Wskaźniki jakości sterowania sygnalizacją świetlną w systemie „OPTIMAL”

(1)

ZE SZ Y T Y N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: T R A N S P O R T z. 41

2000 N r kol. 1491

Rafał D O R O Z 1 R afał W Ą S IK 2 Stanisław W ID U C H 1

WSKAŹNIKI JAKOŚCI STEROWANIA SYGNALIZACJĄ ŚWIETLNĄ W SYSTEMIE „OPTYMAL”

S tre szc ze n ie . W artykule przedstaw iono najczęściej stosowane w skaźniki um ożliw iające ocenę jak o ści sterow ania skrzyżow aniem ulic będącym jednym z krytycznych elem entów sieci transportow ej m iasta, decydującym w dużym stopniu o jej przepustow ości. O m ów iono także now y system kom puterow ego w yboru optym alnych harm onogram ów sterow ania sy gnalizacją św ie tln ą na skrzyżow aniu.

THE QUALITY FACTORS IN THE „OPTYMAL” PACKAGE FOR ROAD TRAFFIC CONTROL

S u m m a ry . The paper several aspects o f sim ulation facilities o f the „O PT Y M A L ” package, developed in Institute o f Transport. The quality factors o f traffic control procedures have been disscused in the paper as well.

1. W P R O W A D Z E N IE

W ostatnich kilku latach obserw ujem y w Polsce znaczny w zrost liczby pojazdów sam ochodow ych, poruszających się po ulicach miast. Fakt ten, w połączeniu z ograniczeniam i infrastrukturalnym i oraz brakiem środków finansow ych, które nie pozw alają na sz y b k ą rozbudow ę sieci kom unikacyjnej, pow oduje w idoczne, ciągłe pogarszanie się w arunków ruchu pojazdów w sieci kom unikacyjnej miasta.

ł M g r inź. R afał D o ro z , m g r inZ S ta n isła w W iduch, U n iw ersy tet Śląski, In sty tu t Info rm aty k i

‘ M g rin Z . R afał W ąsik , P o lite c h n ik a Śląsk a, In sty tu t T ran sp o rtu

(2)

128 R. Doroz, R. W ąsik, S. W iduch

S krzyżow anie ulic je s t elem entem sieci ograniczającym płynność ruchu oraz przepustow ość ciągów kom unikacyjnych. U m iejętne sterow anie potokam i pojazdów na skrzyżow aniach będących new ralgicznym i punktam i sieci transportow ej je s t jednym z istotnych czynników m ogących znacznie popraw ić przepustow ość m iejskich system ów kom unikacyjnych.

Jeżeli na skrzyżow aniu zachodzi konieczność zastosow ania sygnalizacji świetlnej, pojaw ia się problem w yboru rodzaju sygnalizacji oraz harm onogram u sterow ania sygnalizatoram i. D o oceny jakości ruchu (także jako pochodnej określonego sposobu sterow nia ruchem ) m ożna stosow ać pew ne w skaźniki których w artości odw zorow ują stopień obciążenia i „w ydolności” elem entu sieci kom unikacyjnej.

W dalszej części artykułu przedstaw iono najczęściej stosow ane w skaźniki jak o ści oceny ruchu oraz „O ptym al” - system kom puterow ego doboru harm onogram u sterow ania ruchem na skrzyżow aniu z sygn alizacją św ietlną, opracow any w Zespole C yfrow ych System ów Sterow ania, Instytutu Transportu, P olitechniki Śląskiej.

2. W S K A Ź N IK I JA K O Ś C I ST E R O W A N IA R U C H E M D LA S K R Z Y Ż O W A N IA Z S Y G N A L IZ A C JĄ ŚW IE T L N Ą

Istnieje w iele w skaźników um ożliw iających ocenę jakości sterow ania ruchem . W opracow aniu om ów iono je d y n ie kilka w ażniejszych, w ykorzystanych w system ie „O ptym al” . Jako argum enty funkcji jak o ści ruchu przyjm uje się: param etry ruchu, param etry sterow ania oraz geom etrię skrzyżow ania. Param etry geom etryczne s ą niezm ienne - nie zależą od system u sterow ania. M ożna w ięc przedstaw ić problem jak o ści sterow ania ruchem na skrzyżow aniu ja k o funkcję param etrów ruchu i sterow ania przy określonych, stałych param etrach geom etrycznych.

