Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н. Системное проектирование автомобильных дорог (часть I)

Подождите немного. Документ загружается.

Принцип субоптимизации утверждает, что независимая оптимизация

каждого из элементов системы в общем случае не приводит к оптимальности

системы в целом. Усовершенствование одного элемента может привести к

ухудшению системы в целом. Так, В.Ф. Бабков неоднократно указывал, что

уширение проезжей части дороги без соответствующего обеспечения видимости и

расширения мостов может привести к увеличению дорожно-транспортных

происшествий.

Принцип явлений с малой вероятностью утверждает, что основная задача

системы не должна пересматриваться, а основные характеристики системы не

должны значительно изменяться для того, чтобы система оказалась пригодной

также и в ситуациях, имеющих малую вероятность. Например, конструирование

снегозащиты дороги должно вестись не на максимально возможный объем

снегоприноса с повторяемостью 1 раз в 300 – 400 лет, а на оптимальный объем,

обеспечивающий минимум суммарных затрат на снегоочистку дороги, на посадку

лесонасаждений и уход за ними.

Принцип устранения слабых звеньев утверждает, что резерв повышения

эффективности системы следует искать в ее слабом звене. Так, если на дороге

имеется мост с узкой проезжей частью, то повышение пропускной способности

дороги в целом оказывается возможным после уширения моста.

Принцип максимизации долговременной эффективности утверждает, что

оптимизация системы должна вестись по критерию эффективности,

рассчитанному за весь срок ее службы, а не для отдельных моментов времени

(сечений времени).

Методические принципы – это правила, которые отражают частные

закономерности проектирования и конструирования. Методические принципы

содержат указания на определенную процедуру проектирования, на множество

моментов процедуры, позволяющих получать качественный проект.

К основным методическим принципам можно отнести: принцип

автономности действий участников движения; принцип динамического

равновесия; принцип наименьшего принуждения; принцип взаимодополнения;

принцип согласования индивидуальных и социальных норм поведения; принцип

обеспечения динамической достаточности; принцип иерархии требований.

Принцип автономности действий участников движения утверждает, что среда

движения должна обеспечивать минимальную зависимость действий одних

водителей от действия других. Надо стремиться так организовать среду движения,

чтобы водители в пределе работали автономно. В практике организаций движения

этот принцип находит отражение в специализации полос движения по типам

автомобилей, в выделении полос движения под грузовые, легковые автомобили, в

строительстве транспортных развязок в разных уровнях и т.д.

Принцип динамического равновесия – обеспечение подвижного равновесия

между внутренними и внешними средствами деятельности. Внутренние средства

(психические процессы, состояния и свойства) и внешние средства (дорога)

изменяются во времени суток, сезонам года и т.д. Соответствие внешних

средств внутренним должно обеспечиваться всегда. Поэтому внешние средства

должны быть гибкими, динамичными. Например, динамические знаки, указатели

со сменным табло или покрытие проезжей части с обогревом в период

гололедообразования. Данный принцип требует разработки технических средств

самоорганизации среды движения.

Принцип наименьшего принуждения – наибольшей свободы действий

водителей. Условия движения не должны налагать на водителя дополнительных

психических и физических нагрузок. Они не должны быть причиной каких-либо

неудобств, в противном случае это вызовет противодействие, агрессивное

поведение, нарушение правил дорожного движения.

Принцип взаимодополнения. В соответствии с этим принципом води-тель

и дорога должны взаимно компенсировать недостатки каждого из них. Так,

например, наиболее сложной для водителя является функция предвидения

(предсказания) развития событий на дороге. Поэтому дорожная среда (В.Ф.

Бабков, Е.М. Лобанов) должна обеспечивать психологическую ясность

направления дороги за пределами видимости, зрительно ориентировать водителя

в направлении движения на большом расстоянии.

Принцип согласования индивидуальных и социальных норм поведения

водителей. В соответствии с этим принципом характер, предлагаемых средой или

закладываемых в среду целей (расчетные скорости движения, пропускная

способность дороги и т.д.) должен совпадать с индивидуальными нормами

поведения водителя. В этом случае водитель принимает навязываемую цель как

собственную, отвечающую своим мотивам. Цели действий водителя и цели,

формируемые средой движения, должны быть непротиворечивы.

Принцип обеспечения динамической достаточности. Условия движения

должны обеспечивать поддержания переменных движения (скорость, траектория)

в допустимых пределах. В противном случае водитель теряет свойства

приспособляемости к обстановке движения. Область динамической до-

статочности существенно зависит от величин продольных уклонов, радиусов

кривых в плане, состояния дорожной одежды и т.д.

Принцип иерархии требований. Для получения качественных проектов

необходимо последовательное удовлетворение требований в порядке их важности

(иерархии). Относительная важность требований должна устанавливаться на

основании содержательного анализа деятельности водителя.

Основными методами, которыми пользуются в практике проек-тирования и

конструирования являются: эвристический метод; алгори-тмический или

систематический метод; метод последовательного улучшения проекта.

Эвристический метод основан на использовании общих правил или

рекомендаций. Их применение в большой степени базируется на интуиции

проектировщика. Алгоритмический – на использовании алгоритмов. Алгоритм –

последовательность указаний, касающихся процедур (операций), позволяющих

решить проектную или конструкторскую задачу. Наличие жестких алгоритмов

позволяет широко использовать вычислительную технику. Применение

алгоритмического метода ограничено задачами конструирования.

В проектировании мы не имеем всех возможных проектов для осуществления

выбора. Множество же имеющихся вариантов проектных решений часто не может

быть упорядочено отношением предпочтеия.Эвристический метод

характеризуется тем, что построение удовлетворительного проекта

рассматривается не как выбор из множества проектов, а как удачный выбор из

альтернативных решений проектных задач на каждом из шагов проектирования.

В рамках этого подхода не ставится вопрос об оптимальном проекте, а речь идет

лишь о достаточно хорошем проекте.

Метод последовательного улучшения проекта сводится к преобразова-нию

исходного проекта, улучшающего его. Исходный проект создается на основе

рекомендаций сформулированных в методологических и методи-ческих правилах.

Исходный проект является недопустимым, если нарушается хотя бы одно из

правил. В случае, когда исходный вариант проекта оказывается недопустимым,

первый предварительный этап работы состоит в преобразовании исходного

проекта, которое делает его допустимым. Для этого необходим анализ

проектировочных процедур с целью выявления ошибок, послуживших причиной

недопустимости исходного проекта. На основе такого анализа должны быть

получены рекомендации, позволяющие получить допустимый проект. Эти

рекомендации вносятся в библиотеку принципов проектирования. Затем

необходимо осуществить перепроектирование с соблюдением сформулированных

принципов. Этот шаг повторяется, пока не будет получен допустимый проект.

На каждом шаге улучшения проекта реализуются несколько направлений

улучшения. Возможно двиижение по одному из них в тупик. В этом случае

возникает необходимость возврата к одному из промежуточных вариантов. Это в

свою очередь требует хранения всех промежуточных вариантов. Другой способ –

одновременное движение по всем возможным направлениям. Движение по

любому из направлений требует контроля осуществимости проекта в

технологическом и финансовом планах. Требование осуществимости проекта

является важнейшим принципом современного системного проектирования.

Не менее важным при улучшении проекта является контроль возможно-сти и

способов рациональной ликвидации построенной автомобильной дороги. Рано

или поздно автомобильная дорога выбывает из процесса эксплуатации. И если она

не будет представлять собой ценного памятника культуры, возникнет задача ее

ликвидации. Принятие во внимание этого критерия в процессе проектирования

может весьма существенно повлиять на решение задач проектирования и

конструирования.

2 ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1 Дорога как система сооружений

Автомобильная дорога – комплекс инженерных сооружений, оборудований и

устройств, предназначенных для обеспечения бесперебойного, безаварийного и

комфортабельного движения автомобильного транспорта с расчетными

скоростями и нагрузками. Инженерные сооружения, устраиваемые на дорогах,

называют дорожными. Каждое сооружение – сложная техническая система. Их

объединение формирует комплексную систему (мегакомплекс) – автомобильную

дорогу.

В общем случае система – это совокупность взаимодействующих и

взаимосодействующих компонентов (элементов) в целом выполняющих заданную

функцию. Эта функция является тем фактором, который объединяет компоненты

в единое целое, т.е. в систему. Элемент системы – наименьшая структурная

единица, которая еще обладает чертами, выражающими главное качество

системы.

Дорожные сооружения классифицируются по признаку их назначения и

разделяются на две основные группы: основные – для пропуска транспортных

потоков; вспомогательные – для обеспечения работы основных сооружений, а

также транспортных средств, водителей и пассажиров.

К основным сооружениям относят земляное полотно, дорожную одежду,

эстакады, мосты, путепроводы. Эстакады и путепроводы устраиваются при

пересечении железных или автомобильных дорог в разных уровнях или взамен

насыпей.

В структуре вспомогательных сооружений выделяют: водоотводные,

водопропускные, защитные, сооружения дорожной эксплуатационной службы,

сооружения и устройства организации дорожного движения, сооружения

архитектурно-эстетического назначения.

Водоотводные сооружения предназначены для отвода воды от дороги. К ним

относят канавы, кюветы, лотки, дренажи.

Водопропускные сооружения – для пропуска воды через дорогу (трубы,

мосты, акведуки).

Защитные сооружения предназначены для защиты и укрепления дороги или

ее элементов от воздействия погодно-климатических и гидрологических факторов

(подпорные стенки, противооползневые устройства, снегозащитные и

снегозадерживающие устройства и т.д.). К защитным относят также сооружения

защиты окружающей среды от воздействия дороги и транспорта.

Сооружения дорожной эксплуатационной службы предназначены для

организации и проведения комплекса работ по содержанию и ремонту

автомобильной дороги. К ним относятся комплексы зданий, сооружений, линии

связи и электропередачи.

Сооружения автотранспортной службы предназначены для обслуживания

подвижного состава, проведения грузовых операций, обслуживания пассажиров.

К ним относятся автозаправочные станции, станции технического обслуживания и

профилактического ремонта автомобилей, пассажирские вокзалы, гостинницы и

мотели и др.

Сооружения и устройства организации дорожного движения – для

упорядочения движения подвижного состава в пространстве и времени. Сюда

относятся площадки отдыха, стояночные полосы, ограждения дороги,

разделительные и направляющие островки, полосы разгона и торможения,

уширения проезжей части (карманы), знаки, указатели, устройства для

зрительного ориентирования водителей и психологического регулирования

режима движения, автоматизированные системы регулирования и контроля

движения и т.д.

Сооружения службы Государственной автомобильной инспекции (ГАИ)

предназначены для обеспечения контроля и регулирования движения. Это

павильоны, будки на постах ГАИ.

Сооружения архитектурно-эстетического назначения включают памятники

архитектуры, скульптурные сооружения, декоративные зеленые насаждения и т.д.

Основные элементы дороги определяют положение ее на местности и

параметры, по которым сооружается дорога. Инженерные сооружения на дороге и

дорога в целом в проекте изображается в трех проекциях: плане, продольном и

поперечном профилях.

Трассой дороги называют намеченную на местности осевую линию дороги.

Планом трассы называют проекцию трассы дороги на горизонтальную плоскость.

Продольным профилем дороги называют проекцию продольного разреза

дороги на вертикальную плоскость. Продольный разрез делается вертикальной

поверхностью, проходящей по оси дороги (в городах) и по бровке земляного

полотна (за городом).

Поперечным профилем называют изображение на вертикальную плоскость

разреза, перпендикулярного оси дороги. На поперечном профиле изображаются

конструктивные элементы проезжей части, обочины, откосы полотна, кюветы и

полоса отвода, (рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 – Поперечный профиль дороги:

1 – проезжая часть; 2 – обочина; 3 – откос; 4 – бровка земляного полотна;

5 – кромка проезжей части; 6 – кювет.

Проезжая часть предназначена непосредственно для движения автомобилей.

Обочина – это полоса дороги, которая создает упор для проезжей части и

используется транспортом для временных остановок.

Откос земляного полотна предназначен для обеспечения устойчивости

полотна дороги.

Кюветы предназначены для отвода воды от полотна и являются резервом, из

которого разрабатывается грунт для возведения насыпей.

Бровка земляного полотна – это линия пересечения плоскости откоса с

плоскостью обочины.

Кромка проезжей части – линия пересечения плоскости обочины с

плоскостью проезжей части.

Полосу местности, на которой располагают земляное полотно, водоотводные

сооружения, зеленые насаждения, здания, службы эксплуатации и др. называют

полосой отвода (дорожной полосой).

Автомобильные дороги классифицируют по трем признакам: назначению;

административному, народнохозяйственному и культурному значению;

техническим характеристикам.

По назначению выделяют городские дороги, внутрихозяйственные, общего

пользования, промышленные, курортные и т.п.

По административному, народнохозяйственному и культурному значению

автомобильные дороги общего пользования делят на несколько групп.

Дороги общегосударственного значения соединяют столицы независимых

государств СНГ, а также важнейшие промышленные и культурные центры с

населением 500 тыс.чел. и более.

Дороги областного и краевого значения соединяют столицы автономных

областей, административные центры краев и областей с районными центрами и

пунктами с населением от 10 тыс. до 50 тыс.чел., короткие подъезды к дорогам

общегосударственного (республиканского) значения к объектам областного

значения.

Дороги местного значения связывают между собой районные центры,

населенные пункты с численностью более 10 тыс.чел., места расположения

сельских и поселковых Советов и центральные усадьбы колхозов и совхозов,

ферм.

Внутрихозяйственные дороги колхозов, совхозов, ферм соединяют

центральные усадьбы с их отделениями и бригадами, полевыми станами, а также

эти объекты с дорогами общей сети.

Промышленные дороги предназначены для обеспечения грузоперевозок

внутри промышленных предприятий.

По техническим характеристикам (расчетной интенсивности, скорости и

нагрузкам) автомобильные дороги общего пользования согласно Строительным

нормам и правилам (СНиП 2.05.02−85) делят на пять категорий, таблицы 2.1, 2.2.

Таблица 2.1 – Расчетные интенсивности движения

Расчетная интенсивность движения

Категория

дороги

Приведенная к легковому

автомобилю,

авт/сут

в транспортных

единицах, авт/сут

часовая,

авт/сут

Iа 14000 7000 2400

Iб 14000 7000 2400

II 6000 3000

1600−2400

III 2000 1000

800−1600

IV 200 100

−

V 200 100

−

Таблица 2.2 – Расчетные скорости движения

Расчетная скорость, км/ч

Категория основная на трудных участках

дороги пересеченной

местности

горной

местности

Ia 150 120 80

Iб 120 100 60

II 120 100 60

III 100 80 50

IV 80 60 40

V604030

К I и II категориям отнесены автомобильные дороги общегосударственного и

краевого значения. Дороги категории Iа – это магистральные дороги

общегосударственного значения, включая международные. Дороги Iб – прочие

дороги с высокой интенсивностью движения.

Под интенсивностью движения понимают количество транспортных единиц,

которое проходит через поперечное сечение дороги в единицу времени. Для

приведения интенсивности к легковому автомобилю число автомобилей каждого

типа умножают на коэффициенты приведения. Последние в зависимости от

габаритов транспортных средств изменяются от 0,5 до 6,0.

Дороги III категории – это дороги того же значения, что и дороги I, II

категорий, но имеющие меньшую интенсивность движения. Дороги IY категории

– республиканские, областные и местного значения.

Важнейшей расчетной характеристикой являются те нагрузки, которые

выдерживают элементы дорог и на которые их конструируют. Проектируют

дороги I, II, III категорий на автомобили с нагрузкой на одиночную ось 100 кН, а

при двух спаренных осях – 180 кН (автомобили группы А), а остальные дороги –

соответственно на 60 и 100 кН(автомобили группы Б).

