CC BY
66
УДК 656.13.056
ОБҐРУНТУВАННЯ ТА ВИБІР ЦІЛЬОВОЇ ФУНКЦІЇ АВТОМАТИЧНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ДОРОЖНІМ
РУХОМ
І.К. Шаша, доцент, к.т.н., Харківський національний університет
внутрішніх справ
Анотація. Виконано аналіз ефективності використання потенційного екологічного ризику та скорочення середньої тривалості життя для управління дорожнім рухом та доведено, що застосування цих характеристик буде
раціональним у випадку високої інтенсивності руху. Запропоновано як універсальну цільову функцію оптимізації управління дорожнім рухом використовувати величину сумарного часу затримок транспортних засобів перед перехрестями міської вуличної мережі за один цикл регулювання.
Ключові слова: управління дорожнім рухом, екологічний ризик, середня тривалість життя, інтенсивність руху автомобілів, викиди шкідливих речовин.
Вступ
Оцінка якості управління дорожнім рухом і проектними рішеннями в сфері організації дорожнього руху в містах, комплексних систем організації руху міст із населенням понад 100 тис. жителів, тимчасових схем організації на період перекриття значних ділянок вуличної мережі сполучена з необхідністю урахування великої кількості даних для розв’язання протиріч невизначеності об’єктивого та суб’єктивного характеру [1, 2].
До таких факторів відносяться:
- топологічні характеристики, що відбивають геометричну структуру вуличної мережі і параметри її окремих елементів (ширина проїзної частини, конфігурація перехресть та транспортних розв’язок);
- схеми руху автотранспортних засобів
(однобічний рух, число смуг руху, заборони маневрів на перехрестях, заборони руху вантажного транспорту), наявність пішохідних потоків (дислокація
нерегульованих і регульованих пішохідних
переходів, наявність пішохідних
огороджень);
- наявність світлофорного регулювання і елементів інтелектуальної підтримки прийняття рішень (схеми пофазного роз’їзду та параметри управління, координація мережі світлофорних об’єктів);
- фактори, пов’язані з рухом маршрутного громадського транспорту (інтенсивність руху автобусів, тролейбусів та трамваїв, дислокація зупинок) та паркуванням транспортних засобів на проїзній частині.
Очевидно, що врахувати все різноманіття факторів для оцінки ефективності організації і управління дорожнім рухом можна лише для невеликих ділянок вуличної мережі із використанням прогресивних інформаційних технологій для підвищення якості автоматизованого управління дорожнім рухом за рахунок реалізації принципів оптимізації.
Аналіз публікацій
Ефективність управління дорожнім рухом можна оцінювати безліччю чинників, які залежать від управління. В якості цільової функції управління дорожнім рухом ряд
авторів пропонують використовувати такі величини: кількість ДТП [1], соціально-економічні збитки від ДТП, обсяг шкідливих речовин [3, 4], загальний час проїзду по маршруту, кількість зупинок за одну поїздку, коефіцієнт пропуску, середня затримка екіпажу за цикл, середні простої, швидкість сполучення, інтенсивність руху тощо.
Мета та постановка задачі
Метою роботи є обґрунтування та вибір цільової функції автоматичної системи управління (АСУ) дорожнім рухом. Усереднені в цілому по Харкову дані про забруднення атмосферного повітря вказують на несприятливу екологічну обстановку практично у всіх районах міста. Середня концентрація оксиду вуглецю дорівнює 8,3 мг/м3 (2,75 ГДК,д.).
Існуючий рівень забруднення атмосферного повітря є прямою та явною загрозою для населення та довкілля. У зв’язку з цим пропонується оцінити можливість застосування в якості цільової функції величини екологічного ризику, що визначається в залежності від рівня забруднення атмосферного повітря вихлопними газами автомобілів.
Обґрунтування та вибір цільової функції АСУ дорожнім рухом
При забрудненні атмосферного повітря відповідно до закону Вебера-Фехнера має місце існування певної функціональної залежності між рівнем забруднення та ризиком
C
г = а Ч^ —
(1)
можна встановити дві закріплені точки залежності
П'ШО-6 = а
ГДКС
с0
(2)
п0,5 = а Ч^ Я С
Функція величини потенційного
екологічного ризику від концентрації компонентів вихлопних газів автомобілів в атмосферному повітрі буде мати такий вигляд:
г = 0,5 Ч-
С
ГДКС
ь ЛК50 ГДК
(3)
Це рівняння дозволяє визначити скорочення середньої тривалості життя (СТЖ) при відомій концентрації С шкідливих речовин у повітрі. Використання оцінки у вигляді відношення двох величин еквівалентно переходу від інтенсивної до екстенсивної характеристики впливу - дози, яка, як відомо, є інтегральною величиною і визначається з урахуванням часу впливу.
Очікуваний індивідуальний ризик розраховується з урахуванням часу перебування в даних умовах
Гшд = Г Чі1
(4)
де П - вірогідність перебування індивідуума в зоні забруднення впродовж доби.
