Двухуровневое многокритериальное управление улучшает характеристики магистрали через пространственно-временную оптимизацию предсигнализированных перекрёстков

Почему это важно для городских водителей

Каждый, кто когда-либо полз по городу в час пик, знает: перекрёстки часто превращаются в узкие места, где теряются время и топливо. В этом исследовании предлагается способ повысить эффективность уже существующих дорог без строительства новых. Добавив дополнительный светофор вверху по потоку перед загруженным перекрёстком и координируя такие устройства умнее, в двух уровнях, авторы показывают, что города могут пропускать больше автомобилей с меньшими задержками и менее длительными заторами, обеспечивая более плавное и экологичное движение по основным коридорам.

Новый взгляд на светофоры

Исследование сосредоточено на системе «предсигнала». Вместо того чтобы каждая полоса на перекрёстке была закреплена за одной фиксированной манёвром (например, только левый поворот), короткий участок дороги перед стоп-линией превращается в гибкую зону ожидания. Небольшой upstream-светофор дозирует поток в эту зону волнами: сначала — повороты налево, затем — прямое движение и так далее. Главный светофор на перекрёстке затем выпускает каждую группу равномерными интенсивными потоками. Такой подход позволяет многократно использовать один и тот же участок проезжей части для разных движений в рамках одного цикла, заметно увеличивая пропускную способность без расширения дороги.

Когда умные идеи сталкиваются с реальными магистралями

Большинство предыдущих работ рассматривало предсигналы по одному перекрёстку. На отдельном узле метод способен увеличить пропускную способность на 15–50 процентов при большой нагрузке. Но вдоль магистрали с несколькими перекрёстками подряд дополнительная ёмкость может сыграть злую шутку. Зона ожидания между предсигналом и главным светофором создаёт то, что авторы называют «вторичной очередью»: автомобили скапливаются в этом «кармане» так, что нарушают плавные, волнообразные группы транспортных средств, на которых основана традиционная координация «зелёной волны». Если потоки плохо согласованы, очереди отступают назад, блокируют upstream-светофоры и теряют зелёное время, которое должно было продвигать движение вперёд.

Двухслойный «мозг» для загруженных улиц

Чтобы справиться с этим, авторы разработали двухуровневую схему управления, по сути дав коридору двухслойный «мозг». Нижний уровень фокусируется на каждом предсигнализированном перекрёстке в отдельности. Он определяет длительности фаз, порядок фаз и синхронизацию upstream- и главных сигналов во времени так, чтобы зона ожидания заполнялась и опорожнялась безопасно, не переполняясь. Верхний уровень рассматривает несколько перекрёстков вдоль магистрали и настраивает общий цикл и смещения между узлами, чтобы создать работоспособную зелёную волну, учитывающую происходящее внутри каждой зоны ожидания. Вместе эти уровни координируют как микроскопические очереди, так и макроскопическое продвижение потока.

Дадим компьютеру искать баланс

Поскольку реальное движение хаотично, а новая система балансирует между конкурирующими целями, команда рассматривает задачу как многокритериальный поиск вместо поиска единственного «лучшего» решения. Цели — пропустить как можно больше машин, снизить средние задержки и удерживать очереди достаточно короткими, чтобы избежать откатов. Вместо простых формул они связали эволюционный алгоритм поиска с детальной моделью трафика. Тысячи пробных планов таймингов генерируются, моделируются, исправляются при нарушениях ограничений безопасности или вместимости и затем улучшаются на протяжении многих поколений. В результате получается набор компромиссных планов, образующих фронт Парето, показывающий, как улучшения по одной цели оборачиваются потерями по другим.

Что показали симуляции

На тестовом коридоре из трёх перекрёстков авторы сравнили традиционное несинхронизированное управление, настройку под одну цель и их полную многокритериальную двухуровневую методику. С новым подходом общая пропускная способность магистрали выросла примерно на 11–14 процентов по сравнению с однокритериальными стратегиями и на 18–39 процентов по сравнению с несинхронизированным управлением. При этом средняя задержка снизилась примерно на 5–7 процентов относительно однокритериальной настройки и на 7–14 процентов относительно несинхронизированного управления, а максимальные очереди в основном направлении уменьшились на 6–15 процентов. Эти улучшения достигаются при сознательной компромиссной жертве: часть водителей, поворачивающих налево, ждут дольше, чтобы прямое движение, где сосредоточено большинство автомобилей, могло течь свободнее и не породило откаты, парализующие целые кварталы.

Что это значит для повседневных поездок

Проще говоря, исследование показывает: при хорошо скоординированной двухуровневой схеме управления дополнительный набор upstream-светофоров может превратить проблемные перекрёстки в предохранительные клапаны, а не в узкие места. Вместо попыток расширить дороги города могут разумнее использовать время и пространство, продвигая больше машин по основным маршрутам и не допуская откатов, ведущих к пробкам. Поскольку меньше автомобилей простаивает на холостом ходу и реже возникают волны «стоп‑и‑поехал», такая схема также способствует более чистому воздуху и экономии топлива. Для пассажиров это означает немного более короткие и предсказуемые поездки; для градостроителей — практический рецепт, как заставить существующие магистрали работать эффективнее и устойчивее.

Цитирование: Pan, J., Yang, Q. & Li, P. Bilevel multiobjective control enhances arterial performance via spatiotemporal optimization of presignalized intersections. Sci Rep 16, 9784 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39344-3

Ключевые слова: городские светофоры, перекрёстки с предсигналами, координация магистралей, дорожные пробки, многокритериальная оптимизация