Sisteme de Management Al Traficului [PDF]

Zitiervorschau

Sisteme de management al traficului 1. Algoritmi pentru coordonare la nivelul reţelei - introducere Sistemele de management al traficului (UTC – Urban Traffic Control) reprezintă modalităţi de dirijare şi control centralizat al traficului rutier pe arii extinse, care înglobează tehnologii ITS pentru detecţia, prelucrarea, transmiterea şi distribuţia informaţiilor legate de trafic. În ultima vreme se pune tot mai mult accentul pe combinarea sistemelor de management al traficului cu monitorizarea condiţiilor de mediu şi poluare şi dirijarea transportului public urban, realizându-se astfel un grad tot mai mare de integrare a acestor sisteme. Sistemele UTC pot oferi baza pentru un sistem de control extins, în general denumit Controlul şi Managementul Traficului Urban (UTMC - Urban Traffic Management and Control). Acestea includ operarea cu vehicule pentru servicii de urgenţă şi prioritatea transportului public cum ar fi prioritatea autobuzelor şi integrarea cu sistemele de informare ca de exemplu panourile cu mesaje variabile, sisteme de informare a conducătorilor auto în timp real şi sisteme de ghidare de rută, precum şi informarea privind locurile de parcare. Dar sistemele de management al traficului urban nu trebuie numai să ştie să funcţioneze corect. Ele trebuie, de asemenea, să poată să îşi poarte singure de grijă. De aceste sarcini se ocupă sistemele auxiliare, de tip Fault Management1, care vor anunţa personalul de întreţinere de apariţia unui defect la un automat de trafic, la un senzor sau la sistemul de comunicaţii. Fără un asemenea sistem auxiliar, funcţionarea la parametrii proiectaţi a unui sistem mare cum este cel UTC nu ar fi posibilă. De aceea, la orice implementare de sisteme de management al traficului urban trebuie să se gândească o nouă întreprindere. Aceste sisteme au nevoie în primul rând de o politică în domeniul traficului rutier urban, de strategii de dezvoltare de care să ţină cont în viitor, pentru a nu deveni din unealtă utilă o frână, de personal şi de exploatare şi întreţinere. A realiza într-un oraş un sistem de management al traficului nu înseamnă doar montarea în stradă sau în centrul de management a echipamentelor. Lucrarea nu se încheie niciodată în acest punct şi implicaţiile sunt foarte mari, din multe puncte de vedere. Practic, sistemele de management al traficului rutier urban sunt nişte organisme vii, care au nevoie de întreţinere permanentă. Senzorii unui sistem de acest tip reprezintă simţurile acestui organism, sistemele de calcul şi comunicaţii sistemul său nervos iar automatele de trafic şi semafoarele, sau panourile cu mesaje variabile, membrele sale şi sistemul muscular, cu care dirijează traficul. Sistemul poate fi afectat de condiţiile meteorologice, de aceea un sistem nou implementat într-o anumită zonă trebuie particularizat pentru condiţiile locale. De exemplu, în ţara noastră iernile sunt cu mai multe alternanţe ger-căldură, cu mai multe tipuri de precipitaţii, din care cauză copertamentele rutiere au mult de suferit şi frecvent apar gropi în carosabil. Un sistem UTC bazat exclusiv pe bucle inductive ca senzori de trafic nu ar face faţă mult timp acestor condiţii. Este, prin urmare, de reţunut faptul că sistemele UTC nu sunt universal valabile, ci numai soluţiile care conduc la elaborarea acestora, tehnologiile de management al traficului. În rest, este permanent o problemă de studiu, de cercetare şi de adaptare la condiţiile locale. Asemenea sisteme trebuie concepute, născute şi crescute în spiritul condiţiilor locale, de aceea ele întotdeauna reprezintă o problemă de

1

Sisteme auxiliare de monitorizare a stării de funcţionare şi de management al defectelor şi reparaţiilor

-1-

decizie politică nu tocmai uşoară pentru o administraţie a drumurilor, sau una urbană, în funcţie de destinaţia acestora. La nivelul celor mai avansate arhitecturi ale acestor sisteme au fost recent implementate module predictive pentru strategiile de nivel superior, capabile să estimeze aprioric efectul strategiei implementate asupra traficului şi să prezinte rezultatele operatorului uman, pentru a asista procesul de luare a deciziilor în caz de situaţii de excepţie.

Figura 1. Diagrama conceptuală a arhitecturii sistemelor avansate de management al traficului Concepţia sistemelor avansate de management al traficului trebuie să înceapă în mod obligatoriu cu analiza de detaliu a condiţiilor de implementare. Urmează apoi o etapă de simulare la nivel micro şi apoi macroscopic, pentru ca sistemul să nu se nască „orb”, ci să fie capabil să pornească de la o strategie iniţială de trafic. Simularea microscopică este metodologia cel mai des folosită, nu numai datorită capabilităţii de a surprinde modul de desfăşurare a fenomenelor dependente de trafic, ci şi pentru că este capabilă să evalueze şi comportamentul conducătorilor auto atunci când acţionează în prezenţa sistemelor inteligente de transport. Simulatoarele microscopice de trafic reprezintă instrumente care emulează în mod realist traficul de vehicule pe o reţea de drumuri. În continuare vor fi prezentate tipurile de sisteme UTC existente.

Sisteme cu timp fix Multe din sistemele UTC sunt variante ale acestui tip de sistem cu timp fix. Proiectantul are control considerabil asupra obiectivelor sale şi poate optimiza diferite părţi ale reţelei pentru a obţine rezultate diferite. Sistemele cu timp fix nu pot răspunde dinamic pentru că acestea folosesc planuri de sincronizare pre-calculate. De aceea sistemele nu răspund automat la incidente, cum ar fi accidentele, care cauzează pierderea capacităţii de operare în reţea. Cel mai important aspect este faptul că aceste sisteme nu răspund la schimbările modelului de trafic în timp. Planurile cu timp fix sunt optime la implementarea strategiilor fixe, cum ar fi limitarea capacităţii de trafic la anumite ore din zi.

-2-

Sisteme de Selecţie a Planurilor Sistemele de selecţie a planurilor folosesc mai multe planuri de timp fix şi îl selectează pe acela pe care îl vor folosi în funcţie de informaţia primită de la detectoarele de trafic plasate pe reţeaua de drumuri. Acest sistem nu s-a dovedit a fi mai eficient decât implementarea în planurile de timp fix a intervalelor de orare simple. Dacă este necesar, sistemul poate rula un plan specific pentru un eveniment special. Dar întârzierea suplimentară cauzată de alegerea planului greşit compensează câştigul datorat schimbării la momentul potrivit când sistemul ia o decizie corectă. În concluzie, sistemele de selecţie a planurilor de semaforizare au aproape aceleaşi avantaje şi dezavantaje ca şi sistemele de timp fix.

Sisteme de Generare a Planurilor Aceste sisteme generează propriile planuri de semaforizare cu timp fix pe baza datelor primite de la detectoarele de trafic. Comparat cu operaţiile de timp fix, sistemul este mult mai puţin sub controlul inginerului de trafic pentru că nu se poate defini exact comportamentul acestuia. În principiu sistemul ar putea răspunde la incidente neaşteptate, cu toate că în practică nu i se permite realizarea de schimbări majore ale planulului existent pentru a oferi un răspuns corect la toate tipurile de evenimente apărute.

Adaptarea Locală Unele sisteme UTC utilizează o metodă de adaptare locală a automatelor de trafic pentru a modifica planurile cu timp fix impuse de la postul central. Operaţia de bază constă în rularea unui plan de bază, automatele locale putând omite sau termina mai devreme fazele de semaforizare depinzând de cererea locală pentru fazele ciclului curent. Astfel, adaptarea locală poate creşte timpul de verde în unele cicluri, ceea ce ar trebui să conducă la o optimizare a traficului. Adaptarea locală este în general combinată cu sistemele de selecţie de plan sau generare de plan.

Sisteme Dinamice Centralizate de Trafic Aceste sisteme lucrează pe baza unui calculator central care comunică cu automate de trafic locale. Avantajele acestui sistem sunt acelea că ar trebui să răspundă prompt la cererile de trafic, în funcţie de intervalul orar din zi sau în funcţie de incidentele care apar. Un sistem centralizat are avantajul că toate informaţiile relevante, de la detectoare şi alte surse, sunt disponibile în acelaşi loc.

Sisteme de Trafic Dinamice cu Procesare Distribuită Caracteristicile şi avantajele sistemelor dinamice distribuite sunt aproximativ aceleaşi ca şi la sistemele dinamice centralizate. O diferenţă majoră constă în tipul de comunicaţie folosit de sistem. Automatele unui sistem dinamic centralizat sunt în legătură directă cu postul central, în timp ce la sistemul dinamic distribuit fiecare automat de trafic este conectat cu automatele învecinate. Mesajul poate fi transferat între oricare două automate, fiind ghidat pentru a ajunge acolo unde este necesar.

-3-

În tabelul următor sunt prezentate câteva tipuri de sisteme UTC folosite în lume: Tabelul 1 - Tipuri de sisteme UTC Tipul

Sistemul

Ţara

Sisteme cu timp fix

TRANSYT

Marea Britanie

Sisteme de generare a planurilor

SCATS

Australia

SCOOT

Marea Britanie

UTMS

Japonia

OPAC

SUA

PRODYN

Franţa

UTOPIA / SPOT

Italia

Sisteme Dinamice Centralizate de Trafic

Sisteme de Trafic Dinamice cu Procesare Distribuită

2. Algoritmi statici şi semi-adaptivi Aceşti algoritmi se bazează pe pre-determinarea fluxurilor de vehicule (manuală sau efectuată prin alte mijloace); pe baza informaţiilor culese despre geometria intersecţiei/intersecţiilor şi a datelor de trafic se calculează timpii cei mai buni pentru semaforizare, luându-se sau nu în consideraţie corelarea semafoarelor pentru realizarea sistemului „undă verde”. Principalul avantaj al acestei metode este dat de implementarea facilă, ieftină şi uşor de modificat, fără a influenţa circulaţia (cum se întâmplă în cazul instalării unor detectori de trafic). Dezavantajul este dat de faptul că nu se ţine cont de condiţiile curente de trafic şi astfel algoritmul de semaforizare implementat nu are metode de a adapta semaforizarea pentru evitarea formării de blocaje. Sistemele semi-adaptive au la bază algoritmi statici (cu timp prestabilit) care sunt în funcţiune până la activarea unui anumit eveniment (plasarea unui vehicul deasupra unui detector, apăsarea butonului de la semafor de către un pieton etc.), care determină o schimbare în planul normal de semaforizare ca răspuns la evenimentul produs (în primul caz se poate stabili temporar un timp mai mare de verde considerând că este o coadă de vehicule mai mare; în al doilea caz se adaptează planul de semaforizare pentru a permite trecerea pietonului/pietonilor). Un exemplu de oraş în care a fost implemetată o combinaţie de algoritmi statici şi semiadaptivi a fost Seattle. Oraşul are peste 975 de intersecţii semaforizate, dintre care mai mult de ¾ sunt situate pe arterele principale are oraşului sau în centrul său. Sistemul implementat se bazează pe reevaluarea periodică a situaţiei traficului şi introducerea datelor într-un program informatic care calculează cei mai buni timpi de semaforizare pentru fiecare intersecţie în parte şi realizează corelarea semafoarelor pentru a obţine un trafic fluent. Astfel, fiecare intersecţie poate fi prevăzută cu până la 16 planuri diferite de semaforizare, în funcţie de situaţia traficului. Sistemul implementat se bazează pe următoarele considerente: • La intersecţiile cu trafic redus sunt utilizate semafoare cu control semi-adaptiv, activate în momentul în care un vehicul staţionează deasupra detectorului sau un pieton apasă butonul corespunzător de la semafor • În funcţie de momentul din zi sunt implementate până la 16 programe diferite pentru a adapta indicaţiile semafoarelor la intensificările traficului -4-

• • •

În majoritatea intersecţiilor sunt utilizate semafoare separate pentru virajul la stânga, pentru a evita fluxurile conflictuale Este implementat un sistem de prioritate pentru transportul public; la detectarea unor astfel de vehicule se prelungeşte timpul de verde pentru a permite trecerea Vehiculele de urgenţă pot controla semafoarele pentru a obţine culoare libere de trecere.

Figura 2. Sistemul de management al traficului din Seattle Un sistem foarte cunoscut în cadrul sistemelor semi-adaptive este RHODES (Real Time Hierarchical Optimized Distributed Effective System – Sistem efectiv în timp real, ierarhic, optimizat şi distribuit). Acest sistem este unul dintre cele mai simple pentru managementul centralizat al traficului rutier, întrucât nu este un sistem adaptiv, ci el se bazează pe comutarea mai multor planuri de semnalizare fixe, determinate pe baza unor măsurători de trafic realizate manual. Sistemul este prin urmare „orb” din punctul de vedere al traficului pe care îl administrează şi buna funcţionare a sa depinde în mare măsură de condiţiile şi acurateţea cu care au fost determinate măsurătorile de trafic. În general, determinările informaţiilor de trafic prin detecţie sunt necesare pentru: • Determinarea lungimii cozilor de vehicule la semafoare • Aflarea numărului de vehicule care schimbă direcţia de mers în intersecţii • Detecţia incidentelor şi blocajelor rutiere

-5-

Figura 3. Arhitectura logică RHODES Pe baza unor dezvoltări recente, sistemul RHODES a fost îmbunătăţit cu noi algoritmi de analiză a traficului, bazaţi pe informaţii de trafic captate de senzori amplasaţi în intersecţii. Principiul de funcţionare este acela că detectoarele amplasate într-o intersecţie informează mai întâi propriul automat de trafic despre numărul de vehicule detectate, apoi acest automat transmite mai departe, la intersecţia din aval informaţii privind nivelul de trafic ce soseşte. Principiul de bază după care are loc schimbarea planurilor de semnalizare este însă de tip TOD2, adică depinde de ora din zi are loc modificarea duratelor de semnalizare, pe baza determinărilor apriorice ale comportamentului traficului pe reţea. Se realizează în prealabil o estimare a duratelelor de semnalizare ţinând cont de traficul pe artera principală, apoi se iau în considerare şi datele de pe arterele laterale. Metoda iniţială de programare se bazează pe volumele de trafic aşteptate să solicite intersecţia. Această metodă poate însă avea unele deficienţe: • planurile de semnalizare să devină neactuale prea rapid în timp; • planurile de semnalizare să nu reflecte situaţia reală din teren; • schimbările bruşte de trafic nu pot fi tratate de sistem. Pe baza introducerii sistemelor de detecţie, sistemul a evoluat, permiţând să reacţioneze la schimbările neaşteptate de trafic. Acest sistem este un exemplu tipic de implementare care a evoluat prin adăugarea de funcţii specifice ITS unui sistem non-ITS.

2

TOD – Time Of the Day

-6-

3. Algoritmi adaptivi 3.1.

MOVA - Microprocessor Optimised Vehicle Actuation

Dezvoltat în anii ’80, algoritmul reprezintă o strategie de control a semafoarelor pentru intersecţii izolate, care nu sunt corelate cu intersecţiile învecinate. Poate fi utilizat şi pentru trecerile de pietoni, în aceleaşi condiţii, în care nu este necesară coordonarea cu semafoare adiacente. Algoritmul este proiectat pentru a oferi soluţii pentru toate condiţiile de trafic, de la un trafic lejer şi până la congestii, fiind capabil de adaptare la situaţia curentă printr-o reevaluare a condiţiilor de trafic la fiecare 30”. Sunt utilizate două tipuri de modelări: pentru situaţia în care nu sunt congestii scopul este de a minimiza întârzierile, iar în cazul apariţiei suprasaturaţiei scopul este de a maximiza capacitatea intersecţiei. MOVA poate fi aplicat în toate tipurile de intersecţii, incluzându-le pe cele cu mai multe faze de semaforizare şi mai multe benzi pe fiecare intrare. Algoritmul se potriveşte în situaţiile în care: • Amplasamente în care fluxurile de trafic sunt mari şi acolo unde acestea sunt sezoniere şi intermitente (de exemplu traseele de vacanţă) • Intersecţii cu congestii pe una sau mai multe intrări • Este necesară asigurarea unei capacităţi suplimentare pentru trecerea pietonilor

3.2. • • • •

APTTCA – Adaptive Predictive Traffic Timer Control Algorithm A fost implementat în oraşul Chennai din India, la intersecţia dintre Mount Road şi Venkatnarayana Road. Este un algoritm complet adaptiv Algoritm predictiv în ceea ce priveşte traficul în următoarea perioadă (relativ scurtă) de timp Foloseşte trei vectori: de aşteptare, în rulare şi completat

Bază de date

Reţea de senzori

Modulul de estimare pentru timpul de verde

Plan de semaforizare

Controlerul de semaforizare

Semafoare şi cronometre de trafic Figura 4. Arhitectura sistemului APTTCA

-7-

Figura 5. Modul de dispunere al senzorilor în sistemul APTTCA

3.3.

