Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и цели исследования ... 11
1.1. Современные технологии работ по зимнему содержанию дорог 11
1.2. Существующие методы расчета цикличности работ по зимнему содержанию автомобильных дорог 15
1.3. Классификация снежно-ледяных отложений на автомобильных дорогах и условия их образования 19
1.4. Существующие способы определения температуры поверхности дорожного покрытия 27
1.4.1. Измерение температуры с помощью датчиков АДМС 27
1.4.2. Определение температуры дорожного покрытия с помощью термокартирования 28
1.4.3. Использование математических моделей для расчета температуры дорожного покрытия 29
1.5. Цели и задачи исследования 36
2. Разработка математических моделей для расчета цикличности работ по зимнему содержанию автомобильных дорог 37
2.1. Системный подход к управлению ресурсами для зимнего содержания автомобильных дорог 37
2.2. Выбор класса моделей и источников информации для решения задачи расчета цикличности работ 41
2.3. Внутренние параметры системы, влияющие на цикличность работ по зимнему содержанию автомобильных дорог
2.3.1. Параметры окружающей среды 42
2.3.2. Дорожные параметры, влияющие на цикличность работ 43
2.4. Математическая модель состояния дорожного покрытия в зимний период 45
2.5. Математическая модель температуры дорожного покрытия
2.6. Основные положения методики расчета цикличности работ по зимнему содержанию автомобильных дорог 59
2.7. Методика проведения вычислительного эксперимента 63
2.8. Выводы по главе 65
3.1. Исследование влияния метеорологических и дорожных параметров на радиационный баланс дорожного покрытия 66
3.1.1. Модуль расчета радиационного баланса поверхности автомобильной дороги 66
3.1.2. Результаты вычислительного эксперимента 67
3.2. Исследование влияния метеорологических и дорожных параметров на эквивалентную температуру 72
3.2.1. Модуль расчета эквивалентной температуры среды 72
3.2.2. Результаты моделирования эквивалентной температуры
3.3. Модуль обработки метеорологических данных 80
3.4. Моделирование температурного режима дорожного покрытия 84
3.4.1. Модуль расчета температуры дорожного покрытия 84
3.4.2. Анализ результатов моделирования температуры дорожного покрытия 85
3.5. Расчет цикличности проведения работ по зимнему содержанию автомобильных дорог 93
3.5.1. Модуль для моделирования состояния дорожного покрытия и подсчета количества циклов работ по зимнему содержанию дорог 93
3.5.2. Результаты моделирования цикличности работ по зимнему содержанию 94
3.5.3. Картограммы цикличности работ по зимнему содержанию 102
3.5.4. Температурный режим в период возможного образования зимней скользкости 108
3.6. Выводы по главе 112
4. Практическая реализация результатов исследования ... 114
4.1. Практические рекомендации для дорожных организаций по расчету цикличности проведения работ 114
4.2. Расчет потребности ресурсов для зимнего содержания участка автомобильной дороги 116
4.3. Оценка экономической эффективности предлагаемых решений 118
Выводы 122
Список литературы
- Классификация снежно-ледяных отложений на автомобильных дорогах и условия их образования
- Выбор класса моделей и источников информации для решения задачи расчета цикличности работ
- Исследование влияния метеорологических и дорожных параметров на эквивалентную температуру
- Расчет потребности ресурсов для зимнего содержания участка автомобильной дороги
Классификация снежно-ледяных отложений на автомобильных дорогах и условия их образования
В настоящее время дорожные службы при расчете и обосновании ресурсов на зимнее содержание автомобильных дорог используют специальные рекомендации по периодичности проведения работ [53,55, 60].
В нормативном документе «Периодичность проведения видов работ по содержанию автомобильных дорог общего пользования федерального значения и искусственных сооружений на них» приведено количество циклов работ по зимнему содержанию с учетом обеспечения высокого уровня содержания для участка автомобильной дороги [63]. Количество циклов работ по зимнему содержанию предложено определять двумя способами: по числу дней со случаями образования зимней скользкости, которое умножается на поправочные коэффициенты в зависимости от интенсивности движения и территориального расположения участка автомобильной дороги, а также по расчету.
В "Руководстве по борьбе с зимней скользкостью" для различных регионов Российской Федерации приводятся такие показатели, как: средние многолетние даты начала и окончания периода борьбы с зимней скользкостью, его продолжительность, число дней со случаями образования зимней скользкости [53]. Приведенная информация получена на основе обработки данных метеостанций Государственной наблюдательной сети и не учитывает истиной цикличности дорожных работ. Под термином «количество дней со случаями образования зимней скользкости» понимается число дней выпадения снега с суточным количеством более 1 см (от слабого снегопада до обильного), с гололедно-изморозевыми явлениями, а также выпадением осадков при температуре воздуха ниже 0С. Таким образом, в настоящее время именно данные метеостанций являются источником получения различной климатологической информации, приведенной в справочниках и нормативной литературе. Однако, для обеспечения репрезентативности результатов измерений метеорологических данных, станции располагают вдалеке от дорог, чтобы исключить их влияние на измеряемые погодные параметры. Государственные метеостанции не ведут наблюдения за состоянием дорожных покрытий в зимний период, а гололедные явления наблюдаются на специальных гололедных станках, т.е. на проводах [72]. В результате этого, данные по цикличности работ, посчитанные по предлагаемой методике, являются не точными и требуют проверки.
В ОДМ 218.5.001-2008 [55] приводится достаточно подробная информация об атмосферных осадках и снежном покрове. Однако в документе не приведены рекомендации по использованию этой информации для расчета объемов работ по снегоочистке. Данные о снеговом покрове, которые получены с метеостанций, не отражают особенностей формирования снежных отложений на дорогах.
Таким образом, в предлагаемых методиках определения цикличности обязательно должны использоваться дорожные параметры (температура дорожного покрытия и его состояние, условия снегозаносимости и т.д.).
Состояние покрытия в настоящее время фиксируется специальными дорожными датчиками, входящими в состав автоматических дорожных метеостанций (АДМС) [56]. Эта информация отражает температурный режим покрытия, наличие некоторых видов зимней скользкости. Однако, ряды данных наблюдений на АДМС пока составляют 4-6 лет и качество информации, получаемой с дорожных датчиков предварительно следует оценить. Статистическая обработка таких коротких временных рядов не позволяет получить надежные данные о цикличности работ.
Дорожные датчики АДМС не фиксируют такой вид зимней скользкости, как рыхлый снег и снежный накат. Но технологии борьбы с ними включают не сколько этапов и циклов, которые не учитываются ни данными метеостанций, ни информацией АДМС.
Карабан Г.Л. предложил технологию снегоочистки выпавшего снега и недопущение его уплотнения [36]. Для всех видов зимней скользкости, образующихся при выпадении твердых осадков, предлагается определенная последовательность работ с различным интервалом во времени в зависимости от интенсивности снегопада и температуры.
В предлагаемых рекомендациях Карабан Г.Л. рассматривает снегопады, имеющие минимальную интенсивность 0,5 мм/ч в пересчете на воду или 2,5-12,5 мм/ч при пересчете на снег при изменении его плотности от 0,04 до 0,20 г/см [55]. Так как снегопады с интенсивностью более 1,5 мм воды в час очень редки, то предлагаемые рекомендации (см. табл. 1.1) требуют дополнительной проверки.
Количественной оценкой формирования различных видов зимней скользкости и снегопадов на автомобильных дорогах Новосибирской области занимались Белая Н.И., Лучицкая И.О. [8], Псаломщикова Л.М., Салль И.А. на федеральных автомобильных дорогах "Дон", "Крым", "Холмогоры" [64]. При иссле довании условий образования зимней скользкости ими была использована классификация, разработанная Самодуровой Т.В.[73]. В качестве исходных данных при исследованиях использовалась информация со станций наблюдательной сети Росгидромета, которые расположены вблизи автомобильных дорог. К сожалению, для оценки состояния дорожного покрытия не использовалась температура дороги, которая является основным параметром, влияющим на образование зимней скользкости, из-за этого результаты исследований являются неточными. Так же в работах авторов отсутствует детальная методика моделирования зимней скользкости на дороге, что затрудняет использование полученных результатов в дальнейших исследованиях.
В некоторых Европейских странах, а также в Канаде и США проводятся исследования по разработке методов оценки «суровости» зимы - объективного параметра, включающего климатические данные о сочетании метеорологических параметров, влияющих на условия зимнего содержания. Такой параметр получил название «зимний индекс». Он разрабатывается с целью сравнения отдельных зим и корректировки переходящих фондов финансовых средств на приобретение противогололедных реагентов [158]. Как показал анализ, практически все расчетные формулы для зимнего индекса содержат метеопараметры, наблюдаемые на государственных метеостанциях. Из дорожных параметров анализируется температура поверхности дорожного покрытия. Технологии производства работ (циклы обработки и очистки дорожных покрытий) пока не учитываются, так как в некоторых странах такие исследования только начаты.
Распределение количества случаев зимней скользкости дорог по территории Швеции и в отдельных регионах изучал Andersson А.К. [101]. Данные для анализа получены с АДМС за 5 зимних сезонов. Он рассматривает 4 вида скользкости, которые, по его мнению, являются наиболее показательными для изучения их пространственного изменения: «слабый иней» (HR1), «сильный иней» (HR1), «замерзшая поверхность дороги» (НТ) и «дождь или дождь со снегом, выпадающие на холодную поверхность дороги» (HN).
Выбор класса моделей и источников информации для решения задачи расчета цикличности работ
По временному масштабу мониторинг состояния дорожного покрытия находится в зоне погодных процессов, следовательно, для моделирования условий образования зимней скользкости и учета технологических особенностей для одного цикла работ также можно использовать данные государственных метеостанций. Однако, обоснование цикличности работ необходимо проводить на основе многолетних данных наблюдений, что соответствует области климатических процессов. Следовательно, получив данные о цикличности работ за несколько зимних сезонов, необходимо провести их статистическую обработку для получения расчетных параметров с различной вероятностью превышения.
Критерием, определяющим цикличность проведения работ по зимнему содержанию автомобильных дорог и потребность в ресурсах, является образ о вание снежно-ледяных отложений на проезжей части автомобильной дороги. Таким образом, воздействие окружающей среды в системе будет выражено метеорологическими параметрами, влияющими на образование скользкости на дорожном покрытии, на основе этих же параметров выбирается технология и последовательность выполнения работ по зимнему содержанию участка автомобильной дороги. В соответствии с данными поисковых исследований, приведенными в 1 главе, для моделирования условий образования зимней скользкости на дорожном покрытии и расчета цикличности работ можно выделить погодные параметры, приведенные в таблице 2.1.
Все метеопараметры, приведенные в таблице 2.1, кроме радиационного баланса дорожного покрытия, могут быть получены по данным стационарных метеорологических станций государственной сети. Для расчета радиационного баланса необходимо формирование специальной математической модели.
Температура дорожного покрытия является основным и наиболее важным дорожным фактором, определяющим возможность образования зимней скользкости. Она формируется под влиянием всех остальных дорожных параметров и большинства метеорологических факторов и может быть рассчитана с помощью математической модели, представленной ниже.
Географическое положение рассматриваемого участка автомобильной дороги определяет интенсивность воздействия суммарной солнечной радиации и других составляющих радиационного баланса. Азимут и продольный профиль автомобильной дороги характеризуют отражательную способность поверхности дорожного покрытия и также влияют на составляющие его радиационного баланса.
В зависимости от придорожной ситуации на дорожном покрытии могут образовываться затененные участки, где влияние солнца будет менее заметно по сравнению с солнечными участками. Также окружающая обстановка (наличие водоемов, лесополос, расположение участка дороги в низине или горной местности) может влиять на метеорологические и некоторые дорожные параметры (влажность конструктивных слоев дорожной одежды и земляного полотна, температура дорожного покрытия).
Теплофизические показатели конструктивных слоев дорожной одежды определяют скорость передачи тепла от окружающей среды к поверхности автомобильной дороги и нижележащим слоям дорожной одежды и могут быть определены из нормативно-технической литературы и справочников [40, 93].
Коэффициент поглощения излучения поверхностью дорожного покрытия показывает долю поглощенной лучистой энергии. Его величина зависит от цвета, шероховатости поверхности дорожного покрытия и может быть определена по справочным таблицам [25].
Как показали результаты поисковых исследований, за последние десятилетия накоплена определенная база знаний об условиях формирования различных видов зимней скользкости на покрытиях автомобильных дорог. В основе базы знаний лежат как теоретические исследования, так и результаты опытно-экспериментальных работ, а также практический опыт зимнего содержания с использованием погодных дорожных информационных систем.
Состояние дорожного покрытия в зимний период может быть рассчитано по определенному сочетанию комплекса погодных и дорожных факторов с использованием логических моделей представления знаний [23].
Среди логических моделей представления знаний наибольшее распространение получило исчисление предикатов первого порядка. Предикат - это функция со значениями 0 или 1 («ложь» или «истина»), которая определена на некотором множестве. Для решаемой задачи такое множество формируют метеорологические и дорожные параметры, обоснованные выше (см. табл. 2.1 и 2.2). Логические модели обеспечивают простую и ясную систему условных обозначений для записи фактов, обладающую четко определенным смысловым значением.
Классическим механизмом представления знаний являются правила получения выводов из известных утверждений, представленные в четком математическом виде. Основу логических моделей составляет формальная система, задаваемая четверкой множеств: S = {T,F,A,R), (2.1) где Т - множество базовых символов (алфавит), называемых термами; F - подмножество выражений (формул); А — выделенное множество аксиом (правильно построенных формул); R - конечное множество правил вывода (отношений между формулами).
На основе поисковых исследований была составлена таблица 2.3, в которой представлены все виды зимней скользкости и условия их образования. На основе этих данных был составлен алгоритм (правила вывода) определения состояния дорожного покрытия, представленный на рисунках 2.4; 2.5; 2.6.
Исследование влияния метеорологических и дорожных параметров на эквивалентную температуру
Проведены расчеты для исследования влияния облачности на эквивалентную температуру. Как показывает анализ результатов расчета, приведенных на рисунке 3.8., облачность оказывает существенное влияние на величину эквивалентной температуры. При сплошной облачности происходит уменьшение прямой солнечной радиации по сравнению с ее обычным значением в ясную погоду. А так как эквивалентная температура среды зависит от суммарной солнечной радиации, то значения эквивалентной температуры в ясную и облачную погоду могут различаться в 4-5 раза. Таким образом, облачность является одним из основных погодных параметров, влияющих на величину эквивалентной температуры среды.
Был произведен анализ влияния скорости ветра на величину эквивалентной температуры. Результаты расчета представлены на рисунке 3.9. Анализ результатов показал, что скорость ветра также оказывает определенное воздействие на величину эквивалентной температуры. Чем выше скорость ветра, тем меньшее значение принимает эквивалентная температура среды. Это связано с влиянием ветра на величину конвективной составляющей суммарного коэффициента теплообмена. Эквивалентная температура в безветренную погоду и при скорости ветра в 6 м/с различается в 2-3 раза.
В результате расчетов было установлено, что максимальное влияние азимута на эквивалентную температуру среды у покрытия происходит в околополуденное время (1-2С). При появлении облачности приток солнечной радиации резко уменьшается и влияние азимута на рассматриваемую величину значительно ослабевает и продолжает уменьшаться при увеличении скорости ветра. Зависимость эквивалентной температуры от азимута дороги при различных значениях продольного уклона участка автомобильной дороги в ясную безветренную погоду представлена на рисунке 3.10. о
Величина эквивалентной температуры зависит от продольного уклона участка дороги при разных значениях азимута в ясную, безветренную погоду представлено на рисунке 3.11. Это связано с тем, что из-за изменения наклона поверхности меняется угол падения солнечных лучей. Чем меньше угол падения солнечных лучей к поверхности, тем меньшее количество солнечной радиации приходиться на эту поверхность. Наибольшее количество солнечной радиации приходиться на поверхность, перпендикулярную направлению солнечных лучей, наименьшее количество- на вертикальные поверхности, ориентированные на север. Влияние продольного уклона на эквивалентную температуру может составлять до 2 С в ясную погоду. С появлением облаков и ветра наблюдается уменьшение этой величины, и продольный уклон практически не влияет на эквивалентную температуру среды у покрытия. ОО m2 m І Ґя
Зависимость эквивалентной температуры дорожного покрытия от продольного уклона рассматриваемого участка автомобильной дороги. 1- азимут 180 ; 2- азимут 270 ; 3- азимут 90; 4- азимут 0.
Все дорожные покрытия имеют различную шероховатость, цвет и сделаны из разных материалов, а значит, они обладают и различными коэффициентами поглощения. Таким образом, эквивалентная температура среды над дорожными покрытиями из разных материалов или с различным сроком эксплуатации будет разная. Ее величина зависит от коэффициента поглощения, значения которого представлены в таблице 3.1.
Влияние коэффициента поглощения поверхности дорожного покрытия на эквивалентную температуру представлено на рисунке 3.12. Из графика видно, что эквивалентная температура среды над асфальтобетонным покрытием будет выше, чем над цементобетонным при одинаковых прочих условиях. С увеличением облачности влияние коэффициента поглощения дорожного покрытия уменьшается, и различие между эквивалентными температурами для различных типов покрытий становится меньше и продолжает уменьшаться при увеличении скорости ветра. о
Зависимость эквивалентной температуры дорожного покрытия от коэффициента поглощения поверхности участка автомобильной дороги. 1- облачность 0 баллов и скорость ветра 0 м/с; 2- облачность 0 баллов и скорость ветра 6 м/с; 3- облачность 10 баллов и скорость ветра 0 м/с; 4- облачность 10 баллов и скорость ветра 6 м/с;
Анализ представленных выше результатов вычислительных экспериментов позволяет сделать вывод о том, что все проанализированные параметры влияют в той или иной степени на эквивалентную температуру среды в непосредственной близости от дорожного покрытия. Следовательно, они должны быть учтены при расчете граничных условий для температуры дорожного покрытия.
Для определения цикличности работ и исследования распределения этого параметра по территории отдельного региона при расчетах использовались данные метеостанций Нижегородской области за 15-летний период, полученные по договору в ВНИИ ГМИ - Мировой центр данных при выполнении работ в рамках научно-технической программы «Концепция создания и развития дорожной инфраструктуры на автомобильных дорогах в Нижегородской области».
Расчет потребности ресурсов для зимнего содержания участка автомобильной дороги
Количество реагентов будет зависеть от цикличности образования различных видов зимней скользкости и нормы распределения реагента. Так как нормы распределения зависят от температуры воздуха [53,55], по результатам моделирования получено распределение количества циклов при различной температуре воздуха. Результаты расчета для стекловидного льда представлены в таблице П3.1 приложения 3.
Анализ результатов моделирования показал, что в ряде случаев после обработки дорожного покрытия противогололедными материалами может наблюдаться резкое понижение температуры воздуха. Если количество распределенных химических реагентов будет недостаточно, то произойдет повторное замерзание раствора реагента, находящегося на дорожном покрытии. Количество случаев понижения температуры воздуха, при котором возможно повторное образование скользкости представлено в таблице П3.2 приложения 3
Дополнительная повторная обработка дорожных покрытий приводит к увеличению ресурсов. Для того, чтобы не допустить повторного замерзания растворов реагента на дорожном покрытии необходимо назначать нормы распределения с учетом прогноза изменения температуры воздуха. Этот параметр следует запрашивать в подразделениях Росгидромета и включать его в договор на информационное обслуживание.
Рассчитано количество циклов распределения ПГМ для предупреждения образования снежного наката, которое представлено в таблице ПЗ.З приложения 3. Расчеты произведены с учетом температурных диапазонов, в пределах которых изменяется норма распределения реагента.
По результатам моделирования цикличности работ рассчитано количество противогололедных материалов для 100 километров автомобильной дороги с шириной проезжей части 7,0 м (100 приведенных километров автомобильной дороги). Для расчета количество противогололедных материалов предлагается формула: где В - ширина, м; L - длина обрабатываемого участка, м; q— норма расхода противогололедного материала для /- температурного диапазона, г/м2;/?г -вероятность образования скользкости в данном температурном диапазоне; п -количество циклов обработок за зимний период.
