автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Повышение эффективности организации движения на основе моделирования транспортных потоков

На правах рукописи

Кущенко Сергей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з май шг

Орел-2012

005016598

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» на кафедре «Организация и безопасность движения»

Научный руководитель: Шутов Александр Иванович

доктор технических наук, профессор кафедры «Организация и безопасность движения» Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова

Официальные оппоненты: Родионов Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор декан Автомобильно-дорожного института Пензенского государственного университета архитектуры и строительства

Агеев Евгений Викторович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобилей, транспортных систем и процессов» Юго-западного государственного университета

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тульский государственный

технический университет»

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.182.07 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Госуниверситета - УНПК

Отзывы на автореферат просим направлять в адрес диссертационного совета: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д. 29.

Автореферат разослан 12 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Севостьянов А. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост автомобильного парка и увеличение объема перевозок приводит к увеличению интенсивности движения, что в условиях городов с исторически сложившейся застройкой приводит к возникновению транспортной проблемы. Особенно остро она проявляется в тех пунктах улично-дорожной сети (УДС), где есть пересечение крупных транспортных магистралей. Здесь увеличиваются транспортные задержки, образуются очереди и заторы, что вызывает снижение скорости сообщения, неоправданный перерасход топлива и повышенное изнашивание узлов и агрегатов транспортных средств, а также ухудшается экологическая ситуация данного участка дороги.

На сегодняшний день существует ряд методик прогнозирования снижения эффективности УДС, а так же ряд моделей для выведения ситуации из критической и повышения скорости и пропускной способности на УДС городов. Однако последние методики связаны либо с теорией массового обслуживания либо с имитацией потоков жидкости. Теория массового обслуживания крайне сложна и требует огромного количество входных данных, а они очень быстро меняются, и переработка схемы УДС, режимов регулирования зачастую не успевает за прогрессом. Теории же основанные на истечении жидкостей устарели с преобразованием автопарка в скоростные и динамичные автомобили. Жидкости двигаются слоями и чем ближе к краям трубы (проезжей части) тем медленнее, - сегодня это не так. Назревшая транспортная проблема требует поиска принципиально новых подходов.

Изложенное выше подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение научно-практической задачи, имеющей большое значение для транспортного комплекса страны.

Цель работы - повышение эффективности организации дорожного движения на основе математического моделирования движения транспортных потоков.

Для достижения цели поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Установление факторов, влияющих на организацию движения на улично-дорожной сети городов.

2. Проведение анализа дорожного движения в городах, выявление факторов, определяющих основные показатели организации дорожного движения.

3. Анализ общей концепции изучения организации дорожного движения автомобильного транспорта.

4. Определение параметров транспортного потока для описания транспортной ситуации на улично-дорожной сети городов.

5. Разработка математической модели для определения основных параметров автомобильного транспортного потока улично-дорожной сети городов с помощью аналогии электрическим законам.

6. Разработка мероприятий и рекомендаций по формированию сети парковок города.

7. Проведение апробации методики на улично-дорожной сети города Белгорода. Выяснение степени экономической целесообразности внедрения результатов исследования.

Объект исследования - дорожное движение автомобилей и процессы взаимодействия автомобильного транспорта с техническими средствами организации дорожного движения, стоянками.

Теоретическая и методологическая основа исследования. В диссертационной работе проведен анализ исследований отечественных и зарубежных ученых по проблемам организации дорожного движения в различных городах мира. Произведено математическое моделирование автомобильных транспортных потоков. Инструментами исследования послужили основные положения электромоделирования, теории планирования экспериментов, методы графического анализа.

Научная новизна исследования состоит в развитии теоретических подходов по организации дорожного движения и устройству автомобильных стоянок, влияющих на загрузку улично-дорожной сети, экологическую обстановку, экономическую составляющую дорожного движения в целом

На защиту выносятся наиболее значимые результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:

• теоретико-аналитические результаты определения основных параметров автомобильных транспортных потоков;

• концепция организации дорожного движения на улично-дорожной сети;

• математическая модель определения автомобильных транспортных потоков с использованием электрических законов;

• экономико-математическое обоснование оценки эффективности разработанных подходов к решению задачи повышения эффективности функционирования транспортных систем.

Практическая значимость. Разработанные в диссертации теоретические положения, научно-методические подходы, методики и модели являются научной основой и одним из способов разработки мероприятий по повышению эффективности организации дорожного движения и рекомендуются использовать как в строящихся городах, так и в городах с исторически сложившейся застройкой, Результаты работы позволят повысить пропускную способность дорог, скорость движения, а соответственно уменьшить затраты на перевозки, улучшить экологическую обстановку городов.

Отличие научных результатов от других работ по данному направлению заключается в разработке новых принципов моделирования автомобильных транспортных потоков и автомобильных стоянок, учитывающих не только основные характеристики транспортных потоков, но и свойства дорожного полотна, технических средств организации дорожного движения и рекомендовано использовать в улично-дорожных сетях транспортного комплекса.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях и семинарах: У-й международной научно-практической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза, ПГУАС, 2008 г.); международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2009); 2-й международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно- совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (Брянск, 2010); 5-й

международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2010).

Реализация результатов работы. Теоретические, научно-методические, прикладные и экспериментальные исследования используются Управлением архитектуры и градостроительства Администрации города Белгорода и в учебном процессе Белгородского Государственного Технологического Университета им. В.Г. Шухова.

Личный вклад автора заключается в формировании идеи и цели диссертационной работы, в постановке задач и их решения, в разработке научно-методических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов на всех этапах выполнения диссертации - от научного поиска до реализации их в практической деятельности.

Публикации. Основные теоретические положения и научно-практические результаты опубликованы в 10 научных статьях, в том числе 3 статьях в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Структура и последовательность изложения результатов диссертационной работы определены целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения, содержит 134 страницы текста, 9 таблиц, 24 рисунка. Библиографический список включает 132 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ее практическая значимость и дана общая характеристика выполненной работы. Сформулировано направление исследования и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных научно-исследовательских работ и нормативно-технической документации по вопросам организации дорожного движения в России и за рубежом. Вопросами исследований этих процессов посвящены работы: Фадеева Д.С., Попова В.Н., Куприянова А.Б., Тара-сюк Ю.В., Домке Э.Р., Сильянова В.В., Корчагина В.А., Родионова Ю.В., Клинковштейна Г.И., Бондаренко Е.В., Севостьянова А.Л, Семенова В.В. и др.

Проведенный анализ выявил комплекс факторов, влияющих на организацию дорожного движения. На основании проведенного анализа сформирована цель исследования, исходя из которой поставлены задачи научных исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям поиска аналогии параметров транспортного потока основным электрическим показателям и установление их связей для дальнейшего решения отдельных задач организации дорожного движения.

Поиск новой концепции организации движения проводился на основе абстрагирования представлений «автомобиль», «улично-дорожная сеть» и др., и, переходя к более общим явлениям материального мира, когда, например, крупный город с его развитой улично-дорожной сетью, дорожными знаками, светофорами, потоками автомобилей и др., представлен неким силовым полем. Согласно сугубо физическим воззрениям силовое поле - часть пространства, в каждой точке которой на помещенную туда материальную точку дей-

ствует сила, величина и направление которой зависит только от координат и времени х, У , 2, *, либо только от координат х, У , -.

Объемное потенциальное поле описывается уравнением Пуассона: Ъги Уи д2и . ,

где У- потенциал рассматриваемого поля в точке с координатами х 2, а Р(Х>У>2) . объемная плотность источника исследуемого поля, например, электрических зарядов или распределенных масс в гравитационном поле и др.

Таким образом, первым признаком того, что поле является потенциальным, служит факт наличия поступательного безвихревого движения материальных частиц (тел). Поступательное движение твердого тела характеризуется тем, что прямая, соединяющая две точки тела перемещается, оставаясь параллельной своему начальному положению (направлению). Если это так, то поток транспортных средств, представленный не в натуральной форме (количество автомобилей), а в форме материального потока может быть признан потенциальным и подчиняющимся фундаментальному уравнению математической физики (1). Однако, прямое решение уравнения (1), во-первых, требует формулировки начальных и граничных условий, а во-вторых, в большинстве практических случаев является невозможным. В этом нет особой необходимости, так как ряд смежных областей физики имеет отработанный математический аппарат и сформулированные базовые законы, привлекая которые можно, воспользовавшись методом аналогий, решать широкий класс задач организации движения моделированием, если найти аналогии соответствующих физических величин.

В научной практике широко используют электротепловые, электродинамические и др. аналогии, когда за основу берется математический аппарат для описания электрических явлений с переносом результатов на аналогии полей. При этом известно, что аналогом электрическому потенциалу V является температура Т в тепловых полях либо гидравлический напор ^ в гидродинамических.

Опыт ряда смежных наук неоднократно доказывает эффективность применения методов моделирования явлений и процессов, которые в сочетании с современной компьютерной техникой дают высокий эффект в техническом и экономическом аспектах.

Разработанный принцип электромоделирования транспортных потоков автомобилей, позволяет решать целый ряд задач организации дорожного движения, до последнего времени недоступных при традиционных подходах.

Главной задачей исследования явилось установление аналогий между основополагающими характеристиками (сила тока, напряжение, сопротивление) и характеристиками транспортного потока. На первом этапе имеется: односторонний транспортный поток на маршруте длиной /. Усредненная масса одного автомобиля - т, усредненная скорость движения «колонны» -V, обгонов и остановок нет. Количество автомобилей в единице объема материального транспортного потока:

N

п =-,

/5

где N - общее количество автомобилей на выбранном маршруте,

5- условная площадь поперечного сечения потока.

При выбранных исходных данных плотность материального потока выражено формулой:

N _

а его интенсивность (аналог силы тока) отсюда получено выражение:

г N.

I =т—V. /

кг-авт

или

(3)

с

Если вернуться к формулировкам, изложенным Г.И. Клинковштейном, то интенсивность определяется по формуле:

где д - плотность потока (авт/км).

При этом понятна связь интенсивности материального потока и интенсивности потока автомобилей:

1=тИ.

Важным моментом электромоделирования транспортных потоков является поиск аналога электрическому напряжению. Используя формулировку для электрического напряжения: электрическое напряжение между двумя точками электрической цепи равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую, аналогом электрическому напряжению в дорожной сети должна быть работа по перемещению единичного транспортного средства (автомобиля) массой тна расстояние / в данных дорожных условиях:

1¥ = тё(р±01, (4)

где ускорение свободного падения;

у/- коэффициент сопротивления качению колеса в данных дорожных условиях, (= сова- коэффициент продольного подъема (+), уклона (-) дорожного полотна.

Известно, что главным соотношением в любом электрическом явлении является закон Ома:

/

3 V

где I- сила тока,

и - напряжение,

Я- сопротивление, причем индекс «э» подчеркивает, что речь идет об электрическом токе. Поскольку аналоги /э и иэ уже определены, необходимо определить транспортный эквивалент величины Яэ.

По формальным признакам:

лэ =7~> 'э

следовательно, с учетом соотношений (2) и (3):

тду

т.е.

х = 8(у±0 I

т

(5)

где р = ——--удельное сопротивление движению транспортного потока.

ИУ

При однорядном движении автомобилей в одном уровне (простая колонна) на участке длиной /:

Р № '

а сопротивление движению транспортного потока определяется по формуле: сделав математические преобразования, получено выражение:

Я = *

Л

ду

Данное выражение справедливо: сопротивление движению возрастает с увеличением у/, I и уменьшается с увеличением интенсивности q и скорости V. Подъемы (уклоны) действуют соответственно.

Таким образом, на основании проведенных исследований составлена таблица научно обоснованной аналогии параметров транспортного (материального) потока и электрического тока (табл. 1).

Таблица 1 - Аналогии параметров транспортного (материального) потока и электрического тока

Электрический ток Транспортный (материальный) поток

1э - сила тока I- интенсивность материального потока: I = т—V /

и3 - напряжение 17- напряжение материального потока: и = т^\//±1)1

Лэ-сопротивление Л- сопротивление движению материального потока: л _В(.Г±1) 1 «V

Установленные аналогии позволяют в дальнейшем использовать предложенные аналогии для расчета сложных транспортных сетей.

Согласно новой предлагаемой концепции оценки параметров организации дорожного движения любую временную автомобильную стоянку можно рассматривать как специфическую часть общего дорожного движения, вне зависимости от того, являются ли они уличными или автономными (вне-уличными).

При отсутствии запрещающих знаков в городских условиях участники движения часто занимают для стоянки правый (околотротуарный) ряд. При этом общая интенсивность движения падает:

- при двухполосном движении - в 2 раза;

- при трехполосном - на 33%;

- при четырехполосном - на 25%.

Помимо снижения интенсивности движения автомобили, стоящие у тротуара, создают ряд неприятных моментов с точки зрения безопасности движения. Вместе с тем, полное запрещение околотротуарных стоянок в городе невозможно по специфике планировки и использования городов с центрами притяжения городского населения.

^^ центр ^^ притяжения

Г Л. =

А '

Рисунок 1 — Использование околотротуарной стоянки Установив 1Ш = дст ■ , причем скорость автомобилей в пределах стоянки лимитирована ПДД, а плотность дст может быть определена как:

где Ысм - число машиномест,

- среднее расстояние для выезда со стоянки на дорогу (улицу). С учетом вышеизложенного получено выражение для определения интенсивности транспортного потока на стоянке:

N -V

с т гу ' •• '

ст

откуда вместимость стоянки:

Л^ = 7"""= (/ -1ст)т, (7)

где Т - среднее время освобождения одного машиноместа на стоянке. Задано время движения автомобилей на стоянке т, которое зависит от особенностей назначения стоянки. Если стоянка обслуживает работников соседнего предприятия (организации), то г = 8 ч, при обслуживании торговых и зрелищных мероприятий тр = 2...3 ч, если же это платная стоянка для автомобилей соседних жилых домов, то г может достигать 24 ч. В этом случае максимальное количество машиномест можно определить по формуле:

(8)

т

Таким образом, получены основные соотношения параметров временной автомобильной стоянки, которые в дальнейшем будут использованы при более детальном исследовании автомобильных потоков.

В третьей главе диссертации обосновано применение элекгромодели-рования относительно параметров автомобильного транспортного потока. Решены задачи, связанные с организаций автомобильных стоянок, а также задачи по определению вместимости автомобильных стоянок.

Рассмотрен гипотетический материальный поток однонаправленного многорядного и многоуровневого движения объектов со средней скоростью у.

Исходные данные:

- средняя масса перемещаемых объектов - т, в нашем случае единичного автомобиля или другого транспортного средства;

- число рядов движения - к\

- число уровней движения (этажей) - р,

- число движущихся объектов в единице объема условного путепровода -п, а площадь его поперечного сечения - 5;

- количество транспортных объектов на контрольном участке длиной / будет - N.

В этом случае линейная плотность транспортного потока:

N

а объемная -

а для материального потока:

Чл= у,

N

тИ тЫ

Интенсивность материального потока:

/5

Отсюда после преобразований получено выражение:

(9)

Если движение (стоянка) организовано в одну линию (один ряд), то плотность движения определяется по формуле:

N

9.=у, (Ю)

где N - количество ТС на участке дорожного полотна длиной / и расположении в 1 ряд. При к• рядном движении выражение (10) примет вид:

кЫ

Если движение многоуровневое и многорядное, то

крЫ д=—

тогда

Ч=крЧа. (11)

Отсюда, проведена коррекция формулы для расчета интенсивности движения:

1 = ду

/Л. (12)

или для материального потока:

1я=ткрф. (13)

Полученное выражение хорошо интерпретировано для описания параметров стоянки (парковки) с установкой на ней автомобилей средней массой т, расположенных в к рядах на р этажах с плотностью установки в одном ряду <70 и средней скоростью маневрирования V.

Напряжение материального потока - работа по перемещению единичного транспортного средства из одной точки транспортного потока в другую. Если перемещаемая масса т, расстояние между точками I, а дорожные условия характеризуются величиной коэффициента сопротивления качения колеса Ц/ и уровнем подъема (+), уклона (-) дорожного полотна, то есть:

(14)

Исходя из формул (13) и (14), по аналогу с законом Ома можно найти величину сопротивления движению материального потока:

ткрц^

откуда для многорядного движения:

* = (15)

а для линейного однорядного движения:

К = (16)

Ч»V

В частности, аналогом силы электрического тока определена интенсивность транспортного (материального) потока

1 = тф>, (17)

где т- усредненная масса транспортного средства,

<7- плотность потока автомобилей на рассматриваемом участке дороги,

V - средняя скорость движения транспортного потока.

Кроме того, были определены аналоги электрического напряжения:

и = т^у/±1)1, (18)

где g- ускорение свободного падения,

у/- коэффициент сопротивления качению колеса в данных дорожных условиях,

г - показатель подъема (уклона) дороги на исследуемом участке длиной /. С учетом соотношений (9) и (10) по закону Ома легко определяется величина сопротивления данного дорожного участка:

Я -ОХШ. (19)

С учетом выражений (9), (10) и (11) легко реализуется аналог закона Ома для простых дорожных сетей:

и = Ш, (20)

и

однако закон Ома в форме (20) справедлив, если на рассматриваемом участке электрической цепи нет источников тока (ЭДС). Таким источником может быть генератор электрического тока, аккумулятор, гальванический элемент и др. В этом случае закон Ома записывается в виде:

т = и+Е, (21)

где Е- ЭДС источника.

В транспортном (материальном) потоке ЭДС может быть смоделирована некоторой концентрацией транспортных средств в виде стоянки (парковки) вместимостью , расположенной в начале исследуемого участка (рис. 2)

1=I.

V

•А

\ 1

Рисунок 2- Схема движения транспортных средств от стоянки

В качестве дополнительного источника движения транспортных средств рассмотрена стоянка с числом машиномест . Средняя скорость движения ТС по территории стоянки у„, а среднее расстояние для выезда со стоянки на дорогу (улицу) - /„. При непрерывной (круглосуточной ротации) интенсивность материального потока по стоянке, а, следовательно, при выезде с нее:

V

___ст

ст

а аналогом ЭДС в материальном потоке по выражению (21) при 17=0:

Е = 1 й , (22)

ст ст> V /

или с учетом того, что стоянки имеют горизонтальную поверхность / = 0 выражение примет вид:

Е = (23)

Чет

Таким образом, Е в материальном потоке определяется средней массой автомобилей на стоянке, качеством покрытия и плотностью автомобильного потока при выезде со стоянки.

Рассмотрен случай, когда улично-дорожная сеть отдельной части (или всего) города представлена сопротивлением Я (рис. 3).

V'

/_ I-1}—

А Л,/ В

Рисунок 3 — Схема условного проводника с сопротивлением Я Определено, что параллельно/? включена автомобильная парковка (стоянка) с внутренним сопротивлением Л,.

Суммарное сопротивление (сопротивление участка АВ) определяется из соотношения:

~ л я,'

Перепад напряжения в заданной сложной цепи: токи в каждой ветви цепи будут:

. и

- по магистрали / = —,

г и

- по стоянке I. = —.

' Я.

I

Сумма токов определяется по формуле:

/ + /,=/,.

Установлено, что вместимость стоянки - Имеется один въезд и один выезд (рис. 4). Разрешенная скорость движения по территории стоянки уст км/ч. Если общая длина стоянки , то максимальная плотность потока

на выезде определяется по формуле:

*

Расчетная (максимальная) интенсивность движения по территории стоянки:

Л. = Ч„ ' Ч. = "

При заданной интенсивности движения по «шунтируемой» магистрали I отношение примет вид:

1ст _ Д

I ~ к:

или

К. ' ^ Я Кт '

Если исходить из общего выражения при определении сопротивления участка дороги, то получено выражение:

ду

N

и применительно к стоянке / = 0, / = 2ст, у = у(т, д = ц п = —^, следовательно:

(24)

гДе Чс„ - плотность парковки на единицу ее длины.

В выражении (24- известные величины, а цст и заданы нормативами и Правилами дорожного движения (ПДЦ). Найдем соотношение:

я я,.

qvmglf/Z отсюда получено выражение:

Я

ст *

Имеем магистраль длиной I и известными параметрами у/, /. Пусть V -разрешенная скорость движения, I - номинальная предельная интенсивность движения, тогда - образовавшаяся избыточная интенсивность.

В этом случае избыточная интенсивность Д/ = /, - / должна быть отведена на перехватывающую стоянку, то есть должно быть обеспечено шунтирование участка дороги длиной 2а = , причем А1 = 1ст.

I —

1ПГ

1П ~ ст II

1

----- ------

Г' /

Рисунок 4 - Организация «перехватывающей» стоянки

При вместимости стоянки Л^ автомобилей и заданной (нормативной) скорости движения автомобилей в пределах стоянки у^,.

К, =

где максимальная плотность потока в пределах стоянки:

Таким образом, интенсивность транспортного потока на стоянке:

/ - у

сп ^ '

а общая вместимость автомобильной стоянки (парковки):

Параметр найден из следующих соображений. Участки движения дорога и стоянка параллельны друг другу, следовательно, интенсивности потоков в ветвях «дорога-стоянка» обратно пропорциональны сопротивлениям движению в них:

I в*.'

сделав необходимые математические преобразования:

/

Кг,

а вместимость стоянки определяется по формуле:

ст г»

Кт Кт

Таким образом, вместимость стоянки определяется интенсивностью движения по шунтируемому участку дороги /, длиной 2ст и скоростью Уся .

Найдено соотношение , зная, что Ят

для шунтируемого участка:

ду ЧV

Применительно к стоянке г = 0, / = ZIm, V = усл1, следовательно:

г,

'<„. --,

отсюда

а V

^ ст ст

Кт qvmg\f/Zcln сделав математические преобразования, получено выражение:

/.....=/-

дуі//

а вместимость стоянки определяется по формуле:

г (У + 0<7„Л,,

Чуу/

(25)

Таким образом, если стоянку считать участком, шунтирующим основную дорогу, то ее вместимость определяется выражением (25), которое показывает, что вместимость Л^ должна быть тем выше, чем больше интенсивность движения по основной магистрали I.

Электрическим аналогом схемы стоянки парка пассажирских перевозок (рис. 5) будет замкнутая цепь с имитацией стоянки в виде источника ЭДС.

Рисунок 5 - Электросхема, эквивалентная схеме организации движения

(25)

в парке пассажирских перевозок По закону Ома для замкнутых цепей получено выражение:

Е=1Яп

где = Л + - полное сопротивление цепи, состоящее из внешнего Л и внутреннего сопротивления источника ЭДС .

В четвертой главе диссертации проведено экспериментальное исследование улично- дорожной сети города Белгорода, разработаны мероприятия и рекомендаций по формированию системы парковок, выявлен характер дефицита парковочных мест в городе Белгороде в зависимости от дня недели, проведено экспериментальное обоснование пред лагаемого метода электромоделирования транспортных потоков.

С целью определения количества припаркованного автотранспорта вдоль улиц (на специально отведенных парковочных местах и за их пределами), а также на дворовых территориях и территориях организаций проводилось натурное обследование городской территории.

Для наглядности экспериментальных исследований ниже рассмотрен один из наиболее загруженных пешеходными и автомобильными потоками квартал в центральной деловой части города Белгорода (рис. 6).

ул. Преображенская

пр. Славы

Рисунок 6 - Географическое месторасположение квартала на территории г. Белгорода

Из рисунка видно, что квартал для более точного результата условно поделен на 4 участка, чтобы одновременно на всей территории квартала проводился подсчет припаркованных автомобилей.

Установлено, что максимальное количество припаркованных автомобилей наблюдается в понедельник, это связано с тем, что исследуемый квартал расположен в центральной деловой части города Белгорода, а начало недели характеризуется повышенной деловой активностью населения. Выявлено, что дефицит парковочных мест на момент проведения эксперимента в исследуемом квартале составил 124 машиноместа. Для сокращения времени простоев транспортных средств в связи с заторами на дорогах, снижения аварийности, улучшении экологии, увеличения пропускной способности разработаны мероприятия и даны соответствующие рекомендации.

В пятой главе диссертации проведен расчет экономической эффективности предлагаемых мероприятий. Определен годовой экономический эффект при использовании предложенной модели организации дорожного движения на всей исследуемой территории города.

На момент проведения исследования на перегоне улицы Князя Трубецкого при существующих условиях движения расход топлива в среднем за неделю составляет

620,8 литр/час, при использовании предлагаемой методики данный показатель составит 553,91 лтр/час (табл.2, рис.7). Снижение расхода топлива в среднем составит 10,8%. Таблица 2 - Средний расход топлива при существующих и оптимизированных усло-

Дни недели Средний расход топлива, литр/час

При существующих условиях организации дорожного движения При оптимизированных условиях организации дорожного движения

Понедельник 853,6 813,6

Вторник 852,8 767,6

Среда 814,8 687,2

Четверг 796,8 670

Пятница 594,2 535,6

Суббота 245 232,4

Воскресенье 188,4 171

Неделя 620,8 553,91

Наглядно положительный эффект отражает график изменения расхода топлива (рис.7). Согласно расходу топлива при существующем и оптимизированном плане организации движения наибольший положительный эффект достигается в среду и четверг.

814-8 796.8

813.6 767.6 N$94.2

\л45

188.4

232.4

Понедельник Вторник Среда Четверг Пятница Суббота Воскресенье Среднее зиаченне интенсивности ТС, ед./час

1 Рас хол топлива ппи еэтпесттлоптих условия* ппгашпаини лопожилго тнжения

—*— Ряс ЧОП ТОППНВа ппи оптииияиповянных условиях опг-яни-адпии ЛПППЖНПГП 'ТШГЖГННЯ

Рисунок 7 - График изменения расхода топлива при существующих и оптимизированных условиях движения на перегоне улицы Князя Трубецкого

Положительным эффектом от внедрения проведенной оптимизации будет являться годовая экономия топлива, рассчитанная в рублях для средней марки бензина АИ-92, стоимость литра которого на момент проведения расчета составляет 24,50 руб. Годовой экономический эффект определяется:

Эрод Этоп Сдц-92 К„Д (26)

где Этоп - экономия топлива, литр/час;

Сди-92-стоимость 1л бензина марки АИ-92, руб;

Кн - коэффициент неравномерности транспортного потока, 0,1.. .0,36;

Д- количество дней в году.

Согласно полученным данным в специализированном программном продукте ТИА^УТ - (табл.2), экономия топлива на перегоне улицы Князя Трубецкого будет составлять:

Этоп = 620,8-553,91 = 66,89 литр/час.

Годовой экономический эффект от внедрения оптимизированных способов стоянки автомобилей на рассматриваемом перегоне улицы будет равен: Эгод= 66,89-24,5 0,25-365 =149540,96 руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе разработанных теоретико-прикладных положений, научно-методических подходов и математических моделей решена важная научно-практическая задача повышения эффективности эксплуатации транспорта и уровня безопасности при организации дорожного движения в городах.

2. Разработаны научный базис применения основных законов электротехники в транспортных задачах и математическая модель определения характеристик автомобильных транспортных потоков в городе посредством аналогии фундаментальным электротехническим законам. Принцип электромоделирования транспортных потоков позволяет решать задачи организации дорожного движения, которые были недоступны при известных подходах.

3. Развитие теоретических подходов по определению общих концепций организации движения в диссертации позволило предложить новый принцип моделирования движения транспортных потоков, учитывающий не только характеристики транспортных потоков, но и свойства дорожного полотна, а также особенности технических средств организации дорожного движения.

4. На основе предложенных новых теоретических подходов разработана методика расчета емкости городской стоянки, обслуживающей M маршрутных пассажирских перевозок с учетом всех технологических особенностей: интенсивности материального потока на каждом маршруте, средней скорости движения автобуса, массы подвижного состава и режима работы транспорта на маршруте.

5. Выполненный анализ результатов экспериментальных исследований позволил:

• предложил, мероприятия и рекомендации по формированию системы парковок;

• установить характер дефицита парковочных мест в г. Белгороде в зависимости от дня недели;

• разработать научно-методические основы и обоснование предлагаемого метода электромоделирования транспортных потоков.

