CC BY
15УДК 625.718
Ш.Н. ВАЛИЕВ1, канд. техн. наук; Н.Е. КОКОДЕЕВА2, д-р техн. наук;
А.В. КОЧЕТКОВ3, д-р техн. наук (Soni.81@mail.ru), Л.В. ЯНКОВСКИЙ3, канд. техн. наук
1 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) (125319, г. Москва, Ленинградский просп., 64)
2 Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А. (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)
3 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614600, г. Пермь, Комсомольский просп., 29а)
Моделирование риска возникновения дорожно-транспортных происшествий с учетом вариативности макрошероховатости покрытий проезжей части на автомобильных дорогах и мостовых сооружениях
Актуальность тематики данной статьи во многом определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня безопасности дорожного движения с учетом дорожных условий в соответствии с федеральными законами «Об автомобильных дорогах и дорожной деятельности», «О техническом регулировании», Техническим регламентом «О безопасности зданий и сооружений», обязательным перечнем ГОСТов и СНиПов, касающихся минимального уровня риска для автомобильных дорог и мостовых сооружений, включенных в качестве обязательного приложения к последнему закону, а также с Техническим регламентом Таможенного союза «Безопасность автомобильных дорог». Одним из главных способов повышения сопротивления дорожного покрытия скольжению шины, т. е. обеспечения требуемых значений коэффициента сцепления, является создание макрошероховатой поверхности. Статистические данные по безопасности дорожного движения свидетельствуют об уменьшении количества ДТП с улучшением сцепных качеств покрытий и повышением макрошероховатости. Поэтому пристальное научное внимание должно уделяться исследованию влияния геометрии активных выступов и глубин впадин макрошероховатого дорожного покрытия автомобильных дорог и ездового полотна мостовых сооружений на коэффициент сцепления. Одним из подходов для такой вероятностной оценки является применение теоретико-вероятностного метода теории риска.
Ключевые слова: автомобильная дорога, мостовое сооружение, дорожное покрытие, ездовое полотно, макрошероховатость, асфальтобетон, тонкие слои износа, шероховатые поверхностные обработки, теоретико-вероятностный подход, риск, коэффициент сцепления.
Sh. N. Valiyev1, Candidate of Sciences (Engineering); N. E. Kokodeeva2, Doctor of Sciences (Engineering), Head of "Transport Construction" Department; A.V. Kochetkov3, Doctor of Sciences (Engineering), Professor(Soni/81@mail.ru); L.V. Yankovsky3, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI) (64 Leningradsky Avenue, 125319, Moscow, Russian Federation)
2 Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politechnicheskaya Street, 410054, Saratov, Russian Federation)
3 Perm National Research Polytechnic University (29a Komsomolsky Avenue, Perm, 614990, Russian Federation)
Simulation of Risk of Traffic Accidents Occurrence with Due Regard for Variability of Macro-Roughness of Pavements of Traffic Way on Highways and Bridge Constructions
The relevance of the theme of this article is defined, in many respects, by the need to ensure the required level of traffic safety with due regard for road conditions according to Federal Laws "About Highways and Road Activity", "On Technical Regulation", "Technical Regulations "About Safety of Buildings and Constructions", the obligatory list of GOST and Construction Norms and Regulations, concerning the minimal level of risks for highways and bridge constructions, included, as a normative annex, in the last law, and also Technical Regulations "Safety of Highways" of the Customs Union. One of the main ways of increasing the resistance of pavement to sliding of the tire, i.e. ensuring the demanded values of the coupling coefficient, is the creation of a macro-rough surface. Statistical data on traffic safety testify about reducing the number of road accident due to the improvement of coupling qualities of coverings and increase of macro-roughness. Therefore the close scientific attention has to be paid to research in the influence of the geometry of active ledges and depths of hollows of macro-rough paving of highways and decks of bridge constructions on the coupling coefficient. One of approaches for such probabilistic assessment is the use of the probability-theoretic method of risk theory.
Keywords: highway, bridge construction, paving, deck, macro-roughness, asphalt concrete, thin layers of wear, rough surface treatments, probability-theoretic approach, risk, coupling coefficient.
До 2002 г. в отечественном техническом нормировании действовала система стандартизации, основанная на безусловном соблюдении стандартов (государственных, международных, отраслевых), норм (ведомственных), технических условий и других нормативно-методических документов.
С начала 1990-х гг. (и по настоящее время) активно внедрялись различные системы менеджмента качества как составная часть административного управления предприятием. В них была заявлена оценка риска использования некондиционной продукции, на которую не было обращено внимание специалистов. В целом система менеджмента качества основана на принципе «всеобщей минимизации дисперсии». Одновременно в законодательных и нормативно-методических документах охраны окружающей среды был введен экологический менеджмент, основанный на оценке экологического риска.
Однако революционное значение процедуры риск-менеджмета получили после принятия Федерального закона № 184 «О техническом регулировании» [1]. В нем было заявлено об обязательности технических регламентов с учетом степени риска причинения вреда. В законе декларировано об обязательном исполнении минимальных требований к безопасности объектов технического регулирования.
Налицо отход от удовлетворения потребностей собственника объекта (государства, ведомства, монополии) по интегральным (обобщенным показателям надежности, например срока службы или наработки на отказ) к удовлетворению потребности в безопасности конкретного потребителя. При этом нормирование ведется по установленным и проранжированным факторам опасности риска. Верен тезис: «Риск испытывать нельзя», риск надо оценивать (исследовать). Риск нельзя испытывать на отказ.
22
май 2016
yuJ ®
Выявление опасности
Количественная оценка ТР
Оценивание ТР
r =
' TRY
Ll To'
(1)
методов оценки опасностей и объема полученной информации о них [2—4].
Ниже представлена процедура расчета и оценки риска на основе теории риска, разработанной профессором В.В. Столяровым [3—4].
Первый случай.
Для систем, функционирующих безопасно (нормально) при Аср>>Акр, где АСР — фактическое среднее значение переменной; АКР — значение математического ожидания, соответствующего риску возникновения нежелательного события, равному 50%.
Алгоритм оценки степени риска:
1. Методами математической статистики определено необходимое число измерений параметра А:
п =
C^max -^min) ' ^ (6 • Д)2
(2)
Рис. 1. Схема итеративного процесса оценки и уменьшения ТР
К результатам применения новой системы технического регулирования можно отнести понятия «наведенной однородности», «минимизация коэффициента вариации», соответствие требуемому уровню ответственности и «укороченных и утолщенных хвостов распределений», «декоррелированнности выходного параметра». Важным результатом оказалось и сокращение затрат (на один, а иногда до трех порядков) на получение и анализ требуемой информации для принятия решения при сравнении проектов конкретных объектов технического регулировании [1—2].
Известна следующая классификация рисков: технический (обусловленный возможными последствиями функционирования технико-экономических систем, а также их нарушениями), экологический, индивидуальный, социальный, политический, экономический. Однако при исследовании рисков следует рассматривать также и их взаимосвязь, выраженную в возможном совместном формировании. В области дорожного хозяйства используем следующую интерпретацию технического риска (ТР) или вероятность аварийной ситуации:
где -<4 шах и Лщш — максимальные и минимальные величины параметра исследования; ? — коэффициент значимости, который определяется по доверительной вероятности 95% ^ = 1,96~2); А — допустимое отклонение исследуемого параметра.
2. Устанавливают фактическое среднее значение параметра АСР: п
¿Ср-Лг- , (3)
где А — параметр исследования; п — число результатов испытаний (измерений).
