МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

Душник Володимир Феліксович

УДК 656.13.022

ЗАСПОКОЄННЯ РУХУ В ЦЕНТРАЛЬНИХ ЧАСТИНАХ МІСТ

СТРИМУВАННЯМ ТРАНСПОРТНИХ ПОТОКІВ

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.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор,

ПОЛІЩУК Володимир Петрович,

Національний транспортний університет,

професор кафедри “Транспортні системи та маркетинг”

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, доцент,

МИРОНЕНКО Віктор Кімович,

Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України, начальник відділу перевезень та економічних методів;

кандидат технічних наук, доцент,

ДАВІДІЧ Юрій Олександрович,

Харківська Державна академія міського господарства, доцент кафедри “Транспортних систем та логістики”.

Провідна установа – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра мехатроніки автотранспортних засобів, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться ”_25_” _лютого_ 2004 року о _12_годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д 26.059.02 при Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, Київ-10, вул. Суворова, 1.

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

Автореферат розісланий “____” ________ 20__ р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої Ради

кандидат технічних наук доцент Дзюба О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для сучасного періоду є характерним безупинне зростання об'ємів вантажних та пасажирських перевезень, що ставить підвищені вимоги до удосконалення міського транспорту в нашій країні. Статистичні дані говорять про те, що в останні десятиріччя спостерігається значна концентрація населення в містах. Транспорт забезпечує можливість життєдіяльності міста як цілісної системи з його адміністративними, економічними, культурно-освітніми та іншими функціями. По мірі зростання міста його вимоги до транспортних систем підвищуються.

Проте існує невідповідність між технічними можливостями сучасного міського транспорту та їх реальним використанням. Прикладом цього можуть служити низькі швидкості сполучення вуличного масового пасажирського транспорту - вони складають 15-18 км/год, що створює відчутні проблеми для міста.

Транспортні проблеми до деякого часу вдавалося вирішувати удосконаленням техніки рухомого складу, але на сьогоднішній день цей напрямок вже не дає достатнього ефекту. Вирішення задач транспортного обслуговування міста можна поділити на два основних комплекси: проектування міських транспортних систем і організацію руху міського транспорту.

Висока потреба міст в системах організації руху, які б забезпечували максимальну якість перевезень за мінімальних витрат транспортного часу, мінімальної транспортної "стомленості" та собівартості при подальшому зростанні рівня автомобілізації.

З вище сказаного походить, що питання взаємодії міського транспорту з містом, що обслуговується, потрібно вирішувати на основі системних уявлень.

В цілому транспортні системи міст являють собою складні багатогалузеві господарства, основними елементами яких є рухомий склад, шляхові споруди і пристрої, споруди і пристрої для зберігання, технічного обслуговування і ремонту рухомого складу, споруди і пристрої енергозабезпечення рухомого складу, пристрої організації руху рухомого складу. Однак забезпечення належного рівня ефективності транспортних систем, є насамперед пошуком компромісу між транспортною та іншими функціями міста. В останні роки, поряд з архітектурно-планувальними рішеннями в містах, найбільш поширеними є методи організації дорожнього руху.

Проблемам організації дорожнього руху в містах присвячені наукові праці багатьох вітчизняних та іноземних науковців, зокрема В. Бабкова, Ф. Вебстера, О. Гаврилова, О. Дзюби, Д. Дрю, В. Єресова, Х. Іносе, Г. Клінковштейна, В. Кременця, Є. Лобанова, В. Лук’янова, М. Печерського, В. Поліщука, В. Сільянова, Д. Самойлова, М. Фішельсона, Ф. Хейта, Б. Четверухіна, В. Шештокаса та інших

Однак слід відмітити, що сьогодні традиційні методи організації руху, як-то регулювання рухом за допомогою знаків і світлофорів на окремих перехрестях або магістралях, вже не дають бажаного результату. Тому в останній час значна увага наукових досліджень у сфері дорожнього руху спрямована на створення нових ефективних методів управління транспортними і пішохідними потоками на мережі перехресть, в районі або місті в цілому. Одним з таких методів, який набуває все більшого розповсюдження є створення зон заспокоєного руху. Метою цього прогресивного методу є насамперед, забезпечення оптимального рівня безпеки руху в містах шляхом накладення певних обмежень на рух транспортних і пішохідних потоків, примусового зниження швидкостей руху, відведення транзитного транспорту від міських кварталів тощо.

Одним з раціональних способів заспокоєння руху є управління швидкістю руху транспортних потоків, тобто їх стримування на підходах до зон заспокоєного руху та у самих зонах. Застосування такого радикального заходу вимагає обґрунтування доцільності його введення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконувалась згідно “Цільової комплексної програми розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, прийнятої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 23.07.1993 №551-Р; “Програми забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів”, прийнятої постановою Кабінету Міністрів України від 06.04.1998 № 456; “Державної програми забезпечення безпеки руху на автомобільних дорогах, вулицях міст, інших населених пунктів і залізничних переїздах на 2003-2007роки”, схваленої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 29.01.2003 № 56-р; а також планів Міністерства освіти і науки України за напрямом “Проблеми формування раціональних транспортних логістичних систем і забезпечення ефективного функціонування їх складових” та планів роботи Науково-дослідного центру з безпеки дорожнього руху МВС України.

