Оптимизация числа полос движения на сети дорог национальногои регионального значения на основе требуемого уровня надежности сети Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.7

В.В. СТОЛЯРОВ, д-р техн. наук (stolyarov_v_v@mail.ru), Д.М. НЕМЧИНОВ, канд. техн. наук

Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)

Оптимизация числа полос движения на сети дорог национального и регионального значения на основе требуемого уровня надежности сети

Проведен анализ риска возникновения затруднений движения или неполной загрузки участка сети автомобильных дорог. Он важен при планировании и оптимизации развития сети автомобильных дорог, в том числе с учетом их функционального назначения. Инструментом оптимизации может быть анализ риска недостаточности или избыточности числа полос движения. Анализ может проводиться как для суточной, так и часовой интенсивности движения с учетом применения различных формул перехода. Для анализа ситуации недостаточности числа полос движения с последующим возникновением заторов применяется анализ риска с использованием часа пиковой загрузки. Для анализа ситуации избыточности числа полос движения с недостаточной загрузкой построенной автомобильной дороги используются часы непиковой загрузки. Анализ проведен для уровня надежности сети автомобильных дорог 0,9. В статье рассмотрен пример анализа для участка автомобильной дороги, интенсивность движения по которой близка к границе, установленной нормативно-техническими документами для 4 и 6 полос движения.

Ключевые слова: автомобильные дороги, анализ рисков, дорожное строительство, оптимизация числа полос движения, сеть дорог, требуемый уровень надежности сети.

V.V. STOLYAROV, Doctor of Sciences (Engineering) (stolyarov_v_v@mail.ru), D.M. NEMCHINOV, Candidate of Sciences (Engineering) Saratov State Technical University named after Yu.A. Gagarin (77, Polytechnicheskaya Street, Saratov, 410054, Russian Federation)

Optimization of the Number of Traffic Lanes on National and Regional Highways on the Basis of Required Reliability Level

An analysis of the risk of appearance of hindrance to traffic or partial load of a part o automobile road network has been carried out. This analysis is very important in the course of planning and optimization of development of motor road network with due regard for their functional purpose. An analysis of risk of lack or excess of traffic lanes can be an instrument of optimization. The analysis can be carried out both for daily and hourly intensity of traffic with the use of different formulas of transition. For analyzing the lack of traffic lanes with subsequent appearance of traffic blocks the risk analysis is used with application of an hour peak load. For analyzing the situation of redundancy of traffic lanes of the built motor road with partial loading the hours of non-peak loading are used. The analysis was conducted for motor road network reliability level of 0.9. The article considers the example of analysis for the part of motor road the intensity of traffic on which is close to the limit established by normative-technical documents for 4 and 6 traffic lanes.

Keywords: motor roads, analysis of risks, road construction.

Сети дорог национального и регионального значения, обеспечивающие связь на дальние и средние расстояния, должны осуществлять транспортное обслуживание населения и экономическую деятельность на территориях с кардинально различающимся уровнем экономического развития и плотности населения. Дороги местного значения исходя из соображений безопасности движения должны иметь не более двух полос движения суммарно в обоих направлениях; недостаток пропускной способности на таких дорогах должен решаться исключительно развитием альтернативных маршрутов. Транспортная нагрузка на дороги национального значения должна существенно отличаться в зависимости от уровня развития связываемых территорий [1, 2]. В целях исключения строительства невостребованных сооружений необходима оптимизация дорог национального и межрегионального значения по требуемому числу полос движения в соответствии с макроэкономической точкой зрения на необходимую пропускную способность дорог, при которой будет обеспечен приемлемый уровень обслуживания участников движения.

Инструментом оптимизации может быть анализ риска недостаточности или избыточности числа полос движения. Риск того, что число полос движения на данной дороге в году t должно быть меньше, чем принято при проектировании:

г,™ - 0,5 - ф( "'-""Ч" \. (1)

Риск того, что число полос движения в году t должно быть больше, чем принято при проектировании:

где Ф(Ц) — табулированная функция Лапласа; N —расчетная интенсивность движения на анализируемом участке дороги в году МтЫ — минимальная интенсивность движения, допустимая согласно нормативным документам для принятого числа полос движения, при котором риск уменьшения числа полос движения на одну полосу в каждом направлении равен 50%, авт./сут; Итах — максимальная интенсивность движения, допустимая согласно нормативным документам для принятого числа полос движения, при котором риск увеличения числа полос движения на одну полосу в каждом направлении равен 50%, авт./сут; аИтах, аИтЫ, аИ, — среднеквадратические отклонения соответствующих значений интенсивности движения, авт./сут:

аЯтпах = СУ1аХ " Мтах, (3)

<4™ - ■ Ншп- (4)

где Сг — коэффициент вариации, определенный по формулам:

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2014

3

Таблица 1

р;р (надежность) 0,98 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75

г 1 доп 210-2 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Ф(и) 0,48 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25

итр 2,05 1,647 1,282 1,034 0,844 0,675

Таблица 2

Рельеф местности Приведенная к легковым автомобилям интенсивность движения, авт./сут Число полос движения

'' тт Мтах

Равнинный и пересеченный рельефы - <14000 2

>14000 < 40000 4

> 40000 < 80000 6

> 80000 - 8

Горный рельеф - <14000 2

>14000 < 34000 4

> 34000 < 70000 6

>70000 - 8

— коэффициент вариации с учетом того, что проектное число полос движения на участке дороги увеличится в году ? при соответствующем превышении интенсивности движения N1 над Nmin (при N1 >Итпп):

Л'т„г~2 - ■ ■ ХП1Г1- {-Ур)2

. (6)

(щрХДГЕ)

— коэффициент вариации с учетом того, что проектное число полос движения на участке дороги уменьшится в году X при соответствующем превышении интенсивности движения ^ах над N (при ^ах >И):

шп

гпазс 2 * №тах • N14-^ {Су • ^гпах ' ^тр )

где Су =0,05

, (7)

допустимый коэффициент вариации, при котором риск увеличения или уменьшения требуемого числа полос движения на дороге (участке сети) минимален; Цр — квантиль подынтегральной функции, соответствующая требуемому уровню надежности (Р^) на участке сети или на всей сети. Требуемый уровень надежности (Р^) связан с допустимым риском зависимостью Р^р=1—гдоп. Значение квантили Цр устанавливают в зависимости от требуемого уровня надежности или допустимого значения риска по табл. 1.

Определение значения квантили Цр по заданному уровню требуемой надежности:

1. Ф(Ц)=Рн—0,5. (8)

2. вычисленное значение Ф(Ц) находят в поле таблиц функции Лапласа и с входов таблицы выбирают искомое значение Цр.

Например, при Рн=0,98 определяют по формуле (8) значение функции Лапласа (значение интеграла

Ф(Ц) = Рн—0,5 = 0,98-0,5 = 0,48.

Затем в поле таблицы находят значение 0,48 и с ее входов выбирают Ц=2,05 (первое значение в табл. 1).

1. Предельные значения интенсивности движения (Итах и Ит1п, авт./сут), при которых меняется число полос движения на автомобильных дорогах или на участках сети автомобильных дорог, определяют согласно действующим на момент выполнения работы нормативно -техническим документам (СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги» (Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги.)

Фактическое значение квантили подынтегральной функции определяют в формулах (1) и (2) по выражениям:

— в формуле (1) и — , 2-

+01

в формуле (2) и —

Яти

тах+аХ1

Затем по таблицам функции Лапласа выписывают значение интеграла Ф(Ц) и по формулам (1) и (2) определяют соответствующие значения риска.

Переход от суточной интенсивности движения к часовой для оценки уровня надежности сети и/или ее участка с точки зрения часовых пиковых транспортных нагрузок (использованных во всех приведенных формулах) осуществляют с применением коэффициентов перевода, например по формулам В.В. Сильянова и Ю.М. Ситникова:

— для внепикового периода N = 0,076. Исут (9)

— для пикового периода N = 0,152. Исуг (10) или используют коэффициенты перевода из нормативно-технических документов.

Для значений интенсивности движения И, входящей в формулы (1), (2), (5), (6), (7), коэффициент вариации определяют по зависимости:

(11)

где СИтах и СИт'п определяют по формулам (6) и (7); Итах и Ит1п — см. формулы (9) и (10) и примеры расчета.

В табл. 2 приведены параметры для Мтш и N¡¡¡1^ смены полос движения. Пусть анализируемый участок сети в году ? имеет следующие входные параметры:

— число полос движения — 4;

— суммарная приведенная к легковому автомобилю суточная интенсивность движения в году ? в обоих направлениях движения — 35500 авт./сут;

— по табл. 2 для четырехполосной дороги с центральной разделительной полосой получаем предельные значения интенсивности движения на анализируемом участке сети дорог: Ит1п=14000 авт./сут; Итах=40000 авт./сут.

Необходимо определить уровень надежности использования четырехполосной дороги, когда интенсивность движения на данном участке сети (35500 авт./сут) приближается к максимальному значению (40000 авт./сут).

Пусть требуемый уровень надежности данного участка сети (или всей сети) соответствует значению Р^р=0,9, что означает: в 90% времени участок будет со-

научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ Ш£1гШ@

ноябрь 2014 ~ Ы ®

ответствовать оптимальному состоянию, а 10% времени (/•,=0,1) в году , будет подвержен снижению уровня надежности.

Последовательность определения фактического уровня надежности данного участка сети и сравнение фактической надежности с требуемой:

Алгоритм расчета:

1. По формуле (10) устанавливаем часовую интенсивность движения на четырех полосах (в обоих направлениях дороги). Для часа пик предельные значения часовой интенсивности движения составят:

; ;

.

Nrnax 2-Nmax-Nt-i-Nt (Су _

=0,081.

г-^тт_

5. По формулам (3), (4), (5), (11) определяем средне-квадратические отклонения соответствующих интен-сивностей движения: — по формуле (3):

;

<jN . =с™т

■'mm V

по формуле (4):

;

используя формулу (11), получаем: Иг,

¿'••max . »г

т ах т ^ у

■N.

N„

4 Nmiri 6080 ■ 0.472+2128 - 0,081

-0,371;

;

Ч28702 + 20022/

— по формуле (1) риск того, что существующий (или проектируемый) участок сети будет достаточно делать шириной две полосы движения:

2. По требуемому уровню надежности Р^р=0,9 или по допустимому значению риска г,доп=0,1 в году , определяем требуемое (допустимое) значение функции Лапласа. По формуле (8) получаем:

Ф(Ц)= Рн—0,5 = 0,9-0,5 = 0,4.

3. По табл. 1, используя Рнр=0,9; г,=0,1; Ф(Ц)=0,4, находим: Ц,р=1,282.

4. По формулам (6) и (7) определяем коэффициенты вариации перевода четырехполосного участка сети в шестиполосный и двухполосный в зависимости от интенсивности движения N в году

— по формуле (6) определяем коэффициент вариации интенсивности движения в году ,, используемый в расчете риска увеличения числа полос движения:

;

— по формуле (7) определяем коэффициент вариации интенсивности движения в году ,, используемый в расчете риска уменьшения числа полос движения:

6080+2128

— по формуле (5):

.

6. По формулам (1) и (2) определяем:

— по формуле (2) риск того, что существующий (или проектируемый) участок сети потребуется делать шириной шесть полос движения:

4/20022 - 17227. Фактический уровень надежности при применении четырехполосного участка дороги:

— по возможности перевода этого участка на шестиполосную дорогу:

— по возможности перевода этого участка с четырех полос на двухполосную дорогу:

.

По результатам расчетов получили:

1. Участок сети с четырьмя полосами движения загружен (или будет загружен при развитии сети) в году , таким образом, что риск нехватки полос движения в соответствии с нормативными требованиями (СП 34.13330.2012 и СНиП 2.05.02—85) будет соответствовать 42,3% времени. В этот период на четырехполосном участке сети будут возникать заторы.

2. Риск омертвления капитала в связи с тем, что построен (или проектируется) четырехполосный участок сети, а не двухполосный, ничтожен, так как такой риск будет наблюдаться не более 5,2% времени в году ,.

3. Фактический уровень надежности 0,58 значительно меньше требуемого ее уровня 0,9. Другими словами, вместо 90% времени движения по участку дороги без заторов в году , такие условия движения будут наблюдаться только 58% времени.

4. В течение 5,2% времени в году , на данном участке сети ожидается свободный режим движения, когда все четыре полосы дороги будут недостаточно загружены.

5. Несмотря на то что интенсивность N,=5396 авт./ч находится в нормативных пределах (между Ит1п=2128 авт./ч и Итах=6080 авт./ч), в проекте развития сети необходимо рассмотреть возможность увеличения количества полос движения до шести (по три в каждом направлении движения).

Рассмотрим этот пример расчета, указав новое соотношение полос: за базовый вариант примем шестиполосную дорогу и оценим риск перехода на четырех- и восьмиполосные варианты планировочных решений. Новые параметры анализируемого участка автомобильной дороги в составе сети:

— число полос движения — 6;

— суммарная приведенная к легковому автомобилю суточная интенсивность движения в году , в обоих направлениях движения — 35500 авт./сут;

— по табл. 2 для шестиполосной дороги с центральной разделительной полосой получаем предельные значения интенсивности движения на анализируемом участке сети дорог: ЫтЫ=40000 авт./сут; Итах=80000 авт./сут.

^JVCJMT^Jly.r.l.Li.1::; научно-технический и производственный журнал ® ноябрь 2014

Требуемый уровень надежности данного участка сети установлен, как и в первом случае, на уровне Р^р=0,9. Алгоритм повторного расчета:

1. По формуле (10) устанавливаем часовую интенсивность движения на шести полосах (в обоих направлениях дороги).

Для часа пик предельные значения часовой интенсивности движения составят:

;

;

.

2. По требуемому уровню надежности Р1Гр=0,9 или по допустимому значению риска г,доп=0,1 в году , определяем требуемое (допустимое) значение функции Лапласа. По формуле (8) получаем:

Ф(Ц)=

Рн

0,9—0,5 = 0,4.

^^ГПОХ_

;

(Утр-лгг)

¡п_ тгах-2р?

(А-р^г)

.

^V —

■Нг,

.н-

■ Я*

_ 12160 ■ 0,081 + 6080 ■ 0,971 6080+12160

по формуле (5):

;

= 0,5-ф( V

12160 — 5396 \ У9852 + 20402/

= 0,0014 = 1,410

-з..

— по формуле (1) риск того, что существующий или проектируемый участок сети будет достаточно делать шириной четыре полосы движения:

г™л=0,5-Ф

^тт \.

■н-0,5 :

3. По табл. 1, используя Р^=0,9; г,=0,1; Ф(Ц)=0,4, находим 0^р=1,282.

4. По формулам (6) и (7) определяем коэффициенты вариации перевода шестиполосного участка сети в восьмиполосный и четырехполосный в зависимости от интенсивности движения N в году

— по формуле (6) определяем коэффициент вариации интенсивности движения в году X, используемый в расчете риска увеличения числа полос движения:

— по формуле (7) определяем коэффициент вариации интенсивности движения в году ,, используемый в расчете риска уменьшения числа полос движения:

Получили высокий коэффициент вариации, показывающий, что участок дороги может быть четырехполосным. Однако риск заторов, как было в первом случае, становится невозможным.

5. По формулам (3), (4), (5), (11) определяем среднеквадратичные отклонения соответствующих значений интенсивности движения:

— по формуле (3):

;

— по формуле (4):

= 0,971- 6080-5904 авт./ч;

— используя формулу (11), получаем:

тах

.

6. По формулам (1) и (2) определяем: — по формуле (2) риск того, что существующий или проектируемый участок сети потребуется делать шириной восемь полос движения:

7. Фактический уровень надежности при применении шестиполосного участка дороги:

— по возможности перевода этого участка на восьмиполосную дорогу:

— по возможности перевода этого участка на четырехполосную дорогу:

.

По результатам расчетов на существующей дороге заторы будут практически невозможны (уровень надежности более 0,99), однако риск г,тт=0,544 указывает, что данная дорога могла бы быть четырехполосной, так как интенсивность движения ниже нижней границы для шестиполосной дороги.

Очевидно, что ликвидация заторов приведет к повышению эффективности работы данного участка сети, что сулит определенные экономические выгоды от улучшения работы автомобильного транспорта. Если выгоды превысят затраты на устройство дополнительных двух полос движения, то это решение будет экономически эффективным.

Если фактическая или расчетная интенсивность движения на прогнозируемый срок варьируется в широком диапазоне от минимального до максимального значения для каждого рассматриваемого числа полос движения, то для каждого варианта возникает зависимость, описывающая риск выхода фактической интенсивности движения за границы диапазона интенсивности, установленной нормативно-техническими документами [3—9].

Список литературы

1. Шумейко А.Н., Юрковский И. М., Немчинов М.В. Автомобильные дороги России. Состояние и перспективы. М.: Молодая гвардия, 2007. 268 с.

2. Немчинов М.В., Немчинов Д.М., Федоров В.Е. Автомобильно-дорожные сети Российской Федерации. Чебоксары: Чувашское книжное издательство, 2013. 247 с.

3. Столяров В.В. Теория риска в проектировании плана дороги и организации движения. Саратов: СГТУ, 1995. 84 с.

4. Столяров В.В. Проектирование автомобильных дорог с учетом теории риска. Ч. 1—2. Саратов: СГТУ, 1994. Ч. 1. 184 с.; Ч. 2. 232 с.

научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ Ш£1гШ@

ноябрь 2014 ~ Ы ®

5. 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. 2011. № 3. С. 38-49.

6. Сухов А.А., Карпеев С.В., Кочетков А.В., Аржанухина С.П. Формирование научно-инновационной политики дорожного хозяйства // Инновационная деятельность. 2010. № 3. С. 41.

