3. Пропускная способность улично-дорожной сети и поперечный профиль городской улицы

Обеспечение высоких скоростей, удобства и безопасности движения транспортных средств является целью и главной задачей системы управления движением на городских магистралях.

Транспортный процесс рассматривается как совокупность (система) четырех элементов (рис.4). Элементов порождающих движение: водитель (В), автомобиль (А); элемента, обеспечивающего движение: дорога (Д); и элемента, влияющего на условия движения (дорожные условия): среда (С).

Рис. 4. Схема взаимодействия элементов комплекса ВАДС

Элементы, порождающие движение на дороге: водитель и автомобиль, реализуют свое перемещение из исходного пункта в пункт назначения. Эти пункты совпадают, так как водитель и автомобиль могут образовать совокупность элементов (систему) только при их объединении. Их объединение или разединение происходит на стоянке автомобиля (в гараже). В процессе движения эти элементы не могут быть разъединены и, как бы, представляют собой единое целое: водитель – автомобиль (ВА). Конечно, ведущая роль в этом симбиозе принадлежит водителю. От его желаний и поведения зависит их выживание в целом. То есть, водитель стремиться одновременно, минимизировать вероятность появления ущерба и для водителя и для автомобиля.

Выбор водителем скорости движения по трассе и выбор маневров зависит от свойств элемента Д (дорога) в системе ВАДС (см. рис. 4). То есть, от ее технических параметров: продольных и поперечных уклонов, ширины покрытия и ширины земляного полотна, радиусов закруглений в плане и в профиле, расстояния видимости водителем поверхности дороги и встречного автомобиля, ровности и скользкости покрытия. Информацию об этих параметрах водитель получает непосредственно на дороге путем субъективных ощущений через положение автомобиля на дороге и визуального наблюдения качественных характеристик параметров. Предупреждающие дорожные знаки, например, уклон 10 %, сужение дороги, крутой поворот, ограничение расстояния видимости, неровная дорога, скользкое покрытие и, наконец, ограничение скорости служат для уточнения субъективных ощущений водителя.

Выбор водителем скорости и маневров движения по трассе зависят также от наличия на этой трассе иных движущихся транспортных средств. При этом поведение отдельной системы ВА (выбор скорости и маневров) подчиняется общим закономерностям теории транспортных потоков и определяется уровнем удобства движению. Под уровнем удобства движению понимают качественное состояние потока автомобилей, при котором устанавливаются характерные условия труда водителей, условия комфортабельности поездки и экономичности перевозок, а также определенный уровень аварийности. Количественными показателями удобства движения являются:

• коэффициент загрузки движением

, (8)

• коэффициент насыщения потока

, (9)

• коэффициент скорости

. (10)

При использовании этих показателей различают четыре уровня удобства движению. Их характеристика приведена в табл. 3.

Таблица 3

Уровни удобства движению и их характеристики

Уровень удобства	Коэффициенты			Режим движения транспортного потока
	загрузки движением, Z	насыщения потока, q	скорости движения, С
А	< 0,20	< 0,10	> 0,90	Свободный
Б	0,20 – 0,45	0,10 – 0,30	0,70 – 0,90	Частично связанный
В	0,45 – 0,70	0,30 – 0,70	0,55 – 0,70	Связанный
Г	0,70 – 1,00	0,70 – 1,00	0,40 – 0,55	Плотный (насыщенный)

К этим же показателям относится уровень аварийности по количеству и видам ДТП.

Каждому уровню удобства движения транспортных средств по городским магистралям соответствует вполне определенное распределение ДТП по их видам (табл. 4).

Информацию об этих параметрах водитель получает непосредственно на дороге путем субъективных ощущений через визуальное наблюдение положения системы ВА в потоке автомобилей.

Таким образом, уровень удобства движению, это качественная, субъективная оценка водителем возможности появления или не появления ущерба системе ВА в условиях транспортного потока (ТП). При этом выбор скорости движения и маневров (обгон, перестройка по полосам движения, вход и выход из потока автомобилей) при взаимодействии с иными транспортными средствами осуществляются водителем путем минимизации риска появления ущерба системе ВА.

Таблица 4

Распределение ДТП по их видам и уровням удобства движению

Уро-вень удоб-ства	Относительное количество происшествий, %
	опрокидывание	Наезд на препятствие	Съезд с дороги	Касательное при обгоне	Лобовое столкновение	Наезд на впереди идущий автомобиль
А	79,5	5,0	8,0	2,0	5,3	0,2
Б	20,1	10,9	7,0	8,2	48,8	5,0
В	5,2	6,0	3,0	7,5	18,2	60,1
Г	-	1,6	0,3	3,1	0,5	94,5

Выбор водителем скорости и маневров движения по трассе зависит также от состояния погоды (элемент “среда” в системе ВАДС), при которой совершается поездка. Погодные условия оказывают влияние на систему ВА, как непосредственно, так и косвенно. Например, непосредственное влияние оказывают: осадки в виде дождя, заливая лобовое стекло, затрудняют водителю наблюдение условий движения; наличие тумана уменьшает расстояние видимости и т.п. Косвенное влияние условий погоды на систему ВА проявляется в виде изменения коэффициента сцепления колеса с дорогой. Например, появление сухого и чистого, мокрого, грязного, заснеженного или обледенелого покрытия снижает коэффициент сцепления от 0,6 – 0,7 до 0,1 – 0,3. Причем объективные наблюдения условий погоды вызывают субъективные ощущения водителя через положение автомобиля на дороге и в транспортном потоке.