ACS-Lite

ACS-Lite este sistemul software de control adaptiv al FHWA (Federal Highway Administration – Administraţia Federală a Autostrăzilor). Acesta este un sistem de control. Sistemul a fost conceput pentru a adapta diviziunea fazelor şi timpul între două semnale adiacente, cu incremente mici, 2..5 secunde, pentru a ajusta semaforizarea în funcţie de datele de trafic care sunt citite la fiecare 10 secunde. Aplicaţia centrală ACS-Lite preia de la controlerele din intersecţii datele de semaforizare la intervale de 10-15 minute pentru a realiza ajustări la nivel de reţea. În cazul în care se întrerupe comunicaţia cu sistemul central, automatul local de semaforizare va dirija circulaţia pe baza planurilor deja stocate la nivel local. Sistemul realizează optimizarea prin interogarea la fiecare minut a fiecărui controler referitor la datele de trafic şi compararea acestor datele referitoare la gradul de ocupare cu timpii de semaforizare utilizaţi de fiecare controler local în parte. În acest mod rezultă dacă există timp de verde neutilizat sau este necesar un timp de verde mai mare decât cel curent. Sunt realizate analize prin care sunt ajustaţi cei doi parametri menţionaţi anterior: diviziunea fazelor şi timpul între două semnale adiacente, pentru fiecare intersecţie în parte. Deoarece modificările rezultate nu depăşesc în general 5 secunde, de cele mai multe ori tranziţia se realizează pe durata unui ciclu. Testările iniţiale ale algoritmului au avut ca rezultat o reducere de 5-25% în timpul de călătorie.

3.4.

LA ATCS

Este un sistem computerizat de control al traficului în timp real, dezvoltat de LADOT (Los Angeles Department of Transportation – Departamentul de Transport al oraşului Los Angeles). Acesta se bazează pe o arhitectură distribuită client-server, cu o extensie de Windows NT şi conţine o bază de date pentru memorarea informaţiilor de trafic şi un limbaj de programare pentru interfaţa cu operatorul OIL - Operator Interface Language. A fost instalat iniţial în anul 1996, având o îmbunătăţire majoră în anul 1999 când a apărut o nouă versiune a sistemului de operare pe care se bazează.

-8-

Figura 6. LA ATCS - Harta dinamică a reţelei

Figura 7. LA ATCS - Harta dinamică a intersecţiilor

-9-

Figura 8. LA ATCS - Parametrii de semaforizare, care pot fi modificaţi direct din interfaţa grafică cu operatorul

• • • • • • •

3.5.

Strategiile de control: Calcularea lungimii ciclului, diviziunii fazelor şi timpului între două semnale adiacente reprezintă trei funcţii separate, dar inter-dependente Datele legate de volumele de trafic şi gradul de ocupare sunt culese în fiecare secundă, dar sunt utilizate o dată pe ciclu Sunt aplicate funcţii euristice pentru evaluarea strategiilor şi determinarea rezultatelor finale Se utilizează valorile critice pentru intersecţie / fiecare intrare în intersecţie Este inclus un modul de estimare a traficului Parametrii pot fi ajustaţi uşor pentru diferite configuraţii ale străzilor Există un sistem de prioritate pentru vehicule

OPAC – Optimized Policies dor Adaptive Control (Politici Optimizate pentru Controlul Adaptiv)

OPAC este un sistem de control în timp real al traficului care adaptează continuu timpii de semaforizare pentru a minimiza timpii totali de întârziere în intersecţie şi numărul de opriri ale vehiculelor. Acesta a fost realizat ca un sistem distribuit pentru controlul semnalizării traficului fără a fi nevoie de un ciclu de timp fix. Semnalele de sincronizare sunt calculate pentru a minimiza direct parametri consideraţi, cum ar fi întârzierile vehiculelor şi opririle, şi sunt constrânse de lungimile stărilor minime şi maxime. Sistemul poate fi implementat independent, pentru fiecare intersecţie în parte sau ca parte a unui management integrat al traficului. Opririle sunt incluse în funcţia de obiect, care este o combinaţie liniară a numărului întârzierilor şi opririlor. La fiecare intersecţie individuală, planurile de stare sunt generate pentru implementări ulterioare pe baza condiţiilor de trafic existente (de exemplu cozile existente şi sosirile aşteptate), pentru a minimiza astfel funcţia obiect la un „orizont de decizie”. Un plan de stare reprezintă o listă secvenţială de puncte de comutaţie viitoare cu fiecare astfel de punct de comutaţie reprezentând startul unei stări la un anumit moment de timp din viitor. Condiţiile de trafic sunt monitorizate continuu pe baza detectoarelor şi a informaţiilor de schimbare de stare şi pe baza - 10 -

acestora orizontul de decizie variază de la valori mai mici de 30 de secunde până la valori de peste 2 minute. Strategia OPAC calculează optimizări complexe în timp real şi se adaptează condiţiilor de trafic variate. Deoarece OPAC nu este un controler de dirijare a traficului, acesta formează un bloc constructiv pentru un sistem de control al traficului distribuit, inteligent. Spre deosebire de logica convenţională a controlului actualizat, sistemul OPAC poate comunica cu automatele învecinate pentru a forma un sistem de control al traficului cu coordonare flexibilă. OPAC foloseşte aceleaşi măsuri de performanţă ca funcţie de obiect pentru traficul din orele de vârf şi din afara acestor ore. La nivel ridicat de trafic cozile de pe anumite apropieri se pot împrăştia către intersecţiile anterioare, deoarece sistemul OPAC nu impune constrângeri cozilor de apropiere de o intersecţie. Cozile neconstrânse vor reduce capacitatea intersecţiilor învecinate.

3.6.