D o najczęściej stosow anych kryteriów jakości sterow ania m ożna zaliczyć:

• przepustow ość,

• spraw ność ruchu zw iązaną z m aksym alnym skracaniem długości czasu podróży i strat czasu pojazdów spow odow anych zatrzym aniam i,

• ekonom ikę ruchu - czyli dążenie do m aksym alnego zm niejszania kosztów eksploatacji pojazdu i użytkow ania system u, a także czasu traconego przez użytkow ników system u transportow ego,

• płynność ruchu w y n ik ając ą z częstotliw ości zm ian prędkości pojazdów ,

(3)

W skaźniki jakości. 129

• uciążliw ość ruchu d la środow iska: poziom hałasu, ilość em itow anych spalin,

• bezpieczeństw o ruchu - w skaźnik w ypadkow ości.

2.1. P rzep ustow ość skrzyżow ania

Przepustow ość - je s t to najw iększa liczba uczestników ruchu, która m oże przekroczyć określony przekrój drogi w jednostce czasu przy określonych w arunkach ruchowo- drogow ych i sygnalizacyjnych. Przepustow ość skrzyżow ania je s t determ inow ana przez przepustow ości poszczególnych pasów i wlotów , a ich przepustow ości zależą ściśle od natężeń nasycenia i param etrów program u sygnalizacji. W arunki ruchow e charakteryzow ane s ą m.in. przez natężenia ruchu pojazdów na w lotach oraz ich strukturę k ierunkow ą i rodzajow ą, w arunki drogow e przez geom etrię skrzyżow ania, a sygnalizacyjne przez układ i długości czasów trw ania poszczególnych sygnałów zielonych.

Przepustow ość grupy pasów lub w lotu je s t określona w zorem [5]:

Ci = S i - ^ [E/h] (2.1.1)

Tc

gdzie: i - num er w lotu lub grupy pasów, j - num er fazy sygnalizacji św ietlnej,

G ej/Tc - udział efektyw nego sygnału zielonego w cyklu, Si — natężenie nasycenia.

N atężenie nasycenia S - t o m aksym alne natężenie potoku pojazdów m ogących przejechać linię zatrzym ań danego w lotu lub grupy pasów ruchu przy określonych w arunkach ruchow ych i drogow ych podczas trw ania efektyw nego sygnału zielonego w przeliczeniu na je d n ą godzinę.

2.2. Stop ień obciążenia w lotu

S topień obciążenia Xij to stosunek natężenia ruchu w yrażony w pojazdach um ow nych na godzinę N ij [E/h] do przepustow ości Cij [E/h] d la poszczególnych relacji, w lotów lub pasów ruchu.

(4)

(2 .2 . 1)

gdzie: i - num er w lotu, j - pas ruchu

2.3. Straty czasu

Straty czasu to dodatkow y czas potrzebny n a przejazd danego skrzyżow ania w odniesieniu do czasu, który byłby zużyty, gdyby ruch nie był zakłócany (przeryw any) na przykład działaniem sygnalizacji świetlnej.

Straty czasu na pojedynczym skrzyżow aniu w y stę p u jąz e w zględu na:

• czas zatrzym ania (oczekiw ania na sygnał zezw alający na ruch),

• czas opóźnienia — zw iązany ze zm niejszaniem prędkości od tej w ystępującej w strum ieniu ruchu przed skrzyżow aniem do prędkości um ożliw iającej bezpieczny przejazd przez skrzyżow anie lub aż do zatrzym ania,

• czas przyspieszenia - czyli czas od chw ili ruszenia pojazdu z m iejsca do m om entu osiągnięcia prędkości w ystępującej n a skrzyżow aniu.

Przy ocenie w arunków ruchu stosuje się średnie sum aryczne straty czasu uw zględniające straty opóźnienia, zatrzym ania i przyspieszenia w raz ze stratam i czasu zatrzym ania (oczekiw ania pojazdu w kolejce).

W system ie „O ptym al” do obliczania strat czasu w ykorzystano w zór W ebstera [1]:

gdzie: N - natężenie ruchu na pasie (w locie) w pojazdach um ow nych na godzinę [E/h], X - stopień obciążenia pasa ruchu (wlotu),

T c - długość cyklu w [s],

X - udział efektyw nego sygnału zielonego w cyklu.

Pierw szy składnik w zoru reprezentuje straty czasu przy rów nom iernym dopływ ie potoków ruchu, zaś d w a pozostałe - straty w ynikające z losow ych w ahań natężeń ruchu.

( 2 . 3 . 1 )

(5)

2.4. G lob aln e straty czasu

G lobalne straty czasu gsc [(s/E)-(E/h)] na skrzyżow aniu to sum a iloczynów strat czasu na poszczególnych w lotach d i odpow iadających im natężeń ruchu N:

G sc = £ " _ ( di-Ni [s/h] (2.4.1)

gdzie: i - num er w lotu (pasa) ruchu.

2.5. D ługości k olejek na wlotach

D ługość kolejek n a w lotach to eksploatacyjna cecha skrzyżow ania bezpośrednio odczuw ana przez kierow ców . Kolejki tw orzone są przez pojazdy oczekujące na w jazd na skrzyżow anie, czyli pojazdy zatrzym ane lub zm uszone do zm niejszenia prędkości jazdy.

W system ie „O ptym al” długości kolejek w yrażane s ą poprzez ilość pojazdów oczekujących na w jazd na poszczególnych pasach ruchu. O kreślanie m aksym alnej kolejki na w locie odbyw a się w edług następującego algorytm u:

N a podstaw ie natężeń ruchu na poszczególnych w lotach oraz założonej długości czasu trw ania św iatła czerw onego dla danej fazy ruchu w yznaczane je s t średnie natężenie ruchu pojazdów w tym okresie czasu:

m sr = -— — N -R [E/h] (2.5.1)

3600 '

K orzystając z rozkładu P oissona obliczane je st praw dopodobieństw o dojazdu x pojazdów w czasie trw ania sygnału czerw onego R przy średniej m sr pojazdów [5]:

P(x,m sr) = [/] (2.5.2)

x!

Jako p raw d o p o d o b n ą liczbę pojazdów Lp zatrzym anych na czerw onym św ietle należy przyjąć takie x, dla którego spełniona je st nierów ność:

P(x,m sr) >= 0,95 (2.5.3)

(6)

3. SY ST E M „O P T Y M A L ”

System „O ptym al” pozw ala na w ybór czasu trw ania faz - sygnałów zielonych dla określonego układu faz na pojedynczym skrzyżow aniu w funkcji zm ierzonych natężeń ruchu, geom etrii skrzyżow ania oraz w artości w ag kryteriów optym alizacji. Ten ostatni czynnik szczególnie w yróżnia „O ptym al” od innych dostępnych narzędzi optym alizujących program y sygnalizacji św ietlnej. Istnieje tutaj bow iem m ożliw ość dow olnego doboru proporcji pom iędzy sześciom a głów nym i kryteriam i optym alizacji:

• m inim alnego stopnia obciążenia w lotu (pasa) ruchu,

• rów nych stopni obciążenia,

• m inim alnych strat czasu,

• m inim alnych globalnych strat czasu (dla całego skrzyżow ania),

• rów nych strat czasu,

• ograniczenia długości kolejek na wlotach.

„O ptym al” został zaim plem entow any narzędziam i program ow ym i B orland Delphi 4.0.

S kłada się on z trzech zasadniczych m odułów program ow ych: w prow adzania danych, obliczeń oraz sym ulacji (rys. 1).

3.1. M oduł „W p row adzanie d anych ”

W tym segm encie program u w prow adzane są:

• geom etria badanego skrzyżow ania - układ pasów , ich rozm ieszczenie, ilość itd.,

• natężenia ruchu na poszczególnych pasach ruchu (w praktycznym zastosow aniu system u dane te aktualizow ane s ą n a bieżąco na podstaw ie stanów czujników - na przykład pętli indukcyjnych - zainstalow anych na skrzyżow aniu),

• dodatkow e dane opisujące: kolejność faz ruchu na skrzyżow aniu, czasy ewakuacji, w zajem ną kolizyjność pasów ruchu, m aksym alne dopuszczalne kolejki na w lotach oraz inne.

(7)

W skaźniki jakości.. 133

I

1.1.2. M O D U Ł „O B L IC Z E N IA ”

W y zn aczan ie w arto ści w sk a ź n ik ó w jak o śc i m ch u diu p o szczególnych

W y b ó r

po szczeg ó ln y ch w ag kryteriów

Z ap is w y n ik ó w o b lic z e ń d o bazy danych

" •' ’ = ' V

Rys. 1. M oduły system u „O ptym al”

Fig. I. M odules o f „O ptym al” system

(8)

Rys. 2. W idoki ek ran ó w m o dułu „W prow adzanie d anych”

Fig. 2. Screens o f the m o d u le „W prow adzanie danych”

3.2. M oduł „O b liczenia”

W m odule tym następuje określenie (na podstaw ie obliczonych w artości w skaźników jak o ści ruchu) długości czasu trw ania sygnałów zielonych zezw alających na ruch pojazdów

w poszczególnych fazach.

Przy konstruow aniu program u kom puterow ego kierow ano się zasadą je g o m aksym alnej uniw ersalności. Stąd nie określono z góry rodzaju skrzyżow ania (3 lub 4 wlotow e), rozm ieszczenia p asów na w lotach oraz innych param etrów geom etrycznych, które definiuje sam użytkow nik. M a k sy m aln ą liczbę pasów w ystępujących na skrzyżow aniu ograniczono do

•* iw. »s*« >•«

jteU ttalnU tiL Kun 4ild(«w ;

■» P l»—

t* u; aj B RE jJ /J ^.J£»l

p t 9 u; y ?> a j m w jJ i j

(9)

14 co pozw ala na badanie skrzyżow ań dróg z czterem a i trzem a pasam i ruchu na w lotach skrzyżow ania.

W obliczeniach przyjęto zasadę traktow ania każdego pasa ruchu z osobna jako w yodrębnionej jednostki, d la której określane s ą param etry ruchu, co w iąże się z pew nym i w ym aganiam i dotyczącym i sposobu grom adzenia danych ruchow ych; natężenia ruchu pow inny być bow iem określane dla każdego pasa ruchu z osobna, a nie tylko dla w lotu jako całości. Pozw ala to je d n ak na zw iększenie dokładności obliczeń, a co za tym idzie, uzyskiw a

nia dokładniejszych wyników .

B lok „O bliczenia” bazuje na brytyjskiej m etodzie badania przepustow ości TRR L [3], W celu określenia natężeń nasycenia pasów ruchu z relacjam i LW /LW , które s ą w zględem siebie w zajem nie kolizyjne, stosuje się obliczenia iteracyjne [4).

Skrócone opisy sposobów w yznaczania poszczególnych w skaźników jakości ruchu opisane zostały w punkcie 2 niniejszego artykułu.

