«Умные светофоры» – в свете новых технологий

В России  «умные светофоры» в составе интеллектуальных систем регулировки движения транспорта на дорогах действуют  относительно недавно: их  число едва превышает 3000.  При этом необоснованное применение локальных адаптивных систем в мегаполисе приводит не к повышению, а к снижению пропускной способности транспортной системы даже на отдельно взятом перекрестке. На фоне более современных технологий такое решение становится нишевым и должно решать задачи в конкретных точках транспортной системы.

Перспективы оптимизации светофорного регулирования

Основной способ повышения пропускной способности транспортной системы города – использование координированных режимов работы светофоров с возможностью централизованных адаптивных режимов. Локальный адаптивный режим предназначен для автоматической коррекции режима работы светофора с использованием данных, поступающих от детекторов транспорта непосредственно в дорожный контроллер.

Светофор является наиболее мощным средством управления дорожным движением. В концепции цифрового двойника светофор является особым  элементом графа улично-дорожной сети (УДС), динамически меняющим свойства графа – открывая и закрывая на определенные промежутки времени направления движения по ребрам графа.

Ввиду полностью цифровой реализации становится возможным эффективное применение средств математической оптимизации транспортных потоков. Электронный паспорт светофора представляет собой машиночитаемую схему направлений светофорного регулирования, наложенную на граф дорог и модель движения, обогащенный данными проектов организации дорожного движения. Включение в эту связку потока реальных мониторинговых данных, поступающих с детекторов дорожного движения, делает цифровой двойник в достаточной мере адекватным реальности и позволяет значительно обогатить управление движением как за счет развития алгоритмических и эвристических способов оптимальных настроек светофора, так и широкого применения нейросетевых методов оптимизации.

                Как работает адаптивный режим

Локальный адаптивный режим светофоров – один из наиболее быстрых способов борьбы с пробками. Для этого в цикле светофорного регулирования одна или несколько фаз реализуются в виде вызывных фаз, которые вызываются не в обычном для светофорного цикла режиме (т. е. последовательно в рамках текущей программы), а по сигналу от детектора движения, подключенного к контроллеру.

Для понимания схемы рассмотрим модельный перекресток №1.

На данном перекрестке возможны следующие направления движения транспорта

А0 → А1

Б0 → Б1

Б0 → В1

А1 → В1

В0 → Б1

В0 → А0

Фазы светофорного регулирования включают в себя:

Фаза №1 (А0 → А1, Б0 → Б1, Б0 → В1)

Фаза №2 (А1 → В1, В0 → Б1)

Фаза №3 (В0 → А0, В0 → Б1)

Обычная программа работы содержит последовательное переключение фаз с длительностью, соответствующей статистической нагрузке на каждом направлении. В данном случае длительность Фазы №1 = 100 сек., Фазы №2 = 20 сек., Фазы №3 = 20 сек. При такой настройке 70% времени светофор тратит на пропуск транспорта основного хода по направлениям А0 → А1, Б0 → Б1. Что равнозначно тому, что 30% времени светофор блокирует основной ход. Данная ситуация нормальна, если соотношение мощности потоков в единицу времени в целом соответствует распределению времени светофора.

А что будет, если нагрузка на перекресток имеет большую асимметрию? Что если с/на направления В0 машины приезжают в очень малом количестве? Например, раз в полчаса? В такой ситуации получается,что ради пропуска 1-2 машин в полчаса на второстепенное направление светофор блокирует постоянно востребованное по направлениям движения 30% времени. Например, за указанные выше полчаса 10 минут пропадают совершенно зря. Появляется необоснованное ожидание, возникают заторы. Что делать?

В таких случаях исключительный позитивный эффект дает реализация локального адаптива. На направлении А1 и В0 устанавливаются детекторы транспорта, а фазы № 2 и № 3 реализуются через вызывной механизм. Фаза №2 вызывается, только если зафиксирована остановка т/с в зоне А1, а фаза № 3 при обнаружении т/с в зоне детекции В0. При отсутствии транспорта в зонах детекции фаза №2 и фаза №3 просто пропускаются. Итог – ощутимая оптимизация движения, с положительным эффектом и для основного хода,  и для транспорта второстепенных направлений.

Условием обоснованного применения локального адаптива является сильная асимметрия транспортных потоков – должны существовать основные направления, требующие максимального времени зеленого света, с гораздо большей интенсивностью и регулярностью, чем на второстепенных направлениях. Второстепенные направления характеризуются значительно более низкой интенсивностью и нерегулярностью.

Необоснованное применение вредит транспортной системе

При необоснованном применении локального адаптива негативный эффект может превышать его преимущества. Часто локальный адаптив разрушает координацию работы светофоров между собой. Причина заключается в отсутствии информированности о времени работы фазы основного хода, прерываемой вызывными сигналами с локальных детекторов.

