Повышение безопасности движения средствами проектирования дорог Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.711.813

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ СРЕДСТВАМИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОГ

А.Г. Батракова, доцент, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Предложен новый подход к решению задачи повышения безопасности движения на этапе разработки проекта. В основу положены эргономические методы оптимизации параметров среды движения по показателям функционального состояния водителя.

Ключевые слова: надежность деятельности водителя, обстановка движения, геометрические параметры трассы, норма скорости, норма кривизны, пространственная кривизна трассы.

Введение

Рост интенсивности движения и изменение состава транспортного потока на автомобильных дорогах Украины приводят к росту аварийности и повышению тяжести дорожно-транспортных происшествий. Как показывает мировой опыт эксплуатации автомобильных дорог, даже технически совершенные дороги могут не соответствовать современному уровню требований безопасности движения.

Одной из причин сложившейся ситуации является конфликт между техническими требованиями к инженерным сооружениям и логикой действий водителей в процессе движения.

Перспективным направлением разрешения указанной проблемы представляется системный подход к проектированию автомобильных дорог и организации движения. Сущность данного подхода заключается в возможности одновременного учета комплекса технических и эргономических требований на этапе проектирования автомобильных дорог.

Согласно теории системного проектирования, закономерности поведения водителей проявляются в его взаимодействии со средой движения, результатом которого являются скорость и траектория движения. В рамках такого подхода автомобильная дорога понимается как логическая основа деятельности водителя, а основная задача проектирования и организации движения заключается в согласовании параметров среды движения с принципами поведения водителей [1].

Поэтому целью работы является обоснование подхода к назначению геометрических парамет-

ров элементов трассы, базирующегося на использовании критерия, отражающего технические и эргономические требования, предъявляемые к проектам автомобильных дорог.

Цель и постановка задачи

В рамках задачи обеспечения безопасности движения существенным является определение геометрических параметров трассы, обеспечивающих максимальную надежность деятельности водителя при движении с заданными скоростями.

Назначение параметров обстановки движения должно быть направлено на максимизацию надежности деятельности водителя при снижении затрат его абстрактного труда, то есть на реализацию принципа наименьшего взаимодействия водителя со средой движения

Y------> min, (1)

а

где Y - удельные затраты абстрактного труда водителя; а - параметр условий дорожного движения.

Использование рассматриваемой целевой функции позволяет минимизировать затраты абстрактного труда водителя, повысить надежность его деятельности средствами оптимизации условий и режимов движения.

Удельные затраты абстрактного труда водителя являются интегральной характеристикой его функционального состояния и учитывают сдвиги состояния физиологических систем организма, ведущие к изменению качества деятельности водителя. Согласно исследованиям [2, 3], связь

удельных затрат со сдвигом частоты сердцебиений может быть представлена в виде

У =-

АФГ

ЖР

(2)

где АФг - сдвиг частоты сердцебиений; Ж -продуктивность деятельности водителя; Р - вероятность удержания заданной скорости.

Сравнительный анализ экспериментальных данных и аналитических расчетов позволил установить, что с ростом скорости движения наблюдается снижение величины показателей функционального состояния организма водителя. Минимум частоты сердцебиений, психического принуждения водителя, удельных затрат его абстрактного труда наблюдаются при одних и тех же скоростях, определенных как суммативная норма скорости, рис. 1.

Скорость, км/час

связанной с нервной и энергетической стоимостью движения. В этом случае задача сводится к отысканию таких параметров трассирования, которые обеспечивают движение со скоростями, близкими к суммативной норме скорости, а следовательно, минимизацию удельных затрат абстрактного труда водителя, максимум продуктивности и надежности деятельности водителя.

Другой важной задачей является определение параметров трассы, обеспечивающих движение с предельными по функциональному состоянию организма водителя скоростями. Движению с предельными скоростями соответствуют предельные показатели функционального состояния организма водителя и удельные затраты его абстрактного труда.

Функциональные нормы скоростей и величина удельных затрат абстрактного труда водителя зависят от информационных элементов поля восприятия. К ним относятся: ширина проезжей части, ширина обочин, кривизна трассы, продольный уклон дороги, расстояние видимости, интенсивность движения и состав транспортного потока, текущая скорость движения автомобилей.