SCATS - SYDNEY CO-ORDINATED ADAPTIVE TRAFFIC SYSTEM

Sistemul a apărut pentru a oferi o soluţie de control al traficului în Sydney, fiind dezvoltat de Autoritatea de Drumuri şi Trafic (Road and Traffic Authority - RTA) din New South Wales la începutul anilor 1970, când mini-calculatoarele au devenit disponibile la un cost comparabil cu hardware-ul specializat, care a fost utilizat până la acel moment. Utilizarea timpurie a microprocesoarelor în controlerele locale în Australia (1975) a furnizat un impuls suplimentar pentru dezvoltare, deoarece a crescut inteligenţa si flexibilitatea disponibile. Dezvoltarea sistemului fost realizată de către RTA pentru scopurile proprii (utilizare în zona New South Wales din Australia), dar SCATS a fost implementat în multe alte oraşe din Australia, Noua Zeelandă şi de peste ocean. SCATS este un sistem ierarhic pentru managementul traficului care este utilizat pentru corelarea a mai multor controlere de trafic în scopul reducerii timpilor de călătorie şi a consumului de combustibil. Sistemul este cel mai utilizat sistem de management adaptiv al traficului din lume în momentul de faţă. Beneficiile SCATS au fost demonstrate prin operarea de peste 20 de ani în oraşele din Australia, obţinându-se o scădere cu 20% a timpului de călătorie, o reducere de 40% a numărului de opriri şi o diminuare cu 12% a consumului de combustibil. Caracteristicile sistemului SCATS: • Este proiectat pentru a detecta modificările din fluxurile de trafic şi de a ajusta parametrii de semaforizare (lungimea ciclului, diviziunea fazelor, timpul între două semnale adiacente). • Utilizează o structură ierarhică de control al semafoarelor. • Este inclus un sistem de control al traficului de rezervă în cazul în care apar erori de comunicaţie. Erorile care pot apare sunt monitorizate de sistem. • Sistemul nu necesită o supraveghere costisitoare şi furnizează o bază de date care poate fi utilizată pentru alte analize. • SCATS este un sistem flexibil care permite integrarea şi a altor aplicaţii într-un sistem de management al traficului urban.

• • •

SCATS oferă ca beneficii: Reducerea numărului de accidente, atât pentru vehicule cât şi pentru pietoni. Reducerea consumului de combustibil. Reducerea întârzierilor şi a numărului de opriri. - 11 -

• • •

Sporirea capacităţii drumurilor. Îmbunătăţirea duratei călătoriei. Reducerea poluării şi zgomotului asociat cu vehicule care opresc şi pornesc în mod inutil.

În mod suplimentar pot fi furnizate şi: • Stabilirea de ierarhii pentru drumuri. • Punerea în aplicare a măsurilor de restrângere a capacităţii. • Protejarea zonelor sensibile din punctul de vedere al mediului prin îmbunătăţirea reţelei de drumuri sau prin limitarea accesului în zonele protejate. • Asigurarea de prioritate pentru vehiculele transportului public. • Acordarea de prioritate pentru vehiculele de urgenţă. Însă multe din obiectivele de mai sus sunt contradictorii, iar inginerul de trafic trebuie să determine obiectivele şi să stabilească priorităţile. Controlul adaptiv în SCATS SCATS realizează un control al traficului pe două niveluri care determină împreună cei trei parametri de semaforizare: timpul ciclului, împărţirea fazelor şi decalajul. Aceste două niveluri sunt strategic şi tactic. Controlul strategic determină timpii adecvaţi de semaforizare pentru zonele monitorizate, ţinând cont de condiţiile de trafic în timp ce controlul tactic se referă la controlul la nivel de intersecţie, în limita constrângerilor impuse de controlul strategic. În cadrul acestui sistem de control al semafoarelor, toate semnalele care sunt coordonate trebuie să aibă un timp comun de ciclu (sau submultiplii ai acestuia). Ciclul variază de obicei între 40 şi 180 de secunde. SCATS prevede pentru operare valori ale ciclului între 20 şi 190 secunde, limitele efective fiind definite de utilizator. Abordarea SCATS pentru împărţirea fazelor are ca obiectiv menţinerea unor grade egale de saturaţie pe toate intrările. Cu toate acestea, controlul poate favoriza mişcările principale de trafic atunci când cererea se apropie de saturaţie. Decalajul într-o serie de semafoare coordonate trebuie să fie variat, adaptat la cererea de trafic pentru a minimiza opririle şi întârzierile vehiculelor. SCATS selectează decalajul pe baza timpului de călătorie şi gradului de saturaţie, ceea ce minimizează opririle pentru fluxurile de trafic predominante.

3.7.

SCOOT - Split Cycle Offset Optimisation Technique

3.7.1. Introducere SCOOT a fost dezvoltat de Laboratorul de Cercetări în Transporturi (TRL) în colaborare cu furnizorii de sisteme de trafic din Marea Britanie. Sistemul a fost folosit pentru prima oară în Coventry, primele variante comerciale fiind instalate în 1980 pe Maidstone, fiind în prezent implementat în peste 170 de oraşe din lume. SCOOT permite reglarea adaptivă a traficului pe baza măsurării acestuia cu ajutorul unor detectoare amplasate în amonte pe legăturile care intră în intersecţii. Se creează planuri de semaforizare optimizate pentru un anumit interval de timp şi la fiecare ciclu se recalculează durata optimă de semnalizare. - 12 -

