Міністерство освіти і науки України

Національний транспортний університет

Коваленко Людмила Олександрівна

УДК 625.7/.8 + 65.015.11

Оцінка пропускної здатності

двосмугових автомобільних доріг з урахуванням

закономірностей поведінки водія

05.22.11 – Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Заслужений діяч науки і техніки України

Гаврилов Едуард Васильович,

Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри транспортних систем та логістики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с., Павлюк Дмитро Олександрович, Національний транспортний університет, професор кафедри “Аеропорти”;

кандидат технічних наук, Гончаренко Федір Петрович, Український державний інститут з проектування об’єктів дорожнього господарства, начальник відділу техніко – економічних та екологічних обґрунтувань.

Провідна установа: Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра реконструкції аеропортів та автошляхів.

Захист відбудеться “ 21 ” травня 2004 р. о 1000 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 в бібліотеці Національного транспортного університету: 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розіслано “_17_” квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Дзюба О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Найважливішою задачею соціально-економічного розвитку України є удосконалення транспортного комплексу країни. Це потребує розвитку всієї дорожньої мережі і міжнародних транспортних коридорів України. Сучасні економічні умови характеризуються дефіцитом матеріально-технічних ресурсів як у цілому по країні, так і в дорожній галузі зокрема. Це збільшує диспропорцію між прискореним розвитком автомобілізації і ростом довжини мережі доріг, темпами їхнього відновлення. У таких умовах величезного значення набуває вирішення проблеми ефективності капіталовкладень у будівництво, експлуатацію автомобільних доріг та організацію пасажиро– і вантажоперевезень.

Актуальність теми. Одним із шляхів вирішення даної проблеми є наукове обґрунтування пропускної здатності смуги руху і дороги в цілому.

Правильне прогнозування пропускної здатності та порівняння її з існуючою (чи очікуваною) інтенсивністю руху є важливою умовою призначення необхідної кількості смуг руху, а також раціонального використання капіталовкладень.

Існуючі методи оцінки пропускної здатності доріг практично не враховують ролі водія у формуванні режимів руху автомобілів, впливу інформаційного завантаження водія, його психічних і психофізіологічних можливостей.

Разом з тим, саме від водіїв, їхніх можливостей залежать швидкості руху, дистанції між автомобілями в транспортному потоці та організація руху. Ці характеристики руху є визначальними в оцінках пропускної здатності. Тому розробка методу оцінки пропускної здатності доріг з урахуванням закономірностей поведінки водіїв і організації руху є надзвичайно актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі вишукувань та проектування доріг Харківського національного автомобільно–дорожнього університету в межах координаційного плану Міністерства освіти і науки України за проблемою “Моделювання складних соціально–економічних, екологічних і технічних систем на основі перспективних інформаційних технологій”, затвердженого наказом №37 від 13.02.1997 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу оцінки пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія і організації дорожнього руху.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

- установити ступінь впливу мотивації діяльності водія та інформаційних характеристик середовища руху на величину дистанції між автомобілями і пропускну здатність автомобільної дороги;

- розробити модель оцінки пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг на основі урахування закономірностей поведінки водія та організації руху транспортних потоків;

- оцінити адекватність методу розрахунку пропускної здатності фактичним умовам руху і закономірностям поведінки водія;

- розробити методики визначення величини пропускної здатності при проектуванні та експлуатації автомобільних доріг.

Об'єктом дослідження є система “людина–автомобіль–середовище руху”.

Предметом дослідження є пропускна здатність двосмугової автомобільної доріги як елементу середовища руху.

Методи дослідження. У роботі використано системний підхід, методи системного аналізу, теорії інформації (для розробки моделі розрахунку пропускної здатності), методи математичної статистики, спеціальні психофізіологічні методи (для експериментальних досліджень закономірностей поведінки водіїв).

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримано подальший розвиток теорії взаємодії водія з середовищем руху, який ураховує вплив мотивації діяльності та інформаційних характеристик поля сприйняття водія на вибір швидкостей руху і дистанцій між автомобілями;

- уперше встановлено зв'язок між інформаційними характеристиками середовища руху і величиною пропускної здатності автомобільної дороги;

- уперше запропоновано метод визначення пропускної здатності дороги з урахуванням закономірностей поведінки водія та організації руху транспортних потоків.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено алгоритм розрахунку пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія та організації руху транспортних потоків;

- запропоновано методику визначення практичної пропускної здатності на існуючих автомобільних дорогах на основі аналізу варіабельності швидкостей руху.

Методики, що запропоновані в роботі, дозволяють підвищити точність визначення величини пропускної здатності в середньому на 12% у порівнянні з існуючими методами.

Приведені результати і методики можуть знайти широке практичне застосування при рішенні задач проектування та експлуатації доріг. Розроблені методики були впроваджені в проектну практику інститутів “Харківський Промтранспроект” і “Харківдіпрошлях” для оцінки проектних рішень на автомобільній дорозі Белгород–Ахтирка та для обгрунтування рішень при розробці проектів реконструкції, капітального ремонту та організації руху на автомобільних дорогах Київ–Харків–Довжанський та Харків–Сімферомполь. Впровадження розроблених методик показало ефективність їх застосування.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено експериментальні дослідження закономірностей поведінки водія в системі “людина–автомобіль–середовище руху”. Розроблено модель розрахунку пропускної здатності. Проведено аналіз роботи отриманої моделі при русі автомобілів у щільному, зв'язаному транспортному потоці та у вільному русі. У публікаціях зі співавторами здобувачем виконано наступне: отримано рішення для визначення пропускної здатності смуги руху дороги при русі автомобілів у колоні, групі та в “пачці” [4]. Запропоновано формулу розрахунку бажаної для водія дистанції між автомобілями [5].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на науково–технічній конференції “Повышение качества строительства дорог в Нечерноземной зоне РСФСР” (Суздаль, 1983 р.); конференції “Актуальные проблемы профилактики травматизма при дорожно–транспортных происшествиях” (Горький, 1984 р.); на науковій конференції “Психологические и эргономические вопросы безопасности деятельности” (Таллін, 1986 р.); міжнародній науковій конференції “Эргономика на автомобильном транспорте” (Харків, 1998 р.); міжнародній науковій конференції “Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже 3–го тысячелетия” (Харків, 2000 р.); науково–технічних конференціях ХНАДУ (1984–2003 р.р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 9 наукових праць, у тому числі 5 статей у журналах і збірниках наукових праць (з них 4 у фахових виданнях за переліком ВАК України) і 4 – матеріали і тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і 6 додатків. Повний обсяг роботи складає 191 сторінку, з них 121 сторінка основного тексту, 10 сторінок списку використаних джерел (110 найменувань), 16 сторінок додатків. Робота містить 46 рисунків (25 сторінок), 33 таблиці (29 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень. Розглянуто зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Відображено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Наведено відомості щодо апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі виконано аналіз існуючих методів визначення пропускної здатності автомобільних доріг.

За останні три–чотири десятиріччя фахівцями в нашій країні та за кордоном було запропоновано велику кількість моделей, що описують рух транспортних потоків. Вивченню цих питань присвячено роботи Т.М. Метсона, Ф.В. Харда, Ф.Хейта, Д.Р. Дрю, О.К. Біруля, Л.А. Кероглу, Ю.С. Крилова, В.Ф. Бабкова, В.В. Сільянова, Є.М. Лобанова, Е.В. Гаврилова, В.М. Трибунського, М.Ф. Хорошилова, О.А. Білятинського, В.П. Поліщука, Б.М. Четверухіна, А.М. Пальчика, О.В. Красильнікової та ін.

Аналіз існуючих методів оцінки пропускної здатності дозволив зробити такі висновки:

1. Якісні зміни характеристик транспортних потоків, що відбуваються в останні роки на Україні, приводять до зміни організації руху. Це виявляється у збільшенні швидкостей руху та скороченні інтервалів між автомобілями. У зв'язку з цим виникає необхідність удосконалення існуючих і розробки нових методів визначення фактичної величини пропускної здатності доріг. Реальна оцінка величини пропускної здатності автомобільних доріг є найважливішою задачею при проектуванні, експлуатації доріг, організації дорожнього руху.

2. У практиці проектування доріг використовують методи визначення пропускної здатності, засновані на технічних критеріях, що ураховують взаємодію автомобіля і дороги. Дані методи використовують велику кількість моделей, які описують рух транспортних потоків із різним ступенем спрощення. При цьому відбувається урахування впливу окремих факторів на величину пропускної здатності, але взаємний вплив елементів дорожнього середовища не ураховується. Результати розрахунку величини пропускної здатності автомобільної дороги з використанням різних методів істотно відрізняються один від одного.

3. Існуючі методи практично не ураховують ролі водія у формуванні організації руху автомобілів, впливу інформаційного завантаження водія, його психічних і психофізіологічних можливостей.

4. Розвиток методів системного проектування, а також ергономічних та інженерно–психологічних моделей руху транспортних потоків, створив передумови для розробки методу розрахунку пропускної здатності доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Урахування принципів поведінки людини дозволить визначити оптимальні для водія дистанції та швидкості руху, при яких водій відчуває мінімальну психічну напругу. Урахування сукупних системних властивостей комплексу “людина–автомобіль–середовище руху” надасть можливість найбільш точного визначення величини пропускної здатності автомобільних доріг.

У другому розділі дисертації викладено основні теоретичні положення, на яких базується модель розрахунку пропускної здатності з урахуванням закономірностей поведінки водія.

Для оцінки величини пропускної здатності дороги використовується зв'язок інтенсивності потоку з його швидкістю і щільністю у формі:

(1)

де N – інтенсивність потоку; q – щільність потоку; V – математичне чекання швидкості руху в транспортному потоці.

Задача визначення пропускної здатності автомобільної дороги зводиться до знаходження такої оптимальної щільності потоку, при якій функція (1) приймає екстремальне значення. Формально ця задача може бути представлена у вигляді:

(2)

Для встановлення залежності швидкості руху від щільності потоку був розглянутий рух автомобілів один за одним на мінімально безпечній відстані. Цю відстань будемо визначати на основі теорії взаємодії водія із середовищем руху. Було прийнято припущення, що рух відбувається по одній смузі й без обгону. У такий спосіб визначається пропускна здатність тільки однієї смуги руху.

З урахуванням прийнятих припущень щільність потоку може розглядатися як величина, зворотна середньому інтервалу між послідовними автомобілями. Тому рівняння стану транспортного потоку може бути представлено у вигляді:

(3)

де l – середній інтервал між послідовними автомобілями, км.

Як робочу гіпотезу приймемо, що вибір дистанції між автомобілями підпорядковується принципу найменшого психічного примушення. Величина психічного примушення при дії домінуючих мотиваційних сил може бути визначена за формулою:

, (4)

де , – функціональні норми дистанцій для мотиву безпеки руху і вільних дій відповідно; , – жорсткості функціональних норм і відповідно.

Дистанція, що забезпечує мінімум психічного примушення водія, дорівнює:

, (5)

де lН – індивідуальна норма дистанції.

Згідно з дослідженнями Е.В. Гаврилова індивідуальна норма дистанції до автомобіля, що рухається попереду, зв’язана зі швидкістю руху залежністю:

(6)

де А1 – велика піввісь еліпсу безпеки руху; ; a, b, c – коефіцієнти; – довжина автомобіля, км; – відстань від водія до переднього бампера його автомобіля, км.

Звідси, рівняння стану транспортного потоку може бути представлено у вигляді:

. (7)

З урахуванням викладеного, задача визначення пропускної здатності смуги руху може бути зведена до знаходження такої оптимальної швидкості потоку, при якій функція (7) приймає екстремальне значення, тобто:

(8)

Рішенням цієї задачі є:

, (9)

де – оптимальна швидкість руху.

Таким чином, пропускна здатність смуги руху Рm може бути визначена за формулою:

. (10)

Під час руху автомобілів один за одним без обгонів у транспортному потоці установлюється стійкий рівноважний стан. Цей стан характеризується тим, що всі автомобілі приймають однакову швидкість, рівну швидкості руху лідера. Вибір швидкості руху лідером стимулюється мотивацією дій і підпорядковується принципу найменшого психічного примушення. Відповідно до досліджень Е.В. Гаврилова різним станам транспортного потоку відповідають різні мотиваційні сили, що спонукають водія до керуючих дій.

У щільному (насиченому) потоці домінуючими мотиваційними силами є сила мотиву вільних дій Fс і сила мотиву збереження стаціонарності попередньої діяльності Fs. Кількісно дані сили можуть бути визначені за формулами:

(11)

де VH2, VH3 – функціональні норми швидкостей руху для мотивів вільних дій і стаціонарності попередньої діяльності відповідно; m2, m3 – жорсткості функціональних норм VH2 і VH3 відповідно.

У частково зв'язаному і зв'язаному потоках домінуючими є мотиваційні сили вільних дій Fc і безпеки руху Fб :

(12)

де VH1 – функціональна норма швидкості для мотиву безпеки руху; m1 – жорсткість функціональної норми швидкості VH1.

У вільному потоці домінуючими є мотиваційні сили безпеки руху Fб і реалізації динамічних можливостей автомобіля Fд:

(13)

де VH4 – функціональна норма швидкості для мотиву реалізації динамічних можливостей автомобіля; m4 – жорсткість функціональної норми швидкості VH4.

Індивідуальні норми швидкості руху, що забезпечують реалізацію принципу найменшого примушення:

- у щільному (насиченому) потоці (14)

- у зв'язаному і частково зв'язаному потоках (15)

- у вільному потоці (16)

де VН – індивідуальна норма швидкості руху.

Припустимо, що оптимальна швидкість транспортного потоку, при якій максимізується інтенсивність руху, знаходиться в лінійному зв'язку з індивідуальною нормою швидкості, тобто . Тоді пропускна здатність смуги руху з урахуванням (14), (15), (16) визначиться за формулами:

- для щільного (насиченого) потоку

(17)

- для зв'язаного і частково зв'язаного потоків

(18)

- для вільного потоку

(19)

де , k1, k2, k3, b1, b2, b3 – коефіцієнти.

Реальний транспортний потік складається з автомобілів, що рухаються у групах, “пачках” і вільних умовах.

Умовою об'єднання водіїв у групу є його вигідність. Вигідно тільки тоді, коли примушення групи водіїв менше примушень розрізнених водіїв:

, (20)

де – сумарне примушення водіїв, об'єднаних у групу; – сумарне примушення розрізнених водіїв; – примушення k – того водія; K – кількість водіїв.

Критична кількість водіїв у групі визначається за формулою:

, (21)

де – критична кількість водіїв у групі; – групова норма швидкості руху; – жорсткість групової норми швидкості руху; – сила зовнішньої мотивації дій водія.

При визначенні пропускної здатності для руху груп автомобілів прийнято розрахункову схему, приведену на рис. 1.

Рис. 1. Розрахункова схема руху груп автомобілів.

Пропускну здатність смуги руху для груп автомобілів визначаємо за формулою:

, (22)

де ; – довжина автомобіля, м; – відстань від водія до переднього бампера його автомобіля, м.

Оцінка пропускної здатності через функціональні норми швидкостей руху дозволяє зв'язати пропускну здатність з інформаційними характеристиками елементів поля сприйняття водія. Останнє забезпечує урахування впливу зустрічного транспортного потоку та наявність “пачок” автомобілів. Функціональні норми швидкостей руху VH1, VH2 і їх жорсткості тісно зв'язані з максимальною ентропією поля сприйняття водія.

Максимальна ентропія поля сприйняття водія, що відповідає практичній пропускній здатності дороги, дорівнює:

, (23)

де Hm – максимальна ентропія поля сприйняття водія в даних дорожніх умовах руху; Hm0 – максимальна ентропія поля сприйняття водія у вільному русі; Hmk – максимальна ентропія поля сприйняття водія при завантаженні дороги рухом, рівним її пропускної здатності; ; – кількість транспортних засобів, що попадають у межі поля сприйняття водія при завантаженні дороги рухом, рівним теоретичній пропускній здатності дороги; Vмт – максимально можлива швидкість руху автомобіля на прямій горизонтальній ділянці дороги в еталонних умовах; ; .

Аналіз формули (23) показує, що вираз у квадратних дужках може розглядатися як коефіцієнт пропорційності між практичною і теоретичною пропускною здатністю дороги, тобто:

, (24)

де – практична пропускна здатність смуги руху; – теоретична пропускна здатність смуги руху, що розрахована за формулою (22).

Визначення практичної пропускної здатності відповідно до (24) справедливе лише для умов руху на ділянці, обмеженій довжиною поля сприйняття водія. При переході від одного поля сприйняття до другого пропускна здатність смуги руху може змінюватися. У цьому випадку за пропускну здатність смуги руху варто приймати найменше значення з розрахованих для всіх полів сприйняття водія.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень, метою яких була перевірка гіпотези щодо вибору дистанцій між автомобілями та швидкості руху на основі принципу найменшого психічного примушення. Експерименти проводилися на Окружній дорозі м. Харкова. Ширина проїзної частини дорівнювала 7,5 м, ширина узбіч знаходилася в межах 3,0 – 4,5 м, укріплена смуга узбіччя мала ширину 0,75 м. Проїзна частина має цементобетонне покриття, коефіцієнт поздовжнього зчеплення знаходився на рівні 0,7.

В експериментальних дослідженнях використовувалися пересувні лабораторії на базі автомобілів УАЗ–452, РАФ–2203. В експериментах брали участь шість водіїв. У процесі експериментальних заїздів проводилася безперервна реєстрація факторів середовища руху, показників функціонального стану організму водія, швидкості та траєкторії руху пересувної лабораторії. Фактори середовища руху фіксувалися за допомогою телекамери “Електроніка Н–801”, відеомагнітофону, відмітника подій. Показники функціонального стану оцінювалися за результатами реєстрації електрокардіограми (ЕКГ) та електропневмограми (ЕПГ). Для реєстрації ЕКГ використовувався стандартний електрокардіограф ЕКГТ–03М “Салют”. Для реєстрації ЕПГ використовувався датчик потоку тепла. Вихідні сигнали з усіх приладів подавалися на швидкодіючий самописець Н338–6П.

Експерименти проводилися по схемі “рух за лідером”. В ролі лідера використовувався автомобіль ЗАЗ–968М. Водію задавалися дистанції до лідера в наступному порядку: 5, 10, 20, 40, 60, і 80 м при швидкості руху 20, 40, 60 і 80 км/год. Вплив мотивації на вибір водієм дистанції між автомобілями вивчався за допомогою методу деформації цільової установки. Як цільову приймали установку на утримання заданої дистанції до автомобіля–лідера. Деформації цієї установки, тобто відхилення фактичної дистанції від заданої, служили для оцінки сили мотивації. Зміни деформації цільової установки та сили мотивів показано на рис. 2, 3.

Точки перегину та зміни кута нахилу залежностей виникають у зв’язку зі зміною характеру мотивації. Точки, у яких сумарна деформація цільової установки дорівнює нулю, відповідають оптимальним дистанціям lopt для конкретних дорожніх умов.

В зоні дії домінуючих мотиваційних сил (безпеки руху та вільних дій) було обчислено індивідуальні норми дистанцій за формулою (5). Порівняння обчислених значень індивідуальних норм із фактичними значеннями оптимальних дистанцій lopt виконувалося за величиною критерію і показало недостовірність розбіжностей між цими величинами. Крім того, розрахунок величини психічного примушення за формулою (4) показав, що рух із дистанціями, рівними їх індивідуальним нормам, супроводжується мінімальними значеннями психічного примушення.

Зміна сили мотивації супроводжується зміною активності функціональних фізіологічних систем, що обумовлюють виконання трудової діяльності. Для підтвердження того, що індивідуальні норми дистанцій є оптимальними для водія, необхідно провести спільний аналіз зміни величин дистанцій та змін, що відбуваються у фізіологічному стані водія. В роботі для характеристики функціонального стану організму водія було використано наступні показники: середню частоту серцебиття, величину RR–інтервалів, статистичні характеристики розподілу кардіоінтервалів, індекс напруження, частоту дихання, а також зсув цих показників у процесі руху відносно основного стану водія (спокою). Аналіз залежностей зміни частоти серцебиття, частоти дихання та зсувів цих показників показав, що мінімальні значення цих величин відповідають дистанціям, близьким до функціональних норм дистанцій для домінуючих мотиваційних сил lН1 , lН2 . За межами діапазону норм дистанцій відбувається збільшення зсувів частоти серцебиття, дихання та індексу напруження.

Рис.2. Зв'язок заданої дистанції між автомобілями і силою домінуючих мотивів при швидкості руху Vз = 80 км/год; 1 – мотив безпеки руху; 2 – мотив вільних дій; 3 – мотив припинення руху (руйнування діяльності); 4 – мотив виключення монотонності руху.

Рис. 3. Сумарна деформація цільової установки при швидкості руху Vз = 80 км/год.

Спостереження за фактичними дистанціями між легковими автомобілями в транспортному потоці показали, що мода розподілення дистанцій співпадає з індивідуальною нормою цієї дистанції. Все це підтверджує, що вибір водіями дистанцій між автомобілями відбувається під впливом мотивації і підлягає принципу найменшого психічного примушення, рис 4, 5.

Однією із задач експериментальних досліджень було вивчення впливу інформаційних характеристик поля сприйняття водія на вибір ним дистанції. Кількісні характеристики потреб у детермінованості П1 та активності взаємодії П2 водія із середовищем руху можна виразити через інформаційні характеристики:

(25)

де Q, QH – абсолютна організація поля сприйняття водія та її норма; – поточна ентропія поля сприйняття водія та її норма.

Рис. 4. Зв’язок заданої відстані з показниками функціонального стану організму водія при швидкості руху 80 км/год. Цифри на кривих: 1 – психічне примушення; 2 – зсув частоти серцебиття.

Рис. 5. Розподіл дистанцій між мікроавтобусами та легковими автомобілями в транспортному потоці при швидкості руху 80 км/год.

Розрахунок інформаційних характеристик проводився за формулами теорії інформації. Кореляційний аналіз показав наявність тісного лінійного зв’язку між деформаціями цільової установки та кількісними характеристиками потреб П1 і П2, коефіцієнти кореляції знаходилися в межах 0,828 – 0,911. Це є доказом суттєвого впливу інформаційних характеристик поля сприйняття водія на вибір ним дистанції між автомобілями.

У четвертому розділі доведено адекватність моделі оцінки пропускної здатності смуги руху з урахуванням закономірностей поведінки водія. Для цього розрахункові значення інтенсивностей руху, при русі з різними швидкостями, порівнювалися з даними спостережень за дистанціями та швидкостями руху в реальних дорожніх умовах на дорогах Харків–Суми, Харків – Сімферополь, Алушта–Судак–Феодосія, Сімферополь–Севастополь та на окружній дорозі м. Харкова. За результатами цих спостережень обчислювалися фактичні значення інтенсивностей руху при різних швидкостях та величина пропускної здатності. Результати порівняння емпіричних та розрахункових даних (рис. 6) за критерієм достовірності Стьюдента показав, що модель розрахунку пропускної здатності адекватна експериментальним даним із довірчою імовірністю 95%.

Рис. 6. Залежність інтенсивності від швидкості руху транспортного потоку на дорозі Харків – Суми: крапки – емпіричні дані; суцільна лінія – розрахункові дані.

Для порівняння кінцевих результатів, одержаних за допомогою різних методів визначення пропускної здатності смуги руху, було виконано розрахунки для різних режимів руху транспортних потоків – колонного руху, руху зв’язаних і частково зв'язаних потоків. Величини пропускної здатності для умов руху в колоні і зв’язаному транспортному потоці було обчислено з використанням динамічних моделей руху. Модель “рух за лідером” було використано для обчислення величини пропускної здатності при русі в щільному транспортному потоці.

Проведений аналіз підтверджує високу точність визначення пропускної здатності при використанні запропонованого методу. Розбіжність розрахункових значень з даними натурних спостережень знаходиться в межах від 0,2% до 4,1%.

Запропонований метод дозволив одержати більш точні результати у порівнянні з динамічними моделями для колонного руху в середньому на 15,7%, для руху зв’язаних і частково зв’язаних потоків – в середньому на 17,2%. Величину практичної пропускної здатності визначено з більшою точністю, у порівнянні з методом коефіцієнтів зниження пропускної здатиості – на 7,0%, у порівнянні з моделлю “рух за лідером” – на 9,4%.

У п’ятому розділі приведено методику та алгоритм розрахунку пропускної здатності смуги руху автомобільної дороги з урахуванням руху автомобілів в транспортних потоках з різною організацією – у щільному та зв’язаному потоках, а також величину практичної пропускної здатності. Запропонована методика визначення фактичної величини пропускної здатності на існуючих дорогах за результатами розрахунків ентропійних характеристик швидкості руху.

Основними ентропійними характеристиками є максимальна ентропія Hm і відносна організація S. Максимальна ентропія є мірою складності взаємодії учасників руху, а відносна організація є мірою упорядкованості, організованості взаємодії учасників руху в транспортному потоці.

Запропонована номограма для визначення величини практичної пропускної здатності смуги руху автомобільної дороги в залежності від ентропійних характеристик – максимальної ентропії і відносної організації S, рис. 7. При величині відносної організації S < 0,1 режим руху транспортного потоку характеризується рухом окремих автомобілів, при 0,1 < S < 0,3 відбувається рух груп і “пачок” автомобілів, при 0,3<S<0,7 має місце неорганізований колонний рух і при S > 0,7 відбувається організований колонний рух автомобілів.

Рис. 7. Номограма для визначення практичної пропускної здатності смуги руху. Цифри на кривих – практична пропускна здатність РП.

Таким чином, для визначення величини практичної пропускної здатності на існуючих автомобільних дорогах досить вимірити фактичні швидкості руху на ділянці дороги, розрахувати ентропійні характеристики цих швидкостей і за номограмою визначити величину пропускної здатності.

ВИСНОВКИ

1. На підставі проведеного аналізу літературних джерел зроблено висновок про те, що облік сукупних властивостей системи “людина–автомобіль–середовище руху” надасть можливість найбільш точної оцінки величини пропускної здатності автомобільних доріг. Вирішення даної задачі спрямовано на підвищення ефективності капіталовкладень в автомобільні дороги та організацію пасажиро– і вантажоперевезень.

2. Результати дослідження підтвердили вплив мотивації діяльності водія та інформаційних характеристик середовища руху на величину дистанції між автомобілями. Коефіцієнти кореляції між силою мотивації і домінуючими потребами, визначеними через дистанції між автомобілями, знаходяться в межах 0,93–0,98. У випадку визначення потреб через інформаційні характеристики коефіцієнти кореляції знаходяться в межах 0,83–0,91.

3. Розроблено модель та метод оцінки пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія і організації руху транспортного потоку. Доведено, що вибір швидкостей руху і дистанцій між автомобілями підлеглий принципу найменшого психічного примушення водія.

4. Доведено адекватність моделі розрахунку пропускної здатності автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Адекватність моделі оцінювалась методом парних зрівнянь за t-крітерієм Стьюдента. Для розглянутих автомобільних доріг розрахункове значення tP = 0,018ч0,939, ? табличне для 95% довірчої імовірності tT = 2,262. Це свідчить про те, що запропонована модель розрахунку пропускної здатності достовірна.

Розрахунок величини пропускної здатності підтвердив збіг отриманих значень з даними натурних спостережень. Розбіжності знаходяться в межах 0,2–4,1%.

Точність результатів, отриманих при застосуванні запропонованого методу, вище існуючих: для колонного руху на 15,7%, для руху зв’язаних і частково зв’язаних потоків – на 17,2%. Величину практичної пропускної здатності визначено з більшою точністю в порівнянні з методом коефіцієнтів зниження пропускної здатності – на 7,0%.

5. Розроблено методику та алгоритм розрахунку величини пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Алгоритм дозволяє врахувати зміни більш тридцяти дорожніх факторів, а також врахувати різну організацію руху – у щільному, зв'язаному, частково зв'язаному і вільному потоках. Встановлення зв’язку інформаційних характеристик середовища руху із закономірностями поведінки водія відкриває шляхи для цілеспрямованого регулювання організації дорожнього руху і пропускної здатності доріг.

Запропоновано методику визначення пропускної здатності на основі аналізу варіабельності швидкостей руху. Метод дозволяє визначити фактичну величину пропускної здатності на існуючих автомобільних дорогах.

Впровадження методу в практику роботи проектних організацій показало його ефективність при обґрунтуванні кількості смуг руху при проектуванні доріг і обґрунтуванні проектних рішень при розробці проектів реконструкції, капітального ремонту і організації дорожнього руху на існуючих автомобільних дорогах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коваленко Л.А. Изучение закономерностей поведения водителей в стационарных дорожных условиях // Вестник ХГАДТУ: Сб. научн. тр.– Харьков: ХГАДТУ.– 1999. – Вып. 9. – С. 36–38.

2. Коваленко Л.А. Влияние мотивации на выбор водителем дистанции между автомобилями // Вестник ХГАДТУ: Сб. научн. тр. – Харьков: ХГАДТУ.– 2000. – Вып. 12–13. – С.183–185.

3. Коваленко Л.А. Оценка пропускной способности автомобильных дорог // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. тр. – Харьков: ХНАДУ.– 2002. – Вып. 19. – С. 62–64.

4. Гаврилов Э.В., Коваленко Л.А. Оценка пропускной способности полосы проезжей части дороги с учетом закономерностей поведения водителя // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. тр. – Харьков: ХНАДУ.– 2003. – Вып. 21. – С. 82–85.

5. Гаврилов Е.В., Коваленко Л.О. Підвищення ефективності організації дорожнього руху // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – К.: Будівельник. – 1984. – Вип. 34. – С. 79–83.

6. Коваленко Л.А. Расчет пропускной способности автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя // Сб. междунар. научн. конф. “Эргономика на автомобильном транспорте”. – Харьков: ХГАДТУ. – 1997. – С. 47–48.

7. Коваленко Л.А. Дистанция между автомобилями в плотном транспортном потоке // Тез. докл. научн. – техн. конф. “Повышение качества строительства автомобильных дорог в нечерноземной зоне РСФСР”: – Суздаль: ВладПИ. – 1983. – С. 96.

8. Коваленко Л.А. Эргодичность показателей состояния функциональных физиологических систем организма водителя // Тез. докл. Всесоюз. конф. “Актуальные проблемы профилактики травматизма при ДТП”. – Горький: НИИ гигиены труда и профзаболеваний. – 1984. – С. 112–113.

9. Коваленко Л.А. Выбор водителем дистанции между автомобилями // Тез. докл. научн. конф. “Психологические и эргономические вопросы безопасности деятельности”. – Таллин: Тартуский Гос. Ун–т. – 1986. – С. 175–177.

Аннотация

Коваленко Л.А. Оценка пропускной способности двухполосных автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11–“Автомобильные дороги и аэродромы”. – Национальный транспортный университет, Киев, 2004.

Диссертация направлена на решение проблемы повышения эффективности капиталовложений в автомобильные дороги и организацию пссажиро– и грузоперевозок. Предложен метод определения пропускной способности двухполосных автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя и организации дорожного движения. Решающее влияние на пропускную способность оказывают средняя скорость движения и плотность транспортного потока. Плотность потока является величиной, обратной среднему интервалу между последовательными автомобилями. Средний пространственный интервал между автомобилями равен индивидуальной норме дистанции, которая обеспечивает реализацию принципа наименьшего психического принуждения водителя. Рассмотрено влияние мотивации действий водителя на движение в различных транспортных потоках: в плотном, связанном, частично связанном и свободном. Определены оптимальные скорости движения, обеспечивающие реализацию принципа наименьшего принуждения.

Разработана модель определения пропускной способности полосы движения дороги для плотного, связанного и частично связанного потоков. Установлена зависимость величины пропускной способности от информационных характеристик среды движения. Изложены методики и алгоритмы, которые позволяют рассчитывать необходимые информационные характеристики, пропускную способность полосы движения при колонном и групповом движении автомобилей и практическую пропускную способность.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили справедливость теоретических представлений о влиянии мотивации на поведение водителя. Доказано, что оптимальный режим работы водителя возможен при движении с дистанциями, равными индивидуальным нормам дистанций и скоростями, равными индивидуальным нормам скоростей движения. Удовлетворение потребностей водителя сопровождается нормализацией функционирования физиологических систем организма. Установлено, что информационные характеристики поля восприятия водителя оказывают существенное влияние на выбор водителем дистанции до впереди идущего автомобиля.

Доказана адекватность модели расчета пропускной способности автомобильных дорог с учетом закономерностей поведения водителя. Анализ расчетов пропускной способности в разных дорожных условиях подтвердил совпадение полученных значений с данными натурных наблюдений, расхождения находятся в пределах 0,2 – 4,1%. Точность результатов, полученных с применением предложенного метода выше существующих: для колонного движения на 15,7%, для движения связанных и частично связанных потоков – на 17,2%. Величина практической пропускной способности определена с большей точностью по сравнению с методом коэффициентов снижения пропускной способности – на 7,0%.

Предложен метод определения пропускной способности автомобильной дороги на основе анализа вариабельности скоростей. Метод позволяет определить величину фактической пропускной способности на эксплуатируемых дорогах.

Ключевые слова: пропускная способность, транспортный поток, скорость движения, дистанция между автомобилями, мотивация, принцип наименьшего психического принуждения, функциональное состояние, информационное взаимодействие водителя со средой движения.

Анотація

Коваленко Л.О. Оцінка пропускної здатності двосмугових автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11–“Автомобільні шляхи та аеродроми”. – Національний транспортний університет, Київ, 2004.

Дисертація спрямована на вирішення проблеми підвищення ефективності капіталовкладень у автомобільні дороги і організацію пасажиро– і вантажоперевезень. Розроблено модель визначення пропускної здатності смуги руху дороги для щільного, зв'язаного і частково зв’язаного потоків. Встановлено залежність величини пропускної здатності від інформаційних характеристик середовища руху. Викладено методики й алгоритми, що дозволяють розраховувати необхідні інформаційні характеристики і практичну пропускну здатність дороги. Доведено адекватність моделі розрахунку пропускної здатності автомобільних доріг з урахуванням закономірностей поведінки водія. Запропоновано рекомендації з визначення пропускної здатності існуючих автомобільних доріг на основі аналізу варіабельності швидкостей руху.

Ключові слова: пропускна здатність, швидкість руху, дистанція між автомобілями, мотивація, принцип найменшого психічного примушення, функціональний стан.

Annotation

Kovalenko L.A.Estimation of two-lane highway capability with driver behaviour regularities taken into account-manuscript.

The thesis for a candidate’s degree (engineering) on speciality 05.22.11 “Highways and aerodromes” – National transport university, Kiev, 2004.

The thesis is aimed at solving a problem of enhancing efficiency of capital investments in highway building and service. The model of highway lane capability determination for a dense, linked and free current has been developed. The dependence of a capability quantity on information characteristics of movement environment has been defined. Methods and algorithms, allowing necessary information characteristics and practical capability to be estimated are given. The adequacy of a highway capability estimate model with driver behaviour regularities taken into account has been proved. Recommendations as to capability determination of existing highways on the basis of motion speed variation analysis and information characteristics are proposed.

Key words: capability, motion speed, vehicular distance, motivation, principle of the least constraint, functional state.

Підписано до друку 6.04.2004 р.

Віддруковано на різографі

Зам. № 612/04

Формат 60х84 1/16

Обсяг 0,9 друк.арк.

Тираж 100 прим.

Папір офсетний

Ціна договірна

Адреса редакції видавця та поліграфпідприємства

ХНАДУ, 61002, Харків, вул. Петровського, 25

Віддруковано у друкарні видавництва Харківського національного

автомобільно–дорожнього університету