Система автоматического контроля дорожного движения

Контроллеры третьего поколения. Для них характерно применение встроенного микропроцессора, что меняет устройство контроллера и существенно расширяет технологию управления дорожным движением.

В настоящее время освоено производство контроллеров типа ДКС и других, которые являются универсальными, учитывая возможность с их помощью отработки всех алгоритмов управления, характерных для ДК АСС УД. Кроме этого, в ДКМП могут быть запрограммированы и реализованы адаптивные алгоритмы, иные, чем общепринятый метод поиска разрывов в транспортном потоке, предусмотрены вывод в любой момент времени на ИП (пульт управления контроллера) параметров транспортных потоков на перекрестке, построение на базе ДКМП иных структур АСУД и возможность их сопряжения с системами, построенными на технических средствах АСС УД.

1.2. Детекторы транспорта

1.2.1. Назначение и классификация

 

Детекторы транспорта (ДТ) предназначены  для обнаружения транспортных средств и определения параметров транспортных потоков. Эти данные необходимы для реализации алгоритмов гибкого регулирования, расчета или автоматического выбора программы управления дорожным движением, транспортного планирования.

Любой детектор включает в себя три основных элемента (рис. 4): чувствительный элемент (ЧЭ) или блок обнаружения и ввода сигнала; блок усиления-преобразования; выходное устройство (ВУ).

Рис.4 Общая структурная схема ДТ

Чувствительный элемент  непосредственно воспринимает факт прохождения или присутствия транспортного средства в контролируемой детектором зоне в виде изменения какой-либо физической характеристики и вырабатывает первичный сигнал.

Усилитель-преобразователь  усиливает, обрабатывает и преобразовывает первичные сигналы к виду, удобному для регистрации измеряемого параметра транспортного потока. Он может состоять из двух узлов: первичного и вторичного преобразователей. Первичный преобразователь усиливает и преобразует первичный сигнал к виду, удобному для дальнейшей обработки. Вторичный преобразователь обрабатывает сигналы для определения измеряемых параметров потока, представления их в той или иной физической форме. В настоящее время, вторичный преобразователь выполняется на базе микропроцессорных элементов. В отдельных детекторах вторичный преобразователь может отсутствовать или совмещаться с первичным в едином функциональном узле.

Выходное устройство предназначено для хранения и передачи по специально выделенным каналам связи в управляющий пункт или контроллер сформированной детектором транспорта информации.

Детекторы транспорта можно  классифицировать по назначению, принципу действия чувствительного элемента и специализации (измеряемому ими параметру).

По назначению детекторы  делятся на проходные и присутствия (полного и ограниченного).

Проходные детекторы  выдают нормированные по длительности сигналы при появлении транспортного  средства в контролируемой детектором зоне. Параметры сигнала не зависят от времени нахождения в этой зоне транспортного средства. Таким образом, этот тип детектора фиксирует только факт появления автомобиля, что, например, необходимо для реализации алгоритма поиска разрыва в потоке. В силу этого проходные детекторы ранее нашли наибольшее распространение.

Детекторы полного присутствия  выдают сигналы в течение всего времени нахождения транспортного средства в зоне, контролируемой детектором. Эти типы детекторов по сравнению с проходными применялись ранее реже, так как они предназначены в основном для обнаружения предзаторовых и заторовых состояний потока, определения длины очередей, транспортных задержек и таких параметров, как средняя пространственная скорость потока в зоне измерения за заданный период времени и занятость проезжей части.

Детекторы ограниченного  присутствия при длительном нахождении автомобиля в зоне действия «забывают» о нем и сигнал на выходе исчезает, а детектор продолжает измерения для остальных транспортных средств, появляющихся в зоне измерения.

По принципу действия чувствительные элементы детекторов транспорта можно разделить на три группы: контактного типа, излучения, измерения параметров электромагнитных систем.

Чувствительные элементы контактного типа бывают электромеханические, пневмо- и пьезоэлектрические. Их объединяет то, что сигнал о появлении автомобиля возникает от непосредственного его соприкасания с ЧЭ в электромеханическом — с электрическим контактом, в пневматическом — с шлангом, в пьезоэлектрическом — с пьезоэлементом.

Электромеханический ЧЭ состоит из двух стальных полос, за-вулканизированных  герметически резиной. Его устанавливают  перпендикулярно к направлению  движения транспортных средств на уровне дорожного покрытия. При наезде колес  автомобиля на ЧЭ контакты замыкаются и формируется электрический импульс.

Пневмоэлектрический ЧЭ представляет собой резиновую трубку, заключенную в стальной лоток. Лоток состоит из секций, эластично соединенных между собой, что позволяет устанавливать ЧЭ поперек проезжей части в соответствии с профилем дорога. Один конец резиновой трубки заглушен, а другой связан с пневмореле. При наезде автомобиля на трубку давление воздуха в ней повышается, действуя на мембрану пневмореле и замыкая его электрические контакты. Стальной лоток устанавливают в бетонном основании таким образом, чтобы усилия от колес автомобиля воспринимались лотком и окружающим его бетоном. Это гарантирует определенный зазор между стенками трубки в момент сжатия, что позволяет в случае остановки автомобиля на трубке детектора не перекрывать ее полностью и таким образом регистрировать другие проходящие автомобили.

Пьезоэлектрический ЧЭ представляет собой полимерную пленку, обладающую способностью создавать  на поверхности электрический заряд при механической деформации. Для предохранения от механических повреждений пленку оборачивают резиновой лентой, а ленту, в свою очередь, латунной сеткой, являющейся одновременно электростатическим экраном. Чувствительный элемент крепят на поверхности дорожного покрытия металлическими скобами.

Чувствительные элементы контактного типа сравнительно просты по конструкции и монтажу. Однако им присущ общий недостаток — счет числа осей, а не числа автомобилей. Для устранения этого недостатка в схеме детектора необходимо применять специальный временной селектор. Кроме этого, их работоспособность зависит от климатических условий (обледенение дорожного покрытия, снежные заносы и т, п.). Поэтому такие ДТ не получили широкого распространения.

К ЧЭ излучения можно  отнести фотоэлектрические, радиолокационные, ультразвуковые, телевизионные.

Фотоэлектрический ЧЭ включает в себя источник светового луча и приемник с фотоэлементом. При прерывании луча транспортным средством изменяется освещенность фотоэлемента, что вызывает изменение его электрических параметров. Луч света должен быть направлен поперек проезжей части. Поэтому излучатель и фотоприемник располагают по разные стороны дороги напротив друг друга. Они могут размещаться и в одном корпусе. В этом случае луч света отражается от установленного на противоположной стороне дороги зеркала. В качестве источников излучения могут применяться лампы накаливания, источники инфракрасного излучения и т. п. Недостатком фотоэлектрических ЧЭ является погрешность измерений, возникающая при многорядном интенсивном движении автомобилей. Кроме этого, подобные ЧЭ не обладают необходимой надежностью: на их работу оказывают большое влияние пыль, грязь, дождь, снег. Это обусловливает необходимость постоянного надзора за их работой. Вместе с тем благодаря сравнительно простой установке чувствительных элементов фотоэлектрические детекторы нашли применение для научно-исследовательских целей при кратковременных обследованиях дорожного движения.

Радиолокационный ЧЭ представляет собой направленную антенну с излучающим элементом, устанавливаемую сбоку от проезжей части или над ней. Излучение направляется либо поперек, либо вдоль дороги и, отражаясь от движущегося автомобиля, принимается антенной и далее — приемником. Радиолокационный детектор не только фиксирует факт проезда автомобилем контролируемой зоны, но и его скорость, либо по разности частот колебаний излученной и отраженной радиоволн (эффект Допплера), либо по времени нахождения в зоне действия.

Ультразвуковой ЧЭ представляет собой приемоизлучатель импульсного направленного луча. Он выполнен в виде параболического рефлектора с помещенным внутри пьезоэлектрическим преобразователем, генерирующим ультразвуковые импульсы. Приемоизлучатель устанавливают над проезжей частью на высоте 7—10 м. В работе этого детектора используется принцип отражения ультразвуковых импульсов от поверхности проходящего автомобиля. Автомобиль регистрируется при обнаружении разницы в интервалах времени от момента посылки до приема импульсов, отраженных от автомобиля или дорожного покрытия. Недостатками ультразвуковых ЧЭ являются его чувствительность к акустическим и механическим помехам и необходимость жесткого фиксирования в пространстве для того, чтобы приемоизлучатель противостоял действию ветровой нагрузки.

Телевизионные ДТ построены  на базе использования современных цифровых видеокамер, обладающих высокой чувствительностью, позволяющей обеспечивать наблюдение при освещенности объекта (дороги) в пределах 0,1 — 1,0 Лк. К выходным цепям видеокамер присоединен микропроцессорный блок, который постоянно анализирует освещенность различных элементов изображения, сравнивая его с постоянным фоном — освещенностью покрытия. При появлении автомобиля яркость определенной части изображения меняется, что и фиксируется микропроцессором. Телевизионные детекторы имеют те же недостатки, что и фотоэлектрические .

К ЧЭ измерения параметров электромагнитных систем можно отнести  ферромагнитные и индуктивные ЧЭ.

Ферромагнитный ЧЭ состоит  из катушки с магнитным сердечником. Катушку помещают в трубу для защиты от повреждений и закладывают под дорожное покрытие на глубину 15-30 см. Автомобиль регистрируется благодаря измерению степени искажения магнитного поля в момент его прохождения над ЧЭ. Недостатками этого детектора являются низкие помехоустойчивость и чувствительность. Транспортные средства, движущиеся с малыми скоростями (менее 10 км/ч), он не регистрирует.

Специализация детектора  зависит от параметра транспортного  потока, для определения которого он предназначен (интенсивность, плотность, состав, скорость и т.д.). Принципы построения детекторов основаны на методах прямого и косвенного определения этих параметров.

Прямыми методами определяются момент прохождения автомобилем контролируемой зоны t_пр и время присутствия автомобиля в этой зоне τ_пр. Остальные параметры определяют косвенно через эти показатели.

1.2.2. Размещение детекторов

Эффективность адаптивного  управления во многом определяется местом установки ЧЭ детектора транспорта. Оно определяется характером задач, решаемых в рамках локального и системного управления. В первом случае ЧЭ детектора устанавливают на подходе к перекрестку, обеспечивая реализацию алгоритма МГР, во втором — детекторы необходимы для автоматического выбора необходимой программы координации по транспортной ситуации в районе, определения скорости движения, включения ЗУ, обнаружения заторов.

Для реализации алгоритма местного гибкого регулирования (МГР) необходимо установить ЧЭ на таком расстоянии от перекрестка, чтобы автомобиль после обнаружения разрыва, пройдя контролируемую детектором зону, смог своевременно остановиться перед стоп-линией. Самым неблагоприятным случаем является тот, когда в момент прохождения автомобилем контролируемой зоны включается желтый сигнал. Поэтому расстояние от ЧЭ детектора до стоп-линий S_ДТ определяется по остановочному пути:

S_ДТ =

(1),

где: t_рк - время реакции водителя на смену сигналов светофора; а_т — замедление автомобиля при торможении на запрещающий сигнал, м/с².

По расстоянию S_ДТ определяют остальные параметры МГР, в частности t_эк t_3min. Подобный подход практически исключает проезд автомобилем перекрестка на желтый сигнал и повышает безопасность движения.

При такой установке  ЧЭ «прорыв» автомобиля на желтый сигнал возможен лишь при длительном отсутствии разрыва в потоке, когда контроллер отрабатывает время t_3max. Этот случай соответствует жесткому регулированию, и длительность промежуточного такта, рассчитанная по формулам.

Для автоматического  выбора программы координации по транспортной ситуации в районе необходимо определить характерные сечения на УДС с установкой в этих местах детекторов транспорта. Информация от них должна дать объективную оценку изменения транспортной ситуации во всем районе управления. При этом рассматриваются два типа сечений. К первому типу относятся сечения в тех местах, где параметры потоков близки по значению параметрам в близлежащей окрестности. Сечения второго типа определяют в местах, где, наоборот, эти параметры резко изменяются: потоки ответвляются или сливаются.

Для выбора сечений первого типа определяют маршруты потоков без существенных ответвлений с примерно одинаковыми условиями движения. Таким маршрутам на рис. 8 соответствуют а — b; с — d; k — b. На них устанавливают детекторы 1—5. Кроме интенсивности, на этих маршрутах определяется скорость. К местам, где устанавливаются детекторы скорости, предъявляются особые требования: ЧЭ должны располагаться на второй полосе движения на среднем участке длины перегона: расстояние от ЧЭ до перекрестка должно быть таковым, чтобы исключались изменения скорости за счет торможения или разгона автомобилей. Скорость определяется по времени проезда автомобилем расстояния между двумя последовательно установленными ЧЭ. Обычно это расстояние принимают равным 5 м.

На сечении второго типа устанавливают  детекторы для измерения только интенсивности движения. Так как в этом случае имеются ответвления потоков, ЧЭ устанавливают на каждом направлении движения (детекторы б и 7на рис. 5).