3. Устанавливают среднее квадратическое отклонение фактического среднего значения параметра АСР:
оА,
CP
1(A,-Acrf
1
(4)
п - 1
4. Устанавливают коэффициент вариации фактиче
ского среднего значения параметра АСР:
аАСр
°V
»CP
при
^кр —
V^on+[25(C^)2-l] • (Лдоп - 25 )-Ал
25 (С^)2-
(5)
(6)
при Су
Сусе=0,2:
. _ Лдоп-25а]доп •"^доп
где Т„ — число аварийных ситуаций на техническом объекте дорожной инфраструктуры за период времени Т0 — общее число ситуаций на техническом объекте транспортной инфраструктуры.
При исследовании ТР в дорожном хозяйстве можно выделить типовые признаки основных процедур его оценки, такие как объект ТР, причины (источник) возникновения ТР, сопровождающие факторы ТР, последствия ТР. Вопросы исследования ТР и его оценки представлены в ряде работ. Вопросы концепции безопасности приведены в ГОСТ Р 51898—2002 (Аспекты безопасности. Правила включения в стандарты). Величина допустимого ТР достигается с помощью итеративного процесса оценки и снижения ТР (рис. 1).
Как предлагают авторы, под риском можно понимать площадь хвоста нормального распределения, находящуюся в границах между критическим значением и тремя сигмами.
Предложена типовая процедура оценки и снижения вероятности возникновения опасности (рис. 2) с учетом
где Лдоп — допустимое (безопасное) значение параметра А; О4доп — строительный допуск на среднее квадратическое отклонение параметра АДОП; Су™" принимается равным параметру согласно закону распределения критической переменной (АКР) и обладает эквивалентной однородностью по законам распределения фактической переменной (АСР).
5. Параметр о^ определяют по формуле:
ст л = САдоп ■ Л
ДОП ДОШ
(7)
где С/оп — допустимое значение коэффициента вариации параметра Адоп, которое во многих случаях не должно превышать 0,05.
6. Параметр аА^ определяют по формуле:
а А =ГКР-Л
(8)
7. Вероятность возникновения нежелательного события (например, рост числа дорожно-транспортных происшествий) устанавливают по формуле:
научно-технический и производственный журнал
® май 2016 23
Рис. 2. Типовая процедура оценки и снижения вероятности возникновения опасности
г = 0,5 - Ф
Г АГР-А 4
1КР
(9)
ЧСР у
где Ф — функция Лапласса. Второй случай.
Для систем, функционирующих безопасно (нормально) при ^СР<<^КР: АСР — фактическое среднее значение переменной; АКР
значение математического
ожидания, соответствующего риску возникновения нежелательного события, равному 50%.
Алгоритм оценки степени риска [3—6, 18, 20—21]: 1. Методами математической статистики определено необходимое число измерений параметра А:
п =
(-^тах ^шт) ' ^
(6 • А)2
(10)
сти, который определяется по доверительной вероятности 95% ^ = 1,96~2); А — допустимое отклонение исследуемого параметра.
2. Устанавливают фактическое среднее значение АСР:
А* -V . (11)
3. Устанавливают среднее квадратическое отклонение фактического среднего значения АСР:
о^ср = у
Ъ^-Асг)2
п - 1
(12)
4. Устанавливают коэффициент вариации фактического среднего значения АСР:
ГАСГ=
АСР .
(13)
где Лщах и А„цд — максимальная и минимальная величины исследуемого параметра; ? — коэффициент значимо- ной А
5. Устанавливают значение критической перемен-
КР
24
май 2016 уЛ ®
при Су
A —JA
KP лдоп
25 (C^)2-!
при C^CP=0,2:
'KP"
= 2-Ап
-25cí
2Am
i; (14)
(15)
a, = г «
ДОП
'•л
(16)
где С/011 — допустимое значение коэффициента вариации параметра Адоп, которое во многих случаях не должно превышать 0,05.
7. Параметр оА^ определяют по формуле:
п А = Гкр. А
(17)
8. Вероятность возникновения нежелательного со бытия устанавливают по формуле:
"¿KP-^CP
г = 0,5-Ф
2 2
(18)
ср у
Изменение и вариативность исходных материалов (гранулометрический состав щебня, показатели битума и результаты их распределения) проявляются в разбросе (неоднородности распределения активных выступов и глубин впадин) [14—17].
