МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДУДНІКОВ Олександр Миколайович

УДК 656.13.05

АНАЛІЗ ТА ПІДВИЩЕННЯ БЕЗПЕКИ ДОРОЖНЬОГО РУХУ

НА ОСНОВІ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКУ

Спеціальність 05.22.01 – Транспортні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Четверухін Борис Михайлович,

Національний транспортний університет,

професор кафедри “Транспортні системи та маркетинг”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лігум Юрій Семенович,

Національний транспортний університет,

завідуючий кафедрою “Економіка та інформатика”;

кандидат технічних наук

Полозенко Павло Миколайович,

Науково-дослідний центр безпеки дорожнього руху МВС України,

начальник сектору планування та координації науково-дослідних

робіт.

Провідна установа: Державний науково-дослідний та проектний інститут автомобільного

транспорту “ДержавтотрансНДІпроект”, відділ безпеки транспорту, Міністерство транспорту України м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 25.02. 2003 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету (01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розіслано 23.01.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Дзюба О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростання чисельності автомобільного парку у світі стає усе більш інтенсивним, що, поза всяким сумнівом, відображається на розвитку транспорту України. Автомобілізація країни досягає значних масштабів. У таких умовах поряд з відомими позитивними сторонами цього розвитку серйозним образом виявляються і негативні сторони збільшення числа транспортних засобів, що розкриваються в різкому зниженні рівня безпеки руху й рості аварійності. Рівень соціальних і економічних втрат, зв'язаний з відзначеними процесами, досить великий і безупинно зростає.

Процес формування безпеки дорожнього руху є різнобічним і багатофакторним, що обумовлює таку ж кількість науково-технічних рішень. Складність процесу аналізу чинників, що впливають на рівень безпеки дорожнього руху, насамперед, полягає в наявності якісно різних рівнів матеріальної взаємодії у дорожньому русі, елементами якої є механічні транспортні засоби, люди, елементи дорожніх умов і навколишнього середовища. Тому існуючі науково-технічні розробки в області підвищення рівня безпеки руху транспортних потоків, які не в повній мірі враховують зазначені чинники, вимагають істотної доробки або перегляду основних підходів у їхній реалізації.

Вищезазначене обумовлює актуальність дисертаційного дослідження, спрямованого на розробку й теоретичне обґрунтування нових, більш об’єктивних підходів до рішення проблеми оцінки та прогнозування рівня безпеки дорожнього руху, яки базуються в даній роботі на застосуванні енергетичних характеристик транспортного потоку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до програми Кабінету Міністрів “Програма забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів” (додаток 3, п. 3) затвердженої 06.04.1998 р. Постановою № 456, а також відповідно до планів Міністерства освіти і науки України в галузі “Проблеми формування раціональних транспортних логістичних систем і забезпечення ефективного функціонування їх складових”. Форма реалізації – участь у держбюджетних темах: кафедри “Транспортні системи та маркетинг” НТУ м. Київ та кафедри “Транспортні технології” АДІ ДонНТУ м. Горлівка (довідка АДІ ДонНТУ від 08.10.2003 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методу аналізу і підвищення рівня безпеки дорожнього руху на підставі енергетичних характеристик транспортного потоку.

Мета дисертаційного дослідження досягається на основі рішення наступних задач:

1.

2.

-

-

3.

4.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дисертаційного дослідження є транспортний потік.

Предмет дослідження. Предметом дисертаційного дослідження є характеристики безпеки дорожнього руху.

Методи досліджень. Дисертаційні дослідження виконувалися на основі методів теорії детермінованих моделей транспортних потоків. Для формулювання характеристик руху транспортного потоку застосовувався закон збереження і перетворення механічної енергії, теорія відносності механічного руху. З метою обґрунтування отриманих енергетичних характеристик, як критеріїв оцінки рівня безпеки дорожнього руху, використовувалися: закон збереження і перетворення механічної енергії, теорія кінематики й динаміки механічних систем, теорія надійності, теорія транспортних процесів і систем, методи аналізу дорожньо-транспортних пригод. Для експериментального підтвердження теоретичних розробок використовувався метод узагальненої кількісної характеристики реальних дорожньо-транспортних пригод по ступеню тяжкості. Ступінь відповідності результатів експериментальної оцінки рівня безпеки дорожнього руху розрахунковому по розробленим характеристикам значенню аналізувалася методом лінійного кореляційного аналізу. Практичні рекомендації щодо підвищення рівня безпеки дорожнього руху отримані на базі теорії безперервності транспортного потоку з використанням розроблених енергетичних характеристик.

Наукова новизна одержаних результатів. Полягає: в розробці й обґрунтуванні нового методу кількісної та якісної оцінки безпеки дорожнього руху на основі енергетичних характеристик руху транспортного потоку, в якому, на відміну від існуючих методів, безпека руху розглядається як безперервний процес зі змінами у просторі й часі, враховуються не тільки кінематика руху потоку, а й його якісний склад; також у встановленні аналітичної залежності між запропонованими характеристиками і загально відомим коефіцієнтом безпеки руху.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі розроблених енергетичних характеристик транспортного потоку запропоновано методику визначення аварійнонебезпечних ділянок автомобільної дороги та розробки заходів щодо зменшення імовірності виникнення й ступеню тяжкості дорожньо-транспортних пригод. Розроблена методика передана для застосування у відділ організації дорожнього руху УДАІ УМВС України в Донецькій області (офіційний лист УДАІ УМВС України в Донецькій області від 06.10.2003 р.).

