Обоснование стратегии стадийного повышения эксплуатационо -экологического уровня лесовозных автомобильных дорог

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ОБОСНОВАНИЕ СТРАТЕГИИ СТАДИЙНОГО ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ

лесовозных автомобильных дорог

В.К. КУРЬЯНОВ, проф. каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА, д-р техн. наук,

A. В. СКРЫПНИКОВ, доц. каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА, канд. техн. наук,

B. А. ДОППЕРТ, ассистент каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА

Стадийное повышение эксплуатационноэкологического уровня лесовозных автомобильных дорог (ЭЭУ ЛАД) предусматривает мероприятия, связанные с усилением дорожных одежд в порядке проведения капитального ремонта и реконструкции дорожных одежд, уширения проезжей части, обочин в процессе реконструкции отдельных участков лесовозных автомобильных дорог.

Основными причинами снижения прочности дорожной одежды являются воздействие климатических и гидрологических условий, а также многократно повторяющиеся нагрузки от движения транспорта. Требуемую прочность определяют при расчете толщины слоев усиления (при разработке проектов на ремонт и реконструкцию автомобильных дорог), в процессе эксплуатации автомобильных дорог (в том числе при диагностике, паспортизации и инвентаризации дорог, временном ограничении дорожного движения при пропуске транспортных средств, перевозящих тяжеловесные грузы).

Снижение прочности дорожной одежды из-за многократно повторяющейся нагрузки от движения транспорта происходит, в основном, вследствие резкого увеличения количества транспортных средств и массы перевозимых грузов, что зачастую бывает не предусмотрено при проектировании автодороги. Наиболее целесообразно в этих случаях сделать утолщение существующих дорожных одежд в целях повышения несущей способности и в соответствии с возрастающей нагрузкой, основываясь на эквивалентных модулях упругости, полученных при испытаниях пробными нагрузками, или теоретических расчетах [5]. Более выгодно устраивать слои усиления из щебеночных материалов, обработанных органическими вяжущими, а верхние слои покрытий - из битумно-минеральных смесей или

асфальтобетона. Это дает возможность осуществлять усиление стадийно, по мере роста интенсивности движения, путем наращивания новых слоев толщиной 4-5 см.

Модель оптимизации стадийного повышения эксплуатационно-экологического состояния лесовозных автомобильных дорог включает постановку задачи, критерий ограничения и основные количественные зависимости. Если рассматривать ЛАД как управляемую систему, то для обоснования сроков стадийного повышения ЭЭУ ЛАД можно сформулировать следующую задачу. На отрезке времени (0, Т) определить такую последовательность эксплуатационно-экологического состояния (ЭЭС) системы, которая обращала бы в минимум принятый критерий в виде общепринятой целевой функции суммарных приведенных затрат. Методика в общем виде сводится к многошаговым экономическим расчетам. При оценке ЭЭС учитываются ограничения по пропускной способности (ширина проезжей части, число полос движения) и по провозной способности (тип покрытия и требуемый модуль упругости дорожных одежд). Основные количественные зависимости приведены в данном разделе.

ЭЭС дороги оценивается параметрами, характеризующимися для ширины проезжей части дороги b = 3,5; 4,5; 6,5; 7,5; 8,5 м.

Для дорожных одежд устанавливаются ограниченные значения требуемого модуля упругости в пределах: 60-100 МПа для переходных (с интервалом через 10 МПа); 80-200 МПа для усовершенствованных (с интервалом через 20 МПа) типов покрытий [1].

Методика обоснования стадийного развития для каждого экономического перегона зависит от стадии задач проектирования и наличия исходных данных по оценке существующего эксплуатационно-экологического состояния дороги.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2009

91

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Таблица 1

Зависимость изменения во времени интенсивности движения

Вид зависимости изменения во времени интенсивности движения Формулы оптимального срока перехода

II + о- t, = 1/Ь

ft) = 1 + bt + ct2 -b + .= V 2 E K b - 4c(— 1) АЭ0

2с

и tp =

При ограниченном количестве возможных вариантов для отдельного экономического перегона дороги применяют аналитические или графоаналитические методы с использованием сетки «состояние-время».

Очередность реализации мероприятий по капитальному ремонту или реконструкции отдельных экономических перегонов или участков сети ЛАД производится с учетом планируемых ресурсов на основании полученных в результате расчетов значений коэффициентов экономической эффективности для соответствующего перегона и каждой стадии.

В большинстве случаев возникает проблема многовариантности ЭЭС, преодоление которой возможно при последовательном анализе вариантов. В этом случае просматриваются все возможные варианты, но не все сочетания их исследуются до конца. Производится последовательный отсев вариантов по мере того, как устанавливается, что они не могут быть оптимальными. Такой метод основан на принципах динамического программирования и может быть реализован графоаналитическим методом с использованием сетки «состояние-время» или с помощью алгоритма и программы расчета на ЭВМ. Метод базируется на условии

= [рд - [РД! С1)

где Ен - нормативный коэффициент эффективности, Е = 0,12;

н

K ) - капитальные затраты на переход из i в j состояние;

(ЭД, РД. - эксплуатационные затраты в год t для состояния i и j.

На основе формулы (1) разработан способ определения оптимального срока перехода из одного ЭЭС в другое [3]

ft,) = E£J&„

где АЭ0 - ежегодная экономия на текущих эксплуатационных расходах, отнесенная к исходному году.

