Библиотечный каталог авторефератов Украины

Міністерство освіти і науки України

Національний транспортний університет

Коваленко Людмила Олександрівна

                                                                                          УДК 625.7/.8 + 65.015.11

Оцінка пропускної здатності

двосмугових автомобільних доріг з урахуванням

закономірностей поведінки водія

05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:        доктор технічних наук, професор,

Заслужений діяч науки і техніки  України

Гаврилов Едуард Васильович,

Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри транспортних систем та логістики

Офіційні опоненти:        доктор технічних наук, с.н.с., Павлюк Дмитро Олександрович, Національний транспортний університет, професор кафедри “Аеропорти”;  

кандидат технічних наук, Гончаренко Федір Петрович, Український державний інститут з проектування об’єктів дорожнього господарства, начальник відділу техніко – економічних та екологічних обґрунтувань.

Провідна установа: Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра реконструкції аеропортів та автошляхів.

Захист відбудеться “ 21 ”  травня 2004 р. о  1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету: 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розіслано “_17_” квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент                                                                                      Дзюба О.П.       ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Найважливішою задачею соціально-економічного розвитку України є удосконалення транспортного комплексу країни. Це потребує розвитку всієї дорожньої мережі і міжнародних транспортних коридорів України. Сучасні економічні умови характеризуються дефіцитом матеріально-технічних ресурсів як у цілому по країні, так і в дорожній галузі зокрема. Це збільшує диспропорцію між прискореним розвитком автомобілізації і ростом довжини мережі доріг, темпами їхнього відновлення. У таких умовах величезного значення набуває вирішення проблеми ефективності капіталовкладень у будівництво,  експлуатацію автомобільних доріг та організацію пасажиро– і вантажоперевезень.

Актуальність теми. Одним із шляхів вирішення даної проблеми є наукове обґрунтування пропускної здатності смуги руху і дороги в цілому.

Правильне прогнозування пропускної здатності та порівняння її з існуючою (чи очікуваною) інтенсивністю руху є важливою умовою призначення необхідної кількості смуг руху, а також раціонального використання капіталовкладень.

Існуючі методи оцінки пропускної здатності доріг практично не враховують ролі водія у формуванні режимів руху автомобілів, впливу інформаційного завантаження водія, його психічних і психофізіологічних можливостей.

Разом з тим, саме від водіїв, їхніх можливостей залежать швидкості руху, дистанції між автомобілями в транспортному потоці та організація руху. Ці характеристики руху є визначальними в оцінках пропускної здатності. Тому розробка методу оцінки пропускної здатності доріг з урахуванням закономірностей поведінки водіїв і організації руху є надзвичайно актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі вишукувань та проектування доріг Харківського національного автомобільно–дорожнього університету в межах координаційного плану Міністерства освіти і науки України за проблемою “Моделювання складних соціально–економічних, екологічних і технічних систем на основі перспективних інформаційних технологій”, затвердженого наказом №37 від 13.02.1997 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу оцінки пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія і організації дорожнього руху.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

• установити ступінь впливу мотивації діяльності водія та інформаційних характеристик середовища руху на величину дистанції між автомобілями і пропускну здатність автомобільної дороги;
• розробити модель оцінки пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг на основі урахування закономірностей поведінки водія та організації руху транспортних потоків;
• оцінити адекватність методу розрахунку пропускної здатності фактичним умовам руху і закономірностям поведінки водія;
• розробити методики визначення величини пропускної здатності при проектуванні та експлуатації автомобільних доріг.

Об'єктом дослідження є система “людина–автомобіль–середовище руху”.

Предметом дослідження є пропускна здатність двосмугової автомобільної доріги  як елементу середовища руху.

Методи дослідження. У роботі використано системний підхід, методи системного аналізу, теорії інформації (для розробки моделі розрахунку пропускної здатності), методи математичної статистики, спеціальні психофізіологічні методи (для експериментальних досліджень закономірностей поведінки водіїв).

Наукова новизна отриманих результатів:

• отримано подальший розвиток теорії взаємодії водія з середовищем руху, який ураховує  вплив мотивації діяльності та інформаційних характеристик поля сприйняття водія на вибір швидкостей руху і дистанцій між автомобілями;
• уперше встановлено зв'язок між інформаційними характеристиками середовища руху і величиною пропускної здатності автомобільної дороги;
• уперше запропоновано метод визначення пропускної здатності дороги з урахуванням закономірностей поведінки водія та організації руху транспортних потоків.

Практичне значення отриманих результатів:

• розроблено алгоритм розрахунку пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія та організації руху транспортних потоків;
• запропоновано методику визначення практичної пропускної здатності на існуючих автомобільних дорогах на основі аналізу варіабельності  швидкостей руху.

Методики, що запропоновані в роботі, дозволяють підвищити точність визначення величини пропускної здатності в середньому на 12% у порівнянні з існуючими методами.

Приведені результати і методики можуть знайти широке практичне застосування при рішенні задач проектування та експлуатації доріг. Розроблені методики були впроваджені в проектну практику інститутів “Харківський Промтранспроект” і “Харківдіпрошлях” для оцінки проектних рішень на автомобільній дорозі Белгород–Ахтирка та для обгрунтування рішень при розробці проектів реконструкції, капітального ремонту та організації руху на автомобільних дорогах Київ–Харків–Довжанський та Харків–Сімферомполь. Впровадження розроблених методик показало ефективність їх застосування.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено експериментальні дослідження закономірностей поведінки водія в системі “людина–автомобіль–середовище руху”. Розроблено модель розрахунку пропускної здатності. Проведено аналіз роботи отриманої моделі при русі автомобілів у щільному, зв'язаному транспортному потоці та у вільному русі. У публікаціях зі співавторами здобувачем виконано наступне: отримано рішення для визначення пропускної здатності смуги руху дороги при русі автомобілів у колоні, групі та в “пачці” [4]. Запропоновано формулу  розрахунку бажаної для водія дистанції між автомобілями [5].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на науково–технічній конференції “Повышение качества строительства дорог в Нечерноземной зоне РСФСР” (Суздаль, 1983 р.); конференції “Актуальные проблемы профилактики травматизма  при дорожно–транспортных  происшествиях”  (Горький, 1984 р.);  на науковій  конференції “Психологические и эргономические вопросы безопасности деятельности” (Таллін, 1986 р.);  міжнародній  науковій  конференції  “Эргономика  на автомобильном транспорте” (Харків, 1998 р.);  міжнародній науковій конференції “Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже 3–го тысячелетия” (Харків, 2000 р.); науково–технічних конференціях ХНАДУ (1984–2003 р.р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 9 наукових праць, у тому числі 5 статей у журналах і збірниках наукових праць (з них 4 – у фахових виданнях за переліком ВАК України) і 4 – матеріали і тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і 6 додатків. Повний обсяг роботи складає 191 сторінку, з них 121 сторінка основного тексту, 10 сторінок списку використаних джерел (110 найменувань), 16 сторінок додатків. Робота містить 46 рисунків (25 сторінок), 33 таблиці (29 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень. Розглянуто зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Відображено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Наведено відомості щодо апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі виконано аналіз існуючих методів визначення пропускної здатності автомобільних доріг.

За останні три–чотири десятиріччя фахівцями в нашій країні та за кордоном було запропоновано велику кількість моделей, що описують рух транспортних потоків. Вивченню цих питань присвячено роботи Т.М. Метсона, Ф.В. Харда, Ф.Хейта, Д.Р. Дрю, О.К. Біруля, Л.А. Кероглу, Ю.С. Крилова, В.Ф. Бабкова, В.В. Сільянова, Є.М. Лобанова, Е.В. Гаврилова, В.М. Трибунського, М.Ф. Хорошилова, О.А. Білятинського, В.П. Поліщука, Б.М. Четверухіна, А.М. Пальчика, О.В. Красильнікової та ін.

Аналіз існуючих методів оцінки пропускної здатності дозволив зробити такі висновки:

1. Якісні зміни характеристик транспортних потоків, що відбуваються в останні роки на Україні, приводять до зміни організації руху. Це виявляється у збільшенні швидкостей руху та скороченні інтервалів між автомобілями. У зв'язку з цим виникає необхідність удосконалення існуючих і розробки нових методів визначення фактичної величини пропускної здатності доріг. Реальна оцінка величини пропускної здатності автомобільних доріг є найважливішою задачею при проектуванні, експлуатації доріг, організації дорожнього руху.

2. У практиці проектування доріг використовують методи визначення пропускної здатності, засновані на технічних критеріях, що ураховують взаємодію автомобіля і дороги. Дані методи використовують велику кількість моделей, які описують рух транспортних потоків із різним ступенем спрощення. При цьому відбувається урахування впливу окремих факторів на величину пропускної здатності, але взаємний вплив елементів дорожнього середовища не ураховується. Результати розрахунку величини пропускної здатності автомобільної дороги з використанням різних методів  істотно відрізняються один від одного.

3. Існуючі методи практично не ураховують ролі водія  у формуванні організації руху автомобілів, впливу інформаційного завантаження водія, його психічних і психофізіологічних можливостей.

4. Розвиток методів системного проектування, а також  ергономічних та інженерно–психологічних моделей руху транспортних потоків, створив передумови для розробки методу розрахунку пропускної здатності доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Урахування принципів поведінки людини дозволить визначити оптимальні для водія дистанції та швидкості руху, при яких водій відчуває мінімальну психічну напругу. Урахування сукупних системних властивостей комплексу “людина–автомобіль–середовище руху” надасть можливість найбільш точного визначення величини пропускної здатності автомобільних доріг.

У другому розділі дисертації викладено основні теоретичні положення, на яких базується модель розрахунку пропускної здатності з урахуванням закономірностей поведінки водія.

Для оцінки величини пропускної здатності дороги використовується зв'язок інтенсивності потоку з його швидкістю і щільністю у формі:

       (1)

де N – інтенсивність потоку; q – щільність потоку; V – математичне чекання швидкості руху в транспортному потоці.

Задача визначення пропускної здатності автомобільної дороги зводиться до знаходження такої оптимальної щільності потоку, при якій функція (1) приймає екстремальне значення. Формально ця задача може бути представлена у вигляді:

       (2)

Для встановлення залежності швидкості руху від щільності потоку був розглянутий рух автомобілів один за одним на мінімально безпечній відстані. Цю відстань будемо визначати на основі теорії взаємодії водія із середовищем руху. Було прийнято припущення, що рух відбувається по одній смузі й без обгону. У такий спосіб визначається пропускна здатність тільки однієї смуги руху.

З урахуванням прийнятих припущень щільність потоку може розглядатися як величина, зворотна середньому інтервалу між послідовними автомобілями. Тому рівняння стану транспортного потоку може бути представлено у вигляді:

       (3)

де l – середній інтервал між послідовними автомобілями, км.

Як робочу гіпотезу приймемо, що вибір дистанції між автомобілями підпорядковується принципу найменшого психічного примушення. Величина психічного примушення при дії домінуючих мотиваційних сил може бути визначена за формулою:

,        (4)

де , – функціональні норми дистанцій для мотиву безпеки руху і вільних дій відповідно; ,   – жорсткості функціональних норм і відповідно.

Дистанція, що забезпечує мінімум психічного примушення водія,  дорівнює:

,        (5)

де lН – індивідуальна норма дистанції.

Згідно з дослідженнями Е.В. Гаврилова індивідуальна норма дистанції до автомобіля, що рухається попереду, зв’язана зі швидкістю руху залежністю:

       (6)

де А1 – велика піввісь еліпсу безпеки руху; ; a, b, c –  коефіцієнти; – довжина автомобіля, км; – відстань від водія до переднього бампера його автомобіля, км.

Звідси, рівняння стану транспортного потоку може бути представлено у вигляді:

.        (7)

З урахуванням викладеного, задача визначення пропускної здатності смуги руху може бути зведена до знаходження такої оптимальної швидкості потоку, при якій функція (7) приймає екстремальне значення, тобто:

       (8)

Рішенням цієї задачі є:

,        (9)

де – оптимальна швидкість руху.

Таким чином, пропускна здатність смуги руху Рm може бути визначена за формулою:

.        (10)

Під час руху автомобілів один за одним без обгонів у транспортному потоці установлюється стійкий рівноважний стан. Цей стан характеризується тим, що всі автомобілі приймають однакову швидкість, рівну швидкості руху лідера. Вибір швидкості руху лідером стимулюється мотивацією дій і підпорядковується принципу найменшого психічного примушення. Відповідно до досліджень Е.В. Гаврилова різним станам транспортного потоку відповідають різні мотиваційні сили, що спонукають водія до керуючих дій.

У щільному (насиченому) потоці домінуючими мотиваційними силами є сила мотиву вільних дій Fс і сила мотиву збереження стаціонарності попередньої діяльності Fs. Кількісно дані сили можуть бути визначені за формулами:

       (11)

де VH2, VH3 – функціональні норми швидкостей руху для мотивів вільних дій і стаціонарності попередньої діяльності відповідно; m2, m3 – жорсткості функціональних норм VH2 і VH3  відповідно.

У частково зв'язаному і зв'язаному потоках домінуючими є мотиваційні сили вільних дій Fc і безпеки руху Fб :

       (12)

де VH1 – функціональна норма швидкості для мотиву безпеки руху; m1 – жорсткість функціональної норми швидкості VH1.

У вільному потоці домінуючими є мотиваційні сили безпеки руху Fб і реалізації динамічних можливостей автомобіля Fд:

       (13)

де VH4 – функціональна норма швидкості для мотиву реалізації динамічних можливостей автомобіля; m4 – жорсткість функціональної норми швидкості VH4.

Індивідуальні норми швидкості руху, що забезпечують реалізацію принципу найменшого примушення:

• у щільному (насиченому) потоці                                (14)

• у зв'язаному і частково зв'язаному потоках               (15)
• у вільному потоці                                                          (16)

де VН – індивідуальна норма швидкості руху.

Припустимо, що оптимальна швидкість транспортного потоку, при якій максимізується інтенсивність руху, знаходиться в лінійному зв'язку з індивідуальною нормою швидкості, тобто .        Тоді пропускна здатність смуги руху з урахуванням (14), (15), (16) визначиться за формулами:

• для щільного (насиченого) потоку      

       (17)

• для зв'язаного і частково зв'язаного потоків  

         (18)

• для вільного потоку         

       (19)

де , k1, k2, k3, b1, b2, b3 – коефіцієнти.

Реальний транспортний потік складається з автомобілів, що рухаються у групах, “пачках” і вільних умовах.

Умовою об'єднання водіїв у групу є його вигідність. Вигідно тільки тоді, коли примушення групи водіїв менше примушень розрізнених водіїв: