych opracowań w tym zakresie podają różnorodne zakresy korzyści stosowania ITS, w
Na podstawie badań modułów funkcjonalnych systemów obszarowego sterowania ruchem [9] stwierdzono, że: 42% systemów wykorzystuje Scheduling&Dispatch (S&D) – który dzięki kontroli położenia środków transportu komunikacji publicznej, monitoruje i modyfikuje trasy przejazdu tych pojazdów. Kolejnym systemem jest użytkowany w 27% przypadków GIS (ang. Geographic Information System). Kolejno 19% systemów obszarowych-miejskich w USA używa EFC – Ellectronic Fare collection.- systemów elektronicznych rozliczania opłat za przejazd, 12% systemów używa AVL- (ang. Automatic Vehicle Locator)- systemów lokalizacji pojazdów komunikacji zbiorowej w sieci. Kolejno, 8% używa systemu ATI- (ang. Automated Trip Itinerary) – ułatwiającego pasażerom wybór trasy w sieci, 6% to udział systemu IVA- (ang. In-vehicle Anouncer) - odpowiadającego za komunikaty wygłaszane w środkach komunikacji zbiorowej. Poniżej 5% udziału w systemach obszarowych zlokalizowanych na terytorium USA mają odpowiednio: APC- Automatic Passanger Counter – liczniki pasażerów, bramki zliczające, Kiosk- terminale informacji dla podróżnych, SP-Signal Priority- systemy wymuszania pierwszeństwa ruchu z pomocą sygnalizacji, VMS-Variabble Messager Sign – systemy zmiennego oznakowania.
W artykule zostanie zaprezentowana koncepcja optymalizacji ruchu drogowego w systemie ATCS, polegająca na zmianie kryterium optymalizacyjnego. Wydaje się, że nie istnieją zasadnicze przeszkody techniczne w zakresie wdrożenia proponowanej koncepcji jako kolejnego modułu w takich systemach, na bazie otwartej architektury zdecydowanej większości z nich. Proponowana koncepcja modyfikacji systemów sterowania obszarowego dotycząca skalowania ich poprzez dodawanie informacji na temat skrzyżowań bez sygnalizacji świetlnej może być wykorzystane w każdym systemie typu ATCS. Proponowaną koncepcję uzasadnia fakt, że każdy z systemów sterowania obszarowego oparty jest na układzie drogowym w którym większość stanowią skrzyżowania bez sygnalizacji świetlnej. Średni udział skrzyżowań bez sygnalizacji świetlnej w warunkach polskich nie przekracza dwudziestu kilku procent (SAS akr. System Analiz Samorządowych) [27].
2. WDRAŻANIE SYSTEMÓW ATCS
Wprowadzenie systemu obszarowego sterowania ruchem drogowym powinno być każdorazowo poprzedzone szczegółową analizą społecznych kosztów i korzyści (ang. BCA Benefit Cost Analisis). Analizę taka prowadzi się w następujących kategoriach (w nawiasie podano analizowane wskaźniki):
• bezpieczeństwo ruchu (liczba zarejestrowanych śmiertelnych ofiar w wyniku wypadków drogowych do których doszło w danym obszarze, liczba rannych, wartość zniszczeń materialnych wynikłych na skutek wszystkich kolizji w ruchu drogowym),
• kongestia ruchu i straty czasu, średni czas podróży w szczycie, średnia długość kolejki w szczycie etc.,
• przepustowość i mobilności (łatwość podróży, dostępność systemu), • koszt systemu (budowa, działanie, naprawy i remonty),
Przykładem analizy BCA w odniesieniu do ATCS może być dokument [7].
Wdrożenie rozwiązań i technologii w systemach zarządzania i sterowania ruchem drogowym można prowadzić w dwóch etapach. W pierwszym etapie powinny zostać wdrożone wybrane technologie ITS w kontekście konkretnych procesów których mają dotyczyć, jakkolwiek bez zmiany parametrów wejściowych tych procesów (tak odbywa się to obecnie). Dotyczy to głównie charakterystyk wejściowych potoków ruchu do systemu obszarowego sterowania ruchem. W drugim etapie winno być określone nowe podejście do rozwiązania już istniejących problemów w celu optymalizacji problematycznych charakterystyk ruchu drogowego. Etap drugi stanowi obszar zagadnień związanych z modelowaniem ruchu i dotyczy propozycji koncepcji zmian w sterowaniu obszarowym prezentowanej w artykule. Proces wdrożenia systemu ATCS przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Etapy wdrożenia systemu sterowania ruchem w układzie drogowym
Większość z produkowanych systemów ATCS pochodzi z ośrodków naukowo badawczych i akademickich. Systemy sterowania obszarowego ruchem drogowym udostępniane są przez swoich producentów w większości w celach komercyjnych. Tym niemniej tylko kilka produktów może pochwalić się wdrożeniami wykonanymi w więcej niż kilku obszarach miejskich. Na rynku funkcjonuje więc kilkadziesiąt rozwiązań, z których większość nie jest zweryfikowana w szerszym kontekście empirycznym.
