Состояние методов расчета регулируемых пересечений

А.Г.Левашев, А.Ю.Михайлов

Состояние методов расчета регулируемых пересечений

Проектирование регулируемых перекрестков, оценка эффективности организации дорожного движения (ОДД) на них становится одной самых важных задач развития методического обеспечения ОДД, Это обусловлено увеличением автомобильного парка, возрастающей загрузкой улично-дорожных сетей, что требует все большего оснащения городов техническими средствами регулирования. Наблюдающийся процесс автомобилизации неизбежно приведет к увеличению количества регулируемых перекрестков и переходов в российских городах. Так, в некоторых городах США в настоящее время насыщение средствами регулирования дорожного движения достигло уровня один регулируемый объект на 1000 жителей. Поэтому проектирование регулируемых объектов, оценка пропускной способности регулируемых перекрестков: оценка задержек будут одним из самых распространенных расчетов ОДД в городах.

В данной статье авторы ставили своей задачей изложить вопросы, которые должны быть решены при разработке новых методических и нормативных документов по проектированию организации движения на регулируемых перекрестках.

Состояние методов расчета режимов регулирования в Российской Федерации на современном этапе

К сожалению, имеющиеся на данный момент в нашей стране руководства по проектированию регулируемых пересечений, во многом были составлены на основе работ 50-70-х годов и долгое время не обновлялись. В течение последних 30 лет зарубежными специалистами было проведено множество исследований, направленных на уточнение целого ряда параметров потоков транспортных средств на регулируемых пересечениях, используемых в расчетах режимов регулирования, пропускной способности и задержек. В руководствах нашей страны справочные данные, связанные с некоторыми важными параметрами транспортных потоков на регулируемых пересечениях, устарели. К параметрам и процедурам расчета, которые требуют уточнения, относятся: определение потерянного в фазе времени; поток насыщения при разных условиях движения; коэффициенты приведения к легковому автомобилю.

Очевидно, что в последние годы в нашей стране не уделяется должного внимания разработке методического обеспечения в области проектирования регулируемых пересечений, оценки качества организации движения на них.

В качестве примера, подтверждающего такие выводы, можно привести г. Иркутск, в котором часто применяется организация движения на пересечениях по принципу регулирования по направлениям с сочетанием конфликтных направлений в одной фазе. При этом в соответствующей технической литературе просто отсутствуют методики учета таких сложных фазовых схем пропуска потоков. При этих схемах организации движения пешеходы часто не имеют возможности перехода без конфликта с транспортным потоком, Более того, использование правоповоротного движения "под стрелку" сопряжено с дополнительными задержками пешеходов. Часто движение "под стрелку" не дает и эффекта по сокращению задержек транспортных средств, так как приводит к неоправданно длинному "зеленому" времени в главном направлении и как следствие неоправданно большой длительности цикла регулирования.

Интересно отметить, что в современной зарубежной литературе [13-16,21], в методиках расчета величины потока насыщения вообще не учитывается ситуация правоповоротного движения "под стрелку". Считается, что рациональнее пропускать правый поток по отдельно выделенной полосе или без конфликта с пешеходами (т.е. в разных с пешеходами фазах). В нашей же стране при создании нового руководства по проектированию регулируемых пересечений следовало бы разработать процедуру, учитывающую влияние конфликта на величину потока насыщения правоповоротного движения "под стрелку". Кроме того, использование движения "под стрелку" связано с необходимостью организации поэтапного перехода пешеходами улицы в течение двух следующих друг за другом фаз регулирования, что, в свою очередь, требует дополнительных затрат на расширение проезжей части, организацию специальных пешеходных островков безопасности и установку дополнительных секций светофоров.

Создание эффективной методики проектирования регулируемых пересечений во многом, по мнению авторов статьи, сводится к уточнению основных параметров транспортного потока на пресечениях данного типа, к разработке методик их натурных измерений, а также созданию развитых систем их определения в условиях отсутствия возможности проведения полевых обследований. Ниже будут рассмотрены основные параметры транспортного потока, уточнение которых, по мнению авторов, крайне необходимо.

Параметры транспортного потока на регулируемом перекрестке

В первую очередь необходимо перечислить основные параметры, характеризующие работоспособность регулируемого пересечения. Прежде всего это пропускная способность перекрестка, а в частности пропускная способность для группы движения, которая определяется как

с. - Б, С

где с,- - пропускная способность для группы движения (прив.ед/ч); $/ - поток насыщения для группы движения (прив.ед/ч); д/С- отношение эффективного зеленого времени группы движения / к длине цикла регулирования.

Другим показателем, необходимым при балансировке распределения зеленого времени, а также при оценке пропускной способности регулируемого пересечения является отношение интенсивности движения группы к ее пропускной способности:

=

где X, —(у/с)) - отношение интенсивности движения группы к ее пропускной способности; у,- - действительная или проектируемая интенсивность движении группы (прив.ед/ч).

Еще один показатель, который используется в зарубежной теории транспортного потока на регулируемом перекрестке - это критическое отношение интенсивности движения к пропускной способности, Хс. Данный параметр используется при оценке работоспособности перекрестка в целом и основывается только на тех группах движения в фазе, которые имеют максимальные у/с отношения:

ш.

где Хс - критическое у/с отношение для перекрестка; ^ — - сумма у/с отношений для всех критических групп

движения; I - общая длительность потерянного времени за цикл регулирования, рассчитываемая как сумма потерянного времени Л для критических групп движения.

Таким образом, очевидно, что важную роль при оценке пропускной способности регулируемого перекрестка играет величина потока насыщения з. Ниже данный параметр транспортного потока будет рассмотрен подробнее.

Поток насыщения и потерянное время в фазе

Анализируя современные зарубежные руководства [13-16,21] и руководства, принятые в нашей стране [2,3] в области проектирования регулируемых пересечений, можно сделать вывод, что наши руководства не дают полноценно информации, связанной с приведением идеальной величины потока насыщения к реальным условиям для ряда ситуаций, которые, тем не менее, часто встречаются на существующих пересечениях рассматриваемого типа. Впрочем, и имеющиеся данные зачастую не соответствуют современной теории транспортного потока на регулируемом перекрестке.

Например, в американском руководстве по пропускной способности дорог (НСМ2000) с каждым новым его изданием формула приведения величины идеального потока насыщения модернизировалась и на данный момент имеет следующий вид [15]:

$ - 50' N' Зш ' 1ну ' /в' /р ' /вв ' /л ' /ш ' /ят ' /ьт ' /ьрь' /ярь где 50 - интенсивность потока насыщения в наиболее распространенных, преобладающих условиях, принятая равной 1900 прив.авт./ч; N - количество полос движения; поправочные коэффициенты, учитывающие: ^ - ширину полосы движения; ^ - грузовые автомобили; {в - продольные уклоны; {Р - паркирование; ^з - помехи, создаваемые автобусами; /д - тип территории; - правые повороты; - левые повороты; {Крь, /до - влияние велосипедистов и пешеходов соответственно на право и лево поворотное движение; - равномерность использования полос движения.

Определение некоторых коэффициентов в этой формуле для случая движения конфликтных направлений в одной фазе требует привлечения отдельных процедур, включающих ряд дополнительных параметров, существенно влияющих на конечную программу сигнализации. Отсутствие в наших руководствах методик определения таких параметров отнюдь не мешает разрешению конфликтных движений в одной фазе при проектировании плана сигнализации на регулируемых пересечениях в нашей стране.

Интересно отметить, что величина идеального потока насыщения в НСМ1985 и НСМ2000 соответственно равна 1800 и 1900 прив.авт/ч.

При составлении методики проектирования и. оценке пропускной способности регулируемых пересечений, по мнению авторов, необходимо учесть опыт исследователей разных стран. Например, упомянутое выше руководство НСМ 2000 предлагает рассматривать интенсивности движения в реальных единицах, а не в эквиваленте легковых автомобилей, что, по нашему мнению, является менее удобным для восприятия инженера, проектирующего перекресток, а также для дальнейшего анализа пропускной способности УДС, состоящей из различных ее элементов (Multimodal Analysis).

Еще одним важным параметром, которому, на наш взгляд, уделяется недостаточно внимания, является потерянное время в фазе. Часто потери времени в начале фазы понимаются как стартовая задержка. Так, на рис. 1 потерянное время представлено как

Ни 11 / 2 j

где ¡i _ стартовое потерянное время, связанное с реакцией водителя и разгоном транспортных средств; \2. потерянное время, связанное с неэффективным использованием транспортными средствами желтого времени.