Особистий внесок здобувача. По темі дисертації опубліковано 8 статей, з них 4 – у співавторстві.

У роботі [1] здобувачем запропонований і виконаний з енергетичної точки зору аналіз існуючих параметрів рівномірності руху транспортного потоку; у роботі [2] здобувачем виконана доробка існуючих параметрів рівномірності руху автомобіля, з урахуванням закону збереження і перетворення механічної енергії та потужнісного балансу рухаючого автомобіля до рівня об'єктивних законів функціонування системи автомобіль-дорога, виведені показники шуму кількості руху, шуму сил інерції і шуму потужності сил інерції; у роботі [5] здобувачем створена енергетична модель транспортного потоку, запропонована й експериментально обґрунтована методика прогнозування ступеню тяжкості ймовірних ДТП в транспортному потоці, запропоновано методику визначення тяжкості ДТП в транспортному потоці на основі його енергетичних характеристик; у роботі [8] здобувачем оголошені теоретичні положення розробленого методу аналізу безпеки дорожнього руху енергетичними характеристиками руху транспортного потоку та результати його експериментальної перевірки.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідалися:

· на міжнародної науково-технічної конференції “Прогресивні технології й енергозбереження в дорожньому будівництві” (24 - 26 жовтня. 2001 р., м. Київ);

· на VIII міжнародної науково-практичної конференції “Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі” (12 – 13 грудня 2002 р., м. Київ);

· на 59-ї наукової конференції професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (12 – 14 квітня 2003 р., м. Київ).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 статей: 7 статей у виданнях, що входять у перелік ВАК, з них 4 одноособові, 3 – у співавторстві; тези конференції у виданні, що не входить у перелік ВАК, у співавторстві.

Структура й обсяг роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел (118 найменувань), а також чотирьох додатків. Загальний обсяг - 178 сторінок, з них 135 сторінок основного тексту, якій містить 21 рисунок та 5 таблиць, 34 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі викладено актуальність обраної теми; надано критичний аналіз існуючого стану проблеми та висвітлений зв’язок роботи з науковими програмами; сформульована мета та задачі дослідження; розкрита у логічній послідовності застосування система методів наукових досліджень, що були використані у дисертації; викладено наукову новизну та практичну значимість результатів.

В першому розділі дисертаційної роботи розглядається: проблема оцінки рівня безпеки дорожнього руху, як одна з найважливіших галузей досліджень в області транспортних систем, а також проведено аналіз існуючих методів оцінки рівня безпеки дорожнього руху з точки зору кінематики транспортних потоків та показників, що застосовуються у зазначених методах.

Безпека дорожнього руху є одним з найважливіших напрямків удосконалення ефективності функціонування транспортних систем. Спеціальні дослідження дорожньо-транспортних пригод (ДТП), що ведуться в сучасних умовах, стосуються всього комплексу проблем автомобільного транспорту. Ефективність дослідницької роботи з попередження ДТП значною мірою визначається тією основою, на якій будується аналіз причин їхнього виникнення і характеру розвитку, що у свою чергу визначає комплекс заходів щодо ліквідації розповсюджених причин ДТП.

З точки зору організації дорожнього руху рішення питання оцінки та підвищення рівня його безпеки можливо тільки при застосуванні об'єктивних оціночних показників, на підставі інформації про які власне і приймаються відповідні керуючі впливи на окремих ділянках дорожньої мережі (ДМ). Аналіз безпеки дорожнього руху характеристиками транспортного потоку в основному базується на результатах дослідження рівномірності руху окремих транспортних засобів або транспортного потоку, тому огляд існуючих робіт виконаний саме в цьому напрямку. Найбільшу увагу приділялось науковим роботам В.Ф. Бабкова, Д. Дрю, З.Д. Дереха , В.І. Єресова, В.В. Зирянова, Г.І. Клінковштейна, В.И. Коноплянко, Ю.О. Кременця, Є.М. Лобанова, В.В. Сільянова, В.П. Поліщука, Б.М. Четверухіна, П.М. Полозенко, та ін. Аналізу підлягали, в основному, саме енергетичні показники дорожнього руху, таки як коефіцієнт безпеки, шуми швидкості, прискорення та енергії, градієнти швидкості та енергії.

Якісно-кількісний аналіз існуючих енергетичних характеристик дорожнього руху виявив, що характер зміни кінематики руху транспортних засобів відбивається без урахування динаміки змін енергетичного стану транспортного потоку, що вказує на обмежену можливість об'єктивної оцінки безпеки руху і якості заходів організації дорожнього руху, спрямованих на попередження ДТП. Зокрема, загально відомий і найбільш поширений у практиці оцінки ймовірності виникнення ДТП на окремих ділянках ДМ коефіцієнт безпеки дорожнього руху, запропонований у свій час проф. В.Ф. Бабковим, будучи відношенням швидкостей, не враховує, з одного боку, абсолютного значення самої швидкості, яка обумовлює за інших рівних умов довжину гальмового шляху транспортного засобу. З іншого боку, цей показник не враховує маси транспортних засобів, яки складають потік і також впливають на гальмову динамічність автомобілів потоку. Таким чином, узагальнюючи вищезазначене, можна стверджувати, що коефіцієнт безпеки дорожнього руху не дає повного відображення кількісних, енергетичних змін кінематики руху як окремих транспортних засобів, так і транспортного потоку в цілому, не говорячи про його якісні зміни, що відображаються в ймовірності виникненні небезпечних ситуацій, яка визначає безпеку руху.

Наступним показником рівня безпеки руху, що був проаналізованим у дисертаційному дослідженні, є шум швидкості як середнє квадратичне розсіювання швидкостей окремих транспортних засобів у потоці. Вказаний показник у теорії та практиці оцінки рівня безпеки руху поступово був трансформований у шум прискорення, який має більш об’єктивний зв’язок з трьома основними елементами системи АВД: водій (у рамках оцінки виконання ним певних маневрів), дорога (кожна ділянка дороги дозволяє водієві здійснювати у певних межах або прискорення або уповільнення швидкості руху, що є об’єктивною властивістю кожної ділянки дороги навіть при відсутності руху транспорту), а також умови руху (транспортне навантаження, обмеження дальності видимості, наявність ожеледі та ін.), до того ж шум прискорення по своїй суті є характеристикою ступеню рівномірності руху.

Але результати проведеного аналізу показали, що шум прискорення має низку певних недоліків, а саме: він не є чутливим до появи повних перерв у русі; має точність оцінки більш нижчу за розглянутий вище показник; складний у практичних вимірах і розрахунках. Крім того, як і попередній показник, він також об'єктивно не відбиває якісні зміни в транспортному потоці, тому що не враховує поточних параметрів самого потоку. Щодо застосування градієнту швидкості (відношення шуму прискорення до швидкості сполучення) проведений аналіз довів, що його введення не надало підвищення точності оцінки, тому що даний показник зосередив у собі всі недоліки шуму прискорення і швидкості сполучення. Крім того, він дає знеособлений з фізичної точки зору результат, маючи як одиницю виміру (с-1).

“Шум кінетичної енергії”, запропонований проф. Г.І. Клінковштейном, є якісно новим показником, який у певній мірі відображає кінематику руху транспортного потоку, але досвід його застосування ще не накопичений. При цьому деякі автори (наприклад, Д. Дрю) ототожнюють внутрішньою енергією транспортного потоку з шум прискорення, тобто вказує що “шум енергії” дорівнює максимальному шумові прискорення транспортного потоку, інші (В.В. Сільянов) енергію транспортного потоку виражає цілком через поточні і максимальні значення: шуму прискорення, щільності і швидкості руху, що вже дозволяє певним чином оперувати якістю дорожнього руху. Додатково запропонована В.В. Зиряновим характеристика “градієнт енергії” (відношення шуму енергії транспортного потоку до швидкості сполучення), як і у випадку з градієнтом швидкості не додав якості у аналіз, він несе в собі всі недоліки, що були відзначені по “шуму кінетичної енергії”, однак дозволив оцінювати затримки потоку.

Найбільш суттєвим недоліком зазначених енергетичних характеристик є те, що усі можливості якісного аналізу дорожнього руху із застосуванням шуму кінетичної енергії, зв'язані з законом збереження енергії були зігноровані, тому що спочатку постановка задачі була виконана в умовах імовірнісної моделі, а не детермінованої, що будується на основі закону збереження енергії.

З урахуванням вищезазначеного, виконувати об'єктивний аналіз рівня безпеки дорожнього руху за допомогою існуючих показників досить складно, отже, потрібна розробка нового підходу й відповідних характеристик рівня у цій області, що і обумовило мету і задачі дослідження.

Другий розділ дисертації присвячений вирішенню першої з поставлених задач по обґрунтуванню енергетичного підходу до аналізу безпеки дорожнього руху. Безпека руху, як поняття, часто ототожнюється з рівнем аварійності на ділянці дороги, яка є статистичним показником, що кількісно відбиває прояви лише деяких негативних процесів в транспортних потоках. Це пояснюється тим, що не всі негативні процеси приводять до ДТП, тобто навіть якщо вони і впливають на аварійність, то не кожен подібний процес зможе якісно змінити дорожньо-транспортну ситуацію і привести до ДТП, але збиток у системі обов'язково присутній.

Безпека руху - це, насамперед якісна оцінка процесу руху транспортного засобу або транспортного потоку, що формується під впливом визначеної кінцевої кількості факторів, які у свою чергу мають якісно різні функціональні рівні. При цьому оцінки безпеки руху у системі АВД (одиночного автомобіля) та системі транспортного потоку мають якісно різні процеси свого формування. Система АВД, перетерплюючи при зміні умов руху кількісні і якісні зміни своїх елементів, формує певний одиничний ступінь небезпеки свого функціонування. Транспортний же потік, як надсистема з додатковими зв'язками інформаційного каналу між водіями, формує у підсистемі АВД кожного транспортного засобу в потоці інший характер зміни процесів перетворення інформації, енергії і матерії, які визначають небезпеку її функціонування, утворює конкретну систему з окремих “небезпек руху” систем АВД, об'єднаних певними зв'язками, що і являє, власне, безпеку руху транспортного потоку. Таким чином, при оцінці рівня безпеки руху необхідно розробляти характеристики безпеки руху стосовно фундаментальної системи АВД окремого транспортного засобу і уточнювати їх для системи транспортних засобів, якою є транспортний потік.

З погляду аналізу безпеки руху, як процесу, основну роль у ньому грає сам рух, який є відносним. Постулати теорії відносності з погляду безпеки можна трактувати наступним чином: ніяким образом у довільній системі АВД або в якому-небудь транспортному потоці не можна охарактеризувати їхній рух як безпечний або небезпечний, з відповідним визначенням рівня безпеки (або небезпеки). Для вирішення цього питання обов'язково необхідний об'єкт порівняння. Зазначене вказує на доцільність введення двох умовних граничних станів: стан абсолютно безпечного руху та стан абсолютно небезпечного руху, порівняння з якими і дозволяє визначати рівень безпеки руху, тобто можна оперувати протилежними відносними поняттями: “безпека руху” та “небезпека руху”.

“Небезпека дорожнього руху” – це комплекс негативних явищ, що виникають у процесі руху транспортного потоку, кількісне накопичення яких, проявляється у якісних змінах стану транспортного потоку, що визначають аварійність. Рух одиночного автомобіля відносно нерухомих об'єктів дорожньої обстановки можна розглядати як несучий в собі конкретний руйнівний потенціал, тобто певну об’єктивну небезпеку, фіксуючи при цьому її максимальне потенційне значення. Таким чином, стосовно проїзної частини формується “абсолютна небезпека” руху.

“Абсолютна небезпека руху” – миттєве значення руйнівного потенціалу, що сконцентрований у окремому транспортному засобі або у їхній групі в транспортному потоці, який при виникненні ДТП визначає загальний збиток від нього.

“Абсолютна небезпека руху” відображається кінетичною енергією транспортного засобу (Дж), або потужністю руху транспортного потоку (Дж/с), які у разі виникнення ДТП і визначатимуть загальний матеріальний збиток. Вказані величини є миттєвими (поточними) енергетичними характеристиками безпеки руху, що визначають потенційну тяжкість ДТП.

Крім миттєвих енергетичних характеристик в роботі додатково виділені також просторова і часова енергетичні характеристики, співвідношення між якими показано на рис. 1. Просторова енергетична характеристика в роботі використовується для оцінки “загальної небезпеки” руху, яка виражається в невідповідній щодо інших учасників руху кінематиці переміщення певного транспортного засобу або їхньої групи в транспортному потоці і яка відображається градієнтом кінетичної енергії або потужності по координаті шляху. Відмітимо, що саме просторові енергетичні характеристики безпеки руху і визначають потенційні місця концентрації ДТП. Часова енергетична характеристика в роботі використовується для оцінки “місцевої небезпеки” руху, яка виражається в невідповідності характеристик транспортного потоку тим, що закладені в схемі організації дорожнього руху і яка відображається градієнтом кінетичної енергії або потужності за часом.

Часові енергетичні характеристики визначають зміни тяжкості ДТП у місці їхньої концентрації.

Рис. 1. Структура аналізу безпеки руху з застосуванням енергетичного підходу.

Таким чином, сформульовано поняття “небезпеки дорожнього руху” і розкрито його комплексність у виді трьох складових: абсолютної, загальної і місцевої небезпек, визначення яких запропоновано проводити із застосуванням енергетичного підходу.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено вирішенню другої задачі дисертаційного дослідження а саме: розробці енергетичних характеристик руху одиночного транспортного засобу в рамках системи АВД і обґрунтування застосування їх до аналізу безпеки дорожнього руху, а також їх подальшому розвитку щодо оцінки рівня безпеки руху транспортних потоків. У даному розділі запропоновані і аналітично визначені введені в другому розділі енергетичні характеристики рівня безпеки руху одиночного транспортного засобу у наступному вигляді:

(1)

де m - маса автомобіля (кг);

V, V0 - поточне та початкове значення швидкості автомобіля (м/с);

NT, NB, NK, Nп, Niн- потужнісні потоки відповідно: тяговий на ведучих колесах, повітряного опору, опору кочення коліс, затрачуваний на подолання спусків і підйомів, потік інерційної потужності (Дж/с);

К10- значення кінетичної енергії транспортного засобу при початковій швидкості (Дж);

ДH- зміна потенційної енергії при русі транспортного засобу (Дж);

Q - зміна кінетичної енергії транспортного засобу за рахунок різниці кількості тепла, що виділилося при згорянні палива в двигуні й витраченого на внутрішню взаємодію у системі АВД (Дж);

p - пульс (м/с3); - третя похідна від переміщення за часом;

Fін0, Fіін, Fдін - значення сили інерції: початкове значення, збільшення сили інерції за час t, динамічна складової сили інерції за час t (Н).