В силу этого невозможно корректно установить время сдвига между светофорами. В итоге основной поток вместо бесперебойного движения по транспортному коридору постоянно тормозит на каждом светофоре. Кратное снижение общей пропускной способности, вызванное рваным режимом необоснованно применяющегося локального адаптива, усугубляется отсутствием координации между светофорами (не учтено состояние других светофоров, пропускная способность других перекрестков и т. д). В результате при перегрузке узкого места транспортной системы (сложный въезд  на Садовое кольцо с прилегающих улиц) светофорная система разгрузки по группе перекрестков начинает сбрасывать массовую нагрузку на критический и перегруженный узел. Такая «неразумность» светофорной системы приводит сначала к перегрузке критического узла, а затем доходит до локально-адаптивного перекрестка, останавливая и его. В часы «пик» в центре Москвы это приводит к серьезным заторам, которые плохо поддаются регулированию.

Как быть, если локальный адаптив создал проблемы или работает недостаточно оптимально? В особо сложных случаях сотрудники органов управления дорожным движением могут взять светофор в координированное управление или диспетчерский режим и «протянуть» необходимые направления. Эта мера позволяет разобрать, казалось бы, «мертвые» пробки. Впрочем, еще один негативный момент связан с локальными адаптивными системами – контроллеры в таких системах лишены возможности корректного удаленного управления.

Табло отсчета времени при локальном адаптиве

Локальный адаптив исключает  возможность использования табло отсчета времени на светофоре (ТОВ).  Причина понятна: невозможно вести обратный отсчет, если светофор работает в непредсказуемом режиме и длительность фазы заранее не известна. Поэтому при включении локально-адаптивного режима ТОВ либо выключается, либо показывает некорректные данные.

Между тем ТОВ заслужили любовь и уважение водителей и  пешеходов. Это действительно удобный и информативный инструмент, повышающий безопасность движения и внимательность пешеходов и водителей. Отсутствие ТОВ граждане воспринимают как поломку или неукомплектованность светофора и часто пишут жалобы. Это сильно мешает поставщикам локально-адаптивных систем. Им необходимо найти решение, как совместить адаптивность с координацией светофоров и обеспечить «предсказуемость» данных трафика для отображения временных интервалов на табло.

Увы, но вместо поиска интеллектуальных решений производители часто идут по пути пропаганды самых простейших, примитивно работающих систем. Если учесть, что технологии локальных адаптивных режимов светофоров массово применяются в мире с 1950-х годов прошлого века, доводы в пользу примитивных решений несостоятельны. 

Когда необходим особый подход

Управление загруженностью дорожной сети мегаполиса может осуществляться не только посредством применения адаптивных решений светофоров.

В ряде случаев в московской практике (въезд во двор с городских проспектов) применяется исключение из схемы работы светофора маловостребованных направлений и перенос мест разворотов в места с регулярной нагрузкой. Подобная ситуация также характерна для загородных шоссе с прилегающими дорогами, на въездах в небольшие населенные пункты.

Более того, в силу принципиального исключения конфликтных направлений такой метод положительно влияет на безопасность движения. Минусом при таком решении является усложнение проезда на второстепенные направления. Тем не менее в случаях асимметричной нагрузки из светофорного регулирования можно в принципе исключить маловостребованные направления.   

Как видно из иллюстрации, несмотря на схожесть по условиям движения модельного Т-образного перекрестка, идеально подходящего под адаптивное регулирование, в данном случае вообще нет светофорра, так как проектировщиками принято решение запретить в этом месте второстепенные направления, а возможность разворота/поворота реализуется в другом месте. Бонусом к этому решению идет снижение аварийности за счет отсутствия конфликтных направлений движения, максимальная пропускная способность основного направления, значительная экономия средств на техническое оснащение перекрестка. 

Еще один пример нестандартного решения. Типичный городской перекресток в Москве представляет собой место, где потребность проезда через который возникает регулярно, со схожей интенсивностью и практически всегда с интервалом возникновения спроса на пересечение менее 1-2 циклов светофорного регулирования. Что это означает? Режим работы светофора полностью определяется статистической нагрузкой и не требует внесения непредсказуемости настройки переключения светофорного объекта, который способен реализовывать лишь механизм вызывных фаз по довольно простому алгоритму.

На любом таком перекрестке установка локального адаптива не улучшает работу перекрестка и не повышает пропускную способность. Пробок при таких малых нагрузках не может возникать в принципе. Некий положительный эффект возникает только в ночное время, когда нагрузка с второстепенных направлений В и Г становится настолько нерегулярной, что время длительности пустующих направлений начинает значительно (в 7 и более раз) превышать время цикла регулирования. В таком случае действительно возникает положительный эффект в виде сокращенного времени ожидания проезда со второстепенных направлений и увеличенноговремени основного хода. Но абсолютный эффект совершенно незначителен и стремится к нулю. В моменты нормальной или большой нагрузки перекрестка локальный адаптив начинает оказывать негативное влияние на основной ход, отбирая у основного хода время на второстепенные направления. Либо переходит в усредненный режим работы, который слабо учитывает статистическое распределение нагрузки.

Печально, но факт. Отдельные поставщики локальных адаптивов пытаются лоббировать их установку аргументами о сокращении цикла в часы «пик» со 140 секунд до 80-90, а в обычное время и вовсе до 60 секунд. На деле дорожная ситуация будет выглядеть так: ради более быстрого выезда со второстепенного направления двух машин, которые проедут через 10 секунд вместо минутного ожидания, в пробке будет стоять 50 машин. Не говоря о том, что рваный режим работы светофора добавляет задержки на старт/стоп машин, в результате чего сократится фактическая пропускная способность основного хода.

Какую адаптивную систему правильней применить? 

Эффективность локального адаптива в мегаполисе зависит и от типа детектора движения. Например, проверенное решение – индукционная петля. Как правило, именно ее предлагают поставщики локальных адаптивных систем. Она закапывается в асфальт, и когда сверху останавливается транспортное средство, то индукционная петля это регистрирует и передает в контроллер сигнал «надо мной автомобиль». Далее происходит запуск определенной вызывной фазы светофора. В чем проблема?

Причина использования самой примитивной технологии – в том, что такой вид работ доступен даже самым отсталым подрядчикам. Сама петля стоит дешевле, но затраты на установку индукционных детекторов требуют вскрытия асфальта на всем перекрестке. Да еще с риском, что после смены асфальта придется все переустанавливать заново. Плюс монтаж таких систем создает проблемы для дорожного движения. В итоге дешевая система обходится в разы дороже, чем, например, радиолокационные детекторы или система видеонаблюдения.

На сегодня применение локальных адаптивных систем с детектором транспорта в виде индукционной петли является нишевым решением для некоторых частных случаев, описанных в начале статьи. В общем случае локальный адаптив становится неоптимальным, устаревшим решением, разрушающим координацию светофоров между собой, исключающим использование табло отсчета времени светофоров, делающим работу отдельного светофорного объекта и всей светофорной системы в целом  слабо предсказуемой для систем управления верхнего уровня, не способных кардинально решить проблемы транспортной сети крупного города.

Необоснованное применение локального адаптивного режима в ряде случаев вызывает дополнительные сложности, снижает пропускную способность и управляемость транспортной системы.

За видеоаналитикой – будущее

Наиболее перспективным форматом при построении интеллектуальных транспортных систем является видеонаблюдение с функцией видеоаналитки. Многие камеры видеонаблюдения способны «видеть» весь перекресток целиком и дают полную информацию о проезде транспорта через перекресток.

Последние пять лет именно технологии видеоаналитики стали общеупотребимыми и приоритетными. Вот, например, вид с одной из московских камер в 2016 году. Уже тогда более оптимально было применять видеоаналитику, получая полный спектр данных: очередь ожидания на каждом направлении, интенсивность, скорость, определение инцидентов, сбор информации в системы стратегического анализа движения и математические модели и т. п.  

Дополнительным и существенным плюсом транспортной аналитики на основе видеонаблюдения является принцип синергии. Одна видеокамера  заменяет минимум 8 индукционных петель и при этом может быть использована другими городскими службами для своих задач. Да и для транспортной системы видеоаналитика дает гораздо больше информации, чем индукционная петля: больше площадь контроля, есть возможность определения инцидентов, в случае сомнения в достоверности данных их можно подтвердить визуально. К этому стоит добавить возможность классификации транспортных средств, функции глобальной оптимизации движения в пространствах всего города.

Цифровой двойник светофорного объекта

Использование систем видеонаблюдения особенно эффективно, если реализуется при использовании концепции цифрового двойника транспортной системы. Очевидны перспективы нейросетевых методов, демонстрирующих скорость и точность принятия решений, которые опережают способности среднестатистического проектировщика. Заменить лучших проектировщиков-людей такие системы пока не способны, но позволяют значительно разгрузить их, задать рамки качества для проектировочной работы и объективного анализа.

Цифровые технологии становятся эффективным инструментом интеллектуального проектирования в области светофорного регулирования.Все вместе это дает резкое повышение качества управления транспортной системой при сокращении расходов на обеспечение этого процесса.

При таком подходе органично сочетается необходимость адаптации режимов работы светофора к заранее не предвиденным ситуациям, устойчивая, предсказуемая работа всей системы регулирования и необходимость координированного управления всей светофорной системой.

По сравнению с устаревающими адаптивными системами  нейросетевая аналитика с применением цифровых двойников может сочетать лучшие стороны статистической модели движения, математических методов динамической оптимизации и при этом использовать ранее установленное оборудование. Например, если на перекрестке нет иных детекторов движения, кроме индукционных петель, то можно использовать и их. Либо использовать видеодетекторы, если перекресток оснащен ими.

Опытное применение концепции цифрового двойника для проектирования, анализа, моделирования и управления дорожным движением обеспечивает кратное сокращение расходов на поддержание целостности и актуальности информации об организации дорожного движения в городе. В сфере светофорного управления двойник позволяет вводить объективные характеристики качества настроек светофорной системы, вовремя находить узкие места в транспортной системе, предлагать эффективные решения проблем и т. д. Конкретные показатели повышения функциональных характеристик регулирования проезда перекрестков начинаются от 30% и доходят до кратного повышения пропускной способности, сокращения времени ожидания при соблюдении заданного уровня безопасности.