В таблице П3.4 приложения 3 представлены результаты расчета необходимого количества противогололедных материалов для зимнего содержания рассматриваемого участка дороги. В качестве противогололедного реагента принят технический хлористый натрий, как один из самых дешевых и наиболее распространенных противогололедных реагентов на территории России. Таблица состоит из двух строк для каждой станции исследуемой территории. В первой строке указано требуемое количество противогололедных материалов при условии наличия и правильного использования прогнозов динамики изменения температуры воздуха. Во второй строке указано количество противогололедных материалов, необходимых для зимнего содержания при условии повторной обработки покрытия при понижении температуры воздуха.
Анализ результатов расчета показывает, что правильное и своевременное использование метеорологической информации и прогнозов позволяет экономить ресурсы (противогололедные реагенты, работу техники и персонала). Также, исключение случаев повторного образования скользкости имеет положительные социально-экономические последствия в виде повышения безопасности движения, повышении скорости транспортных средств и исключения перерывов движения.
Так как технический хлористый натрий имеет весьма ограниченный температурный диапазон использования [53,55], то дорожным организациям следует предусматривать применение других противогололедных материалов, обеспечивающих ликвидацию зимней скользкости или обеспечивающих требуемые сцепные качества автомобильной дороги с колесами движущихся транспортных средств (фрикционные материалы) при низких температурах. Количество требуемых циклов распределения противогололедных материалов при низких температурах, когда применение технического хлористого натрия недопустимо отображено в таблицах П3.1, П3.2 и ПЗ.З приложения 3.
В отмеченной выше нормативной литературе по зимнему содержанию автомобильных дорог для расчета количества противогололедных материалов рекомендуется использовать температуру воздуха. Так как в течение зимнего сезона возможны случаи, когда в момент образования скользкости температура дорожного покрытия будет значительно ниже температуры воздуха (по итогам статистической обработки результатов моделирования случаев образования зимней скользкости по данным метеорологической станции Нижний Новгород было получено, что в 52% случаев образования стекловидного льда температура покрытия была ниже чем температура воздуха, и в 61% случаев наблюдения снегопадов), такие случаи возможны при резком потеплении или при ночном выхолаживании поверхности дорожного покрытия. Использование температуры воздуха в качестве расчетной является не корректным. Для назначения нормы распределения противогололедных материалов необходимо в качестве расчетной температуры принимать наименьшую из температур воздуха и покрытия, а также учитывать прогноз погоды. Где Эдо- экономический эффект дорожной организации от уменьшения количества распределяемой соли; Эу- экономический эффект дорожного комплекса из-за поддержания требуемых скоростных характеристик транспортных средств в зимний период, благодаря уменьшению времени нахождения покрытия автомобильной дороги в скользком состоянии; Эдтп- экономический эффект из-за снижения количества дорожно-транспортных происшествий, вызванных плохим сцеплением колес движущихся транспортных средств с дорожным покрытием; Эос- экономический эффект, вызванный снижением уровня загрязнения окружающей среды, из-за уменьшения количества используемых противогололедных материалов и уменьшения количества выбросов транспортных средств с низкими скоростями по скользкому покрытию.
Стоимость работ по зимнему содержанию по большей части будет складываться из стоимости противогололедных материалов, поэтому экономический эффект дорожной организации можно представить следующим выражением: где Sj- стоимость 1 авт-ч работы j-й марки автомобиля, p.; Np интенсивность движения, авт/ч; L- протяженность участка, км; ti - время нахождения в условиях зимней скользкости без использования дорожными организациями метеорологических прогнозов, ч; %2 - время нахождения в условиях зимней скользкости с использованием дорожными организациями метеорологических прогнозов, ч; Vi- скорость транспортного потока для і-го состояния покрытия, км/ч; Vc - скорость транспортного потока для сухого состояния покрытия, км/ч.
Экономический эффект от снижения возможного числа дорожно-транспортных происшествий при снижении времени нахождения покрытия в скользком состоянии определяется по формуле:
