АСУДД: Эволюция «умных» светофоров

    В прошлый раз в статье "АСУДД: Что висит над дорогой?" мы бегло прошлись по «железу», которое устанавливается на транспортных магистралях: по типам детекторов транспортного потока, светодиодным табло и дорожным контроллерам.

    Сегодня мы продолжим говорить об управлении трафиком, но уже в городе. Рассмотрим из чего состоит цикл светофорного регулирования, чем именно «рулят» управляющие системы и с чего это все, собственно, началось.

    Я долго не решался начать писать этот пост, так как тема управления трафиком на городских улицах настолько объемная и разносторонняя, что рассуждая о ней постоянно рискуешь оказаться в роли «ламера» в смежных областях. Но я все же рискну и попробую.



    Красный, желтый, зеленый…


    Для того, чтобы понимать чем именно «подруливают» управляющие алгоритмы, необходимо знать пять базовых определений светофорного регулирования.

    Открываем учебник «Технические средства организации дорожного движения» г-на Кременца и читаем определения (американские аналоги терминов указаны в скобках):
    • Такт регулирования (Interval). Период действия определенной комбинации светофорных сигналов
    • Фаза регулирования (Signal Phase). Совокупность основного и следующего за ним промежуточного такта
    • Цикл регулирования (Signal Cycle). Периодически повторяющаяся совокупность всех фаз

    Вот картинка, которая хорошо иллюстрирует понятие цикла, фазы и интервала:


    Теперь открываем американскую книжку "Traffic Control Systems Handbook". Американцы добавляют еще два определения, имеющих ключевое значение для автоматизации процесса регулирования:

    Секция регулирования (Split). Процент цикла регулирования, выделенный каждой из фаз регулирования.

    Грубо говоря, варьируя процент времени на фазу, можно управлять длительностью зеленого сигнала на наиболее нагруженном направлении. На отдельно стоящем перекрестке это дает уменьшение задержек.

    Смещение (Offset). Разница (в секундах или процентах от цикла регулирования) между часами на конкретном перекрестке и мастер-часами (на сети перекрестков).

    Так как термин звучит немного заумно, вот картинка, которая его очень хорошо иллюстрирует.

    Видно, что фазы на соседнем перекрестке смещены относительно предыдущего. Времени смещения как раз хватает, чтобы группа автомобилей успела подъехать к нему и проскочить на зеленый. Расчет выполняется обычно для какой-то средней принятой в данном регионе скорости. Поэтому «гонщики» и «тормоза» как правило на таких магистралях обламываются.
    Вот здесь можно прочитать обо всем упомянутом подробно. Оттуда же и последняя картинка.

    Как «умнели» светофоры


    Основные типы «умных» светофоров интересно рассмотреть в исторической перспективе, так как появлялись они не сразу и развивались от простого к сложному.

    Автомобильные светофоры пришли к нам от железнодорожников. Первый электрический светофор с ручным управлением в США был установлен в Кливленде в 1914 году. А уже через три года, в 1917 году в Солт Лейк Сити была сконструирована система, управляющая светофорами сразу на шести перекрестках. Роль дорожного контроллера выполнял регулировщик. В 1922 году в Хьюстоне сделали то же самое, но уже на двенадцати перекрестках. Управление велось в ручном режиме из специальной башни.

    Концепция автоматического светофора была предложена в 1928 году. Его мог установить и настроить любой электрик и все принялись закупать и устанавливать такие светофоры. Но сразу же возникли проблемы в больших городах, где существуют утренние и вечерние часы пик, в которые хорошо бы поменять планы координации светофоров, чтобы не создавались пробки. В полный рост встали проблемы нехватки персонала для этого ответственного дела. Пытливый американский разум задумался над дальнейшим совершенствованием дорожной автоматики.

    В период с 1928 по 1930-й годы изобретатели предложили различные конструкции детекторов давления, определяющих наличие автомобилей на перекрестке. Это позволило сделать первые модели светофоров, реагирующих на транспорт (traffic-actuated). Такие светофоры давали эффект на магистралях, где красный по главному ходу включался только если со стороны второстепенной дороги подъезжала машина. Такие системы стоят в США до сих пор и неплохо справляются со своей задачей на изолированных перекрестках. Похожим образом работают и пешеходные вызывные кнопки, при нажатии на которую в следующий цикл регулирования встраивается пешеходная фаза.

    В 1952 году в Денвере установили первый аналоговый контроллер, который позволил объединить несколько разрозненных перекрестков в единую управляемую сеть и переключать заранее рассчитанные планы координации в зависимости от времени суток и дней недели. В последующее десятилетие несколько сотен подобных систем было проинсталлировано по всему миру.

    Подобные системы активно использовали параметр смещения, включая зеленый не сразу на всех перекрестках, а со смещением, зависящим от расстояния между перекрестками и параметров транспорта («зеленая волна»). Специально обученный инженер рассчитывал и рисовал на бумажке схемы координации, которые потом закладывались в контроллеры. Система оказалась настолько простой и надежной, что активно используется до сих пор в городах, не обремененных излишним трафиком.

    В 1960 году в Торонто для управления светофорами установили первый «настоящий» компьютер – шикарный агрегат IBM 650 с барабанной памятью на 2000 машинных слов. Это был колоссальный прорыв в технологиях управления дорожным движением! Через три года под централизованным управлением находились более 20 перекрестков, а к 1973 году компьютер управлял уже 885 перекрестками!

    Видя столь явный успех, IBM продолжила работать над использованием своих компьютеров в управлении светофорами. В 1964 году стартовал проект в центре Сан Хосе с компьютером IBM 1710, а в 1965 для города Вичита Фоллс (Техас) был установлен IBM 1800 (продвинутая версия модели 1130 с увеличенным количество портов ввода/вывода), который успешно управлял 85 перекрестками. Компьютер в Сан-Хосе также был заменен впоследствии на IBM 1800. Система оказалась настолько удачной, что данную конфигурацию стали использовать во многих американских городах от Остина и Портленда до Нью Йорка.

    Вот он, легендарный аппарат IBM 1800 (источник картинки)


    Работа над стандартизацией систем управления светофорами стартовала в 1967 году. В рамках пилотного проекта построили управляющую систему для Вашингтона, которая включала 113 перекрестков, оснащенных 512 детекторами транспорта на основе индуктивной петли. Компьютер получил возможность не только вслепую переключать планы координации, но и получать информацию о транспортных очередях на перекрестках (тогда еще допплеровские радары для измерения скорости потока не использовали).

    Короче говоря, критическая масса подключенных к компьютерам светофоров была достигнута, и переход от количества к качеству был лишь делом времени. Начались масштабные исследования в области разработки управляющих алгоритмов.

    Идея иметь планы координации на все случаи жизни в теории была неплоха, но на все случаи жизни, как оказалось, планов не напасешься. Разработка каждого плана в 70-х производилась на бумаге и была довольно трудоемким и творческим процессом. И если для длинной улицы со светофорами, наподобие Ленинского проспекта в Москве, рассчитать алгоритмы было довольно легко, то на сети улиц это была уже совсем нетривиальная задача. Там более, что городов много, и не все из них могут себе позволить держать в штате грамотного транспортно инженера.

    И вот в 70-х британское исследовательское бюро TRRL (The Transport and Road Research Laboratory) разработало и внедрило на улицах Глазго систему SCOOT (Split, Cycle and Offset Optimization Technique), которая позволяла «играться» параметрами цикла светофорного регулирования в определенных границах в зависимости от информации транспортных детекторов, измеряющих наличие и длину очередей на светофорах. SCOOT совмещала преимущества фиксированных планов координации для сети и адаптивного управления, когда «умный» светофор сам «подруливает» циклом и длительностями зеленых сигналов. SCOOT в 80-х имел ряд успешных внедрений в Европе и Северной Америке. Более того, сейчас этот алгоритм (уже в третьем поколении) лицензирован более чем 100 компаниям для использования в составе своих систем.

    SCOOT в третьем поколении показывает чудеса изощренного управления: он умеет обрабатывать нестандартные ситуации, растаскивать заторы, сглаживать последствия вмешательства в транспортный поток регулировщиков и временных перекрытий движения, которые так любят устраивать в сами знаете какой стране.

    Одновременно со SCOOT как грибы после дождя в 70-е и 80-е годы стали появляться аналогичные системы управления. Австралийская система SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System) стала основным конкурентом британцев и также широко внедрялась во всем мире. Как и SCOOT, SCATS относится к системам, «чувствительным» к трафику (traffic responsive).

    Также развивались и полностью адаптивные алгоритмы управления (traffic adaptive), который представляли в мире OPAC (Optimized Policies for Adaptive Control) и RHODES, разрабатываемый Аризонским универом.

    Сейчас разница в эффективности управления между адаптивными и «чувствительными» системами практически стерлась. Подобно гонке интернет браузеров, эти «тупоконечники» и «остроконечники» постоянно проводят исследования, чтобы доказать эффективность именно своего алгоритма, но отчеты независимых экспертов говорят о том, что в общем разницы-то особой нет.

    Зато сейчас с развитием и удешевлением компьютерной техники появились возможности повышения живучести систем управления. Часть управляющей логики стали зашивать непосредственно в дорожные контроллеры, которые даже в случае обрыва связи с центром не терялись и начинали объединяться в управляющие кластеры с соседними контроллерами. В условиях территориально распределенных систем управления обрыв каналов связи обычное дело, и такой бонус стал совсем не лишним.

    А что же в России?


    Собирался было закруглиться на сегодня и вспомнил вдруг о том, что ни словом не упомянул российский (советский) опыт. Итак, мне бы очень хотелось, чтобы мы были уникальны и впереди планеты всей, но это не так. Большинство отечественных работ по управлению трафиком на автодорогах основаны на переводе американской книжки 1972 года. В отличие от оборонки, эта область не отличалась уникальностью.

    Работы по централизованному компьютерному управлению светофорами начались у нас в стране в начале 80-х (то есть на 20 лет позже американцев). По заданию правительства Москвы и министерства транспорта РФ в Дефаулт-сити была создана система Старт, умевшая осуществлять координированное управление светофорами. В управляющем центре трудился сервер на «солярке» с базой данных Informix. Технически система была верхом доступного нашим специалистам совершенства. Более 400 светофорных объектов по всему городу управлялись из единого центра! Но ни о каком адаптивном управлении речи не шло. Фактически, это был аналог систем, которые внедрялись по всему миру в 70-е годы до появления адаптивных алгоритмов. Потом грянули всем известные события, никак не способствовавшие развитию отечественных транспортных систем. И сегодня мы имеем в разных городах форменный зоопарк из фрагментов западных систем управления. Но будем надеяться, что со временем ситуация в этой области нормализуется и появятся более интересные комплексные реализации. Ничего ведь сложного в этом нет. Правда ведь, коллеги?

    На этом предлагаю завершить обзор управляющих алгоритмов и перейти к транспортному моделированию, которое, в общем-то и наполняет всю эту технику смыслом. Мне бы хотелось рассказать в следующей публикации об использовании транспортных моделей, их разновидностях и интеграции в контур систем управления дорожным движением.

    Ссылки:
    SCOOT
    SCATS
    Почитать на ночь
    Share post

    Comments 28

      +2
      Очень интересная статья, спасибо. Яркий пример того как компьютеры, незаметно для большинства, упрощают жизнь.
        0
        Больше интересно было изучать как потребности общества превращались в реализацию инженерных решений. Это воодушевляет. Даже если у нас все гораздо сложнее и менее очевидно, чем в США.
        0
        При установке кое в какой стране, этот АСУ отмоют 4 раза. А после вмешательств регулировщиков и дорожников он научится материться. на нашем родном :))
          +4
          Спасибо за статью. По поводу ожиданий от отечественных разработок можно заметить, что запад гораздо раньше, вероятно, столкнулся с необходимостью подобных автоматизированных систем ввиду большей плотности трафика, поэтому и инженерные и теоретические решения стали развиваться раньше.
            +2
            да, кроме того там такие идеи сразу поощряются инвесторами, а у нас проще деньги отправить в банк лежать…
              0
              Конечно. В области железнодорожного транспорта у нас как раз было все по первому классу — и свои системы диспетчеризации и отличная автоматика. Потому что Россия — страна железных дорог. И до сих пор.
                0
                Только почему-то ЖД транспорт в европах гораздо точнее работает, нежели у нас.
                  +1
                  У меня к нашему транспорту по части расписания нареканий нет. Каждый будний день езжу на электричках, сбои за много лет можно пересчитать по пальцам. А на дальних расстояниях в Европах тоже не все так гладко. Про уровень комфорта мы тут не говорим :)
                    0
                    Я на них не так часто катаюсь, но сегодня, например(пригородная), опоздала на 3 минуты, тогда как все знакомые, бывшие во франции/германии в голос утверждают, что там даже поезда дальнего следования приходят минута в минуту.
                    PS. Естественно про уровень комфорта мы не говорим — у нас его нету, не о чем и говорить)))
                      0
                      Кстати, жду следующей статьи) Очень интересно)
                    –1
                    Вот уж точно — Россия страна ЖД. Американцам и не снилось такая унификация в ЖД как у нас.
                    В Штатах, в свое время железка была передана в частные руки и сейчас они пожинают плоды от этого — различные габариты и стандарты (прям как у нас в отрасли управления автомобильным движением).
                  0
                  Хорошо написано, понравилось.
                    0
                    Вам спасибо за интерес!
                    0
                    Очень интересно, спасибо! Сам не раз задумывался, как это все устроено, но не разу не доходили руки раскопать информацию самому.
                      0
                      Я вот тоже в процессе работы над проектом наткнулся на интересную историческую информацию, но все руки не доходили ее изложить. А теперь изложил и сам кое-что понял :)
                      0
                      А я бы на вечер посоветовал прочитать такой вот рассказик goo.gl/OFGux — «Кто следующий?» Автор: Василий Головачев
                      Очень интересно как смоделировать разные ситуации и как на трафик повлияет выход из строя одного или части светофоров. Допустим выводит из строя какое-либо устройство(меняет цвет на нужный, как правило зеленый), будут ли зависимости в поведении трафика по которым можно выявить куда следует машина вырубающая светофоры, не зная точно какие из них работают неисправно. Есть какие либо инструменты которыми можно воспользоваться самостоятельно?
                        +2
                        Контроллер не позволит так играться с переключением. У него прошиты определенные ограничения, которые даже диспетчеру не дано нарушать. То есть зеленый по всем направлениям — это голливудский бред.

                        Что же касается моделирования, то на «поиграться» можно скачать демку программы aimsun (нужно заполнить анкету для скачки). Она поставляется вместе с набором упражнений и отличной документацией. В частности, там есть упражнение на управление инцидентами. Моделируется ДТП и проводятся эксперименты как изменить циклы регулирования, чтобы не создавать пробку. Осваивается все за полчаса. И машинки красиво бегают :)

                        Aimsun и PTV Vissim/Vissum делят большую часть рынка программ для моделирования.

                        0
                        Если будет продолжение, то очень хочется узнать каким образом светофоры все соединяются. Там оптику тянут из центра или покупают каналы у интернет-провайдеров или сотовиков используют или как еще? И внутри по какому протоколу общается оборудование, поверх ip или что-то еще хитрое?
                          0
                          По-разному. Где оптику тянут, где арендуют. А кое-где вообще стоят детекторы, которые по 4G соединяются. Для каждого города свой проект и свои решения. Вообще говоря, это обычная ЛВС, никакой особенной специфики. Иногда применяются двойные кольца, наподобие FDDI
                          0
                          Я живу в Санкт-Петербурге. По субъективному ощущению адаптивной автоматизации не наблюдается. Есть несколько длинных улиц на которых вроде существует «зеленая волна», действительно если ехать около 60 км/ч, то можно проскочить почти всю улицу на зеленый.
                          Но в основном, светофоры просто отрабатывают с фиксированными интервалами и никак не учитывают сколько и где машин.
                          Повторяю, это субъективное ощущение. Быть может все там уже давно адаптивно, и если систему отключить то город мгновенно встанет. Но есть большие сомнения.

                          Я так и не понял, насколько активно внедрены адаптивные системы управления. Есть ли какая то статистика сколько процентов перекрестков управляется по умному?
                          Вот кстати на нашем КАДе появились информационные щиты. Последние пару месяцев они даже включились и показывают замечательные надписи «TEST», «ТЕСТ» и «Test» ))
                            0
                            Про зеленую волну знаю на московском, но в час пик там работает какой то особый режим тк долго горят зеленые по московскому, наконец то догадались, что надо дольше держать зеленый там где больше поток. Но к сожалению это единственная магистраль где я заметил подобные улучшения. Про инфо табло на КАД, одни маты, на 100 км в час практические не реально прочитать что там написано.
                              0
                              Да, табло там стоят не самые лучшие. Выбирали строительные подрядчики, а они в эргономике не сильно разбираются. Насколько я знаю, система, которая там запускается, будет выводить на экраны погодные предупреждения и информацию о затруднении движения.
                              +1
                              В СПб ставили что-то на Невском. Кажется, там стоят контроллеры Сименса. Наверное, есть возможности запустить адаптивные алгоритмы SCOOT, так как это их конек. Но эти алгоритмы без детекторов не работают. А детекторы вешать дорого. Вот они и работают в фиксированном режиме. Я как раз и писал про «фрагменты западных систем». Такие артефакты есть у вас, в Нижнем, в Самаре и еще много где, я уж не говорю про Москву.