W omawianych systemach używane są różne rozwiązania np. SCOOT (ang. Split Cycle Offset Optimisation Technique), SCATS(ang. Sydney Co-ordinated Adaptive Traffic System), Astrud, Transdyn-DYNAC, Trafis ROAD, TACTICS, ACTRA i wiele innych. System taki opiera się zawsze na centralnym sterowaniu ciągami sygnalizacji świetlnej. System otrzymuje informacje z detektorów zlokalizowanych na wlotach skrzyżowań. W zależności od charakterystyk chwilowych ruchu, ustalane są długości trwania sygnałów zielonych i offset pomiędzy kolejnymi skrzyżowaniami z sygnalizacją. Jak już wspomniano wcześniej, systemy te mogą mieć zintegrowane inne moduły np. do sterowania priorytetem w ruchu komunikacji zbiorowej. Są to typowe systemy czasu rzeczywistego, akomodacyjne, przeznaczone dla ciągów skrzyżowań wyposażonych w sygnalizacje świetlną [17,18,19,20, 32]. Na drugim biegunie znajduje się szereg
rozwiązań innowacyjnych, które rozwijane są głównie w ramach prac ośrodków akademickich i oparte są one najczęściej na prototypowych algorytmach sterowania np. genetycznych, niemniej jednak rozwiązania te nadal znajdują się w fazie rozwojowej.
Kryteria wyboru konkretnego systemu ATCS dla danego obszaru (układu drogowego) są różnorodne. Z uwagi na specyfikę zagadnienia, wdrożenie aplikowane jest na żywym organizmie jakim jest miejski układ drogowym. Decydujące powinny być w takim przypadku referencje systemu. Na podstawie przeprowadzonych badań własnych można stwierdzić, że w Europie dominują, w zakresie liczby wdrożeń systemy SCATS, SCOOT i UTOPIA.
Wybierając system ATCS należy rozważyć docelowy wybór systemu pod kątem rozwiązań technologicznych stosowanych w poszczególnych jego podsystemach. W systemie detekcji należy rozważyć możliwość instalacji nowoczesnych detektorów ruchu, wykorzystujących inne techniki niż uciążliwe w eksploatacji pętle indukcyjne [36]. W systemie sterowania ruchem komunikacji zbiorowej należy rozpoznać możliwości nadawania priorytetów w celu wdrażania idei zrównoważonego rozwoju systemów transportowych [35]. Szczegółowej analizie należy poddać też przydatność rozwiązań w zakresie podsystemów hardware, software i sytemu komunikacji stosowanego w analizowanym systemie pod katem specyfiki docelowego układu drogowego. Biorąc pod uwagę oczywisty fakt, że każdy układ drogowy jest inny, także każde wdrożenie systemu ATCS jest specyficzne. Poza niekwestionowanymi korzyściami wynikającymi z instalowania systemów sterowania obszarowego, wdrożenia te implikują również negatywne skutki. W sytuacjach kiedy liczba pojazdów przekracza pojemność obszaru objętego systemem sterowania, nie jest on w stanie rozładować istniejącego ruchu (umownie: przypadek A). W czasie budowy, wdrażania i dostrajania systemu, powstają dodatkowe utrudnienia przekraczające obszar objęty sterowaniem ruchu (przypadek B). W czasie awarii systemu, zakłócenia ruchu z reguły przekraczają te, które istniały przed uruchomieniem systemu (przypadek C). Przypadek C wynika z faktu, że po wdrożeniu systemu, użytkownicy sieci drogowej wybierają ten ciąg komunikacyjny jako atrakcyjniejszy, powodując paradoksalnie zwiększenie ruchu na podstawie którego system był projektowany. Przed powstaniem systemu, użytkownicy sieci drogowej w przypadku możliwości wariantowania trasy przejazdu w sieci z reguły omijają taki odcinek drogi nawet kosztem zwiększenia odległości przejazdu [11]. Usprawnienie ruchu w takim ciągu drogowym, powoduje agregowanie na tym odcinku procentu wolumenu ruchu z odcinków alternatywnych[11]. Ostatnim aspektem związanym z wadami sterowania obszarowego, zresztą rzadko analizowanym jest problem propagacji zaburzeń z obszaru objętego centralnym sterowaniem ruchu na pozostały obszar organizmu miejskiego (przypadek D). Wpływ skrzyżowań, izolowanych z sygnalizacją świetlną na bezpośrednio przyległe skrzyżowania bez sygnalizacji świetlnej badany był w pewnych aspektach w monografii [16]. Wpływ ten sięga w zależności od kilku parametrów ruchu i programu sygnalizacji świetlnej od 400 do 600 metrów. Scharakteryzowania wymaga rozkład przestrzenny tego wpływu jak również występowanie bądź nie sprzężenia zwrotnego w takich układach.
Siec drogowa i uliczna jest konstrukcją koherentną[12] i jako taka może, ale nie powinna być optymalizowana fragmentarycznie. Stan taki dopuszczalny jest wyłącznie z powodów organizacyjnych (technicznych) i ekonomicznych. Na rysunku 2 za pracą [13] zaprezentowano uogólniony system zarządzania i kontroli ruchem.
