Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование цели и задач работы
1.1. Постановка цели и задач работы g
1.2. Характеристика некоторых аспектов дорожного движения в г.Кемерово II'
2. Характеристика энергетических критериев оценки условий движения.
2.1. Анализ критериев оценки качества движения транспортных потоков 16
2.2. Формирование энергетических критериев 29
3. Взаимосвязь "градиента энергии " с характеристиками транспортных потоков .
3.1. Влияние транспортной нагрузки на величину "градиента;' 46
3.2. "Градиент энергии" и интервалы между автомобилями 53
3.3. "Градиент энергии" и относительные скорости 59
3.4. Определение оптимального скоростного режима по величине "градиента энергии" 62
4. Эволюционное планирование эксперимента при исследовании процесса дорожного движения .
4.1. Анализ активных и пассивных методов экспериментальных исследований 70
4.2. Сущность эволюционного планирования эксперимента 71
4.3. Применение эволюционного планирования при исследовании качества движения .' 73
4.4. Методика проведения эксперимента 88
4.5. Математическая обработка результатов эксперимента 91
стр. 4.6. Интерпретация модели и прогнозирование изменений условий движения 96
5. Методика проведения аэрофотосъемки транспортных потоков.
5.1. Характеристика методов исследований по пространственно-временному признаку 105
5.2. Анализ.применения аэрофотосъемки для исследования характеристик дорожного движения 107
5.3. Перспективы развития использования аэрофотосъемки для целей организации движения ИЗ
5.4. Обоснование выбора основных параметров аэрофотосъемки транспортных потоков 121
5.5. Методика дешифрирования аэроснимков 128
5.6. Величина ошибок при проведении аэрофотосъемки 131
5.7. Некоторые особенности использования данных аэрофотосъемки 134
Заключение 143
Литература
- Постановка цели и задач работы
- Анализ критериев оценки качества движения транспортных потоков
- Влияние транспортной нагрузки на величину "градиента;'
- Анализ активных и пассивных методов экспериментальных исследований
Введение к работе
Ускоренное развитие автомобильного транспорта приводит к появлении интенсивных транспортных потоков на городских магистралях, усложнению организации автомобильных перевозок и обострению воздействия на общество и природу негативных аспектов автомобилизации - аварийности, загрязнения окружающей среды, шума. В этих условиях совершенствование организации дорожного движения является многогранной проблемой общегосударственного значв.аад.
Сложность прогнозирования изменения дорожно-транспортных ситуаций в городах требует наряду с выработкой мероприятий общего характера, рассчитанных на длительный срок, и одновременно принятия оперативных действий, которые позволят стабилизировать условия функционирования транспортной сети до осуществления более глобальных изменений.
Состояние и перспективы решения этих сложных задач на современном этапе характеризуются глубоким проникновением научных методов в практическую деятельность по организации дорожного движения / 4 /. Большое количество работ в этой области и значимость полученных результатов позволили накопить настолько обширные знания, что возникла отдельная научная дисциплина - теория транспортных потоков.
Теория транспортных потоков, подобно многим другим прикладным наукам, первоначально развивалась на основе формулирования эмпирических закономерностей при исследовании наблюдаемых явлений, а единственным путем исследования был натурный эксперимент в реальных условиях. Вероятностный характер системы "Автомобиль -водитель - дорога" (АВД), множество случайно изменяющихся факторов, воздействующих на нее, и взаимодействия этих факторов выявили ограниченные возможности чисто эмпирических однофакторшх законо -мерностей.Поэтому в последние годы развитие теории транспортных потоков базировалось на широком применении моделирования.
Одним из актуальных вопросов для теории и практики является выбор критериев оценки качества движения.Оперативность и эффектив-ность организации дорожного движения наряду с другими условиями должна обеспечиваться наличием критериев,информирующих о состоянии транспортного потока и соответствии управляющих воздействий реальному развитию дорожно-транспортных ситуаций.Эволюция таких критериев обусловлена расширением сферы задач по организации и управлению движением и возрастанием их сложности.Данная работа направлена на совершенствование критериев оценки условий движения и является актуальной.