№ участка Нф, мм °нф, МПа
I 1,069 0,279 0,26
II 1,002 0,152 0,15
где Лдоп — допустимое (безопасное) значение переменной А; с^доп — допуск или допустимый стандарт отклонения нормированной или безопасной величины на среднее квадратическое отклонение параметра А„г~- гА**
__ -------с .. ^доп,
принимается равным параметру Су согласно закону распределения критической переменной (АКР) и обладает эквивалентной однородностью по законам распределения фактической переменной (АСР).
6. Параметр О4доп определяют по формуле:
В качестве типового примера расчета выбрано ма-крошероховатое дорожное покрытие из щебеночно-ма-стичного асфальтобетона, отличающееся максимальной макрошероховатостью по нормируемому показателю средней глубины впадин.
Используя вышеприведенную методику теории риска, авторами был применен математический аппарат для оценки влияния глубины неровностей (Нф) макрошероховатости на дорожном покрытии на коэффициент сцепления; результаты расчета приведены в таблице.
Выводы. На основе применения теоретико-вероятностного подхода проведено математическое моделирование вероятности возникновения дорожно-транспортных происшествий на автомобильных дорогах и мостовых сооружениях с учетом вариативности исходных материалов. Было принято, что изменение и вариативность исходных материалов (гранулометрический состав щебня, показатели битума и результаты их распределения) проявляются в разбросе (неоднородности распределения активных выступов и глубин впадин).
В качестве типового примера расчета выбрано ма-крошероховатое дорожное покрытие из щебеночно-ма-стичного асфальтобетона, отличающееся максимальной макрошероховатостью по нормируемому показателю средней глубины впадин. Установлено, что на первом участке при коэффициенте вариации средней фактической глубины неровностей 0,26 наблюдается больший риск снижения коэффициента сцепления, чем на втором участке при коэффициенте вариации средней фактической глубины неровностей 0,15.
Такой метод позволяет оценить способность макро-шероховатых дорожных покрытий влиять на безопасность дорожного движения [21].
Список литературы
1. Федеральный закон от 27.12.2002 № 184-ФЗ (ред. от 28.11.2015) «О техническом регулировании». https:// www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_40241/
2. Столяров В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска. Ч. 1. Саратов: СГТУ, 1994. 184 с.
3. Столяров В.В. Технический регламент «Проектирование автомобильных дорог» (альтернативный проект) // Дороги. Инновации в строительстве. 2011. № 6. С. 18-21.
4. Гладков В.Ю. О содержательности учета риска и аспектах менеджмента качества в Федеральном законе «О техническом регулировании» // Дорожная держава. 2007. № 5-6.
5. Гладков В.Ю., Кочетков А.В., Цымбалов А.А., Кокодеева Н.Е. Совершенствование системы менеджмента качества дорожного хозяйства на основе формирования и достижения требуемых системных свойств // Дороги и мосты. 2007. № 4-5. С. 81-89.
6. Кокодеева Н.Е., Талалай В.В., Кочетков А.В., Янковский Л.В., Аржанухина С.П. Методологические основы оценки технических рисков в дорожном хозяйстве // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2011. № 3. С. 38-49.
7. Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Кочетков А.В., Беляев Д.С. Диагностика и паспортизация элементов улично-дорожной сети системой видеокомпью-
References
1. Federal Law No. 184-FZ of27.12.2002 (ed. of 11.28.2015) "On technical regulation". https://www.consultant.ru/ document/cons_doc_LAW_40241/. (In Russian).
2. Stolyarov V.V. Proektirovanie avtomobil'nykh dorog s uchetom teorii riska. [Design of highways taking into account the theory of risk]. Saratov: SGTU. 1994. 184 p.
