 , (20)
де  – сумарне примушення водіїв, об'єднаних у групу;  – сумарне примушення розрізнених водіїв;  – примушення k – того водія; K – кількість водіїв.
Критична кількість водіїв у групі визначається за формулою:
 , (21)
де  – критична кількість водіїв у групі;  – групова норма швидкості руху;  – жорсткість групової норми швидкості руху;  – сила зовнішньої мотивації дій водія.
При визначенні пропускної здатності для руху груп автомобілів прийнято розрахункову схему, приведену на рис. 1.
Рис. 1. Розрахункова схема руху груп автомобілів.
Пропускну здатність смуги руху для груп автомобілів визначаємо за формулою:
  , (22)
де  ;  – довжина автомобіля, м;  – відстань від водія до переднього бампера його автомобіля, м.
Оцінка пропускної здатності через функціональні норми швидкостей руху дозволяє зв'язати пропускну здатність з інформаційними характеристиками елементів поля сприйняття водія. Останнє забезпечує урахування впливу зустрічного транспортного потоку та наявність “пачок” автомобілів. Функціональні норми швидкостей руху VH1, VH2 і їх жорсткості тісно зв'язані з максимальною ентропією поля сприйняття водія.
Максимальна ентропія поля сприйняття водія, що відповідає практичній пропускній здатності дороги, дорівнює:
 , (23)
де Hm – максимальна ентропія поля сприйняття водія в даних дорожніх умовах руху; Hm0 – максимальна ентропія поля сприйняття водія у вільному русі; Hmk – максимальна ентропія поля сприйняття водія при завантаженні дороги рухом, рівним її пропускної здатності;  ;  – кількість транспортних засобів, що попадають у межі поля сприйняття водія при завантаженні дороги рухом, рівним теоретичній пропускній здатності дороги; Vмт – максимально можлива швидкість руху автомобіля на прямій горизонтальній ділянці дороги в еталонних умовах;  ;  .
Аналіз формули (23) показує, що вираз у квадратних дужках може розглядатися як коефіцієнт пропорційності між практичною і теоретичною пропускною здатністю дороги, тобто:
 , (24)
де  – практична пропускна здатність смуги руху;  – теоретична пропускна здатність смуги руху, що розрахована за формулою (22).
Визначення практичної пропускної здатності відповідно до (24) справедливе лише для умов руху на ділянці, обмеженій довжиною поля сприйняття водія. При переході від одного поля сприйняття до другого пропускна здатність смуги руху може змінюватися. У цьому випадку за пропускну здатність смуги руху варто приймати найменше значення  з розрахованих для всіх полів сприйняття водія.
У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень, метою яких була перевірка гіпотези щодо вибору дистанцій між автомобілями та швидкості руху на основі принципу найменшого психічного примушення. Експерименти проводилися на Окружній дорозі м. Харкова. Ширина проїзної частини дорівнювала 7,5 м, ширина узбіч знаходилася в межах 3,0 – 4,5 м, укріплена смуга узбіччя мала ширину 0,75 м. Проїзна частина має цементобетонне покриття, коефіцієнт поздовжнього зчеплення знаходився на рівні 0,7.
В експериментальних дослідженнях використовувалися пересувні лабораторії на базі автомобілів УАЗ–452, РАФ–2203. В експериментах брали участь шість водіїв. У процесі експериментальних заїздів проводилася безперервна реєстрація факторів середовища руху, показників функціонального стану організму водія, швидкості та траєкторії руху пересувної лабораторії. Фактори середовища руху фіксувалися за допомогою телекамери “Електроніка Н–801”, відеомагнітофону, відмітника подій. Показники функціонального стану оцінювалися за результатами реєстрації електрокардіограми (ЕКГ) та електропневмограми (ЕПГ). Для реєстрації ЕКГ використовувався стандартний електрокардіограф ЕКГТ–03М “Салют”. Для реєстрації ЕПГ використовувався датчик потоку тепла. Вихідні сигнали з усіх приладів подавалися на швидкодіючий самописець Н338–6П.
Експерименти проводилися по схемі “рух за лідером”. В ролі лідера використовувався автомобіль ЗАЗ–968М. Водію задавалися дистанції до лідера в наступному порядку: 5, 10, 20, 40, 60, і 80 м при швидкості руху 20, 40, 60 і 80 км/год. Вплив мотивації на вибір водієм дистанції між автомобілями вивчався за допомогою методу деформації цільової установки. Як цільову приймали установку на утримання заданої дистанції до автомобіля–лідера. Деформації цієї установки, тобто відхилення фактичної дистанції від заданої, служили для оцінки сили мотивації. Зміни деформації цільової установки та сили мотивів показано на рис. 2, 3.
Точки перегину та зміни кута нахилу залежностей виникають у зв’язку зі зміною характеру мотивації. Точки, у яких сумарна деформація цільової установки дорівнює нулю, відповідають оптимальним дистанціям lopt для конкретних дорожніх умов.
В зоні дії домінуючих мотиваційних сил (безпеки руху та вільних дій) було обчислено індивідуальні норми дистанцій за формулою (5). Порівняння обчислених значень індивідуальних норм із фактичними значеннями оптимальних дистанцій lopt виконувалося за величиною критерію  і показало недостовірність розбіжностей між цими величинами. Крім того, розрахунок величини психічного примушення за формулою (4) показав, що рух із дистанціями, рівними їх індивідуальним нормам, супроводжується мінімальними значеннями психічного примушення.
Зміна сили мотивації супроводжується зміною активності функціональних фізіологічних систем, що обумовлюють виконання трудової діяльності. Для підтвердження того, що індивідуальні норми дистанцій є оптимальними для водія, необхідно провести спільний аналіз зміни величин дистанцій та змін, що відбуваються у фізіологічному стані водія. В роботі для характеристики функціонального стану організму водія було використано наступні показники: середню частоту серцебиття, величину RR–інтервалів, статистичні характеристики розподілу кардіоінтервалів, індекс напруження, частоту дихання, а також зсув цих показників у процесі руху відносно основного стану водія (спокою). Аналіз залежностей зміни частоти серцебиття, частоти дихання та зсувів цих показників показав, що мінімальні значення цих величин відповідають дистанціям, близьким до функціональних норм дистанцій для домінуючих мотиваційних сил lН1 , lН2 . За межами діапазону норм дистанцій відбувається збільшення зсувів частоти серцебиття, дихання та індексу напруження.
Рис.2. Зв'язок заданої дистанції між автомобілями і силою домінуючих мотивів при швидкості руху Vз = 80 км/год; 1 – мотив безпеки руху; 2 – мотив вільних дій; 3 – мотив припинення руху (руйнування діяльності); 4 – мотив виключення монотонності руху.
Рис. 3. Сумарна деформація цільової установки при швидкості руху Vз = 80 км/год.
Спостереження за фактичними дистанціями між легковими автомобілями в транспортному потоці показали, що мода розподілення дистанцій співпадає з індивідуальною нормою цієї дистанції. Все це підтверджує, що вибір водіями дистанцій між автомобілями відбувається під впливом мотивації і підлягає принципу найменшого психічного примушення, рис 4, 5.
Однією із задач експериментальних досліджень було вивчення впливу інформаційних характеристик поля сприйняття водія на вибір ним дистанції. Кількісні характеристики потреб у детермінованості П1 та активності взаємодії П2 водія із середовищем руху можна виразити через інформаційні характеристики:
 (25)
де Q, QH – абсолютна організація поля сприйняття водія та її норма;  – поточна ентропія поля сприйняття водія та її норма.
Рис. 4. Зв’язок заданої відстані з показниками функціонального стану організму водія при швидкості руху 80 км/год. Цифри на кривих: 1 – психічне примушення; 2 – зсув частоти серцебиття.
Рис. 5. Розподіл дистанцій між мікроавтобусами та легковими автомобілями в транспортному потоці при швидкості руху 80 км/год.
Розрахунок інформаційних характеристик проводився за формулами теорії інформації. Кореляційний аналіз показав наявність тісного лінійного зв’язку між деформаціями цільової установки та кількісними характеристиками потреб П1 і П2, коефіцієнти кореляції знаходилися в межах 0,828 – 0,911. Це є доказом суттєвого впливу інформаційних характеристик поля сприйняття водія на вибір ним дистанції між автомобілями.
У четвертому розділі доведено адекватність моделі оцінки пропускної здатності смуги руху з урахуванням закономірностей поведінки водія. Для цього розрахункові значення інтенсивностей руху, при русі з різними швидкостями, порівнювалися з даними спостережень за дистанціями та швидкостями руху в реальних дорожніх умовах на дорогах Харків–Суми, Харків – Сімферополь, Алушта–Судак–Феодосія, Сімферополь–Севастополь та на окружній дорозі м. Харкова. За результатами цих спостережень обчислювалися фактичні значення інтенсивностей руху при різних швидкостях та величина пропускної здатності. Результати порівняння емпіричних та розрахункових даних (рис. 6) за критерієм достовірності Стьюдента показав, що модель розрахунку пропускної здатності адекватна експериментальним даним із довірчою імовірністю 95%.
Рис. 6. Залежність інтенсивності від швидкості руху транспортного потоку на дорозі Харків – Суми: крапки – емпіричні дані; суцільна лінія – розрахункові дані.
Для порівняння кінцевих результатів, одержаних за допомогою різних методів визначення пропускної здатності смуги руху, було виконано розрахунки для різних режимів руху транспортних потоків – колонного руху, руху зв’язаних і частково зв'язаних потоків. Величини пропускної здатності для умов руху в колоні і зв’язаному транспортному потоці було обчислено з використанням динамічних моделей руху. Модель “рух за лідером” було використано для обчислення величини пропускної здатності при русі в щільному транспортному потоці.
Проведений аналіз підтверджує високу точність визначення пропускної здатності при використанні запропонованого методу. Розбіжність розрахункових значень з даними натурних спостережень знаходиться в межах від 0,2% до 4,1%.
Запропонований метод дозволив одержати більш точні результати у порівнянні з динамічними моделями для колонного руху в середньому на 15,7%, для руху зв’язаних і частково зв’язаних потоків – в середньому на 17,2%. Величину практичної пропускної здатності визначено з більшою точністю, у порівнянні з методом коефіцієнтів зниження пропускної здатиості – на 7,0%, у порівнянні з моделлю “рух за лідером” – на 9,4%.
У п’ятому розділі приведено методику та алгоритм розрахунку пропускної здатності смуги руху автомобільної дороги з урахуванням руху автомобілів в транспортних потоках з різною організацією – у щільному та зв’язаному потоках, а також величину практичної пропускної здатності. Запропонована методика визначення фактичної величини пропускної здатності на існуючих дорогах за результатами розрахунків ентропійних характеристик швидкості руху.
Основними ентропійними характеристиками є максимальна ентропія Hm і відносна організація S. Максимальна ентропія є мірою складності взаємодії учасників руху, а відносна організація є мірою упорядкованості, організованості взаємодії учасників руху в транспортному потоці.
Запропонована номограма для визначення величини практичної пропускної здатності смуги руху автомобільної дороги в залежності від ентропійних характеристик – максимальної ентропії  і відносної організації S, рис. 7. При величині відносної організації S < 0,1 режим руху транспортного потоку характеризується рухом окремих автомобілів, при 0,1 < S < 0,3 відбувається рух груп і “пачок” автомобілів, при 0,3<S<0,7 має місце неорганізований колонний рух і при S > 0,7 відбувається організований колонний рух автомобілів.
Рис. 7. Номограма для визначення практичної пропускної здатності смуги руху. Цифри на кривих – практична пропускна здатність РП.
Таким чином, для визначення величини практичної пропускної здатності на існуючих автомобільних дорогах досить вимірити фактичні швидкості руху на ділянці дороги, розрахувати ентропійні характеристики цих швидкостей і за номограмою визначити величину пропускної здатності.
ВИСНОВКИ
- На підставі проведеного аналізу літературних джерел зроблено висновок про те, що облік сукупних властивостей системи “людина–автомобіль–середовище руху” надасть можливість найбільш точної оцінки величини пропускної здатності автомобільних доріг. Вирішення даної задачі спрямовано на підвищення ефективності капіталовкладень в автомобільні дороги та організацію пасажиро– і вантажоперевезень.
- Результати дослідження підтвердили вплив мотивації діяльності водія та інформаційних характеристик середовища руху на величину дистанції між автомобілями. Коефіцієнти кореляції між силою мотивації і домінуючими потребами, визначеними через дистанції між автомобілями, знаходяться в межах 0,93–0,98. У випадку визначення потреб через інформаційні характеристики коефіцієнти кореляції знаходяться в межах 0,83–0,91.
- Розроблено модель та метод оцінки пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія і організації руху транспортного потоку. Доведено, що вибір швидкостей руху і дистанцій між автомобілями підлеглий принципу найменшого психічного примушення водія.
- Доведено адекватність моделі розрахунку пропускної здатності автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Адекватність моделі оцінювалась методом парних зрівнянь за t-крітерієм Стьюдента. Для розглянутих автомобільних доріг розрахункове значення tP = 0,018ч0,939, а табличне для 95% довірчої імовірності tT = 2,262. Це свідчить про те, що запропонована модель розрахунку пропускної здатності достовірна.
Розрахунок величини пропускної здатності підтвердив збіг отриманих значень з даними натурних спостережень. Розбіжності знаходяться в межах 0,2–4,1%.
Точність результатів, отриманих при застосуванні запропонованого методу, вище існуючих: для колонного руху на 15,7%, для руху зв’язаних і частково зв’язаних потоків – на 17,2%. Величину практичної пропускної здатності визначено з більшою точністю в порівнянні з методом коефіцієнтів зниження пропускної здатності – на 7,0%.
- Розроблено методику та алгоритм розрахунку величини пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Алгоритм дозволяє врахувати зміни більш тридцяти дорожніх факторів, а також врахувати різну організацію руху – у щільному, зв'язаному, частково зв'язаному і вільному потоках. Встановлення зв’язку інформаційних характеристик середовища руху із закономірностями поведінки водія відкриває шляхи для цілеспрямованого регулювання організації дорожнього руху і пропускної здатності доріг.
Запропоновано методику визначення пропускної здатності на основі аналізу варіабельності швидкостей руху. Метод дозволяє визначити фактичну величину пропускної здатності на існуючих автомобільних дорогах.
Впровадження методу в практику роботи проектних організацій показало його ефективність при обґрунтуванні кількості смуг руху при проектуванні доріг і обґрунтуванні проектних рішень при розробці проектів реконструкції, капітального ремонту і організації дорожнього руху на існуючих автомобільних дорогах.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
- Коваленко Л.А. Изучение закономерностей поведения водителей в стационарных дорожных условиях // Вестник ХГАДТУ: Сб. научн. тр.– Харьков: ХГАДТУ.– 1999. – Вып. 9. – С. 36–38.
- Коваленко Л.А. Влияние мотивации на выбор водителем дистанции между автомобилями // Вестник ХГАДТУ: Сб. научн. тр. – Харьков: ХГАДТУ.– 2000. – Вып. 12–13. – С.183–185.
- Коваленко Л.А. Оценка пропускной способности автомобильных дорог // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. тр. – Харьков: ХНАДУ.– 2002. – Вып. 19. – С. 62–64.
- Гаврилов Э.В., Коваленко Л.А. Оценка пропускной способности полосы проезжей части дороги с учетом закономерностей поведения водителя // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. тр. – Харьков: ХНАДУ.– 2003. – Вып. 21. – С. 82–85.
- Гаврилов Е.В., Коваленко Л.О. Підвищення ефективності організації дорожнього руху // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – К.: Будівельник. – 1984. – Вип. 34. – С. 79–83.
- Коваленко Л.А. Расчет пропускной способности автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя // Сб. междунар. научн. конф. “Эргономика на автомобильном транспорте”. – Харьков: ХГАДТУ. – 1997. – С. 47–48.
- Коваленко Л.А. Дистанция между автомобилями в плотном транспортном потоке // Тез. докл. научн. – техн. конф. “Повышение качества строительства автомобильных дорог в нечерноземной зоне РСФСР”: – Суздаль: ВладПИ. – 1983. – С. 96.
- Коваленко Л.А. Эргодичность показателей состояния функциональных физиологических систем организма водителя // Тез. докл. Всесоюз. конф. “Актуальные проблемы профилактики травматизма при ДТП”. – Горький: НИИ гигиены труда и профзаболеваний. – 1984. – С. 112–113.
- Коваленко Л.А. Выбор водителем дистанции между автомобилями // Тез. докл. научн. конф. “Психологические и эргономические вопросы безопасности деятельности”. – Таллин: Тартуский Гос. Ун–т. – 1986. – С. 175–177.
Аннотация
Коваленко Л.А. Оценка пропускной способности двухполосных автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11–“Автомобильные дороги и аэродромы”. – Национальный транспортный университет, Киев, 2004.
Диссертация направлена на решение проблемы повышения эффективности капиталовложений в автомобильные дороги и организацию пссажиро– и грузоперевозок. Предложен метод определения пропускной способности двухполосных автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя и организации дорожного движения. Решающее влияние на пропускную способность оказывают средняя скорость движения и плотность транспортного потока. Плотность потока является величиной, обратной среднему интервалу между последовательными автомобилями. Средний пространственный интервал между автомобилями равен индивидуальной норме дистанции, которая обеспечивает реализацию принципа наименьшего психического принуждения водителя. Рассмотрено влияние мотивации действий водителя на движение в различных транспортных потоках: в плотном, связанном, частично связанном и свободном. Определены оптимальные скорости движения, обеспечивающие реализацию принципа наименьшего принуждения.