Научная новизна работы заключается в разработке критерия оценки условий движения и методики его применения,использовании эволюционного планирования для изучения дорожного движения с разделением факторов на управляемые и контролируемые,уточнении аналитических моделей основной диаграммы транспортного потока и способа оценки применимости распределений интервалов,разработке метода определения параметров аэрофотосъемки транспортных потоков.
На защиту выносятся:предложенный критерий и зависимости,позволяющие применять его при оценке условий движения.метод эволюционного планирования эксперимента при исследовании дорожного движения, способ определения параметров аэрофотосъемки транспортных потоков и рекомендации по применению материалов аэрофотосъемки.
Постановка цели и задач работы
Причина,в основном, заключается в узкой функциональной направленности критериев, когда тот или иной критерий отражает ограниченное число известных свойств система АДЦ. Это обстоятельство,в свою очередь, определяет ограниченные возможности адаптации показателей такого типа к постоянно изменяющимся условиям функционирования транспортных потоков.
Естественно поэтому, что при такой неопределенной ситуации научные исследования и практическая деятельность по организации дорожного движения постоянно приводят к появлению новых критериев.
Можно отметить два методологических подхода в этих разработках -оценка системы АВД при помощи или одного критерия или системы критериев.
Принцип совместной оценки по нескольким критериям одновременно заключается в определении эффективности действия системы на основе частных критериев, оцевиващих эффективность подсистем. При создании системы критериев, каждый из которых оценивает какие-либо локальные стороны и аспекты системы, очень трудно соразмерить вклад каждого критерия (которые в большинстве случаев не являются независимыми друг от друга) в совокупную оценку и обосновать взаимосвязь между комбинацией факторов различного значения и различными условиями работы системы.
Оперируя с несколькими критериями, нужно также иметь в виду, что: в случае их независимости друг от друга различные ситуации будут определяться на основе перебора всей совокупности критериев , проведение которого усложняется с увеличением их числа.
Эти обстоятельства приводят к тому, что в практической деятельности предпочтение отдают единичным критериям. Поскольку оценка дорокного движения должна производиться с учетом совокупности технических, социальных и экономических факторов, такие критерии должны адекватно отражать характеристики транспортных потоков, уровень организации дорожного движения и динамику их развития.
Поэтому необходимо сформулировать требования, которым должен отвечать критерий для построения целостной картины процесса движения по городским магистралям. Очень важно при этом выбрать нужный уровень общности. С одной стороны область применения критерия будет ограничена совокупностью компонентов системы, облада-щих соответствующим свойствами, с другой стороны, чем более широкий круг компонентов охватывает критерий, тем меньше он несет конкретной информации о поведении системы в какой-либо ситуации.
Поэтому критерий должен отражать как частные свойства подсистем "Автомобиль","Водитель","Дорога", так и взаимосвязи между ними. К обязательным частным свойствам подсистем необходимо отнести динамические и тормозные качества автомобилей, характеристики дорог и дорожные условия, поведение водителя в транспортном штоке. Взаимосвязи проявляются при формировании характеристик транспортных потоков, в негативном продукте действия системы - дорожно-транспортных происшествиях, в реакции системы на воздействие методов организации дорожного движения, конфликтных ситуациях в сфере экологической безопасности.
При осуществлении исследовательского планирования центр тяжести падает на выбор методов и средств исследований. Поскольку процесс дорожного движения осуществляется в координатах пространство-время, крайне важно иметь синхронные данные в этих координатах. Изучение характеристик транспортного потока одновременно во времени и пространстве является необходимым условием полноты и точности полученной информации.
Натурные исследования с использованием дорожной лаборатории, киносъемки или видеомагнитофона позволяют получить основные ха - 10 рактеристики транспортных потоков и широко используются для этих целей. Такие методы применялись на определенных этапах и в данной работе / 39/. Однако при значительных масштабах исследования на транспортной сети более целесообразно применение аэрофотосъемки, т.к. она является основным методом однозначного определения положения автомобиля во времени и пространстве.
При планировании исследований после выбора методов и средств проведения эксперимента, программа исследований должна быть скорректирована в соответствии с требованиями теории планирования эксперимента. Определение условий проведения опытов, их числа, количества факторов, интервала их значений, точности регистрации факторов и выходного параметра - решение этих задач является составной частью программы эксперимента.
На этом этапе необходимо также решить некоторые теоретические задачи относительно применения теории планирования эксперимента при исследовании дорожного движения. Математическое планирование эксперимента предполагает активное вмешательство в процесс дорожного движения выбором уровней значений факторов и фиксацией их на этом уровне в течение проведения опыта. В отношении такого специфического объекта как система АВД, внесение возмущений по нескольким факторам одновременно может привести к отклонению от нормальных условий движения. Следовательно, нужны пути устранения противоречия между требованиями активного эксперимента и частично управляемым объектом, каким является система АВД.
Одним из таких путей является применение эволюционного планирования эксперимента с разделением факторов на управляемые и контролируемые. Необходимо интерпретировать методику такого эксперимента для практического применения при исследовании дорожного .движения и автоматизировать процесс обработки данных на ЭВМ.
Анализ критериев оценки качества движения транспортных потоков
Изучение критериев оценки качества движения показывает,что большинство из них составляют критерии эффективности сложной системы "Автомобиль-водитель-дорога". Эти критерии формулируются исходя из целевого назначения системы, отражают только какие-либо ее частные свойства и да своей природе являются статистическими. Л Целевое назначение системы АВД Функциональные критерии
Выходные характеристики интенсивность плотность состав потока Общее описание системы АВД Г I критерии задержки \ Анализ Анализ критерии состояния штока Энергетические критерии критерии безопасности движения —ЧАнализ 1 оптимизация критерии стабильности скоростного -(Анализ Рие.П.1. Схема критериев оценки качества движения.
Все множество функциональных критериев в соответствии с характером оцениваемых свойств системы АВД можно разделить на следую - 17 -щие подмножества (рис.П.І): критерии вынужденных задержек; критерии состояния транспортного потока; критерии безопасности движения; критерии стабильности скоростного режима.
Более детальный анализ выделенных подмножеств и сведение их к конкретным критериям целесообразно производить на дереве критериев, построенном в соответствии с положениями теории графов.Согласно этой теории деревом является ациклический граф,содержащий единственный выделенный узел, называемый корнем, в который не входит ни одной дуги /55,56 /.В данном случае корнем дерева будет являться все множество функциональных критериев,внутренними узлами -подмножества, выделенные в результате разделения,листьями - конкретные критерии (рис.П.2).
Критерии, оцениваицие продолжительность поездки или величину задержки детально исследованы как в условиях натурного эксперимента на транспортной сети,так и при моделировании дорожного движения. Среди критериев,оценивающих продолжительность поездки большей информативностью обладают те,которые позволяют минимизировать время поездки о учетом интенсивности и плотности движения, расстояния поездки,характеристик транспортной сети / 79,95 /.
Так, критерий Смида определяет длительность поездки в центральном деловом районе" / 97 /: где / - продолжительность поездки; /7 - число автомобилей,входящих в "центральный деловой район" в течение периода ; /) -площадь "центрального делового района" (ц.д.р.); J - доля площади ц.д.р. .приходящаяся на улиш.
Однако наибольшее распространение, особенно в практической деятельности, получил критерий среднего времени задержки у перекрестков, который применяется при решении многих задач, в том числе при определении эффективности функционирования автоматизированных систем управления движением / 13,17,20,32,43,48,58 /. Главные преимущества этого критерия заключаются в сравнительной легкости измерения величин задержек и возможности их стоимостной оденки для по-оледуыцего определения экономической эффективности АСУД.
Однако и эти преимущества являются относительными в свете неко торых работ, которые показали, что оптимизация светофорного регу лирования по времени задержки и расходу топлива или выбросу отра ботавших газов приводит к различным результатам / 62,71 /. Поэто му в последних модификациях программ координации TRANSYT-6B и TRANSYT-6C Для АСУД, критериев качества управления яв ляются не задержки, а индекс эксплуатационного качества (ОСІІОГЮПС ІЛиЄХ ), который учитывает не только время задержки, но и число остановок, расход топлива и выброс основных токсических веществ - окиси углерода, углеводородов и окислов азота / 85 /.
Следовательно, основным недостатком критериев данного вида является то, что они оценивают лишь задержки - частное свойство дорожного движения, вследствие чего показывают только ограниченные пути совершенствования деятельности системы АВД.
Среди критериев оценки состояния транспортного потока наиболее - 20 типичными являются уровень использования пропускной способности, уровень удобства движения, уровень обслуживания / 20,29,30,36,51 /. Эти критерии базируются на изменении интенсивности, плотности и скорости,а их количественные значения определяют различные качественные состояния транспортного потока.
Как правило, значения этих критериев дополняются соответствующими значениями ряда других показателей - вероятностью совершения ДТП, возможностью обгона, условиями работы водителя, целесообразными методами организации движения и, тем самым, систематизируются и развиваются представления о закономерностях дорожного движения.
Базовые показатели для определения критериев состояния потока - интенсивность и плотность - формируются в течение сравнительно длительных промежутков времени, измеряемых минутами или десятками минут, тогда как режимы движения автомобилей характеризуются мгновенными колебаниями. Это противоречие показывает, что на изменение режимов движения автомобилей оказывают влияние процессы,которые не находят отражения в данных критериях.
Следовательно, эти критерии вместе с дополнительными показателями достаточно полно характеризуют конкретные установившиеся состояния транспортного потока, но не обеспечивают строгой однозначности с реальными условиями при оценке постоянно менявшихся дорожно-транспортных ситуаций.
Среди критериев оценки безопасности дорожного движения наиболее часто применяются для сравнения состояния аварийности на различных участках дороги статистические критерии. Эти критерии являются результатом анализа совершенных в течение некоторого периода времени дорожно-транспортных происшествий. Статистические методы анализа аварийности имеют цель выявить на основе массива данных наиболее общие закономерности и причины ДТП.
Влияние транспортной нагрузки на величину "градиента;'
При количественном изменении интенсивности и плотности движения происходят качественные изменения в состоянии потока, которые затрагивают многие стороны транспортного процесса - изменение скоростей сообщения, задержек, уровня аварийности и т.д. Вследствие этого любой критерий оценки качества движения должен отражать существующую транспортную нагрузку и предупреждать о наступлении "пиковых" периодов для принятия соответствущих мер по управлению движением на магистрали или сети дорог. Поэтому необходимо установить, каким образом, "градиент энергии" реагирует на изменение интенсивности и плотности движения.
Для получения сопоставимых результатов на дорогах с различным числом полос и составом потока были установлена и исследованы зависимости критерия от коэффициента загрузки движением 2_ и коэффициента насыщения движением.
Пропускная способность определялась по материалам исследования транспортных потоков методами аэрофотосъемки. Полученные значения интенсивности движения и соответствуицие им значения плотности были обработаны методом наименьших квадратов. По установленному уравнению регрессии, связывающему эти параметры, строилась основная диаграмма транспортного потока, по которой и определялась величина пропускной способности.
Использовались данные о движении по шестиполосной магистрали с ограничением въезда грузовым автомобилям, по четырехполосной магистрали смешанного движения, четырех- и двухполосной магистралях с преобладающим движением грузовых автомобилей.
