Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов оценки загрузки элементов городских магистралей 11
1.1. Анализ состояния оценки загрузки элементов городских магистралей на практике П
1.2. Обзор научных исследований по оценке пропускной способности элементов улично- дорожной сети 17
1.3. Задачи исследования 41
Глава 2. Теоретическое исследование зависимости пропускои способности элементов городских магистралей от дорожных условий 44
2.1. Определения, используемые в исследовании 44
2.2. Постановка задач 45
2.3. Модель определения скорости движения на перегоне 52
2.4. Модель определения интервалов движения между автомобилями на элементах улично-дорожной сети со светофорным регулированием 56
2.5. Методика определения уровня загрузки элементов городских магистралей 59
Глава 3. Методика экспериментальных исследований пропускои способности элементов городских магистралей 66
3.1. Постановка задач 66
3.2. Разработка методики обследования элементов улично-дорожной сети 67
3.3. Определение достаточного числа измерений исследуемых параметров 80
3.4. Рекомендации к разработке информационной базы учета уровня загрузки элементов городских магистралей 82
Глава 4. Анализ результатов экспериментальных исследований и вопросы практического применения методики определения уровня загрузки элементов городских магистралей 95
4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований 95
4.2. Оценка точности моделей определения скорости и интервалов движения транспортных средств на элементах улично-дорожной сети 109
4.4. Результаты практического использования методики определения уровня загрузки элементов городских магистралей 116
Общие результаты и выводы 136
Библиографический список 139
Приложение
- Обзор научных исследований по оценке пропускной способности элементов улично- дорожной сети
- Модель определения скорости движения на перегоне
- Разработка методики обследования элементов улично-дорожной сети
- Оценка точности моделей определения скорости и интервалов движения транспортных средств на элементах улично-дорожной сети
Введение к работе
Актуальность исследования. Увеличение интенсивности движения, рост числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП), распространение заторовых ситуаций на основных городских маршрутах – все это вызывает необходимость совершенствования организации движения (ОД), технологий обеспечения пропускной способности (ПС) городских улично-дорожных сетей (УДС) и повышения эффективности транспортного обслуживания городов, а также обеспечения дорожной безопасности при функционировании автомобильного транспорта.
Сосредоточение вдоль основных городских магистралей торговых и офисных объектов влечет за собой ощутимое снижение ПС магистралей из-за помех движению в виде уличных парковок, множественных пешеходных переходов и остановочных пунктов городского пассажирского транспорта. Многочисленные структуры, обеспечивающие функционирование транспортно-дорожного комплекса города, нуждаются в реальных данных о фактическом состоянии загрузки городских магистралей при планировании, реконструкции и управлении дорожным движением. Эффективная работа городской транспортной сети возможна при условии:
- постоянного контроля использования фактической величины ПС на конкретных элементах городских магистралей;
- оценки степени загруженности отдельных элементов УДС (участков, находящихся в критическом состоянии по загрузке или аварийности);
- разработки и оперативной реализации мероприятий, компенсирующих помехи движению с учетом фактического значения уровня загрузки элементов УДС для обеспечения эффективности и безопасности движения.
На практике данные вопросы остаются нерешенными, так как объективных инструментов для определения уровня загрузки городских магистралей нет. Поэтому одной из приоритетных задач, обозначенных в Федеральной целевой программе «Повышение безопасности дорожного движения в 2006–2012 годах», является «…предотвращение дорожных заторов, оптимизация скоростных режимов движения на участках улично-дорожной сети, организация стоянок транспортных средств, применение современных инженерных схем организации дорожного движения,…», что подтверждает наличие рассматриваемой проблемы в практике организации дорожного движения. В этой связи данное исследование, посвященное разработке методики определения уровней загрузки городских магистралей, является актуальным и позволяет принимать оптимальные решения при организации движения автомобильного транспорта на участках улично-дорожной сети с учетом требований дорожной безопасности.
Рабочей гипотезой является предположение о том, что эффективность организации движения на перегонах магистральных улиц и регулируемых перекрестках можно значительно повысить при использовании методов определения уровня загрузки и пропускной способности городских магистралей, которые должны учитывать вероятностные характеристики транспортного потока и сочетания различных влияющих факторов.
Цель диссертационной работы – повышение эффективности движения автомобильного транспорта на элементах улично–дорожной сети, повышение качества проектирования схем организации дорожного движения на основе применения разработанной методики определения уровня загрузки элементов городских магистралей.
Задачи исследования:
-
Научно обосновать перечень дорожных факторов, оказывающих значительное влияние на пропускную способность городских магистральных улиц и регулируемых пересечений.
-
Разработать многофакторные математические модели изменения скорости транспортных средств на перегоне и временных интервалов между транспортными средствами при проезде перекрестков от факторов, свойственных современным городским магистралям.
-
Предложить методику определения уровня загрузки элементов городских магистралей (перегонов магистральных улиц и регулируемых транспортных пересечений), на основе разработанных математических моделей скорости движения и временных интервалов между транспортными средствами на перекрестке и оценить ее эффективность.
-
Выполнить экспериментальные исследования влияния локальных факторов и их сочетаний на условия движения потоков автомобилей по городским магистралям для моделирования скорости движения на перегоне и временных интервалов между транспортными средствами на перекрестке.
Объект исследования – процесс движения потоков транспортных средств на городских магистральных улицах.
Предмет исследования – уровень загрузки городских маршрутов, выраженный через зависимости изменения пропускной способности перегонов магистральных улиц и регулируемых перекрестков от распространенных факторов влияния, характерных для современных городских условий движения.
Методологической основой исследования являются теоретические подходы, представления, методики натурных и аналитических исследований отечественных и зарубежных специалистов в сфере организации дорожного движения.
Научную новизну работы определяют:
разработанные математические модели определения скорости на перегонах городских магистралей и временных интервалов проезда перекрестков, позволяющие определять фактические и прогнозируемые значения пропускной способности и уровни загрузки перегонов магистральных улиц и регулируемых пересечений;
предложенная методика обследования влияния различных факторов и их сочетаний на условия движения транспортных потоков на перегонах и регулируемых пересечениях;
результаты исследования зависимостей изменения скорости движения на участках улично-дорожной сети и временных интервалов в транспортном потоке на перекрестках от: интенсивности и состава транспортных потоков, геометрических параметров уличных парковок, ширины полос движения, длительности разрешающего светофорного сигнала, расстояния между обозначенными пешеходными переходами и остановочными пунктами городского пассажирского транспорта;
разработанная методика определения уровня загрузки элементов городских магистралей, позволяющая оценивать степень использования пропускной способности при сочетаниях помех движению и составлять рекомендации по повышению пропускной способности на перегруженных участках УДС и изменению схем организации движения.
Практическая значимость работы. Предложенная методика определения уровня загрузки элементов городских магистралей позволяет:
проектным организациям обоснованно выбирать оптимальные варианты мероприятий по совершенствованию организации движения для снижения уровня загрузки конкретных участков улично-дорожной сети;
транспортным предприятиям оценивать условия перевозок и прогнозировать изменение условий движения за счет фактических помех движению транспортных потоков при формировании маршрутов городских перевозок;
сотрудникам ГИБДД планировать схемы объезда участков с устойчивыми транспортными заторами;
муниципальным властям принимать обоснованные решения о согласовании заявок на строительство и эксплуатацию объектов общественного пользования в примагистральных зонах.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Научно обоснованный перечень современных дорожных факторов, оказывающих влияние на условия движения по городским магистралям, позволяет прогнозировать изменение пропускной способности на участках улично-дорожной сети.
2. Модели изменения скорости транспортных средств на перегоне и временных интервалов между автомобилями при проезде перекрестков, отражающие влияние факторов, свойственных современным городским магистралям, позволяют определять оптимальные параметры уличных парковок транспортных средств и схемы организации движения на перекрестках.
3. Разработанная методика определения уровня загрузки элементов городских магистралей позволяет оценивать существующую и прогнозируемую пропускную способность, выявлять участки с превышением допустимого уровня загрузки, составлять рекомендации по повышению пропускной способности «узких мест» и изменению схем организации движения автомобилей на городских магистралях.
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты к практическому использованию при:
- разработке Муниципальной целевой программы «Снижение дорожной аварийности на УДС Центрального административного округа г. Омска, (2007г.)»;
- обследовании уровня загрузки маршрутов городского пассажирского транспорта г. Омска в составе муниципального контракта СибАДИ с Департаментом транспорта Администрации города Омска (2008г.).
Основные положения данного исследования включены в учебную дисциплину «Экспертиза дорожных условий и проектирование схем организации движения» в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии при подготовке инженеров по специальности 190702 «Организация и безопасность движения», а также используются при решении практических задач аспирантами и сотрудниками по заявкам заказчиков проектных работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования были представлены в научных докладах и сообщениях на Международной научно-практической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин ХХI века» (г. Омск, СибАДИ, 2007г.), 59-й Международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера» (г. Омск, СибАДИ, 2007г.), Всероссийском семинаре «Безопасность дорожного движения» (г. Москва, 2007г.), III и IV Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, СибАДИ, 2008–2009гг.), XIII Международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (г. Санкт-Петербург, 2008г.).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в десяти печатных публикациях, четыре из которых – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации (без учета приложений) – 150 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 25 таблиц. Библиографический список включает 109 наименований, в том числе 31 на иностранном языке.
Обзор научных исследований по оценке пропускной способности элементов улично- дорожной сети
Основным параметром, характеризующим свойства транспортной сети, является пропускная способность ее элементов. Производной величиной от ПС является коэффициент загрузки Kz. Вопросу определения уровня (степени) загрузки дорог в нашей стране были посвящены работы таких ученых, как Ф.В. Бабков, Р. В. Горбачев, Р. Э. Домке, В. В. Зырянов, А. Н. Красников, Е. М. Лобанов, В.В. Сильянов, М.С. Фишельсон, А.Г. Романов, среди зарубежных авторов широко известны работы Д.Дрю, В.У. Ренкина, П. Клафи, Д. Робетсона и других авторов [4, 7, 11, 21, 23, 26, 39, 41, 44, 48, 49, 52, 53, 64, 67, 81,86, 95,96,100,102,103 и др.]. Коэффициент Kz определяется как отношение текущего значения интенсивности N( к пропускной способности РІ і-го элемента улично-дорожной сети: где Ni - интенсивность движения, ед./ч; Р, - пропускная способность, ед./ч.
Этот коэффициент также называют уровнем загрузки дороги (полосы) [21,39,44,85]. Участок считается перегруженным, если значение фактической интенсивности движения приближается к значению ПС рассматриваемого элемента УДС.
Наряду с обеспечением безопасности к основным задачам организации движения относятся: обеспечение постоянства скорости движения на маршруте (по всей его протяженности) и стремление к однородности транспортного потока по скоростному режиму [30,38,40,47,48,50,92 и др.]. Кроме того, скорость проезда участка маршрута непосредственно определяет минимально возможный временной интервал t„ между ТС в потоке и тем самым пропускную способность этого участка. Поэтому величина скорости как показатель, поддающийся непосредственному измерению, может быть принята в качестве индикатора ПС, что подтверждается выражением [39,44,48,64] где tu - временной интервал движения между автомобилями, с; / -динамический габарит, м/ед.; V - средняя скорость движения автомобилей, м/с.
Так как при расчете коэффициента загрузки наибольшую сложность представляет оценка ПС, определению которой посвящены многие работы [23,26,53,55,58,85,90 и другие], то следует обозначить, что понимается под этим термином в данной работе. Под пропускной способностью понимается максимальное число автомобилей, которое может пропустить участок дороги в единицу времени в конкретном направлении в рассматриваемых дорожных и погодно-климатических условиях [53]. В литературе [39,40,41,42,48,85] используются модификации понятия «пропускная способность», такие как: теоретическая, номинальная, нормальная, эффективная, собственная, практическая, фактическая и др. В большинстве случаев для практических расчетов используют наиболее распространенные определения ПС: теоретическую, фактическую (практическую) и расчетную. Следует также разделять понятия «пропускная способность сечения дороги на перегоне и на перекрестке».
Теоретическую пропускную способность определяют аналитическим путем для участка дороги (перегона). Величина теоретической пропускной способности полосы движения определяется с использованием упрощенных динамических моделей по величине безопасного расстояния между движущимися друг за другом автомобилями. Расчет производится по следующей формуле [39,44,48,53,64]:
Сравнительный анализ величин ПС одной полосы проезжей части, определенной разными способами, показал [64], что модели, не учитывающие тормозной путь автомобилей, дают непрерывный рост ПС при увеличении скорости движения и приводят к неоправданно высоким значениям ПС [39,55,64 и др.]. Учет «полного тормозного пути заднего автомобиля не отвечает реальным условиям движения и приводит к чрезмерно заниженным значениям ПС» [64]. При определении ПС, исходя из условия, что тормозной путь переднего автомобиля короче тормозного пути заднего, расчет ведут по выражению [49] где V — скорость движения, км/ч; К3— коэффициент эксплуатационных условий торможения; Ik— расстояние безопасности, м; ср - коэффициент сцепления; /— коэффициент сопротивления качению; /о -длина автомобиля, м. Следует отметить, что фактические наблюдаемые расстояния между автомобилями значительно меньше, чем теоретические, определяемые по условиям безопасности. Поэтому величину теоретической ПС в городских условиях целесообразно использовать при предварительных расчетах, требующих впоследствии детальной проработки.
Под практической пропускной способностью понимают ПС, которая обеспечивается на дорогах в реальных условиях движения. Различают два вида практической ПС: максимальную, наблюдаемую на эталонном участке (при идеальных условиях движения); практическую в конкретных дорожных условиях (ДУ).
Модель определения скорости движения на перегоне
При построении модели определения скорости движения на перегоне (основного параметра, влияющего на изменение ПС) были учтены наиболее распространенные факторы влияния (см. гл. 4, подр. 4.1). Рассмотренные факторы делятся на постоянные и переменные. В данном исследовании под переменными факторами следует понимать наличие или отсутствие уличных парковок ТС, остановочных пунктов ГПТ и обозначенных пешеходных переходов. Поэтому в данном исследовании приведено два варианта определения скорости движения ТП: при наличии на перегоне переменных помех движению и при их отсутствии.
Поскольку одномерные зависимости (от одного аргумента) оказались нелинейными (см. гл. 4, подр. 4.1), а содержащиеся в пакетах математических программ методы построения нелинейных (и тем более линейных) зависимостей не обладают удовлетворительной точностью, был применён метод построения многомерных эмпирических зависимостей [22]. Данный метод позволяет учитывать различное сочетание факторов, при этом сумма степеней в эмпирической формуле (если математическое уравнение получено опытным путём [46]) равна единице [22].
В качестве многофакторной модели определения скорости движения в данной работе используется эмпирическая функция (2.5), получаемая на основе одномерных зависимостей скорости движения от параметров помех движению (см. гл. 4, подр. 4.1), каждая из которых должна быть представлена соответствующей величиной, изменяющейся в определенных границах (границы определяются по результатам экспериментальных исследований, см. гл. 4, подр. 4.1).
В общем виде скорость движения V по перегону может быть определена: 1) при наличии парковки ТС, остановочного пункта ГИТ, пешеходного перехода на перегоне: 2) при наличии остановочного пункта ГПТ, пешеходного перехода и отсутствии парковки ТС на перегоне:
Численные показатели степеней q, b, т, и определяются на основе результатов экспериментальных исследований в соответствии с заданной точностью эксперимента.
