Качественное состояние транспортного потока

С изменением интенсивности движения на дороге резко меняется качественное состояние транспортного потока и условия труда водителей.

Для характеристики разных состояний транспортного потока и условий движения используют следующие показатели: коэффициент загрузки движением; коэффициент скорости движения; коэффициент насыщения движением; уровень удобства движения.

Коэффициент загрузки дороги движением z представляет собой отношение интенсивности движения Nк пропускной способности данного участка (или элемента) дороги Р:

z = N/P. (5.1)

Применение понятия коэффициента загрузки позволяет строить сопоставимые зависимости характеристик движения транспортного потока от дорожных условий для дорог разных категорий, так как эта величина безразмерная. Коэффициент z может принимать любые значения от 0 до 1.

Коэффициент скорости движения с - это отношение скорости движения при каком-либо уровне удобства движения υ_zк желаемой скорости движения в свободных условиях υ_ж, которая выбирается водителем для обеспечения высокой комфортности поездки:

c = υ_z/υ_ж. (5.2)

Значение желаемой скорости движения в свободных условиях зависит от многих факторов: расстояния до цели поездки, состояния водителя, его квалификации и опыта, состояния дорожного покрытия, геометрических элементов и планировочных решений на дороге.

Отклонением от желаемых условий движения (например, несвоевременного достижения цели поездки) вызывает у водителя чувство снижения комфортности, а иногда и нервозность, которая может привести к непоправимым ошибкам - дорожно-транспортному происшествию.

Коэффициент насыщения движением ρ представляет собой отношение плотности транспортного потока при каком-либо уровне удобства движения q_z к максимальной плотности транспортного потока q_max:

(5.3)

Под уровнем удобства движения понимается определенное качественное состояние транспортного потока, при котором устанавливаются характерные условия труда водителей, условия комфортности поездки и эффективности работы транспортных средств, а также аварийность. Каждый уровень удобства движения характеризуется значениями коэффициентов загрузки, скорости и насыщения движением.

С целью установления границ уровней удобства движения проводились экспериментальные исследования с применением ходовой лаборатории, аэрофотосъемки и анализа видеозаписей и киносъемки.

При построении зависимости скорость движения - интенсивность движения определена кривая, имеющая три характерные точки изменения кривизны (рис. 5.1). Это указывает на то, что при коэффициентах загрузки, соответствующих точкам перегиба, меняется качественное состояние транспортного потока.

На существование разных состояний транспортного потока указывает также зависимость скорость движения - плотность транспортного потока (рис. 5.2). На кривой также могут быть отмечены характерные перегибы, хотя часто необоснованно эта зависимость изображается в виде прямой.

Наличие нескольких состояний транспортного потока подтверждается и изменением вида и числа дорожно-транспортных происшествий, а также формой кривых распределения скоростей движения транспортного потока (рис. 5.3).

Рис. 5.1. Зависимость скорость движения - интенсивность движения:

1 - теоретическая кривая для транспортного потока высокой плотности;

2 - экспериментальная кривая

Рис. 5.2. Зависимость скорость движения - плотность транспортного потока

При низких значениях интенсивности движения, как правило, наблюдается большой разброс значений скоростей движения, кривая распределения имеет полимодальный характер.

По мере роста интенсивности движения вид кривой распределения заметно меняется, превращаясь из полимодальной (кривая А) в одномодальную (кривая Г). Разброс значений скорости движения существенно снижается, ее среднее квадратическое отклонение также уменьшается. Значительные изменения наблюдаются и в общем виде кривых распределения значений интервалов во времени.

О разном состоянии транспортного потока свидетельствует также изменение эмоциональной напряженности водителя (рис. 5.4).

Таким образом, анализ транспортного потока показывает существование четырех наиболее характерных его состояний - четырех уровней удобства движения: А, Б, В и Г.

Рис. 5.3. Кривые распределения значений скорости движения при разных уровнях удобства движения А - Г

Рис. 5.4. Зависимость кожно-гальванической реакции (КГР) водителя от коэффициента загрузки дороги движением

Уровень удобства движения Ахарактеризуется следующими значениями коэффициентов: z ≤ 0,2; с ≥ 0,9; ρ < 0,1. Обгоны практически отсутствуют, автомобили не взаимодействуют между собой. Водителем может выдерживаться желаемая скорость движения. Снижение средних скоростей незначительно (см. рис. 5.1).

Эмоциональная напряженность водителя низкая (см. рис. 5.4). Водители и пассажиры не испытывают неудобства при движении автомобиля. Поездки являются комфортными. Транспортный поток при уровне удобства движения А называется свободным.

Уровень удобства движения Бхарактеризуется следующими значениями коэффициентов: z= 0,2...0,45; с = 0,7...0,9; ρ = 0,1...0,3.

В потоке непрерывно возрастает число автомобилей, которые совершают обгоны или вынуждены двигаться в пачках за медленнодвижущимися. Наблюдается резкое падение средних скоростей движения. Исследования с применением ходовой лаборатории показывают невозможность обгона при z = 0,45. Это значение можно считать верхней границей уровня удобства движения Б.

Эмоциональная напряженность водителей быстро возрастает по мере загрузки движением и приближается к наибольшей. Частота маневров наибольшая. При этом уровне удобства движения водители испытывают снижение комфортности поездки из-за необходимости совершения маневров обгона или объезда. Транспортный поток при уровне удобства движения Б называется устойчивым.

Уровень удобства движения Вхарактеризуется следующими значениями коэффициентов: z = 0,45...0,7; с = 0,55...0,7; ρ = 0,3...0,7. Происходит дальнейшее снижение скоростей движения (см. рис. 5.1).

Эмоциональная напряженность водителей достигает наибольшего уровня (см. рис. 5.4). Водители испытывают неудобства из-за невозможности обгона медленнодвижущихся автомобилей и необходимости внимательного слежения за впереди идущим автомобилем. Комфортность поездки резко снижается. Транспортный поток состоит из отдельных больших групп и пачек и называется неустойчивым.

Уровень удобства движения Гхарактеризуется следующими значениями коэффициентов: z= 0,7...1; с = 0,55...0,4; ρ = 0,7...1. Движение происходит с остановками вследствие состояния транспортного потока, близкого к затору.

Эмоциональная напряженность водителя снижается из-за снижения скоростей и движения с постоянными низкими скоростями.

Скорости движения всех автомобилей близки между собой, среднее квадратическое отклонение значений скоростей небольшое. Водители и пассажиры испытывают наибольшие неудобства от поездки.

Движение происходит с неэкономичными скоростями в колонном режиме. Транспортный поток при уровне удобства движения Г называется насыщенным.

Рис. 5.5. Потери времени в пути на автомобильной магистрали с четырьмя полосами

при разных уровнях удобства движения

Загрузка дорог движением оказывает существенное влияние на потери времени автомобилями в пути (рис. 5.5).

Степень загрузки дороги движением оказывает влияние на расход топлива (рис. 5.6), т.е. на экономичность движения. Наименьший расход топлива отмечается при z= 0,5...0,6.

Анализ распределения интенсивности движения в течение суток показывает разные вероятности существования в течение суток каждого уровня удобства движения на дорогах разных категорий (табл. 5.1).

Описанные состояния транспортного потока складываются в результате изменения не только интенсивности движения, но и дорожных условий, а также вследствие применения средств организации дорожного движения.

Рис. 5.6. Расход топлива при разных уровнях удобства движения

на двухполосной автомобильной дороге

Таблица 5.1

Категория дороги	Вероятность уровней удобства движения, %
А	Б	В	Г
I	18,8			5,2
II	32,4		8,1	2,5
III		40,4	5,9	0,7
IV	79,3	20,5	0,2	-
V	91,4	8,55	0,55	-

Таблица 5.2

Тип автомобильной дороги	Оптимальное значение коэффициента загрузки дороги движением zопт	Рекомендуемый уровень удобства движения	Критерии определения zопт
Новое проектирование	Реконструкция
Подъезды к аэропортам, морским и речным причалам	0,2	0,5	А	Минимум времени сообщения
Внегородские автомобильные магистрали (дороги I категории)	0,45	0,6	Б	Минимум приведенных затрат
Въезды в город, обходы и кольцевые дороги вокруг больших городов	0,55	0,65	В	То же
Автомобильные дороги II, III категорий	0,65	0,7	Г	»
Автомобильные дороги IV категории	0,7	0,75	Г	»

Задача инженера-проектировщика автомобильных дорог и инженера дорожного движения - создание на дороге уровня удобства, обеспечивающего наилучшие и наиболее эффективные условия работы автомобильного транспорта.

При проектировании и эксплуатации дорог стремятся обеспечивать оптимальный уровень удобства движения на дороге, который различен для каждого типа дорог (табл. 5.2).

5.2. Режимы движения транспортного потока на горизонтальных участках

Автомобильных дорог

На горизонтальных участках автомобильных дорог основное влияние на режим движения оказывают интенсивность движения, состав и плотность транспортного потока.

Для установления характера зависимости скорости движения от интенсивности движения состава и транспортного потока наблюдения проводят на прямых горизонтальных участках дорог, имеющих хорошую ровность дорожного покрытия.

При обработке данных наблюдений методами математической статистики отмечается колоколообразное очертание кривых распределения скорости движения при высокой интенсивности движения (рис. 5.7, а), причем значения наиболее часто встречающихся скоростей движения незначительно отличаются друг от друга. Построение кумулятивных кривых (рис. 5.7, б) позволяет проводить установление скорости движения определенных групп автомобилей.

При плотных транспортных потоках данные наблюдений соответствуют кривой нормального распределения (см. рис. 5.7, а):

(5.4)

где ρ_i, - соответственно теоретическое и фактическое значение частоты появления значений скорости движения в заданном интервале Δυ(обычно Δυпринимают равным 5 км/ч); σ - среднее квадратическое отклонение значений скоростей движения, км/ч; υ_i - скорость i-го автомобиля, км/ч; - средняя скорость движения всего транспортного потока, км/ч.

Рис. 5.7. Обработка данных наблюдений методами математической статистики:

а - кривые распределения; б - кумулятивные кривые; 1 - интенсивность движения 400 авт./ч; 2 - интенсивность движения 400 авт./ч (в потоке на 10 % меньше грузовых автомобилей);

3 - интенсивность движения 150 авт./ч

Рис. 5.8. Полимодальная кривая распределения:   1, 3 - соответственно для медленно- и быстродвижущейся части транспортного потока; 2 - для большинства автомобилей трансфертного потока

Кривые распределения скоростей движения при малой интенсивности движения, когда медленнодвижущиеся и быстродвижущиеся автомобили практически не оказывают влияния друг на друга и водители свободны в выборе скоростей движения, могут иметь одну, две и даже три вершины.

Анализ полимодальной кривой распределения показывает, что эту кривую можно рассматривать как состоящую из трех кривых нормального распределения (рис. 5.8):

одна - для медленно движущейся части транспортного потока (кривая 1), вторая - для большинства автомобилей потока (кривая 2) и третья - для быстродвижущейся части транспортного потока (кривая 3).

Суммирование этих кривых дает кривую распределения всего транспортного потока, которая получается при обработке результатов наблюдений.

С увеличением интенсивности движения кривые 1 и 3 исчезают, так как происходит выравнивание скоростей быстродвижущихся и медленно движущихся автомобилей.

Поэтому при очень высоких интенсивностях движения кривая распределения становится практически одновершинной. Трехвершинные кривые распределения скоростей движения характерны для низкой интенсивности движения и, особенно, для участков дорог, где наблюдается большая разница в скоростях движения грузовых и легковых автомобилей, обусловленная различием их динамических качеств.

При низкой интенсивности движения (менее 200 авт./ч) нормальная кривая распределения не соответствует фактическому распределению значений скоростей движения.

Учитывая существование кривых нормального распределения скоростей отдельных групп свободнодвижущихся автомобилей, правильным будет предположение о существовании какой-то суммарной кривой распределения. Для описания такой кривой можно применить распределение смеси.

Таким образом, распределение скоростей движения всего транспортного потока оказывается смесью нормальных кривых распределения скоростей движения отдельных групп автомобилей, движущихся в общем потоке:

где р₁, р₂, р₃ - фактические частоты появления значений скоростей в каждой группе автомобилей (грузовые тяжелые, грузовые средние, легковые); σ₁, σ₂, σ₃ - средние квадратические отклонения значений скоростей для каждой группы автомобилей, км/ч; υ₁ - скорость i-го автомобиля, км/ч; - средние скорости движения каждой группы автомобилей, км/ч.

При использовании формулы (5.5) наблюдаются наименьшие отклонения теоретических значений частот от фактических (рис. 5.9).

Общий вид кривой распределения скоростей движения при малой интенсивности движения зависит от состава транспортного потока на дороге. При высокой интенсивности движения состав транспортного потока оказывает влияние в основном на положение вершины кривой.

При наличии в транспортном потоке большого числа тяжелых автомобилей вершина кривой смещается влево. Преобладание в транспортном потоке автомобилей с высокими динамическими качествами приводит к смещению кривой вправо. Так, увеличение в транспортном потоке числа медленно движущихся автомобилей на 10 % приводит к уменьшению модального значения скорости на 6 км/ч.

Рис. 5.9. Кривые распределения скоростей движения:

1 - рассчитанная по формуле (5.4); 2 - рассчитанная по формуле (5.5); 3 - фактическая кривая

С целью установления закономерности снижения скорости движения при увеличении интенсивности движения строят график скорость движения - интенсивность движения, имеющий криволинейный характер (см. рис. 5.1). Точки перегиба этой кривой соответствуют границам разного состояния транспортного потока. Путем обработки данных наблюдений методом наименьших квадратов с достаточной точностью для практических расчетов зависимость скорость движения - интенсивность движения может быть аппроксимирована линейной функцией

υ = υ₀ - α/N. (5.6)

При 50 < N < 600 авт./ч υ= 59 - 0,015N. (5.7)

Первый член этих уравнений - скорость движения υ₀одиночных автомобилей при отсутствии помех со стороны других транспортных средств, зависит от динамических качеств автомобилей.

Скорость движения легковых автомобилей υ_лснижается с ростом интенсивности движения быстрее, чем скорость грузовых автомобилей υ_гр:

υ_л = 78 - 0,0385N; (5.8)

υ_гp = 54,2 - 0,0122N. (5.9)

Более интенсивное снижение скорости движения легковых автомобилей связано с большим различием в динамических качествах легковых и грузовых автомобилей. Снижение скорости движения грузовых автомобилей в основном объясняется влиянием медленнодвижущихся автомобилей и невозможностью их обгона.

При интенсивности движения в двух направлениях более 700 авт./ч разность скоростей движения легковых и грузовых автомобилей составляет менее 10 км/ч.

Наблюдения показывают, что с увеличением интенсивности движения разность скоростей движущихся друг за другом автомобилей уменьшается (рис. 5.10).

При свободных условиях движения разность скоростей движения составляет 15...20 км/ч, уменьшаясь до 5 км/ч при интенсивности движения 900 авт./ч в обоих направлениях.

Степень стеснения условий движения может быть охарактеризована отклонением значения скорости движения отдельного автомобиля от средней скорости движения транспортного потока.

Зависимость среднего квадратического отклонения скоростей σ от суммарной интенсивности движения N

Рис. 5.10. Зависимость разности скоростей движущихся друг за другом автомобилей от интенсивности движения

(при наличии в транспортном потоке 25 % легковых автомобилей) для дорог с двумя полосами движения можно выразить уравнением

σ = 13,2 - 0,0043N. (5.10)

Наблюдения, проводимые при разной интенсивности и составе движения, показывают значительное влияние состава транспортного потока на среднюю скорость движения транспортного потока. При наличии в транспортном потоке:

5 % легковых автомобилей

= 53-0,018N; (5.11)

25 % легковых автомобилей - см. выражение (5.7);

50 % легковых автомобилей

= 63,8 - 0,012N; (5.12)

80 % легковых автомобилей

= 70 - 0,008N. (5.13)

Аналогичные зависимости получены для скорости движения легковых автомобилей. При наличии в транспортном потоке:

5 % легковых автомобилей

= 67 - 0,051N; (5.14)

25 % легковых автомобилей - см. выражение (5.8);

50 % легковых автомобилей

= 83 - 0,027N; (5.15)

80 % легковых автомобилей

= 91 - 0,019N. (5.16)

Для скоростей движения грузовых автомобилей получены следующие зависимости. При наличии в транспортном потоке:

5 % легковых автомобилей

= 51 - 0,014N; (5.17)

25 % легковых автомобилей - см. выражение (5.9);

50 % легковых автомобилей

= 56,5 - 0,01N; (5.18)

80 % легковых автомобилей

= 59,6 - 0,0076N. (5.19)

В этом случае; наблюдается небольшое изменение наклона корреляционной прямой при разном составе транспортного потока. Это указывает на то, что число легковых автомобилей в транспортном потоке незначительно влияет на скорость движения грузовых автомобилей, основное влияние оказывает число медленнодвижущихся автомобилей.

Корреляционные уравнения связи между средним квадратическим отклонением скоростей движения и интенсивностью движения при разном составе транспортного потока выглядят следующим образом:

при 25 % легковых автомобилей - см. уравнение (5.10);

при 50 % легковых автомобилей

σ₅₀ = 1,56 - 0,007N; (5.20)

при 90 % легковых автомобилей

σ₉₀ = 23 - 0,0085N. (5.21)

В практических расчетах большое значение имеет возможность перехода от скорости движения при одном составе транспортного потока к значениям скорости движения при другом составе транспортного потока.

На основании анализа зависимостей скорость движения - интенсивность движения

получены графики изменения коэффициентов α при заданных интенсивности движения и скорости свободного движения в уравнении (5.6) при разном составе транспортного потока (рис. 5.11).