При определении пропускной способности магистралей было отмечено более резкое снякение интенсивности и скорости движения после достижения критической плотности, чем это задается основной диаграммой транспортного потока.Этот скачок обусловлен противоречием между насыщенным штоком и характеристиками транспортной сети, которая не в состоянии обслужить такой плотный поток. НаиД
Л - плотность потока,авт/км; /у - максимальная плотность,авт/км; у - скорость,км/ч; Ucg - скорость свободного движения,км/ч; [///max - скорость при максимальной интенсивности,км/ч. При исследовании зависимости необходимо учитывать, что изменение степени использования пропускной способности дороги влечет за собой изменение скоростного режима и уровня состояния транспортного потока / 20,29,51 /. Для каждого уровня состояния характерны свои особенности. Так, при большой транспортной нагрузке действуют стохастические законы, а при значительной-детерминированные. Вероятно, что изменение "градиента энергии" будет происходить различным образом для различных качественных состояний транспортного потока. Методологически правильно определять эти зависимости отдельно для каждого уровня.Поэтому в эксперименте зависимости Of J(2_./ были определены для следу-пцих различных состояний транспортного потока / 20,78,89 /: свободный поток - до 0,3 Zi. ; устойчивый поток от 0,3 до 0,75 - ; неустойчивый поток от 0,75 до z
Установлено, что для свободного состояния транспортного потока изменение "градиента энергии" при изменении транспортной нагрузки описывается уравнением &--0.5Ыг+0Ш+0.152.
Интенсивность движения в этих условиях небольшая.и водители имеют возможность двигаться со скоростями, близкими к скорости свободного движения, резкие колебания скоростного режима отсутствуют, поэтому величина критерия минимальна по сравнению с другими уровнями загрузки дороги. "Градиент энергии" для свобод - 49 ного состояния транспортного потока не превышает 0,3 0,38 м/с2.
При устойчивом состоянии потока критерий и уровень транспортной нагрузки связаны уравнением &- 0,0961 + 0,567. (ш.5)
При устойчивом состоянии потока автомобили воздействуют друг на друга. В этих условиях справедливы детерминированные законы -закон следования за лидером и т.д., когда скорость ведомого автомобиля определяется скоростью лидера. Для устойчивого потока величина "градиента энергии" возрастает незначительно с увеличением транспортной нагрузки.
При дальнейшем увеличении интенсивности движения транспортный поток становится неустойчивым, скорости движения, вследствие высокой плотности, становятся незначительными, возникают условия для колонного движения автомобилей. Для этих условий зависимость критерия от уровня использования пропускной способности выражается уравнением 6r 0,5112-0,0621-0,25. «
Для этого отстояния штока характерно более резкое изменение "градиента энергии" при изменении транспортной нагрузки.
Уравнение (Ш.4КШ.5) ,(Ш.6) установлены в результате обработки экспериментальных данных об изменении интенсивности,плотности, скорости, "градиента энергии" на исследуемых магистралях. После определения этих параметров соответствупцие значения коэйициен-та загрузки движением и критерия были обработаны методом наименьших квадратов и получены рассмотренные уравнения.
Различный вид данных уравнений затрудняет ИЇ применение.Поэтому в результате математической обработки по методу Чебышева / 42 / было получено уравнение третьей степени, справедливое при изменении уровня транспортной нагрузки от 0 до 2-
Анализ активных и пассивных методов экспериментальных исследований
При изучении процесса дорожного движения в основном применяется пассивный метод исследования, основанный на данных функционирования системы АВД в каких-либо условиях. Основная особенность пассивного ансцерммента состоит в том, что производится регистрация существенных факторов и выходных параметров без внесения каких-либо пробных возмущений в процесс дорожного движения.
Методология пассивного эксперимента базируется на предположении, что можно с любой степенью точности установить на требуемом уровне все переменные системы АВД. Поочередно варьируя один за другим, но оставляя все прочие факторы фиксированными, можно выявить закономерности, связывающие факторы данной системы.
Следовательно, методика однофакторного эксперимента имеет существенный недостаток - она не учитывает того обстоятельства,что условия функционирования системы АВД неопределенны, случайны и при варьировании последовательно лишь одним фактором другие также могут изменяться,т.е. игнорируется взаимодействие факторов, когда значение одного фактора зависит от того, на каком уровне находятся другие / 10 /.