3. Stolyarov V.V. Technical regulations "Design of highways" (the alternative project). Dorogi. Innovatsii v stroitel'stve. 2011. No. 6, pp. 18—21. (In Russian).
4. Gladkov V.Yu. Kochetkov A.V., Chelpanov I.B. About pithiness of the accounting of risk and aspects of quality management in the Federal law "On technical regulation". Dorozhnaya derzhava. 2007. No. 5, 6. (In Russian).
5. Gladkov V.Yu., Kochetkov A.V., Tsymbalov A.A., Kokodeeva N.E. Improvement of quality management system of road economy on the basis of formation and achievement of the demanded system properties. Dorogi i mosty. 2007. No. 4-5, pp. 81-89. (In Russian).
6. Kokodeeva N.E., Talalai V.V., Kochetkov A.V., Yankovsky L.V., Arzhanukhina S.P. Methodological bases of an assessment of technical risks in road economy. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo poli-tekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika. 2011. No. 3, pp. 38-49. (In Russian).
7. Vasilyev Yu.E., Belyakov A.B., Kochetkov A.V., Belyaev D.S. Diagnostics and certification of elements of a street road network by system of video computer scanning. Naukovedenie Internet Journal. 2013. No. 3 (16), pp. 55. (In Russian).
i'^ научно-технический и производственный журнал
¿I
май 2016 25
терного сканирования // Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 55.
8. Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Кочетков А.В., Васильев Ю.Э., Каменев В.В. Проблемы долговечности цементных бетонов // Строительные материалы. 2011. № 5. С. 38-41.
9. Васильев Ю.Э., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Статистические методы контроля качества при производстве цементобетона и цементобетонных смесей // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 101.
10. Кочетков А.В., Кокодеева Н.Е., Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Шашков И.Г. Состояние современного методического обеспечения расчета и конструирования дорожных одежд // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2011. № 1. С. 65-74.
11. Янковский Л.В., Кочетков А.В. Применение геоим-плантатных конструкций для создания экопаркин-гов // Экология и промышленность России. 2011. № 5. С. 32-34.
12. Аржанухина С.П., Сухов А.А., Кочетков А.В., Карпеев С.В. Состояние нормативного обеспечения инновационной деятельности дорожного хозяйства // Качество. Инновации. Образование. 2010. № 9. С. 40.
13. Аржанухина С.П., Кочетков А.В., Козин А.С., Стрижевский Д.А. Нормативное и технологическое развитие инновационной деятельности дорожного хозяйства // Интернет-журнал Науковедение. 2012. № 4 (13). С. 69.
14. Аржанухина С.П., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В., Глухов Т.А., Бобков А.В. Выбор требований к противогололедным материалам для зимнего содержания автомобильных дорог мегаполиса // Вода:химия и экология. 2013. № 4 (58). С. 106-115.
15. Васильев Ю.Э., Каменев В.В., Кочетков А.В., Шляфер В.Л. Адаптивное управление подвижностью при дискретном производстве цементобетонных смесей // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. 2011. № 2. С. 96-100.
16. Кочетков А.В., Гладков В.Ю., Немчинов Д.М. Проектирование структуры информационного обеспечения системы менеджмента качества дорожного хозяйства // Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 72.
17. Ермаков М.Л., Карпеев С.В., Кочетков А.В., Аржанухина С.П. Совершенствование отраслевой системы диагностики автомобильных дорог // Дорожная держава. 2011. № 30. С. 38.
18. Кокодеева Н.Е., Талалай В.В., Кочетков А.В., Аржанухина С.П., Янковский Л.В. Методологические основы оценки технических рисков // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 28. С. 126-134.
19. Кочетков А.В., Евтеева С.М., Кокодеева Н.Е., Аржанухина С.П., Глухов Т.А. Принципы составления и управления рецептурами дорожно-строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 10-13.
20. Кочетков А.В., Кокодеева Н.Е., Степанов М.В., Вьюгов М.В., Хижняк Е.М. Нормирование на основе оценки степени риска статистических показателей качества производства геосинтетических материалов и изделий // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 42-44.