Разработана модель определения пропускной способности полосы движения дороги для плотного, связанного и частично связанного потоков. Установлена зависимость величины пропускной способности от информационных характеристик среды движения. Изложены методики и алгоритмы, которые позволяют рассчитывать необходимые информационные характеристики, пропускную способность полосы движения при колонном и групповом движении автомобилей и практическую пропускную способность.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили справедливость теоретических представлений о влиянии мотивации на поведение водителя. Доказано, что оптимальный режим работы водителя возможен при движении с дистанциями, равными индивидуальным нормам дистанций и скоростями, равными индивидуальным нормам скоростей движения. Удовлетворение потребностей водителя сопровождается нормализацией функционирования физиологических систем организма. Установлено, что информационные характеристики поля восприятия водителя оказывают существенное влияние на выбор водителем дистанции до впереди идущего автомобиля.
Доказана адекватность модели расчета пропускной способности автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя. Анализ расчетов пропускной способности в разных дорожных условиях подтвердил совпадение полученных значений с данными натурных наблюдений, расхождения находятся в пределах 0,2 – 4,1%. Точность результатов, полученных с применением предложенного метода выше существующих: для колонного движения на 15,7%, для движения связанных и частично связанных потоков – на 17,2%. Величина практической пропускной способности определена с большей точностью по сравнению с методом коэффициентов снижения пропускной способности – на 7,0%.
Предложен метод определения пропускной способности автомобильной дороги на основе анализа вариабельности скоростей. Метод позволяет определить величину фактической пропускной способности на эксплуатируемых дорогах.
Ключевые слова: пропускная способность, транспортный поток, скорость движения, дистанция между автомобилями, мотивация, принцип наименьшего психического принуждения, функциональное состояние, информационное взаимодействие водителя со средой движения.
Анотація
Коваленко Л.О. Оцінка пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11–“Автомобільні шляхи та аеродроми”. – Національний транспортний університет, Київ, 2004.
Дисертація спрямована на вирішення проблеми підвищення ефективності капіталовкладень у автомобільні дороги і організацію пасажиро– і вантажоперевезень. Розроблено модель визначення пропускної здатності смуги руху дороги для щільного, зв'язаного і частково зв’язаного потоків. Встановлено залежність величини пропускної здатності від інформаційних характеристик середовища руху. Викладено методики й алгоритми, що дозволяють розраховувати необхідні інформаційні характеристики і практичну пропускну здатність дороги. Доведено адекватність моделі розрахунку пропускної здатності автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Запропоновано рекомендації з визначення пропускної здатності існуючих автомобільних доріг на основі аналізу варіабельності швидкостей руху.
Ключові слова: пропускна здатність, швидкість руху, дистанція між автомобілями, мотивація, принцип найменшого психічного примушення, функціональний стан.
Annotation
Kovalenko L.A.Estimation of two-lane highway capability with driver behaviour regularities taken into account-manuscript.
The thesis for a candidate’s degree (engineering) on speciality 05.22.11 “Highways and aerodromes” – National transport university, Kiev, 2004.
The thesis is aimed at solving a problem of enhancing efficiency of capital investments in highway building and service. The model of highway lane capability determination for a dense, linked and free current has been developed. The dependence of a capability quantity on information characteristics of movement environment has been defined. Methods and algorithms, allowing necessary information characteristics and practical capability to be estimated are given. The adequacy of a highway capability estimate model with driver behaviour regularities taken into account has been proved. Recommendations as to capability determination of existing highways on the basis of motion speed variation analysis and information characteristics are proposed.
Key words: capability, motion speed, vehicular distance, motivation, principle of the least constraint, functional state.
Підписано до друку 6.04.2004 р.
Віддруковано на різографі
Зам. № 612/04
Формат 60х84 1/16
Обсяг 0,9 друк.арк.
Тираж 100 прим.
Папір офсетний
Ціна договірна
Адреса редакції видавця та поліграфпідприємства
ХНАДУ, 61002, Харків, вул. Петровського, 25
Віддруковано у друкарні видавництва Харківського національного
автомобільно–дорожнього університету
| 
