Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н. Системное проектирование автомобильных дорог (часть I)
Подождите немного. Документ загружается.
Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н.
СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ
ДОРОГ
(часть I)
Д о п у щ е н о
Министерством общего и специального
образования России в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений
обучающихся по специальности 29100
«Строительство автомобильных дорог и
аэродромов» (бакалавр строительства)
Белгород 1997
Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н.
Системное проектирование автомобильных дорог
Часть I
Рассматриваются вопросы системного проектирования автомобильных
дорог, различные, исторически сложившиеся, подходы к проектированию,
анализируется и раскрывается суть различных направлений проектирования, а
также принципов назначения нормативов на проектирование.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Строительство
автомобильных дорог и аэродромов (бакалавр строительства).
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
I Системное и частное проектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Сущность, цели и задачи проектирования автомобильных дорог
1.2 Установление потребностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Системная оценка качества проектных и конструктивных решений
1.4 Методология проектирования и конструирования элементов дороги
2 Основы системного проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Дорога как система сооружений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Проектирование сети дорог . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Обеспечение заданной эффективности функционирования автомобиля . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Основы тяговых расчетов автомобилей . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Взаимодействие автомобиля и дороги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Расчетные значения параметров дороги . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4 Нормирование модулей упругости нежесткой дорожной одежды
2.4 Согласование параметров среды движения с принципами поведения
водителей и пешеходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Взаимодействие водителя со средой движения . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Движение автомобиля, подчиненное субъективным целям человека
2.4.3 Оптимизация параметров среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4 Обеспечение требуемых эстетических свойств дороги . . . . . . .
2.4.5 Оптимизация режимов движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Учет экологических требований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Сущность экологического проектирования дорог . . . . . . . . . .
2.5.2 Оценка средообразующих факторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.3 Нормирование концентраций и выбросов загрязняющих экосистему
веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список используемой и рекомендуемой литературы . . . . . . . . . . . . .
ВВЕДЕНИЕ
Перевозка грузов и пассажиров осуществляется по сети путей сообщения,
которая включает железные и автомобильные дороги, авиационные трассы,
трубопроводы, речные и морские судоходные линии. Особое место в структуре
путей сообщения занимают автомобильные дороги. Именно автомобильные
дороги обеспечивают массовую перевозку пассажиров и грузов на малые
расстояния непосредственно от отправителя до получателя ("от двери до двери").
Объем грузов, перевозимых по автомобильным дорогам значительно превышает
их количество, перевозимое по другим видам путей сообщения. Автомобильные
дороги обеспечивают 40% пассажирских и 80% грузовых перевозок , таблица 1.
Таблица 1 – Перевозки грузов и пассажиров в 1991 г.
Вид пути сообщения Перевозка грузов,
млн. т.
Перевозка пассажиров,
млн. пас.
Железные дороги 3951 4166
Морские судоходные
линии 240 50.3
Речные судоходные
линии 633 132.0
Автомобильные дороги 25873 47008
Воздушные трассы 3.2 112.6
Трубопроводы 631 -
Особая роль автомобильных дорог в транспортной системе страны связана с
рядом преимуществ, обеспечивающих: сравнительно быструю доставку грузов и
пассажиров на малые расстояния (до 50 − 100 км); невысокую стоимость
перевозок; параллельность, (дублирование) с другими видами транспорта;
быстрое освоение горных, малонаселенных районов, а также севера страны,
территорий месторождений полезных ископаемых и строительства новых
крупных промышленных районов.
В настоящее время в СНГ более 812 тыс. км дорог с твердым покрытием.
Начиная с 1960 года протяженность этих дорог ежегодно увеличивается более,
чем на 20 тыс. км.
Своевременность и качество строительства автомобильных дорог в
значительной мере зависит от качества проектной документации, от
квалификации тех инженеров - дорожников, которые проектируют эти дороги.
Ошибки при проектировании, остаются на десятилетия, вызывая неустранимые
потери автомобильного транспорта. Поэтому вопросы проектирования дорог
являются весьма актуальными.
