5.12 Оптимизация транспортных потоков при эксплуатации улично-дорожной сети
Микрин В.И., Тихомиров А.Н. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
Описывается методика и результаты эксперимента по оценке взаимодействия транспортных потоков и городской транспортной сети. Выявлен ряд факторов, влияющих на расход топлива транспортным потоком. Предлагаемая система расчета и разработанные инструменты контроля улично-дорожной сети позволяют оптимизировать движение с учетом всех элементов сети, транспортных средств и пешеходов на транспортных узлах и участках дорог.
The experimental technique and results on the estimation of the interaction between the traffic flow and road network of settlements are begin described. A number of factors affecting traffic fuel consumption have been brought out. An offered system of analysis and developed instruments for the road network control allow to get traffic flow optimization faking into account all elements of the network, transport facilities and pedestrians at road junctions and sections.
Большое влияние на окружающие город территории и городскую среду оказывают транспортные потоки и, в частности, их организация. Существующие методы прогнозирования уровня загрязнения воздуха вредными веществами в виде оценки максимально-разовых или среднесуточных концентраций примесей основаны на том, что автотранспорт рассматривается как площадочный источник загрязнения, равномерно распределенный по площади территории [1, 2]. Данный подход не может достаточно корректно описывать выбросы вредных веществ на отдельных участках транспортной сети. Как показали наши эксперименты, экологическое загрязнение распределено неравномерно не только в различных частях города, но и на отдельных элементах улично-дорожной сети.
Большинство современных подходов к решению проблем экономичности движения транспортных средств и экологической безопасности характеризуются смещением акцента на макроуровень, когда анализируются динамические и энерго-экологические характеристики не отдельного автомобиля, а автотранспортного потока [3, 4].
Работа двигателя автомобиля, а значит и расход топлива, зависит от ряда факторов. Различия в настройках двигателя, трансмиссии транспортных средств значительно усложняют исследования расхода топлива двигателем на определенном участке.
Для решения этой проблемы был разработан автомобильный компьютерный комплекс, включающий в себя систему датчиков, компьютер, монитор и мобильное распечатывающее устройство, подключаемый напрямую к узлам диагностики транспортного средства и способный в реальном времени выводить параметры движения. Из-за ограниченности объема статьи мы вынуждены описание данного комплекса изложить в другой работе, предложенной нами дополнительно в данный сборник.
Кроме учета работы двигателя, необходимо провести оценку существующих моделей транспортного потока [5].
Модель, на которой была построена примененная нами методика, строилась на выделении из улично-дорожной сети города набора однотипных по общим характеристикам элементов, являющимися основными и связующими. Для их описания использовали:
Блок участка дороги или перегон. Движение транспортных средств на этом участке проходит без остановок со скоростью vср. Скорость зависит от интенсивности на участке. Расход топлива зависит от фазы движения потока и скорости движения в этой фазе. Для анализа и моделирования динамики транспортного потока на этом элементе была принята модель следования за лидером.
Блок с поворотным движением или блок c ограниченным движением. Этот блок характеризуется снижением скорости движения и возможным возникновением задержки движения при выполнение маневра. В зависимости от величины угла поворота определяющим фактором становится скорость потока.
Узел или блок с преградой движения. Узел определяется наличием остановки транспортного средства перед преградой. Преграду может составлять светофор, нерегулируемый перекресток, пешеходный переход.
4. Блок остановки или приемник транспортных средств. Узел описывает стоянки транспортных средств во время прогрева двигателя, задержки во время парковки или разгрузки транспортного средства.
Анализ моделей свидетельствует о том, что:
скорость движения автомобилей с интенсивностью, меньшей нормативной, не зависит от соседних автомобилей и ограничивается только правилами дорожного движения. В фазе свободного движения габариты транспортных средств не влияют на зависимость интенсивности от плотности потока;
при увеличении интенсивности движения поток переходит в фазу «синхронизированного потока». Фаза характеризуется потерей водителями возможности свободно маневрировать и скорость транспортных средств согласовывается со скоростью потока. Для фазы синхронизированного потока характерна возможность установления максимальной пропускной способности дороги;
в городских условиях при наличии большого количества регулируемых и нерегулируемых пересечений может наблюдаться фаза «широких перемещающихся пробок». Эта фаза характерна для транспортной сети, имеющей короткие пробеговые участки между узлами транспортной сети;
при сокращении расстояния между транспортными средствами наступает фаза потока «Старт-Стоп движение». При большом скоплении автомобилей движение потока приобретает прерывистый характер. На этой стадии транспортный поток можно уподобить потоку замерзающей воды, автомобиль становится на какой-то промежуток времени как бы «приклеенным» к данной точке дороги. Эта фаза характеризуется низкой средней скоростью движения;
Для проведения испытаний были выбраны 3 участка дороги в черте г. Брянска с 2-х, 3-х, 4-х полосным движением, длиной 2 км без затяжных продольных уклонов более 10 промилле. Испытания проводились в двух направлениях поочередно. На каждом участке было проведено по три заезда для каждого эксперимента.
По результатам испытаний построен график и определено уравнение регрессии с коэффициентом детерминации R2 = 0.879 (рисунок 1),
Полученные результаты в целом показали, что:
при медленном движении автомобиля (15-20 км/ч), ему на ровной дороге препятствует только сопротивление качению, обусловленное главным образом деформацией шины и дороги. Поэтому при низких скоростях имеют место высокие уровни расхода топлива;
с ростом скорости пропорционально ее квадрату увеличивается и воздушное сопротивление движению; расход бензина на преодоление этого сопротивления, как и требуемая мощность, увеличивается пропорционально кубу скорости. При скорости 50 км/ч для автомобиля без багажника на крыше сопротивление воздуха не превышает 20 % общего сопротивления движению;
в реальных условиях на автомобильной дороге на автомобиль воздействуют различные факторы: продольный профиль дороги, поперечный профиль, ветер, что вносит определенную погрешность в замеры.
Рисунок 1 – Модель расхода топлива при движении в фазе «Свободного потока»
и в фазе «синхронизированного движения»
Движение транспортного средства в фазах, отличных от фазы свободного движения, характеризуется зависимостью скорости движения транспортного средства от впереди идущих участников транспортных средств. В синхронизированном потоке имеет место частое изменение скорости и большое количество торможений и разгонов с большой величиной изменения скорости.
По результатам всех испытаний был построен обобщающий график и получено уравнение регрессии (рисунок 2).
Различия в расходе топлива для аналогичных скоростей равномерного движения объясняются в первую очередь различиями в динамике движения транспортного средства.
При равномерном движении автомобиль значительно меньше производит резкие торможения и разгоны по сравнению с синхронизированным потоком. Для наглядного выражения этого предположения данные для одного участка и различных фаз потока были проанализированы и оформлены в виде графика.
Анализ графика позволяет сделать следующие выводы:
динамика движения в фазе равномерного движения имеет большую частоту по сравнению с остальными фазами;
частота динамики движения уменьшается с возрастанием плотности движения и уменьшением скорости движения;
амплитуда колебания растет обратно пропорционально плотности движения.
Рисунок 2 –Динамика движения в различных фазах потока (на графике приведены