ТЕМА 11. СВІТЛОФОРНЕ РЕГУЛЮВАННЯ

11.1. Критерії застосування світлофорних об'єктів

Організація дорожнього руху (ОДР) на перетинах обумовлюється інтенсивністю руху транспортних потоків на них. У випадку, коли інтенсивність руху на перехресті відносно невелика, перехрестя може функціонувати як нерегульоване. У випадку, коли інтенсивність руху збільшується, організація руху на перехресті в одному рівні стає можливою лише при використанні світлофорної сигналізації (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Умови використання різних видів ОДР на перетинах

Насиченість засобами світлофорного регулювання є одним з основних параметрів, що характеризує ОДР і рівень облаштування вулично-дорожньої мережі (ВДМ). Під насиченістю засобами світлофорного регулювання розуміється кількість регульованих перехресть на кілометр ВДМ [70].

В даний час у містах України рівень насичення світлофорними об'єктами ВДМ значно нижче, ніж у містах Західної Європи, США, Канади. Разом з тим швидке збільшення автомобільного парку, що спостерігається в нашій країні, неминуче призведе до зростання рівня насичення засобами регулювання українських міст.

Таблиця 11.1

Насиченість транспортними засобами HCM 2000

Категорія вулиці	Середня швидкість руху, км/год	Кількість світлофорних об'єктів на кілометр
І	80	0,5
ІІ	65	2
ІІІ	55	4
ІV	45	6

11.2. Визначення пропускної здатності

Пропускна здатність ВДМ безпосередньо залежить від пропускної здатності елементів, з яких вона складається. При цьому найчастіше під пропускною здатністю якогось елементу ВДМ розуміється максимально можлива інтенсивність руху на даній ділянці.

Наприклад, W. McSchane [87] визначає пропускну здатність підходу до перехрестя як максимальну інтенсивність руху транспортного потоку на підході, що розглядається при переважаючих умовах регулювання, а також геометричних умовах і транспортної ситуації, що склалася.

В HCM 2000 [70] під пропускною здатністю розуміється максимально стійка інтенсивність руху, при якій транспортний або пішохідний потік проходить через певний перетин дороги при конкретному режимі регулювання, геометричних особливостей перетину та інших специфічних умовах руху.

Рис. 11.2. Геометричні елементи регульованого перехрестя та елементи управління транспортними та пішохідними потоками [125]

Пропускна здатність смуги руху на регульованому перетині виражається в автомобілях на годину (авт /год), легкових автомобілях на годину (прив.од /год), і визначається за формулою:

, (11.1)

де c_ij – пропускна здатність смуги i протягом фази регулювання j, прив.од./год;

s_ij – потік насичення смуги i протягом фази регулювання j, прив.од./год;

g_ej – ефективна довжина фази регулювання j, c;

C – довжина циклу регулювання, c.

Рис. 11.3. Приклади геометричного формування підходів до регульованого перехрестя: а) виділення спеціальних смуг для поворотних потоків; б) застосування острівців безпеки і каналізуючих острівців

На рис. 11.3 представлені приклади різних регульованих перехресть.

Очевидно, що пропускна здатність підходу до перехрестя може бути збільшена за рахунок введення додаткових виділених смуг руху для лівоповоротних і правоповоротних потоків, а також інших геометричних характеристик перетину (радіусів кривих, напрямних острівців і т.д.).

Відповідно до формули (11.1) крім геометричних параметрів, зміна яких відповідно до мінливої транспортної ситуації неможлива, на пропускну здатність регульованого перетину впливають потоки насичення s_ij, ефективна тривалість фаз g_ej і тривалість циклу регулювання C.

Перераховані параметри транспортного потоку і режиму регулювання будуть детально розглянуті у наступних розділах.

11.3. Конфліктні потоки

На перетинах конфліктні точки класифікуються як точки перетину, злиття і розгалуження транспортних потоків (рис. 11.4)

У точках злиття і перетину один з потоків, відповідно до схеми ОДР на перетині або правил руху, є головним, а інший - другорядним. При цьому пропускна здатність другорядних напрямків руху у розглянутих типах конфліктних точок залежить від інтенсивності руху головного потоку. З ростом інтенсивності руху головних потоків пропускна здатність на другорядних напрямках зменшується і може бути меншою, ніж інтенсивність руху другорядних напрямків. У таких випадках вже необхідне застосування світлофорного регулювання.

Проектування регульованого перехрестя починається з визначення кількості фаз, складання схем руху транспортних і пішохідних потоків в кожній з них. При цьому для кожної з фаз визначається, які потоки будуть рухатися без конфліктів, і які будуть здійснювати рух з конфліктами (рис. 11.4). Відповідно під конфліктними потоками розуміються такі, які під час руху в одній і тій же фазі будуть взаємодіяти у конфліктних точках.

Рис. 11.4. Конфліктні точки перетину, злиття та розгалуження транспортних потоків на перетинах доріг

Повертаючись ще раз до формули (11.1) слід підкреслити, що пропускна здатність як регульованого перехрестя в цілому, так і окремих його елементів (смуг руху, підходів до перетину), залежить від розподілу зеленого часу g_ej між фазами. Збільшення числа фаз дозволяє організувати рух транспортних і пішохідних потоків без конфліктів, підвищити безпеку руху на перетинах. Але при цьому збільшення числа фаз, як правило, призводить до зростання тривалості циклу регулювання та зменшення тривалості зелених сигналів у фазах. Відповідно зменшується пропускна здатність і зростають затримки транспортних засобів та пішоходів. Тому визначення кількості фаз та складання схем руху для кожної з них є найважливішим етапом проектування, що визначає раціональну структуру циклу регулювання.

11.4. Структура світлофорного циклу

Структура світлофорного регулювання характеризується поняттями: такт, фаза і цикл регулювання.

Тактом регулювання називається період дії певної комбінації світлофорних сигналів. Такти бувають основні і проміжні. У період основного такту дозволено (а в конфліктному напрямку заборонено) рух певної групи транспортних і пішохідних потоків. Під час проміжного такту виїзд на перехрестя заборонений, здійснюється рух транспортних засобів, водії яких не змогли своєчасно зупинитися біля стоп-лінії на підході до перехрестя. Здійснюється підготовка передачі права на рух наступній групі потоків. Зазначена підготовка означає звільнення перехрестя від транспортних засобів і пішоходів, що мали право на рух під час попереднього основного такту.

Рис.11.5. Структура світлофорного циклу:

а - з одним проміжним тактом в кожній фазі; б - з трьома проміжними тактами в першій фазі; 1 - 6 - номери тактів

Метою застосування проміжних тактів є забезпечення безпеки руху у перехідний період, коли рух попередньої групи потоків вже заборонено, а наступна група дозвіл на рух через перехрестя ще не отримала.

Фазою регулювання називається сукупність основного та проміжних тактів.

Зазвичай, число фаз регулювання відповідає числу найбільш завантажених конфліктних напрямків руху на перехресті. Мінімальне число фаз дорівнює двом (в іншому випадку відсутні конфліктуючі потоки, і необхідність у застосуванні світлофорів відпадає).

Циклом регулювання називається сукупність фаз, що періодично повторюються.

Під режимом світлофорного регулювання розуміють тривалість циклу, а також число, порядок чергування й тривалість складових цикл тактів і фаз. Режим світлофорного регулювання можна представити у вигляді суми:

(11.2)

де С - тривалість циклу регулювання, с;

g₁ ... g_n - тривалості основного такту, с;

I_n - тривалості проміжного такту, с;

n - число фаз.

Проміжний такт позначається жовтим сигналом для напрямків, де раніше (під час основного такту) здійснювався рух (рис. 11.5, а). Враховуючи, що в період дії жовтого сигналу можливий рух транспортних засобів, водії яких, перебуваючи у безпосередній близькості від стоп-ліній, не змогли своєчасно зупинитися в момент його включення, його тривалість t_ж не повинна бути менше 3 с. З іншого боку, з позицій безпеки руху (для запобігання зловживань водіями права проїзду на жовтий сигнал) його тривалість не роблять більше 4 с. Таким чином, 3≤ t_ж≤ 4.

