تاریخ انتشار: 23 اردیبهشت 1402
تاریخ ویرایش: آبان 10, 1402
نویسنده: modir1
No Comments

تعیین مدت زمان چرخه چراغ راهنمایی و رانندگی

چکیده: زمان بندی چراغ های راهنمایی و رانندگی یکی از مسائل مهم و البته چالش برانگیز در حوزه حمل و نقل شهری می باشد. هدف از کنترل تقاطعات به وسیله چراغ ایجاد سهولت در رفت و آمد و همچنین ایمن بودن آن است. همچنین افزایش کارایی تقاطعات که می توان آن را با معیارهایی مانند زمان سفر، طول صف، تعداد توقف ها و حتی جریان عبوری از تقاطع اندازه گیری کرد، یکی دیگر از این اهداف است.در این مقاله به معرفی و توضیح عوامل موثر بر طراحی سیکل چراغ راهنمایی و رانندگی پرداخته می شود.

چراغ راهنمایی از حرکت دائمی وسائل نقلیه در مسیرهای مختلف یک تقاطع جلوگیری می کند. ولی به طور کلی در صورت محاسبه صحیح زمان بندی آن، متوسط تاخیر وسائل نقلیه کمتر از زمانی خواهد بود که تقاطع بدون چرغ راهنمایی و رانندگی باشد. عوامل زیادی مانند ترکیب ترافیک، شیب مسیر، تعداد خطوط، حرکت های گردش به چپ و … در تعیین ظرفیت تقاطع و زمان بندی آن اثر دارند. در ادامه به بررسی این عوامل می پردازیم.

ترکیب ترافیک و اثر ترافیکی وسائل نقلیه:

وسائل نقلیه مختلف بر بار ترافیکی در تقاطعات تاثیر متفاوتی دارند. به همین دلیل، در محاسبه چراغ های راهنمایی و رانندگی و ظرفیت تقاطعات، باید ترکیب ترافیک از نقطه نظر درصد حضور وسائل نقلیه مختلف مشخص باشد. برای مقایسه و سنجش اثر ترافیکی وسائل نقلیه، خودروی سواری به عنوان واحد سنجش انتخاب شده و اثر آن یک (PCU: Passenger Car Unit) در نظر گرفته می شود و سپس برای سایر وسایل نقلیه نیز با توجه به ویژگی هایشان یک ضریب تبدیل در نظر گرفته می شود.

به عنوان مثال ضریب P.C.U یک دستگاه اتوبوس می تواند بین 2.5 تا 3.5 باشد. از آنجایی که حرکت گردش به چپ نقشی مهم در تعیین ظرفیت تقاطعات دارد، در صورت نبودن خط اختصاصی برای این حرکت، اثر ترافیکی وسائل نقلیه ای که به سمت چپ گردش می کنند باید افزایش یابد.

تردد اشباع:

حداکثر ظرفیت مسیرهای یک تقاطع را بر حسب تردد اشباع تعریف می کنند. ظرفیت اشباع هر مسیر از تقاطع عبارت است از حداکثر تردد وسائل نقلیه از خط توقف آن مسیر در مدت یک ساعت به فرض آنکه در تمام این مدت چراغ سبز باشد و وسائل نقلیه بتوانند پی در پی از صف وسائل نقلیه موجود در پشت خط توقف جدا شوند و بگذرند. تردد اشباع را می توان به کمک رابطه زیر به دست آورد.

$\displaystyle S=550*w*\frac{{P.C.U}}{h}$

$\displaystyle S$ : تردد اشباع بر حسب P.C.U در ساعت

$\displaystyle w$ : عرض مسیر به متر

این فرمول که نتیجه تحقیقات موسسه تحقیقات جاده انگلستان است، برای مسیرهای با عرض کمتر از 5/5 و بیشتر از 18 متر صادق نیست. چنانچه مسیری شیب داشته باشد، در ازای هر یک درصد شیب مقادیر حاصل از رابطه بالا نیاز به اصلاح دارد.

