автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Оценка мероприятий по управлению и безопасности движения на многополосных дорогах

На правах рукописи

Новиков Андрей Викторович

ОЦЕНКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ И БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА МНОГОПОЛОСНЫХ ДОРОГАХ

(05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата техническихнаук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) в отделе математического моделирования кафедры высшей математики и на кафедре организации и безопасности движения.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Буслаев Александр Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коноплянко Владимир Ильич доктор физико-математических наук, профессор Лубашевский Игорь Алексеевич

Ведущая организация: МОСГОРТРАНСНИИПРОЕКТ ТУП Мосгортранс"

Защита состоится "15" марта 2005 г. в "10" часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 ВАК Минобразования и науки РФ при Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, г. Москва, А- 319, Ленинградский проспект, 64, аудитория 42.

Просьба выслать по указанному адресу заверенные печатью отзывы на диссертационную работу в количестве двух экземпляров.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Автореферат разослан «14» февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.А. Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Проблемы, связанные с ростом интенсивности автотранспортныхпотоков (Т П) на дорогах, являются одними из наиболее сложных в жизни современных городов. Автомобилизация затронула все развитые в промышленном отношении страны. В связи с тем, что темпы роста автомобильного парка в России значительно опережают темпы роста пропускной способности дорожных сетей, повышение эффективности последних можно достичь за счет внедрения более совершенных средств и систем управления дорожным движением (ДД).

Математические модели транспортных потоков были предметом исследования многих работ (Ф. Хейт, Д. Дрю, Сильянов В.В. и др.). Бабков В.Ф. дает следующую классификацию потоков в зависимости от интенсивности свободный, связанный или частично связанный и насыщенный. Если теории свободных (теория массового обслуживания) и связанных потоков (гидродинамические аналогии) к настоящему времени достаточно глубоко разработаны, то случай, когда поток переходит от связанного состояния к насыщенному, является наиболее сложным, так как требует учета перестроений автомобилей с одной полосы на другую. В диссертации (модель Бернулли) показано, что в окрестности точки максимальной интенсивности движения на многополосной (двухполосной) дороге самая большая относительная доляперестроений. Эти маневры могут не изменять макрохарактеристики потока, но они значительно влияют на его энергетику (увеличивают расход топлива) и безопасность дорожного движения (БДД) (увеличивают "конфликты" внутри потока). Классификация возникающих на дорогах ситуаций, имеющих повышенный риск ДТП, разработана Клинковштейном Г.И. и Бабковым В.Ф.

Движение по многополосным дорогам стало объектом исследования относительно недавно. Однако в этих исследованиях не уделяется достаточного внимания количественной оценке влияния различных факторов на формирование ТП с учетом индивидуального поведения каждого автомобиля потока. В большинстве научно-практических исследований обычно не приводятся обоснования того, как данные результаты были достигнуты. В последнее время моделирование автотранспортных потоков стало предметом активного внимания российских и зарубежных физиков Бугаев А.С., Лубашевский И.А., Каленков С, Вагнер Р,

Манке Р, Нагель К и др.

Цель работы - оценить влияние некоторых мероприятий по организации дорожного движения на транспортный поток на магистрали, получить количественные результаты и дать рекомендации по повышению пропускной способности и эффективности организации дорожного движения на многополосных перегонах дорог.

Научная новизна состоит в том, что разработан и научно обоснован новый подход к оценке влияния различных мероприятий по ОДД на формирование ТП и на БДД на перегонах магистралей с учетом индивидуального поведения в потоке каждого автомобиля. Эта методика предусматривает использование имитационных и аналитических моделей на основе детерминированно-стохастического подхода, при котором дорожное полотно представляется дискретным клеточным полем. В ходе исследований в диссертации получены следующие новые научные положения:

- разработан алгоритм, математическая и имитационная модель ТП по многополосной дороге;

- установлены закономерности влияния состава потока, различной плотности на его среднюю скорость и пропускную способность;

- получены зависимости изменения средней скорости потока от его состава и плотности при различных способах управления;

- исследована вероятность возникновения основных видов конфликтных ситуаций в ТП на многополосной дороге, на основе имитационного моделирования;

- проведена оценка некоторых мероприятий по управлению и безопасности движения на многополосной дороге.

Практическая значимость работы заключается в том, что её результаты позволяют по наблюдаемым базовым характеристикам ТП количественно оценить влияние мероприятий по ОДД на ТП и на БДД: формирование однородного состава, управление медленными АТС, запрет части АТС выезжать на дорогу, исследовать по данным критериям существующие дороги, а также предложить рекомендации по повышению эффективности управления движением на дорогах.

Реализация результатов диссертации. Результаты диссертации использовались в Федеральном управлении автомобильных дорог "Центральная

Россия" (ФУАД ЦР) и в НПО "МАДИ-Практик" при анализе интенсивности движения и анализе аварийности на сети дорог, обслуживаемых ФУАД ЦР, и на МКАДе. Имеются акты о внедрении результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на научно-практических конференциях МАДИ-ГТУ в 2000-2004гг., заседаниях кафедры "Высшей математики" в 2003г. и кафедры "Организации и безопасности движения" в 2004г., научных семинарах МГУ им.Ломоносова.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано б печатных работ.

На защиту выносятся:

- теоретическое описание закономерностей поведения транспортных потоков с учетом индивидуального поведения водителей автомобилей;

- имитационная модель для исследования влияния состава потока, влияния множества медленных АТС (блокировка полос), управления медленной частью потока (грузовые АТС), разделения потоков на два направления в окрестности транспортных узлов и особенностей формирования потоков (скорость, интенсивность, конфликтность в потоке) на перегонах многополосных дорог;

- имитационная модель, позволяющая оценить количество конфликтных ситуаций на перегоне и влияние мероприятий по ОДД на их количество;

- соответствующее программное обеспечение для проведения имитационного моделирования, реализованное на ЭВМ;

- результаты экспериментальных, теоретических исследований и методические рекомендации по управлению ТП для повышения эффективности его работы, увеличения скорости движения и уменьшения конфликтных ситуаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов и содержит 180 страниц текста, в том числе 23 таблицы, 112 рисунков, список литературы из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы, дается общая характеристика работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описывается существующее положение в вопросах ОДД и

мероприятий по повышению безопасности движения, характеризуется ситуация на улично-дорожных сетях с точки зрения обеспечения БДД.

Проблема оценки эффективности мероприятий по БДД впервые стала обсуждаться в научной литературе в начале 60-х годов в работах Булатова А.И. и Крулева Г.И. В 60-80-х годах работа по упомянутой теме активно проводилась в МАДИ - Бабковым В.Ф., Клинковштейном Г.И., Сытником В.Н., в НИИАТ РСФСР - Ивановым В.Н., Корнеевым А.И. и Юровым А.П., во ВНИИБД МВД СССР - Аксеновым В.А. Основная идея данных работ заключалась в следующем: на повышение безопасности движения в городе выделялись денежные средства и ставилась задача, как распределить выделенные средства, на какие мероприятия (либо на глобальное в рамках города, либо на локальное в очаге аварийности), чтобы эффект был наибольшим. Также решались задачи, либо вложить все средства в какое-то одно мероприятие в течение года, либо распределить их в течение нескольких лет, чтобы добиться максимальной эффективности. В то же время Бабковым В.Ф. проведена большая научная работа по оценке влияния дорожных условий на БДД, Клинковштейном Г.И. разработаны основы ОДД. Повышению пассивной безопасности АТС посвящены работы Рябчинского А.И., применение технических средств ОДД исследуется в работах Кременца Ю.А. и Печерского М.П., повышение информативности АТС - в работах Коноплянко В.И. и др.

В первой главе приводятся статистические данные о распределении ДТП по видам, тяжести последствий, времени суток, месяцам года, показателям аварийности и т. д. Проводится анализ факторов, влияющих на БДД, на число ДТП и тяжесть их последствий. Обосновывается актуальность задач исследования, решаемых в диссертации. По результатам анализа приводимых в первой главе статистических данных выделяются основные факторы, повышающие вероятность возникновения ДТП для различных условий, характеризуемых состоянием дороги, окружающей среды, типами автомобилей, поведением участников дорожного движения.

Анализируются существующие методы аналитического и имитационного моделирования ТП, обсуждаются принципы построения и использования имитационных моделей транспортных потоков на многополосных дорогах с учетом закономерностей формирования потоков, приводятся исследования по данной

тематике Луканина В.Н., Буслаева А.П. и др. Отмечаются аналитические работы Беляева Ю.К., Целе У. и имитационные модели Нагеля К., Сильянова В.В. и др., в которых разработаны вероятностные модели с дискретным множеством состояний и (или) дискретным временем. С учетом изложенного формулируются задачи исследования, решаемые в диссертации.

