Размещено на http://www.allbest.ru/

Диплом бакалавра

Тема:

Функциональное и информационное обеспечение моделирования конфликтных ситуаций на автомобильных дорогах

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Безопасность движения
• 1.1 Статистические методы
• 1.2 Вероятностные методы
• 1.3 Методы, основанные на анализе режима движения автомобиля на оцениваемом участке
• 1.4 Методы оценки уровня безопасности движения на пересечениях и примыканиях. Метод конфликтных точек
• Глава 2. Теоретические основы моделирования
• 2.1 Концептуальная модель компьютерной имитации транспортных потоков на двухполосных автомобильных дорогах
• 2.2 Моделирование свободного движения автомобилей по двухполосным автомобильным дорогам
• Глава 3. Функциональная модель
• Глава 4. Информационная модель. Описание таблиц
• Заключение
• Литература и ссылки

Введение

Высокий уровень аварийности на автомобильных дорогах является одной из острейших социально-экономических проблем России. Дорожно-транспортные происшествия (ДТП) приводят к экономическим потерям, равным 2ч3% валового национального продукта. В результате ДТП экономические потери в мире составили свыше 500 млрд. долл. в год. Ежегодные потери от ДТП наносят России ущерб более 1 млрд. долл.

Автомобильным транспортом осуществляется большая часть перевозок по объему. Растущее внимание к автомобильному транспорту обусловливается тем, что промышленное производство, строительство, торговля и другие сферы жизни экономики страны не могут функционировать без его широкого применения. Нормальное функционирование других видов транспорта без автомобильных перевозок невозможно, т. к. перевозки грузов и пассажиров к железнодорожным станциям, аэропортам и водным портам и от них обеспечивается главным образом автомобилями. Это связано с тем, что автомобиль как транспортное средство имеет некоторые важные преимущества перед другими видами транспортных средств, а именно: высокая мобильность, способность доставлять пассажиров и грузы "от двери до двери", относительная простота управления и т.д.

Интенсивное развитие автомобильного транспорта не только способствует удовлетворению растущих потребностей общества в перевозках, но, к сожалению, имеет и негативные последствия. Рост автомобильного парка и объема перевозок при менее интенсивном росте протяженности улично-дорожной сети приводит к увеличению интенсивности движения, что приводит к возникновению транспортных проблем.

Наряду с негативными экологическими (шум, загазованность воздушных бассейнов городов) и экономическими (увеличение времени перевозок в результате снижения скорости движения) последствиями непрерывный рост автомобильного парка приводит к снижению уровня безопасности дорожного движения, к многочисленным человеческим жертвам и материальному ущербу в результате ДТП.

По сравнению с другими сферами деятельности человека дорожное движение характеризуется неизмеримо более высоким уровнем риска для жизни и здоровья человека. Опасность перевозок автомобильным транспортом значительно выше также по сравнению с другими видами транспорта.

Во всем мире ежегодно в результате ДТП погибают около 400 тыс. чел. и около 12 млн. получают ранения.

Огромные потери, которые несет общество от ДТП, выдвигают проблему повышения безопасности дорожного движения в ряд первоочередных социально-экономических задач страны. Как в России, так и во многих странах мира, проводятся многочисленные исследования с целью оценки и обеспечения безопасности дорожного движения и выявления опасных участков автомобильных дорог.

Традиционно на основе определения уровня безопасности движения на автомобильных дорогах лежит сбор статистики и дальнейший анализ данных о ДТП. Однако из-за некоторых существенных недостатков этого метода все чаще применяются и другие методы. Все больше уделяется внимания изучению предаварийных, конфликтных ситуаций. Это связано с тем, что изучение конфликтных ситуаций дает возможность выявить причины ДТП и более эффективно бороться за снижение их числа. Кроме того, конфликтные ситуации встречаются гораздо чаще, чем ДТП, поэтому их удобнее регистрировать и исследовать. При исследовании конфликтных ситуаций возможно применение как традиционных эмпирических методов, так и методов моделирования конфликтных ситуаций на компьютере.

Преимущество моделирования становится очевидным в связи с быстрым развитием новых компьютерных технологий, особенно при использовании современных быстродействующих компьютеров, которые дают возможность на базе имитационных моделей за короткое время переработать большие объемы информации и получить интересующие выходные показатели.

Имитационное моделирование дает возможность проводить управляемые эксперименты с машинным аналогом реального процесса дорожного движения. Это дает возможность проводить управляемые эксперименты с математическими моделями сложной системы “водитель - автомобиль - дорога - окружающая среда” и при этом на выходе получать практически все интересующие данные, что при исследовании реальной системы крайне затруднительно или вообще невозможно.

Несмотря на то, что к настоящему времени установлены многие закономерности ДТП и причины их возникновения, задача снижения вероятности ДТП остается актуальной и требует новых, современных решений.

Настоящая дипломная работа посвящена разработке функционального и информационного обеспечения моделирования конфликтных ситуаций на автомобильных дорогах.



Глава 1. Безопасность движения

В связи со значительным количеством человеческих жертв и материальным ущербом, вызываемыми ДТП, разработаны различные методы оценки уровня безопасности движения на автомобильных дорогах и городских улицах с целью выявления опасных участков и предупреждения ДТП. Все эти методы условно можно разделить на следующие основные группы:

статистические;

вероятностные;

методы, основанные на анализе режима движения автомобиля на оцениваемом участке;

метод конфликтных точек;

метод технических транспортных конфликтов (конфликтных ситуаций).

1.1 Статистические методы

Оценка уровня безопасности движения на основании статистического учета ДТП осуществляется непосредственно по данным фактической аварийности. Статистические методы стали применяться раньше всех остальных и по сей день являются наиболее распространенными. Уровень безопасности движения обычно оценивают с помощью абсолютных, относительных и удельных показателей аварийности. Абсолютные показатели позволяют оценить опасность участка дороги через общее число ДТП за заданный промежуток времени. При этом опасными считаются те участки, на которых число ДТП за рассматриваемый период превышает определенное число.