Таким чином, у загальному випадку миттєва енергетична характеристика К1 розкривається рівнянням енергетичного балансу та відбиває: поточний рівень кінетичної енергії транспортного засобу масою m, який обумовлено швидкістю, з якою він починає рух по досліджуваній ділянці дороги (K10); змінами в подовжньому профілі дорожнього покриття (H(t)); змінами кінетичної енергії, пов'язані з визначеними діями водія (Q(t)), і визначає тяжкість можливого ДТП.

Просторова енергетична характеристика К2, яка приведена в системі (1), з урахуванням першого рівняння однозначно характеризує наступні процеси в системі АВД: Fін0=К200 або К20=const- присутні ділянки дорогі, де здійснюється розгін або гальмування автомобіля; Fдін=K2д0 - присутні ділянки інтенсивного маневрування автомобіля; Fіін=К2і0 - присутні ділянки дороги зі складними умовами орієнтування водія внаслідок надмірних прискорень (ділянки, на яких домінують ДТП із технічних причин, місця концентрації ДТП).

Часова енергетична характеристика К3, яка приведена в (1), з урахуванням рівняння К1 об'єднує і узагальнює у своєї сутності існуючі розробки в теорії та практиці оцінки рівня безпеки руху: шуму прискорення, шуму швидкості і “шуму кінетичної енергії" руху одиночного автомобіля:

при пульсі p=const , (2)

Якщо p=k tn - ступенева функція:

, (3)

де a, acр, V, Vср, aV, (aV)ср - відповідно абсолютні та середні арифметичні значення: прискорення, швидкості і “шуму кінетичної енергії”;

З урахуванням рівнянь (1...3) в роботі було отримано залежності для оцінки дисперсій просторової та часової енергетичних характеристик руху одиночного автомобілю (Дж/м)2,(Дж/с)2 :

(4)

де Fін, Nін, K2, K3 – відповідно шуми: сил інерції (Н) та інерційної потужності (Дж/с).

Перетворення рівнянь (2), виконані шляхом введення в них об'єктивних понять сили й потужності, привели до появи нових й тепер вже зв'язаних між собою залежностей у виді системи рівнянь (4), кожне з яких має зміст об’єктивного закону, що поєднує математичні конструкції з показниками матеріальної взаємодії в системі АВД, і яки формують певну детерміновану систему оцінки рівня безпеки руху. Врахування рівнянь потужнісного й силового балансу транспортного засобу (1, 2) сумісно з (4) дозволило створити детерміновану шумову модель системи АВД щодо енергетичних характеристик у наступному вигляді:

(5)

де ki - амплітудні шумові коефіцієнти; індивідуальні для кожного типу автомобіля;

Q, G, , (V), (V2), (V3) - відповідно: шум шляхової витрати палива (кг/м), шум часова витрати палива (кг/с), шум дорожнього опору, (од.), шум швидкості вертикального переміщення автомобіля, (м/с), шум швидкості другого і третього ступеня (м2/с2), (м3/с3);

F1, N1, F2, N2 - додаткові силові й потужнісні шуми, (Н), (Дж/с).

Таким чином, запропоновані три характеристики безпеки руху в межах системи АВД несуть у собі інформацію про реальні процеси перетворення енергії в системі АВД, тобто відбивають її в цілому, з урахуванням кількісних та якісних змін. Далі запропоновані характеристики системи АВД допрацьовуються до рівня аналізу безпеки руху транспортного потоку. По аналогії з системою АВД енергетична модель транспортного потоку у роботі представлено у вигляді:

; ; , (6)

де Kпот - кінетична енергія потоку автомобілів i-го числа, одного напрямку (Дж);

m, m1 m2…mi - відповідно: загальна маса ділянки транспортного потоку та маси окремих транспортних засобів, що його формують (кг);

Vп, V1, V2...Vі - відповідно швидкість транспортного потоку й швидкості окремих транспортних засобів (м/с);

Nп - інтенсивність енергетичного потоку (Дж/с);

qп, qm- відповідно: енергетична (Дж/м), та масова (кг/м), щільності потоку;

L - довжина ділянки аналізу потоку, де сконцентровані автомобілі сумарною масою m (м).

“Масова щільність транспортного потоку” – величина, яка дорівнює половині відношення сумарної маси транспортних засобів потоку до довжини ділянки дороги де вони розташовані.

У роботі визначено співвідношення запропонованих характеристик з загальноприйнятими характеристиками руху (швидкістю V, щільністю q, інтенсивністю N) у вигляді:

при L 0 (7)

Аналіз отриманих співвідношень дозволив зробити наступні висновки: 1) миттєва енергетична характеристика безпеки руху транспортного потоку К1п: дозволяє вести детермінований аналіз кінематики руху транспортного потоку з погляду безпеки руху практично в будь-яких умовах експерименту; 2) інтенсивність зміни можливої тяжкості ДТП прямо пропорційна кубові зміни швидкості транспортного потоку та прямо пропорційна його масовій щільності.

