Удосконалення управління станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

«Удосконалення управління станом автомобільних доріг

за умов обмежених ресурсів»

Демішкан Володимир Федорович

Харків - 2000

Вступ

Актуальність роботи. Ефективність експлуатації автомобільного транспорту та безпека руху в значній мірі залежить від стану автомобільних доріг. За останні роки внаслідок суттєвого скорочення фінансування дорожнього господарства України стан автомобільних доріг помітно погіршився. Скоротилися обсяги будівництва нових доріг, на перше місце вийшли роботи з їх експлуатації.

Особливістю експлуатації автомобільних доріг на сучасному етапі розвитку дорожнього господарства є гострий дефіцит фінансових ресурсів. За таких умов задача удосконалення управління станом автомобільних доріг набуває особливої актуальності.

Системи управління станом автомобільних доріг розробляються в багатьох країнах світу біля тридцяти років. Про актуальність цієї проблеми в сучасних умовах свідчить постійне удосконалення системи Світового банку НDМ, останній модифікації якої приділялась велика увага на ХХ Міжнародному дорожньому конгресі (Малайзія, 1999 рік).

Основу всіх відомих систем складають моделі прогнозування транспортно-експлуатаційного стану автомобільних доріг, які повинні враховувати особливості експлуатації та економічний стан країни. Тому для умов України відомі системи неефективні. Таким чином, удосконалення управління станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів є актуальною науковою задачею, що має велике практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів науково-дослідних робіт Державної корпорації “Укравтодор” на 1997-1999 роки.

Метою дослідження є удосконалення управління транспортно-експлуатаційним станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів на основі аналізу закономірностей зміни стану автомобільних доріг в сучасних умовах експлуатації.

Задачі дослідження:

1. Визначення основних закономірностей зміни транспортно-експлуатаційного стану автомобільних доріг в сучасних умовах експлуатації.

2. Розробка системи управління транспортно-експлуатаційним станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів.

3. Обґрунтування методики оптимізації розподілу обмежених ресурсів на експлуатацію автомобільних доріг.

4. Виробнича перевірка та оцінка економічної ефективності удосконалення управління станом автомобільних доріг.

Наукова новизна отриманих результатів:

- виявлено закономірності зміни за часом основних показників транспортно-експлуатаційного стану автомобільних доріг в сучасних умовах експлуатації;

- запропоновано математичні моделі деградації міцності нежорстких дорожніх одягів та рівності дорожніх покриттів, які враховують суттєве погіршення стану доріг внаслідок несвоєчасних ремонтів за умов обмежених ресурсів на дорожні роботи;

- розроблено основи системи управління станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів на дорожні роботи;

- обґрунтовано принципи, критерії та методику оптимізації розподілу обмежених ресурсів на експлуатацію мережі автомобільних доріг регіону.

Практичне значення отриманих результатів:

- удосконалення управління станом автомобільних доріг дає можливість оптимізувати розподіл обмежених ресурсів на експлуатацію мережі доріг, зберегти дороги від передчасного руйнування; забезпечує зменшення транспортних витрат та підвищення безпеки дорожнього руху;

- апробацію системи управління станом автомобільних доріг здійснено в 1998-1999 роках в Луганському облавтодорі Державної корпорації “Укравтодор” на мережі доріг загального користування довжиною 6242,8 км. Відповідно до розрахунків з оптимізації розподілу обмежених ресурсів внесено корективи до плану ремонтних робіт Облавтодору на 143 ділянках доріг (72 % річного плану). Потенційний ефект в економіці області становить близько 35 млн. грн. на рік.

Особистий внесок здобувача:

- розроблено структурну схему системи управління станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів;

- за результатами польових випробувань визначено закономірності та запропоновано математичні моделі деградації міцності нежорстких дорожніх одягів та рівності дорожніх покриттів в процесі експлуатації автомобільних доріг;

- обґрунтовано принципи та критерії оптимізації розподілу обмежених ресурсів на експлуатацію мережі доріг регіону.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Транспорт + Логістика” (м. Київ, 1999 р.), “Проблеми теорії та практики становлення соціально-орієнтованої ринкової економіки” (м. Харків, 1999 р.); республіканській науково-технічній конференції “Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми та шляхи розвитку” (м. Київ, 1998 р.); всеросійській науково-технічній конференції “Актуальні проблеми дорожньо-транспортного комплексу Росії” (м. Сочі, 1999 р.).

1. Аналіз сучасних умов експлуатації автомобільних доріг України

Визначено, що в останні роки дорожнє господарство України фінансується на 20% від необхідного. За таких умов головним є збереження мережі доріг, запобігання швидкому погіршенню їх стану експлуатаційними заходами. Тому оптимальне використання обмежених ресурсів на стадії експлуатації автомобільних доріг має в сучасних умовах велике практичне значення.

Дослідженню методів управління станом автомобільних доріг присвячені роботи О.К. Біруля, О.П. Васильєва, О.П. Алексієва, С.І. Андрєєва, Ф.П. Гончаренка, І.О. Золотаря, С.С. Кизими, М.С. Коганзона, О.А. Красікова, Г.Є. Ліпського, М.М. Лихоступа, С.Г. Миховича, В.П. Носова, Д.О. Павлюка, В.К. Пашкіна, Є.Д. Прусенка, Б.С. Радовського, В.Я. Савенка, В.В. Сільянова, Ю.В. Слободчикова, М.С. Стороженка, В.В. Філіппова, А.Я. Ерастова, Х. Вайлера, Ц. Кейроса, В. Патерсона, Н. Робертсона, Р. Хааса, К. Хована, В. Хедсона, Г. Шоенберга та інших вчених. За результатами досліджень в багатьох країнах світу розроблено системи управління станом доріг, основу яких складають модель прогнозування транспортно-експлуатаційного стану доріг та економіко-математична модель оптимізації розподілу ресурсів на дорожні роботи.

На підставі аналізу систем управління станом доріг (PMS, HDM-III, HDM-4 та інші) виявлено, що більшість країн має власні моделі прогнозування стану доріг, які враховують особливості в кліматичних умовах експлуатації, конструкціях дорожніх одягів, транспортних навантаженнях, ефективності експлуатаційних заходів. Найчастіше такі моделі ґрунтуються на результатах спостережень за станом доріг і не мають відповідної наукової основи. Відомі моделі не в повній мірі враховують особливості експлуатації автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів, коли ремонтні роботи виконуються несвоєчасно і не в повному обсязі, а стан доріг наближається до критичного. Таким чином, для розробки моделі прогнозування необхідно виконати дослідження закономірностей зміни основних показників транспортно-експлуатаційного стану доріг в сучасних умовах експлуатації.

Загальні принципи оптимізації розподілу ресурсів у великих системах розроблено академіком Л.В. Канторовічем. Подальший розвиток проблеми оптимізації управління набули в роботах Є.А. Берзіна, В.Г. Болтянського, Є.С. Вєнцєль, Р. Габасова, М.В. Гамкрелідзе, А.А. Грешілова, В.І. Гурмана, Ю.П. Іванова, Ф.М. Кіріловой, В.Ф. Кротова, Н.Н. Моісєєва, В.Д. Ногіна, В.В. Подіновського, Л.С. Портнягіна, Р.Г. Стрончина, К.В. Тараканова, В.В. Федорова, В.В. Федосєєва, Р. Акофа, М. Аоки, А. Брайсона, Л. Ледсона, Дж. Моудера, Т. Саати, М. Сінгха, А. Татли, П. Фишберка, Хо Ю-ши, Ч. Хоува, С. Елмаграба та інші вчених.

Стосовно оптимізації розподілу обмежених ресурсів на дорожні роботи найбільш відомі роботи вчених СНД, які переважно присвячені розробці методики планування ремонтних робіт при обмежених ресурсах.