В разных странах имеются различные критерии опасности участка дороги, с которыми сравниваются фактические значения. В Великобритании участок дороги считается опасным, если на нем за три года произошло одно или более ДТП с ранением людей на отрезке дороги протяженностью 0.16 км (0.1 мили). В графстве Хертфордшир к опасным местам относятся:

“черные участки” (black sites) - отрезки дороги протяженностью 0.3 км, на которых за три года произошло не менее 12 ДТП;

“черная миля” (black mile) - участок дороги протяженностью 1 миля (1.6 км), входящий в число двадцати участков графства, характеризующихся наибольшим числом ДТП;

“скользкий участок” (skid site) - 2 ДТП ежегодно во влажную погоду на участке протяженностью 0.3 км, вызванных скользкостью покрытия;

“участок, опасный ночью” (dark site) - места, где в ночное время происходит большее число ДТП, чем на других участках дорог.

В Земле Рейнланд Пфальц (ФРГ) опасным считается тот участок, который соответствует одному из следующих условий:

а) длина участка менее 300 м; в течение года на нем произошло 10 ДТП и более разного вида или 4 ДТП и более одного вида;

б) длина участка от 300 до 1000 м; в течение года на нем произошло 20 ДТП и более разного вида или 8 ДТП и более одного вида.

В Чехии и Словакии на дорогах с интенсивностью движения более 1000 авт./ч (автомагистрали) или на улицах городов с населением более 55 тыс. жителей опасным считают участок протяженностью 100 м, на котором за год зафиксировано 6 и более ДТП, а на дорогах с меньшей интенсивностью движения и в менее населенных городах - 5 ДТП. Километры дороги там относят к категории опасных, если за год на них возникает соответственно 12 или 10 и более ДТП.

В Болгарии местом концентрации ДТП считается участок, на котором в течение года произошло 2 и более ДТП, а участком концентрации ДТП - где на каждые 100 м его длины произошло 1 и более ДТП. Местом считается расстояние длиной 100 200 м, а участком - расстояние длиной более 200 м.

В Югославии участок дороги длиной 0.3 км считают опасным, если число ДТП на нем за год превышает критическое число N_кр:

, (1.1)

где k - коэффициент, соответствующий уровню повторяемости;

N_ср- среднегодовой уровень происшествий на рассматриваемом участке дороги.

, (1.2)

где - число всех ДТП на дорожной сети за охватываемый исследованием период (x=1,2,3,…);

L - длина исследуемой дорожной сети.

В Бельгии к числу опасных относят участки протяженностью до 1 км, на которых в течение года было зарегистрировано не менее 10 ДТП всех видов.

Аналогичные методы выявления опасных участков используются также во многих других странах.

Важным шагом в развитии методов оценки уровня безопасности движения явилось введение понятия показателя тяжести последствий ДТП, предложенное еще в 1938 г. Ф. Рейнгольдом:

U=, (1.3)

где U - показатель тяжести последствий ДТП;

p_i - коэффициенты тяжести происшествий каждого типа;

n_i - количество происшествий каждого типа.

Показатель тяжести дает возможность привести к единой шкале ДТП, имеющие различные степени тяжести последствий. Позже неоднократно предлагались их уточнения на основе оценок потерь экономики страны от ДТП (табл.1.1) [3].

Таблица 1.1

Коэффициенты тяжести последствий ДТП по данным разных авторов

Вид происшествий	Коэффициенты тяжести последствий ДТП по данным
	Ф. Рейнгольда	Ф. Битцля	П. Фишера	США
материальный ущерб	1	1	1	1
легкое ранение	5	-	2	-
тяжелое ранение	70	30	8	5
смертельный исход	130	100	40	23

Для условий России установлены следующие значения коэффициентов тяжести:

материальный ущерб - 1

легкое ранение - 0.4

тяжелое ранение - 7

тяжелое ранение, вызвавшее инвалидность - 70

смертельный исход - 100

Абсолютные показатели аварийности на практике используются в основном с целью определения масштабов аварийности, а также для оценки материального ущерба от ДТП. Однако, они неприемлемы для сопоставительного анализа аварийности в различных регионах, из-за различного количества транспортных средств, протяженности дорог и других специфических особенностей сопоставимых регионов или участков дорог, объективно влияющих на аварийность.

Для сопоставительного анализа используют такие относительные показатели аварийности, как число ДТП, число погибших или раненых на 1 млн. км пробега автомобилей, на 100 тыс. жителей, на 10 тыс. транспортных средств, на 100 млн. пасс./км и т.д.

В России принято участки концентрации ДТП выявить на основании числа ДТП не менее чем за 35 года и коэффициента происшествий [39], измеряемый количеством ДТП на 1 млн. авт. км:

,(1.4)

где Z - количество происшествий в год;

N - среднегодовая суточная интенсивность движения в обоих направлениях движения, авт./сут.;

L - длина участка дороги, км.

На дорогах I-III категории к участкам концентрации ДТП относятся участки дороги, где ДТП составляет 4 и более за последние три года и значение коэффициента происшествий превышает 0.4 ДТП/млн авт.км.

Этот показатель применяется для оценки уровня безопасности движения протяженных и относительно однородных участков дорог. Если участок имеет локальный характер, где условия движения или характеристики покрытия дороги резко отличаются от смежных участков (мосты, перекрестки и т.д.), коэффициент происшествий выражают количеством ДТП на 1 млн. авт.:

,(1.5)

В США и некоторых европейских странах также используются аналогичные показатели относительной аварийности [33]. Для пересечений дорог на одном уровне:



,(1.6)

где R - число участников движения, вовлеченных в ДТП на 1 млн. участников, прошедших через пересечение;

T - количество дней, в течение которых проводился учет числа ДТП;

A - количество участников ДТП, зарегистрированных за Т дней;

V_i - среднесуточная интенсивность движения на i-м подходе к пересечению;

n - число подходов к пересечению.

