SEMESTRÁLNÍ PRÁCE z předmětu ITS RAMP METERING
Strušková Kamila Skupina 1 75 2011/2012
OBSAH Úvod ........................................................................................................................................... 3 Typy ramp ................................................................................................................................. 4 Mezinárodní zkušenosti ........................................................................................................... 5 Měření provozu – použité detektory ....................................................................................... 6 Strategie RM ............................................................................................................................. 7 Jednotlivé části RM .................................................................................................................. 9 Návěstidla ............................................................................................................................... 9 Detektory ................................................................................................................................ 9 Algoritmy ................................................................................................................................ 10 Otevřené smyčky .................................................................................................................. 10 a) Algoritmus rychlosti vozidel......................................................................................... 10 b) Algoritmus kapacity ..................................................................................................... 10 c) Algoritmus následné kapacity ....................................................................................... 11 d) Algoritmus mezery ....................................................................................................... 11 Uzavřené systémy smyčkou ................................................................................................. 11 a) ALINEA (Asservissement Lineaire d’entrée Autoroutiere) ......................................... 11 b) BOTTLENECK algoritmus („hrdlový“) ...................................................................... 11 c) Fuzzy algoritmus........................................................................................................... 12 Závěr ........................................................................................................................................ 12 Literatura ................................................................................................................................ 13
2
Úvod V posledních několika letech prudce narůstá automobilová doprava (osobní i nákladní), proto je čím dál náročnější plně uspokojovat poptávku v přiměřené kvalitě. Mezi nejčastější příčiny zácpy na dálnicích jsou:
nehody a havárie,
fronty najíždějících vozidel,
překážky
a nepoměr vystupujících/vystupujících vozidel na dálnici. Některé příčiny nelze často odstranit, můžeme je alespoň omezit či zmírnit. Vhodným
nástrojem je RAMP METERING (RM). Ramp metering je specifická metoda řízení dopravy, která dokáže upravit vstupy vozidel na dálnice v dopravních špičkách. Jedná se o signalizační zařízení, které je umístěno u vjezdu na dálnici a cílem aplikace je předcházet, snížit či zmírnit přetížení dálnice, tj. regulovat tok vozidel na dálničním nájezdu. Účely tohoto systému jsou: ♦ Regulace provozu na dálnici ♦ Řízení toku na vstupu na dálnice, snížení počtu šokových vln ♦ Větší propustnost ve špičkách ♦ Menší přetížení dálnic ♦ Plynulejší a spolehlivější cestovní časy ♦ Snížené riziko nehod ♦ Zlepšení životního prostředí v důsledku snížení hluku a spotřeby pohonných hmot RM přizpůsobuje rychlosti najíždějících vozidel na dálniční síť. Vpouští vozidla tak, aby nebyla překročena požadovaná kapacita dálnice, tj. přerozděluje poptávku po dálnicích v prostoru i v čase. V případě nadměrné poptávky jsou vozy pozdrženy na nájezdu, nebo jsou odkloněny jinam. Přesměrovaná auta mohou využít alternativní trasy, nebo řidiči mohou zvolit jiný druh dopravy (hromadnou dopravu). Vpouštěné dávky vozidel se pohybují od minimální hodnoty 180 až 240 vozidel za hodinu do maximální hodnoty 750 až 1700 vozidel za hodinu v závislosti na počtu jízdních pruhů. Uvolňováním omezeného počtu vozidel na
3
hlavní komunikace se snižuje vznik šokových vln, dopravních nehod vzniklých nárazem zezadu, vede k maximální propustnosti při optimální rychlosti vozidel a snižuje negativní dopady na životní prostředí. Velký užitek má ramp metering také při náhlých událostech. Jakmile je například zjištěna nehoda, může rampa před daným místem zakázat vjezd vozidel a informaci rozeslat následujícím rampám, které pak naopak mohou vpouštět větší počet vozidel.
Typy ramp V provozu všude po světě je několik typů ramp, které jsou konstruovány podle intenzity najížděcích vozidel. Jako minimální počet pro zřízení RM se obvykle volí 240 v/hod. Pokud místem projíždí méně než 900 vozů za hodinu, volí se jedno-pruhový nájezd na dálnici. Když je počet vozidel větší, je konstruován více-pruhový. Pro tento typ je potřebný minimální počet projíždějících vozidel za hodinu 400. V některých státech se bere ohled také na zaplněnost vozidla. Plně naložený vůz posádkou má možnost využít speciální pruh, pro tzv. High Occupancy Vehicle (HOV), který samozřejmě využívá i hromadná doprava. Někdy lze také pro větší počet vozidel (240-1100) volit jedno-pruhový nájezd s propustností až tří vozidel v jednom zeleném signálu. Veškeré typy jsou popsány v následující tabulce:
4
Mezinárodní zkušenosti Tento koncept byl poprvé zřízen už v roce 1960 v USA a nyní se zde vyskytuje přes 2200 míst s využitím ramp meteringu. V Evropě se poprvé začal používat v roce 1980 a dnes tento systém využívají v Německu, Francii, Belgii a Nizozemí. V roce 2001 vznikl euroregionální projekt CENTRICO, který sestavil přehled ramp v evropských zemích a provádí zkoušky v ostatních zemích, kde je ramp metering plánován. Klíčová studie Ministerstva dopravy v Minnesotě (MnDOT), v souladu s návrhem zákona schváleného v roce 2000, zkoumala účinnost ramp meteringu v Minneapolis-St.Paul. Cílem bylo zhodnotit význam ramp meteringu a porovnat provoz na dálnicích s jejich použitím i bez něj. Zjištěno bylo následující: Propustnost – po vypnutí RM se snížila o 9% na dálnicích a na přilehlých lokálních komunikacích nebyly zjištěny významné změny v provozu. V dopravní špičce klesla propustnost dokonce až o 14%. Jízdní doba – roční úspory RM na jízdních dobách vozidel byly zjištěny 25,121 hodin. Spolehlivost jízdní doby – bez použití RM byla zjištěna dvakrát větší nepředvídatelnost doby jízdy, RM snižuje neočekávané zpoždění o 2,6 milionu hodin. Bezpečnost – při použití RM se zvýšila o 26%, tj. skoro o 4 nehody za den. Emise – snižuje roční emise o 1160 tun. Spotřeba paliva – při použití RM bylo zjištěno zvýšení roční spotřeby pohonných hmot o 5,5 milionu litrů. Dopady RM na spotřebu paliva byly zjišťovány ještě v dalších 4 regionech, kde výsledky byly zcela odlišné. Zjistilo se, že došlo k úspoře paliva v rozmezí od 6% do 13%.
Výhody ramp meteringu převyšují nevýhody. Čistý prospěch byl zjištěn v rozmezí 32 000 000 až 37 000 000 dolarů za rok. Poměr přínos:cena byl zjištěn 5:1.
5
Měření provozu – použité detektory Hlavními senzory pro RM jsou indukční smyčky (strategické, výzvové a prodlužovaní smyčky) a video-detekce (jízda na červenou). Výzvové (spouštěcí) detektory jsou umísťovány před měřící rampu, nejčastěji ve vzdálenosti 2,1m. Upozorňují na blížící se vozidlo a aktivují zelený signál. Dojezd vozidla ke stop čáře signalizuje začátek cyklu, po projetí vozu snímač pak vrátí červený signál pro další vozidla. Tyto smyčky slouží ke zjištění poptávky po nájezdu na hlavní komunikaci. Rampám, které obsahují více jízdních pruhů (či zvláštní pruh pro HOV), se přidává pak také senzor pro zjištění celkového počtu vozidel vstupujících na hlavní. Často se na rampu umísťuje i snímač (videodetekce) pro sledování vjezdu vozidel na červenou.
Smyčky hlavního směru bývají umístěny dvě v každém pruhu za sebou ve vzdálenosti 6,1m (vzdálenost předních hran). V případě adaptivního či provozně závislého řízení se upravují podle nich v reálném čase rychlosti vozidel z najíždějícího ramene. Druhým účelem je sběr historických dat (obsazenost).
6
Dalším využívajícím typem smyček jsou ty, které měří fronty vozidel (prodlužovací). Bývají umisťovány v blízkosti povrchu ulice, aby se zajistilo, že fronta nebude sahat až do provozu na lokální silnici. Vysoká míra obsazenosti těchto snímačů signalizuje nutnost zvýšení průjezdu vozidel, tedy prodloužení vjezdového signálu či ke snížení cyklu, aby nedocházelo ke kongescím na přilehlých vedlejších komunikacích. Fronta by tedy nikdy neměla překročit skladovací kapacitu rampy. Posledním instalovaným detektorem jsou smyčky hlídající výstup, které se využívají především pro sběr dat.
Strategie RM Systém může pracovat ve třech provozních variantách: 1) Podle denního času (fixně stanovené) 2) Dopravně závisle (nepřetržitě v provozu) 3) Adaptivně (centralizované řízení) První varianta pracuje v konstantním cyklu. Světelná signalizace pracuje v předem stanovené délce cyklu - obvykle 4 sekundy (pro 1 vůz) pro zelenou, což je stanoveno proto, aby každé vozidlo mělo dostatek času na vstup. Délka cyklu se stanovuje na základě historických dat. Výhodou je pravidelnost rychlostí, která se jednoduše umísťuje na ovladačích a jednoduchost systému. Nevýhodou je vlastní necitlivost na změny v dopravní situaci. Tento způsob řízení vpouští vozidla na dálnici bez ohledu na to, jaký je tam provoz. Snímače potřebné pro tuto strategii jsou senzory front, senzor poptávky a průjezdový senzor. Použití je však minimální a pouze v případech, kdy jsou dopravní podmínky předvídatelné. Dopravně závislý způsob funguje na stejném principu jako fixní varianta s tím rozdílem, že ještě pomocí vhodného algoritmu se zpracovávají data v reálném čase a vybírá se vhodný tarif. Jedním z používaných algoritmů je ALINEA, pomocí kterého se snaží předvídat provozní problémy dříve než nastanou. Určuje povolení k vjezdu maximálnímu počtu vozidel na „odbavovací ploše“ bez vytvoření zácpy. Pokud intenzita dopravy a obsazenost dálnice klesne pod kritický objem, RM systém zvolí jiný signální plán a vpouští více vozidel, aby zmírnil provoz na místních silnicích. Využívané senzory jsou senzory fronty, senzor poptávky, průjezdový senzor a hlavní senzory dálnice. Hlavní výhodou této strategie je
7
schopnost reagovat na krátkodobé kolísání poptávky. Dochází zde také ke snížení cestovní doby o 5 až 10% v porovnání s RM ve fixním provozu. Nevýhodou je krátký časový odstup způsobený přesunem a zpracováním aktuálních dat a to, že reaguje pouze na místní podmínky v konkrétním bodě a nebere v úvahu situaci v ostatních místech dálnice. Posledním typem je koordinovaný způsob řízení RM, při kterém jsou data analyzována v centrálním středisku, který současně řídí všechny rampy v definované oblasti a to především podle analýzy poptávky a podle kapacity celé dálnice (než podle dopravní situace v bezprostřední blízkosti jednotlivých ramp). Tato varianta je nejlepším a také nejnákladnějším způsobem optimalizace dopravního toku, reaguje na aktuální situaci a využívá data pro predikci celého systému.
Všechny uvedené varianty mohou být uváděny v provozu v několika režimech, které jsou voleny podle počty vjíždějících vozidel za hodinu. Porovnání dvou z nich znázorňuje graf níže. Známé jsou tyto typy: 1) Jedno auto projíždí v jednom cyklu (4 až 4,5 sekundy). Zelený a oranžový signál trvá 1 sekundu, a červený sekundy 2 (či 2,5 sekundy – podle kapacity vozidel za hodinu). Volí se pro max 1200 v/hod 2) Četa aut více jízdními pruhy (2 až 3 auta – v závislosti na počtu jízdních pruhů) neprojíždí nikdy současně. Každý projíždí svým pruhem a po určité vzdálenosti dochází ke slučování pruhů. Až pro 1650 v/hod.
8
3) Četa aut jedním jízdním pruhem. Volí se nejčastěji 6 až 6,5 sekundový cyklus.
V některých státech (Washington) je strategie vedená přes PC doplněna ještě o lidský dohled. Přesto, že je chod rampy naprogramován, mohou operátoři kdykoliv ručně RM přenastavit dle aktuální potřeby.
Jednotlivé části RM Návěstidla Signál je obvykle umístěn vlevo od řidiče, nebo na obou stranách rampy. Pro jeden jízdní pruh se používá menší čočka 200mm, u dvou jízdních pruhů o něco větší 300mm.
Detektory Celkové rozložení smyček je znázorněno na následujícím obrázku.
9
Algoritmy Použití vhodných algoritmů hraje důležitou roli ve správném fungování RM. Obecně je lze rozdělit do dvou kategorií (Otevřené a uzavřené) založených na druhu provozu, viz následující tabulka:
Otevřené smyčky Řídící vstupy odbavovacích ploch jsou nezávislé na systému výstupů. Vybíraný tarif je nezávislý na provozu ostatních ramp podél celého dálničního koridoru, tzn., že dopravní vstupy z ramp a úseků dálnic v bezprostřední blízkosti jsou zpracovány podle nasbíraných dat z blízkosti ramp a poté je generován časový plán pro RM.