Rys. 2. Ogólny system zarządzania i kontroli ruchem. Źródło:[12]
Na rysunku nr 2 linią ciągłą przedstawiono elementy systemu zarządzania i kontroli ruchu. Linią przerywana zaznaczono istnienie pozostałej sieci drogowej stanowiącej tu otoczenie zewnętrzne systemu sterowania obszarowego. Linią przerywaną zakreślono też elementy systemu sterowania na które wpływają charakterystyki otoczenia. Jest to graficzne przedstawienie problemu związanego z przypadkiem D, który szerzej będzie omówiony poniżej. Ogólnie problem ten można określić jako przypadek suboptymalizacji. W systemie takim zakłócenia z systemu zewnętrznego można określić z pomocą procedur wbudowanych w system, natomiast informacja w kierunku przeciwnym jest zmienną nieokreśloną, którą trudno estymować z uwagi na rozprzestrzenienie zaburzenia z małego obszaru na większa przestrzeń układu drogowego i brak poza systemem zintegrowanych procedur kontrolnych. Koncepcja taka jest przypadkiem usprawnienia funkcjonowania podsystemu jako całości. Przypadek ten nie musi i bardzo często nie prowadzi do optymalizacji funkcjonowania całego układu drogowego. Problem ten powinien stanowić przyczynek do dalszych pogłębionych analiz i rozważań [14]. W chwili obecnej przy wskaźniku motoryzacji na poziomie ok. 400 pojazdów na 1000 mieszkańców problem propagacji zaburzeń poza systemy obszarowego sterowania ruchem nie jest dostrzegany. Pamiętać należy jednak, że wskaźniki motoryzacji w państwach tzw. starej Unii są do 50% większe niż w Polsce. Żaden system sterowania obszarowego nie jest projektowany na tak istotny wzrost obciążenia ruchem. Z kolei system sterowania obszarowego ruchem drogowym pracujący na granicy przepustowości maksymalnej zakłóci pracę sąsiednich obiektów bez takiej organizacji ruchu [38]. Może to wystąpić zwłaszcza w gęstej sieci drogowej, przy małych odległościach pomiędzy skrzyżowaniami.
W perspektywie rozwoju systemów ATCS możliwe jest kilka scenariuszy rozbudowy systemów obszarowego sterowania ruchem. Pierwszym scenariuszem jest maksymalne zwiększenie obszaru sterowania obszarowego z pomocą dołączania doń kolejnych skrzyżowań z sygnalizacją świetlną poprzez montowanie jej na skrzyżowaniach bez sygnalizacji sąsiadujących z systemem (Scenariusz I). Kolejnym scenariuszem jest zwiększenie wpływu oddziaływania i kontroli obszaru systemu sterowania, na podstawie modelu proponowanego w tym opracowaniu (Scenariusz II). Obydwa scenariusze nie wykluczają siebie nawzajem, posiadają styczne obszary i cele realizacji. W takim
przypadku do istniejącego lub planowanego obszaru sterowania ruchem wyposażonego w sygnalizację świetlną dołączony zostanie obszar przyległy składający się ze skrzyżowań bez sygnalizacji świetlnej. Ściślej rzecz biorąc, skrzyżowania z obszaru przyległego zostaną wyposażone w detektory ruchu z których informacja skierowana zostanie do systemu centralnego sterowania ruchem. Pozwoli to na optymalizację ruchu drogowego nie tylko w obszarze skrzyżowań z sygnalizacją lecz również dla obszaru przyległego. Kolejnym, trzecim a zarazem ostatnim możliwym scenariuszem rozwoju ATCS jest sterowanie całą siecią (układem drogowym- Scenariusz III). Będzie to możliwe dopiero w momencie kiedy wszystkie pojazdy znajdujące się w ruchu na drogach publicznych wyposażone zostaną zgodnie z normami prawa w systemy identyfikacji satelitarnej/przestrzennej przy jednoczesnym utrzymaniu komunikacji dwustronnej w systemie sterowania ruchem (pojazd-system). Docelowy sposób zarządzania ruchem drogowym – sterowanie zupełne/totalne (każdym skrzyżowaniem i każdym pojazdem w układzie drogowym) jest wariantem nierealizowalnym z przyczyn technicznych i normatywno-prawnych w perspektywie najbliższych 10-15 lat (przewidziane prawem wyposażenie techniczne środków transportu). Kolejne scenariusze przedstawiono na rysunku 3:
Rys. 3. Scenariusze rozwoju systemów ATCS
Zaletą pierwszego scenariusza jest powielanie dotychczasowych, sprawdzonych rozwiązań, wadą czy też może prostą konsekwencją są koszty, nieproporcjonalne wysokie w stosunku do odniesionych korzyści i obszaru objętego systemem sterowania ruchem. Zaletą stosowania scenariusza drugiego jest istotne zwiększenie obszaru sterowania i kontroli ruchu drogowego o 100 i więcej procent, przy zdecydowanie mniejszych nakładach finansowych. Wadą tego scenariusza jest to, że proponowana metoda nie została zweryfikowana empirycznie.
Poszukiwanie nowego algorytmu sterowania w systemie obszarowym z uwzględnieniem jego wpływu na otoczenie, wykonanie analizy jego zachowania i interakcji z innymi elementami układu drogowego powinno być przeprowadzone na drodze modelowania matematycznego.
obs
za
r
czas Scenariusz I Scenariusz II Scenariusz III
2. TEORIA PŁYNNOŚCI RUCHU JAKO INSTRUMENT
ANALIZY INTERAKCJI MIĘDZY SYSTEMEM
STEROWANIA OBSZAROWEGO
A JEGO OTOCZENIEM
Kolejki pojazdów, w związku z tym również straty czasu w ruchu drogowym, generowane są głównie na skrzyżowaniach. Sterowanie obszarowe (w tym sterowanie w ciągach ulicznych) realizowane jest na podstawie charakterystyk otrzymywanych w ciągu lub sieci kilku, kilkunastu, kilkudziesięciu skrzyżowań drogowych (elementów obszaru sterowania). W zależności od sposobu zapewnienia bezpieczeństwa w ruchu drogowym (BRD) można budować różne modele kolejek ruchu [12]. W przypadku systemów ATCS/UTMC (ang. Urban Traffic Managment Control) kolejki na skrzyżowaniach parametryzowane z pomocą urządzeń pomiarowych, traktowane są jako niezależne modele kolejek. Ściślej rzecz określając są one niezależne od skrzyżowań zlokalizowanych poza rejonem sterowania obszarowego. Lokalizacja skrzyżowania z sygnalizacją świetlną w obszarze sterowania ma istotne znaczenie. Im głębiej zlokalizowane jest ono w tym obszarze, tym dokładniej charakterystyki ruchu na jego wlotach uwzględniają zależność od pozostałych skrzyżowań w tym obszarze. Pojazdy wjeżdżające w obszar sterowania, w miarę jego pokonywania są coraz dokładniej regulowane. Tworzone są coraz dokładniej formowane zgrupowania pojazdów lepiej odpowiadające warunkom przepustowości. Problem tu poruszany związany jest ze zjawiskiem równoczesności kolejek, dla więcej niż jednego pojazdu, wynikających z przejazdu tego pojazdu przez poszczególne węzły drogowe [12]. Charakterystyki kolejek ruchu i przepustowości w sterowaniu obszarowym należy zdefiniować dla warunków równowagi ruchu, jako agregaty odpowiednich charakterystyk w skrzyżowaniach objętych tego typu organizacją ruchu [12]. System obszarowy optymalizuje parametry potoków ruchu, który jest na wejściu systemu agregatem poszczególnych intensywności w układzie drogowym:
k i , q q k k i i ≤ ≤
∑
∑
(1) gdzie:i- potoki ruchu na wejściu systemu obszarowego sterowania ruchem, k- potoki poza obszarem systemu sterowania ruchem.
Zdaniem autorów dobry system sterowania obszarowego powinien uwzględniać nie tylko charakterystyki tych skrzyżowań, ale również innych poza obszarem sterowania stanowiących wąskie gardło układu komunikacyjnego. Oznacza to, że straty czasu i-tego potoku ruchu są sumą strat czasu w poszczególnych elementarnych skrzyżowaniach, zarówno stanowiących przedmiot sterowania obszarowego jak i pozostałych:
1 ), ..., ,..., , ( ) ..., ,..., , ( 1 2 , 1 ) ( , 2 1 =
∑
≥ = i n i l j j i n i i q q q q w q q q q l w i (2)gdzie: wi(j) (q1,q2,...,qi,...,qn), - czas tracony prze i-ty potok ruchu w j-tym skrzyżowaniu, n- liczba potoków ruchu, - li≥1liczba skrzyżowań pokonywanych przez i-ty potoku ruchu, q - intensywność i –tego potoku [12]. Optymalna intensywność i-tego i potoku ruchu w obszarze objętym sterowaniem obszarowym będzie nie większa niż najmniejsza optymalna intensywność w jednym ze skrzyżowań które pokonuje ten potok:
i j q j n i i i i q q j l q min( (i) i i n), 1,2,...., ,... 1 , 1 ,.... 2 , 1 / 0 . / 0 = − + = 0/1,2,...,−1,+1,... = (3) gdzie: i i j i i j i j i j i j i j q j i q q F q F q p q q q i i i n ( : ( ( )) max!, ()( ) (1 ()( )) . / 0 ) ( ) ( 0 ) ( ) ( . / 0 = 0/1,2,...,−1,+1,... = = = − (4) gdzie: ) ( ) ( i j i q
F jest oczekiwana płynnością ruchu i-tego potoku ruchu w węźle j- tym, i
i j
i q
p()( )jest prawdopodobieństwem wystąpienia kolejki (zakłócenia) i-tego potoku ruchu w j- tym węźle dla intensywności qi,. W ten sposób jednoznacznie określa się wąskie gardło na drodze i-tego potoku ruchu w j- tym skrzyżowaniu drogowym [12]:
i n i j i j n i j i qq q q w qq q q i l w ( ) max( ( )( 1, 2,..., ,..., )), 1,2,..., ,..., ,..., 2 , 1 ) ( = = (5)
Wąskim gardłem jest to skrzyżowanie w którym i-ty potok doznaje największych opóźnień (start czasu). Sterowanie obszarowe nie uwzględnia w sposób dostateczny tej złożonej zależności, czyli jakościowo w zakresie optymalizacji systemu drogowego stanowi zaledwie wzmiankowany wyżej etap pierwszy- zastosowania wprost istniejącej technologii do zaistniałego problemu bez likwidacji jego przyczyn. Wynika to z wyspowego charakteru stosowanych rozwiązań ATCS. Algorytmy sterowania obszarowego powinny być rozszerzane celowo w formie struktur drzewiastych a nie ściśle obszarowo. Agregowany na wejściu do systemu sterowania obszarowego potok ruchu kumuluje się poza jego granicami. System sterowania może więc tylko w nieznacznym stopniu oddziaływać na parametry ruchu (straty czasu) poza swoimi granicami. Jak pokazano wyżej takie podejście w pewnych sytuacjach (przypadki (od A do D)), poprzez likwidację skutków bez usunięcia przyczyny perturbacji w sieci drogowej, powoduje jedynie propagacje zaburzeń na inne obszary miasta[11]. Innymi słowy, jeżeli dla i-tego potoku ruchu wąskie gardło(a) występuje(ą) poza obszarem zintegrowanego sterowania ruchem, stosowanie takiego sytemu stanowi jedynie rozwiązanie suboptymalne. Dodajmy, rozwiązanie suboptymalne z punktu widzenia innego potoku ruchu (ciągu skrzyżowań). Sytuacja w układach drogowych polskich miast zmieni się drastycznie wraz ze wzrostem wskaźnika motoryzacji i wskaźnika ruchliwości mieszkańców. Synergia tych dwóch tendencji wzrostowych wyczerpie pojemność dowolnego układu sterowania obszarowego- nawet w obliczu notowanych i prognozowanych spadków wskaźników demograficznych. W związku z powyższym system sterowania obszarowego winien obejmować swoim zasięgiem nie tylko skrzyżowania wyposażone w sygnalizację świetlną. Obszar działania takiego rozwiązania winien obejmować nie tylko geometrycznie ściśle przyległe ciągi skrzyżowań, ale uwzględniać powinien zlokalizowane wąskie gardła w rozległej sieci drogowej. Co więcej to właśnie te zidentyfikowane wąskie gardła
powinny być ze sobą połączone w jednym systemie ATCS, z możliwością rekonfigurowalności ich układu w czasie. Dalsza część artykułu przedstawia koncepcję włączenia skrzyżowań nieregulowanych w system sterowania obszarowego, relatywnie małym kosztem w odniesieniu do kosztów wdrożenia całego systemu obszarowego sterowania ruchem drogowym. Nie można w sposób analityczny zbudować optymalnego systemu sterowania ruchem, bez uwzględniania zmian w sieci z uwzględnieniem niestacjonarności charakterystyk ruchu (w czasie) i przestrzeni. Jest to zawsze długi proces iteracyjny uwzględniający ewolucyjne zmiany w sieci drogowej [12]. Należy się spodziewać, że w związku z rozwojem motoryzacji dynamika tych procesów będzie narastała. Sterowanie obszarowe spełnia kryterium adaptacji do zmian czasu w aspekcie optymalizacji systemu, jako system czasu rzeczywistego. Niestety nie spełnia wymogów adaptacji do relokacji wąskich gardeł w sieci transportowej, które zmieniają się w czasie. Pomijając zupełnie fakt, że z reguły nie uwzględnia rozproszenia tych punktów w sieci drogowej (z uwagi na zwiększone koszty infrastruktury technicznej wraz ze wzrostem obszaru sterowania). W latach 1990-2010 nastąpiły istotne przeobrażenia w przestrzeni miejskiej polskich miast (nowe osiedla mieszkaniowe, hipermarkety, nowe zakłady pracy, likwidacja starych) powodując zmiany w alokacji generatorów i absorbentów ruchu a co za tym idzie zmiany w rozkładzie potoków ruchu a więc i wąskich gardeł w sieci. Następuje również zmiana charakterystyk ruchu w wąskich gardłach zdiagnozowanych wcześniej. Powyższa sytuacja wymusza następujące rozwiązania: projektowanie obszarowych systemów sterowania na jak największym obszarze, wykonywanie szczegółowych analiz rozmieszczenia wąskich gardeł z zastosowaniem metod prognostycznych, włączenie do systemów sterowania obszarowego pozostałych skrzyżowań, w tym bez sygnalizacji świetlnej, w uproszczonej formie. Optymalizacje ruchu w obszarze sterowania możemy zapisać jako minimalizacje strat czasu, maksymalizacje płynności ruchu, maksymalizacje intensywności ruchu bądź maksymalizując przepustowość węzła:
∑
∑
∑
∑
⇔ ⇔ ⇔ j i i R i i R i il j il R j i j i R w , F q q q * 0 ) ( , )( max ( ) max min
min (6)
gdzie: R- możliwe organizacje ruchu [12].
W oparciu o powyższe modele optymalizacji można zaproponować modyfikacje istniejących systemów obszarowego sterowania ruchem drogowym. Jak już wspomniano propozycja dotyczy wykorzystania w algorytmach sterowania danych z charakterystyk ruchowych na skrzyżowaniach bez sygnalizacji świetlnej bez instalacji na nich sygnalizatorów (infrastruktury technicznej systemów sygnalizacji świetlnej). Instalacja sprowadza się w tym przypadku jedynie do rozmieszczenia w obrębie skrzyżowania bezprzewodowych lub przewodowych urządzeń rejestrujących (kamery, pętle indukcyjne, inne detektory) zintegrowanych ze sterownikiem obszarowym via GSM lub IP. Skrzyżowaniem takim co prawda nie da się sterować bezpośrednio z powodu braku infrastruktury sygnalizacyjnej, natomiast obserwacja jego charakterystyk umożliwia dobór sygnalizacji na skrzyżowaniach sąsiednich w celu optymalizacji jego pracy w okresach przeciążenia ruchem. Jest to więc swego rodzaju quasi-sterowanie. Metoda ta zakłada, w przeciwieństwie do tradycyjnego ujęcia teorii płynności, poszukiwanie pojazdów które przejeżdżają przez skrzyżowanie bez zakłócenia –płynnie (zwykle poszukuje się pojazdów
zakłóconych). Parametrem ruchu obserwowanym jest tu prędkość pojazdów. W metodzie tej zakłada się analizowanie dwóch kryteriów braku zakłócenia ruchu. Kryterium I – definiowane dla dróg z pierwszeństwem przejazdu, kryterium II definiowane dla dróg podporządkowanych. Kryterium I służy sprawdzeniu, czy pojazd poruszający się po drodze z pierwszeństwem ruchu nie zmniejsza swojej prędkości, lub w przypadku zmiany kierunku jazdy (redukcja techniczna prędkości pojazdu dla relacji skrętnych) nie zmniejsza jej o określony poziom:
const v v t v t v v t v t v v t v t v t t t t t v t v t v t v n n n n i i i i n i n n i i = ∆ ∆ − ≥ ∆ − ≥ ∆ − ≥ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ − − + +( ) ( ) ,...., ( ) ( ) , ,..., ) ( ) ( ,..., ,..., ), ( ),..., ( ,...., ) ( ) ( 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 (7)
Problemem technicznym przy badaniu takiego przypadku jest określenie prędkości każdego pojazdu w poszczególnych kwantach czasu. W literaturze przedmiotu obserwuje się próby estymacji prędkości pojazdów na podstawie wskazań pojedynczych pętli indukcyjnych. Należy również uwzględnić sytuację zatoru drogowego, który spełnia kryterium I jednakże odpowiada zdarzeniu zakłócenia płynności ruchu. W takim przypadku spełniony jest warunek (7), należy więc dodatkowo sprawdzić zależność odstępów czasu/drogi między pojazdami w danym potoku ruchu:
1 ,
2
1=∆ =,...,=∆ ,...,=∆ ∆ = − +
∆S S Si Sn Si Si Si (8)
gdzie ∆S są odstępami pomiędzy kolejnymi j-tymi pojazdami w i-tym potoku ruchu z tolerancją ±∆T (odstęp czasu).
