DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS Közút folyamato paraméterene modell alapú becslése és forgalomfüggő rányítása Varga István ol. özleedésmérnö Témavezető: Prof. Dr. Boor József tanszévezető egyetem tanár Budapest Műsza és Gazdaságtudomány Egyetem Közleedésmérnö Kar 6
NYILATKOZAT Alulírott VARGA ISTVÁN jelentem, hogy ezt a dotor érteezést magam észítettem és abban csa a megadott forrásoat használtam fel. Mnden olyan részt, amelyet szó szernt, vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, 6. december. Varga István
Tartalomjegyzé Bevezető... A özút özleedésrányítás rendszere... 3. Az rányítás cél meghatározása... 3.. A szabályozás feladat leépezése...5.. A özút forgalomrányító rendszere osztályozása... 6. A özút özleedés sajátossága... 8.3 A özút özleedésrányítás felépítése... 9.3. A forgalm adato mérése....3. Az rányítás özpont egysége....3.3 A végrehajtó és beavatozó eszözö... 3.4 A özút özleedés modellezése és rányítása állapottérben... 4.4. A özút özleedés folyamat leépezése állapottérben... 4.4. A özút forgalomrányítás feladato megoldása... 6.4.3 A özleedés rendszere állapotana becslése... 9.4.4 Az állapot-megfgyelő és a szabályozó tervezés feltétele... 3 3 Célforgalm mátrx orlátozáso mellett végzett becslése mozgó horzonton... 4 3. A célforgalm mátrx szerepe és becslése... 4 3.. Becslés módszere... 7 3. A célforgalm mátrx orlátozáso mellett végzett becslése állapottérben... 9 3.. A orlátozáso mellett végzett becslés mozgó horzonton... 3 3.. Célforgalm mátrx becslése cmhe módszerrel... 33 3..3 Szmulácós eredménye...36 3.3 Új tudományos eredménye... 4 4 Egyed ereszteződés jelzőlámpa szabályozása torlódásdetetáló szűrővel... 43 4. Az egyed ereszteződés fázsdő tervéne előállítására smert módszere... 43 4. A ereszteződés forgalm modellje... 46 4.. A fázsterv és a mérés elrendezés...48 4.. A modell állapotegyenlete...49 4.3 Jelzőlámpa szabályozás torlódásdetetáló szűrővel... 5 4.3. A torlódásdetetáló szűrő... 5 4.3. A szabályozó felépítése... 54 4.3.3 MATLAB szmulácós eredménye... 56 4.3.4 Szmulácó Mcroproj szoftverrel... 6 4.4 Új tudományos eredménye... 6 5 Több csomópontból álló hálózat forgalomrányítása modell predtív szabályozással... 64 5. Több csomópontból álló hálózat jelzőlámpa szabályozásána meglévő módszere... 64 5. A hálózat forgalm modellje... 67 5.. Az összehangolás megvalósítása... 69 5.. LQ szabályozás megvalósítása... 7 5.3 Dnamus, forgalomfüggő rányítás modell predtív szabályozással... 73 5.3. A szabályozó tervezése... 73 5.3. A szabályozó algortmus tervezése... 76 5.3.3 Szmulácós eredménye...8 5.4 Új tudományos eredménye... 8 6 Közút folyamato leírása poztív rendszerént... 84 6. A poztív rendszere tulajdonsága... 84 6.. A poztív lneárs rendszere... 85 6.. A poztív blneárs folytonos rendszere... 86
6..3 A poztív blneárs, dőben dszrét rendszere... 88 6. Irányíthatóság feltétele a poztív ortánson belül... 9 6.3 A özút folyamato poztív rendszerént történő leírása... 9 6.4 A poztív ortánson belül rányítás bztosítása szabályozással... 95 6.4. A poztív ortánson belül elérhető állapoto... 95 6.5 Új tudományos eredménye... 97 7 Összefoglalás... 98 8 Irodalomjegyzé... 99 8. A szerzőne az érteezéshez apcsolódó publácó... 7 Függelé... 9 Ábrajegyzé -. ábra Informácóáramlás a özleedésrányításban... 4 -. ábra Informácóáramlás ülönböző forgalomrányító rendszereben... 4-3. ábra Közút folyamato általános modellje... 5-4. ábra Szabályozott özút folyamat... 6-5. ábra Közledés folyamat általános szabályozórendszere... 8-6. ábra Az állapottér szerezete... 5-7. ábra Közút rendszer szabályozozása vsszacsatolással... 6-8. ábra Állapot becslő felépítése egy özút szaasz esetén... 3-. ábra A honnan-hová nformácó értelmezése lehatárolt özút rendszereben... 5 3-. ábra A Mozgó Ablaos Becslés alapelve... 3 3-3. ábra A becslés módszere átjárhatósága... 33 3-4. ábra Egyszerű ereszteződés forgalm vszonya... 33 3-5. ábra A cmhe állapot-megfgyelő... 35 3-6. ábra A szmulácóban felépített csomópont... 36 3-7. ábra A ereszteződés forgalm folyamatana szmulácója... 38 3-8. ábra A fordulás ráta becslése a cmhe és a Kálmán-szűrővel.... 39 3-9. ábra A megadott egyenlőtlenség feltétletől való eltérés (cmhe)... 39 3-. ábra A megadott egyenlőtlenség feltétletől való eltérés (KF)... 4 4-. ábra A fázso és veszteségdő... 43 4-. ábra A fázsváltás váraozás dejéne a csöenése... 45 4-3. ábra A tervezés alapjául szolgáló csomópont... 46 4-4. ábra A sorfelépülés modellje... 47 4-5. ábra A járműve haladásána feltételezett dőbel lefolyása... 47 4-6. ábra A példában szereplő egyszerű fázsterv... 48 4-7. ábra Mérés elrendezés... 48 4-8. ábra A sorfelépülés dnamája... 49 4-9. ábra A ereszteződés forgalm folyamatana hatásvázlata... 5 4-. ábra A torlódás detetáló szűrővel bővített szabályozás... 5 4-. ábra A szabályozó belső felépítése... 55 4-. ábra A torlódásdetetálás eredménye a ereszteződés ágaban... 57 4-3. ábra Sorhossza állandó dőtervű jelzőlámpaprogramnál (s forgalom)... 58 4-4. ábra Sorhossza torlódásdetetálóval egybeépített LQ szabályozónál (s forgalom)... 58 4-5. ábra Sorhossza állandó dőtervű jelzőlámpaprogramnál (-es ágba nagy forgalom)... 59 4-6. ábra Sorhossza torlódásdetetálóval egybeépített LQ szabályozónál (-es ágba nagy forgalom)... 59 4-7. ábra A Mcroporj szmulácóban felépített ereszteződés... 6 4-8. ábra Jelzőlámpa szabályozás rögzített apcsolású jelzőlámpaprogrammal... 6 4-9. ábra Jelzőlámpa szabályozás torlódásdetetáló szűrővel egészített átonfguráló LQ szabályozóval... 6 5-. ábra A TRANSYT műödése (Robertson özlése nyomán)... 65 5-. ábra A hálózat felépítése a Store and Forward modellben... 66 5-3. ábra A járműve mozgásána modellezése a hálózatban... 68 5-4. ábra Eltolás tervezése összehangoláshoz... 7 5-5. ábra Az rányítórendszer folyamatábrája... 74
5-6. ábra A dszrét állapottér összerendelése az rányított csomópont hálózattal...74 5-7. ábra A járműoszlop méretére ható tényező... 75 5-8. ábra Az MPC szabályozó műödése... 76 5-9. ábra Dnamus, forgalomfüggő rányítás modell predtív szabályozással... 78 5-. ábra A szmulácóban felépített hálózat rányított járműoszlopa... 8 5-. ábra Jelzőlámpa rányítás LQ szabályozóval a mnta hálózatban... 8 5-. ábra Jelzőlámpa rányítás MPC szabályozóval a mnta hálózatban... 8 6-. ábra Közút hálózat poztív blneárs modellje... 93 6-. ábra Az elérhető állapoto halmaza az első négy lépésben... 96 6-3. ábra A nullából elérhető állapoto halmaza... 96 Táblázato jegyzée -. Táblázat Dnamus, vsszacsatolással műödő szabályozáso eredménye a párzs Boulevard Pérphérque örgyűrűn. Forrás: Papageorgou, M... 4 3-. Táblázat Az OD mátrx szerezete... 5 3-. Táblázat Az MHE és a Kálmán-szűrő tuéajdonsága... 3 3-3. Táblázat Az állapot-megfgyelő megfelelése a feltételene, ettes normá... 4 3-4. Táblázat A becsült értée szórásnégyzete... 4 4-. Táblázat A torlódásdetetálás eredménye... 57 4-. Táblázat A Mcroproj szmulácó eredménye... 6 5-. Táblázat Az LQ és az MPC szabályozó eredményene összehasonlítása... 8 Rövdítése ALINEA CARE cmhe FARE KF LQ LS MHE MIMO MPC MS OD SISO TTD TTS Asservssement lnéare d entrée autoroutère Control Algebrac Rcatt Equaton constrants Movng Horzon Estmaton Flter Algebrac Rcatt Equaton Kalman Flter Lnear Quadratc Least Squares Movng Horzon Estmaton Multple-Input Multple-Output Model Predctve Control Mean Speed Orgn Destnaton (matrx) Sngle-Input Sngle-Output Total Travel Dstance Total Tme Spent v
Köszönetnylvánítás Ezúton szeretné öszönetet mondan témavezetőmne, Prof. Boor Józsefne, a a utató pályára rányított, és bátorított a dolgozat elészítésében, am nem jöhetett volna létre az általa vezetett tudományos sola légöre nélül. Hálás vagyo a támogatásért az MTA SZTAKI Rendszer és Irányításelmélet Laborban dolgozó valamenny ollégámna, ülön megöszönve a segítséget Hangos Katalnna, Szabó Zoltánna, Bartha Tamásna és Pén Tamásna. A utatómunában tovább segítséget aptam a BME Közleedésautomata Tanszéen dolgozó ollégámtól, ane ezúton öszönöm a támogatásuat. Szeretném ülön megöszönn a segítséget és a rendszeres együtt gondolodás lehetőségét Kulcsár Balázs társszerzőmne és barátomna, avel a so özös muna révén serült a témában omolyabban elmélyednün. Ugyancsa szeretné öszönetet mondan Matolcs Máténa, a egyes matemata érdéseben segített jobban elgazodnom. Hálás vagyo a családom támogatásáért, és ülön öszönöm feleségemne, Angyalána a végtelen türelmét és so segítségét. v
Bevezető A vasút szemaforjelzőre hasonlító étállású jelző volt a vlág első özút jelzőlámpája Londonban, özel 4 évvel ezelőtt, majd 97-ben az Egyesült Államoban már több ereszteződést oordnáló jelzőlámparendszer s létesült. Az rányítórendszere gyors terjedése vlágszerte elndult a járműszám növeedésével. Hazánban 97-ben észült az első éz rányítású fényjelző észülé, majd 943-ban már műödött az első csomópont jelzőlámpa összehangolás (zöldhullám) [7]. A ora berendezése telepítése óta eltelt dőben a özút özleedés volumene dnamusan emeledett, és a motorzácós fo s folyamatosan nőtt. A özleedéstudomány számára az egy legnagyobb hívás az egyre zsúfoltabb örnyezetünben létesített özleedés rendszere tervezése és műödtetése. A növevő génye szolgálása érdeében már so esetben nem lehetséges a apactáso tovább bővítése [45], a meglévő hálózat jobb használtságát ell elérn, amben a orszerű özút özleedésrányítás ínálhat új módszereet. A problémá megoldásában segít a más dszcplíná által dolgozott elmélet eredménye ntegrálása és az rányítást segítő techna berendezése műsza színvonalána emeledése s. Napjanban a mérnö tudományo vlágszerte jelentős változásoon menne eresztül, melyne során nagy léptében növesz az nformata eszözö alalmazása. Az egy emeledő és gyorsan fejlődő szaterület a jele és rendszere elmélete, a rendszerelemzés és ehhez apcsolódóan az rányítástechna. Az ember által rányított berendezése és járműve nagyobb teljesítményre épese, ha az ember átadja az rányító szerepet az automatus vezérlő és szabályozó rendszerene. A modern rányítástechna eszözö az életün mnden területén jelen vanna, és egyre több feladatot veszne át tőlün. Ahhoz, hogy megbízható, jól műödő rányítóberendezéseet észítsün, szüséges az egész rányítás probléma alapos rendszerszntű megfogalmazása. Különleges szaértelemre és gondos odafgyelésre van szüség a bztonságrtus felügyeletet ellátó rányítórendszerenél, többe özött olyan helyeen, mnt a özút forgalomrányító rendszere. A szabályozó rendszere tervezése során a lasszus frevenca tartománybel analízs és szntézs módszere (Bode, Nchols, Nyqust) az 96-as évetől egészülte az dőtartománybel rendszer- és rányításelmélet módszereel. Ezeet a modern rányzatoat a rendszerállapot és az állapottér bevezetése jellemezte, így a hozzáju lleszedő tervezés módszereet állapottér módszerene nevezté le. A orsza egy legjelesebb épvselője a magyar származású Rudolf E. Kálmán, ane hatvanas éveben megjelent ce [7],[7],[7] számos alapvető oncepcó dolgozását és probléma megoldását jelentetté. Az állapottér elmélet a ma (posztmodern) rendszer és rányításelmélet, valamnt a orszerű rányítás rendszere tervezéséne s egy alapvető eleme. Az általam végzett tudományos muna célja az volt, hogy feltárja a özút özleedésben meglévő rányítás problémá egy részét és azora a modern rányításelmélet segítségével adjon megoldásoat. A motvácó abból a felsmerésből származ, hogy a özút özleedés sajátossága matt elsősorban csa a orszerű, robusztus rányítás algortmuso szolgálhatna megfelelő mnőség megoldásoal. Eze a sajátosságo elsősorban abból származna, hogy a özút özleedésben jellemzően olyan folyamatoat ell rányítan, amelyeről so-
szor nem állna rendelezésünre teljes örű mérés adato. Az lyen jellegű rendszere szabályozása csa a rendszer belső állapotána smeretében és robusztus rányításo tervezésével lehetséges, ahol a ülönböző zavarásoat, modellezés hbáat és bzonytalanságoat s fgyelembe tudju venn. A dolgozat 5 fejezetből áll. A özút özleedésrányítás felépítéséről az első fejezetben ado áttentő épet, előtérbe helyezve a felmerült szabályozás problémáat. A tárgyalás során a özleedésrányítást az rányításelmélet rendszerleíró szemléletével és eszözészletével dolgozom fel. Az egyes alrendszereben megfogalmazom az rányítás feladatoat, és összegyűjtőm a szoásos és lehetséges megoldásoat. Külön megemlítem a özleedés rendszere sajátosságat, amelye nagyban befolyásoljá a szabályozás problémát. A másod fejezetben a célforgalm mátrx becslésével foglalozom. Az általános becslés techná bemutatása után rátére a probléma állapottérben történő tárgyalására. A jelenleg elterjedt, főént a Kálmán szűrőt használó megoldáso hbája, hogy a rendszerben fennálló orlátozáso nem vehető fgyelembe. Az általam adott megoldás a orlátozáso mellett végzett mozgóablaos becslés techna segítségével épes megbecsüln a célforgalm mátrxot. A harmad fejezetben egy egyed ereszteződés jelzőlámpa szabályozására mutato be új megoldást. Az általam felépített, torlódásdetetáló szűrővel egészített LQ szabályozó épes a túltelített és torlódott város forgalomban a hatéonyabb rányításra. A torlódás nformácó brtoában a szabályozó átonfgurálód, azaz megváltoztatja felépítését, hogy az épes legyen jobban gazodn a megváltozott forgalm örülményehez. Több csomópontból álló, összehangolt hálózat forgalomrányítására dolgoztam egy új eljárást, amelyet a negyed fejezetben mutato be. A modell alapú, predtív szabályozó előnye, hogy a fázsterve előállításánál a megoldást már eleve olyan értéhalmazon eres, amely megfelel a szabad jelzésdőre felállított szgorú feltételene. Az utolsó fejezetben a özút forgalm folyamato poztív rendszerént történő felírásával foglalozom, ülönös tentettel azo rányíthatóságára. A poztív rendszere szerepe azért jelentős, mert a özút özleedésben a legtöbb mennység, így a járműve száma, sebessége, és a forgalomsűrűség s mnd poztíva. A vzsgálato eredményeéppen a özút folyamatoat általános (nem poztív) rendszerént modelleztem, a poztív tulajdonság fgyelembe vételét pedg a vsszacsatolt rendszerben a szabályozótervezés során bztosítottam, a megfelelően felállított orlátozáso beépítésével. A dolgozat végén található függelében, részletesen bemutatásra erülne az általam elvégzett szmulácó és eredménye.
A özút özleedésrányítás rendszere Az első özút forgalomrányító berendezése létrehozásána eredet célja a ereszteződése elsőbbség vszonyana bztosítása volt. A bztonság ma s elsődleges szempont, de dővel egyre nább előtérbe erülte a mnőség paramétere javításával apcsolatos génye s. A özút özleedés rányítása olyan tevéenység, amely elősegít a özút forgalom bztonságos, gazdaságos és örnyezetbarát lebonyolódását. A dnamus forgalomrányításban az nformácóáramlás zárt szabályozás örben valósul meg, amelyben az rányító rendszer épet alot az rányított rendszer állapotáról, majd az rányítás célna megfelelő beavatozásoat épes megtenn. A özút özleedésben meglévő apactáso még jobban használható a orszerű nformata és az rányítástechna rendszere alalmazásával. A ülönféle érzéelő és a nagy számítású apactású özpont egysége rohamos fejlődése és alacsony ára átalaította a özút özleedésrányítást. A változáso lehetővé tetté, hogy az rányításban mnd szélesebb örben terjedjene el olyan dnamus rendszere, amelye soal jobban épese az atuáls forgalomhoz gazodn, a meglévő rányítórendszerehez épest. A fejezet célja, hogy bemutassa a özút özleedésrányítás felépítését és műödését, rendszer- és rányításelmélet megözelítésben.. Az rányítás cél meghatározása A forgalomrányító rendszer tervezéseor az egy legfontosabb feladat az rányítás által elérendő cél pontos meghatározása, amely az alább szemponto szernt alaulhat: a forgalombztonság növelése, a balesete számána és a súlyosságána csöenésén eresztül, a gazdaságosság növelése, am a váraozás dő, az utazás dő és az utazás öltsége összegéne csöenésével érhető el, a örnyezetvédelem az emsszó és a zajsznt reduálása a többlet energafelhasználás csöentésével, az egyes özleedés létesítménye jobb elérhetősége az utazás dő összegéne csöentésén eresztül, az egyes özleedés eszözö oordnált használatána javítása, amely a tömegözleedés jobb használtságát jelent, a forgalm zavaro alaulásána megelőzése, a meglévő zavaro megszüntetése a forgalomlefolyás javítása révén, a meglévő úthálózat rendelezésre álló apactásana maxmáls használása, útszaasz vagy csomópont tehermentesítése, alternatív útvonal ajánlásával, város forgalomban a parolóhely eresés dő lerövdítése, a szabad parolás létesítményere és a parolóhelyere vonatozó nformácó megadásával. A szabályozás céljana pontos meghatározása után, amor a célfüggvény már rendelezésre áll, ezdődhet meg az rányító rendszer alaítására. A özút özleedés rányítórendszere felépítése hasonló, attól függetlenül, hogy mlyen és meora terjedésű az rányított özút folyamat. Rendszerszemlélet megözelítésben az rányítórendszer megfgyelése és 3
mérése révén nformácót gyűjt az rányított folyamatról, majd a célfüggvény alapján döntéseet hoz és végül beavatoz, hogy a ívánt hatást elérje. A özleedés rányító rendszer Döntéshozatal Beavatozás Adatgyűjtés Az rányított özleedés folyamat (hálózat) -. ábra Informácóáramlás a özleedésrányításban Az általános szabályozás ör mnden forgalomrányító rendszerre hasonlóan írható fel, az egyszerű csomóponttól a város hálózatg [V-6],[V-7],[V-3], ülönbség csa a omplextásban van. Az egyed ereszteződése forgalomrányító berendezése abban ülönbözne az egész városoat felügyelő forgalomrányító özpontotól, hogy sebb terület forgalm folyamatat szabályozzá, és más célfüggvénye érvényesülne a döntéshozatalban. Az nformácó áramlása azonban teljesen hasonló, amt az alább ábrán övethetün nyomon [V-8]: Közút forgalomrányító berendezés Vezérlés, döntéshozatal Közút forgalomrányító özpont Központ vezérlés, döntéshozatal Beavatozás, lámpaapcsolás, stb. Forgalm adatgyűjtés, előfeldolgozás Beavatozás, távvezérlés, stb. Forgalm adatgyűjtés, előfeldolgozás A vezérelt csomópont(o) A vezérelt csomóponto, városrésze, városo -. ábra Informácóáramlás ülönböző forgalomrányító rendszereben A nagyobb rányítórendszereet szntere oszthatju, ahol az egyes sznteen más-más célfüggvénye érvényesülne. A felsőbb sznteen globáls, stratéga céloat valósítun meg, míg az alsóbb sznteen nább a hely célo elégítése a feladat. A özleedés rányítórendszer szempontjából ez azt jelent, hogy az egyes sznteet ülön ell megtervezn, a apcsolatot özöttü néhány paraméter vagy alapjel átadása bztosíthatja. A célfüggvény megvalósítására létrehozott özleedésrányító rendszere műödésü során valamely onrét özút paraméter értéét ívánjá optmalzáln, am egyes esteben ezen értée mnmalzálást más esetben a maxmalzálását jelent. A özút özleedésrányítás a leggyarabban az alább célfüggvényeet valósítja meg (a hatóörébe tartozó özleedés rendszerben): Maxmáls átbocsátó épesség, Maxmáls utazás sebesség (a rendszerben eltöltött dő mnmalzálása), Megálláso számána mnmalzálása, Gyorsításo, lassításo számána mnmalzálása, 4
Sorhossza mnmalzálása, Az energafelhasználás mnmalzálása, A örnyezet terhelés mnmalzálása. A özleedésrányítás hatéonyságát az rányított rendszerben alault mnőség jellemző alapján mérhetjü, amelye azonban nagyban függne a felállított célotól. Általában a övetező jellemzőet használju fel erre: A teljes utazás dő (a szarodalomban TTS=Total Tme Spent), amely a járműne a özleedés rendszerben való tartózodásna a teljes deje, azaz a belépéstől a lépésg eltelt dő. Mértéegysége a jármű és az dőegység szorzata, A teljes utazás hossz (a szarodalomban TTD=Total Travel Dstance), amely a járműne a özleedés rendszerben megtett útvonal teljes hosszát mutatja. Mértéegysége a jármű és a hosszegység szorzata, A özépsebesség (a szarodalomban MS=Mean Speed), amely a járműve átlagos sebességét mutatja, az előző ét mérőszám hányadosa. MS=TTD/TTS. Mértéegysége hosszegység és dőegység hányadosa... A szabályozás feladat leépezése A özleedés rányítórendszer tervezésénél az rányítás cél és a szabályozó tervezéséne a menete az alábba szernt történhet. Adott egy általános özút özleedés rendszer, amelyben a folyamato mnőségéne a jellemzésére a teljes utazás dőt vesszü alapul. Ez az egy legjobb mérőszám, hszen a özleedő általában azt preferáljá, hogy a lehető leggyorsabban jussana el a céljug [9]. Ebben az esetben a teljes utazás dő maxmalzálása a célun és a célfüggvényt a övetezőéppen állíthatju fel. Tentsü az alább egyszerű forgalm modellt, amely során a járműve az általános özút rendszerbe lépne be, azon áthaladna, majd a végén lépne. Behajtó járműfolyam () q be Közút hálózat N () Khajtó járműfolyam () q -3. ábra Közút folyamato általános modellje ahol N() a rendszerben tartózodó járműve száma, q be () a behajtó forgalomnagyság a q () a hajtó forgalomnagyság. A defnícó szernt a teljes utazás dő: T s = T K = N( ) (.) A rendszerben tartózodó járműve számána változása: N( ) = N( ) + T[ q ( ) q ( )] (.) Behelyettesítve: be 5