В автодорожных вузах подготовка инженера - дорожника по вопросам
проектирования дорог осуществляется в соответствии с курсом "Изыскания и
проектирование транспортных сооружений». Курс "Изыскания и проектирование
транспортных сооружений" – учебная дисциплина, рассматривающая способы и
приемы выбора трассы дороги на местности, сбора полевых данных, назначения
конструктивных элементов дороги, экономических, технических и социальных
оценок проектных решений.
Предметом курса являются принципы, законы, методы и приемы обоснования
направления дороги, расчета и конструирования ее сооружений и элементов,
организации дорожного движения, обеспечения удобства и безопасности
движения, охраны окружающей среды.
Объектом изучения курса является методология проектирования и
конструирования автомобильных дорог.
Содержание курса "Изыскания и проектирование транспортных сооружений"
включает раскрытие понятийного аппарата и теоретических основ
проектирования дорог, методологии проектирования, а также расчета и
конструирования инженерных сооружений, формирующих дорогу.
Значительное внимание уделено вопросам социальных, экологических и
технико-экономических оценок и обоснований проектных решений.
Курс "Изыскания и проектирование транспортных сооружений" тесно связан
и опирается на достижения естественных, социальных и философских наук –
диалектический и исторический материализм, политэкономию, экономику
дорожного строительства, инженерную геологию, климатологию, грунтоведение
и механику грунтов, гидравлику и др.
Целью курса является обучение инженера-дорожника грамотному,
творческому решению вопросов создания проекта автомобильной дороги.
I СИСТЕМНОЕ И ЧАСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
1.1 Сущность, цели и задачи проектирования автомобильных дорог
Проектирование в широком смысле – выбор способа действий участников
дорожного движения, при котором обеспечивается заданная эффективность
транспортного процесса. В узком смысле – это процесс создания проекта
автомобильной дороги как логической основы деятельности водителей.
Проект – модель дороги, представленная в виде чертежей, графиков,
пояснительной записки. Проект автомобильной дороги является результатом
умственной деятельности проектировщиков в сфере информации. Автомобильная
дорога – это результат деятельности строителей в сфере материальных объектов,
т. е. в сфере массы и энергии.
Ядром процесса проектирования является конструирование. Если
проектирование в конечном счете сводится к обоснованию необходимости
строительства автомобильной дороги, ее расчетных характеристик и социального
значения, то конструирование – процесс подбора необходимых конструктивных
характеристик, свойств дороги. Проектирование исходит из социальных
критериев, конструирование – из технико-экономических. Диапазон операций
процесса конструирования устанавливается в процессе проектирования,
поскольку последний процесс обосновывает требования к конструкциям.
Проектирование автомобильных дорог прошло три крупных исторических
этапа, в которых нашли отражение различные подходы к проектированию и
эксплуатации систем "человек-автомобиль-дорога": технический,
системотехнический и антропоцентрический.
Технический подход в явной форме существовал до середины 50-х годов. Его
сущность заключалась в учете закономерностей взаимодействия автомобиля с
дорогой при разработке проектных решений. Автомобильная дорога в результате
проектирования должна была обеспечивать заданные характеристики
взаимодействия с автомобилем.
Постановка вопроса о необходимости учета человеческих возможностей при
проектировании дорог привела к формированию системотехнического подхода.
Объектом проектирования становится не дорога, а единый комплекс "человек −
автомобиль − дорога − среда". Задачами системотехнического подхода является
оптимизация функционирования данного комплекса и обеспечение нормальных
условий работы человека.
Осознание несоответствия средств описания функционирования системы
"человек − автомобиль − дорога − среда" биотехническому типу данной системы
привело к формированию антропоцентрического подхода к проектированию
дорог.
Антропоцентрический подход исходит из того, что в начале должна
проектироваться деятельность человека и ее функции. Технические же устройства
(автомобиль и дорога) должны рассматриваться как средства, обеспечивающие
возможность эффективного протекания спроектированной деятельности человека,
возможность развертывания в нужной форме психических и иных процессов
человека, необходимых для осуществления намеченных функций.