Для совокупности элементов ВА (водитель автомобиль) при выборе водителем режима движения все условия в системе ВАДС являются внешними. К ним относятся Д (дорога) и ТП (транспортные потоки). Появление каждого из них является независимым событием. Среда же (условия погоды в фиксированный момент времени) оказывает одновременное возмущающее влияние на параметры дороги и параметры транспортного потока, ухудшая или улучшая их качественные характеристики. Эти условия объединяются под общим названием дорожные условия (ДУ). В каждом конкретном случае на выбор водителем скорости движения и маневров оказывает влияние совокупность этих факторов. Объективное наблюдение водителем совокупности факторов приводит к субъективным ощущениям, ориентируясь на которые водитель минимизирует риск появления ущерба системе ВА. Под ущербом для системы ВА понимаются события, которые приводят: к задержкам в пути при снижении скорости движения в плотном транспортном потоке; к появлению ДТП в результате ошибочного выбора водителем скорости движения и маневров в реальных дорожных условиях.

Анализ движения транспортных средств по городским дорогам осуществляют путем использования теоретических представлений на основе экспериментальных данных. При этом применяют динамическую теорию следования за лидером, теорию массового обслуживания и теорию риска.

По формулам теории следования за лидером устанавливают: среднюю скорость и среднюю плотность транспортного потока (на каждой полосе движения); пропускную способность полос движения; скорость и плотность движения отдельных пачек (групп) автомобилей; плотность при заторе; максимальные значения скорости и плотности движения; интервалы во времени между автомобилями. В соответствии с этой теорией установлены зависимости: интенсивность-скорость и интенсивность плотность движения транспортных средств по городским дорогам (рис. 4).

а)

б)

N, авт/ч

N, авт/ч

N = P

N = P

N

N

0

0

V_min

V_опт

V_N

V_СВ

q_N

q_опт

q_max

q_зат

Скорость, V, км/ч

Плотность, q, авт/км

Рис. 4. Зависимости, применяемые в теории следования за лидером

а) интесивность-скорость

б) интенсивность-плотность

Анализ графиков показывает, что при увеличении интенсивности движения (см. рис. 4 а) скорость транспортных средств уменьшается и при некоторой интенсивности (N = P) достигает значения V_ОПТ. Аналогично но в зеркальном отражении при увеличении интенсивности движения (см. рис. 4 б) плотность транспортных средств увеличивается и при некоторой интенсивности (N = P) достигает значения q_опт. Интенсивность движения при оптимальной скорости и плотности движения называют пропускной способностью городской магистрали. При дальнейшем увеличении плотности движения (см. рис. 4 б) до q_max и далее до q_зат, уменьшается скорость транспортного потока до V_min (см. рис. 4 а) и далее эта скорость падает до нудя (V = 0). В этот момент на дороге появляется затор.

Среднюю скорость транспортного потока при интенсивности движения N устанавливают по формуле:

, (11)

где V_СВ – скорость свободного движения;

q_N – средняя фактическая плотность транспортного потока (авт/км);

q^зат₀ – плотность при заторе (авт/км) легковых автомобилей, устанавливается по формулам:

• при движении на подъем

; (12)

• при движении на спуск

, (13)

где 112,5 авт/км – экспериментальная плотность при заторе легковых автомобилей на горизонтальном и прямолинейном участке городской улицы;

i – продольный уклон проезжей части, тысячные.

Скорость свободного движения в формуле (11) устанавливают по зависимости

, (14)

где V₀ – средняя скорость движения легковых автомобилей, км/ч, принимается равной 80 км/ч (V₀ = 80 км/ч) на горизонтальном участке городской улицы, с шириной проезжей части 7,5 м и краевыми полосами шириной 0,75 м. В зависимости от количества полос движения эта скорость может приниматься (V₀ = 80 – 90 км/ч);

Коэффициент определяют, используя следующую зависимость:

где - коэффициент, учитывающий влияние продольного уклона и состава транспортного потока на скорость свободного движения;

- коэффициент, учитывающий влияние дорожных условий на скорость свободного движения;

- коэффициент, учитывающий влияние разметки проезжей части и ширины покрытия на скорость свободного движения.

