Változtatható irányú forgalmi sávok analízise nagyméretű közúti közlekedési hálózatokon

Átírás

1 Változtatható irányú forgalmi sávok analízise nagyméretű közúti közlekedési hálózatokon Bede Zsuzsanna Témavezető: Péter Tamás Közlekedés és járműirányítás workshop BME 2011 ISBN

2 A változtatható irányú forgalmi sáv alkalmazása A változtatható irányú forgalmi sáv modelljének felvétele Modell validálása december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

3 A változtatható irányú forgalmi sávok (RLS) alkalmazása Torlódások csökkentésére, számos megoldás közül a leginkább támogatott megoldás a meglévő úthálózat jobb kihasználtságának fokozása Amerikai Egyesült Államok számos államában már az 1920-as évektől használtak, az úgynevezett Reversible Lanes, azaz a változtatható irányú sáv Európában az RLS-t Tidal Flow-nak nevezik A61, Queens Road, Sheffield, England A470, North Road, Cardiff, Wales A15, Canwick Road, Lincoln, England; Bundesautobahn 7, New Elbe Tunnel, Hamburg, Germany; State Route 102 near Kraljevica, Krk Bridge, Croatia; and several examples in the Nederland december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

4 A változtatható irányú forgalmi sávok (RLS) alkalmazása Ideiglenes használat: Construction Zone Traffic Management Felújítási munkák Emergency Traffic Management Evakuálás vészhelyzetben katasztrófák Állandó kialakítás: Event Traffic Management Nagyszabású események nem igényel bonyolult kialakítást vagy összetett irányítási rendszert csak az esemény idejére Peak-Period Traffic Management Csúcsidős forgalom autópályákon, autóutakon és lakott területen belül a két irány forgalomnagysága eltér december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

5 A változtatható irányú forgalmi sávok (RLS) alkalmazása Nemzetközi kitekintés: J. E. Fisher: Transportation Topics and Tales: Milestones in Transportation History in Southern California, Manuscript B. Wolshon - L. Lambert: Reversible Lane Systems: Synthesis of Practice, Journal of Transportation Engineering 132/12 pp December, HOV/Managed Lanes/Ramp Metering Design Manual, Summary of NDoT: Nevada Department of Transportation, March Managed Lanes Handbook, Texas Transportation Institute, The Texas A&M University System, Report , October PARSONS BRINCKERHOFF QUADE & DOUGLAS, INC.: State Route 75 and State Route 282 Transportation Corridor Major Investment Study (MIS) Task 5.0 Summary Report September 16, 2003 TDOT: City of Tucson Department of Transportation publication: Grant Road Reversible Lane facts. April, ( december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

6 A változtatható irányú forgalmi sáv A változtatható irányú forgalmi sáv modelljének felvétele A matematikai modell Két forgalmi irány és a kapcsolati mátrix Minta modell Modell validálása december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

7 A matematikai modell A modell három kapcsolati mátrixot alkalmaz: belső, input és output kapcsolati mátrixot A mátrix elemek fizikai jelentése átadási sebesség. A rendszer pozitív rendszer x = <L> -1 [K(x,s)x + K input (x,s)s] Ahol: <L> -1 a belső szakaszhosszak reciprokait tartalmazó diagonális mátrix K(x,s) konstruált mátrix, amely K belső (x,s) és a K output (x,s) mátrixból lett képezve. K(x,s) és K input (x,s) kapcsolási mátrixok elemei a kapcsolási függvények, amelyek a sűrűségi állapotoktól függenek december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

8 Két forgalmi irány és a kapcsolati mátrix december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

9 Irányváltozáskor a mátrix kapcsolati függvényei Kétféle kapcsolati forma: Állandó geometriai kapcsolat: ilyen i és j kapcsolata. Ez esetben a geometria kapcsolat minden forgalmi irányváltozásnál megmarad, az átadás iránya az, ami megváltozik (1. irány esetén: i j, 2. irány esetén: j i). Irányhoz fűződő kapcsolat: ilyen az 1. irány esetén j és l kapcsolata, 2. irány esetén j és k kapcsolata. Ez esetben a geometria kapcsolat a forgalmi iránytól függ. (1. irány esetén: j l, 2. irány esetén: j k) december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

10 Irányváltozáskor a mátrix kapcsolati függvényei A kapcsolati mátrixban minden olyan kapcsolat változatlan marad, amelyet nem érint az irányváltoztatás! Az irányváltoztatás által érintett kapcsolatoknál az 1. és 2. irányokhoz fűződő kapcsolatok egymást kizárják! Állandó geometriai kapcsolat esetén főátlóra tükröződik a kapcsolat A csak egy irányhoz fűződő kapcsolat esetén nincs tükrözés december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

11 Minta modell Modellünk 12 szabadságfokú, 7 külső kapcsolattal rendelkező NL pozitív rendszer, ahol: s 1, s 4, s 5 mért bemenetek, és s 2, s 3, s 6 és s 7 mért kimenetek Reggeli csúcsidőben: 3 piros lámpát kap 1, 2 torlódik Délutáni csúcsidőben: s 6 megnő a járműsűrűség december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

12 Szétosztási ráták α 12,1 : (1 12), α 2,1 : (1 2), ahol: 2,1 1 12,1 Ha a jobb oldali szakaszokon történő közlekedésnél nem használjuk a 12-es szakaszt, akkor α 12,1 =0, és α 2,1 =1, ha használjuk α 12,1 =0,45 rátát állapítottunk meg, és ekkor α 2,1 = 0,55. A 2-esről 3-ra átmenetnél: ha 12-es szakasszal számolunk, és a 2-esről 4-re átmenetnél: 1-α 12, december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME α 3,2 α 1 1-α 3,2 12,1

13 Esettanulmány: Üllői út december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

14 Példa csomópont felvételre december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

15 5:45:00 6:00:00 6:15:00 6:30:00 6:45:00 7:00:00 7:15:00 7:30:00 7:45:00 8:00:00 8:15:00 8:30:00 8:45:00 9:00:00 9:15:00 9:30:00 9:45:00 10:00:00 10:15:00 10:30:00 10:45:00 11:00:00 11:15:00 11:30:00 11:45:00 12:00:00 12:15:00 12:30:00 12:45:00 13:00:00 13:15:00 13:30:00 13:45:00 14:00:00 5:45:00 6:00:00 6:15:00 6:30:00 6:45:00 7:00:00 7:15:00 7:30:00 7:45:00 8:00:00 8:15:00 8:30:00 8:45:00 9:00:00 9:15:00 9:30:00 9:45:00 10:00:00 10:15:00 10:30:00 10:45:00 11:00:00 11:15:00 11:30:00 11:45:00 12:00:00 12:15:00 12:30:00 12:45:00 13:00:00 13:15:00 13:30:00 13:45:00 14:00:00 Eredmények 1:12:00 Dél északi irány 0:57:36 0:43:12 0:28:48 0:14:24 Jelenlegi VIFoSáR-val 0:00:00 1:12:00 1:04:48 0:57:36 0:50:24 0:43:12 0:36:00 0:28:48 0:21:36 0:14:24 0:07:12 0:00:00 Észak déli irány Jelenlegi VIFoSáR-val december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

16 Konklúzió Modellünk pozitív nem-lineáris dinamikus rendszer Makroszkopikus modell Egyes elemeinek funkciói és az elemei közötti kapcsolatok megszűnnek, helyettük új kapcsolatok és új funkciójú elemek lépnek működésbe. Egy mintahálózaton a forgalomsűrűségtől függően vizsgáltuk az új elvű optimális irányítás lehetőséget, amely a hálózati gráf struktúrájának dinamikus változtatásával történik. Megállapítható, hogy a modell vizsgálatával nyert eredményeink összhangban vannak azokkal a forgalmi értékeket, amelyeket a gyakorlatban megvalósított változtatható irányú forgalmi sávokkal működő közúti közlekedési rendszereken végzett mérések alapján kaptak, és a szakirodalmi hivatkozásainkban is szerepelnek december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

