Informatyczne narzędzia wspomagania planowania zamknięć drogowych - przepustowość skrzyżowań z sygnalizacją świetlną

Seria: TRA N SPO RT z. 46 N r kol. 1571

Renata ŻO CH O W SK A

INFORM ATYCZNE NA RZĘDZIA W SPO M AG ANIA PLANO W ANIA ZAM KNIĘĆ DR O G O W Y C H - PRZEPUSTOW O ŚĆ SKRZYŻOW AŃ Z SY GNALIZACJĄ ŚW IETLNĄ

Streszczenie. W artykule przedstaw iono budowę program u SSS obliczającego parametry przepustowościowe skrzyżow ań w yposażonych w sygnalizację świetlną. Program został opracowany jako narzędzie pom ocnicze w systemie optym alizacji zam knięć drogowych w złożonych sieciach transportow ych. Do obliczania przepustowości skrzyżowań wykorzystano metodę HCM -94.

COMPUTING AID IN ROAD CLOSURES PLANNING - SIGNALIZED INTERSECTIONS CAPACITY

Summary. The construction o f SSS program has been presented in this article. The program com putes signalized intersections capacity param eters and it has been built as an auxiliary tool in road closures optim ization system. The capacity has been evaluated according to one o f the m ost frquently used and best applied to Polish conditions m ethods - HCM-94.

1. W PROW ADZEN IE

Problem planow ania zam knięć drogowych w obec stale rosnącej liczby pojazdów staje się jednym z istotnych zagadnień spraw nego funkcjonow ania system u miejskiego. O kreślenie czasu pojedynczego zam knięcia drogowego, ja k rów nież efektywne rozm ieszczenie zamknięć na sieci w ym agają budow y odpow iednich algorytm ów optymalizacyjnych opartych na ocenie strat przewidywanego ruchu dla zadanego czasu zam knięcia [1, 2, 3].

Efektem zagęszczenia ruchu s ą straty czasu stanowiące istotny składnik czasu przem ieszczania pojazdów . Straty te są bezpośrednio zależne od w ielkości i struktury obciążenia, a poniew aż w analizie planow ania zam knięć drogowych obciążenie to je st zmienne i zależne od zm ian organizacji ruchu podczas zamknięcia, param etry przepustowościowe rów nież pow inny być stale aktualizowane. W zw iązku z tym dla usprawnienia obliczeń prow adzących do optym alnego rozm ieszczenia zam knięć drogowych na sieci warto skorzystać ze zw eryfikow anych i pow szechnie stosowanych metod wyznaczania przepustow ości.

138 R. Żochowska

2. W YZNACZA NIE PRZEPU STO W OŚCI SKRZYŻOW AŃ Z SYGNALIZACJĄ ŚW IETLNĄ

W zagadnieniach w yznaczania przepustowości w sieciach często przyjm uje się założenie, że ograniczeniem przepustow ości s ą węzły. Stąd w planowaniu zamknięć w złożonych sieciach drogow ych istotną rolę odgrywa przepustowość relacji na skrzyżowaniu definiowana jako najw iększa liczba pojazdów danej relacji, które m ogą przejechać przez przekrój skrzyżowania w jednostce czasu przy określonych cechach drogi i potoku ruchu [4].

W bazie danych śródm ieścia Katowic [5] skrzyżowania z sygnalizacją świetlną stanow ią 13 procent w szystkich węzłów. W związku z tym zaistniała konieczność opracowania efektyw nego narzędzia wyznaczającego zarówno przepustow ość skrzyżowań tego typu, ja k i współpracującego bezpośrednio z opracowaną wcześniej bazą danych.

Jedną z najlepiej zw eryfikow anych i dostosowanych do krajowych warunków jest m etoda HCM -94 [6 , 7], Stanowi ona zbiór procedur i m etod analizujących przepustowość w zależności od natężenia ruchu oraz zapew nia znaczną elastyczność w dostosowaniu do rzeczywistych w arunków . M etoda HCM -94 je st stale aktualizow ana na podstaw ie wyników najnowszych badań [7]. Kolejne jej w ersje zostały opracowane w latach: 1997 oraz 2000.

Schemat metody przedstaw iono na rys.l [8].

Rys. 1. Schem at blokowy m etody HCM -94 F ig .l. Błock diagram o f H CM -94 method

W oparciu o założenia m etody H CM -94 opracowano program pom ocniczy „SSS”

wyznaczający przepustow ość skrzyżowań z sygnalizacją świetlną.

2.1. Czytanie danych

A naliza przepustow ości w ym aga dokładnych inform acji dotyczących warunków geom etrycznych i ruchowych oraz sygnalizacji. Dane te zawarte są w tablicach, wchodzących

w skład relacyjnej bazy danych. Czytanie danych odbywa się przez skojarzenie elem entów obiektowych z odpow iednią tablicą.

Zasadniczym etapem je st ustalenie grup pasów ruchu, które m ogą składać się z jednego lub kilku pasów . R ozróżnia się trzy rodzaje grup. Przynależność do grupy pasów określana je st w następujący sposób:

grupa 1 : pasy dla ruchu na w prost lub w spólne z ruchem na w prost relacje skrętne, grupa 2 : w ydzielone pasy dla relacji w lewo,

grupa 3 : w ydzielone pasy dla relacji w prawo.

2.2. Obliczenie natężenia nasycenia

W m etodzie H C M -94 przepustow ość grupy pasów C, określona je st w zorem [8]:

C, = S , ■(G e/ T ), gdzie:

Si - natężenie nasycenia grupy pasów,

(Ge/T)i - udział efektywnego sygnału zielonego Ge w cyklu T dla grupy pasów ruchu i.

N atężenie nasycenia grupy pasów Sj [p/hz] definiuje się jako m aksym alną liczbę pojazdów, przejeżdżających przez przekrój grupy pasów ruchu w godzinie trwania efektywnego sygnału zielonego, przy określonych w arunkach ruchow o-drogowych [8].

Przyjmuje się, że w idealnych w arunkach wartość natężenia nasycenia pasa ruchu So wynosi 1900 E/hz/pas. Aby skorygow ać tę w artość dla w arunków rzeczywistych, należy zastosować szereg w spółczynników:

S = S 0 - n - f w ■ f s ■ f mp ■ f a ■ f 0 • f p ■ f i gdzie:

So - natężenie nasycenia w idealnych warunkach na pas, n - liczba pasów ruchu w grupie,

f w - w spółczynnik uw zględniający szerokość pasa ruchu, f - w spółczynnik uw zględniający pochylenie wlotu,

f mp - w spółczynnik uw zględniający w pływ parkow ania na pasie sąsiednim,

f a - w spółczynnik uw zględniający blokow anie ruchu przez autobusy,

f

0

f p - w spółczynnik uw zględniający w pływ relacji skrętnej w prawo,

f i - w spółczynnik uw zględniający w pływ relacji skrętnej w lewo.

2.3.W spółczynnik f p

W pływ relacji skrętnej w praw o n a wartość natężenia nasycenia analizowany jest przez w spółczynnik fp, który uw zględnia rów nież kolizyjność z ruchem pieszych na przejściu.

Wartość tego w spółczynnika je st zależna od takich czynników, ja k [8]:

istnienie wydzielonego lub wspólnego pasa ruchu,

rodzaj dostępnej fazy sygnalizacyjnej: bezkolizyjna lub kolizyjna z ruchem pieszych na przejściu,

natężenie ruchu pieszego QP [PS/h],

- udział pojazdów skręcających w prawo na wspólnym pasie.

140 R. Żochowska

2.4. W spółczynnik f|

W spółczynnik fi uw zględnia zarówno wpływ relacji skrętnej w lewo na wartość natężenia nasycenia, ja k rów nież kolizyjność z potokiem z w lotu przeciwnego. Wartość tego w spółczynnika zależy od takich czynników, ja k [8]:

- istnienie w ydzielonego lub wspólnego pasa ruchu,

rodzaj dostępnej fazy sygnalizacyjnej: bezkolizyjna lub kolizyjna z potokiem z wlotu przeciwnego,

natężenie ruchu z w lotu przeciwnego,

- udział pojazdów skręcających w lewo wykorzystujących wspólny pas.

W pływ kolizyjnej relacji skrętnej w lewo z wydzielonego bądź wspólnego pasa na funkcjonowanie w lotów je st dość trudny do określenia. W spółczynnik fi należy w tych przypadkach obliczać przy użyciu złożonego zestaw u równań (procedura SPECJALNA).

W zory aproksym ują potoki w stanie równowagi, będącej wynikiem wzajemnego oddziaływania strum ieni pojazdów skręcających w lewo, jadących na w prost i potoku kolidującego z przeciw nego wlotu.