6. Научная, практическая и экономическая значимость и достоверность полученных результатов в диссертации подтверждены при использовании их в практической деятельности на улично-дорожной сети города Белгорода и в учебном процессе Белгородского ГТУ им. В.Г. Шухова при подготовке инженеров специальности «Организация и безопасность движения». В соответствии с диссертационными разработками возможно получение годового экономического эффекта более 100 млн. рублей в год от внедрения предлагаемых мероприятий на территории г. Белгорода.

Основные положения диссертации опубликованы:

Научные статьи в изданиях из перечня ВАК России

1. Кущенко СВ. Расчет коэффициента трения заблокированного автомобильного колеса/АЛ Щугов, ДА. Лазарев//Автомобильная промышленность. - 2010. № 6. - С. 17-19.

2. Кущенко СВ. Возможный принцип моделирования транспортных потоков и прилегающих к проезжей части автомобильных стоянок / АЛ. Шутов, НА.Загородний // Мир транспорта и технологических машин. - 2012. № 1. - С.88-94

3. Кущенко C.B. Решение проблемы дефицита парковочных мест в городе / А.И. Шутов, П.А. Воля // Автомобильная промышленность. - 2012. № 6.

Научные статьи

4.Кущенко C.B. Определение тангенциальной жесткости автомобильного колеса / А.И. Шутов, С.Н. Глаголев, H.A. Загородний, C.B. Кущенко // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России (МНТК, 2008): сб. научн. тр. / ПГУАС. - Пенза, 2008. - Ч. 2. - С. 297-301.

5.Кущенко C.B. Реальная скорость транспортного средства при качении эластичного колеса / А.И. Шутов, С.Н. Глаголев, H.A. Загородний, C.B. Кущенко // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России (МНТК, 2008): сб. научн. тр. / ПГУАС. - Пенза, 2008. - Ч. 2. - С. 301-305.

6. Кущенко C.B. Уточнение реальной скорости движения автомобиля / А.И. Шутов, H.A. Загородний, C.B. Кущенко // Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения (МНТК, 2009 к 30-летию автодорожного факультета): сб. науч. трУ Пермь, 2009. — Т.-1. - С. 111-116.

7.Кущенко C.B. Задачи систем управления горнотранспортным комплексом / А.И. Шутов, H.A. Загородний, C.B. Кущенко // Проблемы инновационного биосферно- совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: 2-я международная научно-практическая конференция / Брянская государственная инженерно-технологическая академия - Брянск, 2010.

8.Кущенко C.B. Проблемы развития карьерного автомобильного транспорта / А.И. Шутов, H.A. Загородний, C.B. Кущенко // Современные проблемы машиностроения: 5-я международная научно-техническая конференция / Национальный исследовательский Томский политехнический университет - Томск, 2010.

9.Kushchenko S.V. Technical means of vehicles parking control / A.I. Shutov, PA. Volya, Kushchenko S.V. // Студентство. Наука. Іноземна мова: международная научно-техническая конференция / Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет - Харьков, 2012.

10. Kushchenko S.V. The traffic flows and adjacent to the roadway car parks modelling principle / A.I. Shutov, P.A. Volya, Kushchenko S.V. // Студентство. Наука. Іноземна мова: международная научно-техническая конференция / Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет - Харьков, 2012.

Кущенко Сергей Викторович

Повышение эффективности организации движения на основе моделирования транспортных потоков

Автореферат

Подписано в печать 05.04.2012 г. Формат 60x84/16

Усл. п. л. 1.0 Тираж 100_Заказ № _

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Отпечатано в издательстве Белгородского государственного технологическо' го университета им. В.Г.Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

61 12-5/3311

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.Г. ШУХОВА»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

Специальность 05.22Л0 - Эксплуатация автомобильного транспорта

На п]

Кущенко Сергей Викторович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.И. Шутов

Белгород 2012

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

1 Общие сведения об организации движения в городах.....................................6

1.1 Мероприятия по организации движения в мире........................................6

1.2 Методы и средства регулирования дорожного движения.........................9

1.3 Организации движения в крупных городах мира....................................12

1.4 Моделирование транспортных потоков....................................................26

1.4.1 Общий подход к созданию модели транспортного потока..............26

1.4.2 Развитие теории моделирования транспортных потоков.................27

1.4.3 Классификация моделей транспортного потока................................29

1.5 Экспериментальные методы исследования дорожного движения.........31

1.6 Интенсивность транспортного потока......................................................33

1.7 Выводы, цель и задачи исследования........................................................36

2 Общая концепция изучения организации дорожного движения..................40

2.1 Общефизический подход............................................................................40

2.2 Принцип моделирования автомобильных транспортных потоков

на основе электромоделирования....................................................................42

2.3 Временные автомобильные стоянки.........................................................45

2.4 Выводы по главе..........................................................................................48

3 Математическая модель транспортных потоков............................................49

3.1 Общие соотношения параметров материального (транспортного)

потока..................................................................................................................49

3.2 Дополнительные сведения к моделированию транспортных

потоков................................................................................................................51

3.3 Соотношение параметров стоянок (парковок) и транспортных потоков................................................................................................................55

3.4 Применение закона Ома к организации автомобильных стоянок..........59

3.5 Частные случаи расчета вместимости временных стоянок....................63

3.6 Пассажирские перевозки из единого гаражного хозяйства....................67

3.7 Выводы по главе..........................................................................................72

4 Экспериментальные исследования улично-дорожной сети города Белгорода, разработка мероприятий и рекомендаций по формированию системы парковок..................................................................................................73

4.1 Общий подход к проведению экспериментальных исследований.........73

4.2 Методика проведения эксперимента.........................................................74

4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований.........................76

4.4 Разработка мероприятий и рекомендаций по формированию системы парковок...............................................................................................................80

4.5 Экспериментальное обоснование электромоделирования транспортных потоков.....................................................................................83

4.6 Выводы по главе..........................................................................................85

5 Расчет экономической эффективности предлагаемых мероприятий...........86

5.1 Определение экономии топлива на перегоне улицы Николая Чумичова............................................................................................................86

5.2 Определение экономии топлива на перегоне улицы

Преображенской................................................................................................88

5.3 Определение экономии топлива на перегоне улицы Князя Трубецкого.........................................................................................................90

5.4 Определение экономии топлива на перегоне проспекта Славы.............91

5.5 Выводы по главе..........................................................................................95

Общие выводы.......................................................................................................96

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................98

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................111

Приложение А.....................................................................................................112

Приложение Б Акт внедрения мероприятий и рекомендаций.......................132

Приложение В Справка о практической реализации результатов НИР........134

Введение

Рост автомобильного парка и увеличение объема перевозок приводит к увеличению интенсивности движения, что в условиях городов с исторически сложившейся застройкой приводит к возникновению транспортной проблемы. Особенно остро она проявляется в тех пунктах улично-дорожной сети (УДС), где есть пересечение крупных транспортных магистралей и карьерах. Здесь увеличиваются транспортные задержки, образуются очереди и заторы, что вызывает снижение скорости сообщения, неоправданный перерасход топлива и повышенное изнашивание узлов и агрегатов транспортных средств, а также ухудшается экологическая ситуация данного участка дороги. Благодаря процессу автомобилизации теряются границы городов. Городское население все активнее переселяется в пригород, превращая эту часть территории в продолжение города. Поэтому транспортная доступность рекреационных зон вынуждает рассматривать улично-дорожные сети города и пригорода, как единую транспортную инфраструктуру, обеспечивающую жизнь «большого города». Такие агломерации с населением более 10 млн. человек получили название «мегаполисы» [1,3,6].

В настоящее время в крупнейших городах мира установился следующий уровень автомобилизации населения (число автомобилей на 1 ООО жителей): Люксембург - 785, США - 777 (в некоторых штатах более 1000), Австралия - 640, Австрия - 630. Бельгия - 580, Германия - 620, Польша - 515, Финляндия - 500, Франция - 590, Швейцария - 600, Швеция - 514. Россия - в среднем по стране 233, Москва - более 400, Белгород - 355 [7, 21].

Переменный режим движения, частые остановки и скопления автомобилей на перекрестках являются причинами повышенного загрязнения воздушного бассейна города продуктами неполного сгорания топлива [5].

Рост автомобилизации приводит к появлению плотных транспортных потоков (ТП) на городских магистралях, усложнению организации дорожно-

го движения и повышению негативных последствий - аварийности, стоимости перевозок, повышения загрязнения окружающей среды, шума, и т.д. [4,8].

На сегодняшний день существует ряд методик прогнозирования снижения эффективности УДС, а так же ряд моделей для выведения ситуации из критической и повышения скорости и пропускной способности на УДС городов. Однако последние методики связаны либо с теорией массового обслуживания либо с имитацией потоков жидкости. Теория массового обслуживания крайне сложна и требует огромного количество входных данных, а они очень быстро меняются, и переработка схемы УДС, режимов регулирования зачастую не успевает за прогрессом. Теории же основанные на истечении жидкостей устарели с преобразованием автопарка в скоростные и динамичные автомобили. Жидкости двигаются слоями и чем ближе к краям трубы (проезжей части) тем медленнее, - сегодня это не так. Назревшая транспортная проблема требует поиска принципиально новых подходов.

Таким образом, исследования в области организации дорожного движения в городах можно вполне считать актуальными и имеющими высокую практическую значимость.

1 Общие сведения об организации движения в городах

1.1 Мероприятия по организации движения в мире

Рост интенсивности транспортных и пешеходных потоков непосредственно сказывается также на безопасности дорожного движения. Свыше 70 % всех дорожно-транспортных происшествий (ДТП) приходится на города и другие населенные пункты. При этом на перекрестках, занимающих незначительную часть территории города, концентрируется почти 20% всех ДТП [1,26].

Обеспечение быстрого и безопасного движения в современных городах требует применения комплекса мероприятий архитектурно-планировочного и организационного характера.

К числу архитектурно-планировочных мероприятий относятся строительство новых и реконструкция существующих улиц, проездов и магистралей (например, расширение проезжей части, строительство надземных и подземных пешеходных переходов), строительство транспортных пересечений в разных уровнях («развязок»), объездных дорог вокруг городов для отвода транзитных транспортных потоков и т.д.

Организационные мероприятия способствуют упорядочению движения на уже существующей (сложившейся) улично-дорожной сети [4].

К числу таких мероприятий относятся введение одностороннего движения и кругового движения на перекрестках, организация пешеходных переходов и пешеходных зон, автомобильных стоянок, остановок общественного транспорта и др.

В то время как реализация мероприятий архитектурно-планировочного характера требует, помимо значительных капиталовложений, довольно большого периода времени, организационные мероприятия способны привести хотя и к временному, но сравнительно быстрому эффекту. В ряде случаев организационные мероприятия выступают в роли единственного средства для решения транспортной проблемы. Речь идет об организации движе-

ния в исторически сложившихся кварталах старых городов, которые часто являются памятниками архитектуры и не подлежат реконструкции. Кроме того, развитие улично-дорожной сети нередко связано с ликвидацией зеленых насаждений, что не всегда является целесообразным [54].

При реализации мероприятий по организации дорожного движения особая роль принадлежит внедрению технических средств: дорожных знаков и дорожной разметки, средств светофорного регулирования, дорожных ограждений и направляющих устройств. При этом светофорное регулирование является одним из основных средств обеспечения безопасности движения на перекрестках. Количество перекрестков, оборудованных светофорами, в крупнейших городах мира с высоким уровнем автомобилизации непрерывно возрастает и достигает в некоторых случаях соотношения: один светофорный объект на 1,5 - 2 тыс. жителей города. За последние годы в нашей стране и за рубежом интенсивно ведутся работы по созданию сложных автоматизированных систем с применением управляющих компьютеров, средств автоматики, телемеханики, диспетчерской связи и телевидения для управления движением в масштабах крупного района или целого города. Опыт эксплуатации таких систем убедительно свидетельствует об их эффективности в решении транспортной проблемы.

Первая установка для регулирования дорожного движении была разработана английской фирмой, выпускавшей железнодорожные семафоры, и установлена и центре Лондона в 1868 г. Она представляла собой устройство семафорного типа, управляемое при помощи системы приводных ремней. Через короткое время установка вышла из строя и в течение последующих 50 лет практически не было предпринято никаких попыток повторения такого опыта [42].

Лишь в 1914 году в городе Кливленде Соединенных Штатов Америки (США), а затем в Нью-Йорке и Чикаго появились первые электрические светофоры. Сначала они имели только два сигнала - красный и зеленый; желтый сигнал заменялся предупредительным свистком полицейского. К 1930 году

относится появление в Нью-Йорке трехцветных светофоров. В Москве и Санкт-Петербурге первые светофоры появились в 1930 году. Примерно в это же время в ряде стран была предпринята попытка использования стрелочных светофоров. Их единственная секция была оснащена цветными стеклами -секторами, на которые попеременно указывала стрелка, движущаяся с постоянной угловой скоростью. При подобной системе было трудно распознать сигналы из-за плохой различимости стрелки и одновременного свечения в одном направлении всех трех разноименных сигналов. Такие светофоры в силу несовершенства их конструкции были вытеснены трехцветными светофорами современного типа, которые в практике организации дорожного движения быстро получили повсеместное распространение.

Применение электрических светофоров позволило вынести пульт управления сигналами за пределы проезжей части и значительно облегчить труд регулировщиков. Однако управление работой этих светофоров по-прежнему осуществлялось вручную. Рост интенсивности движения привел к быстрому увеличению числа перекрестков улично-дорожной сети, нуждающихся в оснащении светофорами. Это, в свою очередь, привело к увеличению штата регулировщиков, занятых ранее контролированием соблюдения установленных правил движения. Поэтому естественным был дальнейший переход процесса механизации труда регулировщиков в процесс его автоматизации [2, 3].

В начале 20-х годов прошлого столетия появились устройства автоматического переключения сигналов светофоров - контроллеры, применение которых в настоящее время практически вытеснило ручное регулирование. Контроллеры работали по жесткой временной программе, характеризуемой постоянной длительностью сигналов светофора и не зависящей от интенсивности движения транспортных средств. Таким образом, программа являлась оптимальной лишь для относительно небольшого промежутка времени в течение суток (обычно для часа пик). В остальное же время сигнализация вызывала необоснованные задержки участников движения [53,54].

Краткий обзор раздела 1.1 показывает, что в вопросах организации движения нельзя возлагать надежды на отдельные мероприятия технического и организационного характера, а необходим комплексный и системный подход к решению этой задачи.

1.2 Методы и средства регулирования дорожного движения

Увеличение гибкости регулирования развивается по двум направлениям: создание многопрограммных контроллеров и разработка систем адаптивного регулирования, способных изменять длительность сигналов в зависимости от колебаний интенсивности движения в данный момент времени. Первые попытки создания систем адаптивного регулирования относятся к концу второго десятилетия XX в. В 1928 году в Нью-Йорке вводится в действие первое автоматическое устройство регулирования дорожного движения, оборудованное датчиками педального типа для регистрации транспортных средств. Длительность сигналов светофора распределялась в соответствии с фактической интенсивностью движения на подходах к перекрестку. В 1929 году в Лос-Анджелесе были установлены первые светофоры с вызывным устройством для пешеходов. В Москве подобные светофоры также испыты-вались в довоенные годы: на ул. Петровке - для регулирования транспортных потоков, на ул. Солянке и в других местах - для пропуска пешеходов [7,22].

60-е годы прошедшего столетия положили начало использованию электронных контроллеров и счетно-решающих устройств для управления работой светофоров. В эти же годы начались разработка и внедрение магистральных и общегородских систем управления дорожным движением с использованием компьютеров, получивших в настоящее время самое широкое распространение.

Наряду с развитием средств светофорного регулирования совершенствовались дорожные знаки и дорожная разметка. С ростом интенсивности движения увеличивалось число знаков и видов разметки, изменялись условия

их применения, конструкция, технология производства и используемые материалы. В настоящее время получили распространение знаки со световоз-врашающей поверхностью. Наряду с традиционной белой эмалью, используемой в течение длительного времени для дорожной разметки, широко применяются различные виды термопластиков, которые позволили значительно увеличить ее долговечность.

В 1926 году в СССР были разработаны первые технические условия на дорожные знаки (только предупреждающие), ас 1935 года на дорогах нашей страны стала применяться разметка проезжей части [1,2,4,5].

Рост международных перевозок и туризма привел к необходимости упорядочения правил движения, дорожных знаков и разметки в международном масштабе. В 1909 году на 1-й Международной конференции по дорожному движению в Париже было решено запрещать обозначение опасных мест щитами, по форме соответствующими указателям: рекомендовано устанавливать знаки за 250м от опасного участка под прямым утлом к направлению дороги, а не параллельно ей, как это было принято раньше во многих странах. На конференции были утверждены всего четыре предупреждающих знака - «Извилистая дорога», «Неровная дорога», «Пересечение с железной дорогой» и «Пересечение дорог». Вопросы о форме и цвете знаков остались нерешенными. В 1926 году на Международной конференции, созванной под эгидой Лиги Наций, были утверждены еще два знака: «Неохраняемый железнодорожный переезд» и «Остановка обязательна». В последующие годы число унифицированных в международ