С помощью этих графиков для известного значения доли легковых автомобилей в транспортном потоке можно определить коэффициент α и значение скорости свободного движения, т.е. можно количественно оценить снижение скорости движения с изменением состава транспортного потока.

Это позволяет экстраполировать результаты проведенных наблюдений на дорогах с двумя полосами движения на перспективный состав транспортного потока на дорогах.

Рис. 5.11. Зависимость коэффициента α (1) и скорости свободного движения υ₀ (2) от состава транспортного потока (доли легковых автомобилей в транспортном потоке)

Для дорог с тремя полосами движения существует следующая связь между средними мгновенными скоростями движения и интенсивностью движения:

для всего потока

υ = 67,23 - 0,0164N; (5.22)

для внешних полос

υ = 61,89 - 0,01218N; (5.23)

для центральной полосы

υ = 76,93 - 0,00438N. (5.24)

Зависимость средней мгновенной скорости движения от интенсивности движения на автомагистралях с шестью полосами движения при 650 < N < 1500 авт./ч будет следующей:

υ = 72,3 - 0,0081N. (5.25)

Для каждой полосы движения получены следующие уравнения:

для крайней правой полосы

υ₁ = 58,5 - 0,0092N; (5.26)

для средней полосы

υ₂= 77 - 0,0257N; (5.27)

для крайней левой полосы

υ₃ = 85,5 - 0,0364N. (5.28)

Уравнения (5.26) - (5.28) справедливы при интенсивности движения 200 - 700 авт./ч.

Таким образом, результаты измерений скорости движения позволяют получить следующие уравнения для расчета средней скорости движения на горизонтальных прямолинейных участках с учетом суммарной интенсивности движения N и доли легковых автомобилей в потоке р_л, отн. ед.:

на дорогах с двумя полосами движения

υ= 52 - (0,019 - 0,00014р_л) N + 0,22p_л; (5.29)

на дорогах с тремя полосами движения

υ= 55 - (0,017 - 0,00013p_л) N + 0,215p_л; (5.30)

на дорогах с четырьмя полосами движения

υ= 59 - (0,015 - 0,00012p_л) N+ 0,21p_л; (5.31)

на дорогах с шестью полосами движения

υ= 62 - (0,012 - 0,00010p_л) N + 0,2p_л; (5.32)

на дорогах с восемью полосами движения

υ= 64 - (0,009 - 0,00008p_л) N + 0,19р_л. (5.33)

Уравнения (5.29) - (5.33) применимы при 50 < N < 800 авт./ч.

Скорость движения зависит от состава транспортного потока, особенно числа маршрутных автобусов (рис. 5.12).

Большое влияние на скорость движения оказывает плотность транспортного потока, являющаяся важнейшей характеристикой транспортного потока.

Для автомагистралей получена следующая зависимость скорости движения от плотности транспортного потока:

Рис. 5.12. Зависимость скорости движения от интенсивности движения транспортного потока на четырехполосной автомагистрали при расстоянии между автобусными остановками 500...1000 м (2, 4) и до 500 м (3, 5):   1 - при отсутствии автобусов; 2, 3 - при интенсивности движения автобусов 10 - 15 авт./ч; 4, 5 - при интенсивности движения автобусов 25-30 авт./ч

где υ₀ - скорость движения в свободных условиях, км/ч; q_i - плотность транспортного потока на каком-либо элементе дороги в рассматриваемый момент времени, авт./км; а - постоянная, зависящая от числа полос движения, для четырехполосных автомагистралей а= 90, для шестиполосных автомагистралей а =135; q_max - максимальная плотность транспортного потока на одной полосе движения, авт./км; п - число полос движения в одном направлении.

Для двухполосных автомобильных дорог зависимость скорости движения от плотности транспортного потока хорошо описывается уравнением

(5.35)

где υ₀ - скорость движения в свободных условиях, км/ч; q, q_max - соответственно средняя и максимальная плотность транспортного потока, авт./км; β, γ - параметры, зависящие от дорожных условий, например для участков дорог, расположенных в пределах малых населенных пунктов, протяженностью 2 км β = 1,75; γ = 5.

Средняя скорость движения плотного транспортного потока при интенсивности движения, равной пропускной способности, определяется по формуле

(5.36)

Зависимость скорость движения - плотность транспортного потока имеет преимущество по сравнению с зависимостью скорость движения - интенсивность движения и справедлива для участка дороги, позволяя оценить условия маневрирования на этом участке. Зависимость скорость движения - интенсивность движения характерна только для определенного поперечного сечения дороги.