автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Стадийное повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог в системе автоматизированного проектирования

Введение.

1. Состояние проблемы стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог в системе автоматизированного проектирования.

1.1. Характеристика дорожно-транспортной сети лесопромышленного комплекса.

1.2. Современный уровень развития системы автоматизированного проектирования автомобильных лесовозных дорог.

1.3. Формирование критериев оценки транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог в системах автоматизированного проектирования.

1.4. Проблемы повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог.

1.5. Цель и задачи исследования.

1.6. Выводы.

2. Основы моделирования при автоматизированном проектировании дорог подсистемы "дорога - автомобиль - водитель".

2.1. Обобщение характеристик подсистемы дорога-автомобиль-двигатель" для системы автоматизированного проектирования.

2. 1.1. Типичные режимы движения.

2.1.2. Учет ровности и шероховатости покрытия в тяговых расчетах

2.1.3. Особенности расчетов при проектировании дорог показателей движения с использованием единых относительных характеристик автомобильных двигателей.

2.1.4. Расчет расхода топлива в проектах лесовозных автомобильных дорог.

2.1.5. Расчет показателей токсичности при проектировании дорог.

2.2. Движение на подъемах, характеристики режима тягового усилия.

2.3. Движение на спусках, характеристики режимов движения.

2.4. Решение уравнения движения автомобиля.

2.5. Особенности расчета скорости на ЭВМ при проектировании трассы дороги.

2.5.1. Расчет начальных значений скорости.

2.5.2. Методика расчета скорости на ЭВМ.

2.5.3. Ограничение скорости дорожными условиями.

2.6. Плотность распределения скорости свободного движения автомобиля.

2.7. Влияние дорожных условий на дисперсию скорости.

2.8. Выводы.

3, Теоретические основы моделирования в САПР-АЛД подсистемы "дорогатранспортные потоки".

3.1. Цель и задачи моделирования.

3.2. Вероятностные характеристики движения отдельного автомобиля в потоке.

3.3. Движение нескольких скоростных групп автомобилей по однополосной дороге без обгона.

3.4. Усовершенствования методики состояния дифференциальных уравнений с использованием процессов Маркова.

3.5. Выводы.НО

4. Стратегия стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог.

4.1. Математическое представление экономических показателей эксплуатационной эффективности автомобильных лесовозных дорог.

4.2. Методика формирования исходных данных для повышения экономических показателей эксплуатационного уровня автомобильных лесовозных дорог.

4.2.1. Общие положения.

4.2.2. Определение затрат на дорожно-строительные работы.

4.2.3. Методика определения перспективной интенсивности движения.

4.2.4. Определение дорожно-эксплуатационных расходов.

4.2.5. Определение скорости движения лесовозных автопоездов.

4.3. Влияние дисперсии скорости лесовозных автопоездов на эффективность их работы.

4.4. Исследование влияния продольного уклона на дисперсию скорости.

4.5. Обоснование стратегии стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных лесовозных дорог.

4.6. Выводы.

Актуальность темы. Дорожное хозяйство лесного комплекса России в настоящее время находится на сложном этапе развития, когда от преимущественного строительства новых лесовозных автомобильных дорог центр тяжести постепенно и неуклонно переходит к эксплуатации дорог, стадийному повышению их транспортно-эксплуатационных качеств. На первое место выдвигаются задачи повышения скорости, удобства и безопасности движения, инженерного оборудования и обустройства, архитектурно-эстетического оформления, снижения воздействия транспортных средств и дороги на окружающую среду и другие задачи, составляющие комплекс транспортно-эксплуатационных качеств дорог в сложной территориальной системе «водитель-автомобиль-дорога-природная среда» (ВАДС).

Вопросы стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог являются актуальными в течение многих лет. Последнее вызвано тем, что дорожное строительство весьма капиталоемко и возведение объектов на дальнюю перспективу требует значительных единовременных затрат. Это обуславливает необходимость использования научных подходов к решению задач составной части автоматизированного проектирования - имитационной подсистемы, позволяющей видеть дорогу в действии, прогнозировать комплекс транспортно-эксплуатационных качеств дороги в процессе проектирования по результатам моделирования на ЭВМ движения автомобилей и автомобильных потоков. При этом ЭВМ выступает в роли полигона для испытания проектируемой дороги.

Тема диссертации посвящена проблеме стадийного повышения транс-портно-эксплуатационных качеств дорог в системе автоматизированного проектирования (САПР АЛД).

Целью работы является разработка метода оценки проектных решений автомобильных дорог на основе имитации процесса их функционирования путем комплексного моделирования движения автомобилей и автомобильных потоков, алгоритмически-программная реализация и внедрение этого метода в развивающиеся САПР-АЛД для повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог.