Вперше таку методику запропонував С.С. Кизима. Вибір оптимального варіанту ремонтних робіт за обмеженнями по ресурсам здійснювався за критерієм мінімальних витрат на ремонт і утримання доріг, перевезення вантажів та пасажирів. Такий підхід є найбільш вірним при плануванні робіт з експлуатації доріг як частини дорожньо-транспортної системи. Але закономірності зміни стану доріг, що складають основу моделі прогнозування, потребують уточнення, оскільки в сучасних умовах експлуатації стан доріг погіршився.

За результатами багаторічних досліджень російських вчених під керівництвом О.П. Васільєва, розроблено систему планування дорожньо-ремонтних робіт за умов обмежених ресурсів, яка дає можливість визначити на мережі доріг ділянки, що підлягають ремонту, вид ремонтних робіт, черговість їх виконання та вартість. В основу визначення пріоритетів дорожньо-ремонтних робіт покладено впроваджену в Росії та деяких країнах СНД систему діагностики стану доріг за показниками забезпеченості розрахункової швидкості, які в Україні не використовують. Крім того, умови експлуатації доріг в наших країнах дещо відрізняються.

Отже існуючі методи і системи управління станом доріг потребують удосконалення з урахуванням особливостей експлуатації автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів. За результатами аналізу стану питання сформульовані мета та задачі досліджень.

2. Теоретичний аналіз особливостей управління станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів

Обґрунтовано закономірності зміни стану доріг та запропоновано методику розподілу ресурсів на експлуатацію мережі доріг.

На стадії експлуатації управління станом доріг здійснюється шляхом виконання робіт з капітального, середнього, поточного ремонтів, утримання доріг та реалізації заходів з безпеки дорожнього руху. Внаслідок реалізації комплексу експлуатаційних заходів поліпшуються показники експлуатаційного стану доріг (ЕС): міцність дорожнього одягу (Е), рівність покриття (S), зчіпні якості покриття (), знос покриття (h), показники безпеки руху (БР). Найбільш реальним за умов обмежених ресурсів є управління станом доріг на стадії експлуатації.

Основним принципом управління транспортно-експлуатаційним станом автомобільних доріг (ТЕС АД) є системний підхід. На основі аналізу досвіду розвинених країнах та особливостей експлуатації автомобільних доріг України розроблено структурну схему системи управління ТЕС АД.

Інформаційна підсистема є основою для створення банку даних про ТЕС АД та прийняття оптимальних рішень з управління станом доріг. Підсистема стратегії експлуатації базується на прогнозуванні ТЕС АД за результатами дослідження закономірностей деградації стану доріг. Основу підсистеми оптимізації розподілу ресурсів становить економіко-математична модель, в якій на підставі методів теорії дослідження операцій обґрунтовують види та об'єми ремонтних робіт на окремих ділянках мережі автомобільних доріг. Підсистема корегування системи функціонує за принципом зворотного зв'язку.

В системі показників ТЕС АД ведуче місце займає міцність дорожнього одягу. Теоретично обґрунтована закономірність деградації міцності нежорстких дорожніх одягів за часом.

Особливістю експлуатації автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів є немонотонний характер зменшення міцності дорожніх одягів. Перший етап (відрізок кривої АВ) характеризується рівномірним зменшенням міцності за лінійною залежністю:

де: Кміц(t) - коефіцієнт міцності дорожньої конструкції (дорожній одяг + земляне полотно) на момент часу t; t - термін служби автомобільної дороги після капітального ремонту, років; - показник деградації міцності дорожньої конструкції, 01.

Значення показника деградації міцності залежить від багатьох факторів: початкового коефіцієнту міцності, інтенсивності та складу руху, водно-теплового режиму земляного полотна та дорожніх одягів, конструкції дорожнього одягу.

На другому етапі (відрізок ВС) визначається прискорення деградації міцності дорожньої конструкції, що пов'язано з початком дезінтеграції монолітних шарів на окремі блоки. Математична модель пропонується у вигляді:

де: А - емпіричний коефіцієнт.

На третьому етапі (відрізок СД) темп деградації міцності дорожнього одягу залишається високим. З наближенням до моменту часу tк значення К.міц(t) асімптотично наближається до деякого мінімального рівня Кміц.min, який відповідає такому ступеню руйнування дорожнього одягу, що він майже не сприймає розтягуючі напруги при згині:

,

де: В, С та d - емпіричні коефіцієнти.

На останньому етапі міцність дорожньої конструкції майже не змінюється.

Третій та четвертий етап зменшення міцності виявилися в останні роки через несвоєчасні ремонтні роботи саме в умовах обмежених ресурсів.

Запропонована математична модель погіршення рівності дорожніх покриттів на стадії експлуатації:

,

де: S(t) - показник рівності покриття за поштовхоміром; на початку експлуатації t=t0, см/км; a, А1, В1, С1 - емпіричні коефіцієнти, які залежать від рівня впливу транспортних навантажень і погодно-кліматичних факторів на дорожній одяг.

Концепція оптимізації розподілу ресурсів на експлуатацію мережі доріг полягає в мінімізації витрат суспільства на перевезення пасажирів та вантажів.

Основні фактори рішення задачі оптимального розподілу ресурсів

;

;

;

;

.

Основні обмеження задачі:

.

.

де х1, х2, х3, … хi, xn - довжина ділянок доріг, на яких виконують відповідні дорожні роботи (1, 2, 3 ...і...n), км; r11, r12, r13,…rji, r1n - питома вартість дорожньої роботи (1) відповідно на ділянках доріг l1, l2, l3, … li, … ln, грн/км; rji - питома вартість j-ої дорожньої роботи на діляках доріг l1, l2, l3, … li, … ln, грн/км, rji V 0; r1, r2, r3, … rj, … rm - відповідно вартість дорожніх робіт (1), (2), (3), … (i), … (n) на мережі доріг, грн.

Сумарні витрати на функціонування дорожньо-транспортної системи представимо у вигляді:

де: - сумарні витрати на роботу дорожньо-транспортної системи, грн.; - сумарні транспортні витрати на перевезення пасажирів та вантажів, грн.; - сумарні витрати від дорожньо-транспортних пригод, грн.; - сумарні витрати на дорожні роботи по управлінню станом мережі доріг, яка містить n ділянок, грн.

Рівняння є цільовою функцією задачі.

З урахуванням постійних питомих витрат на поточний ремонт та утримання доріг система рівнянь приймає вигляд:

;

;

.

Обмеження мають вигляд:

;

r > 0 (якщо дорожні роботи виконують);

r = 0 (якщо дорожні роботи не виконують).

Точне рішення системи з використанням рівнянь приводить до значного ускладнення моделі. Тому в роботі запропонована спрощена методика оптимізації розподілу ресурсів, яка базується на експертних оцінка впливу ТЕС АД на окремі види витрат в дорожньо-транспортній системі.

3. Методика та результати експериментальних досліджень основних показників ТЕС АД

Польові дослідження виконано на 21 дослідній ділянці автомобільних доріг загального користування в Луганській та Харківській областях на протязі 1997, 1998 та 1999 років. Дослідні ділянки визначені з урахуванням різних конструкцій дорожніх одягів, різних термінів служби після капітального та середнього ремонтів на дорогах державного значення (магістральних та регіональних) та місцевого значення (територіальних та районних).

Випробування дорожніх одягів на міцність виконували за допомогою високоточного нівеліру НА з одночасним вимірюванням температури поверхні покриттів контактним електротермометром ЕТП-М та скресом дорожніх одягів з оцінкою вологості грунту земляного полотна. Повторність випробувань на кожній ділянці дорівнювала 20 з подальшою статичною обробкою та зведенням фактичного модуля пружності до розрахункового періоду.

Рівність дорожніх покриттів вимірювали за допомогою електронного поштовхоміру ТЕД-2 на автомобілі УАЗ. Вимірювання рівность виконували влітку. За результатами вимірювань на контрольній ділянці статично обгрунтовано мінімальна повторність вимірювань N = 5.

Коефіцієнт зчеплення колеса автомобіля з покриттям визначали за допомогою портативного приладу “ППК-МАДИ-ВНИИБД”. Для точності вимірювань 10 % мінімальна повторність дорівнює N = 3.