Разом з тим, зустрічаються випадки, коли транспортному засобу, який проїхав стоп-лінію у момент вимикання сигналу, що дозволяє рух, потрібно для звільнення зони перехрестя більше 4 с. Це може бути викликане широкої проїжджою частиною в зоні перехрестя або порівняно низькою швидкістю транспортних засобів. У таких випадках після основного такту, як правило, включаються послідовно два проміжні: після закінчення 4 с. жовтий сигнал у напрямку, що розглядається, замінюється на червоний. У поперечному (конфліктуючому) напрямку продовжує діяти червоний сигнал, який замінюється на поєднання червоний з жовтим безпосередньо перед включенням зеленого сигналу (за 3 - 4 с). Таким чином, на перехресті протягом певного часу може в усіх напрямках діяти червоний сигнал (рис. 11.5, б).

Проміжні такти (див. рис. 11.5) утворюють перехідні інтервали. Структура перехідного інтервалу може бути і більш складною. Це залежить від конфігурації перехрестя, параметрів транспортних та пішохідних потоків, від прийнятої схеми організації руху. З метою зниження транспортної затримки тривалість перехідних інтервалів не призначають більше 8 с. При великих значеннях перехідних інтервалів слід розглядати можливість облаштування проміжних стоп-ліній. У наступних розділах буде описана процедура визначення необхідної тривалості проміжного інтервалу.

11.5. Ефективна тривалість фази і втрачений час у фазі

Протягом фази регулювання транспортні засоби рухаються в період горіння сигналу, що дозволяє рух, g (рис. 11.6).

У період проміжного такту I інтенсивність руху у перетині стоп-ліній поступово падає до нуля. Разом з тим, на початку основного такту транспортні засоби, що очікують сигнал, який дозволяє рух, починають рух з деякою затримкою, це пов'язано з реакцією водія на сигнал та з розгоном транспортних засобів. При цьому інтенсивність руху V у перетині стоп-ліній поступово наростає і досягає через деякий час приблизно постійного значення S, рівного пропускній спроможності даного напрямку.

Затримка в русі на початку такту g називається стартовою затримкою l₁. Це втрачений час у фазі, так як рух в цей період, практично, відсутній.

До втраченого часу слід віднести і проміжний такт за вирахуванням часу e - «прориву» на жовтий сигнал транспортних засобів, що не змогли своєчасно зупинитися біля стоп-ліній.

Таким чином, рух починається пізніше моменту включення сигналу, що дозволяє рух, і закінчується пізніше моменту його закінчення. Час, протягом якого фактично здійснюється рух, називається ефективною тривалістю фази g_e.

Рис.11.6. Ефективна тривалість фази

На рис. 1.6 показаний процес роз'їзду черги нескінченної довжини протягом фази регулювання (повністю насичена фаза). Число транспортних засобів, які залишили перехрестя в середньому протягом g_e, дорівнює числу транспортних засобів, які залишили перехрестя за час фази. Тоді інтенсивність руху у перетині стоп-ліній в даному напрямку може бути представлена прямокутником з висотою S, основою якого є g_e.

Втрачений час у фазі t_L = l₁ + I - e, а тривалість фази (g + I) дорівнюватиме сумі ефективної її тривалості (ge + tL).

Показник S є максимальною інтенсивністю роз'їзду черги при повністю насиченій фазі. Саме цей параметр транспортного потоку у спеціальній літературі отримав назву потоку насичення.

Повністю насичені фази спостерігаються при високій інтенсивності руху, зазвичай, в години пік. У більшості випадків при включенні зеленого сигналу черга спочатку роз'їжджається, а потім транспортні засоби рухаються вільно. Тому потік насичення зазвичай визначається як інтенсивність роз'їзду черги транспортних засобів, раніше зупинених заборонним сигналом.

Втрачений час у циклі регулювання L складається з втрачених часів у кожній його фазі:

, (11.3)

де i - номер фази.

Експериментальні дослідження показали, що e в середньому більше l₁ на 1с, тобто, ефективна тривалість фази дещо більша тривалості сигналу, який дозволяє рух. Однак для практичних розрахунків зазвичай приймають l₁ ≈ е_і, таким чином, t_L ≈ I. Тому втрачений час у циклі можна приблизно вважати рівним сумі проміжних тактів (перехідних інтервалів), що входять до складу циклу.