a) Algoritmus rychlosti vozidel Využívá data o rychlostech vozidel shromážděná z detektorů, poněvadž rychlost vozidel je zásadní veličina používaná pro výběr tarifu. Podle aktuální rychlosti projíždějícího vozu se stanovuje délka zelené vyhledáním v tabulce. Vztah jednotlivých rychlostí a délky zeleného signálu určeného pro jeden automobil je vidět v následující tabulce:
b) Algoritmus kapacity Dorovnává hodnoty kapacity vozidel určitého úseku požadovaného či opačného směru jízdy. Pokud tedy například zjistí, že v určitém úseku je momentální kapacita 5400 v/hod, a v jiném blízkém směru pouze 4800 v/hod, tak systém uvolní provoz a zvýší ho o 600 v/hod. 10
c) Algoritmus následné kapacity Tento algoritmus pracuje stejně jako algoritmus rychlosti s tím rozdílem, že v tabulce vyhledává podle hodnoty aktuální kapacity, která pak určuje délku zelené pro projetí jednoho vozu, znázorněno v tabulce níže. V případě zjištění hustého provozu se délka zelené prodlužuje, a je tak na komunikaci posíláno méně vozidel, což nepřispívá k dalšímu houstnutí dopravy.
d) Algoritmus mezery Pracuje na základě zjištění obsazenosti/volnosti úseku před vstupem na dálnici. V momentě volnosti tohoto úseku signál spouští zelenou. Nebere v potaz individuální chování řidičů (zrychlení, bezpečnostní odstup vozidel).
Uzavřené systémy smyčkou Na rozdíl od těch otevřených mají tyto systémy výstupy, které se vrací zpět na vstup a ten je podle toho upravován. Uzavřené systémy využívají vstupy z celého systému a algoritmy pak vytváří optimální plán celého zařízení.
a) ALINEA (Asservissement Lineaire d’entrée Autoroutiere) Patří k nejčastěji používaným algoritmům se zpětnou vazbou. Snaží se udržovat optimální obsazenost na dálnici, které je označováno jako kritické. Při výpočtu porovnává tarif o obsazenosti z předchozího období s tím aktuálním. To umožňuje plynule reagovat na velké i malé výkyvy.
b) BOTTLENECK algoritmus („hrdlový“) Na rozdíl od ALINEA, je to systém v uzavřeném okruhu měření a je řízen současně v celém profilu dálnice s cílem optimalizovat dopravní proud úzkým profilem. Opět se jedná o hlídání a nastavování kapacity. Počet vozidel po vypuštění z rampy ( po smíchání s těmi na dálnici) musí být menší než kapacita zúžení.
11
c) Fuzzy algoritmus Fyzzy logika používá jazykovou proměnnou, která se podobá lidskému myšlení a obsahuje pravidla, které zahrnují zkušenosti provozovatele. Fyzzy logika se snaží vyvinout optimální vyrovnání ujeté vzdálenosti, minimalizovat cestovní dobu (minimální zpoždění) a zároveň zachovat rozumné fronty na rampových nájezdech.
Závěr Některé příčiny kongescí na dálnicích a hlavních tazích nelze odstranit, ale dá se alespoň předejít popojíždění v kolonách, kde RM je vhodným nástrojem. Evropská zpráva shrnuje zkušenosti z ramp meteringu na několika místech v několika zemích. Uznává, že je těžké stanovit konkrétní výsledky měření, ale hmatatelné byly tyto:
zvýšení propustnosti
zvýšení najížděcí doby
snížení cestovních časů
snížení emisí
snížení nehod
Snížení spotřeby pohonných hmot nebylo dokázáno, výsledek je dost závislý na konkrétní situaci (kapacitě) jednotlivých dálnic a denním provozu.V případě, kdy se jízdní rychlost vozidel blíží 0 km/hod, se spotřeba PH zvyšuje.
12
Literatura http://www.fhwa.dot.gov/publications/research/operations/its/06108/03.cfm http://www.dot.ca.gov/dist07/resources/ramp_metering/docs/District%207%202009%20Ramp%20 Metering%20Annual%20Report.pdf http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1752&context=jtrp&seiredir=1&referer=http%3A%2F%2Fwww.google.cz%2Furl%3Fsa%3Dt%26rct%3Dj%26q%3Dramp%2B metering%2Bdetection%26source%3Dweb%26cd%3D40%26ved%3D0CGkQFjAJOB4%26url%3Dhttp% 253A%252F%252Fdocs.lib.purdue.edu%252Fcgi%252Fviewcontent.cgi%253Farticle%253D1752%252 6context%253Djtrp%26ei%3D4_WXT4uGH8yrgaM8vDVBg%26usg%3DAFQjCNFvtAxlrD2BymhHH6MBbeA9AgqPYw#search=%22ramp%20metering %20detection%22
13
