4.1.9. Координирующим в контуре автоматического управления является блок 7, осуществляющий выбор управляющей программы, соответствующей данному уровню спроса на пользование автомобильной магистралью (дуга 14-7), задействованной альтернативе сетевого управления (дуга 5-7) и состоянию окружающей среды (дуга 6-7). Указанный выбор происходит путем просмотра списка управляющих программ, рассчитанного вне реального масштаба времени.
Расчет управляющих программ происходит в блоке 12, который является ключевым в стратегической концепции, выдвинутой в Гипродорнии в ходе разработки системы АРДАМ. Алгоритм из блока 12, наряду с алгоритмами блоков 4 и 13, базируется на разработанных в Гипродорнии макроскопических моделях транспортного потока. Алгоритм использует при формировании критерия оптимальности значения скоростей по участкам и полосам магистрали, вычисленные для ситуации, соответствующей данной программе, в блоке 10 по моделям СКБ Промавтоматики. Верхние ограничения скоростей (так называемые допустимые скорости) определяют по рекомендациям п. 4.4.
4.1.10. Управляющая программа реализуется через исполнительные блоки 8 и 9. Одновременно с ней в блоке 12 вычисляется соответствующая ей оптимальная фазовая траектория объекта управления. Степень рассогласования между оптимальной и фактической траекторией определяет, в силу алгоритма из блока 13, величину корректирующего управления. Корректирующие управления реализуются путем изменения интенсивностей движения на въездах, т.е. сменой уставок соответствующих контроллеров (блок 8).
4.1.11. Алгоритм сетевого управления (блок 5), разработанный в СКБ Промавтоматики, использует информацию о транспортной ситуации на автомобильных дорогах, примыкающих к управляемому участку, и выдает решения о необходимости сброса определенных объемов движения на дорогу-дублер.
4.1.12. Блок 14 базируется на алгоритмах фильтрации и прерывания, разработанных в Гипродорнии (п. 4.6.), и алгоритме прогноза из матобеспечения АСС-УД (разработка СКБ Промавтоматика). Фактическая фазовая траектория объекта управления оценивается в блоке 4 с помощью алгоритма, разработанного в Гипродорнии и основанного на методе нелинейной фильтрации Калмана (п. 4.7.).
4.1.13. Алгоритмы блока 6 должны осуществлять идентификацию любого конкретного состояния дорожных и погодных условий на принадлежность к одному из заранее выделенных и существенно различных, с точки зрения принятия решений, классов. Необходимый материал изложен в п. 4.4. Часть информации на вход этого блока поступает от передвижной лаборатории КП-508, описанной в п. 2.
4.1.14. Важным частным случаем управляющих программ являются программы, допускающие частичную или полную декомпозицию, т.е. относящиеся к уровням локализации «0» и «1». К ним принадлежат в первую очередь алгоритмы управления отдельным въездом в различных режимах (блок 8). Этот материал разработан в СКВ Промавтоматика и Гипродорнии.
4.2. Методическая основа контура управления, замкнутого на оператора
Важнейшая роль в обеспечении эффективного функционирования автомагистрали принадлежит оператору. Среди задач, решаемых им, следует выделить три, наиболее важные: наблюдение за работой системы, ручное управление движением и осуществление связи с дорожными и другими организациями.
4.2.1. Наблюдение за работой системы производится оператором с целью своевременного обнаружения возмущений в транспортном потоке, вызванных заторами, ДТП, либо сложными погодными условиями, а также обнаружения неисправностей в работе систем и принятия мер по их устранению. Необходимость такого наблюдения вызвана тем, что оператор, используя систему телевизионного обзора, может на самой ранней стадии обнаружить предзаторовые ситуации, в то время как контур автоматического управления обнаружит их только при наличии существенных изменений в характеристиках транспортного потока. Оператор следит за индикацией на мнемосхеме, сигнализирующей об исправности оборудования и состоянии погодных условий.
4.2.2. Ручное управление движением производится оператором в случае получения им информации по системе телевизионного обзора или радио о наличии на дороге затора или ДТП, образования гололеда, снежного заноса, а также при необходимости специального режима движения при пропуске спецавтомобилей. Оно может осуществляться на одном или группе въездов, а также на каком-либо участке перегона, либо на перегоне в целом.
4.2.3. Управление движением на въезде может решать две задачи: выделение наиболее благоприятных условий для транспорта, движущегося по магистрали, и предоставление приоритета транспорту, въезжающему на магистраль с боковой дороги. Решение первой задачи становится необходимым в момент, когда на магистрали возникает предзаторовая ситуация, либо затор, а также беспрепятственный пропуск по магистрали спецмашин. Вторая задача характерна для случая, когда спецмашинам необходимо обеспечить быстрый и беспрепятственный въезд на магистраль. Для этого в первом варианте по команде оператора на въезде загорается красный сигнал светофора и горит до тех пор, пока оператор не отменит команду. Во втором, наоборот, на светофоре на въезде загорается зеленый сигнал, а по магистрали на первой полосе закрывается движение либо снижается его скорость на участке, находящемся перед въездом. Организация такого движения показана на рис. 7.
Рис. 7. Схема организации движения при предоставлении приоритета транспорту, въезжающему на магистраль
4.2.4. Управление оператором движением на перегонах включает в себя управление скоростью движения и закрытие или открытие отдельных полос движения или участков магистрали. Управление скоростью движения должно осуществляться оператором в случаях получения информации, с помощью имеющихся у него средств связи (до поступления сигналов от датчиков в ЭВМ), о воздействии неблагоприятных погодных факторов либо при вероятности их скорого появления. Он может снизить рекомендуемую скорость движения как на всей дороге, так и на отдельных ее перегонах. При выборе скорости оператор может руководствоваться показаниями устройства для электрического моделирования условий и режимов движения на магистралях, либо назначать их в соответствии с рекомендациями о назначении скоростей движения при различных погодных условиях.
Закрытие оператором участка полосы движения осуществляется в момент получения информации о возникновении на этом участке ДТП, либо другого обстоятельства, мешающего проезду транспорта. В результате на ближайшем к закрываемому участку знаке, находящемуся над данной полосой движения, загорается сигнал в виде двух перекрещивающихся наклонных полос красного цвета, а с помощью предыдущих знаков на этой же полосе производится снижение скорости движения до минимальной величины. Соответственно меняются величины рекомендуемых скоростей движения на знаках, установленных на соседних полосах движения (рис. 8).
Рис. 8. Схема организации движения при закрытии участка полосы движения
Закрытие полосы движения может осуществляться оператором в случае проведения на ней ремонтных работ, а также при необходимости пропуска по ней спецмашин. Для этого на всех указателях рекомендуемой скорости движения, установленных над этой полосой, включается сигнал в виде двух перекрещивающихся наклонных полос красного цвета, а на указателях, размещаемых над другими полосами, значение безопасной скорости движения. Причем, если на закрытой полосе производятся ремонтные работы, то оператор сам выбирает значения безопасной скорости движения на соседних полосах. Если же полоса закрывается для пропуска спецмашин, то величина рекомендуемой скорости выбирается ЭВМ на основе реализуемой ею стратегией управления движением.
Закрытие участка магистрали между двумя развязками осуществляется оператором в случаях, когда на магистрали наблюдается серьезный затор, вызванный ДТП, проводятся дорожные работы, либо имеются другие причины, не позволяющие осуществлять движение транспорта. Транспортный поток по соединительным дорогам переводится на параллельные дороги. Поскольку соединительные дороги, как правило, имеют небольшую пропускную способность, то пропуск по ним интенсивных потоков может осуществляться с пониженными скоростями. Движение перед закрытыми участками организуется таким образом: производится постепенное замедление транспортного потока с помощью указателей скорости и закрытие основных полос движения, а с помощью изменения информации на предварительных указателях направлений движения осуществляется перевод потока на соединительную дорогу (см. рис. 4).
4.2.5. Взаимодействие оператора и контура автоматического управления определяется следующими принципами:
1. При любых действиях оператора контур автоматического управления осуществляет автоматическую подстройку всей совокупности управляющих воздействий под изменения, вносимые оператором. В этом случае в оптимизационной подсистеме решается та же задача оптимального управления, а управляющие воздействия, назначенные оператором, рассматриваются как дополнительные ограничения на пространство управлений.
