یک روش طراحی هندسی برای تقاطع با سیستم های پیش سیگنال با استفاده از یک استراتژی مرتب سازی مبادله فاز

روشهای طراحی هندسی معمولی برای سیستم های پیش از سیگنال معمولاً از تقاضای ترافیک مورد انتظار استفاده می کنند ، که ممکن است فاصله منطقه مرتب سازی کوتاه را بدست آورد و به دلیل ورود ترافیک تصادفی منجر به اسپیل های مکرر شود. از طرف دیگر ، اگر کسی فاصله منطقه مرتب سازی طولانی تری را انتخاب کند ، طراحی هندسی با تأخیر بالاتر و ظرفیت پایین تر از استفاده کم مکانی رنج می برد. در این مقاله ، ما یک روش طراحی هندسی را برای تقاطع با سیستم های پیش سیگنال با استفاده از یک استراتژی مبادله فاز پیشنهاد می کنیم. طراحی هندسی می تواند تمایل به ذخیره وسایل نقلیه بیشتر را برای جلوگیری از سرریزها و بهبود استفاده از مکانی از جاده متعادل کند. ما با استفاده از تئوری صف و تئوری موج شوک ، پویایی ترافیک را در سیستم پیش سیگنال مدل می کنیم تا دورترین نقطه ای را که یک صف می تواند به آن برساند. طول سیستم پیش از سیگنال باید به اندازه کافی کوتاه باشد تا بتواند استفاده از مکانی را بهبود بخشد اما طولانی تر از دورترین نقطه صف باشد تا از پخش مجدد صف جلوگیری شود. اثربخشی سیستم پیش سیگنال توسط رابط های برنامه نویسی برنامه کنترل سیگنال VISSIM (SCAPI) ارزیابی می شود. نتایج نشان می دهد که طرح طراحی پیشنهادی ، استفاده مکانی از سیستم پیش سیگنال را 7. 5 ٪ افزایش می دهد و در عین حال تاخیر ، طول صف و نسبت جریان به جریان اشباع را حفظ می کند.

استناد: Li Y ، Nan S ، Gong X ، Ma R (2019) یک روش طراحی هندسی برای تقاطع با سیستم های پیش سیگنال با استفاده از یک استراتژی مرتب سازی مبادله فاز. PLOS ONE 14 (5): E0217741. https://doi.org/10. 1371/joual. pone. 0217741

ویراستار: Xuecai Xu ، دانشگاه علوم و فناوری Huazhong ، چین

دریافت: 18 سپتامبر 2018 ؛پذیرفته شده: 19 مه 2019 ؛منتشر شده: 31 مه 2019

کپی رایت: © 2019 لی و همکاران. این یک مقاله دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز انتساب Creative Commons توزیع شده است ، که امکان استفاده ، توزیع و تولید مثل بدون محدودیت در هر رسانه را فراهم می کند ، مشروط بر اینکه نویسنده و منبع اصلی اعتبار داشته باشند.

در دسترس بودن داده ها: کلیه داده های مربوطه در نسخه خطی و پرونده های اطلاعاتی پشتیبانی آن قرار دارند.

بودجه: این کار توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (کمک هزینه شماره 51408049) توسط YL (http://www. nsfc. gov. cn/english/site_1/index.html) ، برنامه ملی تحقیق و توسعه چین تأمین شد.(2017YFC0803906) توسط YL (http://www. most. gov. cn/eng/) ، بنیاد بنیاد علوم فوق دکتری چین (شماره کمک مالی 2016m590914) توسط YL (http://jj. chinapostdoctor.org.org.org.org.org.org.org.org.org.org.org.org. v1/program3/default.aspx) ، پروژه تحقیقات علوم پس از دکتری Shaanxi (شماره کمک مالی 2016bshedzz134) توسط YL (http://postdoc. shaanxi. gov. cn/) ، صندوق های تحقیقاتی اساسی برای دانشگاه های مرکزی (شماره کمک هزینه300102218521) توسط YL (http://en. chd. edu. cn/). سرمایه گذاران هیچ نقشی در طراحی مطالعه ، جمع آوری داده ها و تجزیه و تحلیل ، تصمیم به انتشار یا تهیه نسخه خطی نداشتند. سرمایه گذار "CCCC First Highway Consultants Coveltants ، Ltd" در قالب حقوق نویسندگان YL پشتیبانی می کند ، اما هیچ نقش دیگری در طراحی مطالعه ، جمع آوری داده ها و تجزیه و تحلیل ، تصمیم به انتشار یا تهیه نسخه خطی نداشت. نقش های خاص این نویسندگان در بخش "مشارکت های نویسنده" بیان شده است.

منافع رقابتی: نویسندگان اعلام کرده اند که هیچ منافع رقابتی وجود ندارد. وابستگی تجاری "CCCC First Highway Consultants Co. ، Ltd" پایبندی ما به PLOS ONE سیاست های به اشتراک گذاری داده ها و مواد را تغییر نمی دهد.

مقدمه

زمینه

کنترل علائم ترافیکی مرسوم با جداسازی حرکات متضاد در زمان، کارایی تقاطع های سطحی را بهبود می بخشد[1]. هنگامی که تقاضای ترافیک به ظرفیت جاده نزدیک می شود، کنترل علائم ترافیکی معمولی نمی تواند به طور قابل توجهی کارایی ترافیک را بهبود بخشد. یکی از راه های ممکن برای بهبود کارایی ترافیک، افزایش ظرفیت جابجایی گلوگاه است[3]. از آنجایی که فضای جاده در شهرهای مدرن اغلب محدود است، روش های رایج مورد استفاده، مانند افزایش تعداد خطوط یا تنظیم محل گردش [4]، دشوار است. سیستم پیش سیگنال[5]، که یک گروه سیگنال راهنمایی کمکی را در بخش بالادست تقاطع اضافه می کند، استفاده از تمام فضای جاده بین دو خط توقف را برای یک حرکت در یک بازه زمانی خاص، بدون نیاز به اضافی امکان پذیر می کند. فضای جادهموقعیت یابی سیستم پیش سیگنال می تواند تعداد خطوط موثر برای تخلیه وسایل نقلیه را افزایش دهد یا به طور معادل، فضای بیشتری را برای بهینه سازی زمان بندی سیگنال ترافیکی ایجاد کند، که می تواند به طور قابل توجهی کارایی ترافیک را در شرایط ازدحام بهبود بخشد. با این حال، سیستم پیش سیگنال پیچیدگی مدیریت ترافیک و کنترل تقاطع را افزایش می دهد. طراحی هندسی نامناسب و زمان بندی ناهماهنگ سیگنال بین سیگنال پیش سیگنال و سیگنال اصلی، مهم ترین دلایل بازده عملیاتی پایین خواهد بود. اگر سیستم پیش سیگنال تحت وضعیت تراکم "روشن" باشد، برنامه زمان بندی سیگنال و طرح هندسی باید به دقت طراحی شود تا همه وسایل نقلیه منظم و کارآمد کار کنند.

پیش سیگنال، ترافیک را در ناحیه مرتب سازی با استفاده از استراتژی کنترل ترافیک مرتب سازی پشت سر هم یا مرتب سازی تعویض فاز سازمان دهی می کند[6]. تفاوت عمده بین مرتب سازی پشت سر هم و مرتب سازی مبادله فاز، توالی فاز است. در مقایسه با استراتژی مرتب سازی پشت سر هم، مرتب سازی تعویض فاز می تواند منطقه مرتب سازی را در مرحله سبز در جهت عبور پر کند[7]. بنابراین، مرتب سازی مبادله فاز به دلیل استفاده بهتر از زمان می تواند به عنوان یک روش ایده آل برای پیش سیگنال در نظر گرفته شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، مرتب سازی پشت سر هم و مرتب سازی مبادله تمام ترافیک را در خط توقف پیش سیگنال متوقف می کنند و سپس به صورت پشت سر هم ترافیکی را که در همان جهت حرکت می کنند به منطقه مرتب سازی تخلیه می کنند. با فیلتر کردن ترافیک با استفاده از پیش سیگنال، سیگنال اصلی می تواند از تمام مقاطع منطقه مرتب سازی برای تخلیه خودروهایی که به همان سمت حرکت می کنند استفاده کند. علاوه بر این، تمام مراحل فاز سیگنال اصلی همچنان محافظت خواهند شد. به طور خلاصه، وسایل نقلیه گردش به چپ (LV) و وسایل نقلیه عبوری (TV) دسته های پشت سر هم در سیستم پیش سیگنال تشکیل می دهند و از طریق منطقه مرتب سازی و همچنین مقطع تقاطع با استفاده از تمام خطوط حرکت می کنند.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، سیستم پیش از سیگنال می تواند تمام خطوط را به عنوان منطقه مرتب سازی در نظر بگیرد [8] ، که می توان آن را با استفاده کامل نامید ، یا می تواند از دو یا چند خط برای یک حرکت خاص چرخش یا استفاده ویژه استفاده کند ، مانندترانزیت اتوبوس [9] ، که می توان آن را استفاده جزئی نامید. پس از انتخاب تخصیص خط منطقه مرتب سازی ، پارامترهایی که باید تعیین شوند حداقل طول قطعه جاده واقع در بالادست خط توقف پیش از سیگنال و طول منطقه مرتب سازی هستند. پس از اجرای طراحی هندسی ، نمی توان به راحتی تغییر یافت ، به این معنی که طراحی هندسی باید بدون کاهش راندمان ، بیشتر شرایط ترافیک را ارائه دهد. اگرچه پیش از سیگنال می تواند وسایل نقلیه ای را که وارد منطقه مرتب سازی می شوند ، اندازه گیری کند ، اما سیستم پیش سیگنال می تواند به راحتی در طول منطقه مرتب سازی یا منطقه بالادست با استفاده از تقاضای ترافیک مورد انتظار ، صف های صف را تجربه کند. از طرف دیگر ، وقتی منطقه مرتب سازی و منطقه بالادست به اندازه کافی طولانی باشد ، هیچ گونه برگشت صف وجود ندارد. با این حال ، با افزایش طول ، استفاده از مکانی از جاده به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. هنگامی که طول منطقه مرتب سازی خیلی طولانی است ، باعث تأخیر تصادفی غیر ضروری خواهد شد. حتی اگر طراحی هندسی و زمان بندی سیگنال مربوط با تغییر سرعت جریان اشباع سیگنال اصلی مطابقت نداشته باشد ، حتی تأخیر سفر و کاهش ظرفیت نیز وجود خواهد داشت. بنابراین ، طراحی هندسی سیستم پیش سیگنال باید با دقت بهینه شود تا فضای کافی جاده ای برای پارک کردن بیشتر وسایل نقلیه و حفظ راندمان عملیاتی بالا فراهم شود.

در این مقاله ، یک طراحی هندسی از سیستم پیش سیگنالی مشخص شده است که باعث بهبود راندمان عملیاتی و از بین بردن پخش های صف ناشی از ورود ترافیک تصادفی یا پراکندگی صف می شود. ما دینامیک ترافیک منطقه مرتب سازی و منطقه بالادست را مدل کردیم تا دورترین نقطه ای را که صف می تواند به آن برساند ، پیدا کنیم. سپس طراحی هندسی سیستم پیش سیگنالی می تواند با جلوگیری از افزایش صف برای بیشتر ترافیک به صورت تصادفی و بهبود راندمان عملیاتی تقاطع با سیستم پیش سیگنال تعیین شود.

بررسی ادبیات

مفهوم تقاطع پشت سر هم از پیش از سیگنال اتوبوس توسعه یافته است. شبیه به مفهوم جعبه دوچرخه [10] ، سیستم پیش از سیگنال اتوبوس منطقه پیشروی اتوبوس را بین سیگنال اصلی و پیش از سیگنال اتوبوس فراهم می کند ، که در آن اتوبوس ها می توانند پیشرفت کنند در حالی که پیش از سیگنال قرمز است و سپس از قبل تخلیه می شودوسایل نقلیه خصوصی [11-13].

از نظر تئوری، یک سیستم پیش سیگنال برای همه وسایل نقلیه می تواند ظرفیت اضافی برای چرخش وسایل نقلیه را بدون کاهش ظرفیت وسایل نقلیه توان ارائه دهد. عملکرد سیستم پیش سیگنال هم تحت تاثیر برنامه زمان بندی سیگنال و هم طراحی هندسی قرار می گیرد. تخصیص خط، طول منطقه مرتب سازی و هماهنگی سیگنال بین سیگنال پیش سیگنال و سیگنال اصلی همه با یکدیگر تعامل دارند. طراحی غیربهینه ممکن است منجر به تراکم شدید شود[14]. مدل های اولیه از روش های زمان بندی سیگنال مرسوم پیروی می کنند. شاخص های عملکرد، مانند تاخیر و ظرفیت، با استفاده از مدل احتمال [5]، مدل تاخیر وبستر [6] و مدل موج شوک [15] برآورد شدند. این مدل ها ملاحظات کمی در طرح های هندسی دارند. روش های طراحی جدید توسعه یافته برای سیستم پیش سیگنال می توانند زمان بندی سیگنال را با طراحی هندسی بهینه کنند[7، 16]. این مسائل بهینه سازی معمولاً با استفاده از مدل برنامه نویسی خطی باینری-مخلوط-صحیح-خطی (BMILP) حل می شد [17-18]. از آنجا که طراحی "بهینه" محاسبه شده توسط مدل BMILP بر اساس حداکثر طول صف تحت تقاضای ترافیک مورد انتظار است، این طراحی معمولا کوتاه است. اگرچه برنامه زمان بندی سیگنال سیستم پیش سیگنال را می توان در زمان واقعی با استفاده از برنامه ریزی دینامیکی تعیین کرد[19]، پارامترهای طراحی هندسی با استفاده از حداکثر وسایل نقلیه که می توانند توسط سیگنال پیش سیگنال تخلیه شوند، تعیین می شوند که از طول آن بیشتر است. مورد نیاز است. این روش همچنین نیاز به نصب آشکارسازهای کافی دارد که هزینه کلی را افزایش می دهد. اگرچه بسیاری از مدل های بهینه سازی برای تعیین طراحی مناسب برای سیستم پیش سیگنال ایجاد شده اند، اما به دلیل تصادفی بودن تقاضای ترافیک و محدودیت های فیزیکی محیطی تقاطع ها، معمولاً کاربرد مستقیم این مدل ها دشوار است.

شبیه سازی های عددی نشان می دهند که یک سیستم پیش سیگنال با پیکربندی ایده آل می تواند ظرفیت یک تقاطع با سه خط را به میزان 15 تا 50 درصد افزایش دهد [6، 15]. بازده عملیاتی تقاطع (مانند تاخیر یا تعداد توقف) با پیش سیگنال کمتر از تقاطع های معمولی است که درجه اشباع کمتر از 0. 9 باشد. با این حال، زمانی که تقاضای ترافیک به ظرفیت اولیه نزدیک می شود یا از آن فراتر می رود، سیستم پیش سیگنال می تواند کارایی نسبتاً بالایی را حفظ کند [16]. ظرفیت رزرو شده سیستم پیش سیگنال می تواند تا دو برابر طراحی معمولی باشد [7]. بر اساس مشاهدات میدانی در شنژن، ظرفیت تقاطع تقریباً 13٪ افزایش می یابد[14]. دلیل اصلی تفاوت بین مشاهدات و تئوری این است که رانندگان برای مقابله با دستورالعمل های ارائه شده توسط پیش سیگنال نیاز به دانش بیشتری دارند [20-21].

انتخاب استراتژی مرتب سازی تأثیر مهمی بر عملکرد سیستم پیش سیگنال دارد. بر اساس استراتژی های مرتب سازی برای منطقه مرتب سازی، روش های زمان بندی سیگنال دارای مرتب سازی پشت سر هم [5، 6، 15] و مرتب سازی مبادله فاز [7، 16] هستند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، مرتب سازی پشت سر هم ترافیک را در توالی LVها و تلویزیون های شرق/غرب تخلیه می کند و سپس به LVها و تلویزیون های جنوب/شمال سوئیچ می کند. هر دو LV و تلویزیون های یک رویکرد به صورت پشت سر هم در منطقه مرتب سازی ذخیره می شوند. طراحی استراتژی مرتب سازی تعویض فاز در شکل 3 نشان داده شده است. تحت این استراتژی مرتب سازی، فاز سبز اصلی بین جهات متقاطع "مبادله" می شود، که باعث می شود ترافیک به ترتیب LVهای شرق/غرب، جنوب/شمال منتهی شود. LV ها، تلویزیون های شرق/غرب و تلویزیون های جنوب/شمال. منطقه مرتب سازی باید در پایان هر مرحله اصلی فاز سبز کاملاً پاکسازی شود تا ترافیکی که قرار است در مرحله سبز اصلی بعدی سرویس دهی شود بتواند در مرحله مرحله سبز اصلی برای جهت عبور وارد منطقه مرتب سازی شود. حرکت صف با خطوط کمتر قبل از سیگنال پیش سیگنال می تواند زمان بیشتری برای ورود به منطقه مرتب سازی تحت طرح مرتب سازی پشت سر هم داشته باشد. با این حال، وسایل نقلیه ای که به جهات مختلف در منطقه مرتب سازی حرکت می کنند ممکن است یکدیگر را مسدود کنند، که ممکن است کارایی کلی را کاهش دهد. طراحی پشت سر هم نیاز به یک منطقه مرتب سازی طولانی تری برای ذخیره وسایل نقلیه در انتظار سبز اصلی دارد که باعث افزایش تاخیر می شود. وسایل نقلیه می توانند با استفاده از مدت زمان سبز جهت عبور تحت استراتژی مرتب سازی تعویض فاز وارد منطقه مرتب سازی شوند. استفاده زمانی و مکانی استراتژی مرتب سازی تعویض فاز بهتر از مرتب سازی پشت سر هم خواهد بود.