На рис. 1.6 показано, що дійсні тривалості основних тактів регулювання (зелений або червоний сигнали) відрізняються від їх ефективних тривалостей, протягом яких фактично здійснюється або не здійснюється рух. Рис. 1.7 більш детально ілюструє взаємодію між такими параметрами, як ефективні тривалості інтервалів регулювання, а також їх дійсними інтервалами та величиною перехідного інтервалу [125].

Важливо правильно розуміти взаємозв'язок між дійсними інтервалами тактів регулювання (зелений, жовтий і червоний сигнали) і ефективними інтервалами зеленого і червоного сигналів. Як показано на рис.1.7, втрачений час у фазі віднімається з моменту початку дійсного зеленого часу (основного такту).

Таким чином, невелика частка зеленого сигналу G_i стає частиною ефективного червоного часу. Ця частка дорівнює величині втраченого часу у фазі t_L. При цьому, продовження ефективного зеленого часу можна змістити до кінця дії перехідного інтервалу (жовтий + повністю червоний), Y_i. Таким чином, для будь-якої групи руху ефективний зелений час обчислюється за формулою (11.4), а ефективний червоний час - за формулою (11.5) [70]:

, (11.4)

. (11.5)

				Перехідний інтервал					Перехідний інтервал
	Фактичні інтервали
	Зелений сигнал			Жовтий			Червоний сигнал
	Червоний сигнал						Зелений сигнал		Жовтий
	Зелений сигнал			Жовтий			Червоний сигнал
	Червоний сигнал						Зелений сигнал		Жовтий
	Ефективна тривалість інтервалів
		Ефективний зелений час			Ефективний червоний час
	Ефективний червоний час							Ефективний зелений час
		Ефективний зелений час			Ефективний червоний час
	Ефективний червоний час							Ефективний зелений час
	Потік насичення на підходах А і В			Потік насичення на підходах Б і Г
	Визначення втраченого часу у фазі (підхід А)
A	G			Y			R
A	l1			e		l2	R
A	tL		Ge				R
A	Re		Ge				Re

Рис. 11.7. Взаємозв'язок між дійсними і ефективними інтервалами фактів регулювання

Спрощена концепція використання всіх складових втраченого часу у фазі на початку фази є раціональною при аналізі працездатності досить складних режимів регулювання, наприклад, з поєднанням для деяких напрямків конфліктного і безконфліктного рухів. Загальним правилом при цьому є те, що втрачений час у фазі t_L використовується на початку руху кожної групи. Таким чином, у випадках, коли рух в одному напрямку здійснюється з поєднанням конфліктного і безконфліктного рухів, початок руху в цьому напрямку має місце всього один раз. На рис. 11.8 представлено моделювання складної ситуації з поєднанням наступних типів руху: 1) безконфліктне + конфліктне; 2) конфліктне + безконфліктне (класичне визначення таких типів руху у зарубіжній літературі відповідно: "рух з випередженням" і "рух із запізненням"). У розглянутому прикладі лівоповоротні руху з підходів на схід (EB) і на захід (WB) здійснюються без конфлікту відповідно у фазах 1а і 1в, і з конфліктом у загальній фазі - 1б.

Рис.1.8. Застосування втраченого часу при регулюванні за напрямками з поєднанням рухів з конфліктом і без конфлікту

Питання про те, як багато втраченого часу має бути враховано, для даного прикладу вирішується таким чином:

- у фазі 1а, зі східного (спрямованого на схід) підходу прямий і лівоповоротний потоки починають рух. Втрачений час застосовується до обох рухів.

- у фазі 1б, з підходу триває рух прямого і лівого напрямів – втрачений час не використовується. З підходу, спрямованого на захід (західний підхід), прямий і лівоповоротний потоки починають рух – втрачений час застосовується до обох рухів.

- у фазі 1в тільки прямий і лівоповоротний потоки з західного підходу продовжують рух – втрачений час не застосовується.

- у фазі 2, з північного і південного підходів починається рух, і втрачений час використовується для обох напрямків.

Контрольні питання

1. Що розуміється під конфліктними точками, і які види конфліктних

точок бувають?

2. Що розуміється під циклом світлофорного регулювання?

3. Перелічіть складові світлофорного циклу?

4. Чим фактична тривалість зеленого сигналу відрізняється від його ефективної тривалості?