Порівняння даних розрахунків тяжкості ДТП та залежності аварійності від масової щільності потоку із застосуванням миттєвої енергетичної характеристики К1п з даними експериментальних досліджень, проведеними деякими зарубіжними дослідниками, показано на рис. 2. Порівняння свідчить про достатньо хорошу збіжність результатів експериментальних досліджень і теоретичних положень дисертаційного дослідження і дозволяє рекомендувати енергетичну характеристику К1п як універсальну і найбільш об’єктивну характеристику рівня безпеки руху транспортного потоку зважаючи на те, що характеристики К2п і К3п є похідними від К1п.

а) б)

Рис. 2. Обґрунтування характеристики К1п :

Рис.2.а - залежність тяжкості ДТП від швидкості транспортного потоку, де:

Т - тяжкість ДТП (по И. Броссу (США)), відносна кількість смертей та поранень;

ТЕ - розрахунок тяжкості ДТП по характеристиці К1п: ТЕ =1 при V=50 км/год.

Рис.2.б - залежність аварійності від відсотка вантажних автомобілів у транспортному потоці (залежність аварійності від масової щільності потоку), де:

Кав – аварійність (по Ф. Бітцлю (Німеччина) та П. Купину (Росія)) ();

Т - енергетичний розрахунок аварійності по характеристиці К1п: ТЕ =1 при Nгр= 18 %.

Зауважимо, що, по-перше величина К1п дозволяє визначати необхідне коректування масової щільності потоку при зміні його швидкості з умов збереження заданого рівня безпеки руху. По - друге, при тимчасової зупинці на дорозі певного транспортного засобу інтегрування запропонованої характеристики в інтервалі часу, що дорівнює терміну зупинки, дає загальне значення кінетичної енергії транспортного потоку, що буде розсіяне в ймовірному ДТП.

Стосовно просторової енергетичної характеристики транспортного потоку К2п як похідною від К1п можна зробити наступні висновки: 1) значення К2п=0 означає стабільний рух потоку і стабільний рівень безпеки руху, що визначатиметься значенням щільності руху; 2) К2п=сonst свідчить про зменшення безпеки руху, присутня небезпечна ділянка дороги; 3) К2п=f(t) свідчить про нестабільні умови руху і присутність небезпечних ділянок дороги.

Зауважимо, що енергетична характеристика К2п дозволяє: виявляти області транспортного потоку з істотними змінами енергетичної інтенсивності, тобто потенційні місця концентрації ДТП; описувати зміну кількості ДТП по технічному стану транспортних засобів; визначити зв'язок між швидкістю потоку і його масовою щільністю з метою забезпечення стабільного рівня безпеки руху продовж ділянки дороги, що аналізується.

Аналіз часової енергетичної характеристики транспортного потоку К3п дозволив виявити її основні властивості стосовно рівня безпеки дорожнього руху: 1) значення К3п=0 - стабільний рівень безпеки руху в перетині потоку за часом, тяжкість ймовірних ДТП практично незмінна; 2) К3п = const - зменшення безпеки руху з часом, тяжкість можливих ДТП зростає пропорційно значенню К3п; 3) К3п = f(t) - нестабільний рівень безпеки руху, заходи організації дорожнього руху, що застосуються, не є досконалими і потребують корегування. Характеристика К3п може бути використана для виявлення потенційних місць концентрації ДТП і оцінки темпу зростання тяжкості ймовірних ДТП.

У роботі запропоновано енергетичний коефіцієнт безпеки і-ї ділянки дороги Kбэ як уточнений варіант загальновідомого коефіцієнта безпеки Kбі, який враховує додатково склад транспортного потоку та має зв’язок з фундаментальною енергетичною характеристикою К1п:

. (8)

На рис.3 показано графічну інтерпретацію співвідношення між значеннями Kбэ і Kбі, а також співвідношення між експериментальною і розрахунковою із застосуванням запропонованого енергетичного коефіцієнту кількістю ДТП. Порівняння графіків свідчить про достатню збіжність отриманих значень і доводить доцільність застосування енергетичної характеристики К1п.

Рис. 3. Обґрунтування енергетичного коефіцієнта безпеки Kбэ:

N0дтп - експериментальне число ДТП;

Nэдтп - розрахункове число ДТП на основі енергетичного коефіцієнта безпеки (7).

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений експериментальній перевірці адекватності розробленої моделі оцінок та розробці практичних методів підвищення безпеки дорожнього руху на її основі. Експеримент виконувався з використанням дискретних даних про характеристики потоку в умовах усередненої постійної щільності потоку. Розрахункові формули запропонованих енергетичних характеристик з урахуванням певних припущень в роботі сформульовані у вигляді, зручному для практичного застосування:

(9)

де Vsri - значення середньої швидкості транспортного потоку на i-ої ділянці дороги, м/с;

Ji - значення середнього прискорення транспортного потоку на i-ої ділянці дороги, м/с2.