Делается вывод о важности разработки новых имитационных и аналитических моделей ТП на многополосных дорогах. Как средство моделирования используется метод имитационного статистического моделирования (метод Монте-Карло), который широко применяется при исследовании ТП. Формулируются основные задачи, которые решаются в диссертации. Обосновывается важность решения этих задач для выработки рекомендаций по оптимизации ДД.

Во второй главе дается описание предлагаемых аналитических и имитационных моделей автотранспортных потоков. В аналитической модели используются аппроксимации клеточного поля по схеме Бернулли. Приводятся результаты анализа, проведенного на основе этих моделей. Представлен программный комплекс стохастического моделирования ТП, с помощью которого проводилось моделирование различных мероприятий по ОДД, а также результаты вычислений, полученные с помощью имитационных моделей. Получены количественные оценки характеристик потока на многополосной дороге.

В разработанных в диссертации моделях, как в аналитической модели ТП на двух и более полосах с дискретным множеством состояний, так и в имитационных многополосных, дорога представляется последовательностью клеток, размер которых определяется динамическими габаритами медленной части АТС потока, двигающейся с номинальной скоростью, рис. 1.

Рис. 1. Фрагмент трехполосной дороги

Под динамическим габаритом подразумевается участок дороги, который включает длину автомобиля I и "дистанцию безопасности", необходимый АТС для безопасного движения в транспортном потоке с заданной скоростью и в случае остановки перед внезапно появившимся препятствием (например, пешеходом).

Клинковштейн Г.И. приводит следующую формулу для расчета динамического габарита, исходя из того, что он должен быть равен полному остановочному пути заднего (второго) АТС: + 1 /.71) + 'о (м), где V- скорость

АТС (м/с), ¿р-время реакции водителя, включая время запаздывания срабатывания тормозной системы (с), д,^-замедления первого и второго АТС (м/с2), /„-зазор до остановившегося впереди АТС, для легкового АТС он колеблется в пределах 1-3 (м).

Параметр V (детерминированная компонента скорости) задает разбиение полотна дороги на клетки размером б х В, где В - ширина полосы движения. В каждой клетке в текущий момент времени может находиться не более одного автотранспортного средства. Индивидуальные перемещения АТС внутри потока могут осуществляться за такт дискретного времени необходимого для перехода на одну клетку вперед с возможным изменением полосы с заданной вероятностью. В потоке перемещаются АТС нескольких типов (тип определяет скоростные характеристики АТС), при этом разным типам АТС соответствуют различные вероятности перехода р. Математическое ожидание данной величины, которая характеризует перемещение АТС относительно клеточного поля, будем называть стохастической скоростью. Модель движения по двухполосной дороге рассматривается в работах Ю.К. Беляева, А.П. Буслаева и др.

Скорость каждого АТС является суммой детерминированной {у^ = и) и стохастической компонент. В процессе моделирования определяется стохастическая компонента скорости Отношение г количества всех АТС к числу клеток модели называется регулярностью транспортного потока (клеточной плотностью).

В теоретической моделируя оценки зависимостей между основными характеристиками моделируемого транспортного потока используется допущение, что в каждой клетке независимо отсостояний другихклетокнаходится АТС-го типа с вероятностью г* , где ту- составляющая клеточной плотности потока, создаваемая АТС этого типа. Основные исследуемые характеристики: q) - интенсивность потока АТС г-го типа, т.е. среднее число АТС /-го типа, пересекающих сечение дороги в единицу времени; и,- =(т - число полос) - средняя скорость потока АТС типа, монотонно зависит от параметра - вероятность перемещения фиксированного АТС типа в заданный дискретный момент времени при

б

отсутствии препятствий движению; h, - составляющая интенсивности потока АТС i-ГО типа, создаваемая перемещениями АТС с переходами на другую полосу. Получены формулы, связывающие эти характеристики. Так, например, для потока на двух полосах, состоящего из АТС двух типов (быстрых и медленных), получены следующие формулы:

где г = ri + r%, г - суммарная клеточная плотность потока; а- доля медленных АТС в потоке; - скорости АТС соответственно первого и второго типов (в

клетках / ед. времени) при отсутствии препятствий движению. На рис. 2, правая часть, приведены зависимости посчитанные по формулам для различных

значений индивидуальных вероятностей.

Предположение о независимости состояний клеток дает удовлетворительную аппроксимацию не при всех значениях параметров (г,т). Относительно большие ошибки имеют место при г ~ 0 и г ~ 1 (работы Беляева Ю.К., Буслаева А.П. и др). Поэтому во второй главе также рассмотрена имитационная модель движения по однополосной дороге (т=1). Данное исследование проводится для оценки адекватности аналитической и имитационной модели, в нем описан базовый подход имитационного моделирования.

В модели однополосного движения обгон одного АТС другими невозможен, так как рассматривается движение по канализированной полосе и поэтому скорость потока определяется скоростью самого медленного АТС. Полученные количественные зависимости v«t(r), <fa(r) для однородного потока (m = 1) по форме совпадают со своим "классическим" видом, параболы или части параболы, но следует особо отметить, что получен количественный результат - стохастическая скорость и интенсивность потока). Максимальная пропускная способность дороги наблюдается при среднем значении регулярности

Далее в диссертации исследуется имитационная модель для нескольких полос (двух и более). Здесь, как и в других описываемых в диссертации имитационных моделях, дорога представляется замкнутой последовательностью клеток, размеры которых соответствуют динамическим габаритам АТС. Каждое АТС при

возможности передвигается на клетку вперед с вероятностью, соответствующей типу АТС.

1М ^

0.02 0.32 042 0.4 042 О 0,2 0.1 0,6 0.1 I

регулярность регулярность

Рис. 2. Зависимость ^(г), m = 2 при различных а, р, слева - имитация, справа - теория

В двухполосной модели (т=2), в случае появления помехи для движения на полосе на которой располагается АТС, возможны переходы на соседнюю полосу. На основе исследования по параметрам сделан вывод, что наличие на двухполосной дороге 10% медленных АТС приводит к падению стохастической интенсивности для отдельных клеточных плотностей в несколько раз. Чем больше регулярность и больше медленных АТС в потоке, тем интенсивней падают показатели стохастической скорости, рис. 2 , и пропускной способности, рис. 3. На рис. 3 представлена основная диаграмма потока Чл{г) (зависимость стохастической интенсивности от регулярности) для двухполосной дороги при различном составе потока.

На рис. 4 показана стохастическая интенсивность потока, приведенная к полосе (д^). Зависимость, показанная сплошной линией, получена по результатам моделирования на двухполосной дороге, пунктирная - на однополосной дороге. Анализируя эти графики, можно видеть, что на двухполосной дороге приведенная интенсивность больше.

Для многополосных дорог (т>2) во второй главе приводятся зависимости стохастической скорости от регулярности на трех- и пятиполосной дороге, стохастической скорости от процента медленных АТС, зависимости стохастической интенсивности от регулярности потока при различном процентном составе АТС

0.02 0.12 0.22 0.32 0.42 0.52 0.62 0.72 0.82 Г

регулярность

Рис. 3. Зависимость д„(г), т = 2, о = (0,0.02,0.1,0.4,0.8)

в потоке. На рис. 5 показана зависимость стохастической интенсивности от регулярности. В исследовании ставилась задача смоделировать многополосную дорогу с учетом особенностей движения по дорогам с большим числом полос (появляются обоюдные перестроения), а также выяснить, как влияет появление медленных АТС на характеристики потока. В результате исследования было установлено, что при появлении 10% медленных АТС пропускная способность трехполосной дороги значительно падает, а на пятиполосной дороге при такой же доли медленных АТС - это падение меньше заметно.

Вывод формул, связывающих модельные и реальные характеристики потока, приводится в главе 2. Эти формулы позволяют переводить скорость, плотность (регулярность) из модельной вероятностной шкалы в реальную шкалу в км/ч и АТС/км. Тут же описано программное обеспечение компьютерной модели ТП, позволяющее проводить различные модельные эксперименты, например, моделировать некоторые мероприятия по ОДД.

Третья глава посвящена исследованию проблем управления транспортным потоком на перегоне. В ней приводятся результаты имитационных исследований, проводившихся с целью определить, как изменятся характеристики потока при применении различных методов управления им, полученные с помощью разработанной компьютерной модели.

Для обеспечения оптимальных характеристик ТП необходимо так воздейство-

0.35-1-

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0 90 г

регулярность

Рис. 4. Зависимость г), сплошная линия - т = 2, пунктирная т = 1, а = (0,0.1)

регулярность

Рис. 5. Основная диаграмма потока (г), т = 3, т = 5 , а = (0,0.02,0.1,0.4,0.8)

вать на поток, чтобы обеспечить минимальное время поездки, минимальный расход топлива, максимальную безопасность и т.д. Однако, как правило, это сделать невозможно. Улучшая одну характеристику, невольно ухудшаем другую, поэтому в зависимости от поставленной задачи выбирается тот или иной критерий.

При описании ТП как объекта управления приходится принимать во внимание ряд особенностей. Адекватные сведения о ДД можно получить только в результате натурных исследований (экспериментов при естественных условиях функционирования). Для получения количественных оценок характеристик требуется очень большое число экспериментов, однако ресурсов (людских, технических и

других), необходимых для их проведения, обычно значительно меньше, чем требуется. Поэтому оценить характеристики процесса функционирования системы можно только путем совместного использования натурных и модельных экспериментов.

Исследования по управлению потоком проводились на примере пятиполосной дороги, моделирующей М КАД. Первое - это влияние состава потока на пропускную способность дороги. Для различных значений регулярности фиксировались характеристики потока, такие как средняя стохастическая скорость потока, быстрых АТС, медленных АТС, поведение АТС (количество торможений, ускорений, перестроений и т.п.), состав потока и другие характеристики. Как показали проведенные исследования, пропускная способность напрямую зависит от состава потока. Это хорошо известно, но обоснованных количественных оценок мало. С увеличением доли медленных АТС более, чем на 10%, значение основной характеристики потока - скорости начинает значительно уменьшаться, как показано на рис. 6. Отсюда можно сделать вывод, что надо стремиться регулировать появление на дороге медленных АТС, чтобы их количество не превышало 10% и они не создавали ощутимых помех для остальных АТС, например, запретить выезжать медленным АТС на дорогу в те часы, когда потоки приближаются к насыщенным.

А

Г

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

регулярность

Рис. 6. Зависимость ьЛ{т) при разном составе потока на пятиполосной дороге

Далее проводилось исследование с целью определить, как влияет на основные характеристики потока блокировка полос группой медленных АТС.

На многополосной дороге может возникнуть ситуация, когда по соседним полосам двигается блок медленных АТС, или по тем или иным причинам движение по части дороги затруднено из-за группы медленных АТС, или часть дороги оказывается закрытой для движения. Такая ситуация может возникнуть, когда идут дорожные работы, произошла поломка АТС или ДТП.

Целью проведенных численных экспериментов является определение того, как влияет выключение части полос из движения на многополосной дороге на среднюю скорость потока и на пропускную способность при различных плотностях и при различном составе потока. Кроме того, важно, при каком максимальном количестве заблокированных полос движение еще возможно с минимальными задержками и пропускная способность падает не более, чем на 15% (такую задержку в среднем водитель закладывает на поездку), а также определение клеточных плотностей, при которых наличие препятствия не оказывает существенного влияния на характеристики потока. На рис. 7 показана основная диаграмма транспортного потока в зависимости от количества перекрытых полос, m = 5.

да/ а = 0 а = 40

0,00 0,10 020 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,00 Г 0.00 0,10 0.20 0,30 0,40 050 0,00 0,70 0,80 Г

—♦—нет сужения регулярность

—*— сужение на одной полосе —■— сужение на трех полосах ж сужение на двух полосах —•— сужение на четырех полосах

Рис. 7. Зависимость дй(г) при разном количестве заблокированных полос

Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что если блокировка одной полосы снижает пропускную способность относительно свободного движения в 1.12 раз в диапазоне г б (0.4,0.6), то блокировка двух полос уменьшает пропускную способность в 1.5 раза. Сравнивая зависимости для однородного и смешанного потока, можно заметить, что наличие 40% медленных АТС

снижает интенсивность ТП в 2.37 раза, а при блокировке четырех полос интенсивность движения падает почти в два раза. Оценивая, сколько полос может быть заблокировано, чтобы пропускная способность уменьшилась не более, чем на 15%, приходим к выводу, что это достигается при возникновении препятствия не более, чем на одной полосе.

Один из самых интересных вопросов при исследовании способов управления ТП - это определить, насколько повышается пропускная способность дороги от введения запрета для медленных АТС выезжать на быстрые (крайние левые) полосы движения многополосной дороги.

Сейчас для большинства дорог скоростного движения нет четко выраженных рекомендаций относительно правил движения медленных АТС по этим дорогам. Медленные АТС, в том числе и трейлеры, обычно занимают все полосы для движения, кроме крайней левой. Согласно ПДД РФ те АТС, которые не могут двигаться со скоростью более 40 км/ч, на автомагистрали и дороги, обозначенные знаком 5.3, выезжать не должны, а грузовым АТС с разрешенной максимальной массой более 3.5т не должны двигаться по данным дорогам далее второй полосы. Однако на практике этот пункт ПДД часто не выполняется, например, в экспериментальной части диссертации установлено, что на М КАД по третьей, четвертой и пятой полосам двигалось порядка 18% грузовых АТС.

Моделирование показало, что ограничение числа полос, по которым разрешено движение медленных АТС, позволяет существенно повысить пропускную способность дороги при средних плотностях транспортного потока, наиболее часто наблюдаемых в течение дня на дороге. Данное мероприятие также уменьшит расход топлива, увеличит скорость сообщения, уменьшит количество ДТП из-за уменьшения числа перестроений. На рис. 8 приведен график зависимости где пунктирная линия - зависимость, когда медленным АТС запрещалось выезжать а) - на одну левую полосу, б) - на две левых полосы по сравнению с графиком зависимости, когда медленным АТС разрешалось двигаться по всей дороге - сплошная линия.

В ТП могут двигаться как специальные автотранспортные средства (CATC), существенно выделяющиеся своими скоростными характеристиками, такие как машины скорой помощи, пожарной охраны, так и машины специального проезда, которым надо добраться до пункта назначения за минимальное время. С

Рис. 8. Зависимость д„(г) при ограничении движения медленным АТС, а = 0.1.....0.6

помощью имитационной модели просачивания АТС - движения небольшой части CATC, исследовалось их перемещение в потоке. Согласно ПДД АТС должны уступать дорогу CATC, но обычно они нарушают пункт Правил или приступают к его выполнению только тогда, когда CATC уже догнало АТС, которое хочет опередить, и двигалось за ним довольно длительное время. Для того чтобы АТС пропустило CATC вперед, также необходимо, чтобы на соседних полосах было достаточно свободного места, куда данное АТС сможет перестроиться.

Как показывают результаты моделирования, CATC способны просачиваться по дороге через поток любого состава, причем малый процентный состав медленных АТС не оказывает существенного влияния на способность CATC к просачиванию. При больших плотностях способность CATC к просачиванию существенно возрастает, если медленным АТС запрещено выезжать на крайнюю левую полосу, рис. 9. Реализация данного мероприятия дает возможность CATC двигаться с той скоростью, с которой они и должны двигаться по своей специализации.

Ещё одно исследование потока с помощью моделирования - это изучение явления, называемого сегрегацией (разделением, сортировкой) потоков. Такая ситуация может возникнуть при съезде с магистрали, рис. 10, или, например, при весовом контроле АТС, а также во многих других случаях.

Сегрегация потоков имеет место в часто встречающейся ситуации, когда одна

Рис 9 Зависимость г£АТС(г) при ограничении для медленных АТС, а = 0,002, ,08

Рис 10 Сегрегация потоков

дорога разделяется на два направления При подъезде к такому участку водитель, согласно правилам дорожного движения, должен заранее перестроиться на ту полосу, которая ему нужна для продолжения движения Однако это не всегда удается из-за большой плотности потока Для организатора дорожного движения интересно знать минимальную длину переходной зоны (Ц, которая необходима для того, чтобы АТС успели перестроиться Эта задача решается в рамках рассматриваемого подхода

Все АТС потока, независимо от типа, разбиваются на два подмножества АТС, попавшие в первое подмножество, намерены продолжить движение по первой полосе, рис 10, левая часть, а АТС, попавшие во второе подмножество, по второй Доля АТС, попавших в первое подмножество, определяется параметром соответственно доля попавших во второе подмножество - 1 — ¡3 В общем случае

можно считать, что вероятность того, что АТС, въехавшему в зону Ц предписано ехать по первой или по второй полосе, зависит от того, по какой полосе данное АТС въехало в зону I. Если АТС при въезде в зону I находится на нужной полосе, то оно продолжает двигаться не перестраиваясь; в противном случае АТС на каждом шаге моделирования пытается перестроиться на нужную полосу, и, если такой возможности нет, двигается вперед. По достижении конца зоны I АТС останавливается в последней клетке и ждет, пока на нужной полосе будет разрыв в потоке, необходимый для осуществления маневра.

При таком движении на дороге может возникнуть ситуация "клина", когда два АТС не смогли перестроиться в переходной зоне и остановились в конце этой зоны, ожидая, когда освободится место на нужной полосе. В этом случае два АТС не могут разъехаться, мешая друг другу. Выход из сложившейся ситуации может быть осуществлен различными способами. В нашем алгоритме использовался способ "с пропуском нужного поворота", когда одно из АТС вынуждено двигаться не по той полосе, на которую оно стремилось перейти.

В имитационной модели фиксируется количество возникающих ситуаций "клина" (кк), отнесенное к времени моделирования. Исследуются зависимости кк от длины переходной зоны (Ц, от клеточной плотности потока (г), от состава потока. На рис. И показана зависимость кк при Л= 0 , 0 = 0.5.

Рис. 11. Зависимость кк(г), а - 0, для разных длин зоны Ц 0 = 0.5

Анализ полученной зависимости показывает, что при длине зоны Ь = 6 количество конфликтов будет минимально. Дальнейшее увеличение переходной зоны уменьшает количество конфликтов незначительно, и соответственно информационный знак о приближении к месту разделения потоков надо ставить

на расстоянии По результатам моделирования сделан, в частности, вывод, что если в потоке более пятидесяти процентов АТС необходимо сменить полосу движения, то для повышения эффективности ОДД нужна дополнительная полоса в нужном направлении.

В четвертой главе проводится оценка уровня безопасности дорожного движения на перегоне.

Статистика ДТП показывает, что наибольшее их число происходит в конфликтных точках, - местах, где в одном уровне пересекаются траектории нескольких АТС или траектории АТС и пешеходных потоков. В нашей стране исследование конфликтных точек проводили Г.И. Клинковштейн и В.Ф. Бабков. В настоящее время от метода исследования конфликтных точек переходят к методу исследования конфликтных ситуаций с помощью натурных наблюдений. В работе данная задача решается с помощью имитационной модели.

Сначала вводится описание конфликтных ситуаций, контролируемых в модели, увеличивающих риск возникновения ДТП, которые могут возникнуть при движении по многополосным дорогам. На рис. 12 показаны три основных типа конфликтов, которые встречаются в потоке: а) обоюдное перестроение; б) пересечение траекторий (могут быть трех видов); в) опасное торможение.

Ситуации а) и б) возникают, когда водитель начинает выполнять маневр, не убедившись, что он безопасен для других участников движения, а ситуация в) -когда неправильно выбрал дистанцию безопасности. В модели при наступлении ситуации а) маневр выполнит только АТС №1, в ситуации б) оба АТС переместятся вперед, а в ситуации в) - останутся на своих местах.

С помощью имитационного моделирования получены оценки возможности возникновения ДТП для всех введенных типов в зависимости от параметров потока. Под потенциальным ДТП (пДТП) понимается такая дорожная ситуация, которая, если на её развитие вовремя не повлиять, приведет к возникновению ДТП.

Рис. 12. Основные типы конфликтных ситуаций

Задача, решаемая в данном исследовании, заключалась в определении, при каком значении регулярности и каком составе потока наблюдается наибольшее количество потенциальных ДТП.

На рис. 13 показаны зависимости количества потенциальных ДТП (Д) от регулярности (г) для трех случаев, изображенных на рис. 12. Для однородного и смешанного потока (приведем, например, зависимость для 15% медленных АТС в потоке) данная зависимость получена по результатам имитационного моделирования.

ОДНОРОДНЫЙ ПОТОК гмвшаыиый пптпк

Рис. 13. Зависимость А(г), для трех типов конфликтных ситуаций

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- количество потенциальных ДТП, связанных с конфликтными перестроениями, при малых значениях регулярности (г < 0.3) транспортного потока и при больших (г> 0.8) невелико. В первом случае из-за отсутствия помех для движения, во втором из-за отсутствия возможности перестроиться. С появлением медленных АТС максимум таких ситуаций смещается со значения 0.6 к 0.75;

- при отсутствии медленных АТС пик потенциальных ДТП, связанных с пересечением траекторий, приходится при регулярности 0.5, а при появлении медленных АТС выраженного пика нет, он относительно равномерно распределен от значения клеточной плотности потока 0.45 до 0.75;

- количество потенциальных ДТП, связанных с торможением (перед АТС №2, в той же полосе, неожиданно затормозило другое АТС №1, вынуждающее тор-

мозить АТС №2), с увеличением регулярности до значений г=О.б растет (из-за больших скоростей и наличия свободного пространства), затем с дальнейшим увеличением регулярности количество пДТП данного типа падает. Это связано с тем, что АТС на участке дороги стало больше, соответственно их скорости уменьшились и при необходимости АТС могут остановиться не выходя за рамки своего динамического габарита.

В пятой главе диссертации приводятся методика проведения и результаты модельных экспериментов и перспективы дальнейших исследований.

Цель этой главы состоит в сравнении характеристик «живого» потока, рис. 14, с его моделью, изучаемой в диссертации, т.е. в проверке качества моделирования. Описывается методика проведения экспериментальных исследований, используемые алгоритмы, программы и критерии их применения. По результатам видеомониторинга (автоматическая обработка видеоматериала о потоках), с использованием ходовой лаборатории ОММ МАДИ(ГТУ), были получены данные, которые в дальнейшем использовались для оценки адекватности модели.

Рис. 14. ТП на МКАД, 70 км

В пятой главе приводятся результаты сравнения оценок скоростей медленных (1) и быстрых (2) АТС в транспортном потоке, полученных с помощью имитационного моделирования (к,*^, ■йг,а<). и аналитических р а с ч е а основе исходных данных, полученных в результате анализа видеофрагмента и значений этих характеристик, найденных из видеомониторинга (г^), табл. 1. Количество пДТП и количество перестроений, определенных из видеомониторинга приведены в табл. 2. Длина участка дороги, на котором проводилась оценка, равна 80м, длительность мониторинга составляла 5 минут. По результатам данного

исследования можно сделать вывод, что модель адекватно отражает реальную ситуацию на дороге.

Таблица 1

Средние скорости АТС каждого типа, найденные с помощью видеомониторинга, имитационным моделированием и аналитически

Таблица 2

Количество перестроений и пДТП на многополосной дороге на участке 80м, за 30 минут

Методика оценки мероприятий по управлению и безопасности движения на многополосных дорогах заключается в следующем:

1. Проводится натурное измерение характеристик потока и находятся исходные данные для моделирования. Определяются характеристики участка, на котором требуется повысить пропускную способность не в ущерб безопасности (количество полос, скорости АТС, интенсивности, состав потока и т.п).

2. В соответствии с поставленной задачей (уменьшение конфликтов, повышение пропускной способности, уменьшение очереди при разделении потоков) проводится имитационное моделирование с реализацией одного или нескольких описанных в работе способов управления потоком (или предварительно формализовав любое другое).

3. На основании полученных результатов (анализируются изменения скорости движения, пропускной способности и аварийности) принимается решение о внедрении данного мероприятия на дороге или проведении моделирования другого мероприятия.

Данная методика позволяет оценить существующие и проектируемые дороги с позиции качества ОДД и выработать рекомендации по повышению пропускной способности и БДД.

Разработанная в данной работе детерминированно-стохастическая теория может быть использована для решения различных задач по управлению потоком.

Кроме формализованных в работе подходов по количественной оценке мероприятий по управлению движением можно также реализовать следующие перспективные разработки, которые могут служить направлением дальнейших исследований: вычисление расхода топлива ТП с учетом тягово-скоростных свойств двигателя; оценка экологического воздействия ТП на окружающую среду; определение оптимальной частоты съездов с многополосной дороги; определение длины переходно-скоростной полосы при въезде на магистраль; исследование сопряженного движения в двух направлениях с выездом на полосу встречного движения; оценка критериев ввода и эффективности реверсивного движения; исследование способов управления транспортным потоком в районе сужения дороги и т.п.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведена оценка влияния мероприятий по управлению и безопасности движения на многополосных дорогах. Результат показал, что можно увеличить поропускную способность и скорость сообщения за счет этого.

2. Разработаны аналитические модели транспортного, смешанного по составу потока на двух и более полосах на основе детерминированно-стохастического подхода. Получены приближенные формулы, связывающие основные характеристики потока: скорость, интенсивность движения, интенсивность перестроек для различного состава потока и различных значений регулярности. Разработан программный комплекс моделирования ТП на многополосных дорогах, позволяющий, в частности, моделировать различные мероприятия по ОДД. В разработанных моделях использованы идеи дискретизации времени и состояний моделируемого процесса. Используя данный подход, можно оценить эффект от некоторых мероприятий по ОДД, таких, как запрещение медленным АТС выезжать на крайние левые полосы, критерии специализации полос; создание по возможности однородного потока для уменьшения конфликтности; заблаговременное маршрутное информирование водителя о приближении к месту разделения потоков; ограничение въезда на магистраль части потока при проведении дорожных работ.

3. На основе разработанных моделей проведен анализ зависимости скорости транспортного потока от регулярности и состава потока при различном числе

полос движения с учетом индивидуального поведения АТС. Установлено, что даже небольшое количество медленных АТС (порядка 10%) на пятиполосной дороге уменьшает пропускную способность в два раза при средних значениях регулярности. Полученные зависимости нелинейно зависят от состава и числа полос.

4. Проведен анализ модельных экспериментов с целью исследования эффективности предлагаемых мероприятий по ОДД. Установлена, в частности, целесообразность запрета въезда для медленных АТС на скоростные полосы (крайние левые). Например, запрет для медленных АТС выезжать на две крайние левые полосы позволит повысить пропускную способность дороги в среднем в 1.23 раза при а = 0.3 . Одной из рекомендаций может служить распространение раздела пункта 16.1 ПДД РФ о запрещении выезжать грузовым автомобилям далее второй полосы не только на магистральные дороги и дороги, обозначенные знаком 5.3, но и на все многополосные дороги.

5. Разработана модель для исследования движения специальных АТС. Проведена оценка скорости CATC для всех значений параметров регулярности, числа полос и а. Сделан вывод, что запрет для медленных АТС занимать крайние левые полосы существенно увеличивает скорость специальных АТС, особенно при большой регулярности потока. Данное мероприятие повысит в 1.15 раз скорость CATC при средних значениях регулярности и наличии 40% медленных АТС в потоке.

6. Разработана имитационная модель для исследования сегрегации транспортного потока. С помощью неё можно определить необходимую длину переходной зоны перед точкой разделения потоков, в которой происходит их "перемешивание". На основе проведенного исследования установлено, что при длине зоны, равной шести длинам динамических габаритов АТС, 85% АТС потока успевают занять нужную полосу до точки разделения потоков. При длине зоны менее 6d вероятность "клинов" возрастает.

7. Исследован ТП на перегоне с позиции аварийности. Проведена оценка изменения количества потенциальных ДТП на перегоне после введения предлагаемых мероприятий по ОДД. Например, если увеличить длину необходимой зоны для перестроения части потока перед разделением на два направления в 1.5 раза, то количество конфликтов уменьшится в 1.3 раза.

8. Экспериментальные исследования показали, что модель адекватно отражает ситуации, происходящие в транспортном потоке, и ошибка моделирования в среднем не превышает 10% по скорости и 15% по конфликтности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. "Saturated Traffic Flows: Monitoring, Stochastic Modelling and Evaluation of Energy Consumption" V.N. Lukanin, A.P. Buslaev, A.V. Novikov, M.V. Yashina, 10th International Symposium "Transport and Air Pollution" (September 17-19, 2001 -Boulder, Colorado USA).

2. Новиков А. В. Моделирование движения на многополосной магистрали. // Математическое моделирование и информационные технологии в автомобильно-дорожном комплексе: Сб.научн. трудов МАДИ (ГТУ) - М., 2002. - С. 68-75.

3. Буслаев А.П., Новиков А.В., Таташев А.Г., Яшина М.В. Математические модели в задачах автотранспортного комплекса. // Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития АТК. Тез.докл. научно-техн. конференции:- М.: МАДИ(ГТУ), 2003. - С. 114-117.

4. Lukanin V.N., Buslaev A.P., Novikov A.V., Yashina M.V.. Traffic flows modelling and the evaluation of energy-ecological parameters. Part I. Int.J. of Vehicle Design. 2003. - V. 33. № 4. - P. 381-399.

5. Lukanin V.N., Buslaev A.P., Novikov A.V., Yashina M.V.. Traffic flows modelling and the evaluation of energy-ecological parameters. Part II Int.J. of Vehicle Design. 2003. V. 33. № 4. - P. 400-421.

6. Буслаев А.П., Новиков А.В., Приходько В.М., Таташев А.Г., Яшина М.В. Вероятностные и имитационные подходы к оптимизации автодорожного движения. / Под редакцией чл.-корр.РАН В.М.Приходько. - М.: Мир, 2003, - 368 с.

Подписано в печать 11.02.2005 Формат 60x84/16

Печать офсетная Усл. печ. л. 1,21 Уч.-изд.л. 1,35

Тираж 100 экз. Заказ 59

Ротапринт МАДИ(ГТУ) 125319, Москва, Ленинградский просп, 64

os.zz

Список обозначений

Введение

1. АВТОТРАНСПОРТНЫЕ ПОТОКИ, БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Необходимость рационального выбора мероприятий по повышению безопасности движения

1.2. Факторы, влияющие на безопасность дорожного движения.

1.3. Скорость как один из главных факторов безопасности движения.

1.4. Анализ существующих методов моделирования потоков.

1.5. Выводы и задачи исследования.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

2.1. Детерминированно - стохастическая модель АТП.

2.2. Модель Бернулли для смешанного потока на произвольном числе полос

2.3. Имитационная модель автотранспортных потоков.

2.4. Моделирование движения на однополосной дороге.

2.5. Моделирование движения на двухполосной дороге.

2.6. Моделирование движения на многополосной дороге

2.7. Восстановление характеристик потока по результатам имитационного моделирования

2.8. Выводы к главе 2.

3. УПРАВЛЕНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА ПЕРЕГОНЕ

3.1. Цели и способы управления автотранспортным потоком.

3.2. Влияние состава потока на пропускную способность многополосной дороги

3.3. Повышение пропускной способности за счет ограничений для медленных автотранспортных средств на движение по отдельным полосам.

3.4. Влияние блокировки полос на основные характеристики движения (динамическое узкое место)

3.5. Движение специальных АТС в потоке (просачивание).

3.6. Исследование разделения потоков.

3.7. Выводы к главе 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1. Конфликтные узлы, конфликтные ситуации и риски дорожно-траспортных происшествий.

4.2. Безопасность движения на перегоне.

4.3. Выводы к главе 4.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.

5.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

5.3. Результаты видеомониторинга.

5.4. Сравнение характеристик потока, полученных с помощью видеомониторинга и аналитически.

5.5. Перспективные практические разработки

ВЫВОДЫ

Проблемы, связанные с ростом интенсивности автотранспортных потоков (АТП) на дорогах, являются весьма актуальными. Автомобилизация затронула все развитые в промышленном отношении страны. При этом следует отметить, что основная масса автотранспортных средств (АТС) сосредоточивается в городах, вызывая снижение скоростей движения, увеличение числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП) и загазованности воздушного бассейна.

В настоящее время, когда автомобильный транспорт бурно развивается, а улично-дорожная сеть (УДС) остается почти неизменной, необходима разработка новых подходов к решению задач по оценке характеристик АТП с целью повышения скорости сообщения, предотвращения возникновения ДТП и уменьшения последствий от них, а также уменьшения вреда окружающей среде (ОС). Наиболее тяжелая ситуация сложилась в городах-миллионерах и, в частности, в г. Москве, где парк автотранспортных средств (АТС) уже в 2001г. превысил 2.5 млн. шт. и сегодня составляет около 3 млн. шт.

Рост парка АТС ■ г. Me ска*, тыс. шт.

Автомобильный транспорт - это одно из самых доступных средств передвижения, так как им может пользоваться практически каждый и с помощью него можно осуществлять доставку товаров "от двери до двери". В развитых странах каждый член семьи, имеющий право управлять АТС, имеет свой автомобиль, на котором он ездит по дороге и является потенциальным участником ДТП. В работе будет проанализирована статистика ДТП по административно-территориальным единицам с постепенным переходом от большей территории к меньшей. Сначала будет проведен анализ по стране (России), затем по городу (Москве) и далее по району Москвы (СВАО). Выделение более мелкой части осуществляется для обеспечения возможности моделирования дорожного движения (ДД), а также с целью получения устойчивых оценок главных факторов влияющих на БД по разных территориальных уровнях.

Основные понятия, которые будут использоваться в дальнейшем:

ДТП - событие, возникшее в процессе движения по дороге транспортного средства и с его участием, при котором погибли или ранены люди, повреждены транспортные средства, груз, сооружения.

Тяжесть последствия ДТП - отношение числа погибших в ДТП к общему числу пострадавших, в %.

Показатели аварийности - количество ДТП, количество пострадавших в этих ДТП и количество погибших в них за год. Есть два типа показателей — абсолютные и относительные (число пострадавших /100 тыс. жителей, количество ДТП/10 тыс. АТС, .).

Эффективность организации дорожного движения (ОДД) -оценка с помощью количественных показателей состояния ДД.

Количество ДТП - это один из показателей который контролируется государственными органами и входит в официальную статистику.

Современный организационный и технологический уровень Государственной инспекции безопасности дорожного движения (ГАИ-ГИБДД) позволяет оперативно влиять на ситуацию на дорогах городов-миллионеров. Сейчас существенно изменился подход в оценке роли организации дорожного движения (ОДД), достигнуто понимание того, что в условиях интенсификации АТП правильная работа ГАИ-ГИБДД способствует повышению эффективности работы транспорта и безопасности участников движения, водителей и пешеходов.

Разработка и внедрение мероприятий, направленных на повышение БДД, является одной из главных задач ГАИ-ГИБДД, научно-исследовательских и проектных институтов, дорожных и коммунальных организаций и базируется на тщательном анализе причин и условий возникновения ДТП, прогнозировании развития ситуации.

Методики анализа и учета ДТП, вопросы организации работы по изучению причин возникновения ДТП, выбор мероприятий по их устранению по-прежнему нуждаются в совершенствовании, поскольку полнота информации о происшествиях и сопутствующих им неудовлетворительных дорожных условиях является основой для принятия мер по предотвращению ДТП дорожными и коммунальными организациями [45].

Для возможности успешного решения задач количественной оценки участка дороги с позиции БДД, прогнозирования возникновений ДТП, повышения транспортной работы необходимо разработать методику оценки магистралей с учетом всех факторов, которые влияют на транспортный поток. На АТП влияют различные характеристики магистралей (число полос, ширина обочин, информационное обеспечение, состояние покрытия), динамические характеристики АТС, двигающихся по дороге, их габариты, расположение на проезжей части и т.д. Также важное значение имеют методы ОДД, которые применяются на данном участке сети (запрещение медленным АТС выезжать на крайние левые полосы движения, ограничение присутствия медленных АТС на дороге, изменение состава потока при ремонтных работах и т.п.). Сейчас эффективность мероприятий по ОДД определяется методом эксперимента, сравнения результатов до и после проведения мероприятия. Реализация любой методики путем проведения экспериментов, которые включают в себя натурные наблюдения, последующую обработку, принятие решения и последующие наблюдения за реагированием системы на данное решение, очень сложны, трудоемки, требуют значительных финансовых вложений. Однако, эффект от предполагаемых мероприятий можно оценить, с помощью моделирования, что значительно дешевле и не требует таких ресурсных затрат.

Рассматриваемая в работе модель имеет целью учесть все изменения характеристик потока, которые влияют на БДД и на возможность возникновения ДТП. Существующие методы оценки основаны на выявлении участков дорог с наибольшей концентрацией ДТП (очагов аварийности) или заторов и все ресурсы направляются в данное место, при этом не учитывается, что очаг аварийности может мигрировать на другой участок, где из-за неблагоприятных условий могут произойти ДТП или заторы. При строительстве и реконструкции дорог необходимо выявить потенциально опасные участки до того, как по ним начнется движение. Также необходимо заранее учесть, как будут влиять на эффективность транспортной работы АТП его характеристики (динамические характеристики, состав и т.п.). Все это многообразие вариантов можно проанализировать только с использованием математических моделей.

Зная особенности формирования и распределения АТП на магистралях, образования заторов и то, какими методами ОДД и насколько можно повысить эффективность работы перегонов дорог, и используя данные мониторинга, сотрудники ГАИ-ГИБДД смогут оперативно влиять на ситуацию на дороге, своевременно принимая меры по предотвращению заторов, и уменьшить риск для участника движения быть вовлеченным в ДТП.

В современной литературе в достаточном объеме отсутствует четко описанная методика по количественной оценке влияния мероприятий по БДД, особенно на магистральных участках. Часто делается утверждение, что после введения данного мероприятия ситуация на дороге улучшится на столько-то процентов. Однако, какого-либо научного подтверждения таких оценок, как правило, не приводится. С целью уточнения и получения количественных оценок влияния различных мероприятий по ОДД на АТП на магистралях выполнена данная диссертационная работа.

Актуальность работы заключается в том, что к настоящему времени имеется лишь относительно небольшое число исследований по количественной оценке влияния различных факторов на формирование АТП с учетом индивидуального поведения каждого АТС в дорожном движении и с научным обоснованием того, как эти результаты были достигнуты. Также отсутствуют в достаточном объеме и полноте количественные оценки влияния мероприятий по ОДД на ТП, и оценки уровня БДД на участке дороги при введении данных мероприятий.

Цель работы - оценить влияние некоторых мероприятий по организации дорожного движения на транспортный поток на магистрали, получить количественные результаты и дать рекомендации по повышению пропускной способности и эффективности организации дорожного движения на многополосных перегонах дорог.

Научная новизна состоит в том, что разработан и научно обоснован новый подход к оценке влияния различных мероприятий по ОДД на формирование ТП и на БДД на перегонах магистралей с учетом индивидуального поведения в потоке каждого автомобиля. Эта методика предусматривает использование имитационных и аналитических моделей на основе детерминированно-стохастического подхода, при котором дорожное полотно представляется дискретным клеточным полем. В ходе исследований в диссертации получены следующие новые научные положения:

- разработан алгоритм, математическая и имитационная модель ТП по многополосной дороге;

- установлены закономерности влияния состава потока, различной плотности на его среднюю скорость и пропускную способность;

- получены зависимости изменения средней скорости потока от его состава и плотности при различных способах управления;

- исследована вероятность возникновения основных видов конфликтных ситуаций в ТП на многополосной дороге, на основе имитационного моделирования;

- проведена оценка некоторых мероприятий по управлению и безопасности движения на многополосной дороге.

Практическая значимость работы заключается в том, что её результаты позволяют по наблюдаемым базовым характеристикам ТП количественно оценить влияние мероприятий по ОДД на ТП и на БДД: формирование однородного состава, управление медленными АТС, запрет части

АТС выезжать на дорогу, исследовать по данным критериям существующие дороги, а также предложить рекомендации по повышению эффективности управления движением на дорогах.

Реализация результатов диссертации. Результаты диссертации использовались в Федеральном управлении автомобильных дорог "Центральная Россия" (ФУАД ЦР) и в НПО "МАДИ-Практик" при анализе интенсивности движения и анализе аварийности на сети дорог, обслуживаемых ФУАД ЦР, и на МКАДе. Имеются акты о внедрении результатов.

На защиту выносятся:

- теоретическое описание закономерностей поведения транспортных потоков с учетом индивидуального поведения водителей автомобилей;

- имитационная модель для исследования влияния состава потока, влияния множества медленных АТС (блокировка полос), управления медленной частью потока (грузовые АТС), разделения потоков на два направления в окрестности транспортных узлов и особенностей формирования потоков (скорость, интенсивность, конфликтность в потоке) на перегонах многополосных дорог;

- имитационная модель, позволяющая оценить количество конфликтных ситуаций на перегоне и влияние мероприятий по ОДД на их количество;

- соответствующее программное обеспечение для проведения имитационного моделирования, реализованное на ЭВМ;

- результаты экспериментальных, теоретических исследований и методические рекомендации по управлению ТП для повышения эффективности его работы, увеличения скорости движения и уменьшения конфликтных ситуаций.

Апробация работы и публикации по теме диссертации

Результаты диссертации опубликованы в [9], [10], [41], [89], [90], [93] и докладывались на научно-практических конференциях МАДИ-ГТУ в 20002004гг., заседаниях кафедры "Высшей математики" в 2003г. и кафедры "Организации и безопасности движения" в 2004г., научных семинарах МГУ им .Ломоносова.

выводы

1. Проведена оценка влияния мероприятий по управлению и безопасности движения на многополосных дорогах. Результат показал, что можно увеличить поропускную способность и скорость сообщения за счет этого.

2. Разработаны аналитические модели транспортного, смешанного по составу потока на двух и более полосах на основе детерминированно-стохасти-ческого подхода. Получены приближенные формулы, связывающие основные характеристики потока: скорость, интенсивность движения, интенсивность перестроек для различного состава потока и различных значений регулярности. Разработан программный комплекс моделирования ТП на многополосных дорогах, позволяющий, в частности, моделировать различные мероприятия по ОДД. В разработанных моделях использованы идеи дискретизации времени и состояний моделируемого процесса. Используя данный подход, можно оценить эффект от некоторых мероприятий по ОДД, таких, как запрещение медленным АТС выезжать на крайние левые полосы, критерии специализации полос; создание по возможности однородного потока для уменьшения конфликтности; заблаговременное маршрутное информирование водителя о приближении к месту разделения потоков; ограничение въезда на магистраль части потока при проведении дорожных работ.

3. На основе разработанных моделей проведен анализ зависимости скорости транспортного потока от регулярности и состава потока при различном числе полос движения с учетом индивидуального поведения АТС. Установлено, что даже небольшое количество медленных АТС (порядка 10%) на пятиполосной дороге уменьшает пропускную способность в два раза при средних значениях регулярности. Полученные зависимости нелинейно зависят от состава и числа полос.

4. Проведен анализ модельных экспериментов с целью исследования эффективности предлагаемых мероприятий по ОДД. Установлена, в частности, целесообразность запрета въезда для медленных АТС на скоростные полосы (крайние левые). Например, запрет для медленных АТС выезжать на две крайние левые полосы позволит повысить пропускную способность дороги в среднем в 1.23 раза при а = 0.3 . Одной из рекомендаций может служить распространение раздела пункта 16.1 ПДД РФ о запрещении выезжать грузовым автомобилям далее второй полосы не только на магистральные дороги и дороги, обозначенные знаком 5.3, но и на все многополосные дороги.

5. Разработана модель для исследования движения специальных АТС. Проведена оценка скорости CATC для всех значений параметров регулярности, числа полос и а. Сделан вывод, что запрет для медленных АТС занимать крайние левые полосы существенно увеличивает скорость специальных АТС, особенно при большой регулярности потока. Данное мероприятие повысит в 1.15 раз скорость CATC при средних значениях регулярности и наличии 40% медленных АТС в потоке.

6. Разработана имитационная модель для исследования сегрегации транспортного потока. С помощью неё можно определить необходимую длину переходной зоны перед точкой разделения потоков, в которой происходит их "перемешивание". На основе проведенного исследования установлено, что при длине зоны, равной шести длинам динамических габаритов АТС, 85% АТС потока успевают занять нужную полосу до точки разделения потоков. При длине зоны менее 6d вероятность "клинов" возрастает.

7. Исследован ТП на перегоне с позиции аварийности. Проведена оценка изменения количества потенциальных ДТП на перегоне после введения предлагаемых мероприятий по ОДД. Например, если увеличить длину необходимой зоны для перестроения части потока перед разделением на два направления в 1.5 раза, то количество конфликтов уменьшится в 1.3 раза.

8. Экспериментальные исследования показали, что модель адекватно отражает ситуации, происходящие в транспортном потоке, и ошибка моделирования в среднем не превышает 10% по скорости и 15% по конфликтности.

1. Автомобильные перевозки и организация дорожного движения: Справочник. Пер. с англ. / В.У. Рэнкин, П. Клафи, С. Халберт и др. М.: Транспорт. 1981. - 592с.

2. Аксенов В.А. Экономическое обоснование мероприятий повышающих безопасность движения. М.: ВНИИ БД МВД СССР, 1972. - 36с.

3. Аксенов В.А., Попова Е.П., Дивочкин О.А. Экономическая эффективность рациональной организации дорожного движения. М.: Транспорт. 1987. - 128с.

4. Анализ дорожно-транспортных происшествий в управлениях (отделах) Госавтоинспекции МВД союзных, автономных республик, УВД крайоблисполкомов: Методическое пособие / В.М. Мартынов М.: ВНИИБД МВД ССР, 1984. - 81с.

5. Бабков В.Ф. "Дорожные условия и безопасность движения": Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1993. - 271с.

6. Беляев Ю.К. Об упрощенной модели движения без обгона / Изв. АН СССР. Сер. техн. кибернетика. 1969. N 3. С. 17-21.

7. Булатов А.И., Крулев Г.И. Предупреждение дорожно-транспортных происшествий. -М.:Автотрансиздат, 1961.

8. Буслаев А.П., Приходько В.М. Стохастическое моделирование и оптимизация в автодорожном движении. М.-МАДИ(ГТУ). 2003.-171с.

9. Буслаев А.П., Новиков А.В., Приходько В.М., Таташев А.Г., Яшина М.В. Вероятностные и имитационные подходы к оптимизации автодорожного движения. Под редакцией чл.-корр.РАН В.М.Приходько. — М.: Мир, 2003, 368 е., ил.

10. Буслаев А. П., Новиков А. В., Таташев А. Г., Яшина М. В. Математические модели в задачах автотранспортного комплекса. В сб.: Тез.докл. научно-техн. конференции "Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития АТК".- М.:МАДИ(ГТУ), 2003. С. 114-117.

11. Васильева Е.М., Игудин Р.В., Лившиц В.Н. и др. Оптимизация планирования и управления транспортными системами М. "Транспорт", 1987.13. "Влияние скорости на режим и безопасность движения" Сборник научных трудов, Под. ред. Н.Н. Юмашев, Москва 1980, 129 с.

12. Гаврилов А.А. Моделирование дорожного движения. М.:Транспорт, 1980г., 189с.

13. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969.

14. Двигатели внутреннего сгорания, т.1-3/ Под ред. В.Н.Луканина. М.: Высшая школа, 1995.

15. Доклад Правительства Москвы "О развитии магистральной уличной сети и организации дорожного движения в г. Москве", 2002

16. Дорожно-транспортные происшествия в России (за 1999 г.). Обобщенные сведения. М.:, НИЦ ГИБДД МВД РФ, 2000. - 24с.

17. Дорожно-транспортные происшествия в России (1993 г.). Статистический сборник. М.: НИЦ ГАИ МВД России, 1994. - 72с.

18. Дрю Д. Теория транспортных потоков и управление ими. М. Транспорт, 1972 424 с.

19. Еремин В. М., Бадалян А. М. Теория имитационного моделирования транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. Сб. науч. трудов/ МАДИ, 1986. С. 3-14.

20. Иносэ X., Хамада Т. Управление дорожным движением. М.: Транспорт, 1983. 248 с.

21. Картанбаев Р.С., Еремин В.М. Машинная имитация движения транспортных потоков для проектирования автомобильных дорог в горной местности. Фрунзе: Алим, 1982, - 70 с.

22. Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б. Организация дорожного движения: Уч. для вузов. 4-е изд. - М.: Транспорт, 1997. - 231с.

23. Клинковштейн Г.И., Капитанов В.Т., Управление транспортными потоками на магистрали / Труды МАДИ, М.:МАДИ, 1979, 73-76с

24. Клинковштейн Г.И., Капитанов В.Т., О рациональном выборе и оценке эффективности систем управления дорожным движением./ М.:МАДИ, 1986, 36-40с / Повышение качества организации движения и автомобильных перевозок/

25. Клинковштейн Г.И., Рузский А.В., Расход топлива как показатель качества организации дорожного движения / Труды МАДИ, Проблемы качества работы и эффективность автомобильного транспорта М.: МАДИ 1985 - 91с

26. Коноплянко В.И. Информативность транспортных средств. М. Машиностроение, 1984, 97с.

27. Коноплянко В.И. Клинковштейн Организация дорожного движения, уч.пособ, М.1977

28. Коноплянко В.И. Методы повышения эффективности и безопасности движения средствами информативности, уч. пособ. М.:МАДИ, 1988, 107с.

29. Коноплянко В.И. Организация и безопасность дорожного движения, уч.для вузов. М.Транспорт, 1991г.-182с.

30. Красников А.Н. Закономерности движения на многополосных автомобильных дорогах. М.: Транспорт, 1988. 111с.

31. Кременец Ю.А. Технические средства организации дорожного движения, учебник, М.'Транспорт, 1990, 254 с.

32. Кременец Ю.А. Печерский М.П. Технические средства регулирования дорожного движения. М.:Транспорт, 1981г., 1981

33. Лобанов Е.М. Пропускная способность автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1970. - 152с.

34. Луканин В.Н., Гуджоян О.П., Ефремов А.В. Имитационное моделирование и принятие решений в задачах автомобильно-дорожного комплекса: Уч.пос. М.: Инфра-М, 2001. - 345с.

35. Луканин В.Н., Буслаев А.П., Трофименко Ю.В., Яшина М.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.Н. Луканина М.: Инфра-М, 1998. - 408с.

36. Луканин В.Н., Буслаев А.П., Яшина М.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда 2: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Инфра-М, 2001. - 646с.

37. Марковская аппроксимация стохастической модели движения по двум полосам./ Беляев Ю.К., Буслаев А.П., Селезнев О.В., Таташев А.Г., Яшина М.В., МАДИ (ГТУ). М.; 2002 г. - 32 с. - Деп. в ВИНИТИ 03.07.2002 г. N 1234 - В 2002.

38. Мягков В.Н., Пальчиков Н.С., Федоров В.П. Математическое обеспечение градостроительного проектирования. Л., "Наука", 1989.

39. Новиков А. В. Моделирование движения на многополосной магистрали. Сб.научн.трудов МАДИ (ГТУ) "Математическое моделирование и информационные технологии в автомобильно-дорожном комплексе", М., 2002. С. 68-75.

40. Определение параметров обгона: Метод.указ.к курс.проекту по курсу "Безопасность трансп. средств" /А. И. Рябчинский, О. В. Майборода, С. Н. Сатышев и др.; МАДИ ТУ. М., 2000. - 29 с.

41. Организация дорожного движения в городах: Методическое пособие; Под общ. ред. Ю.Д. Шелкова М.: НИЦ ГАИ МВД России, 1995. -143с.

42. Организация и безопасность дорожного движения: Учеб. для вузов по спец. "Орг. перевозок и упр. на тр-те (автомоб. )" /В. И. Коноплян-ко, О. П. Гуджоян, В. В. Зырянов, А. В. Косолапов — 3-е изд.,доп.и перераб. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 1998. — 235с.

43. Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах: Сборник докладов четвертой международной конференции СПб гос. архит.-строит. ун-т. СПб:, 2000. - 232с.

44. Отчет "Результаты оперативно-служебной деятельности Отдела ГИБДД УВД СВАО г.Москвы за 12 месяцев 2000 года", М.ЮГИБДД СВАО, 2001

45. Отчет по г/б теме Б 410100. Науч. рук. Буслаев А.П. "Разработка математических методов моделирования процессов воздействия автотранспортного комплекса на окружающую среду", МАДИ, 2000

46. Отчет по теме 0410100 "Оценка интенсивности движения на Федеральной автомобильной дороге М-2 "Крым" на участках 22км-50км (МКАД-Серпухов)". Рук. раб. Буслаев А.П., Москва, 2000

47. ОТЧЕТ по теме № 0411402 Анализ аварийности на федеральных автомобильных дорогах ФУАД «Центральная Россия» Министерства транспорта России на основе статистических данных. Руков. работ д.ф-м.н., проф. Буслаев А.П.

48. Отчеты ГАИ-ГИБДД за 1980-1999 год. М.: ГАИ, ГИБДД51. "Планирование и контроль эффективности мероприятий по обеспечению безопасности движения в городах" дис. к.т.н. В.Н. Сытника.

49. Правила дорожного движения Российской федерации, утверждены постановлением Совета Министов-Правительства Российской Федерации. М.-61с.

50. Повышение качества организации движения и автомобильных перевозок. Сб. научн. трудов/МАДИ, 1986, 131с.

51. Попков Ю.С., Посохин М.В., Гутнов А.В., Шмульян Б.Л. Системный анализ и проблемы развития городов. М. "Наука", 1983.

52. Проблемы безопасности дорожного движения: Материалы первой Российско-Германской конференции, 23-24 мая 2002 года, Том1, Омск "Си-баАДИ" 2002, 108с.

53. Правила учета и анализа дорожно-транспортных происшествий на автомобильных дорогах Российской Федерации. ФДС России, М. 1998

54. Романов А. Г. Дорожное движение в городах: закономерности и тенденции.- М: Транспорт, 1984. 81с.

55. Российчкий статистический ежегодник 2003:Стат.сб. / Госкомстат. Рос-сия.-М., 2003,-705с.

56. Россия в цифрах: Крат. стат. сб. Российский статистический ежегодник за 2000 г. /Госкомстат России М., 2001.-397 с.

57. Руне Эльвик, Анне Боргер Мюсен, Трюле Во. Справочник по безопасности дорожного движения/ Пер. с норвежского. Под ред. проф. В.В.Сильянова. М.: МАДИ (ГТУ), 2001. -754 с.

58. Рыбин A.JI. Анализ дорожно-транспортных происшествий и выбор эффективных мероприятий по обеспечению безопасности дорожного движения в городах. Выпуск 2 М.:1996. - 29с.

59. Рябчинский А.И., Токарев А.А., Русаков В.З. Динамика автомобиля и безопасность дорожного движения: Уч.пособ. по спец. "Орг. и безопасности движения" /Под общ. ред. А. И. Рябчинского; МАДИ ГТУ. М., 2002. - 130с.

60. Рябчинский А.И. и др. Методы испытания легковых автомобилей на пассивную безопасность. М., 1972.

61. Рябчинский А.И. Механизм травмирования человека в автомобиле и биомеханика ДТП. Проект-технол. и худож. конструктор, ин-т Мин-меспрома, Таллин-Валгус, 1979, 125с.

62. Рябчинский А.И. Мельников О.В. Современные системы защиты водителей и пассажиров грузовых автомобилей и автобусов при ДТП и методы их испытаний.-М.НАМИАвтопром,1976,69с

63. Рябчинский А.И. Фролов В.В. Ударо-прочностные качества кабины и пассивная безопасность грузовых автомобилей. М:, полигон НАМИ, 1974, 75с.

64. Рябчинский А.И., Трофименко Ю.В., Шелмаков С.В. Экологическая безопасность автомобиля: Учеб. пособие для студентов спец. "Орг. и безопасность дорожн. движения" Под ред. В. Н. Луканина; МАДИ ТУ. М., 2000. - 95 с.

65. Сервер правительства Москвы, www.mos.ru

66. Системный анализ дорожного движения и ДТП. Сб. научных тру-дов/МАДИ, 1989, 106с.

67. Сильянов В.В., Еремин В.М. Имитационное моделирование транспортных потоков на ЭВМ. Автомобильные дороги, 1986.N1.

68. Сильянов В. В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. М.: Транспорт, 1977.

69. Справочник по безопасности дорожного движения, Совет министров северных стран, Осло/Копенгаген, Дания, 1996.- 646с.

70. Справочник по безопасности дорожного движения руководителя технической службы предприятия по перевозке пассажиров и грузов. -М:, ННПФ "Трансконсалтинг", 2000г.

71. Стенбринк П. Оптимизация транспортных сетей. М. "Транспорт", 1981.

72. Токарев А.А. Методы исследования тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей. М., 1976, 57с. НАМИ

73. Токарев А.А. Есеновский-Лашков Ю.К. Топливная экономичность автомобиля. Методы испытаний, уч.пособ. /Моск.ин-т инженеров с.-х. пр-ва им. В.П. Горячкина. М., 1991-52с.

74. Токарев А.А. Топливная экономичность и тягово-скоростные качества автомобиля. М.:Машиностроение, 1982г.-224с.

75. Хомяк Я.В. Организация дорожного движения.:Уч. для вузов.К.:Выща шк. Головное из-во, 1986. 271с.

76. Целе У. Обобщения модели движения без обгона. / Изв. АН СССР. Сер. техн. кибернетика. 1972. N 5. С. 100-103.

77. Шештокас В.В., Самойлов Д.С. Конфликтные ситуации и безопасность движения в городах.-М.: Транспорт, 1987.- 207с

78. Федоткин М. А. Оптимальное управление конфликтными потоками и маркированные точечные процессы с выделенной дискретной компонентой. Литовский матем.сб. 1989. Т.29, №1. С.148-159.

79. Федоткин М. А. Оптимальное управление конфликтными потоками и маркированные точечные процессы с дискретной компонентой. I// Литовский математ. сборник. 1988. Т. 28, N 4. С. 783 -794.

80. Хейт Ф. Математическая теория транспортных потоков. М.: Мир, 1966.

81. Belyaev Y.K., Buslaev А.Р. Seleznev O.V. Discrete Stochastic Model of a Transport Flow. Sweden, Umea Universitet, Dept. Math Statistics, Research Grant 12513, 2000, p.1-30

82. Gerl P. Random walks on graphs. Probability measures on groups. VIII (Oberwolfach, 1985). P. 285-303, in Lecture notes in math., № 1210, Springer, Berlin-New York, 1986.

83. Grimmet G. Percolation. New York et al.: Springer, 1989. - 296 p.

84. R.Joumard, M.Andre, R.Vidon, P.Tassel and C.Pruvost. Influence of Driving Cycles on Unit Emissions from Passenger Cars. 8th Int.Symp.Transp. and Air Pollution. Graz,V.76, 31 May 2 June 1999

85. Leutzbach W. Introduction to the theory of traffic flow. Springer-Verlag, Berlin ct al., 1988. -204 p.

86. V.N. Lukanin, A.P. Buslaev, A.V. Novikov, M.V. Yashina. Traffic flows modelling and the evaluation of energy-ecological parameters. Part I. Int. J. of Vehicle Design. 2003. V. 33. № 4. P. 381-399.

87. V.N. Lukanin, A.P. Buslaev, A.V. Novikov, M.V. Yashina. Traffic flows modelling and the evaluation of energy-ecological parameters. Part II Int. J. of Vehicle Design. 2003. V. 33. № 4. P. 400-421.

88. Lukanin V. N., Buslaev A. P., Trofimenko Ju. V., Yashina M. V. Modelling and optimal control of transport flows in megapolis// Int.J. of Vehicle Design. 1998. Vol. 19. №3. P. 267-281

89. Traffic science. Ed. Gazis D. C. New York, Wiley, 1974. 293p.

90. V. V. Silyanov, В. B. Anokhin. The first federal programme for ensuring road traffic safety in Russia (some results of practical realisation). 12-th International Traffic Safety on Three Continents Conference. Moscow 1921 September, 2001.

91. Wahle J., Neubert L., Esser J., Schreckenberg M., A Cellular Automaton Traffic Flow Model for Online Simulation of Traffic / Preprint subm/ Elsevier Preprint/ 1999 / Dec