Автомобильное движение может быть как свободным, так и перегруженным. Движение происходит во времени и пространстве, т. Е. Это пространственно-временной процесс. Однако обычно трафик можно измерить только в некоторых местах дороги (например, с помощью дорожных детекторов, видеокамер , данных о транспортных средствах или данных телефона ). Для эффективного управления дорожным движением и других интеллектуальных транспортных систем реконструкция транспортных заторов необходима на всех других участках дорог, в которых измерения дорожного движения недоступны. Пробки на дорогах могут быть восстановлены в пространстве и времени (рис. 1) на основе Б. Кернера «ы теории трафика трехфазнойс использованием представленных Кернером моделей ASDA и FOTO. [1] [2] [3] [4] [5] Трехфазная теория трафика Кернера и, соответственно, модели ASDA / FOTO основаны на некоторых общих пространственно-временных характеристиках перегрузки, наблюдаемых в измеренных данных трафика.
Общие пространственно-временные эмпирические характеристики заторов на дорогах
Определение
Общие пространственно-временные эмпирические характеристики заторов - это те пространственно-временные характеристики заторов, которые качественно одинаковы для разных автомагистралей в разных странах, измеренные в течение многих лет наблюдений за дорожным движением. В частности, общие характеристики заторов не зависят от погоды , дорожных условий и дорожной инфраструктуры, транспортных средств, характеристик водителя, дневного времени и т. Д.
Определения Кернера [S] и [J], соответственно, для фаз синхронизированного потока и широких движущихся заторов в загруженном трафике [6] [7] [8] являются примерами общих пространственно-временных эмпирических характеристик загруженности движения.
Распространение широких движущихся пробок через узкие места на автомагистралях
Согласно эмпирическим наблюдениям, заторы на дорогах обычно возникают в узких местах на автомагистралях в результате нарушения движения в первоначально свободном потоке в узких местах. Узкое место на автомагистрали может возникнуть в результате съезда и съезда, поворотов и уклонов дороги , дорожных работ и т. Д.
В загруженном транспортном потоке (это синоним слова «пробка») часто наблюдается явление распространения движущейся пробки (сокращенно движущейся пробки). Перемещение варенья является локальной областью низкой скорости и большой плотности , которая распространяется вверх по течению в целом локализованной структуры. Застревание ограничено в пространстве двумя фронтами заедания. На переднем участке затора автомобили разгоняются до более высокой скорости после затора. На переднем фронте затора автомобили замедляются при приближении к затору.
Широкая движущаяся пробка - это движущаяся пробка, которая демонстрирует характерную особенность пробки [J], которая является общей пространственно-временной эмпирической характеристикой заторов на дорогах. Функция затора [J] определяет фазу движения с широким движущимся затором в загруженном транспортном потоке следующим образом.
Определение [J] для широкого движущегося затора
Широкая движущаяся пробка - это движущаяся пробка, которая демонстрирует характерную особенность затора [J], чтобы распространяться через любые узкие места, сохраняя при этом среднюю скорость фронта затора ниже по потоку, обозначенную как .
Застревание Кернера [J] можно объяснить следующим образом. Движение переднего фронта затора является результатом ускорения водителей от остановки в заторе до транспортного потока после затора. После того, как транспортное средство начало ускоряться при выходе из пробки, чтобы обеспечить безопасное вождение, следующее транспортное средство начинает ускоряться с задержкой по времени. Обозначим среднее значение этой выдержки времени в разгоне автомобиля на переднем фронте затора как. Потому что среднее расстояние между транспортными средствами в пробке, включая среднюю длину транспортного средства, равно (где - средняя плотность транспортного средства в заторе), средняя скорость фронта затора ниже по потоку является
.
Когда параметры трафика (процент длинных транспортных средств, погода, характеристики водителя и т. Д.) Не меняются с течением времени, а также постоянны во времени. Это объясняет, почему средняя скорость фронта затора ниже по потоку (1) - это характеристический параметр, не зависящий от расхода и плотности потока до и после затора.