Експеримент виконувався на трасі регіонального значення, що з'єднує кілька міст Донецької області, у тому числі м. Горлівку й м. Донецьк. У межах м. Горлівки зазначена ділянка проходить по вул. Інтернаціональна. Транспортний потік розглядався на двох ділянках: перша (довжиною 1200 м) - міські умови руху в селитебних зонах, склад потоку такий, що середня маса транспортного засобу 9150 кг; друга (наступні 5000 м) – міські магістральні умови руху в промислових зонах, склад потоку такий, що середня маса транспортного засобу 9125 кг. Швидкості автомобілів у потоці по місцях концентрації ДТП визначені методом натурних вимірів за допомогою радіолокаційного вимірника швидкості органами ДАІ. Кількість вимірів по кожному місцю складає 5 з довірчим інтервалом 0,99. Тяжкість середньорічної кількості ДТП по даним ДАІ оцінювалася по показникам Рейнгольда і Бабкова. У результаті експерименту отримані коефіцієнти пропорційності: між миттєвою енергетичною характеристикою безпеки руху транспортного потоку К1п й коефіцієнтом Рейнгольда k1=5,054103 Дж/(с·од.); між просторовою енергетичною характеристикою безпеки руху транспортного потоку К2п й числом ДТП k2=134,59 Дж/(с·м·ДТП); між часовою енергетичною характеристикою безпеки руху транспортного потоку К3п й інтенсивністю зміни тяжкості ДТП k3=5,706103 Дж/(с·од.); між зворотною величиною енергетичного коефіцієнта безпеки руху транспортного потоку й числом ДТП k4=5,93 ДТП/од.. Графіки енергетичних характеристик й графіки аварійності, які перераховані за коефіцієнтами пропорційності, представлені на рис.4.

Рис. 4. Графіки зміни енергетичних характеристик потоку і середньорічних показників реальної аварійності по місцях концентрації ДТП вулиці Інтернаціональної:

V'0 - коефіцієнт Рейнгольда, перерахований через коефіцієнт k1;

NэДТП - сумарне число ДТП, перераховане через коефіцієнт k2;

qэдтп - інтенсивність зміни тяжкості ДТП, перерахована через коефіцієнт k3.

Коефіцієнти кореляції між даними склали: для К1п – 0,985, для – 0,930, для – 0,960, що свідчить про адекватність розробленого методу оцінки рівня безпеки руху, і дозволяють застосовувати її на практиці для точних розрахунків. Стосовно Kбэ, коефіцієнт кореляції даних для якого складає 0,734, можна зробити висновок для його застосування для оцінних розрахунків.

Додатково у дисертаційній роботі запропоновано спосіб по визначенню на практиці поточних значень розроблених характеристик у транспортному потоці. Підвищення безпеки дорожнього руху повинна досягатися наступним чином:

(10)

Значення просторової та часової енергетичних характеристик руху транспортного потоку Kп2min та Kп3min, отримані у експерименті, з розрахунку імовірності виникнення одного ДТП.

На підставі рівнянь енергетичних характеристик сформульовані практичні рекомендації підвищення безпеки руху транспортного потоку: 1) для зниження або підтримки в деяких межах можливої тяжкості ДТП на визначених ділянках транспортних потоків необхідно, насамперед, підтримувати швидкість транспортних засобів постійною або в межах кубічно пропорційних необхідним межам тяжкості можливих ДТП, а також у випадку збільшення або збереження значення швидкості, необхідно прямо пропорційно зменшувати масову щільність потоків, що досягається відповідним розподілом руху по смугам та обмеженням руху окремих видів транспортних засобів; 2) для зменшення росту тяжкості ДТП зміна масової щільності транспортного потоку повинна бути зворотно пропорційна кубові зміни швидкості, що досягається вказівкою максимальної швидкості і відповідним розподілом руху по смугам та обмеженням руху окремих видів транспортних засобів; 3) для виключення місць концентрації ДТП або зниження в них загальної аварійності необхідно, насамперед, прямо пропорційно зменшувати прискорення потоку і додатково прямо пропорційно знижувати швидкість і масову щільність потоку, що досягається послідовним плавним уведенням декількох рекомендуємих швидкостей руху з відповідними рекомендаціями щодо розподілу руху по смугам та обмеження руху окремих видів транспортних засобів; 4) для виключення росту числа місць концентрації ДТП і загальної аварійності в них, зміна масової щільності транспортного потоку повинна бути зворотно пропорційна зміні добутку швидкості і прискорення, що досягається послідовним плавним уведенням декількох значень максимальних швидкостей руху з відповідним розподілом руху по смугам та обмеженням руху окремих видів транспортних засобів; 5) для зменшення інтенсивності росту тяжкості ДТП в конкретному місці транспортного потоку необхідно, насамперед, прямо пропорційно зменшувати прискорення потоку, масову щільність і додатково квадратично знижувати швидкість транспортних засобів, що досягається веденням постійної рекомендуємої швидкості руху з відповідним розподілом руху по смугам та обмеженням руху окремих видів транспортних засобів в межах досліджуваної ділянки.

Перераховані заходи для швидкості здійсненні застосуванням стандартних дорожніх знаків 3.29, 3.30, 3.31, 3.32, 4.16, 4.17, 5.30, для масової щільності - розподіл руху по смугам та обмеження руху окремих видів транспортних засобів, відповідно: 5.8-5.12, 5.16 - 5.22, 3.3 - 3.5, 3.11, 3.12-3.16, особливо важно - 3.20.

