Экспериментальная оценка эффективности организации дорожного движения (1997, 231c., EFK0036-01)

При рассмотрении основного содержания инженерной деятельности по организации дорожного движения (см. рис. 1.7) была отмечена необходимость оценивать количественными показателями результаты внедряемых мероприятий. При этом отмечалась особая важность применения метода сравнения показателей "до" и "после". Это вызвано разнообразием конкретных условий движения, в связи с чем невозможно установить абсолютные значения оценочных критериев и следует анализировать изменения показателей, происходящие в результате совершенствования организации движения внедрением отдельных и комплексных мероприятий.

В принципе почти все характеристики, рассмотренные в предыдущих главах учебника, могут быть использованы для такого анализа. Однако научные исследования и практика показывают, что могут быть выделены наиболее информативные и удобные для использования критерии. Очевидно, что каждый из них должен позволять оценить те требования, которые выдвигаются практическими задачами или специфическими исследовательскими целями. Наиболее важное значение для оценки эффективности внедряемых мероприятий имеют критерии, которые должны отвечать на вопрос, в какой степени достигнуты положительные результаты в обеспечении безопасности движения, быстроты автомобильных перевозок и их экономичности.

Оценка уровня безопасности базируется в основном на показателях статистики ДТП и на характеристике конфликтных точек и конфликтных ситуаций на рассматриваемых элементах УДС. Главы 2 и 3 содержат достаточно подробные сведения для анализа по этому направлению. Надо лишь дополнить следующее. Совершенствование применяемых методов и аппаратуры способствует появлению новых методических приемов, а также приборного обеспечения оценки внедренных решений. Однако в отечественной практике эта заключительная часть деятельности по улучшению организации движения является пока самой слабой и редко выполняемой. Поэтому внедрение излагаемых далее методов является одной из важнейших задач для достижения более высокого уровня организации движения.

Для оценки скоростных показателей транспортного потока могут быть использованы такие критерии, как мгновенная скорость в характерном сечении дороги, скорость сообщения на определенном участке маршрута, частота и продолжительность задержек транспортных средств, степень равномерности скоростного режима. Наиболее показательной характеристикой является скорость сообщения, которая обратно пропорциональна затратам времени на передвижение транспортных средств по УДС. Средние затраты времени на движение (темп движения Тд) измеряют в минутах, затраченных на проезд 1 км изучаемого маршрута.

Весьма трудно установить универсальные нормы скорости v_c, которые должны быть обеспечены в городах при удовлетворительной организации движения. На основе исследований можно ориентировочно отметить, что в периоды средней интенсивности движения на магистралях с пересечениями в одном уровне может быть достигнута v_c = 40 км/ч для легковых автомобилей и v_c = 20 км/ч для наземного МПТ, следующего с остановками через 300—500 м. Однако с учетом значительных отличий конкретных условий движения по различным улицам (профиль дороги, состояние покрытия, частота пересечений, режимы регулирования, характер и организация движения МПТ) эти цифры можно принять в качестве ориентировочных, но не оценочных критериев.

При оценке конкретных улиц и маршрутов по скоростному режиму следует воспользоваться относительной оценкой, сравнивая скорость v_c, достигаемую фактически на разных участках магистрали. На рис. 4.7 показана пространственная диаграмма усредненной для каждого перегона скорости сообщения, полученная при исследовании на семи перегонах разной длины городской магистрали. Скоростной режим определялся с помощью ходовой лаборатории в пиковые периоды движения. "Узкими" участками являются 3-й и 7-й перегоны, где скорость v_c упала соответственно до 15 и 12,5 км/ч. Задачей организаторов движения является анализ причин резкого падения скорости в "узких" местах и принятие мер для их устранения. Для сравнительной оценки обеспечиваемого эксплуатационного скоростного режима может быть рекомендован показатель уровня обеспечиваемой скорости K_v (коэффициент использования скоростного режима). В общем виде

K_v = v_c/v_p,

где v_c и v_p — соответственно реализуемая при движении скорость сообщения и разрешенная на данной дороге (участке) скорость, км/ч.

Рис. 4.7. Результаты измерения скорости сообщения ходовой лабораторией на городской магистрали: I, II и III —соответственно разрешенная, реализованная и средняя скорости на участках; IV — "узкие места"

Многие работы отечественных и зарубежных исследователей показывают, что условия безопасности, а также расход топлива в значительной мере зависят от стабильности скоростного режима на протяжении маршрута. Чем больше частота и диапазон колебаний (дисперсия) скорости автомобилей при проезде по магистрали, тем ниже относительный уровень безопасности движения и топливная экономичность. Это положение подтверждает и развивает сказанное ранее об исследованиях, на основании которых получен график на рис. 4.7. Представляется возможным в качестве объективного метода для оперативной оценки эффективности организации движения использовать анализ пространственно-временной характеристики скоростного режима, полученной ходовыми лабораториями. Наличие пространственно-временной характеристики скоростного режима позволяет определить математический шум ускорения (среднее квадратическое отклонения ускорения) на исследуемом участке:

?_a = [1/T ?₀^T a_i² dt]^(1/2)

где Т — время движения по исследуемому участку, с;

a_i — мгновенные значения ускорения, м/с² ;

dt — промежуток времени, принятый для фиксации ускорения при анализе непрерывной записи скорости движения автомобиля в потоке, с.

Показатель шума ускорения может быть успешно применен для характеристики стабильности скоростного режима на перегоне при безостановочном движении. Однако он не чувствителен к наличию полных перерывов движения (остановок). Поэтому для объективной оценки, особенно городских магистралей с регулируемыми пересечениями, следует применять показатель колебаний скорости (градиент скорости) G_v. Он является отношением шума ускорения к скорости сообщения на протяжении исследуемого участка: G_v = ?_a /v_c.

Исследования показали, что на магистрали с регулируемым движением при шаге обработки записи скоростного режима (см. рис. 3.7) ?v = 1 км/ч, а ?t = 1 с и длине перегона 500—600 м G_v достигает при высокой плотности потоков 0,2 с^-1. Это свидетельствует о большой нестабильности скоростного режима. При эффективной координации светофорного регулирования показатель колебания скорости не превышает 0,1 с^-1. Следует напомнить, что регистрирующая аппаратура ходовой лаборатории (см. подраздел 3.4) позволяет с помощью микропроцессора вычислить автоматически по специальной программе шум ускорения, скорость сообщения и градиент скорости.

Частным транспортно-эксплуатационным критерием, который может быть применен для косвенной оценки эффективности организации дорожного движения, является удельный расход топлива автомобилем (например на 1 км пробега по маршруту). Достижение снижения расхода топлива на конкретных маршрутах при одинаковой интенсивности транспортных потоков за счет улучшения организации движения может служить весомым доказательством эффективности проводимых мероприятий. Так, исследованиями, проведенными в МАДИ, установлено, что введение эффективного координированного регулирования обеспечивает снижение расхода бензина не менее 0,008 л на 1 км пробега условного автомобиля, масса которого 1 т. Это, например, означает, что для магистрали длиной 10 км с интенсивностью движения 10 000 авт/сут экономия топлива транспортным потоком за 1 сутки составит около 800 л. Особенно большое влияние на расход топлива автомобилями оказывают остановки, требующие последующего разгона. Исследованиями в условиях движения в городах установлено, что современные отечественные автомобили с карбюраторными двигателями расходуют на каждый цикл разгона с места до скорости 60 км/ч около 0,1 л бензина на каждую тонну полной массы. Поэтому важными показателями качества организации движения являются колебание скоростного режима и число остановок на 1 км пробега.

Расход топлива представляет значительный интерес не только по экономическим соображениям, но в связи с тем, что в настоящее время особое внимание уделяется экологическим требованиям к транспортным потокам. Вместе с тем объем вредных выбросов автомобильных двигателей пропорционален количеству сгоревшего в них жидкого топлива. Это объясняет повышенный интерес к так называемым энергетическим критериям оценки режимов движения при исследованиях характеристик дорожного движения. Кроме уже упомянутых шума ускорения и градиента скорости, можно назвать такие распространенные параметры, как шум энергии и градиент энергии.

Чтобы пояснить значение энергетических критериев, следует подчеркнуть, что физический смысл их применения заключается в возможности оценить потери энергии в транспортном потоке вследствие неблагоприятных условий движения (неоднородности потока, перенасыщения дороги потоком, некачественной координации светофорного регулирования и т.д.).

Применение критериев шум энергии ?_Е и градиент энергии G_e оправдано при более глубоких исследованиях характеристик транспортных потоков. При анализе скоростных режимов на городских магистралях было установлено, что с увеличением скорости движения и продолжением движения в этом режиме уменьшаются мгновенные и средние значения ускорений. В результате при высокой скорости не учитывается одно из основных противоречий дорожного движения "скорость — опасность". Однако данным обстоятельством обычно пренебрегают при определении оптимальных скоростных режимов по шуму ускорения.

Поэтому дальнейшее направление развития оценочных критериев связано с разработкой критерия, сформированного на основе оценки среднего квадратического отклонения мгновенных значений а_i и v_i от среднего значения av. Этот критерий назван шумом энергии:

?_E = [1/n ?ⁿ_i=1 (a_iv_i - av)²]^(1/2)

где a_i и v_i — мгновенные значения соответственно ускорения, м/с², и скорости, м/с, в одной и той же точке;

av — среднее значение произведения скорости на ускорение на исследуемом участке, м²/с³ ;

п — число измерений скорости и ускорения.

Рассмотрим обоснованность такого названия критерия. Кинетическая энергия движения автомобиля

Е = mv²/2,

где т — масса автомобиля.

Производная энергии по времени характеризует процесс изменения кинетической энергии движущегося автомобиля:

dE/dt = mv (dv/dt) = mv_a

Поскольку за промежуток времени dt между двумя замерами (2—3 с) масса автомобиля не изменяется, можно считать, что изменение энергии характеризуется произведением ускорения на скорость.

В отличие от ускорения произведение av возрастает с увеличением скорости при неравномерном движении, а в случае приближения к устойчивому режиму движения остается на одном уровне при скорости выше 40—45 км/ч. Это принципиальное различие позволяет получать более точную оценку режима движения, характеризуемого относительно высокой скоростью.

Шум энергии сравнительно редко используется при оценке условий движения, опыт его применения еще не накоплен. По имеющимся данным можно считать условия движения сложными при шуме энергии выше 4—5 м²/с³. Градиент энергии G_e является более универсальным критерием. Расчетная формула для его определения получается при преобразовании шума энергии: G_e = ?_e /v_c.

Экспериментальные исследования, проведенные д.т.н. В. В. Зыряновым (г. Кемерово), показали, что наиболее существенное влияние на градиент энергии оказывают длительность задержек и неравномерность движения. Степень взаимосвязи этих факторов с градиентом энергии примерно одинакова. Такие свойства позволяют успешно применять градиент энергии для оценки эффективности методов организации дорожного движения на регулируемой светофорами транспортной сети.

В результате этих исследований установлены следующие зависимости между градиентом энергии и основными характеристиками транспортных потоков:

- с увеличением интенсивности движения градиент энергии возрастает, т.е. критерий отражает те качественные изменения состояния транспортного потока, которые происходят при изменении уровня загрузки дороги (рис. 4.8);

- увеличение скорости сообщения и снижение задержек приводят к уменьшению градиента энергии (рис. 4.9);

- повышение стабильности скоростного режима способствует снижению градиента энергии;

- разнородность состава транспортного потока приводит к увеличению градиента энергии.

Рис. 4.8. Зависимость градиента энергии от уровня загрузки Z на городской магистрали

Рис. 4.9. Зависимость градиента энергии от средней продолжительности задержек на маршруте

Дорожно-транспортные условия движения можно ориентировочно охарактеризовать в соответствии со следующими значениями градиента энергии, м/с²:

- Благоприятные....................Менее 0,3

- Удовлетворительные.................0,3—0,55

- Сложные (неудовлетворительная организация дорожного движения)......... Более 0,55

При проведении исследований с целью оценки условий движения по энергетическим критериям необходимо измерять мгновенные значения скорости v_i, и ускорения a_i через определенные интервалы времени. При выборе дискретности отсчетов надо учитывать, что при малых интервалах регистрации данных увеличивается трудоемкость обработки эксперимента, а при больших интервалах возможен пропуск существенной информации об изменении режима движения. На основе проведенных в МАДИ исследованиях показателя G_e рекомендуется регистрация параметров через каждые 2 с с помощью автоматизированной аппаратуры для регистрации и микропроцессора для обработки данных.

Источник: Клинковштейн Г. И., Афанасьев М. Б. Организация дорожного движения: Учеб. для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1997. — С. 123-129 (231 с.)