Введение к работе
Актуальность темы. В федеральной целевой программе «Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)» в качестве приоритетной сформулирована задача повышения комплексной безопасности и устойчивости работы транспортной системы. Проблема обеспечения бесперебойного и безопасного движения автотранспорта на снегозаносимых участках автомобильных дорог во время прохождения снегопадов и метелей приобретает особую актуальность в зимний период.
Действующие нормативные документы регламентируют параметры патрульной снегоочистки для всей трассы автомобильной дороги, не учитывая, что на снегозаносимых участках отложения снега на проезжей части и обочинах наблюдаются чаще и в больших объемах, чем на расположенных рядом незано- симых участках. Это приводит к снижению скорости и перерывам в движении транспортных потоков при длительных и интенсивных снегопадах и метелях.
Решение задачи обеспечения бесперебойного движения в сложных погодных условиях возможно на основе создания системы мониторинга снегозано- симых участков автомобильных дорог, к которым относятся, в первую очередь, нераскрытые выемки.
Развивающиеся в настоящее время погодные дорожные системы предоставляют технические возможности для организации наблюдений за погодными условиями и состоянием снегозаносимых участков. Требования к уровню содержания дорог составляют нормативную базу для развития мониторинга снегозаносимых участков, но отсутствие вычислительной и прогностической подсистем, а также системы поддержки принятия решений по снегоочистке не позволяют создать полноценную систему мониторинга.
Таким образом, разработка системы мониторинга снегозаносимых участков дорог является актуальной задачей, решение которой повысит эксплуатационную надежность автомобильных дорог в зимний период. В диссертационной работе проведены исследования по мониторингу выемок, которые относятся к категории сильнозаносимых участков автомобильных дорог.
Объект исследования - снегозаносимые участки автомобильных дорог в выемках.
Предмет исследования - закономерности формирования снежных отложений в выемках и динамика снегонакопления под воздействием различных факторов.
Целью диссертационной работы является разработка системы мониторинга снегозаносимости выемок автомобильных дорог для организации работ по зимнему содержанию.
Основные задачи исследования:
-
Разработать систему мониторинга снезаносимости выемок и определить перечень параметров, влияющих на динамику снегонакоплений в зимний период;
-
Разработать динамическую модель для расчета снежных накоплений в выемках, учитывающую отложения снега от метелей, снегопадов, снегоочистки и потери снега от воздействия погодных факторов.
-
Провести опытно-экспериментальную проверку адекватности предложенной математической модели расчета снежных накоплений;
-
Провести серию вычислительных экспериментов для оценки снегоза- носимости выемок различной глубины и исследования динамики накопления снега на откосах, в кюветах и на проезжей части выемки;
-
Разработать алгоритм обработки погодной и дорожной информации для оценки и прогноза снегозаносимости выемок;
-
Разработать практические рекомендации по выбору технологий работ по зимнему содержанию на основе прогноза снегозаносимости выемки.
Научная новизна заключается в следующем:
предложена система мониторинга снегозаносимых участков дорог, включающая математическую модель и алгоритм определения текущего и прогнозируемого эксплуатационного состояния участков дорог в выемках, блоки принятия решений по выбору технологии работ по снегоочистке и их реализации;
установлен перечень приоритетных природных факторов, погодных и дорожных параметров - геометрические параметры выемки, направление участка дороги, температурный и ветровой режим зимнего периода;
предложена математическая модель баланса для расчета накопления снега на откосах и в кюветах выемок от метелей, снегопадов, снегоочистки и его потери от воздействия погодных факторов (температуры воздуха и скорости ветра);
в результате статистической обработки данных метеостанций, получены показательные законы распределения основных погодных величин, определяющих процессы снегонакоплений в выемках - температуры воздуха при выпадении твердых осадков, объемов снегопереноса при метелях, интенсивности и количества выпавших осадков при снегопадах;
по результатам вычислительных экспериментов выявлена динамика снегонакопления в выемках различной глубины, на основании которых возможен прогноз даты достижения полной снегоемкости и объемов снега на дорожном покрытии, необходимых для принятия решений по выбору технологии работ по снегоочистке.
Научная значимость работы определяется разработкой системы мониторинга снегозаносимости опасных участков дорог, математической модели и алгоритма определения текущего и прогнозируемого эксплуатационного состояния участков дорог в выемках.
Практическая значимость работы диссертационной работы заключается в разработке рекомендаций по мониторингу снегозаносимости выемок, разработке алгоритма обработки погодной и дорожной информации для оценки и прогноза снегозаносимости выемок.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием результатов теоретических исследований и математических моделей, адекватность которых была доказана ранее, соблюдением основных принципов математического моделирования и обеспечивается сопоставлением результатов моделирования с опытно-экспериментальными данными снегомерных съемок.
Реализация результатов научных исследований. Результаты исследований использовались при выполнении научно - исследовательских работ по теме «Исследование и разработка методов и средств упреждающего автоматизированного сбора и анализа информации об угрозах природного происхождения (оползни, лавины, камнепады, обледенения, подтопления и т.п.) на автомобильных дорогах общего пользования в целях своевременного реагирования на указанные угрозы и минимизации их последствий» в виде аналитических материалов и алгоритмов при разработке раздела «Модели системы упреждающего автоматизированного сбора и анализа информации об угрозах природного происхождения на федеральных автомобильных дорогах общего пользования»
Результаты исследований использованы при выполнении проекта «Реконструкция автомобильной дороги 1Р 228 Сызрань - Саратов - Волгоград на участке км 446+693 - км 465+000, Волгоградская область». В раздел проекта «Организация работ по содержанию автомобильной дороги 1Р 228 Сызрань - Саратов - Волгоград на участке км 446+693 - км 465+000, Волгоградская область» вошли результаты оценки снегоемкости выемок и варианты снегозащиты трех участков дороги, проходящих в нераскрытых выемках.
Результаты исследований использовались в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета при выполнении дипломных научных работ и технических деталей дипломных проектов.
На защиту выносятся:
математические модели расчета остаточной снегоемкости и прогнозирования снегозаносимости выемок;
динамическая модель накопления снега в выемках, учитывающая отложения снега от метелей, снегопадов, снегоочистки и потери снега от воздействия погодных факторов;
параметры законов распределения основных физических величин, определяющих процессы снегонакопления - температуры воздуха при выпадении твердых осадков, объемов снегопереноса при метелях, интенсивности и количества выпавших осадков при снегопадах;
алгоритм обработки данных для расчета объемов отложений снега и прогноза объемов работ по снегоочистке для выемок различной глубины.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно- строительного университета (2004-2012гг.), на Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004г.), Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2004г., 2006г., Ростов-на-Дону, 2005г., 2006г.), Международных научно-технических конференциях «Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог» (г. Могилев, 2005г., 2010г.), Научно-технической конференции «Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (МАДИ, Москва, 2007г.), на Международной конференции SIRWEC (Финляндия, Хельсинки, 2012г.), на Международной конференции «Snow engineering VII» (Япония, Фукуй, 2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ общим объемом 88 страницы, из которых лично автору принадлежит 38 страниц. Четыре работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура», «Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета», сборник «Дороги и мосты».
В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] представлена динамическая математическая модель для определения объемов снегонакоплений на откосах и в кюветах выемок, в работе [2] представлена математическая модель, учитывающая воздействие погодных факторов на динамику снегонакопления в нераскрытой выемке; в работе [3] рассмотрена задача мониторинга снегозаноси- мых участков, представлены расчет остаточной снегоемкости выемки и пошаговый алгоритм оценки ее снегозаносимости; в работе [4] представлены результаты опытно-экспериментальной проверки адекватности математических моделей.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 160 страницах машинописного текста, основных выводов, списка литературы, содержащего 163 наименований, и двух приложений. Диссертация содержит 35 рисунков, 20 таблиц.