Эффект улова: закрепление фронта синхронизированного потока ниже по потоку в узком месте
В отличие от заклинивания [J], средняя скорость фронта синхронизированного потока ниже по потоку не самоподдерживается во время распространения фронта. Это общая черта синхронизированного потока, которая является одной из двух фаз перегрузки трафика.
Частным случаем этой общей особенности синхронизированного потока является то, что фронт синхронизированного потока ниже по потоку обычно попадает в узкое место на магистрали. Это закрепление нижнего фронта синхронизированного потока в узком месте называется эффектом захвата . Обратите внимание на то, что в этом переднем фронте синхронизированного потока транспортные средства ускоряются от более низкой скорости в синхронизированном потоке перед передним потоком до более высокой скорости в свободном потоке за передним потоком.
Определение [S] для синхронизированного потока
Синхронизированный поток определяется как перегруженный трафик, не имеющий характеристики затора [J]; в частности, передний фронт синхронизированного потока часто фиксируется в узком месте.
Таким образом, определения Кернера [J] и [S] для широкой движущейся пробки и синхронизированных фаз потока в его теории трехфазного движения [6] [7] [8] действительно связаны с общими эмпирическими характеристиками транспортных заторов.
Эмпирический пример широкого движущегося затора и синхронизированного потока
Скорости транспортных средств, измеренные с помощью дорожных детекторов (усредненные данные за 1 мин), иллюстрируют определения Кернера [J] и [S] (рис. 2 (a, b)). На рис. 2 (а) показаны две пространственно-временные модели загруженного движения с низкими скоростями транспортных средств. Одна модель перегруженного трафика распространяется вверх по потоку с почти постоянной средней скоростью фронта вниз по потоку через узкое место на автостраде. Согласно определению [J], эта модель перегруженного движения относится к фазе движения «широкие движущиеся пробки». Напротив, нижний фронт другой схемы перегруженного трафика фиксируется в узком месте. Согласно определению [S] этот образец перегруженного трафика относится к фазе трафика «синхронизированный поток» (рис. 2 (a) и (b)).
Модели ASDA и FOTO
ФОТО ( Р orecasting о е т raffic о bjects) модели реконструирует и отслеживает области синхронизированного потока в пространстве и времени. ASDA ( utomatische S тау д ynamik nalyse: Автоматическое отслеживание движущихся замятия) модели реконструирует и дорожки шириной движущихся пробок. Модели ASDA / FOTO предназначены для онлайн- приложений без калибровки параметров модели в различных условиях окружающей среды, дорожной инфраструктуры, процента длинных транспортных средств и т. Д.
Общие особенности
Во-первых, модели ASDA / FOTO идентифицируют фазы синхронизированного потока и широких движущихся заторов в измеренных данных о загруженном трафике. Одна из эмпирических характеристик синхронизированного потока и фазы широких движущихся заторов, используемых в моделях ASDA / FOTO для идентификации фазы движения, заключается в следующем: В широком движущемся заторе как скорость, так и расход очень малы (рис. 2 (см). ). Напротив, в то время как скорость с синхронизированной фазой потока значительно ниже, чем в свободном потоке (рис. 2 (c, e)), скорость потока в синхронизированном потоке может быть такой же большой, как и в свободном потоке (рис. 2 (d, е)).
Во-вторых, на основе вышеупомянутых общих черт широких движущихся заторов и синхронизированного потока, модель FOTO отслеживает нисходящий и восходящий фронты синхронизированного потока, обозначенные как , , где время (рис. 3). Модель ASDA отслеживает передние и нижние фронты широких движущихся заторов, обозначенных, (Рис. 3). Это отслеживание выполняется между участками дороги, в которых фазы движения изначально были определены в данных измерений, т. Е. Когда невозможно измерить синхронный поток и широкие движущиеся пробки.
Другими словами, отслеживание синхронизированного потока с помощью модели FOTO и широких движущихся заторов с помощью модели ASDA выполняется в тех местах дороги, в которых отсутствуют измерения трафика, то есть модели ASDA / FOTO делают прогноз передних местоположений дороги. фазы движения во времени. Модели ASDA / FOTO позволяют нам прогнозировать слияние и / или растворение одной или нескольких изначально различных синхронизированных областей потока и одной или нескольких изначально различных широких движущихся засоров, которые возникают между точками измерения.
Модели ASDA / FOTO для данных, измеренных дорожными детекторами
Подход кумулятивного потока для FOTO
В то время как передний фронт синхронизированного потока, при котором транспортные средства ускоряются до свободного потока, обычно фиксируется в узком месте (см. Рис. 2 (a, b)), передний фронт синхронизированного потока, при котором транспортные средства, движущиеся первоначально в свободном потоке, должен замедляться, приближаясь синхронно. поток может распространяться вверх по потоку. В эмпирических (т. Е. Измеренных) данных трафика скорость восходящего фронта синхронизированного потока обычно значительно зависит как от переменных трафика в синхронизированном потоке после фронта, так и в свободном потоке перед этим фронтом. Хорошее соответствие с эмпирическими данными достигается, если зависимость положения синхронизированного фронта потока от времени рассчитывается по модели FOTO с использованием так называемого подхода кумулятивного потока:
где а также [транспортных средств / ч] - соответственно скорости потока до и после синхронизированного фронта потока, параметр модели [м / автомобили], а - количество полос движения.
Два подхода к отслеживанию пробок с помощью ASDA
Существует два основных подхода к отслеживанию широких движущихся заторов с помощью модели ASDA:
- Использование формулы Стокса-ударной волны.
- Использование характерной скорости широких движущихся заторов.
Использование формулы Стокса для ударной волны в ASDA
Текущая скорость фронта широкого движущегося затора рассчитывается с использованием формулы ударной волны, полученной Стоксом в 1848 г .: [9]
,
где а также расход и плотность потока перед фронтом затора, при котором должна быть найдена эта скорость; а также - расход и плотность за этим фронтом затора. В (3) нет никакой связи, в частности, не используется принципиальная диаграмма между расходами, и плотности транспортных средств , найдены из измеренных данных независимо друг от друга.
Использование характерной скорости широких движущихся заторов.
Если данные измерений недоступны для отслеживания нижнего фронта затора с помощью формулы Стокса-ударной волны (3), формула
используется, в котором - характеристическая скорость фронта затора ниже по потоку, связанная с особенностью затора Кернера [J], рассмотренной выше. Это означает, что после того, как нижний фронт широкого движущегося затора был обнаружен в момент времени, расположение нижнего фронта затора можно оценить по формуле
Характерная скорость затора проиллюстрирована на рис. 4. Две широкие движущиеся заторы распространяются вверх по потоку, сохраняя при этом среднюю скорость их фронтов вниз по потоку. В этом эмпирическом примере есть две пробки, следующие друг за другом.
Однако, в отличие от средней скорости фронта затора ниже по потоку, средняя скорость фронта затора выше по потоку зависит от расхода и плотности транспортного потока перед затором. Поэтому в общем случае использование формулы (5) может привести к большой ошибке при оценке средней скорости фронта затора вверх по потоку.
Во многих данных, измеренных на немецких автомагистралях, было обнаружено . Однако, хотя средняя скорость фронта затора ниже по потоку не зависит от расхода и плотности потока до и после затора, может значительно зависеть от параметров трафика, таких как процент длинных транспортных средств в потоке, погодных условий, характеристик водителя и т. д. В результате средняя скорость найденных в разных данных, измеренных за годы наблюдений, колеблется примерно в пределах диапазона .
Он-лайн приложения моделей ASDA / FOTO в центрах управления дорожным движением
Реконструкция и отслеживание пространственно-временных схем перегруженности с помощью моделей ASDA / FOTO сегодня осуществляется в режиме онлайн на постоянной основе в центре управления дорожным движением федеральной земли Гессен (Германия) на 1200 км сети автомагистралей. С апреля 2004 г. данные измерений около 2500 детекторов автоматически анализируются ASDA / FOTO. Результирующие пространственно-временные схемы движения показаны на пространственно-временной диаграмме, показывающей особенности схемы перегруженности, подобные рис. 5. Онлайн-система также была установлена в 2007 году на автомагистралях Северный-Рейн-Вестфалия. Необработанные данные о трафике передаются в WDR , главную государственную радиовещательную станцию из Северного Рейна-Вестфалии в Кельне, которая передает сообщения о дорожной обстановке конечному потребителю (например, радиослушателю или водителю) через канал вещания RDS . Приложение покрывает часть всей сети автомагистралей с 1900 км автострад и более 1000 детекторов двойной петли. Кроме того, с 2009 года модели ASDA / FOTO доступны в сети в северной части Баварии.
Средние характеристики транспортного потока и время в пути
В дополнение к пространственно-временной реконструкции загруженности дорог (рис. 1 и 5) модели ASDA / FOTO могут обеспечивать средние характеристики транспортного потока в синхронизированном потоке и широких движущихся заторах. В свою очередь, это позволяет оценить либо время в пути на участке дороги, либо время в пути по любой траектории транспортного средства (см. Примеры траекторий 1–4 на рис. 5).
Модели ASDA / FOTO для данных, измеренных с помощью зондовых транспортных средств
Во-первых, модели ASDA и FOTO определяют точки перехода для фазовых переходов вдоль траектории пробного транспортного средства. [10] [11] Каждая из точек перехода связана с передней частью, пространственно разделяющей две из трех различных фаз движения друг друга (свободный поток (F), синхронизированный поток (S), широкая движущаяся пробка (J)). После того, как точки перехода были найдены, модели ASDA / FOTO реконструируют области синхронизированного потока и широких движущихся пробок в пространстве и времени с использованием эмпирических характеристик этих фаз движения, обсужденных выше (см. Рис. 2 и 4).
Смотрите также
Заметки
- ^ Борис С. Кернер, Киршфинк Х, Реборн Х; Метод автоматического мониторинга трафика, включая анализ резервной динамики, патент Германии DE 19647127C2, патент США: US 5861820 (подано: 1996 г.)
- ^ Борис С. Кернер, Реборн Х., Метод наблюдения за движением и управление потоком транспортных средств в дорожной сети, Deutsche Patentoffenlegung DE19835979A1, патент США: US 6587779B1 (подана: 1998 г.)
- ^ Борис С. Кернер, М. Алексич, У. Деннелер; Verfahren und Vorrichtung zur Verkehrszustandsüberwachung, Немецкий патент DE 19944077C1 (подана: 1999 г.)
- ^ Борис С. Кернер; Способ мониторинга состояния трафика для сети трафика, содержащей эффективные узкие точки, Deutsche Patentoffenlegung DE19944075A1; Патент США: US 6813555B1; Япония: JP 2002117481 (подано: 1999 г.)
- ^ Б. С. Кернер Немецкий патент DE10036789A1; Метод определения состояния трафика в сети трафика с эффективными узкими местами, патент США: US 6522970B2 (подано: 2000).
- ^ a b Борис С. Кернер, "Экспериментальные особенности самоорганизации в транспортном потоке", Physical Review Letters, 81, 3797-3400 (1998)
- ^ a b Борис С. Кернер, "Физика дорожного движения", Physics World Magazine 12, 25-30 (август 1999)
- ^ a b Борис С. Кернер, "Перегруженный транспортный поток: наблюдения и теория", Отчет об исследованиях в области транспорта, Vol. 1678, стр. 160-167 (1999). Архивировано 9 декабря 2012 г. в archive.today.