Для отдельных участков дороги:

, (1.7)

,(1.8)

где R_m - число ДТП за год на 1 км участка дороги;

R_s - число ДТП на 1 млн км суммарного пробега транспортных средств за год по этому отрезку дороги;

V - среднесуточная интенсивность движения на отрезке дороги за год;

L - длина участка дороги.

Для определения состояния аварийности получил распространение метод “до и после”, который предполагает сравнение состояния аварийности данного участка на основании статистики ДТП до и после проведения мероприятия по повышению уровня безопасности движения.

Удельные показатели аварийности отражают процентную долю одного абсолютного показателя аварийности от другого. Они характеризуют структуру свершившихся ДТП и позволяют сравнить различные участки между собой.

Наиболее часто применяются:

а) удельный вес видов ДТП (столкновение, наезд, опрокидывание и т.д.) от общего количества ДТП;

б) удельный вес ДТП с участием транспортных средств отдельных видов от общего количества ДТП;

в) удельный вес ДТП по причине их возникновения (превышение скорости движения, нарушение правил обгона и т.д.) от общего количества ДТП;

г) удельный вес ДТП по месту их совершения от общего количества ДТП, и др.

Рассмотренные выше методы оценки уровня безопасности движения основаны на учете и обработке статистических данных и имеют ряд общих недостатков, главными из которых являются:

необходимость располагать надежными статистическими данными ДТП за достаточно длительный период времени, не менее 35 лет;

данные статистики ДТП на участке дороги могут считаться сопоставимыми только в том случае, если за весь рассматриваемый период на дороге не проводились работы, существенно повлиявшие на условия и безопасность движения;

отчетные статистические данные о ДТП не отражают целый ряд мелких, не регистрируемых происшествий, а также конфликтных ситуаций, находящихся на грани возникновения ДТП;

возможны искажения истинных причин возникновения ДТП из-за недостаточной квалификации либо не заинтересованности лиц, составляющих отчет о ДТП;

за рассматриваемый период возможны существенные изменения характеристик транспортного потока (интенсивность и состав движения).



1.2 Вероятностные методы

При оценке аварийности вероятностными методами автомобильная дорога рассматривается как сооружение, состоящее из сочетания отдельных участков, каждый из которых имеет различные значения геометрических параметров. Суть этих методов заключается в том, что на основании анализа статистических данных о ДТП выявляется, насколько каждый элемент плана и профиля дороги способствует росту вероятности возникновения ДТП по сравнению с эталонным участком. Если итоговый показатель на каком-либо участке дороги превышает определенную величину, то участок относят к опасным, малоопасным, неопасным и т.д.

К вероятностным методам относится метод коэффициентов аварийности. Впервые этот метод стали применять с целью оценки вероятности возникновения ДТП на дорогах ФРГ в 50-х годах при различных поперечных профилях проезжей части:

, (1.9)

где U₀ - коэффициент аварийности на эталонном участке дороги с четырьмя полосами движения, разделительной полосой и укрепленными полосами для стоянок на обочинах (U₀=1);

U₁ - коэффициент, учитывающий число полос движения и наличие укрепленных полос на обочинах (U₁=1.03.0);

U₂ - коэффициент, учитывающий в составе движения велосипедистов, мопедов и пешеходов (U₂=1.22.8);

U₃ - коэффициент, учитывающий ширину проезжей части дороги (U₃=1.01.5).

Позже аналогичные методы стали применять также в других странах, с более подробным учетом влияния отдельных факторов.

В Великобритании, Норвегии, Швеции, США вместо коэффициентов вводились баллы, которые учитывали безопасность движения в зависимости от ширины проезжей части и обочин, видимости дороги, длины и радиуса кривых, наличия пересечений, придорожной застройки и т.д.

Так, шведская система оценки включала три группы показателей с предельно возможными значениями суммы баллов:

1) прочность и состояние дорожной одежды - 25

2) условия движения для автомобилей (ширина проезжей части, радиусы кривых в плане, продольные уклоны и их протяженность, обеспечиваемая видимость)-30

3) степень обеспечения безопасности движения - 45

Оценка дорог баллами - один из старейших методов, практически вышедший из употребления.

В.М. Сиденко и А.А. Рыбальченко предложили «квалиметрический принцип оценки качества дороги», где они пытались учесть большое число факторов, влияющих на безопасность движения. Все влияющие факторы были разделены на три группы: технические, эргономические и экономические.

Как в России, так и в некоторых других странах из вероятностных методов наибольшее практическое применение получил метод итогового коэффициента аварийности [3, 39], предложенный в 60-х годах В.Ф. Бабковым. Итоговый коэффициент аварийности K_ит представляет собой произведение частных коэффициентов аварийности k₁, k₂, …, k_n, каждый из которых характеризует относительную вероятность возникновения на рассматриваемом участке происшествий под влиянием отдельных элементов плана, продольного и поперечного профилей, придорожной полосы, интенсивности и состава движения по сравнению с эталонными дорожными условиями (прямой горизонтальный участок двухполосной дороги с шириной проезжей части 7.5 м, с укрепленными обочинами и ровным, шероховатым покрытием):

.(1.10)

Наибольшую опасность представляют те участки, у которых итоговый коэффициент аварийности составляет 5070.

О.А. Дивочкин установил, что для небольших значений K_ит существует достаточно устойчивая корреляционная связь между числом ДТП Y на 1 млн авт.км и значением K_ит:

_.(1.11)

Однако график этой зависимости (рис 1.1) показывает, что после максимума числа ДТП при K_ит=80100, аварийность начинает уменьшаться. Так, число происшествий при K_ит=40 примерно такое же, что при K_ит=250.

В.И. Пуркин и Ю.М. Ситников установили аналогичную зависимость для участков дорог на подходах к мостам:

(1.12)

В МАДИ впервые разработан метод коэффициентов аварийности для оценки уровня безопасности движения на городских улицах. В качестве эталонного участка принимается горизонтальный, прямолинейный участок магистральной улицы с двумя полосами движения в каждом направлении, шириной проезжей части 15.5 м, резервной полосой 3.5 м, шероховатым покрытием и освещением 8 лк. Итоговый коэффициент аварийности для городских улиц определяется аналогично выражению (1.10), однако здесь частные коэффициенты принимают другие значения. Это объясняется тем, что условия уличного движения в городах в значительной степени отличаются от условий движения на загородных дорогах.

Для оценки уровня безопасности движения с учетом влияния погодно-климатических условий и сезонов года А.П. Васильевым предложено пользоваться графиками сезонных коэффициентов аварийности.

Все методы оценки аварийности, относящиеся к данной группе, имеют следующие недостатки:

приходится получить произведение большого количества вероятностных показателей, а при таком подходе вероятность ошибки возрастает во много раз;

требуется большое количество статистических данных о ДТП на участках дорог с широким диапазоном изменения влияющих факторов для выявления различных частных коэффициентов аварийности, зависящих от этих факторов. Т.к. частные коэффициенты аварийности определяются на основании статистических данных о ДТП, этому методу присущи большинство из недостатков первого метода;

Рис. 1.1 Зависимость между числом дорожно-транспортных происшествий и итоговым коэффициентом аварийности

слабо учитывается влияние на аварийность возможных сочетаний смежных элементов плана, продольного и поперечного профилей;

не учитывается взаимозависимость отдельных частных коэффициентов аварийности и т.д.

К вероятностным относятся также методы, основанные на теории надежности или теории риска, с помощью которых определяют либо вероятность безотказной работы (надежность) системы “водитель - автомобиль - дорога - окружающая среда” (ВАДС), либо вероятность (риск) возникновения ДТП. Понятие «риск попадания автомобилей в ДТП» (r_v) при скорости движения v является качественной инженерной характеристикой опасности геометрического элемента дороги и имеет следующее математическое толкование:

, (1.13)

где n_v - число ДТП при скорости v, возникающее по причине несовершенства геометрического элемента дороги; N_v - общее число автомобилей, прошедших по данному участку дороги со скоростью движения v. Наряду со многими безусловными достоинствами этот метод имеет следующие недостатки:

трудно определить фактические законы распределения исследуемых показателей;

для некоторых параметров, влияющих на риск, закон распределения которых не является нормальным, крайне трудно получить аналитические формулы для определения риска ДТП;

вероятностный подход дает разумные практические результаты, но только в тех случаях, когда неопределенность носит «технологический» или «природный» характер. Его применимость к процессам и явлениям, где влияние человеческого фактора существенно, в общем случае проблематична. В данном случае влияние человеческого фактора является весомым, особенно в ситуациях, граничащих с ДТП;

риск возникновения ДТП определяется только для автомобилей, которые движутся с постоянной скоростью, без учета ускорения;

трудно определить допускаемый риск водителями.



1.3 Методы, основанные на анализе режима движения автомобиля на оцениваемом участке

К методам данной группы относится метод коэффициента безопасности. Анализ распределения ДТП показывает, что значительное их количество сосредоточено на сравнительно небольших, локальных участках, которые отличаются от предыдущего участка резким ухудшением дорожных условий. Водители, проезжая такой участок, сталкиваются с необходимостью резкого снижения скорости движения и часто в результате несвоевременных или неадекватных по отношению к дорожной обстановке действий попадают в аварийную ситуацию или в ДТП. В качестве критерия опасности применяется коэффициент безопасности, который представляет собой отношение скорости v, обеспечиваемой опасным участком дороги, к скорости v_вх, которая может быть развита в конце предыдущего участка:

.(1.14)

По величине значения коэффициента безопасности определяется степень опасности рассматриваемого участка дороги (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Определение степени опасности участка дороги по величине коэффициента безопасности

Характеристики участка	Kбез
не опасный	более 0.8
Малоопасный	0.60.8
Опасный	0.40.6
очень опасный	менее 0.4

В проектах новых дорог не допускаются участки, на которых K_без<0.8.

Метод коэффициента безопасности позволяет по эпюре скоростей выявить опасные участки дороги. Однако следующие недостатки ограничивают область применения этого метода:

учитывается влияние на безопасность движения только взаимодействия автомобиля с дорожными условиями, и не учитывается влияние транспортного потока;

использование метода дает удовлетворительные результаты лишь при малых значениях интенсивности движения, при которых пачкообразная структура транспортного потока отсутствует. Это связано с тем, что скорость движения автомобиля в транспортном потоке главным образом определяют не дорожные условия, а параметры движения лидирующего автомобиля;

не учитывается влияние интенсивности торможения на коэффициент безопасности (например, если автомобиль уменьшил скорость движения с 20 м/с до 10 м/с в одних дорожных условиях с замедлением -1 м/с², а в других - с замедлением -4 м/с², то в обоих случаях коэффициент безопасности принимает одинаковое значение, хотя возможно, что во втором случае создалась более опасная ситуация, чем в первом);

не учитывается влияние начальной скорости на коэффициент безопасности.

В развитие метода коэффициентов безопасности А.Р. Цыгановым были проведены исследования для оценки психофизиологического воздействия на водителя экстренного снижения скорости движения. Результаты исследований показывают наличие тесной корреляционной связи между коэффициентом безопасности, скоростью входа на опасный участок и величиной отрицательного ускорения при торможении с эмоциональной напряженностью водителя. Разработана классификация участков дорог по степени опасности в зависимости от сочетания коэффициента безопасности, начальной скорости и отрицательного продольного ускорения (табл. 1.3). Тем самым частично были устранены некоторые из недостатков, перечисленных выше.

Многочисленные исследования выявили, что более объективным показателем опасности участка дороги является интенсивность изменения скорости движения, поэтому, считается целесообразным использование в качестве критерия безопасности движения шума энергии или шума ускорения:

, (1.15)

где a_i - ускорение в i-м створе;

a_ср - среднее значение ускорения на всем рассматриваемом участке;

n - число створов.

Таблица 1.3

Классификация участков дорог по степени опасности в зависимости от сочетания коэффициента безопасности, начальной скорости и отрицательного продольного ускорения

Степень опасности участка	Отрицательное ускорение, м/с2
	Менее 0,5	0,5 - 1,5	1,5 - 2,5	2,5 - 3,5
	Начальная скорость движения 60-80 км/ч
Неопасный	Более 0,45	Более 0,6	Более 0,65	Более 0,75
Опасный	0,35-0,45	0,45-0,60	0,50-0,65	0,55-0,75
Очень опасный	Менее 0,35	Менее 0,45	Менее 0,50	Менее 0,55
	Начальная скорость движения 85-100 км/ч
Неопасный	Более 0,55	Более 0,70	Более 0,75	Более 0,80
Опасный	0,45-0,55	0,55-0,70	0,6-0,75	0,65-0,8
Очень опасный	Менее 0,45	Менее 0,55	Менее 0,6	Менее 0,65
	Начальная скорость движения 105-120 км/ч
Неопасный	Более 0,75	Более 0,8	Более 0,85	Более 0,85
Опасный	0,6-0,75	0,65-0,8	0,70-0,85	0,70-0,85
Очень опасный	Менее 0,60	Менее 0,65	Менее 0,70	Менее 0,70



Таблица 1.4

Связь между нервно-эмоциональной напряженностью водителей, коэффициентами безопасности и шумом ускорения

Сложность маршрута	Коэффициент безопасности	Нервно-эмоциональная напряженность водителей	Шум ускорения
Легкий	0.8	Оптимальная	0.75
Сложный	0.6	Повышенная	1.0 ч 1.2
Очень сложный	0.4	Перегруженная	1.4

Было установлено, что при благоприятных условиях движения шум ускорения составляет около 0.2 м/с². Опасными считаются условия движения, характеризуемые значением шума ускорения 0.45 м/с² и выше. На основании данных исследований, проведенных В.В. Чвановым и А.А. Алексеевым на долинных участках горных дорог, можно установить связь между нервно-эмоциональной напряженностью водителей, коэффициентами безопасности и «шумом ускорения» (табл. 1.4). Шум ускорения является объективным показателем состояния транспортного потока и безопасности движения лишь на скоростных магистралях безостановочного движения. В условиях городского движения с частыми остановками этот показатель не отражает истинный характер движения, т.к. задержки обуславливают искажение величины шума ускорений. Шум энергии менее подвержен влиянию скорости движения, чем шум ускорения, поэтому, шум энергии более объективно отражает сложные условия городского движения. По мнению В.В. Зырянова более перспективным показателем является отношение шума энергии _e к скорости сообщения v_c. Этот показатель он назвал “градиентом энергии”:

. (1.16)



1.4 Методы оценки уровня безопасности движения на пересечениях и примыканиях. Метод конфликтных точек

В связи со специфическими особенностями пересечений, многими учеными разработаны методы оценки уровня безопасности движения на пересечениях, примыканиях и транспортных узлах. М.С. Фишельсон предложил метод оценки по взаимному контакту транспортных потоков. Под этим подразумеваются контакты автомобилей на транспортных узлах (конфликтные точки). При помощи таких контактов предлагается оценить сложность транспортного узла, перекрестка:

, (1.17)

где М - показатель сложности транспортного узла;

i - вид конфликта;

k_i - коэффициент сложности i-го конфликта;

m_i - число конфликтных точек i-го вида.

Предлагается выделять три вида конфликтов: пересечение, слияние, ответвление. Тот транспортный узел, у которого численное значение М больше, считается более опасным.

Недостатком этого метода является то, что он учитывает только количество теоретически возможных контактов, вне зависимости от фактических потоков и их подразделения по типу маневров. Кроме того, метод не учитывает контакты между транспортным средством и пешеходом, а также угол пересечения между конфликтующими направлениями.

Путь более точного определения опасности пересечения указывает метод, предложенный в 1955 г. Г. Раппопортом в ФРГ. Суть этого метода заключается в том, что показатель опасности получается в виде суммы произведений суммарных интенсивностей движения N_i в каждой конфликтной точке на соответствующие коэффициенты k_i их тяжести, причем конфликтная точка определяется как точка слияния, ответвления, пересечения траекторий автомобилей:

, (1.18)

где n - число конфликтных точек.

Эта идея была развита в России Е.М. Лобановым, который предложил метод определения вероятного количества ДТП на конфликтных точках при различных углах между направлениями потоков. Метод основан на использовании данных статистики ДТП. Его суть заключается в том, что каждая из конфликтных точек на пересечении представляет тем большую опасность, чем больше интенсивности движения пересекающихся на этой точке транспортных потоков. Вероятное количество ДТП на i-й конфликтной точке на 10 млн. проехавших автомобилей определяется следующим образом:

,(1.19)

где k_i - относительная аварийность данной конфликтной точки, ДТП/10 млн. авт.;

M_i, N_i - интенсивности пересекающихся в данной конфликтной точке транспортных потоков, авт./сут.;

k_г - коэффициент годовой неравномерности движения по месяцам.

Коэффициент 25 вводится в формулу (1.19) для учета среднего количества рабочих дней в месяц, в течение которых загрузка дорог резко превышает загрузку в выходные дни. Подробные таблицы коэффициентов k_i и k_г приводятся в нормативной и справочной литературе [26, 39].

Вероятное число ДТП на пересечении в целом равно:

, (1.20)

где n - число конфликтных точек.

Уровень обеспеченности безопасности движения на пересечениях оценивают показателем аварийности:

,(1.21)

где M_сум, N_сум - интенсивности движения на пересекающихся дорогах, авт./сут.

По показателю K_а можно судить об опасности пересечения (табл. 1.5):

Таблица 1.5

Определение степени опасности пересечения по показателю K_а

Степень опасности пересечения	Kа
не опасный	менее 3
Малоопасный	38
Опасный	812
очень опасный	более 12

Этот метод по своей сути принадлежит к вероятностным методам, поэтому ему присущи большинство тех недостатков, которые имеют все вероятностные методы.

Вышеуказанные недостатки различных методов оценки уровня безопасности движения вызывают необходимость разработки новых методов, позволяющих более детально учитывать все возможные ситуации, которые возникающие при движении транспортных потоков на автомобильных дорогах и городских улицах. С целью преодоления этих затруднений научно - исследовательской лабораторией фирмы “Дженерал моторс” в 1967 году был впервые предложен новый метод оценки уровня безопасности движения на дорогах - метод конфликтных ситуаций (КС). Первоначально этот метод применялся главным образом для оценки уровня безопасности движения на пересечениях, однако, после некоторых модификаций, он оказался вполне пригодным и перспективным также для других участков автомобильных дорог.



Глава 2. Теоретические основы моделирования

2.1 Концептуальная модель компьютерной имитации транспортных потоков на двухполосных автомобильных дорогах

Для описания движения автомобилей по автомобильным дорогам, городским улицам и автомагистралям разработаны многочисленные математические модели.

Разработка математической модели транспортного потока или математическое описание его характеристик является одним из важнейших и ответственных этапов при решении задач количественной и качественной оценки функционирования системы ВАДС, поскольку именно на этом этапе решается вопрос, насколько точно будут учтены те характеристики транспортного процесса и количественные связи между ними, которые необходимы для решения конкретных поставленных задач.

Строгого определения понятия сложной системы не существует. Основными отличительными признаками сложных систем являются:

наличие большого количества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов;

сложность функций, выполняемой системой и направленной на достижение заданной цели функционирования;

возможность разбиения системы на подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей цели функционирования системы;

наличие управления, разветвленной информационной сети и интенсивных потоков информации;

наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов.

Дорожное движение обладает всеми перечисленными свойствами. Естественно рассматривать его в виде сложной системы и обозначать “водитель - автомобиль - дорога - окружающая среда” (ВАДС).

Совершенствование электронно-вычислительной техники наряду с достижениями теории сложных систем привело к возникновению и успешному развитию нового направления в области исследования сложных систем - машинной имитации. По определению Т. Нейлора, машинная имитация - это численный метод проведения компьютерных экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложной системы в течение продолжительных периодов времени. Главным преимуществом метода машинной имитации является возможность проведения экспериментов не с реальной системой, а с ее математической моделью, реализованной на компьютере; при этом не существует ограничений по проведению экспериментов с целью изучения любых характеристик движения автомобиля.

Членом - корр. АН СССР Н.П. Бусленко и его школой предложена унифицированная абстрактная схема агрегата, которая позволяет единообразно описывать все элементы сложной системы (дискретные, непрерывные, детерминистические, стохастические).

Общий принцип работы предлагаемой имитационной модели соответствует теории имитационного моделирования транспортных потоков. Здесь для моделирования сложной системы ВАДС используется схема кусочно-непрерывного агрегата, с математической точки зрения представляющий собой условный марковский процесс с кусочно-непрерывными траекториями в пространстве переменной размерности. Конкретная реализация имитационной модели в виде микроописания отдельных блоков, а также полностью отлаженного программного комплекса, предназначенного для оценки степени опасности дорожного движения, пропускной способности, потерь времени, других характеристик транспортного потока на заданном участке дороги осуществлена другим автором на базе языков программирования FORTRAN и Visual C++.

Агрегат характеризуется множествами моментов времени Т, состояний в каждый момент времени Z, входных X и выходных Y сигналов. Состояние агрегата в момент tT обозначается z(t)Z, входные и выходные сигналы соответственно - x(t)X, и y(t)Y.

Состояние агрегата в момент (t+0) обозначим z(t+0). Предполагается, что из состояния z(t) в состояние z(t+0) агрегат приходит за малый интервал времени. Переход агрегата из состояния z(t₁) в z(t₂), t₂ > t₁, определяется динамическими свойствами самого агрегата и входными сигналами.

Во множестве состояний Z выделяется такое подмножество Z^(W), что если в момент t' z(t') достигает Z^(W), то агрегат скачкообразно изменяет свое состояние. Пусть эти изменения описываются оператором W:

z(t'+0)=W[t', z(t')].(2.1)

В случае воздействия входного сигнала x_n поведение модели описывается оператором V. Тогда состояние z(t_n+0), где t_n - момент поступления в агрегат входного сигнала x_n, t_n T,

z(t_n+0)=V[t_n, z(t_n), x(t_n)].(2.2)

Если интервал (t_n, t_n+1) не содержит ни одного момента поступления сигналов, то для t_n(t_n, t_n+1] состояние агрегата определяется оператором

z(t)=U[t, t_n, z(t_n+0)].(2.3)

Совокупность операторов W, V и U рассматривается как оператор переходов агрегата в новое состояние.

Во множестве состояний Z выделяется подмножество Z^(Y) (Z^(W) и Z^(Y) могут пересекаться) такое, что если z(t^*) достигает Z^(Y), то выдается выходной сигнал, который определяется оператором выходов



y=G[t^*, z(t^*)].(2.4)

Упорядоченная совокупность рассмотренных множеств T, X, Z, Z^(W), Z^(Y) ,Y и случайных операторов W, V, U, G полностью задает агрегат как динамическую систему.

Определенного рода упорядоченная совокупность конечного числа агрегатов называется агрегативной системой.

Агрегативные системы в качестве математической модели транспортных потоков в России использовались, начиная с 1980-х годов, в исследованиях В.В. Сильянова, В.М. Еремина, В.Г. Крбашяна, Р.С. Картанбаева, М.С. Талаева, А.И. Должикова, О.И. Тонконоженкова, С.П. Крысина и других. В этих исследованиях рассмотрены различные проблемы проектирования автомобильных дорог и безопасности дорожного движения.

Объектом данного исследования является дорожное движение на различных фрагментах сети двухполосных автомобильных дорог. Вся сеть дорог представлена в виде графа, который состоит из узлов и ребер. Узлами являются перекрестки (примыкания) вместе с подходами к нему. Длина каждого из подходов определяется расстоянием влияния перекрестка и составляет 150-200 м. Ребрами являются двухполосные перегоны. Математической моделью каждого элемента графа, т.е. узла или ребра является кусочно-непрерывный агрегат. Очевидно, что если входные и выходные контакты соответствующих агрегатов соединить каналами связи, то можно получить агрегативную систему, которая соответствует любому заданному подмножеству дорожной сети. При этом количество моделируемых элементов дорожной сети ограничивается только техническими параметрами применяемой вычислительной техники (оперативная память, быстродействие и т.д.). Таким образом, моделируемая система ВАДС состоит из двух типов агрегатов: «Узел» и «Ребро».

Ниже, если особо не будет оговорено, будем рассматривать наиболее общий случай кусочно-непрерывного агрегата «Узел» - перекресток с четырьмя подходами (рис. 2.1).

Продольные оси всех подходов к перекрестку пересекаются в точке О. Углы между ними ₁, ₂, ₃, ₄, могут принимать любые значения, в соответствии с конфигурацией конкретного перекрестка. Обычно ₁=₃, и ₂=₄.

Выберем неподвижную прямоугольную систему координат ХОУ с центром в точке О. Пусть координатная ось ОХ направлена вдоль продольной оси одного из подходов к перекрестку (1-й подход). Весь перекресток разбит на 9 подсистем:

L = 1, 3, 5, 7 - полосы движения, подходящие к перекрестку;

L = 2, 4, 6, 8 - полосы движения, отходящие от перекрестка;

L = 9 - перекресток.

Каждая из полос движения L=1ч8 в свою очередь может быть разбита на несколько участков, которые отличаются друг от друга геометрическими параметрами иили средствами организации движения (элементарный участок). Перекресток (L=9) состоит из 12 элементарных участков (рис. 2.2). Под элементарным участком на перекрестке понимается участок полосы движения, соединяющий конец каждого из четырех нечетных полос движения с началом каждой из четных полос движения (кроме сопряженной четной полосы движения).

Множество моментов времени Т агрегата задается вектором t_i,j, где i - номер автомобиля (способ нумерации автомобилей описан ниже); j - номер ситуации, при наступлении которого состояние агрегата скачкообразно меняется. Размерность вектора Т во многом определяет скорость проведения имитационного эксперимента. В модели предусмотрено 30 ситуаций, а также одновременное присутствие в системе 1500 автомобилей.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1 Схема моделируемого нерегулируемого перекрестка

Размещено на http://www.allbest.ru/

в) г)

Рис. 2.2 Нумерация элементарных участков на перекрестке



Состояние агрегата Z описывается постоянными параметрами системы и переменными координатами. К постоянным относятся:

1. Параметры каждого элементарного участка дороги, которые задаются в виде трехмерного вектора R_l,p,j, где l - номер полосы движения; p - номер параметра (p=1ч26); j - номер элементарного участка на l - й полосе движения (для перекрестка (l=9) p может принимать значения 1ч12);. Перечислим все параметры, которыми задается каждый элементарный участок:

R_l,1,j - длина элементарного участка дороги по продольной оси;

R_l,2,j - расстояние видимости до встречного автомобиля в плане;

R_l,3,j - расстояние видимости до встречного автомобиля в продольном профиле;

R_l,4,j - коэффициент сцепления шины с поверхностью дороги;

R_l,5,j - продольный уклон участка дороги;

R_l,6,j - поперечный уклон участка дороги;

R_l,7,j - ширина проезжей части;

R_l,8,j - ширина обочины;

R_l,9,j - радиус кривизны в плане;

R_l,10,j - радиус вертикальной кривой в плане;

R_l,11,j - координата начала продольной оси участка дороги по оси OX;

R_l,12,j - координата начала продольной оси участка дороги по оси OY;

R_l,13,j- направление полосы движения:

если участок дороги прямолинейный, то R_l,13,j = 1 в том случае, если направление движения автомобиля в системе координат ХОУ составляет от -90є до 90є, иначе - R_l,13,j = -1;

если участок дороги не прямолинейный, то R_l,13,j=1 в случае правого поворота и R_l,13,j=-1 в случае левого поворота.

R_l,14,j, R_l,15,j , R_l,16,j - параметры уравнения продольной оси участка дороги в аналитическом виде;

R_l,17,j - ограничение скорости движения легковых автомобилей;

R_l,18,j - ограничение скорости движения средних грузовых автомобилей;

R_l,19,j - ограничение скорости движения тяжелых грузовых автомобилей;

R_l,20,j - ограничение скорости движения автобусов;

R_l,21,j - ровность дорожного покрытия (ТХК-2);

R_l,22,j - ровность дорожного покрытия (ПКРС-2);

R_l,23,j - обгон запрещен (1 - да; 0 - нет);

R_l,24,j - обгон грузовым автомобилям запрещен (1 - да; 0 - нет);

R_l,25,j - коэффициент сопротивления качению при скорости движения автомобиля 20 км/ч;

R_l,26,j - угловой коэффициент скорости движения для определения коэффициента сопротивления качению.

2. Объекты окружающей среды, ограничивающие видимость (дома, ограждения и т.д.), задаются координатами крайних точек этих объектов А₁, А₂, А₃, , А_n и описываются вектором A _i,n. i принимает значения 1 и 2: A_1,n - координаты точки А_n по оси ОХ, а A_2,n - по оси ОУ.

3. Транспортные потоки задаются следующими векторами:

а) интенсивность N_l в начале полосы движения l (l=1, 3, 5, 7);

б) распределение интенсивности F_l,j. на полосе движения l по направлениям дальнейшего движения j (j=1 - налево; j=2 - прямо; j =3 - направо), в %;

в) состав потока на каждой полосе движения. Транспортный поток в модели состоит из свыше 20 наиболее типичных отечественных и зарубежных марок автомобилей, которые сгруппированы по 4 типам:

легковые;

средние грузовые;

тяжелые грузовые;

автобусы.

Состав движения задается в виде массива C_l,m, где l - номер полосы движения; m - индекс марки автомобиля.

4. Тягово-динамические и технико-эксплуатационные характеристики автомобилей всех марок задаются в виде вектора Н_m,p, где m - индекс марки автомобиля; p - номер характеристики автомобиля:

Н_m,k (k=1ч5) - передаточное число k-й передачи коробки перемен передач (КПП) автомобиля;

Н_m,6, Н_m,7 - передаточные числа главной передачи;

Н_m,8 - передаточное число делителя КПП;

Н_m,9 - габаритная длина автомобиля;

Н_m,10 - габаритная ширина автомобиля;

Н_m,11 - габаритная высота автомобиля;

Н_m,12 - база;

Н_m,13 - колея;

Н_m,14 - передний свес;

Н_m,15 - расстояние от переднего бампера до глаз водителя по продольной оси;

Н_m,16 - коэффициент обтекаемости;

Н_m,17 - собственная масса;

Н_m,18 - нагрузка на переднюю ось;

Н_m,19 - нагрузка на заднюю ось;

Н_m,20 - полная масса;

Н_m,21 - нагрузка на переднюю ось при полной массе;

Н_m,22 - нагрузка на заднюю ось при полной массе;

Н_m,23, Н_m,24 - параметры для определения коэффициента учета вращаюшихся масс;

Н_m,25 - максимальный крутящий момент двигателя;

Н_m,26 - угловая скорость коленчатого вала, соответствующая максимальному крутящему моменту;

Н_m,27 - максимальная мощность двигателя;

Н_m,28 - угловая скорость коленчатого вала, соответствующая максимальной мощности двигателя;

Н_m,29 - время срабатывания тормозного привода;

Н_m,30 - время запаздывания тормозного привода и времени нарастания замедления (при торможении);

Н_m,31 - передаточное число рулевого механизма;

Н_m,32 - коэффициент полезного действия трансмиссии;

Н_m,33 - коэффициент коррекции двигателя;

Н_m,34 - свободный радиус колеса автомобиля;

Н_m,35 - динамический радиус колеса;

Н_m,36 - радиус поворота по следу внешнего переднего колеса;

Н_m,37 - радиус поворота по следу внешней, габаритной точки.

5. Вектором W_m,i задается закон распределения коэффициента использования грузоподъемности (загрузки) автомобилей, где m - индекс марки автомобиля, i - номер интервала в диапазоне изменения загрузки 0ч1, на котором задается закон распределения.

К переменным координатам состояния агрегата относятся:

1. Вектор K_l, (l=1ч9) задающий количество автомобилей на полосе движения l и на перекрестке в текущий момент времени.

Каждому автомобилю в момент формирования на полосе движения l присваивается номер k_l,который в дальнейшем может измениться. Нумерация автомобилей производится исходя из следующих правил:

а) один и тот же автомобиль в каждый момент времени может находиться только на одной из восьми полос движения, или на перекрестке;

б) два разных автомобиля одновременно не могут иметь одинаковый номер; компьютерный безопасность автомобильный дорога

в) если k_i и k_j - номера автомобилей, находящихся соответственно на полосах движения i и j, то k_i > k_j, если i > j, и k_i < k_j, если i < j;

г) K _{min i} ? k_i ? K _{max i},

где K _{min i} и K _{max i} - соответственно минимальное и максимальное значения номера автомобиля, находящегося на полосе движения i;

д) номер автомобиля, находящегося дальше по продольной оси от начала полосы движения меньше, чем номер автомобиля, находящегося ближе. На перекрестке меньший номер имеет тот автомобиль, который въезжал на перекресток раньше;

е) если существует автомобиль под номером k_i > K _{min i} , то существует автомобиль под номером k'_i, для которого верно неравенство K_{min i} ? k'_i < k_i.

2. Векторы - координаты всех моделируемых автомобилей P_p,k и Q_p,k, где p - номер координаты (p=1ч36), k - номер автомобиля.

а) P_p,k принимают вещественные значения:

P_1,k - пройденный путь;

P_2,k - координата автомобиля по продольной оси дороги;

P_3,k - расстояние автомобиля от продольной оси в поперечном направлении (принимает положительное значение, если автомобиль расположен левее от продольной оси и отрицательные значения, если правее);