Теоретические основы управления состоянием и функционированием автомобильных дорог

Основой теории управления состоянием и функционированием дорог служит качественное и количественное описание сущности и закономерностей взаимодействия элементов и систем комплекса ВАДС. Методическую базу теории эксплуатации дорог и организации движения составляет системный подход, позволяющий определить функциональные взаимосвязи и характеристики отдельных элементов и подсистем и их роль в транспортном процессе и в воздействии на состояние дороги в процессе ее эксплуатации.

Подсистема водитель – автомобиль(ВА) характеризует эргономическую связь человека с автомобилем. Ее изучение позволяет установить оптимальные условия для водителя и пассажира в процессе движения автомобиля, а также в выборе режима этого движения. От условий, в которых работает водитель, зависит его работоспособность, а, следовательно, и эффективность работы автомобиля. В то же время от психофизиологического состояния водителя и его профессионального мастерства зависит не только режим движения, но и работоспособность автомобиля.

Подсистема автомобиль – дорога(АД) и ее обратная связь являются важнейшим звеном всего комплекса с позиции изучения влияния на состояние дороги в процессе эксплуатации и эффективности этого взаимодействия. Это исследование позволяет оценить напряженно-деформируемое состояние дорожной одежды, образование деформаций и разрушений и составляет основу теории эксплуатации дорог.

Анализ подсистемы АД позволяет, прежде всего, углубить наши знания о динамике взаимодействия автомобиля с неровной ездовой поверхностью и установить зависимость скорости движения от амплитудно-частотной характеристики автомобиля и статистических характеристик микропрофиля покрытий. Изучение этой зависимости позволяет оценить влияние ровности покрытий в различных природных условиях на скорость движения и обосновать допустимую ровность для дорог различных категорий.

Изучение подсистемы АД дает возможность совершенствовать одну из важнейших проблем эксплуатации дорог – изучение причин образования деформаций и разрушений одежд с учетом динамических нагрузок, частоты и времени их действия, усталостных явлений в слоях одежды и обосновать предельное состояние одежд и покрытий, при котором движение автомобилей с заданными скоростями и нагрузками становится невозможным или неэкономичным. Критерии предельного состояния позволяют установить причины разрушений одежд и покрытий и нормировать различные ремонты в разных условиях службы дорог.

Установление зависимостей от режима движения автомобилей, конструкции и прочности одежд, типа покрытий, климатических и гидрогеологических условий позволит обосновать надежные методы назначения видов ремонтных работ и их периодичность.

Анализ подсистемы АД является основой для совершенствования такой важной проблемы, как работоспособность и межремонтные сроки службы.

Нормирование этих сроков имеет народнохозяйственное значение. От периодичности ремонтов зависит эффективность распределения и использования капиталовложений, планирование и финансирование работ по содержанию, ремонту и реконструкций.

Теоретические методы расчета межремонтных сроков службы еще недостаточно достоверны.

Эффективным принципом изучения проблемы межремонтных сроков является моделирование службы дорожных одежд на специальных стендах. Следует решить вопрос о создании нескольких стендов в научных центрах страны.

Подсистемы дорога – водитель (ДВ) и среда – водитель (СВ) базируются на психофизиологических особенностях водителей и исследовании влияния дороги и окружающей среды на их состояние в процессе движения автомобилей.

Каждый элемент дороги и окружающей среды несет ту или иную информацию и вызывает у водителей эмоциональную реакцию Э_i, которая суммируется в общее эмоциональное напряжение Э_о. Водитель, анализируя ситуацию, избирает такой режим движения, который обеспечивает минимальное напряжение и максимальную безопасную скорость υ.

Поэтому изучение зависимости υ = f (Э_о) позволит решать различные задачи по рациональному обустройству дорог - расстановке дорожных знаков, уширению проезжей части, архитектурному оформлению и др.

Анализ этих подсистем открывает перспективу совершенствования одной из важнейших проблем эксплуатации дорог - безопасности движения. На основе исследования зависимости скорости от эмоционального напряжения можно установить максимальные безопасные скорости движения в различных дорожных ситуациях и погодных условиях и обосновать системы показателей оценки этих условий.

Подсистемы ВС, АС и ДС отображают воздействия человека, автомобиля и дороги на окружающую среду. Анализ этих подсистем имеет огромное значение для изучения таких важных проблем, как транспортный шум, загрязнение воздуха, охрана природы и др.

Подсистемы СД и СА являются тепломассообменными моделями системы.

Они базируются на анализе взаимодействия природных комплексов (прежде всего климата) с дорогой и автомобилем. Исследование подсистемы СА представляет интерес в первую очередь для автомобилистов. Для дорожников большое значение имеет исследование подсистемы СД, поскольку воздействие климата вызывает снижение ровности, прочности, эксплуатационных качеств, устойчивости дорог, безопасности движения. Исследования подсистемы СД позволяют решать различные практические задачи для региональных условий, возникающие при содержании, ремонте и реконструкции дорог: устанавливать возвышение бровки полотна, рассчитывать глубину промерзания и оттаивания, определять толщину гидро- и термоизоляционных, дренажных слоев и др.

Исследование вводно-теплового режима дорог для специфических региональных условий остается пока актуальной проблемой эксплуатации.

Изучение этого режима позволит решать актуальные для практики вопросы трещиноустойчивости, сдвигоустойчивости, пучиноустойчивости одежд.

Анализ подсистемы СД является основой для совершенствования такой важной проблемы, как снегозащита дорог. Опыт эксплуатации показал, что существующие придорожные лесонасаждения не всегда эффективно защищают дорогу от снега, а во многих местах, наоборот, способствуют снегоотложению на проезжей части дорог. Необходима разработка общей теории снегопереноса и снегоотложений и системы снегозащитных мероприятий.

Анализируя функционирование комплекса ВАДС с теоретико-операционных позиций, необходимо отметить его некоторые наиболее важные особенности.

Главная особенность - децентрализация взаимодействия систем ВАДС, так как комплекс охватывает многочисленные самостоятельно действующие элементы и факторы, решения и управляющие воздействия, принятые изолированно друг от друга.

Вторая особенность комплекса ВАДС - во многом случайный (стохастический) характер функционирования, поскольку все его системы подвержены воздействию неблагоприятных факторов климата. По стохастическим законам формируется и транспортный поток.

К основным управляемым элементам комплекса относят дорожные условия и транспортные потоки, а также их взаимодействие, поскольку параметры подсистемы ВА изменяются менее динамично и на определенном этапе могут быть приняты среднестатистическими.

Исходя из анализа взаимодействия систем комплекса ВАДС в качестве теоретической базы управления состоянием и функционированием дорог можно выделить следующие положения:

• несмотря на существенные изменения, происходящие в процессе функционирования как в отдельных элементах комплекса ВАДС, так и во взаимодействиях его систем, конечные результаты (производительность, пропускная и провозная способность дорог, себестоимость перевозки, удобство и безопасность движения) могут быть постоянным или колебаться в заданных пределах в любых природно-климатических условиях;

• взаимодействие систем комплекса ВАДС - управляемый процесс, причем управляемым является общее функционирование комплекса и взаимодействие его отдельных систем;

• эксплуатационные качества системы «дорожные условия» также управляемы и могут быть обеспечены в заданных пределах независимо от природно-климатических условий;

• транспортно-эксплуатационные характеристики дорог определяются на этапе проектирования и должны поддерживаться на заданном уровне в процессе эксплуатации.

В процессе функционирования имеются широкие возможности перевода комплекса ВАДС из одного состояния в другое, используя соответствующие управляющие воздействия на отдельные подсистемы (например, на параметры, характеристики и состояние дорог, на распределение транспортных потоков по сети дорог, на интенсивность и состав транспортного потока) или на несколько подсистем одновременно.