T = T s K = K = K [ N() + T q ( ) T q ( )] (.3) Amből övetez az általános megállapítás, hogy a teljes utazás dő (TTS) csöenthető a behajtó forgalomnagyság csöentésével, lletve a hajtó forgalomnagyság növelésével. A behajtó járműforgalmat özleedés gényént ezeljü, amelyet nem célszerű orlátozn. Olyan szabályozást ell megvalósítan, amely a özleedés rendszerből hajtó ágaban maxmalzálja a forgalomnagyságot. Mnden útszaaszon létez egy legnagyobb forgalomnagyság, am az adott útszaaszon elérhető legnagyobb apactás elérését jelent a forgalomnagyság és a forgalomsűrűség összefüggése alapján (fundamentáls dagramm)[5]. A célfüggvény ebben az esetben az, hogy a hajtó ágban el ell érn a legnagyobb forgalomnagyságot, azaz maxmalzáln ell azt: max q ( ) q ( ) q. Az rányító rendszer tervezése szempontjából így megaptu a szabályozó algortmus által megvalósítandó célfüggvényt. A övetező lépés a szabályozó megépítése, amelyne a felépítése a övetező ábrán látható: be = max Behajtó járműfolyam () q be Közút hálózat N () Khajtó járműfolyam () q Szabályozó q max -4. ábra Szabályozott özút folyamat A szabályozó felépítésére már nncsen általános recept, számos techna létezhet, mndg célszerű a feladathoz és folyamatmodellhez legjobban lleszthető megoldást választan [7]. A özút forgalm folyamato modellezésére nagyon szerteágazó módszereet használta fel eddg [4],[4],[53],[59],[75],[78]: Emprus folytonos és dszrét övetés modelle, Neuráls-hálózatot alalmazó, Állapottér elvű leírás, Ágens alapú megözelítés, Petr-hálót alalmazó modelle. A orszerű, robusztus rányítórendszer tervezése szempontjából az egy legjobb modellezés techna állapottér szernt leírást, amelyre a dolgozatomat s felépítettem. Az utóbb évtzedeben a özút folyamato lyen típusú leírása és szabályozása nagyon gyorsan fejlőd... A özút forgalomrányító rendszere osztályozása A özút rányítórendszere osztályba sorolás szempontjat Tóth [3] írta le, eze szernt a özleedés áramlatot befolyásoló rendszere az alábba szernt csoportosítható: a műödés módja szernt: 6
o status rendszere, o dnamus rendszere. a járművezetőre való hatás módja szernt: o olletív, o ndvduáls rendszere. az nformácó megadásána helye szernt: o útment rendszere, o járművön belül rendszere A olletív, útment forgalombefolyásoló rendszere csoportosítása a behatásu térbel elhelyezedése alapján történ: hálózat rendszere: a forgalm túlterhelése elerülése céljából, a hálózaton belül az azonos célhoz vezető úton fellépő forgalm terhelése egyenlítésére szolgál, vonal szabályozó rendszere: a forgalm folyamna a ülönleges örülményehez, ll. veszélyhelyzethez való gazítására szolgálna, pontszerűen műödő rendszere: az egyes csomópontoban a forgalm folyamo szabályozására szolgálna, ll. a hálózat egy-egy ülönösen veszélyes helyén végezne szabályozó funcót. A olletív, járművön belül forgalombefolyásolás rendszere az út mellett status nformácóat (jelzőtábla, útrányjelzés) és a dnamus útment forgalombefolyásoló rendszere nformácót egészít. Továbbá a hálózat azon szaaszan, ahol egyéb nformácós és forgalombefolyásoló rendszer nem áll rendelezésre, a járművezetőet atuáls, a forgalm, dőjárás örülményere vonatozó nformácóal látjá el. A rádós nformácós rendszere a övetező: hagyományos rádós nformácós rendszere, atuáls mérés eredményeen alapuló rádós nformácós rendszere, dgtáls özleedés nformácó. Az egyén, járművön belül forgalombefolyásoló rendszere zárólag a járműben elhelyezett berendezése segítségével, vagy pedg útment nfrastrutúra felhasználásával az alább funcóra épese: meghatározzá a jármű pllanatny helyzetét (helymeghatározás), a jármű pllanatny helyzeténe megfelelően meghatározzá a ívánt útcél rányát, valamnt távolságát (navgácó), útvonalajánlás, a választott célhoz vezető optmáls út megadása. Az egyes rendszere a járműben lévő berendezése funcóban, a felhasznált útment nfrastrutúra jellegében, az adatátvtel módjában, valamnt a özponttal folytatott nformácócsere jellegében ülönbözne egymástól. Az ndvduáls, járművön belül nformácós rendszere a telemata alalmazásána egy fontos területét jelent, és az európa utatás- és fejlesztés programo súlypont részét épez, fajtá: nformácós rendszere az utazás megezdése előtt, nformácós és navgácós rendszere, ntellgens jármű rendszere. Lehetőség van a decentralzáltan elhelyezedő eszözöet egy özös felülvezérlő szabályozás eretében ntegráln. Az így alault ntegrált forgalomrányító rendszer feladata a forga- 7
lom bztonságos befolyásolásához szüséges forgalm jellemző, valamnt az út és a örnyezetével összefüggő egyéb jellemző értéelése, és az enne megfelelő összehangolt rányítás elvégzése. Ez jelent az utazás sebességene egy bztonságos, a mndenor forgalm látás-, és burolatvszonyona megfelelő sebességhez való hozzágazítását, a járművezetőne az esetleges veszélyhelyzetre való fgyelmeztetését, valamnt a járművezetőne az útja során a ellő helyen és dőben történő nformácó szolgáltatását. Az ntegrált forgalomrányítás egymás mellett, egymástól függetlenül műödő eleme csa omplex módon ezelhető, hszen az egyes eleme szorosan összefüggene egymással. A orszerű forgalomrányításna elengedhetetlen eszöze az lyen összehangolt rendszere, mert csa így valósulhat meg a hatéony szabályozás. A özút özleedés folyamat rányítástechna leépzése során meg ell jelöln az rányított rendszer határat, majd fel ell építen a hatásvázlatot []. Egy általános özleedés szabályozórendszer felépítését és a özleedés rendszerrel való apcsolatát mutatja be az alább ábra: Zavarás Bemenete Az rányított rendszer (Közleedés folyamat) Kmenete Beavatozás Szabályozó Irányítás stratéga, algortmus Mérés és becslés Célfüggvény -5. ábra Közledés folyamat általános szabályozórendszere A -5. ábra nyílfolyamából látható szabályozó műödéséne első lépése a özleedés, forgalm adato mérése, szüség szernt becslése. A -5. ábra a özleedésrányító rendszer általános modellje, amely a zavarás, a modell bzonytalanságo és a mérés hbá fgyelembe vételével alalmas orszerű robusztus rányításo megtervezésére, ha rendelezün a özleedés alapfolyamat megfelelő modelljével.. A özút özleedés sajátossága Az rányíthatóság szempontjából a özút özleedés egy legmaránsabb tulajdonsága, hogy a résztvevő járműve nem dedált egysége, hanem mnden résztvevő ülön-ülön önálló döntéssel rendelez. Enne a tulajdonságna öszönhetően a rendszerbe beavatozó jel hatása erősen bzonytalan. Hába hozzu meg a megfelelő döntést, a beavatozó jel útvonalában mndg ott van a járművezető, a eltérhet a ívánt beavatozástól. Külön ategórát épvselne a zárt járműhálózato, pl. a özpont rányítás alatt álló tömegözleedés jármű csoporto, ahol a dszpécser rányítása ötelező érvényű. A bzonytalan beavatozó jel prob- 8