Метою дослідження є розробка методу заспокоєння руху в центральних частинах найзначніших та значних міст стримуванням транспортного потоку на підходах до них.

Задачі дослідження:

- провести аналіз існуючих методів обмеження руху транспортних потоків на вулично-дорожній мережі найзначніших та значних міст;

- розробити теоретичні основи оптимізації швидкісного режиму в зоні заспокоєного руху в центральних частинах міст;

- довести можливість заспокоєння руху в центральних частинах найзначніших та значних міст із застосуванням стримування транспортних потоків на підходах до них за допомогою систем світлофорного управління дорожнім рухом;

- розробити математичні моделі руху груп автомобілів, сформованих світлофорною сигналізацією на регульованому перехресті магістралей з регульованим рухом;

- розробити математичну модель розпаду груп автомобілів на перегоні між регульованими перехрестями із застосуванням світлофорного регулювання для стримування транспортного потоку;

- визначити режими роботи систем управління світлофорними об’єктами на підходах до зон заспокоєного руху в центральних частинах найзначніших та значних міст.

Об’єкт дослідження - заспокоєння руху в центральних частинах найзначніших та значних міст.

Предмет дослідження - центральні частини найзначніших та значних міст.

Методи дослідження. Для досягнення мети та вирішення задач дослідження використовувалось широке коло методів наукового аналізу. В основу методики дослідження було покладено діалектичний метод. Враховуючи об‘ємність мети та багатоплановість задач дослідження, для його забезпечення використовувались ідеї, положення та методи природничих і технічних наук, філософії, логіки, інформатики та управління. Для вивчення джерелознавчої бази та розробки теоретичних основ дослідження використовувались аналіз, синтез, порівняння, класифікація та інші наукознавчі методи. Розробка математичних моделей здійснювалась із залученням методів математики, статистики, системного аналізу, теорій імовірностей та інформатики. Визначення режимів роботи систем управління світлофорними об’єктами здійснювалось на основі використання теорії управління транспортними та пішохідними потоками, сучасних можливостей науково-технічного забезпечення організації дорожнього руху, розроблених теоретичних моделей та алгоритмів. В процесі проведення дослідження загальнонауковий інструментарій та методи окремих наук були скомпоновані у своєрідну алгоритмізовану програму заспокоєння руху в центральних частинах найзначніших та значних міст стримуванням транспортного потоку на підходах до них.

Наукова новизна одержаних результатів:

- одержано закономірності стримування транспортного потоку на підході до центральної частини найзначніших та значних міст з метою заспокоєння руху в них з використанням автоматичних систем управління дорожнім рухом (світлофорної сигналізації);

- обґрунтовано верхні межі швидкості пересування в зоні заспокоєного руху та поза неї за ймовірністю скоєння ДТП при взаємодії транспортних і пішохідних потоків.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена методика стримування транспортних потоків на підходах до зон заспокоєного руху методами світлофорної сигналізації;

- визначені рекомендації щодо швидкісних режимів пересування транспорту в таких зонах;

- сформульовані узагальнені рекомендації для визначення межи швидкостей транспорту у міських умовах.

Особистий внесок здобувача. Одержані автором наукові дані є самостійним внеском у розробку проблеми заспокоєння руху в центральних частинах міст. Ідеї та думки, що належать співавторам публікацій, не використовуються у матеріалах дисертації. У наукових публікаціях написаних в співавторстві особистим внеском автора є: у публікації 1 – теоретичний аналіз наукових джерел та практичних досліджень щодо створення зон заспокоєного руху; у публікації 3 – дослідження розподілу інтенсивностей руху груп автомобілів, умов їх розпаду, побудова математичної моделі та визначення критичної довжини перегону в режимі координації; у публікації 4 – розробка теоретичних засад оптимізації швидкості транспортних засобів (ТЗ) в зонах заспокоєного руху та проведення експериментальних досліджень з метою обґрунтування запропонованих аналітичних залежностей; у публікації 5 – розробка технології адаптації систем світлофорного регулювання режимам руху транспортних потоків на підходах до зон заспокоєного руху; у монографії “Коментар до Правил дорожнього руху” – розділи 7 “Регулювання дорожнього руху”, 12 “Швидкість руху”, 16 “Проїзд перехресть”, 26 “Рух в житловій та пішохідній зоні”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 57–58 наукових конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету (Київ, 2002-2003 рр.); Міжнародній науково-практичної конференції “Логістика – 2002” (Харків, 2002 р.); науково-методичному семінарі в рамках 8-ї Міжнародної виставки технічних засобів забезпечення безпеки дорожнього руху “Інтерсигналдортранс” (Москва, 2003 р.)

Публікації. Матеріали дослідження знайшли своє відображення у 1 монографії та 6 статтях, які опубліковано у фахових наукових виданнях.

Обсяг і структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків до кожного розділу, загальних висновків, списку використаних джерел (145 найменувань) та 1 додатку. Загальний обсяг роботи складає 136 сторінок, дисертація містить 14 рисунків та 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладені положення про актуальність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі дослідження.

Перший розділ – “Застосування зональних обмежень руху транспортних засобів” присвячено аналізу сучасних методів зональних обмежень в центральних частинах найзначніших та значних міст. Ідея введення зональних обмежень ґрунтується на прагненні встановити єдині для визначеної території міста режими руху. Вулично-дорожня мережа (ВДМ) міста є частиною міських шляхів сполучення, що забезпечують необхідні вантажні та пасажирські зв’язки між окремими функціональними зонами міста й усередині окремих зон. Організація дорожнього руху здійснюється, як правило, на сформованій мережі автомобільних доріг, на якій транспортні зв’язки реалізовані за допомогою вулиць і доріг різних категорій: швидкісних доріг, магістральних вулиць і доріг, а також вулиць і доріг місцевого значення. При цьому, у залежності від планувальних характеристик тієї чи іншої ділянки ВДМ фахівцем з організації руху обирається відповідний метод і технічні засоби його реалізації. У практичній діяльності фахівців з організації дорожнього руху (ОДР) традиційно превалюють “осередковий” і “лінійний” методи, тобто розглядаються заходи на окремих перехрестях, примиканнях, транспортних розв’язках і на перегоні вулиці, ділянці дороги, на всій її довжині без урахування функціональних особливостей території. Такий підхід привів до того, що питаннями ОДР на мережі доріг міських районів з визначеною функціональною специфікою приділяється явно недостатньо уваги. Наслідком цього з’явилося, з одного боку, невиправдане перевантаження транспортом районів, де транспортна функція є другорядною, а з іншого боку – необґрунтований пріоритет автомобільного транспорту в районах проживання населення з усіма екологічними та соціальними негативними наслідками, що походять з цього.

Основною причиною зазначених недоліків є відсутність у даний час ефективних методів ОДР мережного та зонального характеру. Особливістю застосування зональних методів ОДР є необхідність урахування функціонального призначення даного району міської території. Функціональні особливості різних міських зон визначають нерівномірність розподілу перевезень по транспортній мережі й забезпечують, тим самим, можливість спеціалізації окремих її ділянок за видом обмеження руху.

У закордонній та вітчизняній практиці організації руху найбільше поширені такі види зональних обмежень: пішохідні зони; житлові зони; зони обмеженої швидкості руху; зони обмежених стоянок ТЗ; зони обмеженого в’їзду окремих категорій ТЗ у різні райони міста. Проведені у першому розділі теоретичні дослідження щодо формування перелічених зональних обмежень, визначення їх особливостей дозволили встановити, що при організації пішохідних і житлових зон необхідно вирішувати комплекс питань, пов’язаних з реконструкцією окремих ділянок вулично-дорожньої мережі міста, спорудженням на них додаткових пристроїв. Попутно виникає самостійна і досить складна задача компенсації порушених у результаті створення цих зон транспортних зв'язків.

Зонування режиму стоянок у містах вимагає комплексного підходу і, насамперед, для пошуку рішень по розміщенню ТЗ у прийнятній близькості від місць масового відвідування людей.

Зонування міської території за дозволеною швидкістю та по режимах пропуску різних категорій ТЗ може базуватися на принципі забезпечення екологічної безпеки, тобто враховувати інтереси населення (житлові райони, зони відпочинку) й збереження історичних пам’ятників і рослинності від шкідливого впливу транспорту. Реалізація цих методів також вимагає комплексного підходу, оскільки будь-яке обмеження на рух призводить до зміни вже сформованих транспортних зв’язків і викликає необхідність пошуку нових маршрутів руху.

Практично, у всіх дослідженнях не розглядається питання обмеження руху у центральних частинах міст, особливо старих. Принципово це можливо за рахунок створення зон заспокоєного руху, тобто зон, в яких обмежується кількість транспорту, що надходить до центральної частини. Можна сформулювати такі підходи до створення зон заспокоєного руху у центральних частинах міст:

- використання внутрішніх засобів: обмеження швидкостей руху; створення складної для руху мережі вулиць інженерно-планувальними заходами; створення фіксованих маршрутів руху в зоні між входами та виходами з неї;

- використання зовнішніх засобів: розподіл транспортних потоків маршрутами внутрішнього транзиту в обхід зони заспокоєного руху; зменшення і фіксація входів до зон заспокоєного руху та виходів з неї; формування складу транспортних потоків що надходять до зони; стримування транспортних потоків на підходах до зони заспокоєного руху.

Одним з ефективних заходів щодо створення зон заспокоєного руху у центральних частинах міст є стримування транспортного потоку на підході до зони. Технічні рішення цієї проблеми полягає у використанні таких способів стримування: збільшення кількості перехресть на магістралях з регульованим рухом; введення додаткових пішохідних переходів з світлофорним регулюванням на магістралях з регульованим рухом; використання систем світлофорної сигналізації для стримування транспортного потоку на існуючих перехрестях.

У другому розділі – “Теоретичні основи оптимізації швидкісного режиму в зоні заспокоєного руху в центральних частинах міст” – розглядаються питань визначення оптимальної швидкості руху ТЗ в зоні заспокоєного руху, із точки зору погодження умови забезпечення безпеки руху пішоходів і затримки ТЗ.

Аналіз швидкісного режиму автотранспорту інтенсивного руху дозволяє стверджувати, що при зниженні швидкості руху автотранспорту безпека руху пішоходів збільшується. Саме це твердження і використовується у країнах Західної Європи для обмеження швидкості руху в зонах заспокоєного руху, при цьому верхня межа обмеження швидкості складає 20 км/год. Але не має жодного теоретичного обґрунтування такого радикального заходу підвищення безпеки руху пішоходів за рахунок значних втрат часу інших учасників дорожнього руху, частка яких є досить значною.

Для вирішення зазначеної проблеми, насамперед, було визначено залежність ймовірної кількості ДТП у зоні заспокоєного руху від середньої швидкості руху ТЗ. Ймовірність здійснення і кількість ДТП, що трапляються на певної ділянці вулично-дорожньої мережі (ВДМ) залежить, при інших рівних умовах, від середньої швидкості руху транспорту на цій ділянці.

Гіпотетичною формою зазначеної залежності є експоненційна залежність, що досить добре себе зарекомендувала при описі багатьох природних залежностей. Згідно інтуїтивному представленню, при кількість ДТП () має зростати до певного умовно постійного рівня, який залежатиме від інтенсивності руху транспорту і пішоходів. На користь експоненційної форми залежності працюватиме також ствердження про те, що із зростанням швидкості руху транспорту темп зростання поступово зменшується, тому що висока швидкість руху транспорту сама по собі примушує пішоходів бути уважнішими на проїзній частині дороги.

Математичне трактування прийнятої робочої гіпотези матиме наступний вигляд:

, (1)

де N0 – кількість можливих ДТП, до якої прямує NДТП при прямуванні V до нескінченості;

б – коефіцієнт, що враховує залежність NДТП від швидкості руху V.

Задача визначення величини N0 вирішується наступним чином.

Враховуючи єдність та ймовірність природи виникнення ДТП, визначалися середні значення NДТП1 та NДТП2 на двох різних ділянках при відповідних швидкостях руху V1 та V2. Для чого була складена наступна система рівнянь:

, (2)

яка шляхом логарифмування, подальшого віднімання другого рівняння з першого і потенціювання була перетворена в остаточну формулу для визначення величини N0 :

(3)

Для визначення оптимальної швидкості пересування автотранспорту в зонах заспокоєного руху було здійснено вибір цільової функції:

, (4)

де С(V) – загальні втрати

СV(V) – втрати, пов’язані з затримками автотранспорту, які обумовлені зниженням середньої швидкості сполучення в у зоні заспокоєного руху;

СДТП(V) - втрати, пов’язані з можливим збільшенням середньої кількості ДТП у зоні заспокоєного руху за рахунок зростання швидкості сполучення.

Для поєднання цих двох показників в єдину формулу їх визначення здійснювалось з розрахунку на одиницю довжини шляху сполучення (L0). тобто були застосовані питомі значення цих показників. А саме, значення СV(V) було визначено з наступних міркувань:

, (5)

де - щільність транспортного потоку на ділянці L0;

л– ?нтенсивність руху;

Счас1- вартість 1 години затримки ТЗ.

Друга складова формули (4) з урахуванням (3) має такий вигляд:

, (7)

де С1ДТП – середня вартість одного ДТП

Після визначення складових загальних втрат цільову функцію оптимізації швидкості в зоні заспокоєного руху остаточно було отримано в наступному вигляді:

. (8)

Далі для оптимізації швидкості руху автотранспорту в зонах заспокоєного руху були використані ідеї нелінійного програмування. При цьому в якості нелінійної цільової функції запропоновано прийняти загальні втрати, пов’язані як із збільшенням часу пересування у зоні заспокоєного руху за рахунок зниження швидкості ТЗ, так і втрати, пов’язані з одночасним зменшенням кількості ДТП при адекватному зменшенні швидкості руху. Очевидно також протилежне: при збільшенні швидкості руху одночасно спостерігається як зменшення втрат часу на пересування в зоні заспокоєного руху, так і збільшення кількості можливих ДТП.

Таким чином, оптимальна швидкість руху забезпечує мінімум втрат, пов’язаних одночасно як із зменшенням швидкості руху, так і кількістю можливих ДТП, що викликані цим зменшенням швидкості:

, (9)

при обмеженні: ,

де Vmax – максимальна швидкість руху ТЗ, що спостерігається на під’їзді до ділянки, що розглядається.

Графічна інтерпретація рішення задачі визначення оптимальної швидкості в зонах заспокоєного руху умовно показана на рис. 1.

Рис.1 Графічна інтерпретація рішення задачі визначення оптимальної швидкості в зонах заспокоєного руху

Виходячи з вище наведених міркувань була розроблена методика визначення питомої кількості ДТП на ділянці ВДМ, яка дозволяє порівнювати умови безпеки руху транспорту та пішоходів на різних ділянках зони заспокоєного руху.

Третій розділ - “Аналіз та розробка методів стримування транспортних потоків на підходах до зон заспокоєного руху” - присвячений вирішенню задачі стримування транспортного потоку на в’їзді в зону заспокоєного руху. ТЗ рухаючись поза зон заспокоєного руху, мають швидкість руху, зазвичай відмінну (частіше вищу) за оптимальну для зони заспокоєного руху. Тому, коли такий ТЗ в’їжджає в зону, він повинен знизити свою швидкість руху до оптимального значення для даної зони. Якщо транспортний засіб є поодиноким, або в зону в’їжджає транспортний потік незначної інтенсивності руху, то особливих проблем із зниження його швидкості руху не виникає.

Але якщо інтенсивність потоку зростає до значення, що характеризує потік як частково зв’язаний або повністю зв’язаний, то при різкому одночасному зниженні швидкості руху такого потоку виникають, так звані “ударні хвилі”, які у значній мірі провокують небезпечні дорожньо-транспортні ситуації. У науковій літературі поступове зниження швидкості руху зветься “дроселюванням” швидкості. Стосовно транспортного потоку, на наш погляд, більш вдалим є термін “стримування транспортного потоку”, що в повній мірі відображає задачу керуючих технічних засобів ОДР.

Задача стримування транспортного потоку на в’їзді в зону заспокоєного руху має вирішуватися, з нашої точки зору, шляхом застосування систем світлофорної сигналізації, що працюють у режимі координації. Але застосування світлофорної сигналізації, як відомо, істотно впливає на характер руху транспортного потоку на виходах з регульованого перехрестя. Тому питання теоретичного аналізу процесів впливу світлофорного об’єкту на закономірності руху транспортних потоків є досить актуальною задачею.

Для цього було проведено теоретичне дослідження світлофорного об’єкту як формуючого фільтру транспортного потоку. При цьому не розглядався випадок “вливання” на перехрестя транспортних потоків з конфліктуючих напрямів руху, що здійснюють проїзд перехрестя в інших фазах світлофорного регулювання.

Характер розподілу інтенсивності руху в такий групі залежить як від характеру і значення інтенсивності руху на відповідному вході, так і від режиму світлофорного регулювання, кількості смуг руху та складу транспортного потоку. Для ефективної організації режиму координації двох суміжних регульованих перехресть у певному напряму руху існує критична відстань між ними, яка обумовлена саме вимогою недопущення злиття на вході до наступного перехрестя суміжних у часі груп ТЗ.

Спочатку було розглянуто формування транспортного потоку на виході з регульованого перехрестя. Графічне тлумачення цього процесу подано на рис.2. де: tiеф - ефективна тривалість фази в і-му циклі, впродовж якої рух у даному напрямку існує, tiц=Тіц- tiеф - тривалість неефективної фази і-го циклу, впродовж якої рух у даному напрямку є відсутнім.

Рис. 2 Графічне тлумачення процесу формування

групи ТЗ на виході з регульованого перехрестя

Для більш детального розгляду умов формування та розпаду груп ТЗ розглядалася миттєва інтенсивність руху , яка характеризує об’єм руху за одиницю часу і є порівняною з тривалістю руху в циклі. Застосування такої характеристики, як , дозволяє відслідковувати можливі коливання кількості ТЗ, що проходять перехрестя впродовж .

Максимальна кількість ТЗ у черзі і-го циклу визначається за допомогою наступної формули:

. (10)

де - кількість ТЗ у черзі, що залишилися у (і-1)-му циклі.

У деяких літературних джерелах саме величина застосовується для розрахунків необхідної тривалості ефективної зеленої фази, яка має забезпечити пропуск саме цієї кількості ТЗ впродовж зеленої фази і-го циклу. Але до “стоп – лінії” впродовж зеленої фази надходить додатково ще певна кількість ТЗ, які також повинні пройти “стоп–лінію” впродовж зеленої фази і-го циклу. З урахуванням зазначеного зауваження час роз’їзду черги (tр), який і визначає, власно, мінімально необхідну ефективну тривалість зеленої фази, має бути розрахований виходячи з максимальної кількості ТЗ, що надходять до “стоп–лінії” впродовж усього і-го циклу (). Цей показник можна визначити за допомогою наступної формули:

, (11)

Тоді мінімально необхідний час роз’їзду черги у і-му циклі визначатиметься як:

. (12)

Очевидно, що при умові рівності ефективної тривалості сигналу світлофору (tеф), який дозволяє рух за даним напрямком, і часу роз’їзду черги tр (тобто при tеф=tр), на виході з перехрестя у кожному циклі формується саме група автомобілів постійної інтенсивності qвих = qm = const. При цьому завжди забезпечується умова =0, тобто у кожному циклі черга ТЗ повністю роз’їжджається саме за час tеф. Таким чином, режим світлофорної сигналізації, що забезпечує tеф = tр, є найбільш ефективним при організації координованого управління роботою групи світлофорних об’єктів на певній магістралі тому, що рух транспорту через перехрестя впродовж ефективного часу зеленої фази здійснюється завжди потоком насичення qm.

Якщо здійснити вибір режиму світлофорної сигналізації, що відповідатиме умові tеф<tр, то на виході з перехрестя також буде мати місце груповий рух ТЗ з постійною й максимальною інтенсивністю руху за даним напрямком (qвих=qm=const) впродовж часу tеф, але від циклу до циклу черга автомобілів на вході у даному напрямку поступово зростатиме теоретично до нескінченості. Таким чином додержання умови tеф<tр через певну кількість циклів світлофорного регулювання викликатиме “заторову” ситуацію, тобто коли довжина черги перевищить довжину перегону між суміжними перехрестями, тому такий режим роботи світлофорного об’єкту є неприпустимим.

Таким чином, після перетину “стоп–лінії”, при додержанні умови , безпосередньо на виході з регульованого перехрестя спостерігається груповий рух ТЗ з коефіцієнтом заповнення часу руху:

(13)

При цьому вихідна інтенсивність руху в групі дорівнюватиме:

- при tеф=tр:

; (14)

- при tеф>tр:

. (15)

Наведені формули дозволяють краще зрозуміти процеси формування груп ТЗ на виході з регульованого перехрестя, але у практиці розрахунків систем світлофорного регулювання зазвичай використовують відносні характеристики: часові – відносно тривалості циклу Тц; інтенсивні – відносно інтенсивності потоку насичення qm. Такий прийом дозволяє використовувати Тц в якості одиниці виміру поточного часу функціонування регульованого перехрестя, а представляється як характеристика ступеню завантаження певного напрямку руху. Таким чином, якщо прийняти tеф tзел, де tзел - тривалість горіння зеленого сигналу в напрямку координації, то:

(16)

є, відповідно, доля ефективного та неефективного сигналів світлофорів у і-му циклі в напрямку координації;

(17)

є відносна миттєва завантаженість входу на перехрестя у і-му циклі регулювання.

При такому представленні вище зазначена умова виключення створення черги на даному напряму (tеф tр) при вх(t)=const може бути інтерпретована як

, (18)

тобто для забезпечення сталої роботи (без зростання черги) регульованого перехрестя у к-му напрямку доля ефективного сигналу в і-му циклі регулювання має бути рівною або більше фазового коефіцієнта даного напрямку руху.

Аналогічну умову можна визначити стосовно відносного часу роз’їзду черги giр:

(19)

де - пропускна здатність регульованого перехрестя за час циклу.

Зауважимо також, що при відносна миттєва інтенсивність руху на виході з перехрестя визначатиметься за допомогою формули:

, (20)

де - поточний час у долях циклу.

Очевидно, що при giр = gi у межах відносного ефективного часу циклу вихідна інтенсивність руху завжди постійна і дорівнює . У відносних величинах це означає, що , тобто відносна вихідна інтенсивність руху представляє собою імпульс прямокутної форми тривалості с відносною амплітудою потоку насичення .

Визначивши у аналітичному вигляді форму груп ТЗ на виході з регульованого перехрестя, далі було проаналізовано закономірності деформування зазначених груп впродовж часу їх руху перегоном до суміжного у напрямку координації регульованого перехрестя, адже саме наслідки деформування груп, що покидають попереднє перехрестя, визначають режим роботи наступного перехрестя.

Для цього насамперед, була прийнята гіпотеза про те, що ? – час проїзду певної відстані L, є випадковою величиною і описується нормальним законом розподілу зі щільністю

(21)

де - середнє квадратичне відхилення значень (час проїзду відстані L j-м ТЗ) відносно = L/Vк - математичного сподівання часу проїзду відстані L зі швидкістю координації .

Зауважимо, що у подальшому використовувались відносні величини, тому час проїзду ф і середнє квадратичне відхилення мають вигляд:

, (22)

де Nгр – кількість ТЗ в сформованої групі.

Оскільки значення зі збільшенням відстані збільшується внаслідок різних швидкостей руху окремих ТЗ (), значення середнього квадратичного відхилення також буде збільшуватися, що і є причиною збільшення варіацій часової довжини групи з ростом .

Якщо є відносною миттєвою інтенсивністю руху на виході з регульованого перехрестя, то для перерізу, який знаходиться на відстані L від цього перехрестя, відносна миттєва інтенсивність руху матиме вигляд:

(23)

Для спрощення розрахунків було замінено реально існуючу функцію на окремих ділянках інтервалу часу (тобто впродовж відносного часу g) поліномами нульового порядку, як це показано на рис.3, де позначено:

сm - відносна інтенсивність вихідного потоку насичення впродовж роз’їзду черги ТЗ,

сі. – відносна інтенсивність вихідного потоку в і-му циклі після роз’їзду черги.

Рис.3. Представлення вихідної інтенсивності

на виході з регульованого перехрестя за

допомогою поліномів нульового порядку

Для цього весь інтервал часу ? від було розбито на певну кількість ділянок часу (n), на кожній з яких початкове значення прийнято в якості поліному нульового порядку, що не змінює свого значення впродовж відповідної ділянки.

У математичному виді це можна записати у вигляді:

(23)

на інтервалах часу

Умовне графічне представлення процесу розпаду групи ТЗ на виході з регульованого перехрестя із збільшенням відстані від цього перехрестя представлено на рис.4.

Рис.4. Процес розпаду групи ТЗ на виході з регульованого перехрестя із збільшенням відстані від цього перехрестя.

Криві при дозволили зробити певні висновки щодо характеру розподілу форми групи впродовж її руху від попереднього до наступного перехрестя:

· із збільшенням відстані від перехрестя максимальне миттєве значення інтенсивності руху в групі (сmi) зменшується, а часова та просторова довжини кожної з груп ( та відповідно) збільшуються.

· коли останній транспортний засіб попередньої групи буде наздогнаний першим транспортним засобом наступної групи режим координації стає недоцільним.

У подальшому були проведенні дослідження щодо адаптації систем світлофорного регулювання до задач управління транспортними потоками на підходах до зон заспокоєного руху. Принциповим моментом такого дослідження стало те, що замість традиційного збільшення швидкості руху всього потоку засобами координованого управління необхідно вирішувати задачу зменшення швидкості руху окремих, найбільш мобільних груп ТЗ у потоці.

При призначенні рекомендованих швидкостей координації були враховані певні вимоги, що впливають з умов забезпечення безпеки руху:

1. Якщо в звичайних системах координації рекомендована швидкість руху обирається з умови 75% забезпечення швидкостей руху ТЗ в потоці, що призводить до прискорення середньої швидкості потоку, то в системах координації на підходах до зони заспокоєного руху слід обирати початкову швидкість координації Vкоорд на рівні існуючої середньої просторової (але не середньої часової) швидкості руху потоку, яка визначається за допомогою формули:

(24)

де N – кількість вимірів швидкостей окремих ТЗ;

m – кількість введених градацій змін швидкостей руху;

fnj – частоти попадання швидкостей в j – й інтервал ;

tnj – середній час проходження базової відстані між двома рамками (ld);

lcp – середня довжина ТЗ у потоці.

2. На кожному наступному перегоні необхідно поступово зменшувати значення Vкоорд, але не більш як на 5% від попереднього значення, що дозволить уникнути появи можливих ударних хвиль у транспортному потоці при його штучному стримуванні.

3. Остаточне значення швидкості руху на вході в зону заспокоєного руху визначається з міркувань, що були викладені вище.

4. При визначенні величин фазових зсувів між (i-1) та i- м перехрестями в режимі координації () необхідно застосовувати наступну формулу:

, (25)

де - відстань між (i-1) та i- м перехрестями,

- швидкість координації на зазначеному перегоні;

- максимальне ціле число циклів світлофорного регулювання , що “вкладаються” в час пересування транспортного потоку на зазначеному перегоні при швидкості .

У четвертому розділі – “Експериментальні дослідження та моделювання умов руху на підходах до зон заспокоєного руху та в самих зонах” містяться як результати власних експериментальних досліджень властивостей транспортних потоків в режимах їх стримування засобами світлофорної сигналізації, так і аналіз та узагальнення результатів раніше опублікованих досліджень щодо впливу світлофорної сигналізації на характеристики транспортних потоків.

Зокрема, результати експериментальних досліджень стосовно визначення оптимальної швидкості пересування автотранспорту в зонах заспокоєного руху дозволили уточнити існуюче у практиці зарубіжних країн значення обмеження швидкості руху в таких зонах (28 км/год замість 20 км/год), а поза зоною заспокоєного руху в якості верхнього обмеження швидкості руху доцільно використовувати значення 50 км/год. Також було доведено правомірність результатів теоретичного розгляду процесів розпаду груп ТЗ, сформованих роботою світлофорної сигналізації та отримано аналітичний опис зазначеного процесу, який дозволяє визначати критичну відстань між суміжними регульованими перехрестями, що знаходяться у режимі координації. Крім цього були сформульовані вимоги до автоматичних систем управління стримуванням транспортних потоків на підходах до зон заспокоєного руху та запропонована структура подібної системи.

ВИСНОВКИ

У підсумку виконання дисертаційної роботи здійснено теоретико-прикладне обґрунтування і нове розв’язання наукової проблеми, що виявляється в розробці технології управління транспортними потоками з метою заспокоєння руху в центральних частинах міст шляхом стримування цих потоків, оптимізації швидкісних режимів в зонах заспокоєного руху, обґрунтуванні та експериментальній перевірці розроблених алгоритмів. Головними результатами роботи є:

1. На підставі вивчення теорії та практики управління транспортними потоками, аналізу вітчизняних та іноземних досліджень встановлено, що одним з ефективних заходів щодо створення зон заспокоєного руху у центральних частинах найзначніших та значних міст є стримування транспортного потоку на підході до зони з використанням систем світлофорної сигналізації.

2. Сформульована задача оптимізації швидкості руху автотранспорту в зонах заспокоєного руху як задача нелінійного програмування і запропоновано структуру цільової функції, що враховує як питомі втрати за рахунок ймовірних ДТП, так і втрати автотранспорту, обумовлені можливим зниженням швидкості руху до її оптимального значення.

3. У результаті теоретичних досліджень світлофорних об’єктів як формуючого фільтру транспортного потоку встановлені закономірності деформації транспортного потоку на виході з регульованого перехрестя та отримані аналітичні залежності розпаду сформованої групи автомобілів, на підставі яких визначено критичну відстань між перехрестями за якої доцільним є введення режиму їх сумісної роботи в режимі координації.

4. Результати експериментальних досліджень стосовно визначення оптимальної швидкості пересування автотранспорту в зонах заспокоєного руху дозволили уточнити існуюче у практиці зарубіжних країн значення обмеження швидкості руху в таких зонах (28 км/год замість 20 км/год).

5. Доведено, що в ординарних умовах руху транспортних засобів в центральних частинах міст (поза зоною заспокоєного руху) в якості верхнього обмеження швидкості руху доцільно використовувати значення [Vmax] = 50км/год.

6. Шляхом експериментальних досліджень доведена правомірність результатів теоретичного розгляду процесів розпаду транспортних засобів, сформованих роботою світлофорної сигналізації. Вперше отримано аналітичний опис зазначеного процесу, який дозволяє визначати критичну відстань між суміжними регульованими перехрестями, що знаходяться у режимі координації.

Зміст дисертаційного дослідження відображений у 7 публікаціях, з них:

Статті в наукових фахових виданнях:

1. Поліщук В.П. Душник В.Ф. - До питання стримування транспортного потоку на підході до зон заспокоєного руху. // Безпека дорожнього руху України: науково-технічний вісник. - К.: НДЦ БР МВС України. - 2001. - №3. С. 17-20.

2. Душник В.Ф. – Адаптація систем світлофорного регулювання до задач управління транспортними потоками на підходах до зон заспокоєного руху. // Безпека дорожнього руху України: науково-технічний вісник. - К.: НДЦ БР МВС України. - 2002. - №1. С. 33-36.

3. Четверухін Б.М., Душник В.Ф., Дерех З.Д. – Математична модель руху груп автомобілів, сформованих світлофорною сигналізацією на регульованому перехресті. // Безпека дорожнього руху України: науково-технічний вісник. - К.: НДЦ БР МВС України. - 2002. - №2. С. 81-93.

4. Душник В.Ф., Четверухін Б.М. - До обґрунтування швидкості руху автотранспорту в міських умовах. // Безпека дорожнього руху України: науково-технічний вісник. - К.: НДЦ БР МВС України. - 2002. - №3. С. 15-20.

5. Четверухін Б.М., Душник В.Ф. – Визначення режимів роботи систем координованого управління світлофорними об’єктами на підходах до зон заспокоєного руху. // Вестник Харковского национального автомобильно-дорожного унивеситета. Сборник научных трудов. - Х.: ХНАДУ. - 2003. - Випуск 20. - С. 72-75.

6. Душник В.Ф. – До питання організації дорожнього руху на вулично-дорожній мережі. // Безпека дорожнього руху України: науково-технічний вісник. - К.: НДЦ БР МВС України. - 2003. - №1-2. С. 39-41.

У не фахових виданнях:

7. Коментарі до Правил дорожнього руху – 2002 /С.Г. Коломієць, В.Ф. Душник, З.Д. Дерех, В.М. Зайченко, Ю.Є Заворицький/ За ред. О.Л. Міленіна. – Х.: “Світлофор”, 2003. – 336 с.

Анотація

Душник В.Ф. Заспокоєння руху в центральних частинах міст стримуванням транспортних потоків - Рукопис

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

Дисертація присвячено питанням розробки методу стримування транспортного потоку на підході до зон заспокоєного руху в центральних частинах найзначніших та значних міст. У результаті досліджень розроблена методика стримування транспортних потоків на підходах до зон заспокоєного руху методами світлофорної сигналізації; визначені рекомендації щодо швидкісних режимів пересування транспорту в таких зонах; сформульовані узагальнені рекомендації для визначення межи швидкостей транспорту у міських умовах; визначені закономірності деформації транспортного потоку на виході з регульованого перехрестя та отримані аналітичні залежності розпаду сформованої групи автомобілів, на підставі яких визначено критичну відстань між перехрестями за якої є доцільним введення режиму їх сумісної роботи в режимі координації.

Ключові слова: організація дорожнього руху, заспокоєння руху, транспортний потік, світлофорна сигналізація, швидкісний режим

Аннотация

Душник В.Ф. Успокоение движения в центральных частях городов сдерживанием транспортных потоков. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности: 05.22.01 - Транспортные системы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2003 г.

Диссертация посвящена вопросам разработки метода сдерживания транспортного потока на подходе к зонам успокоенного движения в центральных частях наибольших и больших городов. В результате проведенного исследования: установлено, что одной из эффективных мер создания зон успокоенного движения в центральной части наибольших и больших городов является сдерживание транспортного потока на подходе к зоне с помощью систем светофорной сигнализации; сформулирована задача оптимизации скорости движения автотранспорта в зонах успокоенного