ЗначениеДД соответствует функции, характеризующей изменение во времени интенсивности движения, и представлено в табл. 1

Процесс поиска оптимального развития ЛАД состоит из нескольких этапов.

На первом этапе выбирается последовательность ЭЭС ЛАД, которая изображена (рис. 1) трехмерной сеткой «состояние-время». Сетку можно образно представить в виде книги, в которой страница изображает типы покрытия (низшие - Н, переходные - П, усовершенствованные облегченные - УО, усовершенствованные капитальные - УК); строка на странице - одна конструкция дорожной одежды с модулем упругости Еу; набор страниц - количество типов покрытий при одной ширине проезжей части. При каждой ширине может быть несколько типов покрытий, а каждому типу соответствуют конструкции одежды, различные по прочности [2]. Набор величин ширины проезжей части составляет пространство состояний.

Задача состоит в том, чтобы в этом пространстве при заданном росте интенсивности движения найти оптимальную стратегию развития дороги, соответствующую минимуму функционала

с=к+2

t2 я, + Э.

Т1 1 ^1

+

K

...+

Р

K

Э + Э

2 (1+Е f

T ЭТ + Э

+ 2 Т „g ^min,

(1+Е) " t„=i (1+Е у

2

где K1 - капитальные затраты на строительство ЛАД, соответствующие первому ЭЭС;

K2... Kn - капитальные затраты, связанные с переходом из первого ЭЭС во второе, из второго в третье и так далее до n-го ЭЭС;

Д t2, ... tn - год перехода из предыдущего ЭЭС в последующее;

ЭT1, Эgl, Этт Эg2, ...Этn, Эgn, - трансп°ртные

и дорожные затраты, соответствующие определенному ЭЭС;

Е - коэффициент приведения разновременных затрат (Е = 0,08-0,12).

92

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Затем определяется матрица стоимостей переходов (CPj при 1 < i < jmax -1.

На втором этапе производится имитация эксплуатации каждого состояния во времени с анализом возможности его эксплуатации при заданных эксплуатационноэкологических ограничениях и параметрах лесотранспортного потока и определением экономически рационального года окончания его эксплуатации с переходом в более совершенное состояние. Имитация производится вычислением суммарных затрат и выбором стратегии, которая дает их минимум (рис. 2, 3). Для этого последовательность состояний изображается в виде сетки «состояние-время», где по горизонтальной оси откладываются годы, по вертикальной - номера состояний, а стрелками обозначаются оптимальные годы переходов для пары состояний i и j.

На рис. 2 видно, что в состоянии j возможны оптимальные переходы из пяти предыдущих состояний, дающие пять схем эксплуатации состоянияj. Каждая схема обуславливает минимум затрат для пары состояний, но только одна схема перехода обуславливает минимум для состояния j. Эта схема и соответствующие ей характеристики ЭЭУ ЛАД принимаются в дальнейших расчетах при обосновании перехода из состояния i в последующие [3, 4].

Рассмотрим состояние 2 (рис. 3). Переход в него возможен только из состояния 1. Обозначив год входа в состояние i как Т

год перехода из i в j как GP(ij), получим GP = T +t

(ij) вх(0 lpiijJ

вх(чУ

где t - период эксплуатации состояния i до перехода из него в состояние j. Допустим tp(1,2) = 3 года, тогда GP(1,2) = 0 + 3 = 3. Этот год обозначен стрелкой, выходящей из состояния 1 в 3-й год и входящей в состояние 2. Ввиду того, что других состояний, из которых можно перейти в состояние 2, нет, то T = GP = 3, а оптимальным состоянием i является переход, в результате которого сумма затрат является минимальной - i = 1.

Рассмотрим состояние 3. Переход в него возможен из состояния 1 и состояния 2. Допустим tp(1,3)=6 лет, а ^(2,3=7 лет. Тогда

GP(2,3) = Твх(1) + tp(1,3) = 0 + 6 = 6,

GP(2,3) = Твх(2) + tp(2,3) = 3 + 7 = 10.

Рис. 1. Трехмерная сетка «состояние-время»

Рис. 2. Последовательность состояний. Пояснение выбора оптимального перехода в состояние i, j

Пусть суммы затрат за 10 лет для схем эксплуатации (1,3)6 и (2,3)10 различны и СГ6 <С1(02,3)б. Тогда схема перехода (1,3)6 оптимальна и принимается к дальнейшим расчетам.

Рассмотрим состояние 4. В него возможен переход из состояния 1, состояния 2 и состояния 3. Соответственно t,, =13 лет;

р(1,4) ’

tp(2,4)=13 лет; ^(3,4)=12 лет. Тогда

GP(1,4) = Твх(1) + tp(1,4) = 0 + 13 = 13;

GP(2,4) = Твх(2) + tp(2,4) = 3 + 13 = 16;

GP(3,4) = Твх(3) + tp(3,4) = 6 + 13 = 18.

Сумма затрат вычисляется по формуле

С ^j )GP(i ,j) = с + CP + У Э

Т ^GP,; 1 (i, j V Zj "J(

G

GP

где СТ - сумма затрат за период (0,Т) для схе-

мы эксплуатации (i, j)GP

С

GP(.j) - минимальная сумма затрат по эксплуатации состояния i за период

(0,GP(i,j)).

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

93