Очікуване імовірне скорочення середньої тривалості життя за рік складає
де г - рівень ризику; С - концентрація шкідливих речовин у повітрі, мг/м3.
Прийнятний ризик як імовірність смерті протягом року для людини від небезпек, обумовлених станом довкілля, вважається рівним 10-6. Такому ризику відповідає вміст шкідливих речовин у повітрі з концентрацією, рівною ГДКс.д. Якщо концентрація цих речовин буде дорівнювати середньосмертельній С=ЛК50, то рівень ризику складає величину г = 0,5. Таким чином, на основі нормативних показників
СТЖ1Нд = 365 ЧгІНд .
(5)
Для визначення сумарного екологічного ризику R при незалежній дії декількох речовин спочатку розраховується величина ризику г для кожної речовини, а потім визначається сумарний ризик
де
т _
т
Я = 1 - Х (1 - г) ,
кількість шкідливих речовин.
І- 1
Запропонована методика розрахунку величини сумарного ризику та СТЖ, яка використовує базові нормативні дані, дозволяє дати кількісну оцінку небезпеки забруднення атмосферного повітря. У зв’язку з цим можна застосувати екологічний ризик як цільову функцію управління дорожнім рухом.
При розрахунку викидів шкідливих речовин, що містяться у вихлопних газах автотранспорту, для карбюраторних двигунів розглядаються оксид вуглецю (СО), вуглеводні (СтНп) і оксиди азоту NOx. Для автомобілів із дизельними двигунами додатково визначається вміст сажі. Слід зазначити, що більш жорсткі європейські стандарти враховують викиди СО, а також суму СтНп і Шх [5].
Первинне перемішування вихлопних газів відбувається в деякому об’ємі над полотном дороги
У0 = L ЧЬ Чh
(7)
де L - довжина шляху, м; Ь - ширина проїзної частини, м; h - висота комірки, де відбувається первинне перемішування, м.
де Q ЧСф _ маса шкідливих речовин, що надходять на дорогу з урахуванням фонових концентрацій Сф=0,4 ГДКм.р., мг/с; Q ЧСІ _ маса речовин, що виносяться з дороги після первинного перемішування, мг/с; СІ _ концентрація речовини над полотном дороги, мг/м3; МІ _ викид речовин із вихлопними газами, мг/с; t _ час. С; Q _ об’єм повітря, що надходить в об’єм над полотном дороги, м3/с.
У стаціонарному стані dCl / dt = 0 , тому що після перетворень отримаємо
с - с + М 1 ф Q •
(10)
Отримана залежність дозволяє вирішити дві задачі: знайти концентрацію шкідливих
речовин над проїзною частиною дороги і поблизу при заданій швидкості вітру, при якій буде досягнуто значення ГДКм.р.
Оцінка рівня впливу на атмосферне повітря вихлопних газів автомобілів виконується на елементах вуличної мережі: на вулицях і перехрестях. Для того, щоб врахувати особливості виділення газів автомобілів на перехрестях введемо додаткові коефіцієнти
Величину h = 2 м приймаємо рівною середній висоті автомобілів у потоці, при русі останніх відбувається повне витиснення та перемішування повітря з вихлопними газами. На дорогу надходить і віддаляється від неї в залежності від швидкості і напрямку вітру в загальному випадку такий об’єм повітря Q, м3/с
Мі = К Чk ЧК. ЧКр ЧК, ЧК, ЧМОІ,
(11)
Q = h Чи Ч( L Чsin а + Ь Чcos а )
(8)
де и _ швидкість вітру, м/с; а _ кут між напрямком вітру та осьовою лінією дороги (далі будемо розглядати відповідно до рекомендацій ОНД-86 розсіювання домішок для напрямку вітру а =90°).
Рівняння матеріального балансу за одним з компонентів має вигляд
Q<Ч фМ і Vе і ,
(9)
де ku - збільшення викидів через
світлофорне переривання автомобільного потоку; k - збільшення викидів через
незадовільну якість палива; ki -характеризує справність і регулювання систем живлення автомобілів; кр -
характеризує особливості планування й організації перехресть, наявність зупинок громадського транспорту, пішохідних
переходів, підземних переходів тощо;
К, _
коефі-цієнт рельєфної складності перехрестя;
- коефіцієнт, що характеризує середній «вік» автомобілів у потоці; М0І і Мі -ідеальний і реальний викид компонентів, г/с.
Величину М 0І для умовного автомобіля знайдемо за даними щодо викидів токсичних компонентів Рі на одиницю дороги за формулою
М Оі =
1000 Чп ЧL ЧРг 3600
(12)
де п _ інтенсивність руху автомобілів, авто/г; L _ відрізок шляху, км; Рг _ норма викидів компонентів умовним автомобілем: оксид вуглецю _ 24,3 г/км, оксиди азоту _ 0,3 г/км, вуглеводні _ 4,2 г/км.
Значне збільшення викидів пов’язано з незадовільною якістю палива та несправністю систем живлення автомобілів. Більше 10 % аналізів застосовуваного палива показують невідповідність нормативам, тому можна прийняти К =1,1. Перевірки, проведені під час операції «Чисте повітря» в м. Київ у 2004 році, показали, що кожний третій автомобіль потребує регулювання системи живлення [6]. Це відповідає К =1,33.
Через відсутність достовірних даних про рельєфну складність і видимість на всіх перехрестях приймемо К, =1,05. Значення =1,2 тому, що більше 20% автомобілів у приведеному потоці експлуатуються понад 10 років.
Значення Ки =1 відповідає рухові на ділянці вулиці без зупинок. При світлофорному регулюванні приблизно половина циклу регулювання (20 _ 30 с) витрачається на накопичення групи автомобілів і очікування сигналу світлофора, що дозволяє рух. При русі умовний автомобіль виділяє Р =24,3 г/км або 1,215 г оксиду вуглецю на відрізку шляху 50 м, що складає перехрестя. При зупинці цей же автомобіль за 30 с у режимі холостого ходу викидає 2,25 г оксиду вуглецю. При часі затримки у світлофора 10, 20 і 30 с величина Ки приймає відповідно значення 1,75; 2,2 і 2,8. При очікуванні впродовж 40 с Ки =3,47. При відсутності світлофорного регулювання значення Ки =10 _ 12.
Запропонована методика розрахунку екологічного ризику та величини скорочення середньої тривалості життя дозволяє застосовувати ці характеристики як цільову функцію управління дорожнім рухом. Водночас слід зазначити, що величина екологічного ризику і скорочення середньої тривалості життя змінюються незначною мірою при малих інтенсивностях
транспортних потоків. Таким чином, застосування величини екологічного ризику й скорочення середньої тривалості життя в якості цільової функції управління АСУ дорожнім рухом буде ефективним при значних інтенсивностях транспортних потоків.
Розглянемо інші підходи до визначення цільової функції управління дорожнім рухом. Визначення витрат часу на пересування автомобіля з одного пункту в інший можна представити оператором
Fl = / ^ ,Кср, х),
(13)
де 5 _ відстань, яку повинен проїхати автомобіль; ^Ср _ середня швидкість руху автомобіля; х _ сумарний час затримки автомобіля на регульованих перехрестях.
Аналогічним чином можна описати функцію для визначення витрат пального під час руху через регульовані перехрестя з одного пункту в інший
F2 = /(5ДрдК , х), де V; _ об’єм двигуна автомобіля.
(14)
Отже із наведених вище прикладів і екологічний ризик, і час прямування автомобіля із одного пункту в інший, витрати пального визначаються залежно від затримок автотранспортних засобів перед регульованими перехрестями, тому ефективність управління світлофорними об’єктами повинна оцінюватися величинами сумарних затримок транспортних засобів для всіх перегонів у всіх напрямках руху.
Висновки
Аналіз ефективності використання потенційного екологічного ризику і величини скорочення середньої тривалості життя показує, що застосування цих характеристик для управління дорожнім рухом є раціональним у разі високої інтенсивності руху. З наведених результатів випливає, що екологічний ризик, і час прямування автомобіля з одного пункту в інший, і витрати пального визначаються в залежності від затримок автотранспортних засобів перед регульованими перехрестями. Отже, можна рекомендувати в якості
цільової функції для оптимізації управління дорожнім рухом величину сумарного часу затримок транспортних засобів перед перехрестями міської вуличної мережі за один цикл регулювання.
Література
1. Дерех З.Д., Рейцен Є.О. Дослідження
підвищення ефективності
автоматизованих систем керування дорожнім рухом в Україні // Безпека дорожнього руху України. _ К.: ТОВ «ISTERPRESS _ Україна». _ 1999. _ № 1(2). _ С. 79 _ 89.
2. Нутович А.А., Давимока В.Г. Стадии со-
здания автоматизированной системы управления дорожным движением в Одессе // Безпека дорожнього руху України. _ К.: ТОВ «ISTERPRESS _ Україна». _ 2000. _ № 2(7). _ С. 63 _ 72.
3. Юдін В.П., Райда І.М. «Внесок» автомобільного транспорту в забруднення повітряного басейну міста
Запоріжжя // Автошляховик України. -1999. - № 3. -
С. 16 - 17.
4. Редзюк А.М., Гутаревич Ю.Ф. Нормування
екологічних показників ДТЗ: розвиток, стан, перспективи // Автошляховик України. - 2001. - № 4. - С. 2 - 10.
5. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я., Преснер
Б.М., Гулай В.І. Вибірковий аналіз викидів оксиду вуглецю з відпрацьованими газами автомобілів // Автошляховик України. - 2002. - № 2. -С. 16 - 19.
6. Методики розрахунку викидів
забруднюючих речовин від
автотранспорту. - К.: Держкомстат
України, 2000. - 20 с.
Рецензент: М.Я. Говорущенко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 17 травня 2007 р.