Kontrola prędkości i położenia pojazdu odbywać się może na zasadzie video detekcji lub ciągu jednej ewentualnie kilku pętli indukcyjnych. W konsekwencji można określić prawdopodobieństwo płynnego przejazdu w relacji priorytetowej zgodnie z :
∑
∑
= i i pp q I q p / (9)gdzie:
∑
qi/I- pojazdy i-tego potoku ruchu spełniające kryterium I,∑
q to wszystkie i pojazdy i-tego potoku ruchu w analizowanym przekroju drogi obserwowane w interwale (0,T). Kryterium II służy sprawdzeniu przebiegu manewrów pojazdów poruszający się w relacji podporządkowanej (z drogi podporządkowanej na zasadach określonych w „Prawie o ruchu drogowym” tj. spod znaku A7 , B20, A5). Sprawdzeniu podlega iloraz liczby luk w strumieniu nadrzędnym wykorzystanych przez pojazdy z wlotu podporządkowanego (intensywność pojazdów które włączyły się do ruchu z wlotu podporządkowanego) do liczby wszystkich luk o czasie większym od czasu granicznego dla danego i-tego potoku ruchu, przy obecności co najmniej jednego pojazdu na wlocie podporządkowanym:∑
∑
↑ = g g pp t t p (10)gdzie:
∑
tg↑- pojazdy2 i-tego potoku ruchu spełniające kryterium II, pojazdy którewłączyły się do ruchu na skrzyżowaniu,
∑
t suma wszystkich luk większych od czasu g granicznego możliwych do wykorzystania przez pojazdy poruszające się z wlotu podrzędnego. W efekcie równanie (9) określa nam prawdopodobieństwo płynnego przejazdu pojazdu przez skrzyżowanie bez sygnalizacji świetlnej dla pojazdów priorytetowych, natomiast zależność (10) dla pojazdów z wlotów podporządkowanych. Poza punktem włączenia się pojazdu podporządkowanego do ruchu na skrzyżowaniu, pojazdy tej relacji, ich płynność ruchu, określa się zgodnie z kryterium I. System sterowania obszarowego mając dane odnośnie płynności ruchu na skrzyżowaniach bez sygnalizacji świetlnej może reagować na spadki wydajności tych obiektów poprzez zmianę stanu odpowiednich sygnalizatorów w obszarze systemu właściwego-nadając tym relacjom priorytet w ramach istniejących w systemie rezerw przepustowości. Metoda ta przewiduje więc usprawnienie systemu sterownia obszarowego wyłącznie w ramach posiadanych przezeń rezerw przepustowości.Rys. 4. Kryteria estymacji funkcji oczekiwanej płynności ruchu na skrzyżowaniu bez sygnalizacji świetlnej
Schemat estymacji funkcji oczekiwanej płynności ruchu przestawiono na rysunku 4. Za pomocą pętli indukcyjnych ustalana jest prędkość poszczególnych pojazdów. W potoku uprzywilejowanym w ruchu stosuje się następnie kryterium I. W potoku podporządkowanym sprawdza się wartości określone kryterium II. Zakładając, że obszar sterowania podzielony jest na dwa podobszary, obszar właściwy złożony ze skrzyżowań z sygnalizacja świetlną (obszar A) i dołączonego obszaru składającego się ze skrzyżowań bez sygnalizacji świetlnej (obszar B), uproszony algorytm pracy takiego systemu pokazano na rysunku 5.
2 Celowo w zapisie użyto symbol czasu granicznego dla zwrócenia uwagi na parametr podlegający ocenie
PROCES STEROWANIA OBSZAR A OBLICZENIE REZERW PRZEP. W OBSZARZE A OBLICZENIE PŁYNNOŚCI RUCHU W POTOKACH OBSZARU B F(q)↓ CZY OBSZAR A MA REZERWY? ZMIEŃ PROCES STEROWANIA OBSZARU A START - CYKL TAK TAK NIE NIE
Rys. 5. Uproszczony algorytm pracy systemu sterowania obszarowego
W wyniku wprowadzenia sterowania obszarowego w praktyce może dochodzić do sytuacji w których, w wybranych relacjach, istotnie może spadać płynność ruchu, na skrzyżowaniach poza obszarem objętym sterowaniem bezpośrednim. W pracy [12] wykazano, że właściwym sposobem oceny efektywności węzłów nie jest przepustowość maksymalna ale przepustowość w sensie płynności ruchu – optymalna. Oznacza to, że zwiększenie płynności i strat czasu w węźle zlokalizowanym w obszarze sterowania nie jest równoznaczne z likwidacją wąskiego gardła w sieci w sensie płynności ruchu a może doprowadzić do powstania nowego – tzn. zamiana (relokacja) miejscami wąskich gardeł w sieci.
Prezentowany model proponuje odwzorowanie określonego fragmentu miejskiego układu drogowego, który z założenia jest większy niż w przypadku budowy systemu obszarowego sterowania ruchem drogowym wyłącznie ze skrzyżowań wyposażonych w sygnalizację świetlną. Model ten powinien umożliwiać określenie zbioru dopuszczalnych decyzji odnośnie parametrów pracy sygnalizacji świetlnej na skrzyżowaniach systemu obszarowego w rejonie A (tylko skrzyżowania z sygnalizacją świetlną). Ze zbioru dopuszczalnych decyzji w przedmiocie parametrów sterowania sygnalizacja świetlną wybierane są następnie decyzje ze zbioru decyzji optymalnych. Kryteria wyboru decyzji optymalnych wynikają z parametrów ruchu w obszarze A oraz z parametrów ruchu w obszarze B ( na skrzyżowaniach bez sygnalizacji świetlnej). Parametry pomocne dla ustalenia zbioru decyzji optymalnych w obszarze A, w obszarze B ustalane są na podstawie określania płynności ruchu potoków poruszających się na skrzyżowaniach na podstawie wskazań detektorów ruchu. Prowadzenie sterowania parametrami sygnalizacji świetlnej w obszarze A powinno być tak wykonane, aby maksymalna intensywność lub płynność ruchu była jak największa (co jest równoważne minimalizacji strat czasu):
) q ( w min ) q ( F max q max AB i i AB i i AB i i ⇔ ⇔ (11) ) q ( w ) q ( w ); q ( F ) q ( F ; q q A i AB i A i AB i A i AB i
∑
∑
∑
∑
∑
∑
≥ ≥ ≥ (12) gdzie:A- powierzchnia obszaru A (wyłącznie skrzyżowania z sygnalizacją świetlna),
B- powierzchnia obszaru B na której zlokalizowane są skrzyżowania bez sygnalizacji świetlnej.
) q ( w ), q ( F , q AB i AB i AB
i ‐ odpowiednio intensywności, funkcja płynności ruchu i straty czasu
w obszarze A∪B w odpowiednich potokach ruchu.
Ograniczeniami modelu są ograniczenia przepustowości poszczególnych potoków ruchu pomiędzy skrzyżowaniami: l ,.... 2 , 1 i , C ) q ,..., q , q ( * n * 2 * 1 i = = ϕ (13) i kryteria przyjęte dla funkcji oczekiwanej płynności ruchu:
l ,.... 2 , 1 i , D ) q ( F ),..., q ( F ), q ( F ( 1 2 n i i >= = ϕ (14) gdzie:
C, D –odpowiednio pojemność obszaru kontroli i sterowania, kryterium płynności ruchu.
Zaproponowany w artykule algorytm, w konsekwencji model, należy oczywiście poddać weryfikacji empirycznej z pomocą narzędzi mikrostymulacji. Porównane wyników nastąpi z wynikami mikrosymulacji w jednym z popularnych programów mikrosymulacyjnych: Vissim, S-Paramics, Aimsum, Mathsim, Transsims etc.
7. WNIOSKI I UWAGI KOŃCOWE
W obszarach o skomplikowanym układzie drogowym, zwłaszcza w gęstych sieciach transportowych, systemy optymalizujące ruch fragmentarycznie nie rozwiązują wszystkich problemów związanych z niekorzystnymi charakterystykami ruchu drogowego[11]. Przyczyną takiego stanu jest wykorzystywanie ciągle jeszcze rozwiązań typu wyspowego. Problem ten nie występuje przy niemal całkowitym pokryciu sieci miejskiej skrzyżowaniami z sygnalizacją świetlną przy jednoczesnym włączeniu ich w system sterowania obszarowego. Sytuacja taka ma miejsce tylko w kilku metropoliach na świecie. W przypadku tych miast zintegrowano niemal wszystkie skrzyżowania z sygnalizacją świetlną znajdujące się na ich terenie. Miasta w których zintegrowano niemal wszystkie skrzyżowania z sygnalizacja świetlną w jednym systemie to Los Angeles (ok. 5000), Sydney (ok. 4000), Victoria (ok. 3000) Manchaster (2000) [17][20].
W Polsce liczba skrzyżowań z sygnalizacja świetlną, w zależności od liczby mieszkańców miasta, waha się od 20% do 50%. W związku z tym faktem w perspektywie najbliższych lat należy poszukiwać metod przejściowych, takich jak prezentowana koncepcja.
Bibliografia
1. Stough R.: Intelligent Transport Syst., C&P, Edward Elgar Pub. Limited, Cheltencham, UK, 2001 2. Maes W.: How the European Commission promotes coordinated ITS deployment in road transport in the
EU Member Countries, Innovation in Road Transport, Lisbon, 02/10/2009
3. Chen K., Miles J.: ITS Handbook 2000: World Road Association (PIARC), Artech House,1999 4. McQueen B., McQueen J.: Intelligent Transportation Systems Architectures, Artech House,1999 5. Sussman J.: Perspectives on Intelligent Transportation Systems (ITS), 2005
6. Delivering Intelligent Transport Systems Driving integration and innovation, IBM Corporation 2007. 7. Intelligent Transportation Systems (ITS)- Statewide Plan, Advanced Traffic Analysis Center Upper Great
Plains Transportation Institute North Dakota State University Fargo, North Dakota, October 2004 8. Position Paper: On Intelligent Transport Systems (ITS), Brussels, 2 December 2009; www.orgalime.org 9. Hough J.A., Bahe C., Murphy M., Swenson J.: ITS: helping public Transit support welfare to work
initiatives, Upper Great Plains Transportation, Institute North Dakota State University, May 2002 10. http://www.adt.pl/prasa_ssr/ odsłona: 28 luty 2010.