' l i E fe £ k m Pcroor. , | f f j V |

p ^e > ^b 1 alal EaBal _?J jj

i-

^Wł

Kyięnjat

tońrnatnnp} ttoc**.j i f i zJ J

}> ¡7? r.lytsnjM rodnych iłcpri ofcCkKO«

.* \,j z l J zJ 8

¡J [rifii ,riytłt«^n rmtnjJnjKh ifcat człJu

¡ ¡ | ] z l J ZJ »

[ \ m Ą f-iy ire t.tn ri'in v ir^ 'c h ^ d M r^ c h cjAtU

| | | | z l J z l «

I I J J

l\ * m »/«im oęiantt«rw djjofio V.o*>fo

p y z j j z j

zl « i ---

»1 50 I » « » ? 55 . .T \ v - . ; TCS4

1 . .. Ś C 1 ' Ć ł Łj r* i Ł f ^ r . I Zz

'

ś r*.*.« L i .1 F.. . >. I ć i.t Vi

1

<An*-3 N u m b tk ON C łp łte cfcO F F 1 0 4 5 0 5

Rys. 3. W idok ekranu z m o dułu „O bliczenia”

Fig. 3. Screen o f the m o d u le „O bliczenia”

(10)

O bliczenia w ykonuje się dla w szystkich dopuszczalnych (po uw zględnieniu ograniczeń form alnych [2]) kom binacji czasów trw ania poszczególnych sygnałów św iateł zielonych z d okładnością do 1 [s]. Podczas procesu obliczeniow ego w ybierane s ą najlepsze program y sygnalizacji św ietlnej dla poszczególnych kryteriów optym alizacji, a następnie na podstaw ie określonych przez użytkow nika system u w artości w ag poszczególnych kryteriów następuje w yznaczenie jed n eg o „zbiorow o” najlepszego harm onogram u sterow ania ruchem (rys. 3).

C iekaw e m ożliw ości daje funkcja ograniczenia zbioru dopuszczalnych program ów sygnalizacji. P oprzez odrzucenie program ów nie spełniających w arunku m aksym alnego dopuszczalnego (określonego przez użytkow nika) obciążenia pasa ruchu elim inujem y ew entualne program y optym alne dla w szystkich kryteriów jednocześnie, ale niedopuszczalne do zastosow ania ja k o nie gw arantujące rozładow yw ania kolejek na w lotach skrzyżow ania oraz zapew niam y w ybór program u zapew niającego nie gorszy od założonego stopień obciążenia pasów ruchu w ystępujący dia badanego skrzyżow ania.

O graniczenia dotyczące długości trw ania cyklu (także narzucane przez użytkow nika) p o zw alają na zastosow anie system u „O ptym al” do spraw dzania dopuszczalności stosow ania w ybranego harm onogram u bez rozpatryw ania i analizow ania innych program ów sygnalizacji.

„O ptym al” m oże być użyty do w yboru program u stałoczasow ej sygnalizacji św ietlnej, a zastosow anie ciągłego, cyklicznego trybu obliczeń da w efekcie (przy odpow iednim sprzężeniu system u ze sterow nikiem sygnalizacji św ietlnej) pracę sterow nika w trybie sygnalizacji akom odacyjnej.

K onstrukcja program u um ożliw ia także tw orzenie grup skrzyżow ań np. dla określonego obszaru m iasta i um ieszczania ich w osobnych bazach danych. D la takich grup zaw ierających p ew n ą liczbę skrzyżow ań traktow anych jako odosobnione ale je d n ak ze so b ą korelujące, m o g ą być autom atycznie w ykonyw ane obliczenia i generow ane program y sygnalizacji.

3.3. M o d u ł „ S y m u la c ja ”

W tej części system u przeprow adzana je st sym ulacja efektów działania program u sygnalizacji będącego w ynikiem działania m odułu „O bliczenia” .

B adane skrzyżow anie prezentow ane je s t graficznie w osobnym oknie (rys. 4).

(11)

Wlot 3

KOLEJKI Wlot 2

Wlot 1

< KOLEJKI

f j ESk £ < ^ fi PwgiftU Qjtno Porpc

p bb| alsi &i& ai sjaj ^?} jy

N azw a sk rzy żo w a n ia : fa**• *■***»•

I E M O H PAUZA | M ^Z ER C W A N it l < WSTECZ | X ZAMKNIiOE | FHOUHAM SYGfWLCACJI I f c C ^ W rK RES

-adffiJSi

r a z a K

W lot 4 -

Ust «fanie prtr&otti r^tJ n c i

35Slait[ j ! ’*j Piofliam ofttym»iuui4... 3V Wr,0,cft W«d

o*a« - 5 N m k x k .O N Cep» lock: OFF l9cS629

«► 1050

R y s. 4 . W id o k e k ra n u z m o d u łu „ S y m u la c ja ” Fig. 4. S c re e n o f th c m o d u le „ S y m u la c ja ”

M ożliw e je s t w ykonyw anie sym ulacji w czasie rzeczyw istym lub ze zw ielokrotnioną p rędkością o raz obserw acja (tworzonej w postaci w ykresów ) historii kolejek tw orzących się na w lotach skrzyżow ania.

4. P O D S U M O W A N IE

System „O ptym al” m oże być pom ocnym narzędziem w spom agającym projektow anie program ów sygnalizacji św ietlnej w celu określania ich optym alnych w artości czasów trw ania sygnałów zielonych zarów no dla sygnalizacji stałoczasow ej, ja k i akom odacyjnej.

Ze w zględu na m ożliw ość praktycznie dow olnego doboru proporcji lub w ykluczenia z obliczeń o kreślonych kryteriów w yboru program u sygnalizacji „O ptym al” pozw ala projektantow i sygnalizacji na uzyskanie rozw iązania najlepszego dla konkretnej, zwłaszcza

(12)

138 R. D oroz, R. W ąsik, S. W iduch

nietypow ej sytuacji, np. określenia harm onogram u sterow ania przy rygorystycznych ograniczeniach długości kolejki jednego lub kilku wlotów.

Istnieje także m ożliw ość w yboru harm onogram u sterow ania o zadanym z góry odpow iednim poziom ie jak o ści ruchu - o ile założony poziom je s t m ożliw y do uzyskania przy określonych param etrach geom etryczno - ruchow ych danego skrzyżow ania.

K olejne etapy pracy nad system em „O ptym al” będ ą m iały na celu uspraw nienie obliczeń oraz rozw ój, o elem enty anim acji ruchu, opcji „Sym ulacja” .

Literatura

1. D atka S., S uchorzew ski W ., Tracz M.: Inżynieria ruchu, W ydaw nictw a K om unikacji i Ł ączności, W arszaw a 1997.

2. Instrukcja o drogow ej sygnalizacji św ietlnej. M onitor Polski, W arszaw a 1994.

3. T racz M ., A llsop R.E.: S krzyżow ania z sygnalizacją świetlną.

4. B ohatkiew icz J., Przebinda B., T racz M.: TR R L N ow a brytyjska m etoda obliczania przepustow ości skrzyżow ań z sygnalizacją św ietlną. Transport M iejski nr 5/89.

5. T racz M. , T arko A. .C hodur J.: Przepustow ość skrzyżow ań z sygn alizacją świetlną.

W ydaw nictw a K om unikacji i Łączności, W arszaw a 1992.

Recenzent: Prof, dr hab. inż Jan Piecha

A b s tra c t

The „O ptym al” package is expected to be m ay be a helpful tool in designing process o f the traffic control system s. The optim isation procedures o f the package allow the developer to apply the constant-tim e o r accom m odating-tim e schedule o f road traffic signals control.

The package allow s the user selecting a proper set o f quality factors that define the m ost adequate traffic-flow . T he speculation w ith the traffic optim isation factors allow s choosing a proper tim e schedule for any crossroad com bination. Road ju n c tio n geom etric param eters as w ell as queuing param eters describe starting conditions for the traffic control procedure.