Проектирование деятельности включает согласование внутренних (психические
процессы, состояния, свойства) и внешних (автомобиль, дорога) средств
деятельности.
Антропоцентрический подход изменил само понятие проектирования. В
настоящее время под проектированием понимается выбор способа действий
человека, создание системы его деятельности.
Новое понимание проектирования позволило дифференцировать такие его
направления как техническое, эргономическое, эстетическое (художественное) и
экологическое. Дифференциация направлений проектирования осуществляется по
отношениям, в которые вступает человек с природой и преобразованной ее
частью в процессе целенаправленной деятельности.
Техническое проектирование предполагает создание проекта автомобильной
дороги, обеспечивающей заданную эффективность функционирования
автомобиля. В процессе технического проектирования определяются
характеристики конструктивного вида объекта проектирования. Объектом
проектирования остается техническая система – автомобильная дорога.
Эргономическое проектирование отождествляется с антропоцентрическим
подходом, т. е. с проектированием человеческой деятельности. Объектом
проектирования является не техническая система, а человеческая деятельность с
ее внутренними и внешними средствами. Задачами эргономического
проектирования являются: создание проекта оптимальных форм протекания
психических и иных процессов человека, необходимых для осуществления
намеченных функций; подбор параметров внешних средств человеческой
деятельности (автомобильной дороги), которые обеспечивают естественную
реализацию основных принципов взаимодействия человека с природой.
Эргономическое проектирование структурно включает в себя техническое.
Эстетическое (художественное) проектирование предполагает создание
проекта автомобильной дороги, обеспечивающего проявление положительных
эмоций от восприятия обстановки движения в процессе целенаправленной
деятельности водителя. Основной задачей эстетического проектирования является
подбор параметров дороги, обеспечивающих гармоническое ее сочетание с
окружающей местностью, гармоническое сочетание элементов дороги и
информационную выразительность условий движения.
Экологическое проектирование предполагает создание проекта
экосистемы "автомобильная дорога – биосфера", обеспечивающего максимальную
продолжительность существования этой системы и минимальный ущерб,
наносимый дорогой природе и человеческому обществу.
Анализ задач различных направлений проектирования показывает их
противоречивый характер. Действительно, обеспечение заданной эффективности
деятельности водителя требует роста скоростей движения, что естественно
сопровождается ростом расхода горючего и увеличением выброса токсичных
веществ в выхлопных газах автомобиля.
Требование информационной выразительности (оригинальности) дорожной
обстановки сопровождается увеличением частоты появления различных
неожиданностей на дороге, что приводит к уменьшению надежности
управляющих действий водителя и, как следствие, к росту дорожно-транспортных
происшествий.
Противоречивость требований различных направлений проектирования
дорог затрудняют принятие проектных решений, удовлетворяющих всем
требованиям одновременно. Попытки объединить требования в одно обобщенное
и оптимизировать решение по этому обобщенному требованию не дают должного
эффекта и часто оказываются вредными. Такие попытки создают иллюзию
научного обоснования там, где его, по существу, нет. Поэтому приходится
согласовывать разные требования, искать форму разумного компромисса (такое
решение, чтобы, так сказать, "и волки были сыты и овцы целы").
Для согласования требований используют следующие схемы поиска
компромиссных решений:
– интегральной оптимизации, согласно которой проектное решение считается
хорошим, если сумма или средняя функция потерь по локальным требованиям
окажется минимальной;
– равномерной оптимизации, заключающейся в определении решения,
обеспечивающего наиболее равномерное изменение уровней относительных
потерь;
– справедливой (абсолютной и относительной) уступки.
Установление приоритетности той или иной схемы компромисса с точки
зрения теоретических положений затруднено. До сих пор в математике
полноценной "теории компромисса" не существует. Поэтому оптимальное
решение отыскивается по всем возможным схемам компромисса. Конечное же
решение принимается на основе, так называемого "здравого смысла".
Трудности принятия проектных решений согласованных по противоречивым
требованиям заставляют искать новые пути, новые направления в проектировании
дорог. Таким новым направлением является системное проектирование.
Под системным проектированием понимается проектирование части целого с
точки зрения целого.
Системное проектирование противопоставляется частному (техническому,
эргономическому, экологическому, эстетическому и т.п.). Частное
проектирование – это проектирование части целого без учета свойств целого.
Системное проектирование включает установление того целого, к которому
должна непосредственно принадлежать проектируемая автомобильная дорога
(сеть дорог, автомобильный транспорт, транспортная система страны,
техносфера, ноосфера, экосфера). Основой системного проектирования должны
быть требования, выдвигаемые системой высшего порядка, к которой
принадлежит автомобильная дорога как часть этой высшей системы. Требования
систем высшего порядка выступают в роли жизненно важных для нижестоящих
систем. Эти требования обязательно должны быть выполнены. Наряду с жизненно
важными возможно выдвижение и альтернативных требований. Выполнение этих
требований желательно, но не является необходимостью. Кроме того, выполнение
альтернативных требований в полном объеме не представляется возможным из-за
ограниченности ресурсов, и поэтому они как бы конкурируют друг с другом.
Чтобы решить, какое сочетание альтернативных требований предпочесть, нужно
провести специальный анализ по схемам поиска компромиссных решений.
Анализируя возможные решения, касающиеся действий, направленных на
достижение альтернативных целей, проектировщик обязан одновременно
заниматься двумя задачами: выбирать из множества целей наиболее полезные и
искать наиболее эффективные способы достижения каждой отдельной цели.
Только путем сопоставления предпочтительности различных сочетаний целей с
затратами, необходимыми на их достижение, можно найти наилучшее решение.
В проблеме системного проектирования автомобильных дорог можно
выделить следующие задачи:
1) установление целого, к которому принадлежит дорога;
2) определение связей между автомобильной дорогой и целым;
3) установление требований, предъявляемых целым к его части (авто
мобильной дороге);
4) оптимизация частей по системным требованиям.
При установлении целого, к которому относится автомобильная дорога
важно определение границ этого целого. Границы целого следует устанавливать
на основе критериев (признаков) значимого взаимодействия части и целого.
Такими критериями могут быть:
1) границы целого должны охватывать те элементы целого, воздействие
которых на проектируемую дорогу не равно нулю;
2) вне этих границ воздействие проектируемой дороги на другие системы
должно стремиться к нулю.
Основными целями системного проектирования могут быть:
1) реализация принципа удовлетворения потребностей народного хозяйства в
целом и отдельных пользователей;
2) разумное (минимальное) использование сырья, сил и средств
производства;
3) минимальная вероятность гибели (разрушения) целого.
Методологической основой системного проектирования автомобильных
дорог могут быть положения и постулаты общей теории систем (ОТС).
Общая теория систем опирается на три постулата.
Первый постулат состоит в том, что утверждается возможность описания
функционирования различных систем, "отвлекаясь от их конкретной природы" и
основываясь лишь на формальных структурно-функциональных связях между
различными элементами систем. При этом не исключается возможность влияния
материала на свойства системы. Это влияние проявляется в формальных
характеристиках системы.
Второй постулат состоит в том, что организация системы с точностью до
изоморфизма может быть определена на основе наблюдений, проведенных извне
посредством фиксирования состояния только тех элементов системы, которые
непосредственно взаимодействуют с ее окружением.
Третий постулат заключается в том, что организация системы полностью
определяет ее функционирование, в том числе и характер взаимодействия с
окружающей средой при фиксированной организации среды.
Указанные постулаты делают возможным решение двух основных задач:
1) определение организации системы исходя из характеристик
взаимодействия с окружением, т.е. определение свойств системы;
2) определение характеристик взаимодействия исходя из организации
системы.
Согласно общей теории систем при исследовании и проектировании систем
мы прежде всего имеем дело с внешними проявлениями (поведением) систем.