Объектами исследований являлись процессы взаимодействия автомобилей, автопоездов и транспортных потоков с дорогой и взаимосвязей между ними в системах автоматизированного проектирования. При решении поставленных задач применялись следующие основные методы: формализация и имитационное моделирование процессов взаимодействия автомобилей, автопоездов и транспортных потоков с дорогой, методы вычислительной математики, теория вероятности, теория оптимального управления.

Новизна полученных результатов. Научной новизной обладают: разработанный способ моделирования движения транспортного потока и составления дифференциальных уравнений движения поездов в потоке, основанный на использовании процессов Маркова, позволяющий выделить основные уравнения, решение которых обеспечивает полученные вероятности р(У) и плотности А(б), ф](5) и ф(5); принцип направленного поиска оптимального варианта повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог, основанный на принципах динамического программирования и реализованный графическим методом с использованием сетки "состояние-времени"; методика стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог с апробацией ее на конкретных дорогах 2 и 3 районах лесозаготовок.

Значимость для науки заключается в определении транспортно-эксплуатационных качеств комплексом показателей имитационного моделирования процесса функционирования дороги, включающих технико-экономические, энергетические, экологические; установлении закономерности изменения вдоль дороги с учетом всех ее параметров и по направлениям, включая распределения скорости как отдельных автомобилей, так и всего потока, распределения интервалов, вероятностей возможности обгона, вероятности свободного движения, плотностей потоков, дисперсий скорости и других показателей, формирующих режимы транспортных потоков; в разработке математического, методического, программного и информационного обеспечений подсистем моделирования в САПР-АЛД процесса функционирования дороги; разработке структурных моделей оптимизации стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог от пропускной способности как функции от плана трассы, продольного уклона, природно-климатических факторов и провозной способности как функций от типа покрытия дорожной одежды, ее прочности и обеспечения экологической безопасности.

Практическая ценность работы состоит в улучшении качества проектных решений дорог, обеспеченном разработкой и внедрением в развивающиеся САПР-АЛД алгоритмов и программ моделирования процессов функционирования дороги. Перспективен для практики проектных организаций метод оптимизации проектных решений по комплексу показателей с направленным поиском оптимального варианта, основанный на гармоничном сочетании обобщенных характеристик дороги.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Концепция комплексной оценки стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог, рассматривающая их с учетом всех существенных компонентов объекта исследований и взаимосвязей между ними в САПР-АЛД.

2. Модифицированные алгоритмические программные методы исследования основных транспортно-эксплуатационных характеристик дорог, включающих технико-экономические, энергетические и экологические показатели.

3. Экономико-математическое обоснование стадийного повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог.

4. Алгоритмы и программы, реализующие методы оценки проектных решений по показателям комплексного моделирования, имитирующего процесс функционирования дороги.

Достоверность полученных результатов обеспечена проведением системного анализа проблемы и применением математических, теоретических и экспериментальных методов исследований; применением методов математической статистики при обосновании числа экспериментов и обработке их материалов; установлением структуры и окончательных видов расчетных формул путем использования обобщенных имитационных экспериментов.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований по этапам докладывались, обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ВГЛТА (1995-2002 гг.), на международной научно-практической конференции в Йошкар-Оле (2001 г.).

Реализация работы. Разработанные программные средства автоматизированного проектирования повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорог были внедрены в Центре дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (г, Воронеж), Коми республиканском дорожном департаменте (г. Сыктывкар) и переданы для использования в научно-исследовательской и учебной работах кафедре транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе в монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и 7 приложений. Основное содержание работы изложено на 237 страницах машинописного текста, иллюстрировано 39 рис. и 29 табл.

Выводы

Показатели транспортно-эксплуатационных качества АЛД в значительной степени зависят от природно-производственных и климатических условий, в которых они эксплуатируются. В этом отношении 7-ой район лесозаготовок (Кавказ) занимает особое место, как по сложности дорожной трассы, так и по высоте над уровнем моря. Большое значение в связи с этим приобрел вопрос обеспечения качества автомобильных лесовозных дорог как с позиции повышения безопасности движения, так и повышения эффективности их использования. Скорости движения лесовозных автопоездов в потоке на автомобильных дорогах в указанном районе в среднем на 25-30% ниже, а минимально безопасные интервалы между лесовозными автопоездами в среднем на 15%) больше, чем на дорогах в 1 и 2 районах лесозаготовок.

Исследования транспортно-эксплуатационных качеств АЛД позволили установить степень влияния условий эксплуатации на диапазон потенциальных их свойств, определяющий их производительность; сделать заключение о том, в какой мере этот диапазон отвечает требованиям

182 дорожных и климатических условии и по оценке предельного состояния конструкций, выявить зоны граничных условий.

Предложены измерители и коэффициенты приведения для ряда критериев дорожных и климатических условий и примеры практического их применения, которые подтверждают целесообразность такого подхода к оценке эксплуатационных условий.