Поток насыщения

S a

Улица А

Л

Улица А

Потерянное время

Эффективная длительность отерянное время

зеленого сигнала С /

I Желтый У/////Л

а ь— Время

Полностью красный

G

.Промежуточный "(интервал г*

Ж,,,й У///////////////////////^^

Улика В

О - Действительная длительность зеленого сигнала Рис. 1. Поток насыщения и потерянное время в фазе

Позиция автомобиля в очереди Рис. 2. Распределение величины временного интервала между транспортными средствами в очереди после включения зеленого сигнала

Основное внимание необходимо уделить компоненте 1}, На рис, 2 представлены графики распределения временных интервалов между транспортными средствами после включения зеленого сигнала для различных условий движения (доля грузопотока, уровень загрузки, тип полосы движения). При этом выравнивание кривых отмечается в области 5-7-го автомобиля, что соответствует 10-16-й секунде действительного зеленого времени. Рядом авторов разных стран [14-16] предлагается использовать величину общего потерянного времени равную 4 с. Однако, на наш взгляд, такой подход является не точным в случаях, когда длительность зеленого сигнала 12 с и менее.

Интересно отметить используемое в канадском руководстве по пропускной способности регулируемых перекрестков (ССв1995) представление величины потока насыщения (рис. 3) в виде обобщающей кумулятивной кривой [21].

0 <а

1 й К

а

и «

к

X о

В 3 о а

к *

о н о С

2500-

поток насыщения для 5-секундного простое среднее инхерВала зеленого времени

А г—I—I——-I—

1500-

7

-Т

ере

500 0

/

/

;реднии поток насыщения к конкретному моменту зеленого времени

0 5

10

15 20 25 30 35 40

Время после включения зеленого сигнала

Рис. 3. Представление потока насыщения в виде кумулятивной кривой

' - 6 7 8 Г

Позиция автомобиля в очереди

Рис. 4. Влияние полосы движения на распределение временных интервалов между транспортными средствами после включения зеленого сигнала

По графику, приведенному на рис. 3, можно определять величину потока насыщения для любой длительности зеленого сигнала, Таким образом, достаточно, используя специальную методику, получить на основе экспериментальных исследований ряд кумулятивных кривых распределения потока насыщения, а затем не только использовать эти кривые при проектировании цикла регулирования, имеющего короткие фазы, но и прогнозировать с их помощью величину потока насыщения на определенных полосах движения, имея в качестве экспериментальных данных результаты обследований коротких фаз.

Можно отметить и еще один фактор, влияющий на величину потока насыщения, который не рассматривается в специальной литературе не только отечественных, но и зарубежных авторов, играя, при этом, по мнению авторов, не последнюю роль при определении величины потока насыщения. На рис. 4 представлены графики распределения временных интервалов между транспортными средствами для двух противоположных подходов к перекрестку, имеющих по две полосы прямого направления (л1, л2 и п1, п2 - соответственно левые и правые полосы 1-го и 2-го подходов). Графики были получены А.Левашевым по результатам экспериментальных обследований, проведенных в Германии (г. Бохум, 2003) и России (г. Иркутск, 2003). Из рисунка видно, что в среднем величина временного интервала для левой полосы движения меньше на 0,1 с, чем для правой полосы, что, очевидно, влияет на величину потока насыщения:

с _ 3600

где S - поток насыщения (авт/ч); h - временной интервал между транспортными средствами, с.

Кроме методики приведения величины идеального потока насыщения к реальным условиям в наших руководствах по проектированию регулируемых пересечений отсутствует четкая методика определения величины потока насыщения на местности. При создании такой методики требуется, по мнению авторов, четко определить следующие моменты:

Выбрать объект экспериментальных обследований. Например, в канадском руководстве Canadian Capacity Guide for Signiiized Intersection (1995) в качестве экспериментального объекта принимается количество транспортных средств, пересекших стоп-линию за определенный промежуток зеленого времени, а в американском руководстве НСМ 2000 - временные интервалы между транспортными средствами.

Определить временные границы в фазе регулирования, в которых будет достигаться поток насыщения. От этого зависит величина потока насыщения, а также величина потерянного времени в фазе. В НСМ 2000 эти границы определены моментами прохождения стоп-линии 4-ым и последним в очереди транспортными средствами; Akcelik предлагает вести измерение с 10-й секунды после включения зеленого сигнала.

