Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса 8
1.1. Современное состояние автобусного городского пассажирского транспорта г. Москвы .8
1.2. Условия эксплуатации маршрутных автобусов: анализ и влияние на основные показатели их работы 15
1.3. Обзор методик по определению параметров сложности маршрута движения при работе автомобилей на линии 19
1.4. Основные научные исследования в области нормирования расхода топлива 32
1.5. Выводы по первой главе 46
1.6. Цель, задачи и общая методика исследований 48
Глава 2. Теоретические исследования 51
2.1. Рабочая гипотеза 51
2.2. Методический подход к оценке и выбору факторов сложности маршрута движения... 2.2.1. Основные принципиальные схемы оценки факторов сложности маршрута движения с использованием многошагового регрессионного и компонентного анализов 55
2.2.2. Выбор факторов условий эксплуатации, характеризующих сложность маршрута движения городских автобусов 61
2.3. Методический подход к построению и анализу математической модели маршрутной нормы расхода топлива городских автобусов 66
2.3.1. Выбор математического аппарата исследований 67
2.3.2. Общая характеристика метода главных компонент 72
2.3.3. Вычисление главных компонент 74
2.3.4. Выбор главных компонент и переход к обобщенным факторам 77
2.4. Методика выбора обобщенного параметра сложности маршрута движения городских автобусов на основе статистической информации 81
2.5. Выводы по второй главе 83
Глава 3. Экспериментальные исследования 85
3.1. Общая методика эксперимента 85
3.2. Частные методики экспериментальных исследований 86
3.2.1. Выбор полигона проведения эксперимента 86
3.2.2. Методика сбора статистического материала 89
3.2.3. Определение объема и продолжительности наблюдений 94
3.2.4. Предварительная обработка результатов 95
3.3. Методика построения и анализа математических моделей расхода топлива автобусов, оснащенных НОГ, на основе статистической информации .96
3.4. Методика построения и анализа математической модели обобщенного параметра сложности маршрута движения на основе статистической информации 104
3.5. Выводы по третьей главе 108
Глава 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 109
4.1. Исследование факторов, определяющих маршрутный расход топлива автобусов ЛиАЗ-677 и Икарус 280,
оснащенных нейтрализаторами отработавших газов блочного типа 109
4.2. Многофакторные математические модели на главных компонентах расхода топлива автобуса ЛиАЗ-677 и Икарус-280, оборудованных НОГ модели 17.1206.010 и НД59-14А-00000 117
4.3. Анализ многофакторных математических моделей расхода топлива автобуса ЛиАЗ-677 и Икарус-280, оборудованных НОГ 120
4.4. Математическая модель обобщенного параметра сложности маршрута движения городских автобусов на основе статистической информации 123
4.5. Классификация городских автобусных маршрутов по сложности на основе статистической информации 125
4.6. Рекомендации по оперативному корректированию основных нормативов технической эксплуатации с учетом сложности маршрута движения городского автобуса на основе статистической информации (для целей планирования) 127
4.7. Методика определения маршрутных нормрасхода
топлива автобусов ЛиАЗ-677 и Икарус-280, оснащенных
нейтрализаторами типа 17.1206.010 и НД59-14А-00000 130
4.7.1. Общие положения 130
4.7.2. Основные факторы и математические модели расхода топлива городских автобусов, ЛиАЗ-677 и
Икарус-280, оборудованных нейтрализаторами ОГ 133
4.7.3.Сбор статистических исходных данных 137
4.7.4. Пример расчета дифференцированных норм расхода топлива 138
4.8. Выводы по четвертой главе 141
Основные результаты и выводы 144
Литература .147
Приложения 1
- Условия эксплуатации маршрутных автобусов: анализ и влияние на основные показатели их работы
- Выбор факторов условий эксплуатации, характеризующих сложность маршрута движения городских автобусов
- Определение объема и продолжительности наблюдений
- Анализ многофакторных математических моделей расхода топлива автобуса ЛиАЗ-677 и Икарус-280, оборудованных НОГ
Условия эксплуатации маршрутных автобусов: анализ и влияние на основные показатели их работы
С применением показателя Кнр определяется количественный интегральный показатель Kg дорожных условий [14]. К недостаткам показателя Кнр следует отнести его ограниченность в широком применении к деятельности АТП, поскольку требует наличия в хозяйстве специального оборудования для определения численных значений уклонов дороги и коэффициента сопротивления качению, который в свою очередь зависит от ряда объективных факторов и не является постоянной величиной для конкретного маршрута. Кроме того, f абсолютно не учитывает действия транспортных факторов и условий движения на режимы автомобиля при работе на конкретном маршруте. Применительно к городским перевозкам пассажиров, когда маршрут проходит по одним и тем же перегонам в прямом и обратном направлениях (за исключением кольцевых маршрутов), влияние характеристики дороги на эксплуатационные показатели носит фоновый характер, так как доминирующее влияние показателя профиля дороги в прямом направлении, компенсируется его пассивностью в обратном направлении за счет движения автобуса накатом.
Наиболее полно охарактеризовать сложность маршрута для работы грузового подвижного состава автомобильного транспорта, используя количественные показатели пересеченности продольного профиля, извилистости дороги в плане, помехонасыщенности маршрута, интенсивности движения и коэффициента сопротивления качению, предлагается в работах [27,52] при установлении маршрутных норм расхода топлива. Для этого используется коэффициент сложности маршрута вида: Ксл = 0,065 J + 0,066 П + 4,65 f + 0,225 Z - 0,10 Z + 0,011 i + 0,00005 i + + 0,0027 СУ І+0,88 , (1.3.12) где f - коэффициент сопротивления качению; і - средневзвешенный уклон маршрута, %; С, - среднеквадратическое отклонение уклона, %; П - показатель помехонасыщенности маршрута, ед/км; Z - уровень загрузки дороги движением; J - показатель извилистости дороги, рад/км; Предложенная корреляционно-регрессионная модель, по мнению авторов, достаточно точно описывает сложность установившихся маршрутов движения для грузовых автомобилей и эффективно выполняет корректирование при нормировании маршрутного расхода топлива. В то же время подробное рассмотрение определяющих факторов и адекватности модели реальным условиям эксплуатации показывают ее слабую работоспособность, поскольку аб 26 солютно не учитывается весовая нагрузка автомобиля. Кроме того, коэффициент сопротивления качению не является независимым фактором, он или функционально связан или имеет тесную корреляционную связь с большим количеством различных факторов [42]. В плане оперативности получения достоверной исходной информации в рамках АТП модель инертна и сложна в повседневной работе по следующим причинам. Во-первых, величина извилистости маршрута определяется по паспорту дороги и не учитывает маневры транспортного средства, вызванные дорожно-транспортными ситуациями при движении, а также на погрузочно-разгрузочных пунктах. Во-вторых, уровень загрузки дороги рассчитывается по формуле: Z = NIP (1.3.13) где N - интенсивность движения автомобиля на маршруте, авт/ч. Принимается по данным органов ГИБДД. Р - пропускная способность дороги, авт/ч. Принимается по данным организаций Министерства автомобильных дорог и организаций коммунального хозяйства.
Таким образом, чтобы рассчитывать уровень загрузки дороги движением, автотранспортному предприятию необходимо обращаться за информацией к соответствующим организациям, что не всегда удобно, поскольку в условиях рыночной экономики за подобную информацию приходится платить значительные суммы, а маршруты могут меняться, как и меняются клиенты. Кроме того, работать с формулой (1.3.12) затруднительно, когда маршрут проходит в городской черте по различным участкам улиц, где интенсивность движения имеет значительную вариацию, поэтому автотранспортному предприятию необходимо иметь значительный банк данных. В противном случае полученные результаты будут весьма приближенными.
Несколько по иному определялся показатель сложности маршрута при оценке труда водителей городских автобусов и грузовых автомобилей, выполняющих перевозку хлебопродуктов [51, 95]. В основе подхода, предложенного авторами [51, 95], лежит метод ситуационного описания процесса движения автотранспортного средства, базирующегося на логико-вероятностном аппарате моделирования. Суть логико-вероятностного моделирования заключается в построении структуры деятельности водителя в символической форме (то есть в виде набора оперативных единиц информации и элементарных действий на основании одного из разделов математической логики - «Исчисление высказываний»).
Выбор факторов условий эксплуатации, характеризующих сложность маршрута движения городских автобусов
Применительно к автобусам д.т.н. профессором Максимовым В.А. с учетом данных д.т.н., профессора Кузнецова Е.С. [64] сформированы основные направления повышения эффективности использования городских автобусов средствами инженерно-технической службы и оценен вклад технической эксплуатации (рис.2.1.1). При этом важнейшим элементом является объективный учет условий эксплуатации и природно-климатических условий, который на 6,4% определяет повышение эффективности использования городских автобусов за счет технической готовности и на 10,2% - за счет рационального использования затрат на ТО и ТР.
Обзор исследований по оценке факторов сложности условий эксплуатации автотранспортных средств и их влиянию на топливную экономичность, выполненный в 1-ой главе, показал, что при рассмотрении указанной проблемы с точки зрения теории необходимо решить следующие основные задачи: 1. Разработать методический подход к оценке и выбору факторов сложности маршрута движения городского автобуса; 2. Сформировать перечень факторов сложности маршрута движения и разработать расчетные формулы для их определения; 3. Выбрать математический аппарат исследований; 4. Сформировать на основе выше изложенного методический подход к выбору обобщенного параметра сложности маршрута движения. При этом следует учитывать, что: - перечень и степень влияния факторов сложности на параметры технико-эксплуатационных свойств городских автобусов [74 ] носят индивидуальный характер (табл. 2.1.1) и, следовательно, подлежат индивидуальной оценке и учету; Повышение эффективности использования городских автобусов
Повышение эффективности технической эксплуатации
Повышение эффективности коммернеской эксплуатации 0,17/0,17 Повышение эффективности экономической службы и аппарата управления 0.33/0. Выполнение рекомендаций и нормативов - 0,063/0,06
Частота плановых и внеплановых остановок 0.20 0.132 0.20 0.132 0.132 С учетом изложенного можно предположить, что при исследовании влияния факторов сложности маршрута движения городского автобуса на его технико-эксплуатационные свойства и, в частности, на топливную экономичность и показатели эффективности, необходимо: - рассматривать всю совокупность факторов условий эксплуатации при их взаимодействии и дополнении друг друга; - оценивать как индивидуальное, так и совокупное их влияние. При этом особо анализировать эмерджентные свойства, т.е. свойства системы факторов сложности маршрута движения городского автобуса как целостности, которыми может быть не обладает ни один из них в отдельности; - регистрировать их по возможности по отчетным данным автотранспортных предприятий; - применять прогрессивные методы математической статистики и штатное программное обеспечение современных ПЭВМ.
Анализ рассмотренных литературных источников показал, что факторы сложности маршрута движения городских автобусов являются факторами условий эксплуатации, характеризующими дорожные и транспортные условия и условия движения.
Их влияние на параметры технико-эксплуатационных свойств автомобилей и, в частности, городских автобусов сводится к двум принципиальным вариантам. Суть первого сводится к следующему (рис. 2.2.1): Имеется функция отклика (параметр технико-эксплуатационных свойств), например - маршрутная норма расхода топлива. Она определяется рядом факторов сложности маршрута движения. Это влияние, как правило, отражается многофакторной моделью следующего вида: Нм = f (Xi, Х2,..., Xj,..., Xn), (2.2.1) где Им - маршрутная норма расхода топлива автобусов, л/100 км; Xj (i=1,2, ..., n) - факторы (исходные признаки), влияющие на величину маршрутной нормы расхода топлива автобусов.
Математическая модель (формула 2.2.1) для городских автобусов обычно строится с использованием корреляционно-регрессионного анализа, имеющего ряд недостатков, одним из которых является то, что при построении многофакторной регрессии, взаимосвязанные (мультиколлинеарные) факторы выводятся из модели, т.е. модель строится на независимых переменных. В реальной же действительности на функцию отклика действует все многообразие факторов, в том числе и взаимосвязанных между собой. Для устранения явления мультиколлинеарности [2,31,39] используют математический аппарат компонентного анализа и строят регрессию на главных компонентах (формула 2.2.2): HM = f(V1,V2)...,Vi Vn), (2.2.2) где Vj (i= 1,2, ..., n) - главные компоненты. Поскольку главные компоненты являются линейными комбинациями зависимых факторов (формула 2.2.3), то от
Определение объема и продолжительности наблюдений
Из определения главных компонент следует, что для вычисления первой главной компоненты необходимо решить оптимизационную задачу вида (2.3.12), т.е. в данном случае: где /, - первая строка матрицы L (формула 2.3.15). Учитывая
Центрированность переменной X (Т.е. ЕХ = 0) И ТО, ЧТО Е(ХХТ) = 1, имеем var(/1X) = E(/,Z)2 =E(/1ZZT/,T) = /1 /1T . (2.3.19) Следовательно, задача (2.3.18) может быть записана следующим образом: /, Y7, - тах; Т - 3.20) Используя функцию Лагранжа 9 (/1Я)=/12] іг-Я(/1/1г-і) и дифференцируя ее по компонентам вектор-столбца /,т, получаем следующее выражение: 1 2 -2 , (2.3.21) что дает систему для определения /,: (2-А/)/,т=о (2.3.22) (здесь о = (0,о,...,0)т - р -мерный вектор-столбец из нулей). Для того, чтобы существовало ненулевое решение системы (2.3.22) (а оно должно быть ненулевым, так как z,/ =i), матрица z-ii должна быть вырожденной, т.е. Е-1/ = о (2.3.23)
Этого добиваются подбором соответствующего значения я. Уравнение (2.3.23) (относительно л) называется характеристическим для матрицы . Известно [2], что при симметричности и неотрицательной определенности матрицы z (каковой она и является как всякая ковариационная матрица) это уравнение имеет р вещественных неотрицательных корней я, л2 ... яр о, называемых характеристическими (или собственными) значениями матрицы Е.
Учитывая, ЧТО varz(1) =var(/1 ) = /1 /1T И l lj = Л (ПОСЛЄДНЄЄ соотношение следует из соотношения (2.3.22) после его умножения слева на /,, с учетом ijj =1), получаем var z(1) (X) = я. Поэтому для обеспечения максимальной величины дисперсии переменной zm нужно выбрать из р собственных значений матрицы Е наибольшее, т.е. varz(,)(X) = \ (2.3.24) Подставляем лх в систему уравнений (2.3.22) и, решая ее относительно /„,...,/,,, определяем компоненты вектора /,. Таким образом, первая главная компонента получается как линейная комбинация zm(X) = l,x, где /, - собственный вектор матрицы I, соответствующий наибольшему собственному числу этой матрицы.
Далее аналогично можно показать, что z{K\X) = lKx, где /,. -собственный вектор матрицы 2, соответствующий к-щ по величине собственному значению хк этой матрицы.
Таким образом, соотношения для определения всех р главных компонент вектора х могут быть представлены в виде (2.3.15), где z = (z(1),...,z(p))T, х = (х(1),...,х(р))т, а матрица L состоит из строк ij=QJX,...,lJP), j = \,p, являющихся собственными векторами матрицы Z, соответствующими собственным числам 1Г При этом сама матрица L в соответствии с условиями (2.3.13) является ортогональной, т.е. LL1=L1L = I .3.25.) Если от стандартизованных значений исходных признаков перейти к их истинным значениям [31,39], то главные компоненты можно представить системой уравнений (формула 2.2.4). 2.3.4. Выбор главных компонент и переход к обобщенным факторам
Выбор главных компонент осуществлялся по величине собственного числа компоненты [2,31,39]:
Значимой считалась любая главная компонента, имеющая собственное число больше единицы. Для оптимизации полученных главных компонент применялась процедура их вращения [31]. При этом при вращении использовался принцип простой структуры. В математической статистике принято, что главные компоненты после вращения называются обобщенными факторами, а простая структура должна удовлетворять следующим требованиям [31]: - каждая строка матрицы факторной структуры должна содержать хотя бы один нулевой элемент; - в каждом столбце матрицы факторной структуры должно быть не менее гл нулей (так как m - число обобщенных факторов, то каждый фактор в своей гиперплоскости координат должен определяться не менее, чем m признаками); - для каждой пары столбцов матрицы факторной структуры найдется несколько признаков, соответствующие элементы которых в матрице равны нулю в одном столбце и не равны нулю в другом столбце; - если число факторов равно или превышает четыре, то достаточно велика доля признаков, имеющих в любой паре столбцов одновременно нулевые элементы; - для любой пары столбцов найдется мало параметров, соответствующие элементы которых в обоих столбцах отличны от нуля. В качестве критериев при вращении используют или критерии варимаксного врашения, или матрицу Т, и др. [31].
При варимаксном вращении критерий должен принимать минимальное значение, когда наибольшее число точек лежит в близи осей координат: где а jr - весовые коэффициенты после вращения; а ji - весоые коэффициенты до вращения; m - число обобщенных факторов; п - число исходных признаков. При вращении по часовой стрелке пользуются матрицей Т: гр / cos a sin а \ \- sin a cos а ) , (2.3.28) где а - угол поворота, град. На практике обычно производится одновременный поворот всех осей координат по стандартным программам при помощи матрицы Т [31]. Вращение главных компонент позволяет упростить факторную структуру и получить более точную математическую модель. Как показывает опыт [6,54,55,105], при решении задач технической эксплуатации автомобильного транспорта обычно обходятся одной или двумя главными компонентами. Поэтому рассмотрим пример поворота главных компонент в двухмерном пространстве.
Анализ многофакторных математических моделей расхода топлива автобуса ЛиАЗ-677 и Икарус-280, оборудованных НОГ
На третьем этапе производится статистическая обработка и анализ информации, определяется ее представительность и точность, согласно положений [15, 17]. В случае, если получена недостаточно представительная выборка, то проводится дополнительное обследование (заезды) маршрутов.
На четвертом этапе, используя, полученные статистические данные, выполняется расчет маршрутных норм расхода топлива.
В качестве проверки или уточнения полученных нормативов расхода топлива могут быть выполнены контрольные заезды с расходомером.
При этом проводится по 2 контрольных заезда в «пиковый» и «межпиковый» периоды на маршрутах, характеризующих легкие, средние, тяжелые условия эксплуатации, то есть «сложность».
Предварительно категории сложности подконтрольных маршрутов определяются на основании экспертного опроса специалистов автобусного парка.
При выполнении контрольных заездов на маршруте, регистрация расхода топлива осуществляется по каждому перегону и заносится в протокол. Работу с приборным обеспечением осуществляет член созданной комиссии, который также контролирует соответствие режимов работы автобуса условиям эксплуатации на маршруте и установленному расписанию движения.
В качестве основных влияющих факторов условий эксплуатации на конкретном городском маршруте, которые оказывают суще 134 ственное влияние на расход топлива автобусов ЛИАЗ-677 и Икарус-280 с нейтрализаторами, являются: \/э - средняя эксплуатационная скорость автобуса на маршруте, км/ч; NOCT - удельное количество остановок (помехонасыщенность) на маршруте, шт./км; У - коэффициент использования пассажировместимости; Р - средняя плотность транспортного потока на маршруте, авт./ЮО м; гп - средняя длина перегона, км; Поскольку данные факторы практически все взаимосвязаны и коррелируют между собой, то при расчете норм расхода топлива на практике рационально использовать многофакторные математические модели, построенные на главных компонентах. Для условий г. Москвы целесообразно применять пятифактор-ные корреляционно-регрессионные математические модели, в частности: QjH0W7 = 43,52 - 0,61 V3j + 2,96 У,+ 2,98 й -5,25%+6,91 N0CTj, (4.7.1) QjHV28o = 52,74 - 1,00 V3, + 2,89 Y j+ 2,91 Pj -0,92%+ 3,64 N0CTj, (4.7.2) где QjHOrn-677, QjHorMK-28o - расход топлива автобусов ЛиАЗ-677 и Ика рус-280, оборудованных НОГ на j- ом маршруте, л/100 км; Графическая интерпретация (рис. 4.7.1 - 4.7.4) работы математических моделей дает представление о возможном диапазоне из 135 ж
Средняя эксплуатационная скорость, км/ч Рис. 4.7.2. Изменение маршрутного расхода топлива автобуса ЛИАЗ-677 с НОГ в зависимости от средней эксплуатационной скорости (V3) при максимальных {ik) и минимальных (А ) значениях менения маршрутного расхода топлива городских автобусов, оборудованных НОГ при варьировании факторов от минимального до максимального возможных значений.
Рассчитанные по данной математической зависимости дифференцированные маршрутные нормы расхода топлива, однако, не включают в себя все предусмотренные надбавки, поэтому корректирование в дальнейшем этих норм требуется с учетом зимних колебаний температуры.
Исходные данные для расчета расхода топлива на маршруте по математическим моделям (формулы 4.7.1 и 4.7.2) принимаются исходя из имеющейся информации паспорта маршрута, в частности, средней эксплуатационной скорости, средневзвешенного коэффициента использования пассажировместимости, удельного количества технологических остановок (посадка-высадка пассажиров), удельного количества светофоров, удельного количества пересечений с главной дорогой.
Для определения средневзвешенного значения плотности транспортного потока требуется обследование каждого маршрута, закрепленной за парком транспортной сети в «пиковый» и «межпиковые» периоды.
Средняя плотность транспортного потока на маршруте в пиковый или межпиковый периоды определяется исходя из выражения: PcPjn,Mn = ( ± pij/nj)/Ue.p.j, (4.7.3) где pcpjп,мп - средняя плотность транспортного потока в пиковый или межпиковый период j-ro маршрута, авт./ЮО м; 138 Py - плотность транспортного потока на і-м-перегоне j-ro маршрута, авт./100 м; nj - количество перегонов на j-ом маршруте, ед; Ue-p. j - длина оборотного рейса j-ro маршрута, км. Средняя плотность транспортного потока на j-ом маршруте определяется по формуле: pcpj=(pjn+p-)/2, (4.7.4) где pjn - средняя плотность транспортного потока в пиковый период j-ro маршрута, авт./ЮО м; PjMn - средняя плотность транспортного потока в межпиковый период j-ro маршрута, авт./ЮО м; Удельное количество остановок на j-ом маршруте N0CTj (шт./км) определяется исходя из математической зависимости [20]: NOCTJ = nTOj + 0.5 (Пев] + rinepj), (4.7.5) где nTOj - удельное количество технологических остановок, шт./км; nCBj - удельное количество светофоров, шт./км; nnepj удельное количество пересечений с главной дорогой, шт./км. 4.7.4. Пример расчета дифференцированных норм расхода топлива I.) Постановка задачи. В ходе обследования маршрутов одного из автобусных парков была получена статистика для установления маршрутных норм расхода топлива автобусов большой вместимости ЛиАЗ-677 с НОГ 17.1206.010 и особо большой вместимости Икарус-280, оборудованных нейтрализаторами ОГ модели НД59-14А-00000.
Источником информации по средневзвешенной длине перегона, коэффициенту использования пассажировместимости, средней эксплуатационной скорости (V3j), удельному количеству остановок (N ОСТІ) на j -х маршрутах являются данные отдела эксплуатации. Средняя плотность транспортного потока в «пиковый и межпиковые» периоды (pj ср.) установлена в ходе проведенного натурного обследования маршрутов. Исходные данные представлены в табл. 4.1.1. Требуется определить маршрутные нормы для работы автобусов ЛиАЗ-677 и Икарус-280, оборудованных нейтрализаторами типа 17.1206.010 и НД59-14А-00000, при работе на одном и том же городском маршруте определенной сложности.