ВИСНОВКИ

У підсумку виконання дисертаційної роботи уточнені енергетичні показники безпеки дорожнього руху одиночного транспортного засобу та транспортного потоку за рахунок врахування складу транспортного потоку, а також встановленні аналітичні залежності між запропонованими показниками і загально відомим коефіцієнтом безпеки руху.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1 Аналіз існуючих методів оцінки і підвищення безпеки дорожнього руху на основі характеристик транспортного потоку показав необхідність їхньої доробки і перегляду основних підходів у реалізації. В роботі розроблено і обґрунтовано єдину розрахункову систему кількісної оцінки якості та безпеки дорожнього руху, яка дозволила об’єктивно аналізувати процеси її формування. Розроблений енергетичний підхід забезпечив введення поняття небезпеки руху, на основі якого сформульовані поняття абсолютної, загальної і місцевої небезпеки руху одиночного автомобіля і транспортного потоку.

2 Виведені відповідним поняттям небезпеки руху миттєва, просторова та часова енергетичні характеристики транспортного потоку, які об'єктивно зв'язують показники руху з конкретними показниками аварійності.

3 Виведено і доведено математичний зв'язок між параметрами рівномірності руху транспортних засобів у потоці, між коефіцієнтом безпеки і шумом прискорення, що об’єднує існуючи розробки у галузі безпеки дорожнього руху.

4 Розроблено спосіб щодо визначення поточних значень миттєвої, просторової та часової енергетичних характеристик у певному перетині реального транспортного потоку, що дозволить відслідковувати поточний рівень безпеки дорожнього руху та якісно на нього впливати.

5 На основі розроблених енергетичних характеристик створена й експериментально перевірена нова система оцінки рівня безпеки дорожнього руху, що дозволяє не тільки об’єктивно оцінювати безпеку руху , а й формулювати необхідні рекомендації до її підвищення.

6 Отримані науково-практичні результати по оцінці та підвищенню безпеки дорожнього руху в перспективі нададуть можливість розробки відповідних алгоритмів для систем управління безпекою дорожнього руху.

СПИСОК Опублікованих ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

У фахових виданнях:

1 Четверухін Б.М., Єресов В.І., Дудніков О.М. Оцінка енергетичного стану та рівня безпеки руху транспортних потоків // Автомобільні дорогі і дорожнє будівництво: Зб. наук. пр. – К.: НТУ, 2001. - № 61. – С. 268 - 273.

2 Куниця А.В., Дудніков О.М. Розробка та розвиток оціночних показників рівномірності руху автомобіля в умовах системи автомобіль-дорога // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний вісник. – МВС України, 2002. - № 1 (12). – С. 84-89.

3 Дудніков О.М. Розробка й розвиток оціночних показників рівномірності руху транспортних потоків // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний вісник. – МВС України, 2002. - № 2 (13). – С. 120-124.

4 Дудников А.Н. Энергетические характеристики системы безопасности движения транспортного потока // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний вісник. – МВС України, 2002. - № 3(14). – С. 63-67.

5 Четверухін Б.М., Дудніков О.М. Енергетична характеристика безпеки руху транспортного потоку // Вісник Національного транспортного університету та Транспортної академії України. – К., 2002 . – Випуск 7. – С. 175-179.

6 Дудніков О.М. Енергетичний підхід до аналізу безпеки руху транспортного потоку // Автошляховик України. – 2003. - № 2 (172). – С. 22-25.

7 Дудніков О.М. Формування й експериментальне обґрунтування системи оцінки рівня безпеки руху енергетичними характеристиками транспортного потоку // Безпека дорожнього руху України. Науково-технічний вісник. – МВС України, 2003. - № 1-2. –С. 63-72.

Не у фахових виданнях:

8 Четверухін Б.М., Дудніков О.М. Інформаційно-енергетична модель оцінки рівня безпеки руху транспортних потоків // 59 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К.: НТУ. - 2003. – С. 90.

АНОТАЦІЇ

Дудніков О.М. Аналіз та підвищення безпеки дорожнього руху на основі енергетичних характеристик транспортного потоку. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.01 – Транспортні системи. – Національний транспортний університет, Київ, 2003.

Розроблено метод аналізу та підвищення безпеки дорожнього руху на основі енергетичних характеристик руху транспортного потоку. Введено поняття “небезпеки дорожнього руху”, на основі якого сформульовані часні поняття “абсолютної, загальної й місцевої небезпек руху” одиночного транспортного засобу та транспортного потоку, для яких виведені відповідно миттєва, просторова та часова енергетичні характеристики, що об'єктивно зв'язують показники руху транспортного потоку з показниками аварійності. Виведено математичний зв'язок між параметрами рівномірності руху транспортних засобів у потоці, між коефіцієнтом безпеки і шумом прискорення. Розроблено спосіб щодо визначення поточних значень миттєвої, просторової та часової енергетичних характеристик у певному перетині реального транспортного потоку, що дозволить відслідковувати поточний рівень безпеки дорожнього руху та якісно на нього впливати.

Розроблений