                              На КАДе сейчас идет пусконаладка АСУДД. Там тоже зоопарк из подрядчиков и разнообразных систем. Вся дорога строилась и оборудовалась по отдельным лотам. К сожалению, у нас АСУДД до недавнего момента являлся строительной составляющей, наподобие уличного освещения. Поэтому никто заранее не задумывался о том, что программный комплекс должен быть единым.
                              0
                              Кому интересно, я в свое время занимался изучением данного направления. В частности была построена модель большого перекрестка: www.xjtek.com/anylogic/demo_models/88/ (там java понадобится для апплета). Она моделирует траффик различного времени суток. При этом циклы светофоров взяты реальные (ходил с секундомером по площади)

                              На базе этого, я написал систему (бакалаврская работа была), которая управляет циклами светофоров, измеряя длину очереди автомобилей на перекрестке. Т.е. предполагается, что приборы для измерения есть, данные с них подаются в систему, а система подбирает необходимое время.

                              На данной модели выигрыш при использовании системы был порядка 10-15% при использовании системы. Целевым параметром системы было время ожидания на светофоре.
                                0
                                Вы, в принципе, повторяли работу сорокалетней давности, но в качестве упражнения это очень полезно. Дело в том, что алгоритмы оптимизации SCOOT закрыты и предоставляются по лицензии. Если бы сущесмтвовали отечественные аналоги, то это:
                                1. Отвязало бы нас от британцев и целой толпы фирм-производителей, которые делают бешеные наценки
                                2. Позволило бы построить полностью открытую систему с отечественными корнями
                                3. Дало бы неплохой доход на консультировании при внедрении алгоритмов

                                Но на сегодня подобных предложений на рынке нет, и на проекты приходится заряжать импортные алгоритмы.

                                Кстати, выигрыш в производительности Сети при использовании Старта декларировался в 25-30%. На практике в текущих условиях столичного трафика даже самая супе-пупер автоматизированная система не выжмет больше 7%. Так как пробки. Когда все стоят, по барабану планы координации. Все стоят :)
                                0
                                Представляю на суд общественности предложение «Оснащение светофоров информаторами состояния фазы». + предложил использовать данные системы управления светофорами для передачи на устройства мобильной связи: democrator.ru/problem/10837
                                Насколько это всё реально?
                                  0
                                  Технически вполне реально. Не хватает только расчетов целесообразности и данных моделирования (хотя бы). Также прошу учитывать ограничивающие факторы:
                                  1. Не все будут использовать эту технологию (навскидку 10-15%)
                                  2. Из тех, кто будет использовать, только 60% последуют совету в нужный момент
                                  3. В городе разрешенная скорость 60 км/ч, при соблюдении позволяет отреагировать адекватно на большинство ситуаций. А если гонять по магистралям, то никакое уведомление не поможет.
                                  4. Бытовой Wi-Fi на скорости не успеет соединиться (ОК, не успеет гарантированно соединиться в 100% случаев). Для автомобильных нужд есть специальный стандарт IEEE 803.11p (DSRC), позволяющий на скорости до 150 км/ч установить соединение и кинуть пару пакетов данных. Но требуется специальное оборудование (антенна на опоре и DSRC модуль в бортовом устройстве).
                                    0
                                    Это радует ) Я, к сожалению, не очень квалифицированный специалист по беспроводным технологиям.
                                    1. Число желающих будет расти по мере обеспеченности смарфонами и навигаторами. По-моему, ежегодно это чисило чуть ли не удваивается.
                                    2. Многим опытным водителям необходимо расчитывать оптимальный режим движения, без резких ускорений и торможений, резких опасных манёвров: экономия бензина, износа тормозных систем, нервов, и главное — безопасности движения. На перенапряжённых дорогах любая мелочь важна.
                                    3. Тут то же самое: скорость-скоростью (хотя ездим-то по дорогам, а не по правилам), но важно оптимально рассчитывать режим движения, с минимумом резких ускорений и торможений.
                                    4. В том и фишка, что в двустороннем соединении нет необходимости. Важно просто транслировать определённый пакет информации от передатчика к приёмнику с интервалом не чаще 0,5 сек и размером не более 200 байт. Желательно, чтобы для приёма задейсвовать стандартное оборудование (смартфоны и мобильники) и каналы: WiFi и GPRS. Малую скорость коннекта и передачи информации можно компенсировать увеличением дальности передачи и установкой дополнительных предварительных передатчиков на пути следования (на высокоскоростных трассах).

                                Only users with full accounts can post comments. Log in, please.