11. Krawiec S., Karoń G, Celiński I., Sobota A.: Warunki ruchu w sieci drogowej konurbacji górnośląskiej w latach 2007 – 2009. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Zeszyt nr 68, Gliwice 2010.
12. Woch J.: Kształtowanie płynności ruchu w gęstych sieciach transport., Wyd. Szumacher, Kielce 1998. 13. Varga I., Kulcsar B., Tamas P.: Design of an Intelligent TCS: www.ercim.eu-odsłona: 28luty 2010. 14. Steenbrink P.A., Optymalizacja sieci transportowych, WKŁ, Warszawa 1978.
15. http://www.dsa.wroc.pl/?k=katalog&w=&d=2; odsłona : 28 luty 2010.
16. Chodur J.: Funkcjonowanie skrzyżowań drogowych w warunkach zmienności ruchu, seria: IL, Politechnika Krakowska, Kraków 2007.
17. http://www.scoot-utc.com/; odsłona 10 marca 2010 r., 18. https://www.mrwa.wa.gov.au; odsłona 10 marca 2010 r. 19. http://www.adt.pl/; odsłona 10 marca 2010 r.
20. http://www.scats.com.au/product_base_packg_compnts.html; odsłona 10 marca2010 r.
21. Davies P.: Assessment of advanced technologies for relieving urban traffic congestion, National Cooperative Highway Research Pr. 340.Transportation Research Board, NRC Washington D.C. 1991. 22. Liu D. Cheu R. L.; Simulation Evaluation of Dynamic TRANSYT and SCATS-Based Signal Control
Logic under Time Varying Traffic Demand, Applications of Advanced Technologies in Transportation Engineering (Conference 2004)
23. Ngoc Nguyen V.: Evaluation of SCATSIM-RTA Adaptive Traffic Network Simulation Model, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2007
24. Wolshon B,Taylor W.C.: Analysis of intersection delay under real-time adaptive signal control, Transportation Research Part C7, 1999
25. Tracz M., Gondek S., Gaca S., Chodur J. i inni: Koncepcja systemu sterowania ruchem dla miasta Krakowa. Opracowanie wykonane dla WGK UM. Politechnika Krakowska, Kraków 1996.
26. Zintegrowany Plan Rozwoju Transportu Publicznego w Aglomeracji Warszawskiej. Biuro Strategii Rozwoju i Integracji Europejskiej m. st. Warszawy, Warszawa 2004.
27. http://www.sas.zmp.poznan.pl/ - odsłona 10 marca 2010 r.
28. Karoń G., Macioszek E., Sobota A.: Selected problems of transport Network model ling of Upper-Silesian Agglomeration (In Poland), Vilnius Technika VGTU, Vilnius 2009.
29. Krawiec S., Celiński I.: Sterowanie obszarowe – przykłady rozwiązań w aspekcie modelowania ruchu drogowego w miastach. Międzynarodowa Konferencja Nauk. Transport XXI wieku, Białowieża 2010. 30. Celiński I. Sobota A.: Systemy ATCS w Polsce, finansowanie, kryteria analizy kosztów i korzyści, VII
31. Celiński I.: System ACTS dla konurbacji górnośląsko - zagłębiowskiej, VII Konferencja Naukowo-Techniczna Systemy transportowe Teoria i Praktyka, Katowice 2010.
32. Litwin M.: Możliwości budowy polskiej architektury ITS w świetle architektury europejskiej, Międzynarodowa Konferencja Naukowa Transport XXI wieku, Białowieża 2010.
33. Litwin M. Krajowa architektura ITS, II Polski Kongres ITS, Inteligentny Transport, Wizja i Rzeczywistość.
34. Directive 2010/40/EU of the European Parliament f the Council of 7 July 2010, 6.8.2010.
35. Krawczyk G., Rozwałka M.: Priorytety w sterowaniu ruchem zbiorowej komunikacji autobusowej, Międzynarodowa Konferencja Naukowa Transport XXI wieku, Białowieża 2010.
36. Suda J., Kłos A.: Badanie i ocena zintegrowanego detektora pojazdów, Międzynarodowa Konferencja Naukowa Transport XXI wieku, Białowieża 2010.
37. http://pxoenix.gov- odsłona 26 września 2010.
38. Chodur J.: Funkcjonowanie skrzyżowań drogowych w warunkach zmienności ruchu, Monografia 347, Politechnika Krakowska, Kraków 2007. Gasz K., Gądek S.: Systemy zarządzania ruchem w polskich miastach. http://www.um.warszawa.pl/konferencje_bk/pliki/
39. Hicks B., Carter M.: What have We learned about ITS Arterial Management? FHWA, Washington D.C., Dec. 2000, pp. 45–63.
40. Karoń G., Janecki R., Sobota A. z zespołem: Program inwestycyjny rozwoju trakcji szynowej na lata 2008 – 2011. Analiza ruchu, Praca naukowo-badawcza Politechniki Śląskiej, Katowice 2009.
AREA TRAFFIC CONTROL GROWTH POSIBILITIES IN POLAND
Summary: The article briefly introduces Area Traffic Control Systems (ATCS). It presents implemented solutions with their advantages and disadvantages listed. The article describes examples of solutions implemented in Poland especial on Silesian voivodship example. In the article the authors censoriously describes methods applied considering forming traffic flow in thick roads nets. It expresses concepts of existing controlling systems alterations providing traffic optimizing in urbanized areas.
Keywords: ITS, ATMS, area traffic control
