Chytré semafory – ve světle nových technologií | RUBEZH

V Rusku fungují „chytré semafory“ jako součást inteligentních systémů řízení dopravy na silnicích relativně krátkou dobu: jejich počet sotva přesahuje 3000.Neodůvodněné využívání lokálních adaptivních systémů v metropoli nevede ke zvýšení, ale ke snížení kapacity dopravního systému i na jediné křižovatce. Na pozadí modernějších technologií se takové řešení stává mezerou a musí řešit problémy v konkrétních bodech dopravního systému.

Perspektivy optimalizace regulace semaforů

Hlavní cestou ke zvýšení kapacity dopravního systému města je využití koordinovaných režimů semaforů s možností centralizovaných adaptivních režimů. Místní adaptivní režim je určen pro automatickou korekci provozního režimu semaforu pomocí dat přijatých z dopravních detektorů přímo do silničního kontrolora.

Semafor je nejmocnějším prostředkem řízení dopravy. V pojetí digitálního dvojčete je semafor speciálním prvkem grafu street-road network (SRN), dynamicky měnící vlastnosti grafu – otevírání a zavírání směrů pohybu po okrajích grafu po určité časové úseky.

Díky plně digitální implementaci je možné efektivně využívat prostředky matematické optimalizace přepravních toků. Elektronický semaforový pas je strojově čitelný diagram směrů řízení semaforů, superponovaný na silniční graf a dopravní model obohacený o data z projektů řízení dopravy. Zahrnutí toku skutečných monitorovacích dat pocházejících z dopravních detektorů do tohoto svazku činí digitální dvojče dostatečně adekvátním realitě a umožňuje výrazné obohacení řízení provozu jak vývojem algoritmických a heuristických metod pro optimální nastavení semaforů, tak širokým využitím metod optimalizace neuronové sítě.

Jak funguje adaptivní režim

Místní adaptivní režim semaforů je jedním z nejrychlejších způsobů, jak bojovat s dopravními zácpami. K tomu je v cyklu řízení semaforu realizována jedna nebo více fází ve formě vyvolávacích fází, které nejsou volány v obvyklém režimu pro cyklus semaforu (tedy postupně v rámci aktuálního programu), ale signálem z detektoru pohybu připojeného k ovladači.

Pro pochopení schématu se podívejme na modelovou křižovatku č. 1.

Na této křižovatce jsou možné následující směry provozu

Fáze regulace semaforů zahrnují:

Fáze #1 (A0 → A1, B0 → B1, B0 → B1)

Fáze č. 2 (A1 → B1, B0 → B1)

Fáze č. 3 (B0 → A0, B0 → B1)

Normální provozní program obsahuje sekvenční přepínání fází s dobou trvání odpovídající statické zátěži v každém směru. V tomto případě je doba trvání fáze #1 = 100 sekund, fáze #2 = 20 sekund, fáze #3 = 20 sekund. S tímto nastavením stráví semafor 70 % svého času tím, že propustí hlavní provoz ve směrech A0 → A1, B0 → B1. Což odpovídá tomu, že semafor blokuje hlavní trasu 30 % času. Tato situace je normální, pokud poměr výkonu toku za jednotku času obecně odpovídá rozložení časů semaforů.

Co se stane, když má zatížení na křižovatce velkou asymetrii? Co když ze/do směru B0 přijíždí velmi málo aut? Například jednou za půl hodiny? V takové situaci se ukazuje, že aby projela 1-2 auta za půl hodiny vedlejším směrem, semafor blokuje 30% času neustále poptávaný provoz ve směrech pohybu. Například během výše uvedené půlhodiny je 10 minut zcela promarněno. Vznikají nepřiměřená očekávání a vznikají dopravní zácpy. co dělat?

V takových případech má implementace místního adaptivního přístupu výjimečný pozitivní efekt. Transportní detektory jsou instalovány ve směrech A1 a B0 a fáze č. 2 a č. 3 jsou realizovány prostřednictvím vyvolávacího mechanismu. Fáze č. 2 je vyvolána pouze v případě, že je detekováno zastavení vozidla v zóně A1, a fáze č. 3, pokud je detekováno vozidlo v detekční zóně B0. Pokud v detekční zóně není žádný transport, fáze #2 a fáze #3 se jednoduše přeskočí. Výsledkem je znatelná optimalizace dopravy s pozitivním efektem jak pro hlavní tah, tak pro dopravu ve vedlejších směrech.