Члены уравнений К(х) и С(у) [см. (2.5) и (2.6)], характеризующие влияние взаимного расположения остановочных пунктов ГПТ и пешеходных переходов на изменение скорости V, имеют вид
Если на перегоне отсутствует остановка общественного транспорта или обозначенный пешеходный переход, то значение этих членов в уравнениях (2.5) и (2.6) приравнивается к 1.
Для определения V [по (2.5) и (2.6)] необходимо предварительное измерение параметров каждого учитываемого дорожного фактора, определяемого соответствующей одномерной зависимостью с учетом положения полосы движения в границах проезжей части. Наименьшая скорость ТС будет наблюдаться на крайней правой полосе ПЧ, что объясняется наличием факторов, представляющих наибольшую опасность для участников движения. Эмпирические формулы, описывающие изменение Гпод воздействием дорожных факторов при движении по конкретной полосе участка магистрали между перекрестками имеют вид квадратного уравнения где / - длина парковки, м; h - ширина парковки, м; п — интенсивность ТП, ед./ч; w -ширина полосы движения, м; s- состав ТП, %; а, в, с- свободные члены уравнений.
Разработка методики обследования элементов улично-дорожной сети
Для реализации поставленных задач данной главы (см. подр. 3.1) и работы (см. гл. 1, подр. 1.3) была разработана методика проведения практических наблюдений (далее по тексту методика обследований) на элементах УДС, которая включает четыре основных этапа исследования (рис. 3.1). На первом этапе были проведены визуальные обследования элементов городской улично-дорожной сети с использованием видеосъемки и автомобиля-лаборатории для выбора участков маршрутов, претендующих на роль полигона исследования. На втором этапе проводилось дробление на группы участков обследования, так как любая городская магистраль включает участки (сегменты), имеющие различные характеристики по условиям движения (ширина ІШ, число полос, наличие светофорного регулирования и др.). Третий этап - процесс накопления статистических данных по измерению контролируемых параметров дорожного движения на мерных участках для разных сезонов года [в данной работе практические наблюдения проводились на протяжении двух лет (2006-2007гг.)]. Заключительный этап состоял из обработки полученных результатов и установления парных зависимостей между скоростью проезда мерных участков и параметрами помех движению. В процессе исследования было выполнено: через фиксацию вынужденных остановок и задержек выявление «узких» участков на городских улицах, требующих снижения уровня загрузки; накопление данных о количественной оценке снижения скорости движения транспортных средств под влиянием парковок автомобилей на проезжей части, остановок ГПТ и пешеходных переходов; определение скорости ТС при разной ширине проезжей части с учетом геометрических параметров парковок; получение данных о фактических значениях интервалов между автомобилями при движении через регулируемый перекресток по разрешенным направлениям; выявление факторов, влияющих на величину интервалов между автомобилями при движении через регулируемые перекрестки.