همانطور که گفته شد، وسائل نقلیه ای که قصد گردش به چپ را دارند بیش از وسائل نقلیه ای که به سمت راست گردش می کنند یا به صورت مستقیم حرکت خود را ادامه می دهند، بر روی تقاطع و ظرفیت آن اثر می گذارند. بنابراین در صورت وجود گردش به چپ مقادیر تردد اشباع حاصل از رابطه بالا باید اصلاح شود. در صورتیکه گردش به چپ همزمان با حرکت مستقیم انجام شود، ضریب 1/75 برای این رابطه لحاظ می شود، در غیر این صورت روابط زیر برای محاسبه تردد اشباع پیشنهاد شده است:

یک خط اختصاصی برای گردش به چپ:

$\displaystyle S=\frac{{1800}}{{1+\frac{{1.52}}{R}}}*\frac{{P.C.U}}{H}$

دو خط اختصاصی برای گردش به چپ:

$\displaystyle S=\frac{{3200}}{{1*\frac{{1.52}}{R}}}*\frac{{P.C.U}}{H}$

$\displaystyle R$ : شعاع گردش به چپ بر حسب متر

زمان سبز موثر، زمان تلف شده:

با شروع زمان سبز فاز، وسائل نقلیه ای که در زمان قرمز پشت خط توقف ایستاده بودند شروع به حرکت می کنند. به عبارت دیگر میزان تخلیه شدن تقاطع که با قرمز شدن چراغ به صفر رسیده بود، شروع به افزایش می کند و پس از مدتی به حد ثابتی می رسد. شکل زیر تغییرات میزان تخلیه را از شروع زمان سبز تا انتهای زمان زرد نشان می دهد.

سطح زیر منحنی در این شکل برابر است با مجموع وسائل نقلیه ای که در زمان سبز از خط توقف مسیر مورد نظر عبور کرده اند. اگر مستطیلی هم مساحت با این منحنی بسازیم، طوری که یک ضلع آن مساوی با میزان تخلیه حداکثر باشد، ضلع دیگر آن مساوی با زمانی است که آن را زمان سبز موثر می نامند. پس زمان سبز موثر در مسیری از یک تقاطع زمانی است که اگر میزان تخلیه از ابتدا تا انتهای آن حداکثر باشد در آن مدت همان تعداد وسائل نقلیه از مسیر مورد نظر عبور می کنند که در مدت زمان سبز حقیقی و زمان زرد عبور می کردند.

زمان از دست رفته، زمان تبف شده، زمان چرخه — در این شکل زمان های تلف شده، زمان سبز موثر، زمان سبز واقعی، زمان های زرد و قرمز و تغییرات میزان تخلیه در زمان سبز یک فاز نشان داده شده است.

زمان سبز موثر از مجموع زمان های سبز حقیقی و زمان زرد فاز مربوطه کوچکتر است. تفاضل مجموع زمان های سبز و زرد از زمان سبز موثر را زمان تلف شده می نامند.

این زمان تلف شده در واقع از دو قسمت تشکیل شده است که قسمت اول آن از ابتدای زمان سبز حقیقی تا ابتدای زمان زمان سبز موثر و قسمت دوم آن از انتهای زمان سبز موثر تا انتهای زمان زرد را شامل می شود. قسمت اول را تاخیر در شروع نیز می نامند.

با توجه به شکل بالا زمان سبز موثر به اضافه مجموع زمان های تلف شده ای که ذکر شد برابر است با زمان سبز حقیقی به علاوه زمان زرد:

$\displaystyle k+a=l+g$

$\displaystyle l=k+(g-a)$

$\displaystyle k$ : زمان سبز حقیقی

$\displaystyle l$ : زمان تلف شده

$\displaystyle a$ : زمان زرد

$\displaystyle g$ : زمان سبز موثر

زمان تلف شده در یک فاز بستگی به عوامل فیزیکی (طرح هندسی، دید رانندگان، شیب مسیر و ..) دارد. اگر چراغ راهنمایی طوری محاسبه شده باشد که بین فازها زمان تمام قرمز وجود داشته باشد زمان تلف شده دیگری به زمان تلف شده اضافه می شود. این زمان تلف شده در هر فاز برابر با $\displaystyle I-a$ که در آن $\displaystyle I$ زمان بین دو سبز می باشد. بنابراین کل زمان تلف شده در هر چرخه کامل را می توان با استفاده از رابطه زیر به دست آورد:

$\displaystyle L=n(I-a)+nl$

$\displaystyle L$ : مجموع زمان های تلف شده

$\displaystyle n$ : تعداد فازها

تعیین مناسب ترین مدت زمان چرخه:

مدت چرخه یک چراغ راهنمایی برابر است با فاصله زمانی از ابتدای زمان سبز یک فاز تا شروع مجدد زمان سبز همان فاز. این بازه زمانی به وضعیت فیزیکی تقاطع و ترافیک آن بستگی دارد. زمان سبز فاز مسیری از تقاطع که تردد وسائل نقلیه از آن زیادتر باشد و بار ترافیک آن بیشتر باشد طولانی تر در نظر گرفته می شود. منظور از بیشتر بودن بار ترافیک در اینجا نسبت تردد موجود در مسیر نسبت به تردد اشباع آن است.

