Dopravní inženýrství - časopis o dopravní problematice

INES+ Nový způsob pro inteligentní plošné řízení

Dipl.-Ing. Tilmann Wauer (Schlothauer & Wauer GmbH & Co. KG, t.wauer@schlothauer.de)

Asi žádný pojem z dopravního inženýrství není v současné době tak populární jako pojem plošné (síťové) řízení světelnou signalizací (SSZ). Jelikož plošné řízení není samo o sobě ničím novým, u provozovatelů světelné signalizace vzniknou v souvislosti s novým způsobem ihned otázky jako „jaká zlepšení nový systém nabízí?“, „jaký je poměr cena-výkon (nákladů k užitku)?“ a „jak jistě a spolehlivě systém funguje?“

Aby bylo možné na tyto otázky odpovědět, je potřeba v první řadě analyzovat, jaké rezervy jsou v existujících reálných systémech řízení světelnou signalizací. Vyjdeme-li ze skutečnosti, že ve městech funguje většina SSZ jako koordinované, znamená to v praxi následující situaci: většinou byly již před časem zavedeny koordinované signální programy, buď jako pevné nebo dynamické (dopravně závislé). Podle zkušeností provozovatele SSZ s denním průběhem dopravního zatížení (denními variacemi) jsou nasazovány příslušné programy podle zadaného časového nastavení. Pokud nejsou od obyvatelstva nebo od komunálních politiků na světelné řízení stížnosti, k pravidelné optimalizaci řízení dochází jen zřídkakdy, většinou jen při změnách dopravních poměrů nebo tehdy, když se korigují zjištěné nedostatky původních programů. V optimalizaci stávajícího koordinovaného řízení, ať už se jedná o pevné nebo dynamické řízení, se tak podle zkušeností nabízejí značné rezervy pro zlepšení.

Další potenciál pro zlepšení spočívá ve změně pevného časového nastavení programů na nastavení podle aktuálních dopravních stavů. Pokud se skutečný denní průběh dopravy odlišuje od denních variací odvozených z historických dat (například při rekreační dopravě závislé na počasí, různých výstavách, slavnostech a podobných akcích, zvláštních otvíracích dobách obchodů, začátcích prázdnin apod.), výkonnost právě aktivního signálního programu neodpovídá aktuálním požadavkům dopravy. Dopravně závislé (dynamické) řízení jednotlivých křižovatek je omezeno tím, že může přerozdělovat zelené pouze v rámci zadaného cyklu řízení pro koordinaci a zpravidla „neví, co se děje v okolí“. Takto nevyužitý výkonnostní potenciál může být řešen dopravně závislým plošným řízením (Netzsteuerung), nadřazeným jednotlivým křižovatkám.

Firma Schlothauer & Wauer realizovala projekty plošného řízení, založené na dopravně závislé volbě programů (VAPW - verkehrsabhängige Programauswahl) od různých dodavatelů řídicích centrál (například Jena a Berlín se systémem TASS [Traffi c Actuated Signal Plan Selection] fi rmy Siemens, spolkové silnice B91 a B181 v oblasti Merseburg, Dessau, Cottbus a Herford se systémem fi rmy M-Uni- Comp). Ty po pečlivém nastavení příslušných parametrů přinesly dobré až velmi dobré výsledky.

Podmínkou pro úspěšnost těchto systémů, které pracují s překračováním nebo nedosahováním prahových hodnot jednotlivých strategických detektorů, je mimo jiné správná poloha strategických detektorů, intenzívní dopravní šetření pro kalibraci prahových hodnot, rychlá reakce na poruchy detektorů a optimální způsob přepínání mezi jednotlivými programy, aby se předešlo vzniku front vozidel při změně programů v důsledku dlouhé synchronizace nově vybraných programů.

Pokud jsou tyto systémy špatně nakalibrovány nebo neudržovány, může při vyhodnocování dopravních stavů docházet k chybným reakcím, což může často vést až k vypínání těchto systémů.

Nedostatky dopravně závislé volby programů (VAPW) spočívají především v následujícím:

  • Plošné řízení je závislé pouze na hodnotách z jednotlivých měřicích míst.
  • Posouzení, zda aktuální volba programů pro všechny křižovatky v dotčené síti vycházející z empirické metody je skutečně ta nejvhodnější, se nekoná, čímž mohou v kritických bodech sítě vznikat kapacitní problémy.
  • Nelze provádět krátkodobou prognózu - hodnocení řízení pro celou síť (například podle stupňů saturace, zdržení, cestovních dob).
  • Cílená optimalizace podle určitých cílových funkcí není možná.
  • Optimalizace určitých parametrů pro lokální mikroskopické řízení je možná jen omezeně.
  • Neomezeně volná formulace logických závislostí není možná.
  • Předchozí simulace celého systému před jeho nasazením není možná, protože algoritmy pro simulační systémy nejsou přístupné.
  • Řídicí systémy jsou svázány s ústřednami jednotlivých firem.

Aby byl dopravním inženýrům k dispozici systém nezávislý na fi rmách a bez výše uvedených nedostatků, vyvinula fi rma Schlothauer & Wauer systém INES+. Cílem vývoje nebylo vytvořit softwarový monolit jako „černou skříňku“ s množstvím nastavitelných parametrů pro všechny způsoby použití. Spíše bylo snahou umožnit tvorbu logiky pro plošné řízení (obdobně jako při vytváření logiky pro dynamické řízení pro jednu křižovatku) s podporou obsáhlé knihovny komplexních funkcí a modulů jako krátkodobá prognóza, dopravní stav v úseku apod. Důvodem pro vývoj INES+ byly mimo jiné také praktické zkušenosti s dosud existujícími postupy co se týče jejich fl exibility. Praxe ukazuje, že na koordinovaných tazích v historicky vyvinutých městech je třeba stále více zohledňovat různé situace, což je nejlépe možné logikou specifi ckou pro každé místo.

obrázek č. 1

INES+ je principiálně tvořen následujícími komponenty:

  1. INES+ projektový nástroj (Planungstool) k vytváření nutných základních dat, vývojové prostředí pro logiku, rozsáhlá knihovna funkcí a rozhraní pro export.
  2. INES+ Základní algoritmus (Basisalgorithmus), který se používá pro konkrétní úpravy pro každý projekt, příp. optimalizační postupy.
  3. INES+ on-line ústředna (Onlinezentrale), která zpravidla běží na samostatném počítači pro síťové řízení (Netzsteuerungsrechner), je zásobována daty z 1. a přes odpovídající datové rozhraní (například OCIT-PD) komunikuje s centrálním (dopravním řídicím) počítačem. INES+ ústředna je webově orientována, takže s příslušnými přístupovými právy je přístupná z obslužné úrovně (Bedienoberfl äche) prostřednictvím Internet Exploreru.

Jak INES+ on-line řízení, tak řízení jednotlivých křižovatek se softwarem vytvořeným z LISA+ disponují rozhraním k mikrosimulačnímu programu VISSIM, takže je možné off-line simulací testovat a kalibrovat celý systém před jeho nasazením. Tím je možné předejít dlouhému zkušebnímu provozu. Následující schéma představuje systém INES+.

V systému INES+ se řízená síť zpodobňuje jako model a je rozdělena do jednotlivých oddílů. Každému oddílu se zadávají četné charakteristiky (délky zelených, existující zatížení, rychlost jízdy jakož i krátkodobá prognóza vývoje zatížení). S pomocí fuzzy-funkce (náhodnostní, neurčitostní funkce) může být dopravní situace v každém oddílu rozdělena do úrovní kvality dopravy (od „slabá doprava“ přes „běžná doprava“ až po „kongesce“).

Hlavní cílovou funkcí základního algoritmu INES+ je dosáhnout optimálního stupně vytížení v řízené oblasti. Kromě toho se také přihlíží k minimalizaci cestovních dob nebo minimalizaci průměrného zdržení.

INES+ posuzuje v pevně zadaném intervalu dopravní situaci v řízené síti, simuluje alternativy k dosažení optimálních parametrů a vypočtené hodnoty posílá pro řízení do dopravního řídicího počítače, který je dále předává do řadičů nebo dává podněty ke změně řídicích parametrů.

obrázek č. 2

Základní algoritmus INES+ rozděluje existující rezervy kapacity (pomocí změn a posunů priorit maximálních zelených na křižovatkách). INES+ dále nalézá zatížené směry pro koordinaci a volí odpovídající strategii. INES+ přizpůsobuje kapacitu na existující nebo krátkodobě prognózované zatížení (přepínání programů na úsecích nebo v dílčích sítích, zkracování nebo prodlužování délky cyklu řízení). INES+ redukuje počet zastavení v koordinovaných úsecích (přizpůsobením offsetů - časových odstupů vzájemně navazujících zelených).

Vztahy mezi lokálním a plošným řízením s INES+ jsou znázorněny v následujícím schématu.

Výhody

Výhody INES+ jsou v následujících bodech:

  • Ve fázi projektování SSZ může projektant s objednatelem ověřovat simulací všechny kroky a rozhodování navrhovaného algoritmu.
  • Znázorňování sítě náchylné k chybám kvůli rozvrhovacím výpočtům nebo maticím zdroje-cíle není nutné. Jednotlivé oddíly jsou posuzovány „jakoby“ soběstačně. Zdlouhavá kalibrace prahových hodnot odpadá vyrovnáváním zelených a zatížení.
  • Pracné ošetřování nebo jemné dokalibrování po uvedení do provozu a s tím spojené náklady zpracovatele nejsou nutné. Systém se stabilizuje a vylepšuje trvale sám s pomocí ukládání historických dat a kontroluje přitom věrohodnost všech svých rozhodování.

Uvedení do praxe

Systém INES+ je úspěšně nasazen v provozu v Hamburku a Augsburgu. V obou městech bude vzhledem k velmi dobrým zkušenostem řízená oblast rozšiřována o další území. V dalších městech v Německu bude systém nasazen v letošním roce (2009).

Další informace Vám rádi poskytneme.

SCHLOTHAUER & WAUER
Ingenieurgesellschaft für Strassenverkehr mBH & Co. KG
Ehrenbergstrasse 20
D-10245 Berlin
Tel. +49 30 93 66 72 0
info@schlothauer.de
www.schlothauer.de

INES+ Ein neues Verfahren für eine intelligente Netzsteuerung

Dipl.-Ing. Tilmann Wauer (Schlothauer & Wauer GmbH & Co. KG, t.wauer@schlothauer.de)

Kaum ein Fachbegriff in der Straßenverkehrstechnik ist derzeit so populär wie der Begriff Netzsteuerung. Da die Netzsteuerung an sich nicht neu ist, stehen für den Betreiber von Lichtsignalanlagen in Verbindung mit neuen Verfahren sofort die Fragen im Raum: „Welche Verbesserungen bringt dieses System?“, „Wie verhält sich der Aufwand zum Nutzen?“ und „Wie sicher und zuverlässig funktioniert das System?

Um diese Fragen beantworten zu können, ist vorrangig zu analysieren, wo die Reserven der vorhandenen realen Signalsteuerungssysteme liegen. Ausgehend von der Tatsache, dass in Verkehrsballungsgebieten der Städte die meisten Anlagen koordiniert sind, stellt sich in der Praxis die Situation wie folgt dar: Meist wurden vor geraumer Zeit koordinierte Signalpläne als Festzeitpläne oder/und als verkehrsabhängige Pläne installiert. Entsprechend den Erfahrungen des Betreibers der Signalanlagen bezüglich der tageszeitlich schwankenden Verkehrsbelastung werden die relevanten Programme nach einem festgelegten Zeitregime geschaltet. Solange es keine Beschwerden seitens der Bevölkerung bzw. der Kommunalpolitik gibt, wird nach der Umsetzung der Planungen nur in wenigen Fällen eine regelmäßige Optimierung der Steuerungen vorgenommen, die den eventuell veränderten Verkehrsverhältnissen entspricht oder einfach nur Qualitätsmängel der ursprünglichen Planung korrigiert. Mit einer Überarbeitung vorhandener koordinierter Steuerungen, unabhängig davon ob sie als Festzeitsteuerung oder verkehrsabhängige Steuerung realisiert wurden, können erfahrungsgemäß erhebliche Reserven an Leistungsfähigkeit erschlossen werden.

Ein weiteres Reservepotential liegt in der Anpassung der starren Programmschaltuhren an den jeweils aktuellen Verkehrsverlauf. Weicht die Ganglinie des realen Verkehrsaufkommens oft von der aus historischen Daten ermittelten Bezugsganglinie ab (beispielsweise bei wetterabhängigem Ausfl ugsverkehr, Veranstaltungen, Sonderöffnungszeiten, Ferienbeginn, usw.), entspricht die Leistungsfähigkeit des aktiven Signalplanes nicht mehr den Anforderungen des Verkehrsaufkommens. Hier liegen die Grenzen der lokalen verkehrsabhängigen Steuerungen, die das Potential an Freigabezeiten nur innerhalb der koordinierten Umlaufzeit verteilen könne und in der Regel nicht über ihr unmittelbares Umfeld hinausblicken können. Das hierdurch ungenutzte Leistungspotential kann durch eine übergeordnete verkehrsabhängig agierende Steuerung (Netzsteuerung) erschlossen werden.

Die durch Schlothauer & Wauer realisierten Netzsteuerungsprojekte, die auf Verfahren der verkehrsabhängigen Programauswahl (VAPW) verschiedener Zentralenhersteller basieren (z.B. in Jena und Berlin mit TASS der Firma Siemens, auf den Bundesstraßen B91 und B181 im Raum Merseburg, in Dessau, Cottbus und Herford mit dem System der Firma M-UniComp,...) erbrachten nach sorgfältiger Einstellung der möglichen Parameter gute bis sehr gute Ergebnisse. Die Bedingungen für den Erfolg dieser Systeme, die eine Programmauswahl nach Über- bzw. Unterschreitung von Schwellwerten einzelner Strategiedetektoren treffen, sind unter Anderem die richtige Lage der Strategiedetektoren, intensive Verkehrsbeobachtungen zur Schwellwertjustierung, schnell reagierende Rückfallebenen bei Detektorstörungen und lokale Steuerungen, die Programme optimiert umschalten, so dass es zu keinen Stauerscheinungen durch lange Synchronisierungsprozesse kommt.

Werden diese Systeme schlecht kalibriert und nicht gepfl egt, kann es zu Fehleinschätzungen kommen, in deren Folge es an anderer Stelle häufi g zur Abschaltung der Systeme kommt.

Die Nachteile der VAPW bestehen im Wesentlichen darin:

  • Die Netzsteuerung ist nur von den Werten einzelner Messpunkte abhängig.
  • Die Betrachtung, ob die nach empirischer Methode aktuell getroffene Programmwahl für alle Knoten des entsprechenden Netzes am besten geeignet ist, fi ndet nicht statt, wodurch es an neuralgischen Punkten zu Leistungsfähigkeitsproblemen kommen kann.
  • Eine vorausschauende Bewertung der Steuerung im gesamten Netz (z.B. nach Sättigungsgrad, Wartezeiten, Reisezeiten) kann nicht vorgenommen werden.
  • Die gezielte Optimierung nach bestimmten Zielfunktionen ist nicht möglich.
  • Die Optimierung bestimmter Parameter der lokalen mikroskopischen Steuerung ist nur bedingt möglich.
  • Die uneingeschränkte freie Formulierung logischer Zusammenhänge ist nicht gegeben.
  • Eine Simulation des Gesamtsystems im Vorfeld der Umsetzung ist nicht möglich, da die Algorithmen der Verfahren für Simulationssysteme nicht zugänglich sind.
  • Die Verfahren sind an die Zentralen der jeweiligen Firmen gebunden.

Um den Verkehrsingenieuren ein fi rmenunabhängiges System ohne die oben genannten Nachteile zur Verfügung zu stellen, wurde von Schlothauer & Wauer das System INES+ entwickelt. Das Ziel der Entwicklung bestand weniger darin, einen Softwaremonolith als Blackbox mit einer Vielzahl von einstellbaren Parametern für alle Anwendungsfälle zu schaffen. Vielmehr stand im Vordergrund, ähnlich der Planung einer freien verkehrsabhängigen Logik für eine Knotensteuerung mit Unterstützung einer umfangreichen Funktionsbibliothek von komplexen Funktionen und Modulen wie Kurzzeitprognose, Verkehrszustand im Abschnitt, etc. ebenfalls eine Logik für eine Netzsteuerung formulieren zu können. Gründe für die Entwicklung von INES+ waren unter anderem auch die praktischen Erfahrungen mit den bisher zur Verfügung stehenden Verfahren bezüglich deren Flexibilität. Die Praxis zeigt, dass auf koordinierten Strecken in den historisch gewachsenen Städten immer wieder ganz unterschiedliche Situationen zu berücksichtigen sind, die man am besten mit projektspezifi sch erweiterten Logiken berücksichtigen kann.

Schema Nr. 1

INES+ besteht prinzipiell aus folgenden Komponenten:

  1. INES+ Planungstool zur Versorgung der notwendigen Basisdaten, einer Entwicklungsumgebung für die Logik, einer umfangreichen Funktionsbibliothek und einer Exportschnittstelle
  2. INES+ Basisalgorithmus, auf den projektspezifi sche Anpassungen bzw. weitere Optimierungsverfahren aufsetzen
  3. INES+ Onlinezentrale, die in der Regel auf einem separaten Netzsteuerungsrechner online läuft, vom INES+ Planungstool versorgt wird und über die entsprechende Prozessdatenschnittstelle (z.B. OCIT-PD) mit einem zentralen Rechner kommuniziert. Die INES+ Onlinezentrale ist webbasiert, so dass mit den entsprechenden Zugriffsrechten über einen Internetexplorer auf die Bedienoberfl äche zugegriffen werden kann.

Sowohl die INES+ Onlinesteuerung als auch die mit LISA+ geplanten Einzelknotensteuerungen besitzen eine Schnittstelle zu dem Simulationsprogramm VISSIM, so dass es möglich ist, das komplette System mit Hilfe der Simulation im Vorfeld der Realisierung offl ine zu testen und zu justieren. Lange Zeiten des Probebetriebs werden dadurch vermieden. Die nachfolgende Darstellung veranschaulicht das System INES+.

Im System INES+ wird das zu steuernde Straßennetz als Modell abgebildet, wobei eine Aufteilung des Netzes in einzelne Abschnitte vorgenommen wird. Einem Abschnitt werden zahlreiche Eigenschaften zugewiesen (gemessene Freigabezeit, vorhandene Belastung, Geschwindigkeit sowie Kurzzeitprognose der Belastungsentwicklung). Mit Hilfe eines Fuzzy-Regelwerks kann die Verkehrssituation in jedem Abschnitt in Qualitätsstufen (von „wenig Verkehr“ über „normaler Verkehr“ bis „Stau“) eingeteilt werden.

Die hauptsächliche Zielfunktion des INES+ Basisalgorithmus besteht darin, für einen zu regelnden Bereich den optimalen Auslastungsgrad zu schalten. Daneben werden auch die Minimierung der Reisezeit oder die Minimierung der mittleren Wartezeit betrachtet.

In einem festgelegten Intervall überprüft INES+ die Verkehrssituation im Netz, simuliert Alternativen zwecks Findung der optimalen Parameter und übergibt die Schalt- bzw. Versorgungswünsche an den Verkehrsrechner, der diese an die Steuergeräte weiterleitet bzw. Parameteränderungen veranlasst.

Schema Nr. 2

Der INES+ Basisalgorithmus verteilt vorhandene Leistungsreserven (mittels Änderung und Verschiebung der Prioritäten von maximalen Freigabezeiten an Knotenpunkten). INES+ erkennt Lastrichtungen in einer Koordinierung und wählt die passende Strategie. INES+ passt die Leistungsfähigkeit an die vorhandene bzw. die prognostizierte Verkehrsbelastung an (Programmumschaltung auf Streckenzügen und in Teilnetzen, Verringerung oder Erhöhung der Umlaufzeit). INES+ reduziert die Anzahl von Halten in der Koordinierung (Anpassung des Versatzes in der Koordinierung).

Prinzipiell stellen sich die Beziehungen zwischen lokaler Steuerung und Netzsteuerung bezogen auf INES+ entsprechend nachfolgender Skizze dar.

Die Vorteile

Die Vorteile von INES+ sehen wir in folgenden Punkten:

  • In der Planungsphase kann der Planer mit dem Auftraggeber durch die Möglichkeit der Simulation alle Schritte und Entscheidungen des Algorithmus genau verfolgen.
  • Eine fehleranfällige Abbildung des Netzes durch Annahmen aus Umlegungsberechnungen oder Quell/Ziel-Matrizen ist nicht notwendig. Die Abschnitte werden „quasi“ autark betrachtet. Eine langwierige Kalibrierung von Schwellwerten entfällt durch den Vergleich von Freigabezeit und Belastung.
  • Eine aufwändige Betreuung bzw. Feinjustierung nach Inbetriebnahme und die damit einhergehende Bindung von Ressourcen durch Sachbearbeiter sind nicht notwendig. Das System verbessert und stabilisiert sich permanent selbst durch das Speichern historischer Daten und kontrolliert dabei alle Entscheidungen auf Plausibilität.

Implementationen

Das System INES+ ist mit Erfolg in der Hansestadt Hamburg und in Augsburg im Einsatz. In beiden Städten wird das zu regelnde Gebiet auf Grund der sehr guten Erfahrungen um weitere Bereiche erweitert. In weiteren Städten im Bundesgebiet wird es in diesem Jahr zum Einsatz kommen.

Weitere Informationen erhalten Sie gerne bei uns.

SCHLOTHAUER & WAUER
Ingenieurgesellschaft für Straßenverkehr mbH & Co. KG
Ehrenbergstraße 20
10245 Berlin
Tel:: +49(0)30 93 66 72-0
Fax: +49(0)30 93 66 72-20
info@schlothauer.de
www.schlothauer.de

Překlad

Ing. Jan Adámek

Komentář lektora

Článek je základním představením a charakteristikou nového systému inteligentního plošného řízení světelnou signalizací INES+, vyvinutého fi rmou Schlothauer & Wauer v Berlíně. Systém nabízí zajímavý nástroj pro dopravní inženýry pro projektování tohoto řízení. Významným pozitivním rysem je, že je možné použít jej jako inteligentní nadstavbu ke stávajícím systémům plošného (a ze své podstaty pravděpodobně i liniového) řízení.

Ing. Jan Adámek, TSK Praha

zpět na články

nahoru