Podmínkou oprávněného uplatnění lokálního adaptivního je silná asymetrie dopravních proudů – musí existovat hlavní směry, které vyžadují maximální dobu zeleného svícení, s mnohem větší intenzitou a pravidelností než na vedlejších směrech. Sekundární směry se vyznačují výrazně nižší intenzitou a nepravidelností.

Nepřiměřené používání poškozuje dopravní systém

Pokud je lokální adaptivní činidlo použito neopodstatněně, negativní efekt může převážit jeho přínosy. Místní adaptivní řízení často ničí koordinaci semaforů mezi sebou. Důvodem je nedostatek informací o provozní době hlavní fáze chodu, přerušované volacími signály z místních detektorů.

Z tohoto důvodu není možné správně nastavit časový posun mezi semafory. Výsledkem je, že hlavní tok, místo aby se plynule pohyboval po dopravním koridoru, na každém semaforu neustále zpomaluje. Mnohonásobné snížení celkové propustnosti způsobené zubatým režimem bezdůvodně aplikovaného místního adaptivního systému je umocněno nedostatkem koordinace mezi semafory (nezohledňuje se stav ostatních semaforů, propustnost ostatních křižovatek apod.). Výsledkem je, že při přetížení úzkého místa v dopravním systému (obtížný vjezd do Zahradního okruhu z přilehlých ulic) začne systém vykládky semaforů na skupině křižovatek sypat hromadnou zátěž na kritický a přetížený uzel. Tato „nerozumnost“ systému semaforů vede nejprve k přetížení kritického uzlu a poté se dostane na lokálně adaptivní křižovatku a také ji zastaví. Během dopravní špičky v centru Moskvy to vede k vážným dopravním zácpám, které je obtížné kontrolovat.

Co když místní adaptivní způsobily problémy nebo nefunguje dostatečně optimálně? Ve zvlášť obtížných případech mohou dopravní kontroloři převzít kontrolu nad semaforem v koordinovaném nebo dispečerském režimu a „vytáhnout“ potřebné směry. Toto opatření umožňuje vyčistit zdánlivě „mrtvé“ zátky. Další negativní bod je však spojen s lokálními adaptivními systémy – regulátory v takových systémech postrádají schopnost správného dálkového ovládání.

Tabule pro odpočítávání času s místní adaptací

Lokální adaptivní eliminuje možnost použití semaforové časovací desky (TLB). Důvod je jasný: nelze odpočítávat, pokud semafor funguje v nepředvídatelném režimu a doba trvání fáze není předem známa. Když je tedy zapnut lokálně adaptivní režim, TOV se buď vypne, nebo zobrazí nesprávná data.

Mezitím si LLC vysloužila lásku a respekt řidičů a chodců. Jedná se o skutečně pohodlný a informativní nástroj, který zvyšuje bezpečnost provozu a pozornost chodců a řidičů. Občané vnímají absenci LLC jako poruchu nebo nekompletnost semaforu a často píší stížnosti. To je hlavní překážka pro poskytovatele lokálně adaptivních systémů. Potřebují najít řešení, jak spojit přizpůsobivost s koordinací semaforů a zajistit „předvídatelnost“ dopravních dat pro zobrazování časových intervalů na tabuli.

Bohužel místo hledání inteligentních řešení jdou výrobci často cestou prosazování těch nejjednodušších, nejprimitivněji fungujících systémů. Vzhledem k tomu, že technologie místních adaptivních semaforů jsou široce používány po celém světě od 1950. let XNUMX. století, jsou argumenty ve prospěch primitivních řešení neudržitelné.

Když je potřeba speciální přístup

Řízení přetížení v silniční síti metropolitního města lze dosáhnout nejen pomocí adaptivních řešení semaforů.

V řadě případů v moskevské praxi (vjezd do vnitrobloku z městských tříd) se využívá vyloučení směrů s nízkou poptávkou ze schématu semaforů a přesun otoček do míst s pravidelným provozem. Podobná situace je typická i pro venkovské dálnice s přilehlými silnicemi, na vjezdech do malých sídel.

Navíc díky zásadnímu vyloučení protichůdných směrů má tento způsob pozitivní vliv na bezpečnost provozu. Nevýhodou tohoto řešení je, že komplikuje cestování do vedlejších destinací. V případech nesymetrického zatížení je však v zásadě možné z regulace semaforů vyloučit směry s nízkou poptávkou.

Jak je vidět z obrázku, i přes podobnost dopravních podmínek modelové křižovatky ve tvaru T, která je ideálně vhodná pro adaptivní regulaci, v tomto případě chybí semafor vůbec, protože se projektanti rozhodli v tomto místě zakázat vedlejší směry a možnost odbočení je implementována na jiném místě. Bonusem tohoto řešení je snížení nehodovosti díky absenci protichůdných dopravních směrů, maximální propustnost hlavního směru a výrazná úspora na technickém vybavení křižovatky.

Další příklad nestandardního řešení. Typická městská křižovatka v Moskvě je místem, kde potřeba jí projíždět vzniká pravidelně, s podobnou intenzitou a téměř vždy s intervalem výskytu požadavku na projetí méně než 1-2 světelné cykly. Co to znamená? Provozní režim semaforu je zcela dán statistickou zátěží a nevyžaduje zavádění nepředvídatelnosti do nastavení přepínání objektů semaforu, což lze realizovat pouze mechanismem fáze volání pomocí poměrně jednoduchého algoritmu.

Na žádné takové křižovatce instalace místního adaptivního systému nezlepší provoz křižovatky ani nezvýší propustnost. Při takto nízkém zatížení se v zásadě nemohou vyskytovat dopravní zácpy. K určitému pozitivnímu efektu dochází pouze v noci, kdy se zatížení ze sekundárních směrů B a G stává natolik nepravidelným, že doba trvání prázdných směrů začíná výrazně (7 i vícekrát) překračovat dobu regulačního cyklu. V tomto případě skutečně nastává pozitivní efekt v podobě zkrácení čekací doby na cestu z vedlejších směrů a prodloužení doby na hlavní trasu. Ale absolutní efekt je zcela nevýznamný a má tendenci k nule. V době normální nebo vysoké dopravní zátěže na křižovatce začne mít lokální adaptivní negativní dopad na hlavní trasu a ubírá čas hlavní trase pro vedlejší směry. Nebo se přepne do průměrného provozního režimu, který slabě zohledňuje statistické rozložení zátěže.

Je to smutné, ale pravdivé. Někteří dodavatelé místních adaptivních zařízení se snaží lobbovat za jejich instalaci argumenty o zkrácení cyklu ve špičce ze 140 sekund na 80-90 a během normální doby na 60 sekund. V reálu bude dopravní situace vypadat takto: kvůli rychlejšímu výjezdu dvou aut z vedlejší silnice, která místo minuty čekání projede za 10 sekund, uvízne v zácpě 50 aut. Nemluvě o tom, že nepravidelný provoz semaforů přidává zpoždění rozjezdu/zastavování aut, což bude mít za následek snížení skutečné propustnosti hlavní trasy.

Který adaptivní systém je vhodnější použít?

Účinnost lokálního adaptivního v metropoli také závisí na typu detektoru pohybu. Osvědčeným řešením je například indukční smyčka. Zpravidla to nabízejí dodavatelé místních adaptivních systémů. Je pohřbený v asfaltu, a když nad ním zastaví vozidlo, indukční smyčka to zaregistruje a vyšle signál do ovladače: „Nade mnou je auto.“ Dále se spustí specifická přivolávací fáze semaforu. v čem je problém?

Důvodem pro použití nejprimitivnější technologie je, že tento typ práce je dostupný i těm nejzaostalejším dodavatelům. Samotná smyčka je levnější, ale náklady na instalaci indukčních detektorů vyžadují otevření asfaltu v celé křižovatce. A také hrozí, že po výměně asfaltu se bude muset vše znovu instalovat. Instalace takových systémů navíc způsobuje problémy silničnímu provozu. Výsledkem je, že levný systém stojí několikanásobně více než například radarové detektory nebo video monitorovací systém.

Použití lokálních adaptivních systémů s transportním detektorem ve formě indukční smyčky je dnes specializovaným řešením pro některé speciální případy popsané na začátku článku. Obecně se místní adaptivní stává neoptimálním, zastaralým řešením, které ničí koordinaci semaforů mezi sebou, eliminuje použití tabulí semaforů, činí provoz jednotlivého objektu semaforu a celého systému semaforů jako celku špatně předvídatelným pro řídicí systémy vyšší úrovně, které nejsou schopny radikálně řešit problémy dopravní sítě velkého města.

Nerozumné použití místního adaptivního režimu v některých případech způsobuje další potíže, snižuje kapacitu a ovladatelnost dopravního systému.

Video analytika je budoucnost

Nejslibnějším formátem pro budování inteligentních dopravních systémů je video dohled s funkcí video analýzy. Mnoho CCTV kamer je schopno „vidět“ celou křižovatku a poskytovat kompletní informace o průjezdu vozidel křižovatkou.

Za posledních pět let se technologie video analýzy staly široce používanými a prioritními. Zde je například pohled z jedné z moskevských kamer v roce 2016. Již tehdy bylo optimálnější používat videoanalytiku, která získávala celou řadu dat: čekací fronta v každém směru, intenzita, rychlost, detekce incidentů, sběr informací v systémech strategické analýzy provozu a matematických modelech atd.

Další a významnou výhodou dopravní analýzy založené na video dohledu je princip synergie. Jedna videokamera nahradí minimálně 8 indukčních smyček a mohou ji využívat i další městské služby pro své účely. A pro transportní systém poskytuje videoanalytika mnohem více informací než indukční smyčka: větší kontrolní oblast, schopnost identifikovat incidenty a v případě pochybností o spolehlivosti dat je lze ověřit vizuálně. K tomu je třeba přidat možnost klasifikace vozidel, funkce globální optimalizace pohybu v prostorách celého města.

Digitální dvojče objektu semaforu

Využití video monitorovacích systémů je zvláště efektivní, pokud je implementováno pomocí konceptu digitálního dvojčete dopravního systému. Vyhlídky metod neuronových sítí jsou zřejmé a dokládají rychlost a přesnost rozhodování, které předčí schopnosti průměrného konstruktéra. Takové systémy zatím nejsou schopny nahradit ty nejlepší lidské konstruktéry, ale umožňují jim výrazně snížit jejich pracovní zátěž, stanovit limity kvality pro projekční práci a objektivní analýzu.

Digitální technologie se stávají efektivním nástrojem inteligentního projektování v oblasti regulace semaforů. To vše dohromady přináší prudké zvýšení kvality řízení dopravního systému při snížení nákladů na zajištění tohoto procesu.

Tento přístup organicky spojuje potřebu přizpůsobit provozní režimy semaforů dříve nepředvídaným situacím, stabilní, předvídatelný chod celého řídicího systému a potřebu koordinovaného řízení celého systému semaforů.

Ve srovnání se staršími adaptivními systémy může analytika neuronové sítě využívající digitální dvojčata kombinovat nejlepší aspekty statistického modelu pohybu, matematické metody dynamické optimalizace a používat dříve nainstalované vybavení. Pokud například na křižovatce nejsou jiné detektory pohybu kromě indukčních smyček, pak je lze použít. Nebo použijte videodetektory, pokud je jimi křižovatka vybavena.

Experimentální aplikace konceptu digitálního dvojčete pro návrh, analýzu, modelování a řízení dopravy přináší mnohonásobné snížení nákladů na zachování integrity a relevance informací o organizaci dopravy ve městě. V oblasti řízení semaforů umožňuje twin zavádět objektivní charakteristiky kvality nastavení světelného systému, včas vyhledávat úzká místa v dopravním systému, nabízet efektivní řešení problémů atd. Specifické ukazatele zlepšení funkčních charakteristik regulace průjezdu křižovatkami začínají od 30 % a dosahují mnohonásobného zvýšení propustnosti, zkrácení čekací doby při zachování dané úrovně bezpečnosti.