При трассировании автомобильных дорог ширина проезжей части и ширина обочин - величины постоянные, соответствующие категории дороги. Влиянием интенсивности и состава транспортного потока при трассировании можно пренебречь, поскольку традиционно рассматривается движение одиночного расчетного автомобиля. Переменными являются следующие геометрические характеристики трассы: пространственная кри-

визна трассы и продольный уклон.

В этом случае постановка исходной задачи (1) может быть преобразована к виду

У-

КК Л

->Ш1И ,

(3)

Скорость, км/час

где Кя - пространственная кривизна трассы, 1/м; гу - продольный уклон, д.ед.

Рис. 1. Связь основных показателей функционального состояния водителя со скоростью движения

Движение с этой скоростью обеспечивает реализацию принципа наименьшего взаимодействия водителя со средой движения. При этом надежность деятельности водителя достигает своего максимального значения (рис. 1), что свидетельствует о наиболее эффективном выполнении функций водителем.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что удельные затраты труда водителя являются характеристикой его функционального состояния,

Обоснование геометрических параметров трассы

Основным параметром трассы является ее пространственная кривизна. Применительно к постановке задачи (3) можно воспользоваться известными результатами аналитической геометрии и представить вектор полной кривизны пространственной кривой в виде суммы двух векторов: кривизны и кручения. Это равносильно разложению вектора на две ортогональные компоненты. Неудобство работы в рамках такого подхода состоит в том, что эти базисные векторы будут функциями от длины кривой 5, и их направления будут меняться от точки к точке.

Наиболее удобным в таком случае является постоянный базис (векторы которого либо хотя бы один из них не меняли бы направления). Применение теоремы Менье [4] и последующее преобразование исходных соотношений путем разложения функции tg(/у) в ряд Тейлора при малых

значениях 1у позволяют установить, что между пространственной кривизной Кк линии трассы, продольным уклоном проектной линии и кривизной трассы в плане (юпл) будет существовать следующая связь [5]

Кя =юпл •!/

( -2\ 2

(4)

Учитывая специфику задачи проектирования трассы, а именно ограничения на продольный уклон трассы, предельные значения которого не превышают 1у < 0,08, не трудно показать, что разность между пространственной кривизной линии трассы Кк и кривизной трассы в плане юпл не превосходит 0,32% от юпл.

Полученные зависимости (4) легли в основу расчета пространственной кривизны трассы, кривизны трассы в плане в постановке задачи (3), а также позволили установить связь скорости движения расчетного автомобиля с пространственной кривизной трассы.

Как было отмечено выше, наибольшее влияние на нормы скоростей и энергетическую стоимость движения оказывают: величина продольного уклона дороги, кривизна трассы и скорость движения автомобиля. Скорости, при которых обеспечивается оптимальное функциональное состояние водителя, могут быть охарактеризованы как норма скорости в данных дорожных условиях, а удельные затраты абстрактного труда, им соответствующие, - как нормальные. Скорости, соответствующие предельным значениям показателей функционального состояния водителя, определены как предельно допустимые, а удельные затраты абстрактного труда, им соответствующие, -как предельные.

В ходе расчета норм скоростей движения по показателям функционального состояния водителя варьировались параметры плана и продольного профиля трассы. Функциональные нормы скоростей движения и показатели функционального состояния водителя определены по зависимостям теории движения автомобиля, подчиненного субъективным целям водителя [1]. Результаты расчетов норм скоростей движения, удельных затрат труда водителя, психического принуждения и надежности деятельности водителя представлены на рис. 2 и в табл. 1,2.

Таблица 1 Нормы скоростей движения и затрат труда по показателям функционального состояния водителя автомобиля ГАЗ-24

1 , Категория автомобильной дороги

III II

0/ '00 Цпр V* ипр V*

10-4 [км/ч]2 км/ч 10-4 [км/ч]2 км/ч

0 3,8 -0,0413 113,51 3,1 -0,0427 115,68

20 3,3 -0,0336 105,71 3,5 -0,0356 109,66

40 2,7 -0,0253 98,93 2,8 -0,0263 100,04

50 5,9 -0,0476 90,78 - - -

Таблица 2 Предельные скорости и затраты труда по показателям функционального состояния водителя автомобиля ГАЗ-24

Категория автомобильной дороги

1, III II

0/ /00 10-4 ипр [км/ч]2 V* км/ч 10-4 ипр [км/ч]2 V, км/ч

0 0,026 -0,418 127,7 0,023 -0,438 126,1

20 0,040 -0,394 127,7 0,036 -0,391 126,1

40 0,060 -,445 127,7 0,057 -0,434 126,1

50 0,078 -0,451 120,6 - - -

б

Рис. 2. Связь а - психического принуждения; б - надежности деятельности водителя со скоростью движения и продольным уклоном

V =-

Кв

(5)

где а, Ь - коэффициенты уравнения.

Результаты расчетов коэффициентов а, Ь приведены в табл. 3.

а

а

Ь

Таблица 3 Коэффициенты связи скорости движения одиночного автомобиля с кривизной трассы

Полученные результаты позволили обосновать кривизну трассы, допустимую по показателям функционального состояния водителя, для трассы автомобильных дорог II, III и IV категорий.

В основу расчетов геометрических параметров трассы, обеспечивающих оптимальное функционирование механизмов адаптации водителя в данных дорожных условиях, положено утверждение, что при достижении предельной по показателям функционального состояния водителя скорости движения, информационные характеристики поля восприятия водителя (в частности продольный уклон дороги и кривизна трассы) имеют предельные значения. Следовательно, кривизна проектной линии трассы, при которой достигается предельная скорость, могут быть охарактеризованы как предельные по показателям функционального состояния водителя. Тогда кривизна трассы, при которой автомобиль движется со скоростью, равной суммативной норме, может быть определена как нормальная. Нормальные и предельные значения кривизны проектной линии трассы по показателям функционального состояния организма водителя получены путем решения уравнения (5) относительно юпл при скоростях, равных Ун и V соответственно. Результаты расчетов представлены в табл. 4 и 5.

Использование рекомендуемых геометрических параметров трассы в качестве ограничения на целевую функцию трассирования позволяет обеспечить высокую надежность деятельности водителя, снизив тем самым вероятность возникновения аварийно опасных ситуаций.

Таблица 5 Предельно допустимые значения кривизны трассы по состоянию водителя

i, 0/ '00 Предельные значения

Категория дороги

IV III II

- S S S //р м 0 4 S //р м 0 4

0 1,231 1,323 1,126

20 2,271 0,961 0,958

40 1,841 0,691 0,613

50 1,763 0,811 -

60 1,747 - -

Выводы

Таким образом, в работе предложен подход к обоснованию геометрических параметров трассы автомобильной дороги, а также изложены основные результаты вычислительных экспериментов.

В рамках этого подхода, базирующегося на теории эргономического проектирования, обеспечение максимальной надежности деятельности водителя и максимальной вероятности удержания заданной скорости является эффективным инструментом повышения безопасности движения на этапе проектирования автомобильных дорог [6].

Литература

1. Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н.

Системное проектирование автомобильных дорог. - М., Белгород: АСВ, 1998. - 138 с.

2. Лобанов Е.М. Проектирование дорог и органи-

зация движения с учетом психофизиологии водителя. - М.: Транспорт, 1980. - 311 с.

3. Голованенко Н.С. Оценка эргономического

качества автомобильных дорог и условий движения: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.10. - Харьков, 1983. - 19 с.

4. Геометрическое моделирование и машинная

графика в САПР / Михайленко В.Е., Кислоокий В.Н., Ляшенко А.А., Сазонов К.А., Цу-рин О.Ф. - К.: Вища школа, 1991. - 374 с.

5. Батракова А. Г. Определение геометрических

параметров трассы в задачах автоматизированного проектирования // Вестник ХГАДТУ. - 2002. - Вып. 17. - С. 83-86.

6. Гаврилов Э.В., Линник И.Э., Банатов А.В.

Оценка безопасности движения в городских условиях // Вестник ХГАДТУ. - 2002. -Вып. 17. - С. 57-62.

Рецензент: В.К. Жданюк, профессор, д.т.н.,

ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 4 февраля 2005 г.

i, II категория III категория

0' '00 a b a b

0 129,054 0,195 135,640 0,215

20 125,054 0,197 126,640 0,204

40 115,054 0,187 118,640 0,198

50 - - 115,360 0,198

Таблица 4 Нормальные значения кривизны трассы по состоянию водителя

Нормальные значения

i, Категория дороги

0' '00 IV III II

sn 10-4, 1/м sn 10-4, 1/м sn 10-4, 1/м

0 6,658 2,289 1,754

20 7,255 2,417 1,947

40 6,146 2,497 2,110

50 5,595 3,384 -

60 5,746 - -