2. Контур автоматического управления не позволяет оператору устанавливать режимы, которые для имеющихся на дороге условий движения могут быть опасными.
3. Перед закрытым участком полосы, либо участком с ограниченной скоростью должно производиться постепенное снижение скорости движения с шагом не более 20 км/час. При этом если величины скоростей по полосам перед таким участком были различны, то скорости на них сначала необходимо выровнять по меньшему значению, а затем снижать.
4. При установлении по полосам рекомендуемых различных скоростей движения их величины на соседних полосах не должны отличаться более чем на 20 км/час.
5. Закрытие оператором участка магистрали должно сопровождаться автоматической организацией обходного маршрута.
4.2.6. С целью успешного и безопасного функционирования магистрали оператор осуществляет связь с дорожными и другими организациями, обслуживающими магистраль. Такая связь особенно необходима в случаях возникновения ДТП, выпадения снега, в периоды гололеда, при повреждениях покрытия проезжей части, при падении груза на проезжую часть и т.п.
Когда оператор получает сообщение о ДТП (по радио, с помощью телевидения или от сигнально-переговорных устройств), немедленно по телефону извещает об этом службу скорой помощи, органы ГАИ и дорожную службу. В необходимых случаях он должен вызывать техническую помощь.
При выпадении снега и образовании на отдельных участках гололеда, либо повреждении проезжей части оператор сообщает об этом подчиненной ему дорожной службе. Если при этом оператор самостоятельно ограничивает скорость движения, то отмену введенных им ограничений он осуществляет только после получения информации об устранении помех движению от передвижных лабораторий или работников дорожной службы.
4.3. Модельная основа контура автоматического управления
4.3.1. Для описания транспортного потока на автомагистрали как объекта управления используется макроскопическая нелинейная модель в агрегированных переменных, отражающая его динамику, структуру локальных взаимодействий и отклик на управляющие воздействия [4]. Выбор макроскопических моделей в качестве аппарата исследования и оптимизации движения транспортного потока, т.е. моделирование феномена его коллективного поведения на уровне динамики средних, обосновывается следующими положениями:
управляющие воздействия носят коллективный характер, т.е. предназначены не отдельному автомобилю, а их определенной пространственно-временной совокупности. Поэтому естественно рассматривать объект управления на уровне агрегированных переменных, характеризующих эту совокупность;
в теории оптимальных систем для самых различных задач управления используется физическая методология, связанная с выявлением связей типа законов сохранения и уравнений состояний. Такие связи в транспортном потоке выявляются лишь на макроскопическом уровне;
однонаправленный плотный транспортный поток описывается на базе физико-механических аналогий, а именно в случае плотного транспортного потока возникают наиболее содержательные и практически важные задачи управления движением.
4.3.2. В качестве фазовых переменных управляемого объекта выбираются плотности, средние пространственные скорости и длины очередей на въездах.
Модель основана на специального вида дискретизации системы уравнений, состоящей из стандартного уравнения неразрывности и уравнения состояния объекта типа сжимаемой жидкости с релаксационным членом в правой части.
Формально построенная модель является аппроксимацией системы уравнений в частных производных с помощью разностной схемы первого порядка. С физической стороны постулируется, что значения некоторой фазовой координаты в последующий момент времени зависят (наряду с управляющими и входными переменными) только от значений «соседних» фазовых координат в предыдущий момент времени, т.е. от параметров потока на участках, непосредственно примыкающих к данному. Таким образом, уравнения модели имеют следующий вид:
(4.1)
где Xij = {ρij; Vij} - пара фазовых координат - плотность и пространственная скорость потока на полосе j участка i автомагистрали;
Fij - оператор, соответствующий графу Фij, причем Ф1ij - множество индексов фазовых переменных для графа, Ф2ij - множество индексов входных переменных; Ф3ij - множество индексов управлений въездами; Ф4ij - множество индексов управлений перестроениями;
URα, UVij; ULiαβ - управляющие переменные (соответственно въездами скоростями, перестроениями);
t - дискретная переменная времени;
Δ - временный шаг модели (величина порядка - 0,01 часа);
li - пространственный шаг модели или длина элементарного участка (порядок - 1 км).
Если Ф2ij ≠ , т.е. на данную полосу возможен въезд, следует присоединить уравнение длины очередей Xi0:
