Архитектура транспортной телематики

В современном  понимании в связи с развитием  транспортной телематики управляющая система города не является только системой управления транспортными потоками на перекрестках с помощью светофоров (СФ), но она оборудована и другими системами и устройствами: информационные дисплеи наряду с коммуникацией дают водителям возможность выбирать варианты маршрута движения; кодированная информация, передаваемая с помощью RDS-TMC на дисплеи транспортных средств, при этом особое внимание уделяется дорожно-транспортным происшествиям, заторам и т.п. Наведение на место стоянки и последующее использование городского пассажирского общественного транспорта уменьшают нагрузку транспортной сети в центре города так же, как и прогрессивная система электронной оплаты на подъездах к центру городов. Такие специальные технологии описаны ниже.

Опыт Азиатских стран

Япония  является передовой страной в  области разработок и использования  высших форм телематических систем управления. Последнее объясняется тем, что уже с 1970 года существует единая национальныя политика по использованию телематических систем, управляемая и координированная гоударственными институтами, а также тем, что существовало сильное стремление уменьшить заторы, а следовательно, уменьшить и экологическую нагрузку областей, сильно нагруженных транспортом. Вся система разрабатьшалась по пятилетним планам, и в настоящее время почти на всех главных дорогах в городах и на большинстве автомагистралей имеются транспортные информационные системы и широко используются навигационные системы в транспортных средствах. Транспортные потоки во всех крупных городах управляются из городских центров управления движением. По ориентировочным оценкам Япония в период с 1985 по 1992 год вложила в создание инфраструктуры 1,8 млрд. долл. США и, кроме того, 690 млн. долл. США было вложено в последующий период с 1993 по 1997 год.

Причины таких высоких капиталовложений вытекают из анализа потерь, вызванных заторами и ДТП, опубликованной в 1993 году в так называемой «Белой книге». Потери из-за транспортных заторов в городских районах оценивались суммой 3,53 млрд. чешских крон в год, причем в нее входят и потери времени в размере 5, 6 млрд. человеко-часов.

В условиях чрезвычайно сильно нагруженной транспортной сети используются методы управления в режиме текущего времени (онлайн), как например, система SCATS, разработанная в Австралии, и в меньшей мере английская система SCOOT Оба метода управления в режиме онлайн описаны в настоящей главе. В систему управления транспортными потоками включено и управление ремонтом и содержанием

автомобильных дорог. Дело в том, что речь идет о  приблизительно 10000 транспортных ограничений ежегодно, которые имеют значительное влияние на пропускную способность дорожной сети. Их интеграция в систему управления дает возможность лучше координировать отдельные работы, прогнозировать и моделировать их последствия и эффективно информировать водителей.

Проблемы с  заторами нашли отражение и в  оттоке пассажирских потоков из городского пассажирского общественного транспорта. Поэтому целенаправленно осуществляются капиталовложения с целью повышения привлекательности этого вида транспорта. Главными средствами являются устройство специальных полос движения, предназначенных только для автобусов городского пассажирского общественного транспорта, системы информирования пассажиров на остановках и в автобусах и информационные системы перед поездкой.

Кроме Японии и другие страны Азиатско-Тихоокеанского региона целенаправленно вкладывают средства в развитие систем управления. В некоторых городах Австралии для зонального управления транспортными контроллерами используется управляющая система SCATS, часто комбинируемая и с другими подсистемами. Большое внимание этим вопросам уделяется и в Южной Корее. Здесь телематические системы внедряются в три этапа, которые соответствуют утвержденной национальной политике в области транспортной телематики:

1. Выбор и реализация пилотного проекта данного приложения при участии государственных институтов.
2. Квалифицированный анализ пилотного проекта.
3. Расширение пилотного проекта на всей территории страны с координационной ролью государства.

Следовательно, здесь опять государство выполняет  функцию координатора, причем оно предоставляет достаточное пространство для частных институтов, особенно при постепенном расширении пилотного проекта.

