Оценка проектных решений автомобильных дорог на основе математического моделирования

В программном комплексе «Credo» для определения показателей, используемых для оценки проектных решений, применен метод математического моделирования, основанный на имитации движения транспортного потока по запроектированной дороге. В результате моделирования могут быть получены следующие показатели: средняя скорость и время движения транспортного потока; скорости движения одиночных автомобилей; себестоимость перевозок и ее составляющие; изменение по длине дороги расстояний видимости поверхности дороги и встречного автомобиля; коэффициенты аварийности и безопасности; выброс вредных веществ двигателями автомобилей; изменение уровней транспортного шума на придорожных территориях; концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе.

При моделировании рассматривают взаимодействия в системе «Водитель - Автомобиль - Дорога - Окружающая среда». В этой системе выделяют при решении различных задач отдельные подсистемы: «Водитель - Автомобиль - Дорога»; «Дорога - Транспортный поток»; «Окружающая среда - Транспортный поток». В подсистемах имитируют процессы, происходящие на дороге, с помощью математических моделей, в которых входными параметрами являются дорожные условия, а выходными - скорости и продолжительность движения, показатели безопасности движения, затраты на перевозки, показатели неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Математические модели подсистем взаимосвязаны. Одни из них, построенные на микроуровне, описывают процессы взаимодействия конкретного автомобиля в составе транспортного потока в определенных дорожных условиях. К ним можно отнести: модель движения одиночного автомобиля; модель расхода топлива автомобилем; модель выброса вредных веществ двигателем автомобиля. Другие модели построены на макроуровне и рассматривают взаимодействия множества автомобилей (водителей) в транспортном потоке. В их число входят: модель вероятностных характеристик скоростей в транспортном потоке; модель распределения интервалов между автомобилями в транспортном потоке; модель распространения вредных веществ в воздухе придорожного пространства и т. п. Используемые модели разработаны на основе как теоретических, так и эмпирических исследований.

В подсистеме «Водитель - Автомобиль - Дорога» можно моделировать влияние дорожных условий на выбор водителем режима движения автомобиля путем детального учета дорожных факторов в дифференциальном уравнении движения автомобиля.

Подсистемы «Водитель - Автомобиль - Дорога» и «Дорога - Транспортный поток» объединены на одном информационном уровне. Результаты моделирования в подсистеме «Водитель - Автомобиль - Дорога» служат исходной информацией для прогнозирования вероятностных характеристик типовых автомобилей в подсистеме «Дорога - Транспортный поток», математическая модель которой позволяет оценить вероятности основных ситуаций взаимодействия автомобилей в транспортном потоке при изменении по длине дороги элементов плана, продольного профиля дороги, а также других параметров дорожных условий.

Исходными данными для оценки проектных решений в программном комплексе «Credo» являются:

результаты проектирования плана трассы, продольного и поперечных профилей дороги, используемые автоматически, без дополнительной обработки и повторного ввода;

данные об интенсивности движения, составе транспортного потока, коэффициентах использования пробега и грузоподъемности;

марка автомобиля, используемого для расчета максимальной скорости движения одиночного автомобиля;

данные о боковых препятствиях, ограничивающих видимость на кривых в плане (придорожные насаждения, здания, ограды и т.д.), для которых указывают их пикетажное положение и расстояние от оси внутренней полосы движения. Данные по расположенным в пределах кривых в плане выемках не требуют ввода, так как они учитываются автоматически при совместном анализе плана, продольного и поперечных профилей дороги;

информация об обстановке дороги: пересечениях, населенных пунктах, мостах, путепроводах и т.д. Для них наряду с данными о местоположении необходима дополнительная информация. Например, для мостов и путепроводов - габарит, для пересечений - его тип, интенсивность движения по пересекаемой дороге и расстояние видимости;

для участков дорог, проходящих через города, в состав исходных данных входят: способ организации движения, допустимая скорость, освещенность проезжей части и тротуаров, наличие трамвайных путей и особенности их размещения; местоположение тротуаров, размещение автобусных остановок и пешеходных переходов, интенсивность движения пешеходов, местоположение пересечений и примыканий, их тип, расстояние видимости, интенсивности движения автомобилей и пешеходов на пересекаемой дороге;

данные для прогнозирования интенсивности движения: закономерности и темпы ее роста, исходный и расчетный годы;

данные о состоянии проезжей части и обочин: тип покрытия, его ровность (показания толчкомера) и состояние (сухое, мокрое, заснеженное, гололед); тип укрепления обочин.

При моделировании с использованием указанных выше данных последовательно решают следующие задачи:

формируют расчетный транспортный поток с созданием рабочего файла технико-экономических показателей автомобилей, входящих в его состав;

выполняют анализ соответствия проектного решения требованиям нормативной документации;

выполняют расчет изменения по длине дороги расстояний видимости поверхности дороги и встречного автомобиля с определением в случае ограничения видимости размеров срезки откосов выемок или удаления других боковых препятствий, расположенных на кривых в плане.

моделируют движение автомобилей в транспортном потоке с расчетом скоростей движения, расхода топлива, эмиссии вредных веществ, уровня транспортного шума, показателей безопасности движения, себестоимости перевозок.

Результаты расчетов с шагом 100 м (в случае необходимости - 20 м) можно просмотреть на экране и распечатать в виде таблиц, графиков и диаграмм как для всей дороги, так и для отдельных ее участков.

Соответствие техническим нормативам. В таблице приводится местоположение участков, на которых параметры плана трассы, продольного или поперечного профиля не соответствуют требованиям технических норм, а также значения параметров, выходящих за их пределы.

Видимость. Таблица с шагом 100 или 20 м содержит информацию о расстояниях видимости поверхности дороги и встречного автомобиля с указанием в случае несоответствия нормативным требованиям причин ограничения видимости (элементы плана или продольного профиля).

Максимальная скорость движения одиночного автомобиля и коэффициенты безопасности. Расчет максимальной скорости движения одиночного расчетного автомобиля в прямом и обратном направлениях выполняют на основе решения дифференциального уравнения тягового баланса автомобиля из условия полного использования мощности двигателя. Полученные значения скорости движения, представленные в виде таблиц или графиков, позволяют оценить соответствие проектного решения заданной расчетной скорости. По их значениям с использованием методики, изложенной в главе 23, определяют значения коэффициентов безопасности, представляемые в виде графиков и таблиц.

Средняя скорость транспортного потока. Результаты расчетов средней скорости транспортного потока в прямом, обратном и в обеих направлениях при расчетной интенсивности движения приводят в табличной форме с шагом 100 или 20 м, а также в виде графиков.

Коэффициенты относительной аварийности. В таблице и на линейном графике приводят результаты определения частных и итоговых коэффициентов аварийности по методике, изложенной в главе 24.

Расход топлива. Результаты расчета расхода топлива автомобилями транспортного потока выдают в табличной форме для прямого и обратного направления движения, а также суммарно для двух направлений.

Срезка откосов. В таблице приводят рекомендации по срезке откосов выемок или удаления других боковых препятствий с целью увеличения расстояния видимости до нормативных значений: пикетажное положение створов; расстояние до препятствий, ограничивающих видимость; величины срезки.

Эмиссия вредных веществ. Результаты расчетов выброса вредных веществ с отработанными газами двигателей автомобилей в течение суток выдают в виде таблиц или эпюр раздельно для окиси углерода, углеводородов, окислов азота, сажи и свинца, а также в виде обобщенной токсичности с приведением к эквивалентной токсичности окиси углерода.

Концентрация вредных веществ в воздухе. В настоящее время для расчета эмиссии вредных веществ двигателями автомобилей и определения их концентрации в атмосферном воздухе применяют различные официально утвержденные методики. В связи с этим в программном комплексе «Credo» предусмотрены три варианта расчета концентрации загрязняющих веществ в воздухе:

расчет эмиссии вредных веществ двигателями автомобилей путем моделирования в системе «Водитель - Автомобиль - Дорога - Окружающая среда», а их концентрации в воздухе - по Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных выбросов предприятий, ОНД-86 Госгидромета;

расчет эмиссии вредных веществ двигателями автомобилей путем моделирования в системе «Водитель - Автомобиль - Дорога - Окружающая среда», а их концентрации в воздухе - по методике, приведенной в Рекомендациях по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов Федерального дорожного департамента Минтранса России;

расчет эмиссии вредных веществ двигателями автомобилей и их концентрации в воздухе - по методике, приведенной в Рекомендациях по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов Федерального дорожного департамента Минтранса России.

Для выполнения расчетов необходим ввод дополнительной информации: скорость и направление ветра; вид и размеры элементов рельефа местности, для которой выполняют расчет; расстояние от дороги; состояние атмосферы и т.д.

Расчеты производят по основным загрязняющим веществам: окиси углерода, углеводородов, окислов азота, сажи и свинца, а также в виде обобщенной токсичности с приведением к эквивалентной концентрации окиси углерода.

Результатами расчетов являются графики и таблицы, содержащие данные о концентрации рассматриваемого вредного вещества в воздухе на различных расстояниях от дороги. Одновременно приводятся значения предельно допустимых концентраций (ПДК), сопоставляя которые с результатами расчетов, можно оценить соответствие проектного решения экологическим требованиям.

Уровни транспортного шума. Для определения уровней транспортного шума на различных расстояниях от дороги в программном комплексе «Credo» использована методика, приведенная в Рекомендациях по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов Федерального дорожного департамента Минтранса России. Используемые при этом значения средней скорости транспортного потока принимают по результатам моделирования в системе «Водитель - Автомобиль - Дорога - Окружающая среда». При определении уровней транспортного шума могут быть учтены шумозащитные мероприятия: посадка деревьев и кустарников, строительство грунтовых валов, шумозащитных экранов. Для этого необходим ввод дополнительных данных: тип и ширина зеленых насаждений, местоположение и высота экранов, расстояния от дороги и т.д. Результаты расчетов уровней шума выдаются в виде таблиц и графиков для выбранных створов дороги.

34.7. Технико-экономическое сравнение вариантов автомобильных дорог и мостовых переходов

Варианты проектных решений могут существенно отличаться друг от друга по техническим показателям, стоимости строительства, транспортно-эксплуатационным качествам, показателям обеспечения требований безопасности движения и охраны окружающей среды. Обобщающим критерием для выбора наилучшего из рассматриваемых вариантов являются показатели эффективности капитальных вложений.

Программа оценки экономической эффективности инвестиций, разработанная на кафедре проектирования дорог МАДИ, предназначена для определения суммарных дисконтированных затрат для сравниваемых вариантов проектных решений и срока окупаемости капиталовложений. Она составлена для наиболее общего случая, предусматривающего возможность после постройки автомобильной дороги или мостового перехода переключения части перевозок грузов и пассажиров в районе тяготения с железнодорожного или водного транспорта на автомобильный,

С помощью расчетов по программе могут быть учтены: капиталовложения в строительство, реконструкцию, капитальные ремонты сравниваемых вариантов; капиталовложения в подвижной состав автомобильного, железнодорожного и водного транспорта; приведенная стоимость грузовой массы, находящейся в транспортном процессе; затраты на перевозку грузов и пассажиров автомобильным, железнодорожным и водным транспортом; затраты на ремонт и содержание автомобильной дороги или мостового перехода; экономические потери от дорожно-транспортных происшествий; потери в экономике от изъятия сельскохозяйственных угодий и неблагоприятного воздействия на окружающую среду; потери от создания дополнительных запасов грузов на складах для вариантов, допускающих сезонные перерывы в движении; экономический эффект от сокращения времени пребывания в пути пассажиров; экономический эффект, получаемый нетранспортными предприятиями, а также в непроизводственной сфере. Программа позволяет вести расчет одновременно для 5 вариантов. При этом предусмотрено, что за период сравнения вариантов, принимаемый равным 35 годам, возможно двукратное изменение темпов прироста объемов перевозок, проведение двух реконструкций и 3-х капитальных ремонтов. Для всех вариантов, отличающихся по сравнению с эталонным вариантом, соответствующим сохранению существующих условий, большей величиной дисконтированных единовременных затрат, рассчитывают срок окупаемости капиталовложений. В основу алгоритма программы положены расчетные методики и зависимости, рекомендуемые в Указаниях по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог (ВСН 21-83).

В качестве исходных данных для расчета по программе вводят:

количество сравниваемых вариантов;

нормативные показатели для расчета автотранспортных расходов и капиталовложений в автомобильный транспорт;

данные об интенсивности движения и составе транспортного потока для каждого из вариантов;

данные и показатели для определения всех составляющих единовременных и текущих затрат. Основными из них являются: сроки строительства, реконструкции и капительных ремонтов по каждому из вариантов и необходимые для этих целей капиталовложения;

годы изменения темпов роста объема перевозок и процент прироста объемов перевозок в отдельные периоды;

объемы перевозок грузов и пассажиров автомобильным, железнодорожным и водным транспортом;

грузооборот и пробег автомобилей в районе тяготения по дорогам с различными типами дорожных одежд, средние скорости движения автомобилей;

показатели работы автомобильного транспорта;

показатели для расчета затрат по перевозкам грузов железнодорожным и водным транспортом;

средняя цена перевозки 1 т грузов;

продолжительность сезонных перерывов в движении;

потери в экономике от дорожно-транспортных происшествий;

экономический ущерб от неблагоприятного воздействия на окружающую среду;

экономический эффект, получаемый в нетранспортных предприятиях и в непроизводственной сфере и т.д.

Результаты расчета выдаются на печать в виде таблицы, в которой для каждого варианта указываются суммарные дисконтированные затраты и дается их разбивка по составляющим (капиталовложения в строительство, реконструкцию, капитальные ремонты; подвижной состав по видам транспорта; текущие затраты - транспортные расходы по отдельным видам транспорта, дорожно-эксплуатационные расходы, потери от дорожно-транспортных происшествий, ущерб от создания дополнительных запасов грузов на складах, экономический ущерб от неблагоприятного воздействия на окружающую среду, экономический эффект, получаемый в нетранспортных предприятиях, и т.д. Для вариантов с большими по сравнению с эталонным вариантом, дисконтированными единовременными затратами, на печать выдаются значения срока окупаемости капиталовложений.