Например, согласно определению, приведенному в германском руководстве НВЭ 2001, поток насыщения необходимо рассчитывать как отношение числа транспортных средств, въехавших на перекресток в течение зеленого и желтого сигналов, к длительности разрешающего (зеленого) сигнала. С другой стороны, согласно Вебстеру при определении потока насыщения используется понятие эффективного зеленого времени, а в числителе - то же количество транспортных средств, успевших проехать перекресток в период горения зеленого и желтого сигналов. При этом в работе Вебстера было определено, что в среднем эффективная длительность зеленого сигнала примерно на 1 секунду больше действительной длительности зеленого сигнала. В связи с этим, средние расчетные значения для идеальных условий в американском (НСМ 2000) и немецком (ИВБ 2001) руководствах соответственно равны 1900 и 2000 прив.ед./ч.

Необходимо выбрать относительную точку на транспортном средстве, которая будет определять прохождение транспортного средства через стоп-линию (например, передняя часть, передняя ось или задняя ось транспортного средства). От этого выбора также будет зависеть исходная величина потока насыщения.

Приведение к легковому автомобилю

К перечисленным выше недостаткам наших руководств по проектированию регулируемых перекрестков и оценке качества организации движения на них следует добавить еще один - используемые коэффициенты приведения к легковому автомобилю, что, по мнению авторов статьи, является наиболее актуальным на данный момент.

В нашей стране коэффициенты приведения к легковому автомобилю принимаются в соответствии с действующим нормативным документом СНиП 2.05.02 - 85 "Автомобильные дороги". Этот нормативный документ не рассматривает дифференцированно различные условия движения (перегоны дорог и улиц, различные типы пересечений и т.д.) и предполагает постоянные коэффициенты для разных элементов дорожных сетей и улично-дорожных сетей городов. В основе этих коэффициентов приведения - соотношение динамических габаритов транспортных средств при движении на перегонах [4]. Исключением являются кольцевые пересечения, для расчетов которых применяются коэффициенты приведения, основанные на соотношении минимальных интервалов между автомобилями различных типов при движении непосредственно на пересечениях этого типа [9]. Вместе с тем специалисты признают необходимость использования в расчетах режимов регулирования, задержек и т.д. специальных коэффициентов приведения к легковым автомобилям [1,11, 20,23].

Таким образом, при расчете величины потока насыщения с использованием коэффициентов приведения из нормативных документов изначально в результат расчета закладывается грубая погрешность, которая в любом случае приведет к режиму регулирования, не соответствующему действительности.

Многие авторы для определения коэффициентов приведения к легковому автомобилю используют линейную регрессию. Зоб'ш 1 [20] определял интенсивность движения в приведенных легковых автомобилях по отношению суммарной задержки транспортного потока Э к средней расчетной задержке потока, состоящего только из легковых автомобилей,

т=дк.

Отношение Щ рассматривалось как линейная функция

/да = + к2Х2 +...+к.Х{,

где к-, - число транспортных средств типа \ в потоке; X,- - коэффициент приведения транспортных средств типа / к легковому автомобилю (таблица).

Коэффициенты приведения типов транспортных средств к легковому автомобилю

Тип транспортного средства Коэффициенты приведения к легковому автомобилю по данным разных авторов

Вебстер ВгагсЬп 0. Бояп и. Врубель Ю.А СНиП 2.05.02-85

Мотоциклы 0.33 0.15 0.6 0.7 0.5

Грузовые автомобили: средние тяжелые 1.75 1.75 1.35 1.68 1.6 1.4 2 2.5

Автопоезда — — 2.8 2.3 3.5-4

Автобусы 2.25 1.65 1.7 2.0 3

Троллейбусы — — — 2.0 _

Сочлененные автобусы или троллейбусы — — 2.8 2.6 —

ЮАВрубель определил коэффициенты приведения другим способом, назвав их коэффициентами приведения к легковому автомобилю по потоку насыщения [1]. Рассматривалось отношение величины установившихся интервалов

убытия конкретного вида транспортных средств Тщ к величине установившегося интервала убытия потока легковых ав-тогуюбилей ТНл (Тнл считался равным 2 с):

= /Тнл •

Для сопоставления коэффициенты приведения к легковому автомобилю, полученные разными авторами, сведены в таблицу. Особо следует подчеркнуть отличие результатов всех исследований от приводимых в СНиП значений. Это еще раз подтверждает необходимость применения специальных коэффициентов,

Выводы и предложения

Таким образом, анализируя уровень развития в области проектирования и оценки пропускной способности регулируемых пересечений на данном этапе, можно сделать следующие выводы:

Ряд параметров транспортного потока на регулируемом перекрестке (таких, как поток насыщения, коэффициенты приведения к легковому автомобилю, величина идеального потока насыщения, коэффициенты приведения идеального потока насыщения к реальным условиям) требуют проведения исследований, направленных на их разработку или уточнение.

Существует необходимость создания эффективной методики проектирования и оценки пропускной способности регулируемых пересечений, которая включала бы ряд дополнительных процедур по измерению некоторых параметров транспортного потока на местности и обеспечивала эффективные средства, учитывающие сложные ситуации, которые возникают при использовании регулирования "по направлениям", а также при наличии конфликтных направлений движения в одной фазе.

Библиографический список

1. Врубель Ю.А, О потоке насыщения. Белорус, политех, ин-т, Минск, 1988. - 7 с. - Рук. деп. в ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, № 663 - ат 89.

2. Кременец Ю.А, Технические средства регулирования дорожного движения. - М.: Транспорт, 1981. - 252 с,

3. Кременец Ю.А, Технические средства организации дорожного движения, - М.: Транспорт, 1990, - 255 с.

4. Методические указания по проектированию кольцевых пересечений на автомобильных дорог / Минавтодор РСФСР, - М.: Транспорт, 1980. - 76 с.

5. Никурадзе H.UJ. К вопросу о потоках насыщения, - Труды МАДИ, 1979. Вып. 168. - С, 121-123.

6. Никурадзе Н.Ш, Исследования режимов светофорного регулирования на сложных пересечениях в одном уровне, Автореф. дис. ... канд.техн.наук. - М., 1981. - 17 с.

7. Руководство по проектированию городских улиц и дорог, - М.: Стройиздат, 1980. - С,

8. Руководство по регулированию дорожного движения в городах, - М.: Стройиздат, 1974. - 97 с.

9. Сильянов В.В, Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации дорожного движения, - М.¡Транспорт, 1977. -303 с.

10. Akcelik R, Traffic Signals: Capacity and Timing Analisys. - Australian Road Research Board, Victoria, Australia, 1981,

11. Branston D, Some factors affecting the capasity of signalised intersection. - Traffic Eng. and Contr., 1979, v20, N8-9, p. 390 - 396,

12. Branston D., Van Zulien H.J. The estimation of saturation flow, effective green time and passenger car equivalents at traffic signals by multiple liner regression, Transp. Res,, 1987, v 12, p, 47 - 53,

13. Handbuch fuer die Bemessung von Strassenverkehrsanlagen (HBS 2001). - Forshungsgesellschaft fuer Strassen und Verkehrswesen, Koeln, Januar 2002.

14. Highway Capacity Manual, - Special Report 209, Transportation Research Board, Washington, DC, 1985,

15. Highway Capacity Manual, - Transportation Research Board, Washington, DC, 2000. - 1034 p,

16. McSchane, W, and Roess R.Traffic engineering - Polytechnic University, 1990,

17. Shanteau R.M. Using cumulative curves to measure saturation flow and lost time, ITE Jornai, 1988, vl5, N10, p, 27 - 31.

18. Stokes R.W. Comparison of saturation flow rates at signalised intersections, - ITE Jornai, 1988, vl5, N11, p, 15 - 20,

19. Stokes R.W„ Stover V,G„ Messer C.J, Use and effectiveness of simple ligner regression to estimate saturation flow at signalized intersections, - Transp. Res, Rec„ 1986, N1091, p, 95 - 101,

20. Sosin J,A„ Delays at intersections controlled by fiksedcycle traffic signals, - Traffic Eng. and Contr., 1980, v21, N5,p. 264 - 265,

21. Teply S, Canadian Capacity Guide for Signalized Intersections. - Committee Canadian Capacity Guide for Signalized Intersections, Second Edition, 1995, - 115 p.

22. Teply S, Saturation Flow at Signalized Intersections Through Magnifying Glass - Toronto University Press 1983, pp, 145-162,

23. Webster F.V., Cobbe B.M. Traffic Signals - Road Research Technical Paper N56, HMSQ, London, 1966 - 111 p,

24. Wodrop J. Some theoretical aspects of road traffic research, - Proc, Inst. Civ. Eng. Part II, 1952, 1(2), p, 325 - 365.