Так как определяющим параметром при расчете ПС на перегоне является скорость движения, ее измерение производилось при разных сочетаниях дорожных помех. При проведении экспериментальных исследований на участках УДС использовалось следующее оборудование: - автомобиль-лаборатория (рис. 3.2); - интегральный анализатор транспортных потоков «Traffic monitor» с детекторами транспорта и видеокамерами (рис. 3.3, 3.4); - дорожное мини-колесо SK3 (рис. 3.5); - фото- и видеокамера; - секундомер; - диктофон. Для составления математической модели (см. гл. 2, подр. 2.3) определения ПС магистрали при наличии помех движению необходимо получить однофакторные зависимости между скоростью движения (или временем двгокения) на контрольном участке магистрали и факторами, характеризующими условия движения: интенсивностью и составом транспортного потока, шириной проезжей части, положением полосы в габаритах проезжей части, наличием и взаимным расположением парковок транспортных средств, пешеходных переходов, остановочных пунктов городского пассажирского транспорта, длительностью разрешающих тактов светофорного регулирования в направлении движения. Последовательность процедур при выполнении экспериментальных исследований на перегонах городских магистралей включала: 1. Выбор участков улично-дорожной сети, где имеются уличные парковки транспортных средств на проезжей части. 2. Составление схем обследуемых участков с указанием основных по мех движению и привязок к несмещаемым придорожным объектам (рис. 3.6): - определение ширины проезжей части и числа полос в каждом направлении; - на схеме опытного участка отмечаются: наличие придорожных объектов притяжения ТС на расстоянии не менее 0,3 км в каждую сторону (например: торговая зона, жилой массив, офисные здания и т.д.) с фиксацией технических средств организации движения [(дорожные знаки, дорожная разметка (осевая, по полосам, отсутствует)], пешеходный переход, остановочный пункт ГПТ (расстояния между смежными остановочными пунктами ГПТ и пешеходными переходами, их привязка)]. Для упрощения работы могут быть использованы схемы из электронной карты УДС, где возможно отмечать уже непосредственно ТСРД и геометрию улиц;
Оценка точности моделей определения скорости и интервалов движения транспортных средств на элементах улично-дорожной сети
Целью настоящего подраздела является определение точности моделей скорости ТС на перегонах и интервалов движения на перекрестках под воздействием учитываемых помех движению. В подразделе представлено количественное сравнение расчетных и экспериментальных показателей, используемых в моделях по определению скорости ТС V и интервалов на перекрестках tu. Для этого были отобраны элементы УДС, где ранее не проводились экспериментальные исследования, в составе 14 перегонов (из них 8 участков с уличной парковкой ТС) и 7 регулируемых перекрестков. На выбранных участках были выполнены обследования, направленные на получение экспериментальных данных по скорости движения ТП и интервалов движения между автомобилями на перекрестках. Характеристики участков обследования представлены в табл. 4.4-4.5. Расчет величин расхождения теоретических и экспериментальных данных (для данной генеральной совокупности) был выполнен по формуле [46] где С - величина расхождения экспериментальных данных с расчетными, %; ТЭ- результаты теоретических и экспериментальных исследований соответственно, ед./ч. Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований показало, что максимальное расхождение между значениями скоростей на разных участках составляет не более 10%. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений интервалов движения между автомобилями и скорости движения на перегонах приведены в табл. 4.6 — 4.7 соответственно. Далее, для выполнения практических расчетов требуется определить точность, обеспечиваемую предлагаемой методикой при обследовании любых элементов УДС. На основе многофакторных зависимостей [см. гл.2, (2.5), (2.6), (2.16)] были определены расчетные скорости и интервалы движения для тех же самых условий движения, что и при проведении экспериментальных исследований. Анализ результатов показал, что погрешность расчета по формулам (2.5), (2.6), (2.16) [последовательность расчетов приведена в гл. 4, подр. 4.3] имеет нормальное распределение [22,46] (прил. 4). Тогда можно с вероятностью 0,95 утверждать, что погрешность эмпирических формул (2.5), (2.6), (2.16) заключена в интервале ±2сг, что допустимо [5,6,10,22,73]. В частности, для случая, когда имеются парковки на перегоне, эта величина заключена в интервале (-1,6; 1,6) км/ч. Для решения задач по организации дорожного движения такая точность является вполне приемлемой [9,21]. Таким образом, полученные многомерные зависимости, как показала их проверка на магистралях, с удовлетворительной точностью определяют скорость ТП и средний интервал движения между автомобилями на различных участках городской транспортной сети (см. табл. 4.6-4.7). По результатам проверки предлагаемых моделей были сделаны следующие выводы: практические обследования по методикам, представленным в главе 2, подр. 2.2, проведены правильно; сравнения полученных результатов при определении V и tu показали, что расхождение между опытными и расчетными значениями (см. табл. 4.6 -4.7) является допустимым, поэтому использование предлагаемых моделей (2.5), (2.6), (2.16) и методов расчета ПС, основанных на определении V, LSVL tu, приемлемо в современных условиях движения;