اگر مدت زمان چرخه کوتاه در نظر گرفته شود چون زمان های تلف شده به این مدت بستگی ندارند نسبت زمان های تلف شده به زمان های مفید فازها زیاد خواهد شد. از طرف دیگر اگر زمان چرخه طولانی انتخاب شود ممکن است عبور وسائل نقلیه در مسیرهای تقاطع به حالت اشباع صورت نگیرد و فاصله زمانی عبور وسائل نقلیه به هنگام گذشتن از خطوط توقف مسیرهای مختلف، از فاصله زمانی عبور در حالت تردد اشباع زیادتر شود و در این صورت ضمن تلف شدن مقداری از زمان های مفید، به وسائل نقلیه نیز تاخیر زیادی وارد می شود.

مهم این است که مدت چرخه طوری انتخاب شود که متوسط تاخیر وارد بر وسائل نقلیه ای که از مسیرهای مختلف وارد تقاطع می شوند یا از آن عبور می کنند به حداقل برسد. مناسب ترین مدت زمان چرخه را می توان از رابطه زیر به دست آورد:

$\displaystyle {{C}_{0}}=\frac{{1.5L+5}}{{1-Y}}$

$\displaystyle {{C}_{0}}$ : مناسب ترین زمان چرخه

$\displaystyle L$ : مجموع زمان های تلف شده در یک چرخه

$\displaystyle Y$ : مجموع بزرگترین سنگینی ترافیک مسیر یا مسیرهایی که از یک فاز استفاده می کنند.

با توجه به آنچه گفته شد، مراحل مختلف برای تعیین طول چرخه یک چراغ راهنمایی با زمان ثابت برابر است با:

تعیین تردد وسائل نقلیه در ساعت طرح بر حسب P.C.U/h
تعیین تعداد فازهای چراغ بر حسب تعداد مسیرهای تقاطع و وضع حرکت و گردش وسائل نقلیه
انتخاب زمان مناسب بین دو سبز
محاسبه سنگینی ترافیک در مسیرهای مختلف
انتخاب بیشترین سنگینی ترافیک برای هر فاز
تعیین زمان تلف شده
محاسبه طول چرخه

حال که با مفاهیم مورد نیاز برای طراحی طول چرخه یک چراغ راهنمایی آشنا شدیم، به حل یک مثال عددی می پردازیم.

مشخصات ترافیکی در چهارراهی مطابق با جدول زیر است. در صورتیکه زمان بین دو سبز 8 ثانیه ، زمان زرد 3 ثانیه و تاخیر در شروع حرکت 2 ثانیه باشد، طول چرخه و زمان سبز هر فاز را تعیین کنید.

مسیر	تردد (P.C.U/h)	تردد اشباع (P.C.U/h)	سنگینی ترافیک (Y)
شمالی-جنوبی	500	1500	0.33
جوبی-شمالی	400	1200	0.33
شرقی-غربی	300	1200	0.25
غربی-شرقی	250	1250	0.2

با توجه به وضعیت ترافیک دو فاز برای این تقاطع در نظر گرفته می شود.

مجموع بزرگتربن سنگینی ترافیک فازها مطابق با جدول بالا برابر است با:

$\displaystyle Y={{Y}_{1}}+{{Y}_{2}}=0.33+0.25=0.58$

مجموع زمان های تلف شده در هر چرخه برابر است با:

$\displaystyle L=2*(8-3)+2*2=14$

پس طول چرخه چراغ برابر با مقدار زیر خواهد بود:

$\displaystyle {{C}_{0}}=\frac{{1.5*14+5}}{{1-0.58}}=62$

مجموع زمان های سبز موثر با توجه به مجموع زمان های تلف شده در هر چرخه برابر است با:

$\displaystyle {{G}_{t}}={{C}_{0}}-L=62-14=48$

برای به دست آوردن زمان سبز موثر در هر فاز مجموع زمان سبز موثر در هر چرخه را بین فازها به نسبت سنگینی ترافیک در هر فاز تقسیم می کنیم. به عبارت دیگر اگر $\displaystyle {{g}_{{NS}}}$ و $\displaystyle {{g}_{{EW}}}$ به ترتیب زمان های سبز موثر برای فازهای مربوط به تردد وسائل نقلیه از شمال به جنوب و برعکس و تردد وسائل نقلیه از شرق به غرب و بالعکس باشد، خواهیم داشت: