На правах рукописи Кущенко Сергей Викторович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ

На правах рукописи
Кущенко Сергей Викторович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ
НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ
05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Орел - 2012
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» на кафедре «Организация и безопасность движения»
Научный руководитель:
Шутов Александр Иванович
доктор технических наук, профессор кафедры
«Организация и безопасность движения»
Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова
Официальные оппоненты:
Родионов Юрий Владимирович
доктор технических наук, профессор
декан Автомобильно-дорожного института
Пензенского государственного университета
архитектуры и строительства
Агеев Евгений Викторович
кандидат технических наук, доцент кафедры
«Автомобилей, транспортных систем и процессов»
Юго-западного государственного университета
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Тульский государственный
технический университет»
Защита состоится 23 мая 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.182.07 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Госуниверситета - УНПК
Отзывы на автореферат просим направлять в адрес диссертационного совета:
302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д. 29.
Автореферат разослан 12 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Севостьянов А.Л.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Рост автомобильного парка и увеличение объема
перевозок приводит к увеличению интенсивности движения, что в условиях
городов с исторически сложившейся застройкой приводит к возникновению
транспортной проблемы. Особенно остро она проявляется в тех пунктах
улично-дорожной сети (УДС), где есть пересечение крупных транспортных
магистралей. Здесь увеличиваются транспортные задержки, образуются очереди и заторы, что вызывает снижение скорости сообщения, неоправданный
перерасход топлива и повышенное изнашивание узлов и агрегатов транспортных средств, а также ухудшается экологическая ситуация данного участка дороги.
На сегодняшний день существует ряд методик прогнозирования снижения эффективности УДС, а так же ряд моделей для выведения ситуации из
критической и повышения скорости и пропускной способности на УДС городов. Однако последние методики связаны либо с теорией массового обслуживания либо с имитацией потоков жидкости. Теория массового обслуживания крайне сложна и требует огромного количество входных данных, а они
очень быстро меняются, и переработка схемы УДС, режимов регулирования
зачастую не успевает за прогрессом. Теории же основанные на истечении
жидкостей устарели с преобразованием автопарка в скоростные и динамичные автомобили. Жидкости двигаются слоями и чем ближе к краям трубы
(проезжей части) тем медленнее, – сегодня это не так. Назревшая транспортная проблема требует поиска принципиально новых подходов.
Изложенное выше подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение научно-практической
задачи, имеющей большое значение для транспортного комплекса страны.
Цель работы - повышение эффективности организации дорожного
движения на основе математического моделирования движения транспортных потоков.
Для достижения цели поставлены и решены следующие основные
задачи:
1. Установление факторов, влияющих на организацию движения на улично-дорожной сети городов.
2. Проведение анализа дорожного движения в городах, выявление факторов, определяющих основные показатели организации дорожного движения.
3. Анализ общей концепции изучения организации дорожного движения
автомобильного транспорта.
4. Определение параметров транспортного потока для описания транспортной ситуации на улично-дорожной сети городов.
5. Разработка математической модели для определения основных параметров автомобильного транспортного потока улично-дорожной сети городов с помощью аналогии электрическим законам.
6. Разработка мероприятий и рекомендаций по формированию сети парковок города.
7. Проведение апробации методики на улично-дорожной сети города Белгорода. Выяснение степени экономической целесообразности внедрения результатов исследования.
3
Объект исследования - дорожное движение автомобилей и процессы
взаимодействия автомобильного транспорта с техническими средствами организации дорожного движения, стоянками.
Теоретическая и методологическая основа исследования. В диссертационной работе проведен анализ исследований отечественных и зарубежных ученых по проблемам организации дорожного движения в различных
городах мира. Произведено математическое моделирование автомобильных
транспортных потоков. Инструментами исследования послужили основные
положения электромоделирования, теории планирования экспериментов, методы графического анализа.
Научная новизна исследования состоит в развитии теоретических
подходов по организации дорожного движения и устройству автомобильных
стоянок, влияющих на загрузку улично-дорожной сети, экологическую обстановку, экономическую составляющую дорожного движения в целом
На защиту выносятся наиболее значимые результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
 теоретико-аналитические результаты определения основных параметров автомобильных транспортных потоков;
 концепция организации дорожного движения на улично-дорожной
сети;
 математическая модель определения автомобильных транспортных
потоков с использованием электрических законов;
 экономико-математическое обоснование оценки эффективности
разработанных подходов к решению задачи повышения эффективности функционирования транспортных систем.
Практическая значимость. Разработанные в диссертации теоретические положения, научно-методические подходы, методики и модели являются научной основой и одним из способов разработки мероприятий по повышению эффективности организации дорожного движения и рекомендуются
использовать как в строящихся городах, так и в городах с исторически сложившейся застройкой, Результаты работы позволят повысить пропускную
способность дорог, скорость движения, а соответственно уменьшить затраты
на перевозки, улучшить экологическую обстановку городов.
Отличие научных результатов от других работ по данному направлению заключается в разработке новых принципов моделирования автомобильных транспортных потоков и автомобильных стоянок, учитывающих не
только основные характеристики транспортных потоков, но и свойства дорожного полотна, технических средств организации дорожного движения и
рекомендовано использовать в улично-дорожных сетях транспортного комплекса.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены,
обсуждены и одобрены на научных конференциях и семинарах: V-й международной научно-практической конференции «Проблемы автомобильнодорожного комплекса России» (Пенза, ПГУАС, 2008 г.); международной
научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта.
Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2009); 2-й международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного
биосферно- совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (Брянск, 2010); 5-й
4
международной научно-технической конференции «Современные проблемы
машиностроения» (Томск, 2010).
Реализация
результатов
работы.
Теоретические,
научнометодические, прикладные и экспериментальные исследования используются
Управлением архитектуры и градостроительства Администрации города Белгорода и в учебном процессе Белгородского Государственного Технологического Университета им. В.Г. Шухова.
Личный вклад автора заключается в формировании идеи и цели диссертационной работы, в постановке задач и их решения, в разработке научнометодических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов на всех этапах выполнения диссертации - от научного поиска до реализации их в практической
деятельности.
Публикации. Основные теоретические положения и научнопрактические результаты опубликованы в 10 научных статьях, в том числе 3
статьях в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Структура и последовательность изложения результатов диссертационной работы определены целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов,
списка литературы и приложения, содержит 134 страницы текста, 9 таблиц,
24 рисунка. Библиографический список включает 132 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ее практическая значимость и дана общая характеристика выполненной
работы. Сформулировано направление исследования и приведены основные
положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ основных научно-исследовательских
работ и нормативно-технической документации по вопросам организации дорожного движения в России и за рубежом. Вопросами исследований этих процессов посвящены работы: Фадеева Д.С., Попова В.Н., Куприянова А.Б., Тарасюк Ю.В., Домке Э.Р., Сильянова В.В., Корчагина В.А., Родионова Ю.В.,
Клинковштейна Г.И., Бондаренко Е.В., Севостьянова А.Л, Семенова В.В. и др.
Проведенный анализ выявил комплекс факторов, влияющих на организацию дорожного движения. На основании проведенного анализа сформирована цель исследования, исходя из которой поставлены задачи научных исследований.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям поиска аналогии параметров транспортного потока основным электрическим показателям
и установление их связей для дальнейшего решения отдельных задач организации дорожного движения.
Поиск новой концепции организации движения проводился на основе абстрагирования представлений «автомобиль», «улично-дорожная сеть» и др.,
и, переходя к более общим явлениям материального мира, когда, например,
крупный город с его развитой улично-дорожной сетью, дорожными знаками,
светофорами, потоками автомобилей и др., представлен неким силовым полем. Согласно сугубо физическим воззрениям силовое поле - часть пространства, в каждой точке которой на помещенную туда материальную точку дей5
ствует сила, величина и направление которой зависит только от координат и
времени x , y , z , t , либо только от координат x , y , z .
Объемное потенциальное поле описывается уравнением Пуассона:
 2U  2U  2U


 4( x, y, z ) ,
x 2 y 2 z 2
(1)
где U - потенциал рассматриваемого поля в точке с координатами x , y , z ,
а  ( x, y, z ) - объемная плотность источника исследуемого поля, например,
электрических зарядов или распределенных масс в гравитационном поле и др.
Таким образом, первым признаком того, что поле является потенциальным, служит факт наличия поступательного безвихревого движения материальных частиц (тел). Поступательное движение твердого тела характеризуется тем, что прямая, соединяющая две точки тела перемещается, оставаясь параллельной своему начальному положению (направлению). Если это так, то
поток транспортных средств, представленный не в натуральной форме (количество автомобилей), а в форме материального потока может быть признан
потенциальным и подчиняющимся фундаментальному уравнению математической физики (1). Однако, прямое решение уравнения (1), во-первых, требует формулировки начальных и граничных условий, а во-вторых, в большинстве практических случаев является невозможным. В этом нет особой необходимости, так как ряд смежных областей физики имеет отработанный математический аппарат и сформулированные базовые законы, привлекая которые можно, воспользовавшись методом аналогий, решать широкий класс задач организации движения моделированием, если найти аналогии соответствующих физических величин.
В научной практике широко используют электротепловые, электродинамические и др. аналогии, когда за основу берется математический аппарат
для описания электрических явлений с переносом результатов на аналогии
полей. При этом известно, что аналогом электрическому потенциалу   является температура T в тепловых полях либо гидравлический напор h в гидродинамических.
Опыт ряда смежных наук неоднократно доказывает эффективность применения методов моделирования явлений и процессов, которые в сочетании с
современной компьютерной техникой дают высокий эффект в техническом и
экономическом аспектах.
Разработанный принцип электромоделирования транспортных потоков
автомобилей, позволяет решать целый ряд задач организации дорожного
движения, до последнего времени недоступных при традиционных подходах.
Главной задачей исследования явилось установление аналогий между
основополагающими характеристиками (сила тока, напряжение, сопротивление) и характеристиками транспортного потока. На первом этапе имеется:
односторонний транспортный поток на маршруте длиной l . Усредненная
масса одного автомобиля - m , усредненная скорость движения «колонны» v , обгонов и остановок нет. Количество автомобилей в единице объема материального транспортного потока:
N
n
,
lS
где N - общее количество автомобилей на выбранном маршруте,
S - условная площадь поперечного сечения потока.
6
При выбранных исходных данных плотность материального потока выражено формулой:
N
jm
v,
(2)
lS
а его интенсивность (аналог силы тока)
I  jS ,
отсюда получено выражение:
N  êã  àâò 
 êã 
I  m v .
или
(3)
 ñ  ,
l  ñ 
Если вернуться к формулировкам, изложенным Г.И. Клинковштейном,
то интенсивность определяется по формуле:
È  v q ,
где q - плотность потока (авт/км).
При этом понятна связь интенсивности материального потока и интенсивности потока автомобилей:
I  m È .
Важным моментом электромоделирования транспортных потоков является поиск аналога электрическому напряжению. Используя формулировку
для электрического напряжения: электрическое напряжение между двумя
точками электрической цепи равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую, аналогом электрическому напряжению в дорожной сети должна быть работа по перемещению единичного транспортного средства (автомобиля) массой m на расстояние l в
данных дорожных условиях:
W  mg(  i)l ,
(4)
где g - ускорение свободного падения;
 - коэффициент сопротивления качению колеса в данных дорожных
условиях, i  cos - коэффициент продольного подъема (+), уклона (-) дорожного полотна.
Известно, что главным соотношением в любом электрическом явлении
является закон Ома:
U
IÝ  Ý ,
RÝ
где I - сила тока,
U - напряжение,
R - сопротивление, причем индекс «э» подчеркивает, что речь идет об
электрическом токе. Поскольку аналоги I Ý и U Ý уже определены, необходимо определить транспортный эквивалент величины RÝ .
По формальным признакам:
U
RÝ  Ý ,
IÝ
следовательно, с учетом соотношений (2) и (3):
mg(  i)l
R 
,
mqv
т.е.
7
R 
или
g (  i ) l
 ,
nv
S
(5)
l
R  ,
S
g (  i )
- удельное сопротивление движению транспортного потока.
nv
При однорядном движении автомобилей в одном уровне (простая колонна) на участке длиной l :
g (  i )  lS 

,
Nv
а сопротивление движению транспортного потока определяется по формуле:
где  
R 
g (  i )l 2 S 
,
Nv S 
сделав математические преобразования, получено выражение:
g (  i)l
R 
.
qv
Данное выражение справедливо: сопротивление движению возрастает с
увеличением  , l и уменьшается с увеличением интенсивности q и скорости v . Подъемы (уклоны) действуют соответственно.
Таким образом, на основании проведенных исследований составлена
таблица научно обоснованной аналогии параметров транспортного (материального) потока и электрического тока (табл. 1).
Таблица 1 - Аналогии параметров транспортного (материального) потока
и электрического тока
Электрический ток
Транспортный (материальный) поток
I - интенсивность материального потока:
I Ý - сила тока
N
I m v
l
U
напряжение
материального потока:
U Ý - напряжение
U  mg(  i)l
R - сопротивление движению материального
RÝ - сопротивление
потока:
g (  i)l
R 
qv
Установленные аналогии позволяют в дальнейшем использовать предложенные аналогии для расчета сложных транспортных сетей.
Согласно новой предлагаемой концепции оценки параметров организации дорожного движения любую временную автомобильную стоянку можно
рассматривать как специфическую часть общего дорожного движения, вне
зависимости от того, являются ли они уличными или автономными (внеуличными).
8
При отсутствии запрещающих знаков в городских условиях участники
движения часто занимают для стоянки правый (околотротуарный) ряд. При
этом общая интенсивность движения падает:
- при двухполосном движении – в 2 раза;
- при трехполосном – на 33%;
- при четырехполосном – на 25%.
Помимо снижения интенсивности движения автомобили, стоящие у тротуара, создают ряд неприятных моментов с точки зрения безопасности движения. Вместе с тем, полное запрещение околотротуарных стоянок в городе
невозможно по специфике планировки и использования городов с центрами
притяжения городского населения.
öåíòð
ïðèòÿæåíèÿ
I ñò
I ñò  I  I1
I
I1
Рисунок 1 – Использование околотротуарной стоянки
Установив I ñò  qñò  vñò , причем скорость автомобилей в пределах стоянки лимитирована ПДД, а плотность qñò может быть определена как:
N
qñò  ñò ,
Z ñò
где N ñò - число машиномест,
Z ñò - среднее расстояние для выезда со стоянки на дорогу (улицу).
С учетом вышеизложенного получено выражение для определения интенсивности транспортного потока на стоянке:
N v
I ñò  ñò ñò ,
(6)
Z ñò
откуда вместимость стоянки:
I v
N ñò  ñò ñò  ( I  I ñò ) ,
(7)
Z ñò
 - среднее время освобождения одного машиноместа на стоянке.
где
Задано время движения автомобилей на стоянке  ð , которое зависит от
особенностей назначения стоянки. Если стоянка обслуживает работников соседнего предприятия (организации), то  ð  8 ч, при обслуживании торговых
и зрелищных мероприятий  ð  2...3 ч, если же это платная стоянка для автомобилей соседних жилых домов, то  ð может достигать 24 ч. В этом случае
максимальное количество машиномест можно определить по формуле:
N ñò 
ð
.

(8)
Таким образом, получены основные соотношения параметров временной
автомобильной стоянки, которые в дальнейшем будут использованы при более детальном исследовании автомобильных потоков.
9
В третьей главе диссертации обосновано применение электромоделирования относительно параметров автомобильного транспортного потока.
Решены задачи, связанные с организаций автомобильных стоянок, а также
задачи по определению вместимости автомобильных стоянок.
Рассмотрен гипотетический материальный поток однонаправленного
многорядного и многоуровневого движения объектов со средней скоростью v .
Исходные данные:
- средняя масса перемещаемых объектов - m , в нашем случае единичного автомобиля или другого транспортного средства;
- число рядов движения - k ;
- число уровней движения (этажей) - p ,
- число движущихся объектов в единице объема условного путепровода n , а площадь его поперечного сечения - S ;
- количество транспортных объектов на контрольном участке длиной l
будет - N .
В этом случае линейная плотность транспортного потока:
N
qË  ,
l
а объемная –
N
qV   n ,
lS
а для материального потока:
mN
mN
q
 mn .
и q
l
lS
Интенсивность материального потока:
mN
I Ì  qV Sv 
Sv  mqË v ,
lS
Отсюда после преобразований получено выражение:
I Ì  mq Ë v
(9)
Если движение (стоянка) организовано в одну линию (один ряд), то
плотность движения определяется по формуле:
N
q0  ,
(10)
l
где N - количество ТС на участке дорожного полотна длиной l и расположении в 1 ряд.
При k - рядном движении выражение (10) примет вид:
kN
q
.
l
Если движение многоуровневое и многорядное, то
kpN
q
,
l
тогда
q  kpq 0 .
(11)
Отсюда, проведена коррекция формулы для расчета интенсивности движения:
I  qv
10
или для материального потока:
,
kpN
I
v.
l
(12)
I ì  mkpq 0 v .
(13)
Полученное выражение хорошо интерпретировано для описания параметров стоянки (парковки) с установкой на ней автомобилей средней массой
m , расположенных в k рядах на p этажах с плотностью установки в одном
ряду q 0 и средней скоростью маневрирования v .
Напряжение материального потока - работа по перемещению единичного транспортного средства из одной точки транспортного потока в другую.
Если перемещаемая масса m , расстояние между точками l , а дорожные
условия характеризуются величиной коэффициента сопротивления качения
колеса  и уровнем подъема (+), уклона (-) дорожного полотна, то есть:
U  mg(  i)l .
(14)
Исходя из формул (13) и (14), по аналогу с законом Ома можно найти
величину сопротивления движению материального потока:
mg (  i )l
R
,
mkpq0 v
откуда для многорядного движения:
g (  i)l
R
,
(15)
kpq0 v
а для линейного однорядного движения:
g (  i)l
R
.
(16)
q0 v
В частности, аналогом силы электрического тока определена интенсивность транспортного (материального) потока
I  mqv ,
(17)
где m - усредненная масса транспортного средства,
q - плотность потока автомобилей на рассматриваемом участке дороги,
v - средняя скорость движения транспортного потока.
Кроме того, были определены аналоги электрического напряжения:
U  mg(  i)l ,
(18)
где g - ускорение свободного падения,
 - коэффициент сопротивления качению колеса в данных дорожных
условиях,
i - показатель подъема (уклона) дороги на исследуемом участке длиной l .
С учетом соотношений (9) и (10) по закону Ома легко определяется величина сопротивления данного дорожного участка:
g (  i)l
R 
.
(19)
qv
С учетом выражений (9), (10) и (11) легко реализуется аналог закона Ома
для простых дорожных сетей:
U  IR ,
(20)
11
однако закон Ома в форме (20) справедлив, если на рассматриваемом
участке электрической цепи нет источников тока (ЭДС). Таким источником
может быть генератор электрического тока, аккумулятор, гальванический
элемент и др. В этом случае закон Ома записывается в виде:
IR  U  E ,
(21)
где E - ЭДС источника.
В транспортном (материальном) потоке ЭДС может быть смоделирована
некоторой концентрацией транспортных средств в виде стоянки (парковки)
вместимостью N ñò , расположенной в начале исследуемого участка (рис. 2)
I  I ñò
ñòîÿíêà
A
B
N ñò
l
Рисунок 2- Схема движения транспортных средств от стоянки
В качестве дополнительного источника движения транспортных средств
рассмотрена стоянка с числом машиномест N ñò . Средняя скорость движения
ТС по территории стоянки vñò , а среднее расстояние для выезда со стоянки на
дорогу (улицу) - lñò . При непрерывной (круглосуточной ротации) интенсивность материального потока по стоянке, а, следовательно, при выезде с нее:
v
I ñò  m ñò ,
lñò
а аналогом ЭДС в материальном потоке по выражению (21) при U  0 :
E  I ñò Rñò ,
(22)
или с учетом того, что стоянки имеют горизонтальную поверхность i  0
выражение примет вид:
mg
E
.
(23)
q ñò
Таким образом, E в материальном потоке определяется средней массой
автомобилей на стоянке, качеством покрытия и плотностью автомобильного
потока при выезде со стоянки.
Рассмотрен случай, когда улично-дорожная сеть отдельной части (или
всего) города представлена сопротивлением R (рис. 3).
Ri , I i
I
I
A
R, I
B
Рисунок 3 – Схема условного проводника с сопротивлением R
Определено, что параллельно R включена автомобильная парковка (стоянка) с внутренним сопротивлением Ri .
Суммарное сопротивление R (сопротивление участка AB) определяется
из соотношения:
12
1
1
1

 .
R R
Ri
Перепад напряжения в заданной сложной цепи:
U  I   R
токи в каждой ветви цепи будут:
U
- по магистрали I  ,
R
U
- по стоянке I  .
i R
i
Сумма токов определяется по формуле:
I  Ii  I .
Установлено, что вместимость стоянки - N ñò . Имеется один въезд и
один выезд (рис. 4). Разрешенная скорость движения по территории стоянки
vñò км/ч. Если общая длина стоянки Z ñò , то максимальная плотность потока
на выезде определяется по формуле:
N
qñò  ñò .
Z ñò
Расчетная (максимальная) интенсивность движения по территории стоянки:
N v
I ñò  qñò  vñò  ñò ñò .
Z ñò
При заданной интенсивности движения по «шунтируемой» магистрали
I отношение примет вид:
I ñò
R

,
I
Rñò
или
N ñò  vñò
R

.
Z ñò I
Rñò
Если исходить из общего выражения при определении сопротивления
участка дороги, то получено выражение:
mg (  i )l
R
,
qv
N
и применительно к стоянке i  0 , l  Z ñò , v  v ñò , q  q ñò  ñò ,
Z ñò
следовательно:
mgZ ñò
Rñò 
,
(24)
q ñò v ñò
где qñò - плотность парковки на единицу ее длины.
В выражении (24) m, g , - известные величины, а qñò и vñò - заданы нормативами и Правилами дорожного движения (ПДД).
Найдем соотношение:
13
R mg (  i)l  qñò  vñò
,

Rñò
qvmgZ
отсюда получено выражение:
qvZ
Rñò  R
.
qñò vñò l
Имеем магистраль длиной l и известными параметрами  , i . Пусть v разрешенная скорость движения, I - номинальная предельная интенсивность
движения, тогда I 1 - образовавшаяся избыточная интенсивность.
В этом случае избыточная интенсивность I  I 1  I должна быть отведена на перехватывающую стоянку, то есть должно быть обеспечено шунтирование участка дороги длиной Z ä  Z ñò , причем I  I ñò .
Z ñò
I
I
I
Ii
I
Zä
Рисунок 4 – Организация «перехватывающей» стоянки
При вместимости стоянки N ñò автомобилей и заданной (нормативной)
скорости движения автомобилей в пределах стоянки vñò .
I ñò  qñò  vñò ,
где максимальная плотность потока в пределах стоянки:
N
q  qñò  ñò .
Z ñò
Таким образом, интенсивность транспортного потока на стоянке:
N
I ñò  ñò vñò ,
Z ñò
а общая вместимость автомобильной стоянки (парковки):
Z
N ñò  I ñò ñò .
vñò
Параметр I ñò найден из следующих соображений. Участки движения дорога и стоянка параллельны друг другу, следовательно, интенсивности потоков в ветвях «дорога-стоянка» обратно пропорциональны сопротивлениям
движению в них:
I ñò
R

,
I
Rñò
сделав необходимые математические преобразования:
R
I ñò  I
,
Rñò
а вместимость стоянки определяется по формуле:
14
R Z ñò
.

Rñò vñò
Таким образом, вместимость стоянки определяется интенсивностью
движения по шунтируемому участку дороги I , длиной Z ñò и скоростью vñò .
R
Найдено соотношение
, зная, что
Rñò
mg(  i)l
R
,
qv
для шунтируемого участка:
mg (  i) Z ñò
.
R
qv
Применительно к стоянке i  0 , l  Z ñò , v  vñò , следовательно:
mgZ ñò
Rñò 
,
qñò vñò
отсюда
R mg (  i ) Z ñò qñò vñò

,
Rñò
qv mgZ ñò
сделав математические преобразования, получено выражение:
(  i)qñò vñò
I ñò  I
,
qv 
а вместимость стоянки определяется по формуле:
(  i)qñò Z ñò
N ñò  I
.
(25)
qv 
Таким образом, если стоянку считать участком, шунтирующим основную дорогу, то ее вместимость определяется выражением (25), которое показывает, что вместимость N ñò должна быть тем выше, чем больше интенсивность движения по основной магистрали I .
Электрическим аналогом схемы стоянки парка пассажирских перевозок
(рис. 5) будет замкнутая цепь с имитацией стоянки в виде источника ЭДС.
N ñò  I
ñòîÿíêà
Е
lÌ
l3
l2
l1
RÌ
R3
R2
R1
Рисунок 5 – Электросхема, эквивалентная схеме организации движения
в парке пассажирских перевозок
По закону Ома для замкнутых цепей получено выражение:
E  I  RÏ
(25)
15
где RÏ  R  Râí - полное сопротивление цепи, состоящее из внешнего
R и внутреннего сопротивления источника ЭДС Râí .
В четвертой главе диссертации проведено экспериментальное исследование
улично- дорожной сети города Белгорода, разработаны мероприятия и рекомендаций
по формированию системы парковок, выявлен характер дефицита парковочных мест в
городе Белгороде в зависимости от дня недели, проведено экспериментальное обоснование предлагаемого метода электромоделирования транспортных потоков.
С целью определения количества припаркованного автотранспорта
вдоль улиц (на специально отведенных парковочных местах и за их пределами), а также на дворовых территориях и территориях организаций проводилось натурное обследование городской территории.
Для наглядности экспериментальных исследований ниже рассмотрен
один из наиболее загруженных пешеходными и автомобильными потоками
квартал в центральной деловой части города Белгорода (рис. 6).
ул. Преображенская
6-1
16-4
ул. Князя Трубецкого
ул. Н.Чумичова
16-2
16-3
пр. Славы
Рисунок 6 - Географическое месторасположение квартала на территории г. Белгорода
Из рисунка видно, что квартал для более точного результата условно
поделен на 4 участка, чтобы одновременно на всей территории квартала проводился подсчет припаркованных автомобилей.
Установлено, что максимальное количество припаркованных автомобилей наблюдается в понедельник, это связано с тем, что исследуемый квартал
расположен в центральной деловой части города Белгорода, а начало недели
характеризуется повышенной деловой активностью населения. Выявлено,
что дефицит парковочных мест на момент проведения эксперимента в исследуемом квартале составил 124 машиноместа. Для сокращения времени простоев транспортных средств в связи с заторами на дорогах, снижения аварийности,
улучшении экологии, увеличения пропускной способности разработаны мероприятия и даны соответствующие рекомендации.
В пятой главе диссертации проведен расчет экономической эффективности предлагаемых мероприятий. Определен годовой экономический эффект
при использовании предложенной модели организации дорожного движения на
всей исследуемой территории города.
На момент проведения исследования на перегоне улицы Князя Трубецкого при
существующих условиях движения расход топлива в среднем за неделю составляет
16
620,8 литр/час, при использовании предлагаемой методики данный показатель составит
553,91 литр/час (табл.2, рис.7). Снижение расхода топлива в среднем составит 10,8%.
Таблица 2 - Средний расход топлива при существующих и оптимизированных условиях организации движения в течение недели на перегоне улицы Князя Трубецкого
Дни недели
Понедельник
Вторник
Среда
Четверг
Пятница
Суббота
Воскресенье
Неделя
Средний расход топлива, литр/час
При существующих условиях организации При оптимизированных условиях организации
дорожного движения
дорожного движения
853,6
813,6
852,8
767,6
814,8
687,2
796,8
670
594,2
535,6
245
232,4
188,4
171
620,8
553,91
Наглядно положительный эффект отражает график изменения расхода
топлива (рис.7). Согласно расходу топлива при существующем и оптимизированном плане организации движения наибольший положительный эффект достигается в среду и четверг.
Рас ход топлива при существующих условиях организации дорожного движения
Рас ход топлива при оптимизированных условиях организации дорожного движения
Рисунок 7 – График изменения расхода топлива при существующих и
оптимизированных условиях движения на перегоне улицы Князя Трубецкого
Положительным эффектом от внедрения проведенной оптимизации будет являться годовая экономия топлива, рассчитанная в рублях для средней
марки бензина АИ-92, стоимость литра которого на момент проведения расчета составляет 24,50 руб. Годовой экономический эффект определяется:
Эгод = Этоп .САИ-92.Кн.Д
(26)
где Этоп - экономия топлива, литр/час;
САИ-92-стоимость 1л бензина марки АИ-92, руб;
Кн - коэффициент неравномерности транспортного потока, 0,1…0,36;
Д- количество дней в году.
Согласно полученным данным в специализированном программном
продукте TRANSYT – 7FR (табл.2), экономия топлива на перегоне улицы
Князя Трубецкого будет составлять:
Этоп = 620,8-553,91 = 66,89 литр/час.
Годовой экономический эффект от внедрения оптимизированных способов стоянки автомобилей на рассматриваемом перегоне улицы будет равен:
Эгод = 66,89·24,5·0,25·365 =149540,96 руб.
17
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе разработанных теоретико-прикладных положений, научнометодических подходов и математических моделей решена важная научнопрактическая задача повышения эффективности эксплуатации транспорта и
уровня безопасности при организации дорожного движения в городах.
2. Разработаны научный базис применения основных законов электротехники в транспортных задачах и математическая модель определения характеристик автомобильных транспортных потоков в городе посредством
аналогии фундаментальным электротехническим законам. Принцип электромоделирования транспортных потоков позволяет решать задачи организации
дорожного движения, которые были недоступны при известных подходах.
3. Развитие теоретических подходов по определению общих концепций
организации движения в диссертации позволило предложить новый принцип
моделирования движения транспортных потоков, учитывающий не только
характеристики транспортных потоков, но и свойства дорожного полотна, а
также особенности технических средств организации дорожного движения.
4. На основе предложенных новых теоретических подходов разработана методика расчета емкости городской стоянки, обслуживающей М маршрутных пассажирских перевозок с учетом всех технологических особенностей: интенсивности материального потока на каждом маршруте, средней скорости движения автобуса, массы подвижного состава и режима работы транспорта на маршруте.
5. Выполненный анализ результатов экспериментальных исследований позволил:
 предложить мероприятия и рекомендации по формированию системы парковок;
 установить характер дефицита парковочных мест в г. Белгороде в зависимости от дня недели;
 разработать научно-методические основы и обоснование предлагаемого метода электромоделирования транспортных потоков.
6. Научная, практическая и экономическая значимость и достоверность
полученных результатов в диссертации подтверждены при использовании их
в практической деятельности на улично-дорожной сети города Белгорода и в
учебном процессе Белгородского ГТУ им. В.Г. Шухова при подготовке инженеров специальности «Организация и безопасность движения». В соответствии с диссертационными разработками возможно получение годового экономического эффекта более 100 млн. рублей в год от внедрения предлагаемых мероприятий на территории г. Белгорода.
Основные положения диссертации опубликованы:
Научные статьи в изданиях из перечня ВАК России
1. Кущенко С.В. Расчет коэффициента трения заблокированного автомобильного колеса / А.И. Шутов, Д.А. Лазарев // Автомобильная промышленность. - 2010. № 6. - С. 17-19.
2. Кущенко С.В. Возможный принцип моделирования транспортных потоков и
прилегающих к проезжей части автомобильных стоянок / А.И. Шутов,
Н.А.Загородний // Мир транспорта и технологических машин. - 2012. № 1. - С.88-94
3. Кущенко С.В. Решение проблемы дефицита парковочных мест в городе /
А.И. Шутов, П.А. Воля // Автомобильная промышленность. - 2012. № 6.
18
Научные статьи
4. Кущенко С.В. Определение тангенциальной жесткости автомобильного
колеса / А.И. Шутов, С.Н. Глаголев, Н.А. Загородний, С.В. Кущенко // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России (МНТК, 2008): сб. научн.
тр. / ПГУАС. - Пенза, 2008. - Ч. 2. - С. 297-301.
5. Кущенко С.В. Реальная скорость транспортного средства при качении
эластичного колеса / А.И. Шутов, С.Н. Глаголев, Н.А. Загородний, С.В. Кущенко // Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России (МНТК,
2008): сб. научн. тр. / ПГУАС. - Пенза, 2008. - Ч. 2. - С. 301-305.
6. Кущенко С.В. Уточнение реальной скорости движения автомобиля / А.И.
Шутов, Н.А. Загородний, С.В. Кущенко // Состояние и перспективы транспорта.
Обеспечение безопасности дорожного движения (МНТК, 2009 к 30-летию автодорожного факультета): сб. науч. тр./ Пермь, 2009. – Т.-1. - С. 111-116.
7. Кущенко С.В. Задачи систем управления горнотранспортным комплексом / А.И. Шутов, Н.А. Загородний, С.В. Кущенко // Проблемы инновационного биосферно- совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: 2-я международная научно-практическая конференция / Брянская государственная инженерно-технологическая академия - Брянск, 2010.
8. Кущенко С.В. Проблемы развития карьерного автомобильного транспорта
/ А.И. Шутов, Н.А. Загородний, С.В. Кущенко // Современные проблемы машиностроения: 5-я международная научно-техническая конференция / Национальный исследовательский Томский политехнический университет - Томск, 2010.
9. Kushchenko S.V. Technical means of vehicles parking control / A.I. Shutov,
P.A. Volya, Kushchenko S.V. // Студентство. Наука. Iноземна мова: международная научно-техническая конференция / Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет - Харьков, 2012.
10. Kushchenko S.V. The traffic flows and adjacent to the roadway car parks modelling principle / A.I. Shutov, P.A. Volya, Kushchenko S.V. // Студентство. Наука.
Iноземна мова: международная научно-техническая конференция / Харьковский
национальный автомобильно-дорожный университет - Харьков, 2012.
Кущенко Сергей Викторович
Повышение эффективности организации движения на основе
моделирования транспортных потоков
Автореферат
Подписано в печать 05.04.2012 г.
Формат 6084/16
Усл. п. л. 1.0
Тираж 100
Заказ № ________
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
Отпечатано в издательстве Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
19
20