Опыт США и Канады

В США вопрос телематических систем или систем ITS начал обсуждаться уже в шестидесятые годы. В то время было опубликовано несколько научных статей и была разработана концепция системы. Однако отсутствие единой политики в семидесятых годах и в начале восьмидесятых годов способствовало тому, что Европа и Япония все еще опережали США. Потери углублялись и тем, что государство верило только в одностороннюю политику развития сети автомагистралей, которая реализовалась в период 1956-1986 гг.

Однако в 1990 году на уровне государства были разработаны  принципы транспортной политики, которые были утверждены конгрессом Соединенных Штатов Америки в следующем году. О развитии телематических систем свидетельствует и рост инвестированных средств, которые возросли с 2 млн. долл. США в 1989 году до 200 млн. долл. США в 1994 году.

Ряд методических публикаций служит инструкцией по созданию архитектуры городской системы управления и по доведению управления транспортом в городах до практического уровня. Одним из самых наглядных документов является документ [15], где обсуждаются не только подсистемы, принадлежащие к системе ITS, но где подчеркивается и значение организационного обеспечения безошибочного функционирования городской системы управления.

Основной обзор преимуществ  создания функционирующей инфраструктуры дан в [16], где приводятся и практические результаты используемых систем:

Торонто, Канада: Все 75 светофорных объектов управляются системой SCOOT. При сравнении с отлично составленным графиком временного управления время поездки снижается на 8 %, количество остановленных транспортных средств уменьшается на 22 % и задержки транспортных средств уменьшаются на 17 %. В результате этого понижается расход топлива на 5,7 %, что дает весьма положительный экологический эффект.

Лос-Анджелес, Калифорния: Новая управляющая и следящая система имеет 1170 светофорных объектов и 4590 детекторов, используемых для оптимизации процесса управления. Указывается, что было достигнуто снижение потребления горючего на 13 %, на 41 % уменьшилось количество останавливаемых транспортных средств и на 16 % сократились потери времени.

Чикаго, Иллинойс: Пилотный проект оптимизации ГПОТ основан на последовательном предоставлении преимущества автобусам на перекрестках, в результате чего повышается скорость движения автобусов на 25-50 %. Предполагается, что в результате этого городской пассажирский общественный транспорт будет более привлекательным и одновременно будет снижена экологическая нагрузка, потому что будет сокращено количество автобусов при сохранении интервалов. Если данный пилотный проект будет успешным в Чикаго, то он будет использован и в других городах¹.

Виргиния: Министерство транспорта в Виргинии инвестировало значительные средства в строительство экспериментальной автомагистрали, проходящей через несколько городских районов. Последняя оснащена современными коммуникационными средствами, начиная с оптических кабелей и кончая радиомаяками. Экспериментальная автомагистраль была пущена в эксплуатацию в 1998 году и продолжает использоваться для ряда экспериментов. Она обеспечивает связь между дорогами в пригородной незастроенной зоне и в городе.

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

ГОРОДСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ

При создании архитектуры  управления транспортом в городе обычно следует осуществить подходящую декомпозицию задачи, заключающуюся в ее делении на меньшие участки с точки зрения положения конечных устройств или с точки зрения используемых технологий. Далее следует выбрать подсистемы, которые будут образовывать единое телематическое решение. Таким образом, для упрощенной структуры следует определить функциональные и информационные связи и выбрать удовлетворительную стратегию управления.

Иерархия городских систем управления

Существующее  разделение городской системы управления транспортными потоками, которое  исходит из классического подхода  к транспортным устройствам управления, обычно характеризуется трехступенчатой  иерархией, когда на самом низком уровне работает перекресток со светофорами. Обычно на данном уровне выбираются устройства управления транспортным потоком типа master, которые управляют или синхронизируют несколько подчиненных устройств управления типа slave. Типичным приложением является так называемая, «Зеленая волна», когда речь идет об устройствах управления транспортным потоком, включенных последовательно.

На втором уровне данные от/до устройств управления обычно концентрируются. В результате этого уменьшаются требования к каналам связи между вышестоящим центром и устройством управления транспортом. Скорее в качестве исключения и на данном уровне используется управление присоединенными светофорами. В таком случае концентратор данных заменен локальной транспортной центральной станцией.

На третьем, самом высоком уровне работает вышестоящий  компьютер, который обрабатывает данные и посредством концентраторов ведет  связь с устройствами управления. На данном уровне обычно используется и диспетчерский надзор, который контролирует работу автоматизированной системы управления и который посредством диспетчеров способен реагировать и на чрезвычайные события в транспортном потоке или на другие чрезвычайные требования.

Иерархия  телематических систем

Для применения телематических систем также предлагается трехступенчатая иерархия, исходящая из того, что в процесс управления транспортными потоками в городе входят, кроме светофорных объектов, и другие элементы и устройства телематических подсистем: наводящие системы, стоянки и парковки и т.п. Принципиальное отличие проекта иерархии системы вытекает из типа присоединенной технологии и от ее размещения на территории города.

Первый уровень

Первый уровень  в иерархии городских систем образован  отдельными транспортными узлами. В  самом простом случае транспортным узлом является светофор на перекрестке так же, как и закрытая парковка, локальные предупреждающие устройства, ограничивающие скорость транспортного потока, система управления движением в тоннеле и т.п. Всегда речь идет об относительно закрытом узле, образованном транспортными детекторами и исполнительными элементами, которыми могут быть сигналы светофора или управляемые дорожные знаки и автоматизированная система управления. Локальная система управления с такой концепцией имеет определенные функциональные связи и информационное содержание по отношении к другим транспортным узлам или к вышестоящему центру.

Второй уровень

Транспортная  система в городской агломерации  образована транспортными узлами, которые создают относительно закрытые топологические комплексы, образованные всегда технологиями одинакового типа. Отдельные технологические комплексы могут также находиться в любом месте города. Топологическим комплексом являются, например, устройства управления транспортными потоками в определенном выделенном районе города, где между устройствами управления имеются взаимные связи. Наоборот, например, имеются системы управления движением в автотранспортных тоннелях или устройства управления стоянками типа Park and Ride, которые представляют одинаковые технологии, расположенные где угодно в пределах города.

Поэтому определение второго уровня, который  представляет собой управление на уровне области, подразделяется на управление топологическими или технологическими узлами, см. упрощенную схему на рис. 2.3. Областью могут быть, например, светофорные объекты (топологическая область), где также расположена областная станция управления

или несколько  локальных установок Park and Ride, расположенных в разных районах города и соединенных беспроволочной связью с областным управляющим компьютером Park and Ride (технологическая область).

С точки зрения собственных процедур управления, на данном уровне в самом простом  случае используется временное управление находящимися в области светофорных  объектов, которое однако не реагирует на мгновенное состояние транспортного потока. Поэтому чаше используется транспортно-зависимое управление в современных телематических системах и методы адаптивного управления.

Создание, т.е. идентификация области, обычно связана с эвристическим подходом. Область выбирает транспортный эксперт на основании своих знаний, опыта или на основании анализа характеристик движения транспортных потоков. При создании области стремятся найти относительно закрытые комплексы с минимальной связью с окрестностями, причем каждая область должна быть однозначно характеризована.

Если  имеются в распоряжении статистически  значащие массивы транспортных данных за достаточно длинный период времени, то для более точной идентификации области можно использовать дедуктивный метод. Целью данного метода является создание математического аппарата для идентификации области. Более простым и обычно более быстро ведущим к цели является индуктивный метод, когда эксперт по конкретным данным находит искомую область. Следовательно, речь идет об экспериментальной идентификации.

Область в таком случае определяется с  некоторой погрешностью, которая  зависит от качества и достоверности полученных данных о движении транспортных потоков и от их обработки транспортным инженером. Хорошим методом для подтверждения того, что данный узел входит в область, является корреляционный анализ, обеспечивающий степень соответствия транспортных параметров узла модели транспортного потока в области.