Sistemul poate răspunde rapid la modificările de trafic, dar acesta evită fluctuaţiile mari în comportamentul controlului ca rezultat al schimbărilor temporare a tipului de trafic. În afara beneficiilor referitoare la reducerea întârzierilor şi congestiilor de trafic, se oferă şi alte facilităţi, cum ar fi prioritatea autobuzelor sau detecţia automată a incidentelor. În comparaţie cu sistemele cu timp SCOOT a dat rezultate mult mai bune decât sistemele de timp fix. Reţeaua de drumuri este împărţită în mai multe regiuni, fiecare conţinând un anumit număr de noduri (intersecţii semnalizate şi treceri de pietoni) care au acelaşi timp de ciclu şi permit astfel corelarea. Nodurile pot avea ciclu dublu pentru trecerile de pietoni şi intersecţiile ne-aglomerate. Sistemul SCOOT optimizează trei parametri care sunt adaptaţi în permanenţă la condiţiile de trafic: • timpul de verde pentru fiecare intrare în intersecţie (Split); se evaluează efectul decalării schimbului de fază • decalajul între semnale adiacente (Offset) • timpul total al ciclului (Cycle time). Modelarea acestor parametri are ca scop minimizarea timpului de verde pierdut şi reducerea numărului de opriri şi a întârzierilor prin sincronizarea semafoarelor. Fiecare dintre parametri estimează efectul unor schimbări incrementale minore în timpii de semnalizare asupra traficului din întreaga zonă. Este folosit un indice de performanţă bazat pe predicţia întârzierilor vehiculelor din fiecare legatură. 3.7.2. Descrierea parametrilor modelaţi de SCOOT Divizarea pe faze Optimizarea divizării pe faze este rulată pentru un nod, într-un punct optim, înaintea fiecărei schimbari de faze. Se ia în considerare efectul scurtării, prelungirii sau menţinerii fazei si efectul acestei modificări asupra gradului de saturaţie pe braţele de legatură. Gradul de saturaţie este definit ca raportul dintre fluxul maxim şi fluxul mediu de trafic care poate trece peste o linie de oprire. Optimizarea divizării pe faze va încerca să minimizeze gradul maxim de saturaţie pe arterele care se apropie de nod. Daca gradul mediu de saturaţie pe o perioada de cinci minute este mai mare decât limita stabilită (de obicei 90%) atunci durata ciclului va creşte, pentru a oferi o capacitate mai mare în nodul critic. Decalajul O data pe ciclu, se calculează optimizarea decalajului prin predicţia opririlor şi întârzierilor din timpul ciclului, pentru toate legăturile din amonte şi aval ale unui anumit nod. Prin această metodă se obţine cel mai bun decalaj general pentru un anumit nod, iar momentul de start al unui nou ciclu este ajustat astfel încât să se apropie de punctul ideal. Prin algoritmul de optimizare se realizează această predicţie pentru fiecare intrare într-un nod şi apoi pentru intersecţie ca întreg. La final este stabilită alegerea pentru o valoare a decalajului, stabilindu-se întârzierea şi opririle minime. Congestia pe o artera este folosită în optimizarea decalajului, astfel încât o legatură congestionată are prioritate faţă de legăturile care nu sunt aglomerate. Durata ciclului Optimizarea duratei ciclului operează asupra unei regiuni în care se previzionează un trafic variabil. Inginerul de trafic este cel care alege această grupare. Optimizarea duratei rulează de obicei la fiecare cinci minute pentru fiecare regiune în parte, deşi acest interval poate fi variat de utilizator începând cu versiunea 4 de implementare a sistemului. În cadrul SCOOT există prevederea ca această - 13 -

optimizare să fie rulată la intervale înjumătăţite în situaţia în care se observă o tendinţă de creştere sau scădere a fluxurilor de trafic. În acest caz se calculează gradul de saturaţie pentru toate legăturile, pentru fiecare nod din regiune. Dacă unul dintre acestea este mai mare sau egal cu nivelul de saturaţie ideal, durata minimă a ciclului este crescută în trepte mici, prestabilite. Dacă toate valorile sunt sub nivelul de saturaţie ideal, durata minimă efectivă a ciclului este redusă în trepte mici, fixate. Optimizarea ia în calcul toate duratele ciclurilor, de la durata minimă efectivă în nodul critic, la durata maximă a ciclului din regiune, care este stabilită în momentul respectiv. Prin acţiunea asupra timpilor de semaforizare în funcţie de situaţia traficului, SCOOT poate implementa şi un sistem de prioritate pentru vehiculele de urgenţă, prin crearea unor „trasee de verde” pentru acestea, precum şi un sistem de prioritate pentru transportul public, care poate avea două metode de implementare: • prioritate permanentă pentru transportul public, ceea ce înseamnă adaptarea timpilor de verde pentru a permite pătrunderea în intersecţie a tuturor vehiculelor care aparţin acestui tip de transport • prioritate selectivă: mai multă prioritate pentru unele şi mai puţină (sau deloc) pentru altele. De exemplu nu se ţine cont de vehiculele care sunt în grafic şi se acordă o prioritate mare pentru vehiculele care sunt în întârziere.

3.8.

ITACA

Sistemul de control adaptiv al traficului ITACA utilizează datele primite de la detectorii de trafic pentru a modela traficul la fiecare semafor. Acesta ajustează în permanenţă parametrii de semaforizare (lungimea ciclului, diviziunea fazelor, timpul între două semnale adiacente) pentru fiecare intersecţie în parte cu scopul de a minimiza întârzierile şi numărul de opriri pentru întreaga reţea de drumuri. Sistemul de lucru al modulului adaptiv ITACA se bazează pe o structură ciclică în patru faze: • Analiza datelor de trafic înregistrate în fiecare automat de trafic; • Simularea comportamentului traficului; • Optimizarea variabilelor din planul de temporizare ITACA pentru fiecare automat de trafic înregistrat în calculatorul central; • Modificarea timpilor de semnalizare în automatele de trafic. Sistemul produce modificări mici şi frecvente în parametrii de control al traficului pentru adaptarea acestora la schimbările în fluxurile de trafic. Prin această trecere lină sunt evitate perturbările care ar putea să apară din cauza modificării planului de semaforizare. Datele de la detectorii de trafic sunt culese la fiecare 5 secunde. Pe baza acestor valori se realizează o modelare a traficului cu scopul de a estima următoarele valori: • lungimea cozii de vehicule în fiecare secundă a ciclului; • întârzierea pentru fiecare intrare în intersecţie, calculată pentru fiecare secundă a ciclului; • numărul de opriri pentru fiecare intrare în intersecţie, calculată pentru fiecare secundă a ciclului.

• •

Parametrii cei mai importanţi utilizaţi în reglarea traficului de sistem sunt următorii: Diviziunea fazei - parametru care afectează fiecare intersecţie şi este calculat în toate fazele; Decalajul - parametru care afectează fiecare intersecţie, este calculat în faza cea mai lungă; - 14 -

•

Ciclul intersecţiei - parametru care afectează intersecţia cea mai aglomerată şi totodată calculul ciclului optim al sub-zonei este determimat la începutul ciclului în fiecare intersecţie.

Modulul adaptiv al sistemului efectuează calculele necesare în funcţie de datele de trafic primite şi le aplică în următoarele perioade: • Divizarea fazelor: între secunda a 12-a şi a 6-a până la finalul fiecărei faze - se aplică fiecărui controler între secundele a 5-a şi 0 până la finalul fiecărei faze. • Decalajul: între secundele a 22-a şi a 16-a până la finalul fazei celei mai lungi şi se aplică fiecărui controler între secundele a 5-a şi 0 până la finalul fiecărei faze. • Ciclul intersecţiei: între secundele 0 şi 5 de la începutul ciclului din fiecare sub-zonă şi se aplică fiecărui controler. Tabelul 2 - Procesul de optimizare ITACA Optimizări Frecvenţă Domeniu Schimbări de maxim [s] referinţă Diviziunea fazelor O dată pentru fiecare fază a ciclului 0 ±5,00 0 sau de la ±1 la ±5 Decalajul între O dată în cadrul fiecărui ciclu 0 ±5,00 0, ±1, ±5 semafoarele adiacente Lungimea ciclului Conform unor cazuri particulare* 0 ± 5,00 0 sau ±5 0 ± 10,00 0 sau ±10 * dacă ciclul curent are mai puţin de 70 de secunde, modificările sunt de ±5 secunde; dacă valoarea este mai mare de 70 de secunde, modificările sunt de ±10 secunde. Pentru creşterea valorilor ciclului tranziţia se face din două în două cicluri, iar pentru scăderea valorilor, tranziţia se realizează la fiecare cinci cicluri. ITACA nu necesită planuri de semnalizare pregătite în avans, deoarece calculează în mod dinamic cel mai adecvat plan, optimizând în timp real mişcările vehiculelor prin reţeaua de drumuri şi intersecţii acoperită. 3.8.1. Sistemul EXPERT (pentru minimizarea congestiilor de trafic) Controlul adaptiv trebuie să fie supravegheat de un sistem inteligent care să analizeze datele din întreaga reţea. Cel mai flexibil instrument care are acest scop este Sistemul Expert. Acesta este capabil să prevadă situaţiile de congestie şi pre-congestie şi să implementeze în mod dinamic planuri de semaforizare. Acest sistem integrează datele obţinute în timp de real de la sistemul adaptiv (datele de trafic, modelul de simulare, estimarea cozilor de vehicule) şi informaţiile locale (unice pentru fiecare reţea de drumuri). Sistemul expert are patru moduri de operare: • inactiv: sistemul nu este operativ; • informativ: sistemul informează operatorul referitor la deciziile luate; • consultativ: sistemul consultă operatorul în privinţa aplicării unor anumite decizii; • executiv: sistemul execută singur deciziile pe care le consideră potrivite. ITACA poate fi completat cu multe sub-sisteme, cum ar fi: circuit CCTV (televiziune cu circuit închis), panouri de mesaje variabile, sistem de prioritate pentru vehiculele transportului public, sistem de gestiune pentru benzile de circulaţie reversibile sau sistem de diseminare a informaţiilor prin Internet. - 15 -

3.9.

UTOPIA-SPOT

Sistemul UTOPIA-SPOT reprezintă o strategie de management al traficului rutier urban, dezvoltată de Mizar Automazione din Italia, ce combină optimizarea la nivel local, caracterizată de viteză de răspuns ridicată la schimbările de trafic, cu interacţiunea puternică cu celelalte intersecţii şi optimizarea globală pe arii extinse. Optimizarea la nivel local facilitează adaptarea unui sistem de prioritizare a transportului public urban, datorită vitezei de răspuns, ceea ce este mai greu realizabil cu o configuraţie centralizată, mai ales în mari aglomerări urbane unde transportul public este bine reprezentat şi cererea de prioritate la semafoare ar putea sufoca sistemul de calcul centralizat. Optimizarea la nivel local reprezintă o funcţie obiectivă de analiză a costurilor, ce încorporează termeni de calcul pentru întârziere şi opriri la stop de pe legăturile care aduc şi eliberează trafic din intersecţia în cauză, termeni legaţi de analiza cozilor de vehicule. 3.9.1. Modul de funcţionare al sistemului UTOPIA-SPOT UTOPIA-SPOT este un sistem care permite coordonarea într-o zonă în care intersecţiile nu au nici acelaşi timp total al ciclului semafoarelor şi nici timpi prestabiliţi. Sistemul este compus din trei straturi: • un computer central numit UTOPIA, utilizat pentru supraveghere şi monitorizare, • computere industriale, unităţi SPOT, care sunt integrate în controlerele de trafic şi realizează optimizarea locală, • controlerele de trafic care execută strategia de semnalizare. Spre deosebire de alte sisteme UTC, UTOPIA-SPOT utilizează date legate de traficul care se apropie în momentul respectiv de intersecţie. Unităţile SPOT utilizează bucle inductive şi numărătoare video pentru a ajusta strategia de semaforizare pentru următoarele 2 minute. Strategia de semaforizare, bazată pe traficul vehiculelor, mijloacelor de transport public şi pietonilor, este ajustată la fiecare 3 secunde. În plus, unităţile SPOT realizează schimburi de informaţii cu unităţile vecine, referitoare la strategia de semaforizare şi plutoanele de vehicule care urmează să ajungă.

Figura 9. Strategia de control optimizat în buclă închisă de la sistemul UTOPIA. Din punct de vedere general, estimarea densităţii traficului necesită detectoare de trafic (de tip buclă electromagnetică sau de alte tipuri): - 16 -

- La intrarea în intersecţie, pe fiecare bandă, pentru măsurători de densitate - La ieşirea din intersecţie, pe fiecare bandă de circulaţie, pentru estimarea parametrilor dinamici (procente de viraje, rapoarte părăsiri legătură etc.). Atunci când sistemul UTOPIA controlează mai multe intersecţii pe un coridor sau o reţea de intersecţii adiacente, detectoarele de la ieşirile fiecărei intersecţii din amonte se comportă ca detectoare de intrare pentru intersecţiile din aval. În această situaţie, informaţiile de la detectoare sunt distribuite în mod automat prin reţeaua de comunicaţii a sistemului şi nu este nevoie de secţiuni dublate pentru măsurători. Din punct de vedere practic, nu toate mişcările vehiculelor necesită monitorizare şi nu toate benzile trebuie echipate cu detectoare: numai acele mişcări în care volumele de trafic trebuie optimizate şi nu sunt neglijabile, ele variind pe durata unei zile. Acolo unde volumele de trafic sunt neglijabile (nu este afectat procesul de optimizare), sau unde acestea pot fi definite prin valori medii zilnice, nu este necesară amplasarea de detectoare de trafic. 3.9.2. Metoda de optimizare a traficului Cele mai importante elemente în realizarea optimizării traficului sunt estimarea şi predicţia. UTOPIA-SPOT utilizează tehnici avansate în combinaţie cu configuraţii flexibile de detecţie, precum şi date istorice ce permit dirijarea traficului şi în absenţa funcţionării detectoarelor, utilizând istoricul nivelurilor de trafic înregistrate la aceleaşi date şi/sau în aceleaşi condiţii. Realizarea optimizării la nivel local are şi un alt mare avantaj, atât pentru sistemul de reglare a traficului, cât şi pentru cel de management al transporturilor publice: nu încarcă reţeaua cu mesaje, întrucât o bună parte din calculele de optimizare se realizează local, fără a mai fi nevoie să se transmită datele prin sistem. În acest mod este micşorată şi durata de răspuns. Există o funcţie separată pentru monitorizarea vehiculelor destinate transportului public în reţea: locatorul transportului public. Pe baza informaţiilor de la diferite tipuri de detectoare şi pe baza estimării duratelor de călătorie ale acestui tip de vehicule, sunt predicţionate momentele sosirii acestora la intersecţii. În Bucureşti, prima implementare de acest gen a fost pe linia de metrou uşor 41. Optimizarea tradiţională a reţelelor de drumuri şi intersecţii trebuie să se bazeze în primul rând pe măsurători ale traficului în reţea. Apoi se calculează un anumit optim la nivelul reţelei, de exemplu pentru durata unui ciclu de semnalizare pentru toată zona. În zonele controlate de sistemul UTOPIA-SPOT optimizările se fac însă mai întâi la nivelul fiecărei intersecţii şi apoi la nivelul zonal. La nivelul intersecţiei optimizarea consideră că intersecţiile învecinate interacţionează cu intersecţia în cauză; în principiu, fiecare intersecţie îşi calculează propria optimizare şi ciclurile pot varia de la o intersecţie la alta. Semnificativ pentru sistemul SPOT este că acesta a fost proiectat iniţial pentru a acorda prioritate vehiculelor de transport public. Ideea de la baza sistemului SPOT este să execute calculele pentru ajustarea duratelor de semnalizare (setarea semafoarelor), în timp real, cu scopul de a minimiza „costul” socio-economic total al sistemului de trafic. Principalele „costuri” sunt produse de întârzierile şi de opririle vehiculelor. Pentru a acorda prioritate pentru autobuze şi tramvaie, acestor vehicule le-au fost asociate costuri mai mari. SPOT este un program special, care operează pe un procesor separat, conectat la automatul de trafic al semaforului printr-o interfaţă specială; procesorul poate fi o simplă placă sau poate fi un PC industrial complet. - 17 -

Din punctul de vedere al controlului întregii reţele, nivelul central este cel care determină criteriul general de control. Pentru diferitele zone ale reţelei, şi pe baza cererii de trafic determinate prin măsurare, precum şi pe baza istoricului, nivelul central calculează un plan staţionar optim, care este utilizat ca referinţă pentru automatele de trafic. În plus, nivelul central furnizează celui local criteriile de optimizare pe care trebuie să le aplice în reglarea traficului. Aceste criterii de optimizare constau în: Factori de ponderare care se aplică algoritmului de optimizare calculat de automatele locale de trafic; Profilele cozilor de vehicule aşteptate în reţea ce influenţează costurile (duratele de tranzit) ale legăturilor. Nivelul central poate fi integrat, la rândul său şi coordonat de un alt nivel, superior (Supervizor). Se poate lucra astfel într-un context cooperativ. Strategiile de mobilitate globale (debite şi viteze dorite ale traficului) sunt folosite pentru a determina planurile de referinţă, precum şi criteriile de optimizare pentru nivelul local. Toate aceste metodologii intră în categoria controlului cooperativ. UTOPIA are un răspuns de tip adaptiv la variaţiile de trafic. Prin monitorizarea continuă a cererii de trafic – atât a traficului privat, cât şi a transportului public urban, sistemul aplică tehnici de optimizare destinate minimizării duratelor de timp de parcurgere a reţelei şi a numărului de opriri la semafoare. Pentru a se obţine acest deziderat, sistemul aplică controlul în buclă închisă la ambele niveluri funcţionale. Un bloc funcţional are sarcina de a achiziţiona datele de trafic şi de a realiza un estimator de stare al zonei controlate. Un al doilea bloc calculează strategia optimă de control pentru reglarea unei singure intersecţii din reţea, pe baza stării estimate. Funcţia de cost adoptată de automatul local de trafic constă dintr-o varietate de elemente atât pentru legăturile de intrare, cât şi pentru cele de ieşire. Aceste elemente sunt: Durata de parcurgere a legăturii de către traficul particular; Numărul de opriri la semafoare pentru traficul particular; Protecţia funcţie de capacitatea de stocare a legăturilor; Durata de parcurgere a legăturii de către vehiculele transportului public; Numărul de opriri la semafoare pentru transportul public; Profilul dorit al cozii, funcţie de lungimea ciclului. Pentru fiecare dintre aceste valori se asociază un factor de cost, precum şi profilul dorit al cozii pentru toate legăturile din intersecţie, de la nivelul central, funcţie de politica de control adoptată la nivelul întregii reţele. Acest mecanism stă la baza aplicării principiului „coordonăriiţintă”. Capacitatea de a reacţiona aproape imediat la schimbările de trafic din intersecţie face controlul foarte eficient, prin reacţie imediată la perturbaţiile locale cauzate de acordarea priorităţii pentru mijloacele de transport în comun.

- 18 -