На всіх ділянках проводили облік інтенсивності та складу руху. За результатами обліку визначали Епотр та Кміц.

Результати вимірювань міцності (рис. 4) підтверджують теоретичні моделі (1)-(4). Окремі відхилення від загальної закономірності обумовлені проведенням ремонтних робіт в період з 1997 по 1999 рік.

Математична модель зменшення коефіцієнту міцності з урахуванням результатів випробувань дорожніх одягів має вигляд

;

;

;

.

Аналіз результатів вимірювання рівності дорожніх покриттів дозволяє зробити висновок, що темп збільшення нерівностей зростає за часом від моменту середнього ремонту покриттів.

Модель деградації рівності з урахуванням результатів вимірювань:

для асфальтобетонних покриттів:

,

для чорно-щебеневих покриттів:

.

Всі наведені моделі адекватні експериментальним даним за критерієм Фішера.

Аналіз результатів вимірювання коефіцієнту зчеплення колеса автомобіля з покриттям не дозволив визначити характерні закономірності деградації зчіпних якостей покриттів в процесі експлуатації. Це можна пояснити недосконалістю методів та приладів для вимірювання коефіцієнту зчеплення та значною неоднорідністю поверхні за зчіпними якостями.

4. Результати дослідно-виробничої перевірки системи управління станом автомобільних доріг за умов обмежених ресурсів

Апробація систем виконана в 1998-1999 роках на мережі автомобільних доріг загального користування Луганської області загальною довжиною 6242,8 км (в тому числі магістральних доріг - 251,5 км, регіональних - 438,9 км, територіальних - 1603,6 км, районних - 3948,8 км. Така структура мережі доріг характерна для більшості облавтодорів України.

За відсутністю банка даних про ТЕС АД запропонована оцінка стану доріг за результатами огляду по індексу стану за десятибальною шкалою. Це дозволило отримати первинну інформацію про стан всієї мережі доріг області. За результатами експертної оцінки визначено значення відповідних коефіцієнтів в спрощеній методиці оптимізації розподілу ресурсів. Під час впровадження системи використовували програмне забезпечення, розроблене на кафедрі будівництва та експлуатації автомобільних доріг ХДАДТУ.

За результатами впровадження системи управління ТЕС АД в 1999 році оптимізовано річний план ремонтних робіт. Застосування системи дозволило виправити помилки в призначенні 143 ділянок доріг для середнього та капітального ремонту, що становить 72% від загального річного плану.

Розроблено методику визначення економічного ефекту від удосконалення управління станом автомобільних доріг. Потенційний ефект в економіці області за рахунок покращення стану доріг, зменшення транспортних витрат та збитків від ДТП, становить 34,9 млн. грн. на рік. Відносна економічна ефективність впровадження системи управління станом доріг досягає 11,4 грн. на кожну гривну витрат.

Висновки

1. Особливістю сучасного етапу розвитку дорожнього господарства України є гострий дефіцит фінансових ресурсів. В складних економічних умовах першочерговими постали задачі збереження мережі автомобільних доріг та поліпшення їх транспортно-експлуатаційного стану. Рішення цих задач забезпечується на основі удосконалення управління станом доріг.

2. Розроблено систему управління транспортно-експлуатаційним станом автомобільних доріг (ТЕС АД) за умов обмежених ресурсів. Відокремлені та проаналізовані основні підсистеми: інформаційна, стратегії експлуатації (прогнозування стану доріг), оптимізації розподілу ресурсів та корегування системи. Обґрунтована визначальна роль прогнозування та оцінки ТЕС АД на підставі дослідження закономірностей зміни основних показників стану доріг в процесі їх експлуатації.

3. Теоретичними і експериментальними дослідженнями доведена гіпотеза про немонотонну зміну міцності нежорстких дорожніх одягів. Виявлено, що на першому етапі міцність дорожніх одягів зменшується за лінійною залежністю. Щорічний темп зменшення міцності на цьому етапі залежить від конструкції дорожнього одягу та змінюється в межах від 1 до 4%. На другому етапі темп зменшення міцності зростає з часом за експоненціальною залежністю та досягає наприкінці етапу 10%. Це пов'язано з інтенсивним руйнуванням дорожнього одягу. На третьому етапі з наближенням до мінімального значення міцності темп її зменшення поступово уповільнюється. Четвертий етап характеризується практично сталою міцністю на мінімальному рівні з коефіцієнтом міцності 0,55-0,65. Математична модель процесу деградації міцності адекватна експериментальним даним.

4. Запропонована математична модель та за результатами оцінки рівності на дослідних ділянках визначені емпіричні коефіцієнти моделі для асфальтобетонних та чорно-щебеневих покриттів. Визначено, що рівність дорожніх покриттів залежить від міцності дорожніх одягів та змінюється в процесі служби покриття за експоненціальною залежністю. За критерієм Фішера модель адекватна експериментальним даним.

5. В концепції оптимізації розподілу ресурсів запропоновано розглядати мережу автомобільних доріг як частину дорожньо-транспортної системи. Обґрунтовано критерій оптимізації - мінімальні сумарні витрати на функціонування дорожньо-транспортної системи при обмеженнях за ресурсами на дорожні роботи. На основі математичної теорії дослідження операцій обґрунтовано розв'язання задачі по оптимальному розподілу обмежених ресурсів на експлуатацію мережі автомобільних доріг регіону. Для спрощення рішення задачі запропонована методика, яка базується на експертних оцінках впливу основних показників стану доріг на окремі види витрат при функціонуванні дорожньо-транспортної системи.

6. Апробація системи управління транспортно-експлуатаційним станом автомобільних доріг в Луганському облавтодорі підтвердила її високу ефективність. Впровадження системи забезпечує відносну економічну ефективність 11.4 грн. на кожну гривну витрат. Потенційний річний ефект в економіці області становить 34,9 млн. грн.

автомобільний експлуатаційний транспортний

Література

1. Прусенко Е.Д., Демишкан В.Ф. Основные направления совершенствования методов управления состоянием автомобильных дорог // Проблемы эксплуатации автомобильных дорог. Сб. науч. трудов ХГАДТУ - Харьков: Знание, 1998. - С. 39-47.

2. Демишкан В.Ф. Основные принципы распределения финансовых ресурсов в системе облавтодора // Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку. Збірник наукових праць УТУ. - Київ: УТУ, 1998. - С. 68-69.

3. Прусенко Е.Д., Демишкан В.Ф. Система управления транспортно-эксплуатационным состоянием автомобильных дорог // Вестник ХГАДТУ. - 1999. - вып. 10. - С. 45-47.

4. Демішкан В.Ф. Критерії та принципи оптимізації транспортно-експлуатаційного стану доріг // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво. - 1999. - Вип. 57. - С. 97-103.

5. Демішкан В.Ф. До питання про розподіл ресурсів на утримання та ремонт мережі доріг // Автошляховик України. - 1999. - №4. - С. 38-39.

6. Прусенко Е.Д., Демишкан В.Ф. Повышение эффективности работы автомобилей как элемента дорожно-транспортной системы // Автомобильный транспорт. - 1999. - № 3. - С. 12-14.

7. Демишкан В.Ф., Прусенко Е.Д., Филиппов В.В. Системный подход к распределению ресурсов на ремонт и содержание автомобильных дорог // Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса России. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Т. 1. - Краснодар: Изд-во КубГТУ, 1999. - С. 37-38.

8. Демішкан В.Ф. Методи управління транспортним процесом в дорожньо-транспортній системі // Транспорт+Логістика. Матеріали міжнародної виставки та науково-практичної конференції. - Київ, 1999. - С. 34-36.

9. Демишкан В.Ф., Прусенко Е.Д. Оценка экономической эффективности оптимального распределения финансовых ресурсов на эксплуатацию сети автомобильных дорог // Проблеми теорії і практики становлення соціально-орієнтованої ринкової економіки. Матеріали міжнародної наукової конференції. - Харків: ХДАДТУ, 1999. - С. 73-74.

Размещено на Allbest.ru