W zależności od liczby pasów na analizow anym w locie oraz wlocie przeciwnym wyróżniono cztery modele:

m odel A: w loty przeciw ne wielopasowe, - model B: w loty przeciw ne jednopasow e,

m odel C: w lot jednopasow y z wielopasowym wlotem przeciwnym, - model D: w lot wielopasow y z jednopasow ym wlotem przeciwnym.

Schem atyczny sposób wyznaczania współczynnika fi dla w szystkich modeli zaprezentowano n a rys.2. Szczegółowy opis wszystkich zm iennych przedstawiono w [8].

3. BUDOW A PRO G R A M U POM OCNICZEGO „SSS”

Program pom ocniczy „SSS” został zbudow any ze względu na konieczność wielokrotnego przeliczania param etrów przepustow ościowych oraz dostosowania formatu danych wejściowych i w yjściow ych do potrzeb relacyjnej bazy danych. Jest on integralnym elementem system u optym alizującego planow anie zamknięć drogowych.

Projekt zaw iera następujące podstaw owe formularze: „M enu”, „Parametry geom etryczno-ruchowe”, „Schem at skrzyżowania”, „Sygnalizacja”, „W yniki” . Oprócz wyznaczania przepustow ości program um ożliw ia również wprowadzanie oraz korektę danych. Poszczególne form ularze w ym agają dokładniejszego omówienia.

3.1. Form ularz „M enu”

Form ularz główny program u um ożliw ia wprowadzenie num eru skrzyżowania, dla którego należy wyznaczyć param etry przepustow ościowe. Każdy rejestrow any numer sprawdzany je st z zaw artością bazy danych i odrzucany w przypadku niezgodności.

W ybór opcji „O bliczenia” pow oduje automatyczne przeliczenie wszystkich niezbędnych param etrów , czego efektem wizualnym je st wyświetlenie na formularzu rozkładu dostosowanych natężeń relacji dla każdego pasa ruchu.

O pcja „W prowadzanie danych” daje m ożliw ość zmiany param etrów geometryczno- ruchowych i sygnalizacyjnych analizowanego skrzyżowania, co ułatw ia porównanie różnych

Czytanie Eli

m1T = Qt *T/3600

Ga = G « - G b , gdy Gt, > Gw G» = G « - G „ , , g d y G b < G w

*

Łi = (875 - 0,(525 *QO/1000 Pb, = Pi' (n-l)*G,

Gb=4,943*QI1/-7“ *qJiS1- t !

Gjj-G, —Gt, gdyGb>Gar

Ga = G , — Gw , g dy Gb < Gar

f G>+ G»* 1

“ G, G, D+ Phv *(E|i - 1)J

f Gw Ga * 1 + G» * 1

“ G, G d + Pk» *(®n ~ ^). G, L

+

**(

„ -

)J

Rys.2. Schem at blokow y procedury SPECJA LN A Fig.2. Błock diagram o f SPEC JA LN A procedurę

wariantów rozw iązań organizacyjnych. Dodatkowo, wybór każdej z pozostałych opcji ułatw ia przejście do odpow iedniego formularza.

3.2. Form ularz „Param etry geom etryczno-ruchow e”

D o param etrów geom etrycznych niezbędnych dla analizy należą: pochylenie wlotów, liczba i szerokość pasów ruchu, parkow anie i przystanki. A ktyw ność parkow ania m ierzy się

142 R. Żochowska

liczbą m anew rów na godzinę w obrębie 75 m od skrzyżowania na pasie przeznaczonym do parkow ania lub chodniku, sąsiadującym z analizow aną grupą pasów ruchu [8], Wpływ komunikacji zbiorowej uw zględniany je st przez liczbę autobusów, których przystanki znajdują się w obrębie skrzyżowania. W przypadku wydzielonych pasów dla relacji skrętnej w lewo należy podać rów nież długość pow ierzchni akumulacji. W obliczaniu przepustowości istotna je st także lokalizacja skrzyżowania (Śródmieście lub inne) oraz organizacja mchu (relacje na poszczególnych pasach ruchu).

Parametry m chow e to głównie wartości natężeń dla każdej relacji na wlocie. W przypadku m ożliw ości w ykonyw ania skrętu w prawo w okresie sygnału czerwonego (przejazd na zielonej strzałce) należy podać wartość natężenia pojazdów wykorzystujących tę możliwość. Do obliczeń określa się rów nież natężenia m chu pieszego na tych przejściach, które kolidują z dozw olonym i relacjam i skrętnymi. Uwzględnienie w pływu koordynacji sygnalizacji w ym aga ustalenia typu dopływ ów dla każdego wlotu. Do wyznaczenia dostosowanych natężeń ruchu niezbędny je st współczynnik wahań w godzinie szczytu, który wstępnie przyjm uje wartość: 0,9. Użytkow nik ma możliwość zmiany tego parametru w zależności od specyfiki skrzyżowania. Przykładowy w idok ekranu form ularza „Parametry geom etryczno-m chow e” przedstaw iono na rys.3.

Rys.3. W idok ekranu form ularza „Parametry geom etryczno-ruchowe”

Fig.3. Screen o f form “Param etry geom etryczno-ruchowe”

3.3. Form ularz „Schem at skrzyżow ania”

U proszczony schem at skrzyżow ania m ożna wywołać z każdego m iejsca w programie.

Jest on uaktualniany po każdorazowej zm ianie num eru w ęzła i przedstaw ia liczbę pasów na każdym z w lotów oraz relacje na tych pasach. Form ularz stanowi w izualizację danych dotyczących organizacji ruchu na skrzyżowaniu.

3.4. Form ularz „Sygnalizacja”

Cechy sygnalizacji charakteryzują: schem at faz, długości sygnałów zielonych oraz czasów międzyzielonych. Dodatkowo należy również określić aktywne przejścia dla pieszych w danej fazie ze w zględu na m ożliw ość kolizji z relacjami skrętnymi. Czas międzyzielony zdefiniowano jako czas m iędzy chwilami zakończenia i rozpoczęcia sygnałów zielonych dla dwóch wzajem nie kolizyjnych strumieni ruchu, z których pierw szy je st strumieniem

ewakuującym się, a drugi w jeżdżającym [8]. Przyjęcie niniejszej definicji um ożliwia w przypadku standardow ych prostych (bez podfazy) program ów sygnalizacyjnych wyznaczenie długości cyklu jako sum y długości sygnałów zielonych oraz czasów międzyzielonych.

3.5. Form ularz „W yn iki”

Form ularz w ynikow y prezentuje zarówno końcow e wartości param etrów przepustowościowych, ja k i w spółczynniki pom ocnicze wyznaczane w poszczególnych krokach obliczeń. U m ożliw ia to szybką weryfikację i wykrycie błędów.

W ybór opcji „Z apisz” pow oduje zapam iętanie obliczonych param etrów przepusto­

wościowych w tablicy, która je st w ykorzystywana przy wizualizacji bazy danych.

Przykładowy w idok ekranu form ularza „W yniki” przedstaw iono na rys.4.

L io z b a p a s ó w w g ru p ie S k o ry g o w a n a Q g ru p y

LEWO (WPROST |PRAWO | GRUPA 1 (GRUPA 2 |GRUPA 3 | GRUPA 1 (GRUPA 2 (GRUPA 3 j

WLOT 1 £ £ £ ■ ■ 0

109

323 380 0

0 0 0

WLOT 1 m m ;

2 0 0

0 0 0

WLOT 1 ¡¡U H 380 109

738 0 0

0 0 0

WLOT 2 WLOT 2 WLOT 2

WLOT 3 WLOT 3 WLOT 3

WLOT 4 0 110 298 W LO t 4 2 0 1 WLOT 4 116 0 298

n ia ( S g ru p y ) P r z e p u s t o w o ś ć (C g ru p y ) GRUPA 1 f~GRUPA 2 |GRUPA 3 ( GRUPA T(GRUPA 2 ( GRUPA 3 |

W»polci>»Tniki pomocnicza

G R U P A 1 - p a s y n a w p r o s t i w s p ó l n e G R U P A Z - w y d z i e l o n e p a s y w l e w o G R U P A 3 - w y d z i e l o n e p a s y w p r a w o

GRUPA T (GRUPĄ 2|GRUPA 3 |

0.920 i 1.000 1.000

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

Q / C GRUPA 1 (GRUPA ¿ [g r u p a 3 | WLOT 1 ? ■ ■ ■ ■ 0 687 0 527

WLOT 2 0,630 0 0

WLOT 3 0 0 0

WLOT 4 0.076 0 0.752

Rys.4. W idok ekranu form ularza „W yniki”

Fig.4. Screen o f form “W yniki”

4. PODSUM OW A NIE

W analizie rozm ieszczenia zam knięć na sieci niezbędna je st ocena przepustow ości elementów składow ych układu kom unikacyjnego. U m ożliw ia ona racjonalne planow anie i usprawnianie ruchu w sieciach drogowych podczas przeprow adzenia robót drogowych.