- ^ Джордж Г. Стоукс, "О трудности теории звука", Philosopical Magazine, 33, стр. 349-356 (1848)
- ^ Б.С. Кернер, Х. Реборн, Дж. Палмер, С.Л. Кленов, Использование зондового транспортного средства для генерации предупреждающих сообщений о пробках, Traffic Engineering and Control Vol 52, No 3 141-148 (2011)
- ^ Дж. Палмер, Х. Реборн, Б. С. Кернер, модели ASDA и FOTO, основанные на данных зондового транспортного средства, организации дорожного движения и управления, Том 52, № 4, 183-191 (2011)
Библиография
- Кернер Б.С., Конхойзер П. (1994). Структура и параметры кластеров в потоке трафика, Physical Review E, Vol. 50, 54
- Кернер Б.С., Реборн Х. (1996). Экспериментальные особенности и характеристики пробок. Physical Review E, Vol. 53, 1297
- Кернер Б.С., Реборн Х. (1996). Экспериментальные свойства сложности транспортного потока. Physical Review E, Vol. 53, R4257
- Кернер Б.С., Киршфинк Х., Реборн Х. (1997) Automatische Stauverfolgung auf Autobahnen, Straßenverkehrstechnik, № 9, стр. 430–438
- Kerner BS, Rehborn H. (1998) Messungen des Verkehrsflusses: Charakteristische Eigenschaften von Staus auf Autobahnen, Internationales Verkehrswesen, 5/1998, стр. 196–203
- Kerner BS, Rehborn H., Aleksić M., Haug A., Lange R. (2000) Verfolgung und Vorhersage von Verkehrsstörungen auf Autobahnen mit "ASDA" und "FOTO" im online-Betrieb in der Verkehrsrechnerzentrale Rüsselsheim, Straßenverkehrstechnik, Straßenverkehrstechnik, № 10 , стр 521–527
- Кернер Б.С., Реборн Х., Алексич М., Хауг А. (2001) Методы отслеживания и прогнозирования схем перегруженного движения на автомагистралях, организация дорожного движения и контроль, 09/2001, стр. 282–287
- Кернер Б.С., Реборн Х., Алексич М., Хауг А., Ланге Р. (2001) Автоматическое онлайн-отслеживание и прогнозирование схем трафика с моделями «ASDA» и «FOTO», Управление трафиком, 11/2001, стр. 345 –350
- Кернер Б.С., Реборн Х., Алексич М., Хауг А. (2004): Распознавание и отслеживание пространственно-временных моделей перегруженного движения на автострадах, Транспортные исследования C, 12, стр. 369–400
- Палмер Дж., Реборн Х. (2007) ASDA / FOTO на основе теории трехфазного движения Кернера в Северном Рейне-Вестфалии (на немецком языке), Straßenverkehrstechnik, № 8, стр. 463–470
- Палмер Дж., Реборн Х., Мбекеани Л. (2008) Интерпретация транспортных заторов на основе трехфазной теории трафика Кернера в США, В: Материалы 15-го Всемирного конгресса по ИТС, Нью-Йорк
- Палмер Дж., Реборн Х. (2009) Реконструкция схем перегруженного движения с использованием определения состояния движения в автономных транспортных средствах на основе теории трехфазного движения Кернера, В: Proceedings of. 16-й Всемирный конгресс по ИТС, Стокгольм
- Реборн Х., Кленов С.Л. (2009) Прогнозирование загруженных шаблонов трафика, В: Р. Мейерс (Ред.): Энциклопедия сложности и системологии, Springer, Нью-Йорк, 2009, стр. 9500–9536.
- Борис С. Кернер, Реборн Х, Кленов С.Л., Палмер Дж., Принн М. (2009) Verfahren zur Verkehrszustandsbestimmung in einem Fahrzeug, (Метод определения состояния дорожного движения в транспортном средстве), Патентная публикация Германии DE 10 2008 003 039 A1.
дальнейшее чтение
- Б.С. Кернер, Введение в современную теорию транспортных потоков и управление ими: долгий путь к теории трехфазного движения , Спрингер, Берлин, Нью-Йорк, 2009 г.
- BS Kerner, The Physics of Traffic , Springer, Berlin, New York 2004.