17 A változtatható irányú forgalmi sáv A változtatható irányú forgalmi sáv modelljének felvétele Modell validálása Példa december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

18 Modell validálása Forgalom mérés Forgalomnagyság figyelése Járműves mérés Sebességdiagram felvétele Sebességprofilok összevetése Sebesség-eloszlás Teljesítmény-eloszlás december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

19 0:00:01 0:00:40 0:01:19 0:01:58 0:02:37 0:03:16 0:03:55 0:04:34 0:05:13 0:05:52 0:06:31 0:07:10 0:07:49 0:08:28 0:09:07 0:09:46 0:10:25 0:11:04 0:11:43 0:12:22 0:13:01 0:13:40 0:14:19 0:14:58 Modell validálása [km/h] GPS szerinti 60 Szimuláció szerinti december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

20 > 50 Valószínűség [%] Modell validálása Sebesség-eloszlás 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 > 30 % GPS szerint Szimuláció szerint Sebesség [km/h] december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

21 P < > P > > P > > P > > P > > P > > P > > P > > P > -5 5 > P > 0 10 > P > 5 15 > P > > P > > P > > P > > P > > P > 35 Valószínűség [%] P > 40 Modell validálása Teljesítmény-eloszlás 70,00 60,00 50,00 ~ 60 % GPS szerint Szimuláció szerint 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Teljesítmény [kw] december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

22 Modell validálása A modell lehetővé teszi egyedi sebességfolyamatok kinyerését, amelyek a valóságnak megfelelnek, mivel a modell validálása során megállapítható, hogy a sebesség-eloszlást vizsgálva a modellből kinyert adatok 4,92 %-kal térnek el a valódi GPS készülékkel mért értékekhez képest, illetve teljesítményeloszlásnál átlagban 1,65 % az egymás közötti eltérés. Figyelembe véve, hogy sztochasztikus közlekedési rendszerről van szó, a megfelelő bemenet megadásával a szimuláció lehetővé teszi az egyes járművek átlagsebességének vizsgálatát, amelyből különböző útvonalak eljutási ideje számolható, valamint mérhető a megállások, lassítások, és gyorsítások száma is december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

23 [km/h] Modell validálása Eredeti szimulált és a szűrés után nyert forgalomsebesség december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

24 [m/s 2 ] Modell validálása Eredeti szimulált és a szűrés után nyert forgalomgyorsulás december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

25 Példa A modellben az új kritérium alkalmazása a sebességváltozás szélsőértékeire, amely által a gyorsulások a megengedett extremális értékek között maradnak. x(t) (nx1) = <1/l i > (nxn) [K (nxn) x(t) (nx1) +K inp (nxm) s(t) (m x1) ] Az új kritérium Δt lépésközt alkalmazó diszkrét modellnél: Ha v i (t) > a max, akkor: v i (t+δt) = v i (t)+a max Δt (i=1,2,,n) Ha v i (t) < a min, akkor: v i (t+δt)=v i (t)+ a min Δt (i=1,2,,n) Ahol: v i (t) az i-ik szakaszon számított forgalomsebesség, -3,5-4 m/s 2, a max 1,8 m/s 2 a min december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

26 Példa Mindkét esetben jól látható, hogy csak hirtelen gyorsulás illetve lassulás során vesz fel kiugróan magas értékeket a szimulációs modellünk. Egy-egy sebességés ebből származtatott gyorsulásprofil pontból áll másodpercenkénti rögzítés mellett, míg irreális érték 5-25 pontnál fordul elő, azaz az összes ponthoz képest csak közel 2-4 % -nál december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

27 Konklúzió Az eredeti szimulációból származtatott sebességprofilokból számított gyorsulásprofiloknál pontszerű helyeken, az-az egy-egy időpillanatban lépett fel kiugró irreális gyorsulás, ill. lassulás érték. Ezért, ezeknél a pontoknál szűrést végeztünk, és ennek megfelelően újra számítottuk a sebességprofilokat és a gyorsulásprofilokat. Azt tapasztaltuk, hogy a sebességprofiloknál jelentéktelen a szűrés után a korrigált és az eredeti értékek közötti eltérés, (0,46 % teljes időtartamra; 5,68 % a kritikus pontoknál számított eltérés). Levonható a következtetés, hogy a szűrés hatása jelentéktelen a makroszkopikus forgalmi modell által vizsgált statisztikus folyamatokra. A modellből kinyert optimális útvonalaknál, (optimális trajektóriáknál) azonban, a számított sebesség, ill. gyorsulásprofiloknál figyelembe kell venni azt, hogy még eseti jelleggel sem léphetnek fel irreális gyorsulás értékek! Tehát, a szűrés a mikroszkopikus modellekre történő áttérésnél fontos. A most felismert jelenség, egy érdekes új problémára mutatott rá a makroszkopikus forgalmi modellekkel kapcsolatban. Ennek a jelenségnek a kiküszöbölése a modell fejlesztését eredményezte, amelyet úgy valósítottunk meg, hogy a fejlesztett modell minden időpillanatban vizsgálja a gyorsulás értékeket is, és ha ezek közül bármelyik a megengedett tartományon kívülre esik, akkor automatikusan a tartományra korlátozza a kiugró gyorsulás értéket és a modell az ennek megfelelő sebesség függvénnyel végzi a számításokat december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

28 Publikációs lista Bede Zs., Szabó G., Péter T.: Optimalization of Road Traffic With the Employment of Reversible Direction Lanes, Periodica Polytechnica 38/1 3-8 p Bede Zs., Péter T.: The Extraction of Unique Velocity Processes from a Macro Model, Periodica Polytechnica 38/ p Péter T., Bede Zs.: A változtatható irányú forgalmi sávokkal működő közúti közlekedési rendszer matematikai modellezése, Közlekedéstudományi Szemle, LX. évfolyam 3. szám p június Bede Zs., Péter T.: Nagyméretű közlekedési hálózati modell továbbfejlesztése, Városi közlekedés, L. évfolyam 4. szám p augusztus Bede Zs., Péter T.: Egyedi sebességfolyamatok kinyerése, nagyméretű városi úthálózatok modellezése során, IFFK Konferencia Budapest, Magyarország, Bede Zs., Péter T., Stróbl A., Fazekas S.: A változtatható irányú forgalmi sávok alkalmazása a városi közlekedésirányításban. (Egy hálózati analízis.), IFFK Konferencia Budapest, Magyarország, Bede Zs., Péter T.: Egyedi gyorsulásértékek figyelembe vétele a közúti közlekedési hálózatok makro modellezésénél, IFFK Konferencia Budapest, Magyarország, Bede Zs., Péter T.: Változtatható irányú forgalmi sáv modellezése, nagyméretű hálózatokon. IFFK Konferencia Budapest, Magyarország, Paper 15 pp Péter T., Fülep T., Bede Zs.: The application of a new principled optimal control for the dynamic change of the road network graph structure and the analysis of risk factors. 13 th EAEC European Automotive Congress, Valencia, Spain, June, Paper E44 pp Bede Zs., Péter T.: Optimal Control in Reversible Lane System Modelling 9 th European Workshop Advenced Control and Diagnosis, Budapest, Hungary, November, Paper 61 pp december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

29 Köszönet nyilvánítás A kutatás a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség és az OTKA (OTKA CNK 78168) támogatásával jött létre. A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az ÚMFT TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR programja támogatja december 7. Közlekedés és járműirányítás workshop BME

30 Köszönöm a figyelmet! bede.zsuzsanna@mail.bme.hu Közlekedés és járműirányítás workshop BME 2011 ISBN