Przepustowość pojedynczych skrzyżowań, ze w zględu na występujące w nich największe zaburzenia ruchu potoków pojazdów , m a decydujące znaczenie dla przepustow ości sieci. Z tego pow odu skrzyżow ania są krytycznym elem entem sieci ulicznej.

W dużych aglom eracjach m iejskich skrzyżow ania z sygnalizacją św ietlną stanow ią od 10 do 30 procent w szystkich w ęzłów. W zw iązku z tym optym alizacja zam knięć w sieci drogowej w ym aga zbudow ania efektywnego narzędzia w yznaczającego zarówno przepustowość skrzyżow ań tego typu, ja k i w spółpracującego bezpośrednio z opracow aną wcześniej b azą danych.

N ajistotniejszym kryterium w w yborze m etody wyznaczania przepustow ości skrzyżowań z sygnalizacją św ietlną je s t zbieżność z w arunkam i rzeczywistymi. O bok brytyjskiej metody TRRL w Polsce stosuje się rów nież m etodę HCM -85 uw zględniającą zm iany wprow adzone w 1994 roku. N a jej podstaw ie zbudow ano aplikację kom puterow ą „SSS” , służącą do wyznaczania przepustow ości skrzyżowań z sygnalizacją świetlną.

144 R. Żochowska

K onieczność stałego uaktualniania param etrów przepustow ościowych sieci wymaga zastosow ania odpow iednich narzędzi um ożliwiających bezpośrednie korzystanie z bazy danych. Program „SSS” dostosowany je st do współpracy z bazą danych wykorzystywaną w zam knięciach drogowych. Stanowi on pomocne narzędzie w budowanym systemie optymalizacyjnym. Praca nad program em m a charakter otwarty. Jest on poddawany ciągłym uzupełnieniom i weryfikacjom.

Literatura

1. W och J., H einrich L., Baron K.: Tem at nr 3144/16. M etody i narzędzia informatyczne planowania i organizacji zam knięć torowych - prace naukowo-badawcze i rozwojowe Centralnego O środka Badań i R ozw oju Techniki Kolejnictwa. K atowice 1984.

2. Żochow ska R.: K oordynacja zam knięć w gęstych sieciach drogowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Transport, Zeszyt nr 41. Gliwice 2000.

3. Żochow ska R.: O ptym alizacja zam knięć w złożonych sieciach drogowych. Materiały konferencji nt. Telem atyka System ów Transportowych, U stroń 2001.

4. Kom ar Z., W olek Cz.: Inżynieria ruchu drogowego - wybrane zagadnienia.

W ydawnictwo Politechniki W rocławskiej, W rocław 1994.

5. Żochow ska R., K aroń G.: Inform atyczne narzędzia wspom agania planowania zamknięć w sieciach transportow ych - w izualizacja bazy danych. Zeszyty Naukow e Politechniki Śląskiej, s. Transport, Zeszyt nr 42, Gliwice 2001.

6. Highway Capacity Manuał. Transportation Research Board Special Report 209.

W ashington, D.C. 1994.

7. h ttp ://n a tio n a la c a d e m ie s .o rg /trb / - internetow a w itryna Transportation Research Board.

8. Datka S., Suchorzew ski W., Tracz M.: Inżynieria mchu. W KiŁ, W arszawa 1999.

Recenzent: Dr hab. Tom asz A mbroziak, prof. Pol. Warszawskiej

Abstract

Estim ation o f traffic com ponent capacity makes rational planning and traffic improving possible. It is essential in analysis o f road closures placing during road works. The capacity of single intersection is o f great im portance for the network capacity and for this reason intersections are critical com ponent o f the road network.

In large centres o f agglom erations the rate o f signalized intersections amounts from 10 to 30 percent. In this connection the necessity to design efficient tool for evaluating capacity parameters o f such intersections occurs. The application should also be interactive with database worked out earlier.

The m ost essential criterion o f selection o f m ethod calculating signalized intersections capacity is sim ilarity to real polish conditions. The “SSS” program has been built on the base o f HCM-85 m ethod as a helpful tool for the road closures optim ization system. The program is adapted for cooperation w ith the database used in the road closures system. It also enables continuous updating o f road netw ork capacity parameters. The w ork on the program has not been finished. It has been still developing and verifying.