Таким образом, пра исследовании сложных систем, в том числе и системы АВД, необходимо применять методику активного,! многофакторного эксперимента, когда все факторы изменяются одновременно / 1,3 /. Планирование эксперимента в этом случае предполагает активное вмешательство в процесс и возможность выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые представляют интерес.
Тем не менее, несмотря на преимущества планирования активного многофакторного эксперимента, ею широкое применение при исследовании транспортных потоков является затруднительным. Случайные изменения факторов, отнесенные к выходу процесса, аналогичны шуму и поэтому для выделения полезного сигнала необходимо задавать значительные интервалы варьирования управляемых факторов. В этом случае возможны негативные последствия, способные привести к нарушению нормального функционирования системы АВД.ДТП, задержки и т.д. При небольших планируемых возмущениях нужна жесткая стабилизация управляемых факторов на требуемом уровне, что также трудно осуществить при изучении процесса дорожного движения. Невыполнение же таких основных требований к управляемым факторам проявляется в нарушении воспроизводимости процесса.
Следовательно, сфера применения активного эксперимента в "чистом виде" при исследовании системы АВД ограничена. Необходимо преодолеть противоречие между условиями активного эксперимента и характеристиками функционирования системы АВД, которая является лишь частично управляемой относительно некоторых факторов. Более перспективным представляется метож эволюционного планирования эксперимента с разделением факторов на управляемые, контролируемые и неконтролируемые.
Эволюционное планирование является одной из модификаций активного эксперимента. Реализация эволюционной схемы планирования основана на классификации факторов, характеризуючих систему, по их роли в процессе управления / 24 /.
Целесообразно разделение факторов на три группы:
1) Группа управляемых факторов Хі,Хг,...,Хе .которая обуславливает управляющие воздействия. Под воздействием этой группы факторов возможно целенаправленно варьировать ходом процесса в нужном направлении.
2) Группа контролируемых факторов Zf,Z.2,.-, Z/n .которая характеризует некоторые условия функционирования сложной системы и взаимосвязь между подсистемами. Факторы этой группы в ходе эксперимента могут регистрироваться с желаемой степенью точности,но уровень их значений не зависит от воли экспериментатора.
3) группа неконтролируемых факторов d)i,Сиг,..., $п , которые являются возмущаодими воздействиями на систему. Количественная информация о их взаимодействии на систему отсутствует.
Группа выходных параметров Уі,У ,...,Ук, как и в случае активного эксперимента, является критерием эффективности сложной системы.
При проведении эволюционного эксперимента информация о ходе процесса поступает в условиях нормального функционирования системы, поскольку незначительные изменения управляемых факторов не выходят за рамки рабочего режима. Возможность многократного дуб лирования одинаковых вариантов эксперимента позволяет установить степень влияния каждого управляемого фактора JCe на выходной параметр У к с учетом изменений контролируемых лт и неконтролируемых Л іди факторов, влияние которых оценивается как шум на выходе процесса.
Так как интервал варьирования управляемых переменных небольшой из-за различных граничных условий, ошибка эксперимента несколько увеличивается вследствие наличия в реальном процессе неуправляемых факторов и их изменений. Поэтому математическая обработка данных эксперимента, кроме трех обязательных ступеней (оценки воспроизводимости процесса, значимости коэффициентов регрессии,адекватности математической модели), имеет некоторые особенности. При эволюционной схеме планирования существует возможность исключить эффект влияния контролируемых факторов и из невоспроизводимого получить воспроизводимый процесс. Такие процессы в планировании эксперимента называются квазивоспроизводимыми / 24 /.
Таким образом эволюционное планирование, являясь одним из методов адаптационной оптимизации, сочетает в себе преимущества активного и пассивного экспериментов и позволяет получить более полное математическое описание системы. Поэтому очевидна необходимость применения эволюционного планирования при исследовании сложной системы АВД.