Средняя фактическая плотность транспортного потока зависит от интенсивности и состава транспортного потока по видам автомобилей. Для упрощения расчетов факический состав транспортного потока приводится к легковому автомобилю. При этом устанавливают приведенную к легковым автомобилям интенсивность движения N₀ по формуле:

, (15)

где N – интенсивность движения, при которой определяется скорость транспортного потока, авт/ч;

n – количество групп автомобилей в транспортном потоке;

C_i – количество автомобилей i-й группы в составе транспортного потока, %;

E_i – коэффициент приведения автомобилей i-й группы к легковым автомобилям.

Пропускную способность (N_P) одной полосы движения устанавливают с учетом скорости транспортного потока (V_П) определяемой по формуле (11) по зависимости:

, (16)

где – L_ДД - динамическая длина автомобиля, м, устанавливается по формуле:

L_ДД = l_a + t_p V_П + (l′_T – l″_T) + l_б . (17)

В формуле (17) приняты следующие обозначения параметров:

l_a – средняя геометрическая длина легкового транспортного средства, м;

l_б – длина участка дороги после остановки транспортных средств, м;

t_p = 1 с – время реакции водителя;

(l′_T – l″_T) = СV_П² – разность в длине тормозных путей переднего и заднего автомобилей, принимается в зависимости от параметра C, зависящего от продольного уклона проезжей части:

Продольный уклон, ‰	+60	+40	+20	±0	-20	-40	-60
Параметр С	0,049	0,051	0,053	0,054	0,056	0,058	0,059

Количество полос движения устанавливают путем решения неравенства, которое при проектировании магистралей непрерывного движения имеет следующий вид:

, (18)

где N_ТР = N₀ – фактическая, приведенная к легковому автомобилю, интенсивность движения транзитных транспортных средств в обоих направлениях, устанавливается по формуле (14);

N_M – то же для местного движения;

N_р – пропускная способность одной полосы движения, устанавливается по формуле (15);

К_МН – коэффициент многополосности, принимается в зависимости от количества полос движения по следующей таблице:

Количество полос движения, n	1	2	3	4
Коэффициент многополосности, КМН	1,0	1,9	2,7	3,5

При проектировании магистралей регулируемого движения неравенство (18) имеет следующий вид:

, (19)

где К_пер – коэффициент, учитывающий влияние светофорного регулирования на пропускную способность проектируемой улицы. принимается в зависимости от расстояния между перекрестками и режима светофорного регулирования.

Минимальное количество полос движения в одну сторону должно быть не менее трех. В соответствии с нормами для магистральных улиц с непрерывным или регулируемым движением принимается четыре полосы движения.

После определения ширины функциональных основных элементов улицы необходимо решить задачу компоновки ее поперечного профиля. Эта задача решается в рамках установленной ширины этой улицы в красных линиях. Красными называют линии, которые определяют функциональное пространство улицы предназначенное для организации движения пешеходов и транспортных средств.

Для различных категорий улиц применяются различные размеры ширины улиц в красных линиях и различное начертание поперечного профиля. По этому признаку различают:

1. Скоростные городские дороги.

2. Магистральные улицы общегородского значения.

3. Магистральные улицы районного значения.

4. Главные улицы.

5. Магистральные улицы и дороги грузового движения.

6. Жилые улицы.

7. Дороги промышленных и складских районов.

8. Парковые дороги.

9. Пешеходные пути сообщения.

Скоростные городские дороги проектируют в том случае, когда на жизненно важных для города направлениях исчерпаны обычные средства улучшения условий движения (ограничение поворотов на перекрестках, запрещение грузового движения, исключение пересечений с второстепенными улицами, введение новых способов регулирования движения, необходима организация движения равнозначных пересекающихся потоков транспортных средств).

Для скоростных городских дорог поперечные профили проектируют так чтобы максимально отделить транзитное и местное движение. Для этого в поперечном профиле применяют эстакады, насыпи или тоннели и выемки. В каждом случае применения того или иного решения о форме сооружения руководствуются всей необходимой информацией: важностью (возможностью сноса) прилегающей застройки, формами рельефа, геологическим строением грунтового массива в зоне строительства и др. В качестве примера на рис. 5 приводятся поперечный профиль скоростной городской магистрали, выполненный в выемке.

1

1

3

4

2

1:1.5

1

2,00 8,75

8,00

4

9

8

4,5

3 (4) Х 3,75

44,5 – 46,0

Рис. 5. Поперечный профиль скоростной магистрали, выполненный в выемке

1 - Разделительная полоса (газон); 2 - Проезжая часть транзитных транспортных средств; 3 – Проезжая часть для местного движения; 4 – технологический тротуар.

Для других категорий улиц применяют аналогичные размеры по ширине проезжей части, пешеходных зон и разделительных полос. Усложнение или особенности поперечного профиля наблюдается на 2 – 5 категориях улиц. Это связано со спецификой этих улиц, определяемых их наименованиями. Особые сложности появляются при формировании плана улиц в узлах пересечений транспортных потоков.