lémájára a modern rányítástechna ínál megoldásoat, ahol ezt a bzonytalanságot épese vagyun ezeln, ülönösen ha smerjü anna a természetét. A beavatozó jel más tulajdonsága, hogy rendszernt erősen orlátos, am általában mnd az alsó és mnd a felső orlát egydejűségét s jelent. Eze ezelése ülönböző technáat gényel az optmumeresés folyamata özben. Nemcsa a beavatozó jel, hanem magu a folyamato és azo modellje, valamnt az rányító rendszere s tele vanna orlátozó tényezőel. A számos feltétel megnehezít az állapot-megfgyelő és a szabályozó tervezését, amelyeben így bonyolultabb, nagyobb számítás apactást génylő technáat ell alalmazn. A özút özleedés folyamato gyaran nem folytonosa, a jelzőlámpás szabályozás proszöld átmenete szüségessé tesz a apcsolóüzem szabályozáso bevezetését. Az előzőe és a mérőrendszere tulajdonsága matt szüséges a dszrét állapottér bevezetése, ahol s a másodperc alapú fázsterve megövetel az egész számo halmazán végzett optmalzácós eljáráso használatát. A nagyobb város hálózato és hosszabb gyorsforgalm úthálózato túlzottan nagy méretűe lehetne. A méret és az nhomogentás matt eze modellezése nehézes, rányítástechna leépezésü gen so nformácó ezelését tesz szüségessé [], [3]. A forgalm folyamat pontos, atuáls feltérépezése nem egyszerű, mert so a nehezen vagy egyáltalán nem mérhető forgalm paraméter. Ezeben az eseteben használható az állapotmegfgyelő segítségével végzett becslése. A özleedés lefolyásában számos előre meg nem határozható zavarás lép fel, mnt a balesete, szabálytalan jármű és gyalogos özleedés, tltott parolás. A özút özleedés ezért gen sztochasztus jellegű, ahol soszor csa várható értéeel tudun dolgozn. A forgalm paramétere érzéelése során zajo terhel a méréseet [V-4], amelye többsége ültér helyszínen történ. A természet hatásona tett automatus mérő és számláló berendezése ülönösen sérüléenye. A leggyarabban használt ndutív hurodetetor rengeteget fejlődött, de még így s vszonylag nagy százaléban ad pontatlan mérést. Az rányítás szempontjából a probléma megoldásában segíthet a ülönböző zajo és hbá modellezése és ezelése a szabályozó örben..3 A özút özleedésrányítás felépítése A özút özleedés jellege más a gyorsforgalm utaon és más a város özleedésben, ezért eze rányításában ülönböző módszereet és eszözöet ell használun. Az egyes területe rányító rendszereben máso a célo, máso a beavatozó eszözö és lehetősége. A övetező rányítás problémáat ülönböztetjü meg az egyes területeen. A gyorsforgalm uta forgalomrányítása A gyorsforgalm uta forgalomrányításána egy legnagyobb problémája, hogy nncsen hatéony beavatozó eszözün a főpályán. A változtatható jelzésépű tábláon és a ülönböző jármű fedélzet rendszereen (lásd:..) eresztül lehetőség van nformácó özlésére, sőt sebességorlátozásra s, de eze hatéonysága nem mérhető össze egy jelzőlámpás szabályozáséval. A beavatozás ezen orlátos tulajdonságával számolnun ell, amor az rányítórendszert felépítjü. A más problémaört alotjá a nagy távolságo matt jelentező 9
forgalm adatgyűjtés nehézsége, amelyeet a orszerű állapot-megfgyelő segítségével lehet ompenzáln. A gyorsforgalm utaon rányításában jelentező egy poztívum, hogy a járműáramlás vszonylag homogén, so helyen jó modelle állna rendelezésre a valós folyamato leírásához. A gyorsforgalm utaon a övetező szabályozás feladatoat ülönböztetjü meg [9]: A főfolyam forgalomrányítása [], Felhajtó forgalmána rányítása [6], Paramétere és állapoto becslése, automatus eseménydetetálás, [V-6], Útvonalajánlás, Integrált rányítás [7],[78]. A város özleedés forgalomrányítása A túlzsúfolt város forgalom rányítása az egy legnagyobb hívás. A városoban leggyarabban a bonyolult és összetett úthálózato a jellemző, ugyanaor s területre gen nagy járműforgalom oncentrálód. A nehézsége mellett poztívum, hogy a város forgalomrányításban rendelezésünre állna a özút forgalomrányító jelzőlámpá [56]. A beavatozás hatéonysága szempontjából a dnamus rendszere özül a jelzőlámpa bzonyul a legjobbna, ugyans a jelzésépeet a járművezető csa az esete elenyészően s százaléában nem vesz fgyelembe [9]. A más önnyebbség, hogy a forgalm mérése egy-egy berendezés hatóörében s területre oncentrálódna, így eze vszonylag olcsó. A város özleedésben a övetező szabályozás feladatoat ülönböztetün meg: Hely forgalomrányítás, Vonal forgalomrányítás, Hálózat forgalomrányítás. Külön ell megemlíten a dedált, tömegözleedés járműve rányítás feladatat, amely elsősorban operatív rányítás, de összeapcsolható az általános forgalomrányítással, előnybztosítás céljából. A város forgalom rányításában a célfüggvény felállítása azért nehéz, mert so érde ütöz az egyén járművel özleedő, a gyalogoso, a tömegözleedés, a hely laosság, valamnt a örnyezetvédelem részéről. A leggyarabban a övetező célfüggvénye jelenne meg a város forgalomrányító rendszereben: A ereszteződés teljes átbocsátó épességéne maxmalzálása, A helyzetjelző vonal előtt alault járműsoro mnmalzálása, Az összes járműve átjutás dejéne mnmalzálása, A örnyezet terhelés csöentése, Az energafelhasználás mnmalzálása. Európában a jelzőlámpás tervezéshez rányelveet, az 977-ben Németországban megjelent RILSA (Rchtlnen für Lchtsgnalanlagen) [8] tartalmazott, amelyne újabb adása 99-ben jelent meg. A gyaorlatban még mndg a hely dőterve szernt programozás a legáltalánosabb [7],[5], a forgalomfüggő rányítás Európa fejlettebb régóban s csa a zsúfoltabb szaaszoon terjedt el. A legújabb szabályozás megoldásoat alalmazó, az egész város hálózatot dnamusan rányító rendszere csa elvétve műödne.
.3. A forgalm adato mérése A özút forgalm méréséből származó adato, felhasználása lehet azonnal (onlne), vagy ésőbb feldolgozású (offlne). Az onlne, vagy valós dejű jelzőel nevesített első csoportba tartozna azo az esete, amor az adatgyűjtő érzéelő által regsztrált adatoat folyamatosan, valós dőben dolgozzu fel, és abból valós dőben hozun döntéseet. Ilyen rendszere elsősorban a folyamatos hely, operatív rányítást végző berendezése, amelye adatszolgálása csa gyorsan és folyamatosan frssülő adatoal lehetséges. A gyorsaság ebben az esetben az ms alapú özút jelzőlámpa vezérléseet alapul véve -5ms nagyságú clusdőet jelent. A másod ategórába tartozó offlne, vagy utólagos, lletve archív jelzőel azonosított adatgyűjtés során a mért értée egy adattárolóba erülne. Az így létrejött archív adatbázs általában dőbélyeggel megjelölve tartalmazza a mért adatoat. Az utólagos adatgyűjtést általában nagyobb forgalomtechna átszervezéshez, áttervezés esetén statszta jellegű adatgyűjtéshez, vagy ísérlet mérése végzéséhez használjá, de a stratéga döntéseet hozó forgalomrányító berendezésene s lyen jellegű adatora van szüségü. A gyaorlatban a étféle mérés elv ombnálható, hszen a folyamatosan és gyorsan adatoat szolgáltató szenzorotól érező mérés értéeet az operatív onlne rányítás használhatja fel, majd ezen értée egy szűebb örét meghatározott mntavétel dővel eltárolhatju, alaítva az offlne adatbázst. A özút forgalomrányítás által gényelt legfontosabb özút paramétereet az alábbaban foglalom össze, (a jelölése elsősorban az angolszász termnológából származna) [5],[38]: q: forgalomnagyság (ejm/ dőegység). A forgalomnagyság egy adott eresztmetszetben, adott dő alatt áthaladt járműve számát jelent, ρ: forgalomsűrűség (ejm/ hosszegység). A forgalomsűrűség egy adott (megfgyelt) útszaaszon, az adott dőpllanatban jelenlévő járműve számát jelent, v: sebesség (hosszegység / dőegység) o v t : loáls vagy eresztmetszet sebesség, o v s : pllanatny vagy momentum sebesség, t : övetés dő (dőegység), h : övetés távolság (hosszegység). A forgalm adato mérése alapvetően étféle lehet: status és dnamus. Status mérés alatt azoat az eszözöet értjü, amelye a özút, vagy örnyezete egy rögzített pontján erülte telepítésre. Dnamus mérés alatt olyan mérőeszözöet értün, amelye egy adott járművel együtt mozogva mér a forgalom paraméteret (út-dő, vagy sebesség-dő adatpároat, menetdnama-, vezetésényelm értéeet, láthatóság jellemzőet stb.). Az atuáls forgalm adato méréséhez a özút automata eszözrendszere számos megoldást [V-][V-] ínál. Az automatus járműszámláló és értéelő rendszere többféle fza elv alapján érzéel a járműveet (eletromos ontatus elvén, pneumatus, pezo érzéelő, fényérzéelésen alapuló, eletromágneses, radar elvű, ultrahangos, rádós, mrohullámú, műholdas, föld műágenses teréne leépezésén alapuló).
Az ndutív hurodetetoros rendszere Az ndutív hurodetetor a járműérzéelés területén a özút özleedésben a legelterjedtebben használt eszöz. A hurodetetoro mérés elve a huroban eltett mágneses tér elhangolódásán alapul, amor a özelében mágnesezhető anyag (jármű) erül. Az elhangolódás mértée függ a mágnesezhető anyag méretétől, valamnt a hurona és az anyagna a távolságától. A fejlettebb eszözö általában 9 járműategóra megülönböztetésére épese. Amennyben a özleedés rányítórendszerben a mérésehez hurodetetort alalmazun, aor számolnun ell a mérés hbáal, a detetor gyaor teljes szaadásával és az ezzel járó övetezményeel. A szabályozó örben általában fontos, hogy az állapotoat özvetlenül tudju mérn, ellenező esetben állapot-megfgyelőt ell [V-5] alalmazn. A hurodetetoro az áthaladás nformácó alapján forgalomnagyságot épese özvetlenül számítan, míg a foglaltság nformácó alapján egy lneárs összefüggés segítségével a forgalomsűrűség s előállítható, de az már pontatlan. Sorban álló járműve számána meghatározására a tapasztalat szernt csa nagyon rtán alalmas. Járműérzéelés vdeóamerával A épfeldolgozáson alapuló techná jelenleg a nagy fejlődésen menne eresztül, elterjedésü egyre gyorsabb ütemű. Műödése során a feldolgozó berendezés a amerára vetülő épet egy épmátrxra épez le. A épmátrx eleme a épponto, amelye az adott helyen lévő fényntenztást mutatjá. A rendszereben alalmazott dgtáls éprögzítés megoldás gyors vsszaeresést és jó mnőség épnyomtatást tesz lehetővé. A berendezése egyetlen hátránya a fényvszonyo változásából és a örnyezet által oozott szennyeződéseből adódó problémában rejl. A épe feldolgozása általában ülönböző szűrés (éle, háttér, nverz leépezés) [V-8] módszereel ezdőd, majd matemata elemző és ereső algortmusoal folytatód. A épfeldolgozáson alapuló járműérzéelő fejezetten alalmas a forgalomsűrűség és a sorban álló járműve számána pontos meghatározására, de egy adott eresztmetszetben jól megadja a forgalomnagyság értéét s. Mvel az egyes járműve általában jól megülönböztethető a épeen, még járműövetésre s alalmas lehet, amellyel összetettebb honnan-hová nformácó s előállítható. A dolgozatomban használt példában olyan épfeldolgozáson alapuló járműérzéelőet feltételeztem, amelye zajoal terhelten, de özvetlenül épese a pl. a járműszámot mérn..3. Az rányítás özpont egysége A forgalomrányítás három alappllére özül a özpont egység tervezéseor a fő szempont, hogy a célul tűzött stratéga alapján az rányító rendszerün épes legyen a hatéony beavatozáshoz szüséges döntéseet meghozn. A özpont egység tovább feladata, hogy magána a forgalomrányító rendszerne az elemet s műödtetne, vezéreln ell. Ezen elváráso elégítésére számtalan megoldás létezhet [V-9] az egyed hbrd rendszertől az ntegrált célberendezéseg. A megoldáso gen eltérne egymástól műsza, özleedésbztonság és gazdaság vonatozásban s. Az általánosan használt rendszerezésben az egyes típuso lehetne: város, özút jelzőlámpás forgalomrányító özponto, város tömegözleedést rányító özponto, gyorsforgalm uta forgalmát felügyelő özponto, távfelügyelet özponto,
ntegrált forgalomrányító özponto. A özpont döntéshozó egység legfontosabb jellemzője az általa használt rányítás stratéga. Az rányítás stratégában alapvetően ét fő csoport alault, az elsőt a szarodalom Fxed-Tme (status, nem forgalomfüggő módszere) stratégána hívja, amely előre meghatározott állandó zölddőet tartalmazó fázsdő terveel dolgoz. A másodat Real-Tme (dnamus, forgalomfüggő módszere) stratégána hívjá, amely a műödés özben, dnamusan, a forgalomtól függően alaítja a fázsdő tervet. Az első csoportba tartozna a éz rányítású és az dőterv vezérlésű özponto, míg a másodba tartozna a programválasztó és a programalotó özponto. Másfajta megözelítésben a felosztást megtehetjü az rányítás hatóörzete alapján. Az egy esetben csa egy hely hatásról beszélün, amor egy egyed ereszteződés forgalomrányítását ell megoldan. A más esetben egy nagyobb örzet szabályozását végezzü, azaz több csomópont összehangolt forgalomrányításáról beszélün. A ülönböző stratégáat csoportosíthatju még a forgalom telítettsége alapján s. A telítetlen forgalom esetén a jelzőlámpá előtt járműsor csa a tlos jelzés alatt ezd felépüln, míg a szabadjelzés deje alatt teljesen feloszl. A más megözelítésben a sor felépülése mnden fázsban lehetséges. A legfontosabb módszereet és stratégáat a dolgozatomban az egyes fejezete előtt, az azohoz tartalmlag lleszedő területeről gyűjtöttem össze..3.3 A végrehajtó és beavatozó eszözö A végrehajtó és beavatozó eszözö feladata, hogy az rányítás által megövetelt beavatozásoat érvényre juttassá az rányított folyamatban. A beavatozó eszözö özül a leggyarabban használt [V-9] a özút jelzőlámpa és a változtatható jelzésépű tábla. Előbb nább a város özleedésben, utóbb nább a nyílt, gyorsforgalm pályáon használható. A megfelelő eszöz választásánál szempont még, hogy az mlyen örnyezetben erül felhasználásra, és mlyen a meglévő rányítás szerezete (egyed, özpontosított). A özút jelzőlámpáat a özút forgalomrányító berendezése hajtjá meg, amelye feladata, hogy az előre elészített jelzéstervene megfelelően vezéreljé a jelzőlámpáat. A műödésü során rögzített programoat hajthatna végre, lletve valamely programmodfácó segítségével alaítjá a jelzéseet. A beavatozó alrendszerrel szemben elvárt övetelmény a bztonság garantálása, valamnt a rugalmasság, am alatt azt értjü, hogy a beavatozó jelet mlyen gyaorsággal lehet változtatn [8], []. Ilyen övetelmény lehet a jelzésterve és jelzés dő gyors változtathatósága, a jelzés hálózat strutúrájána változtathatósága, az rányítás stratégá változtathatósága. A változtatható jelzésépű tábla alapfuncója, hogy egy épmátrxon ülönböző színű és formájú felratoat és alazatoat tud megjeleníten. A szabályozás szempontjából a változtatható sebességorlátozás és a változtatható jelzőtáblá dnamus alaíthatósága matt van jelentősége enne az eszözne. A forgalomrányító rendszereel szemben általános övetelmény a magas rendelezésre állás és a többszntű hbavédelem s, am nemcsa a beavatozó berendezése műsza színvonalára gaz, hanem a műödtető szoftverere és algortmusora s. Ezt a tulajdonságot már a szabályozórendszer tervezésénél s fgyelembe ell venn, és többszntű átonfgurálható típusoat célszerű alaítan. 3
.4 A özút özleedés modellezése és rányítása állapottérben A modern rányításelmélet eredményene gyaorlat alalmazása a özleedésrányítás területén özel 5 éve ezdődött. Az egy első és jelentős projet eretében Papageorgu és munatársa a Párzs mellett Boulevard Pérphérque örgyűrűn állítottá üzembe az ALINEA (Asservssement lnéare d entrée autoroutère) [8] szabályozást, amely jelentősen javította az átlagos eljutás dőt azáltal, hogy a főrányban nem hagyta alauln az nstabl járműáramlatot, és mndg csa meghatározott járműmennységet engedett a fel az autópályára. A módszer dnamus állapot-vsszacsatolást alalmazott. A továbbfejlesztéséppen jött létre a több felhajtó együttes, oordnált szabályozását végző METALINE, amelyet ésőbb paraméterbecsléssel s egészítette és számos módosított típusát s dolgoztá. Az alább táblázat ezen szabályozáso eredményet mutatja be. A teljes utazás dő TTS=Total Tme Spent A teljes utazás távolság TTD=Total Travel Dstance Közép sebesség = TTD/TTS MS =Mean Speed jm*h változás % jm*m változás % m/h változás % Szabályozás nélül 389-95489 - 5 - ALINEA 36-5. 96786.4 6.7 6.8 METALINE 3637-4.8 9539 -. 6. 4.8 -. Táblázat Dnamus, vsszacsatolással műödő szabályozáso eredménye a párzs Boulevard Pérphérque örgyűrűn. Forrás: Papageorgou, M. Az eredménye megmutattá, hogy az lyen típusú forgalomrányítás módszere a valós folyamato özött s hatéonya. Átlagosan 5%-al tudtá csúcsforgalomban javítan a teljes utazás dőt, míg volta olyan dőszao és felhajtó ahol 8%-os csöenést s elérte. Az elmúlt 5 évben sorra jelente meg olyan megoldáso a özút forgalomrányításban, amelye a modern rányításelmélet valamely eredményét használtá fel. Így erülte alalmazásra a paramétere becslésére használt állapot-megfgyelő, az rányítás területén, pedg sorra jelente meg a fejlettebb szabályozó algortmuso [39], [4]..4. A özút özleedés folyamat leépezése állapottérben Az általam vzsgált állapotbecslés és rányítás problémá megoldásához nélülözhetetlen volt a özút folyamato leírása állapottérben. Az állapottér leírás szernt a rendszer belső állapota a beavatozó jel segítségével változtatható meg, amelyne hatása a menete megváltozásában jelentez. A özút özleedés folyamato leépezése a folyamato olyan megfogalmazását jelent, amely alalmassá tesz azt az állapottérben való leírásra. Az állapoto helyes megválasztása függ az rányítás céltól. 4
Szabályozott rendszer Beavatozó jele halmaza u Állapoto halmaza x Kmenete halmaza y -6. ábra Az állapottér szerezete Defnícó szernt a rendszer állapota egy t dőpontban az az nformácó (olyan jele smerete), amelyből az u(t), t t bemenőjel smeretében a rendszer válasza mnden t t dőpontra meghatározható [9], [6], [45]. A rendszer válasza tt a jövőbel, t t dőpontra vonatozó állapotoat és a menőjeleet jelent. A rendszer állapotat leíró jeleet, lletve eze függvényet a rendszer állapotváltozóna nevezzü. Az állapotváltozó eletromechana rendszereben tpusan az elmozdulás, sebesség, szögelfordulás, szögsebesség, feszültség, áram, vagy az ezeből (lneárs ombnácóval, dfferencálással, ntegrálással) épzett jeleet jelenthet. Általánosan egy lneárs, dőnvaráns, dnamus rendszer állapottér reprezentácóját az alább alaban írhatju fel egy bemenetű és egy menetű (SISO) esetben: x& ( t) = Ax( t) + bu( t) y( t) = c T x( t) (.4) Az adott állapottér reprezentácóját az (A,b,c T ) hármassal jellemezhetjü, ahol az állapottér reprezentácó dmenzója n = dm{x(t)}. Amor a rendszer dnamáját szeretnén módosítan, fontos módszer a vsszacsatolás, ahol célun a rendszer módosítása az x(t) állapot vsszacsatolásával. A legegyszerűbb teljes, lneárs vsszacsatolásnál a bemenőjel: T u( t) = x( t) + r( t) (.5) ahol r(t) egy ülső alap-, vagy referenca jel, a pedg az állapot vsszacsatolás erősítés tényezője: T = [ n- ]. Behelyettesítve a bemenőjel alaját az állapotegyenletbe, a zárt rendszer állapotegyenlete a övetező lesz: T x& ( t) = ( A b ) x( t) + br( t) (.6) T y( t) = c x( t) A erősítés megfelelő megválasztásával a zárt rendszer aratersztus egyenlete tetszőlegesen beállítható, ha az (A,b,c T ) rendszer rányítható [9],[6]. Az előzőeben csa a lneárs rendszere tulajdonságat mutattam be, ezere érvényes a szuperpozícó elve. A rendszert lneársna nevezzü, ha a rendszerre a*u +b*u bemenőjelet adva a válaszfüggvény a*y +b*y lesz. A özút forgalomrányítás területén a feladato leggyarabban vsszavezethető lneárs esetre, de létezne jól használható nemlneárs megoldáso s. Az eddg felírt rendszere más özös tulajdonsága, hogy folytonos dőben vanna felírva. A özleedés folyamata folytonosa, de az rányítóberendezésen műödése, a beavatozá- 5
s lehetősége soszor dőben dszrét jellegűe. Az általam felírt megoldásoban mndenhol dszrét állapotegyenleteet használtam: x y + = Ax = Cx + Bu (.7) ahol a dszrét rendszer atuáls lépésszáma, x az állapotvetor, y vetor tartalmazza a mérésenet, az A,B,C mátrxo a rendszer reprezentánsa. Egyes eseteben a változó olyan so ndexet tartalmazna, hogy az átláthatóság edvéért a -t a változó mögé írom: x()..4. A özút forgalomrányítás feladato megoldása Az állapottérben leírt özút folyamato rányítására többféle módszer [V-8] áll rendelezésünre. A legrégebb eljárás az rányítás feladat megoldása egyszerű állapot-vsszacsatolás tervezésével. A vsszacsatolt özút szabályozórendszer felépítésére a övetező példát mutatom be (-7. ábra) egy gyorsforgalm út felhajtója esetében. A főrányba csatlaozó mellérány forgalmát szabályozzu úgy, hogy a főrányban még optmáls (a lehető legnagyobb forgalomnagyság) maradjon a forgalomáramlás. A forgalomnagyság legyen q, a foglaltság legyen o. A feladatban csa az o értéét mérjü: q o q Szabályozó o ref -7. ábra Közút rendszer szabályozozása vsszacsatolással A megfogalmazott probléma egy tpus jelövetés feladat, ahol ez a célfüggvény, hogy a szabályozó a főrány foglaltság szntjét egy optmáls o ref referencaértéen tartsa. A megoldás előnye, hogy csa egy mérés szüséges a rendszer műödéséhez, ez a hajtó ág o foglaltsága. Állapot vsszacsatolás Az autópálya forgalmána rányítása esetén a felhajtó járműáramlatána lyen jellegű szabályozására egy tpus megoldás az ALINEA módszer, amelyet Papageorgou és munatársa [8] dolgozta 99-ben, és serrel alalmazta. A módszer alapegyenlete: r = r + K( O O ) (.8) ahol r és r - a szabad jelzés hossza a és --d dőntervallumban, O a -d dőntervallumban a főrány foglaltsága, O* a főrány elvárt (optmáls) foglaltsága, K pedg szabályozás paraméter. Amor a -d clusban mért O foglaltság a ívánt O* foglaltság értée alatt van, aor a szabad jelzés r hossza a -d clusban nagyobb lesz, mnt a --ben, am a foglaltság megnöveedésével jár. 6
Egy továbbfejlesztett eset, a több felhajtó együttes, oordnált vezérlését végző METALINE módszer, enne alapegyenlete: r ( ) ( ˆ = r K o o K O O ) (.9) ahol r és r - vetoro az egyes felhajtó szabad jelzésene a hossza a és --d dőntervallumban, o, o - vetoro a főrányban mért foglaltság értée (járműsűrűsége), az O vetoro a lehajtóon mért foglaltság értée (járműsűrűsége), és az Ô vetor a főrány elvárt (optmáls) foglaltsága az egyes szaaszoban. LQ szabályozás A lneárs rendszere szabályozásánál gyaran használju a Lnear Quadratc (LQ) optmáls rányítás algortmust [], [6]. A orszerű özút özleedésrányító rendszereben ez a leggyarabban előforduló szabályozó típus. Az LQ szabályozó az állapot vsszacsatolás erősítéséne optmáls módon való meghatározására szolgáló módszer. A pólus alloácóval szemben ebben az esetben nem a rendszer új pólusat határozzu meg özvetlenül, hanem a Q és az R súlymátrxoat. Az LQ módszer alapgondolata a szabályozás energána és a rendszer energájána orlátozása, amre a pólus alloácó nem bztosít lehetőséget. A szabályozás célja a övetező energa funconál mnmalzálása: T T T J ( x, u, t) = ( x Qx + u Ru) dt (.) T Q = Q, Q T R = R, R > (.) (.) A funconálban Q mátrx súlyozza a rendszer állapotat (belső energáját), R pedg a rendszerbe táplált energát. A Lagrange szorzó és a varácószámítás alalmazásával adód, hogy az optmáls szabályozót, a Control Algebra Rccat Egyenlet (CARE) poztív defnt megoldásána felhasználásával határozhatju meg: T T PA + A P PBR B P + Q = P > és P = P T (.3) A P mátrx segítségével, az optmáls rányítás a övetező alaban adód u ( t) = Kx( t) + r( t) (.4) ahol K=R - B T P. Az LQ optmáls szabályzó, önmagában nem alalmas referencajel övetésre, hacsa a rendszer nem ntegráló. Az LQ szabályozó robusztus stabltás tartaléal rendelez. Abban az esetben ha a rendszer nem ntegráló, a referencajel övetést megoldhatju LQ szervo ontroller felhasználásával, a robusztus performancát vszont csa a H és µ szabályozó esetében tudju bztosítan. Állapot-megfgyelő Kálmán-szűrővel Ha az állapotoat nem tudju mérn, aor állapot-megfgyelőt ell alalmazn [V-5], amely a rendszer meneteből és bemeneteből állítja elő a becsült állapotoat (tervezéséne feltétele a megfgyelhetőség). Az egy lehetséges módszer állapot-megfgyelő alaítására, ha Kálmán-szűrőt alalmazun, ülönösen sztochasztus rendszer esetében. A szűrő mnden 7