7. Карпеев С.В., Сухов А.А., Аржанухина С.П., Кокодеева Н.Е. Экономическая эффективность деятельности органов управления дорожным хозяйством по вопросам освоения новых технологий, техники и материалов // Строительные материалы. 2010. № 5. С. 4-7.

8. Янковский Л.В., Кочетков А.В. Применение геоим-плантатных конструкций для создания экопаркин-гов // Экология и промышленность России. 2011. № 5. С. 32-34.

9. Аржанухина С.П., Сухов А.А., Кочетков А.В. Нормативно-методическое обеспечение развития инновационной деятельности в дорожном хозяйстве // Инновации. 2011. № 7. С. 82-85.

References

1. Shumeiko A.N., Yurkovskii I. M., Nemchinov M.V. Avtomobil'nye dorogi Rossii. Sostoyanie i perspektivy [Russian roads. Status and prospects]. Moscow: Molodaya gvardiya, 2007. 268 p.

2. Nemchinov M.V., Nemchinov D.M., Fedorov V.E. Avtomobil'no-dorozhnye seti Rossiiskoi Federatsii

[Automobile and road systems of the Russian Federation]. Cheboksary: Chuvashia Book Publishers, 2013. 247 p.

3. Stolyarov V.V. Teoriya riska v proektirovanii plana dorogi i organizatsii dvizheniya [Risk theory in the design plan of the road and traffic]. Saratov: Saratov State Technical University, 1995. 84 p.

4. Stolyarov V.V. Proektirovanie avtomobil'nykh dorog s uchetom teorii riska [Designing roads considering risk theory]. Part 1—2. Saratov: Saratov State Technical University, 1994. 184 p.; 232 p.

5. Kokodeeva NE, Talalay V.V., Kochetkov A.V., Jankowski L.V., Arzhanuhina S.P. Methodological framework for the assessment of technical risks in the road sector. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo poli-tekhnicheskogo universiteta. 2011. No. 3, pp. 38-49. (In Russian).

6. Sukhov A.A., Karpeev S.V., Kochetkov A.V., Arzhanu-khina S.P. Formation of the research and innovation policy road sector. Innovatsionnaya deyatel'nost'. 2010. No. 3, pp. 41. (In Russian).

7. Karpeev S.V., Sukhov A.A., Arzhanukhina S.P., Ko-kodeeva N.E. Economic efficiency of activity of road services operating control authorities in the field of adoption of new technologies, technique and materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 5, pp. 4—7. (In Russian).

8. Yankovskii L.V., Kochetkov A.V. Application geo-implantatnyh designs to create ecoparkings. Ekolo-giya i promyshlennost' Rossii. 2011. No. 5, pp. 32—34. (In Russian).

9. Arzhanukhina S.P., Sukhov A.A., Kochetkov A.V. Regulatory and methodological support the development of innovation in the road sector. Innovatsii. 2011. No. 7, pp. 82—85. (In Russian).

, G0Û «ТД «ИНТА-СТРОИ», 644113, Омск, yn. 1-я Путевая, 100

Теп.: (38121 35 65 44. 35 65 45. E-mail: ¡ifo@inta.ru. Http: wwwMa.ru

[ОБОВУДОВАНИЕ «ИНТА-СТРОЙ»

ШЛЯ1ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕЛЬНИЦА ШЛ 493 «ПУРГА-4»

v\

|к1

|к1

Hl

Основные характеристики:

• производительность, кг/ч - до 3000:

• количества барабанов, шт. - 6;

• мощность привода, кВт - 37;

» габариты (да, шир.. выс.], мм 2850.1208.1ЭБ5;

• масса, кг - 2140,

Назначение

• В производстве минеральных порошков.

• В производстве сухих строительных смесей.

• В производстве пенобетона, ЖБИ (повышение активности цемента].

• Для измельчения добааок в производстве керамического кирпича.

• Для сверхтонкого измельчения пигментов в лакокрасочной промышленности.

Преимущества:

- низкая вибрация мельницы, улучшенная балансировка не требует специального фундамента;

- малая занимаемая производственная ппощэдь;

- возможность измельчения разных материалов одновременно в шести барабанах;

- возможность соединения трех барабанов оследовэтельно;

- возможность изменение угла наклона мельницы для увеличения производительности.

Примечание; разработка новая, требует испытаний в технологической линии.

Б

МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ

МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ ü ä МЫ

_

ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ

PPi

■И

_

Реклама

fj научно-технический и производственный журнал

® ноябрь 2014