При проектировании геометрических элементов дорог за расчетный

принимают легковой автомобиль класса "Волга". При оценке соответствия дорог

требованиям движения в качестве расчетных используют легковые автомобили

класса "Волга" и грузовой автомобиль типа ЗИЛ.

Мосты, путепроводы на автомобильных дорогах проектируют на большие

нагрузки.

При проектировании промышленных дорог транспортный поток

характеризуют грузонапряженностью – массой нетто перевозимых за год грузов.

Не менее важной технической характеристикой автомобильной дороги

является ее сложность. Мерой сложности может служить максимальная энтропия

дороги, которая оценивается по формуле

log ,

где

– максимальная энтропия;

n – число возможных состояний дороги.

По величине максимальной энтропии можно выделить следующие группы

дорог, таблица 2.3.

Таблица 2.3 – Группы сложности автомобильных дорог

Группа сложности Максимальная энтропия

дороги (шкала Бира)

Оценка сложности

дороги

I< 3простая

II 3 – 6 средней сложности

III 6 – 12 сложная

IV > 12 очень сложная

Для характеристики функционирования дороги используется относительная

организация процесса в форме Г. Ферстера

=−1,

где Н− текущая энтропия, определяемая по формуле

НРP

=−

∑

log ,

где Р

− вероятность пребывания дороги в одном из “n” состояний.

Относительная организация (избыточность) Г. Ферстера характеризует

организацию принятия дорогой “n” состояний.

Сложность дороги и уровень ее относительной организации на связаны

между собой линейно. Поэтому, учитывая их независимость и то, что они

характеризуют разные стороны дороги, величины Н

и R можно использовать для

классификации дорог. Для этого необходимо ввести дополнительную

классификацию автомобильных дорог по уровню их организации:

1. детерминированная дорога (0.3 < R

≤

1);

2. квазидетерминированная дорога (0.1 < R

≤

0.3);

3. вероятностная дорога (0 < R

≤

0.1).

Поскольку данная классификация относится к процессу функционирования

дороги, то она является естественной оценкой организации дорожного движения

на автомобильной дороге. Используя шкалы для Н

и R можно построить

классификационную диаграмму автомобильных дорог, рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Классификационная диаграмма автомобильных дорог:

11, 12, 13 – простые детерминированная, квазидетерминированная и

вероятностная; 21, 22, 23 – сложные детерминированная,

квазидетерминированная и вероятностная; 31, 32, 33 – очень сложная

детерминированная, квазидетерминированная и вероятностная автомобильные

дороги; 4 – метасистемы.

2.2 Проектирование сети дорог

Системное проектирование включает установление того целого, к кото-рому

должна непосредственно принадлежать задуманная сеть автомобиль-ных дорог.

Рассмотрим пример конкретной ситуации, определяемой условиями

коммуникаций с использованием сети автомобильных дорог. На рисунке 2.3

представлена графическая модель ранжированных областей действия

транспортных мегакомплексов.

Рис. 2.3 – Модель ранжированных областей при системном проектировании:

1 – сеть автомобильных дорог; 2 – транспортный мегакомплекс; 3 – народное

хозяйство страны.

Системное проектирование должно основываться на подборе особенностей

сети дорог с точки зрения совокупного транспортного мегакомплекса,

включающего различные виды транспорта: наземный, водный, воздушный и т.д.

Однако задача может быть расширена, поскольку транспортный мегакомплекс

является частью народного хозяйства. Поэтому возникает проблема, что считать

частью целого и что является целым при проектировании сети дорог?

Решение этой проблемы должно базироваться на следующем

методическом подходе:

1) прежде всего следует рассмотреть все то, что может быть существенным,

т.е. связь с проектируемой сетью дорог;

2) затем нужно определить часть, на которую будет направлено действие, т.е.

выделить границы сети дорог;

3) нужно установить связи, существующие между частью и целым.

Выделение части и целого возможно путем установления области значимого

взаимодействия.

Аналогичный методический поход должен использоваться и при