21. Васильев Ю.Э., Борисов Ю.В., Кочетков А.В., Евтеева С.М., Возный С.И. Нормирование макрошероховатости поверхности материалов, конструкций и изделий // Строительные материалы. 2011. № 6. С. 25-29.
8. Rapoport P.B., Rapoport N.V., Kochetkov A.V., Vasi-lyev Yu.E., Kamenev V.V. Problems of durability of cement concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2011. No. 5, pp. 38-41. (In Russian).
9. Vasilyev Yu.E., Polyansky V.G., Sokolova E.R., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Yankovsky L.V. Statistical methods of quality control by production of a cement concrete and cement-concrete mixes. Sovremennye prob-lemy nauki i obrazovaniya. 2012. No. 4, pp. 101. (In Russian).
10. Kochetkov A.V., Kokodeeva N.E., Rapoport P.B., Rapoport N.V., Shashkov I.G. Condition of modern methodical ensuring calculation and designing of road clothes. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya. 2011. No. 1, pp. 65-74. (in Russian).
11. Yankovsky L.V., Kochetkov A.V. Application the geoim-plantatnykh of designs for creation of ecoparkings. Ekologiya ipromyshlennost' Rossii. 2011. No. 5, pp. 3234. (In Russian).
12. Arzhanukhina S.P., Sukhov A.A., Kochetkov A.V., Karpeev S.V. State regulatory support innovative road sector activities. Kachestvo. Innovatsii. Obrazovanie. 2010. No. 9, pp. 40. (In Russian).
13. Arzhanukhina S.P., Kochetkov A.V., Kozin A.S., Strizhevsky D.A. Standard and technological development of innovative activity of road economy. Naukovedenie Internet Journal. 2012. No. 4 (13), pp. 69. (In Russian).
14. Arzhanukhina S.P., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Yankovsky L.V., Glukhov T.A., Bobkov A.V. Choice of requirements to deicing materials for the winter maintenance of highways megalopolis. Voda: khimiya i ekologiya. 2013. No. 4 (58), pp. 106-115. (In Russian).
15. Vasilyev Yu.E., Kamenev V.V., Kochetkov A.V., Shlyafer V.L. Adaptive management of mobility by discrete production of cement-concrete mixes Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011. No. 2, pp. 96-100. (In Russian).
16. Kochetkov A.V., Gladkov V.Yu., Nemchinov D.M. Design of the structure of information support the road sector of the quality management system. Naukovedenie Internet Journal. 2013. No. 3 (16), p. 72. (In Russian).
17. Ermakov M.L., Karpeev S.V., Kochetkov A.V., Arzhanukhina S.P. Improvement of branch system of diagnostics of highways. Dorozhnaya derzhava. 2011. No. 30, pp. 38. (In Russian).
18. Kokodeeva N.E., Talalai V.V., Kochetkov A.V., Yankovsky L.V., Arzhanukhina S.P. Methodological bases of an assessment of technical risks in road economy. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo poli-tekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ekologiya. Urbanistika. 2011. No. 3, pp. 38-49. (In Russian).
19. Kochetkov A.V., Evteeva S.M., Kokodeeva N.E., Arzhanukhina S.P., Glukhov T.A. Principles of formulation and control of road-building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 10, pp. 10-13. (In Russian).
20. Kochetkov A.V., Kokodeeva N.E., Stepanov M.V., V'yugov M.V., Khizhnyak E.M. Rationing on the basis of risk degree assessment of statistical indicators of the quality of production of geosynthetic materials and products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 10, pp. 42-44. (In Russian).
21. Vasil'ev Yu.E., Borisov Yu.V., Kochetkov A.V., Evteeva S.M., Voznyi S.I. Normalizing of macro-roughness of surface of materials, structures and products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 6, pp. 2529. (In Russian).
26
май 2016
.úJ ®
