Енергозберігаюче трасування автомобільних доріг з урахуванням екологічних і ергономічних вимог системи "людина-автомобіль-дорога-середовище"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний автомобільно-дорожній

технічний університет

УДК 625.72

Спеціальність 05.22.11 - Автомобільні шляхи та аеродроми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Енергозберігаюче трасування автомобільних доріг з урахуванням екологічних і ергономічних вимог системи "людина-автомобіль-дорога-середовище"

Батракова Анжеліка Геннадіївна

Харків - 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гаврилов Едуард Васильович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Білятинський Олександр Антонович, Національний транспортний університет, м. Київ, завідуючий кафедрою проектування автомобільних доріг;

кандидат технічних наук, професор Михович Сергій Гнатович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, професор кафедри будівництва і експлуатації автомобільних доріг.

Провідна установа:

Харківська академія міського господарства Міністерства освіти та науки України, м. Харків.

Захист відбудеться " 26 " квітня 2001 року о 1130 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 в Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий " 22 " березня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.Д. Прусенко

Анотації

Батракова А.Г. Енергозберігаюче трасування автомобільних доріг з урахуванням екологічних і ергономічних вимог системи "людина-автомобіль-дорога-середовище". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 - автомобільні дороги і аеродроми, - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 2001 р.

У дисертації наведене розв'язання науково-технічної проблеми енергозбереження на етапі розробки проектів автомобільних доріг, що спрямовано на економію паливних ресурсів, забезпечення екологічної безпеки автомобільних доріг, підвищення безпеки і поліпшення умов діяльності водія. Розроблена модель формування магістрального ходу за критерієм мінімуму енерговитрат при обмеженнях по капіталовкладеннях в будівництво. Обгрунтовані параметри моделі для різних рельєфів місцевості. Розроблений комплексний показник стану системи "людина-автомобіль-дорога-середовище" ("ЛАДС"). Розроблена математична модель формування траси, що забезпечує допустиме функціонування системи "ЛАДС". Обгрунтовані параметри трасування по локальних координатах стану автомобіля, середовища, водія і інтегральному показнику стану системи. За системними критеріями обгрунтована система обмежень на проектну лінію траси. Розроблені алгоритми трасування і програми автоматизованого розрахунку. Розроблена методика формування траси.

Ключові слова: система "людина - автомобіль - дорога - середовище", зона трасування, цифрова модель рельєфу, магістральний хід, траса автомобільної дороги, вектор стану системи, локальні координати стану системи.

Batrakova A.G. Energy pollution preventive tracing of highways in view of the ecological and ergonomical requirements of system "the man - automobile - road - environment ". - Manuscript.

Thesis applying for candidate of engineering science degree on a speciality 05.22.11 - highways and airports, - The Kharkov State Automobile and Highway Technical University, Kharkov, 2001.

In the thesis is given the solution of a scientific and technical problem of energy pollution preventing on a development phase of the design of highways. The proposed solution allows to save fuel, to provide required level of ecological safety of highways and raise safety and improve conditions of driver's activity. The model of a highway direction forming via criteria of an energy consume minimum is designed with restrictions on capital investments in construction. The parameters of model for different contours of terrain are obtained. The complex index of condition of system "the man - automobile - road - environment " (MARE) is designed. The mathematical model of forming of a path ensuring permissible operation of system " MARE " is designed. The tracing parameters on local coordinates of a state of the automobile, medium of a motion, driver and integrated parameter of a system condition are obtained. By system criteria its grounded the multitude of restrictions on a designed line of a path. The tracing algorithms and computer codes are developed. The procedure of forming a path that includes the recommendations and algorithms for the solution of a problem of energy pollution preventing is designed.

Key words: system " the man - automobile - road - medium ", area of tracing, numerical model of a contour, turnpike course, path of a highway, vector of a system condition, local coordinates of a system condition.

Батракова А.Г. Энергосберегающее трассирование автомобильных дорог с учетом экологических и эргономических требований системы "человек-автомобиль-дорога-среда". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - Автомобильные дороги и аэродромы. Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 2001 г.

В диссертации приведено решение научно-технической проблемы энергосбережения на этапе разработки проектов автомобильных дорог, направленное на экономию топливных ресурсов, обеспечение экологической безопасности автомобильных дорог, повышение безопасности и улучшение условий деятельности водителя.

Решение задачи трассирования получено на основе метода последовательного улучшения проектных решений, а само решение разбито на ряд этапов: определение допустимой области трассирования; формирование магистрального хода; обоснование параметров трассирования; формирование трассы. В рамках системного проектирования разработан комплексный показатель, характеризующий состояние системы "ЧАДС". В качестве комплексного показателя принят вектор состояния системы, учитывающий состояние автомобиля, водителя и окружающей среды. Применение вектора состояния системы в качестве ограничения на целевую функцию трассирования позволяет получить решения, обеспечивающие допустимое функционирование системы "ЧАДС".

Разработана математическая модель формирования магистрального хода по критерию минимума энергозатрат при ограничениях по капиталовложениям в строительство. Обоснованы параметры модели для различных рельефов местности: ширина допустимой области трассирования, шаг цифровой модели рельефа. Решение оптимизационной задачи поиска координат магистрального хода получено путем модификации методов теории графов и теории оптимального управления и их адаптации к задаче формирования магистрального хода. Методами математической статистики определены и обоснованы параметры модели: область трассирования между контрольными точками, шаг цифровой модели рельефа. Разработаны алгоритмы формирования магистрального хода в условиях равнинного и пересеченного рельефов местности.

Разработана математическая модель формирования энергосберегающей трассы, заключающаяся в формировании наиболее гладкой трассы, наименее отклоняющейся от исходного первого приближения в смысле среднеквадратического отклонения и обеспечивающей снижение расхода топлива, уменьшение выбросов загрязняющих атмосферу веществ, повышение надежности деятельности водителя. В рамках модели получены аналитические зависимости для определения допустимой по показателю состояния системы кривизны трассы дорог II - IY категорий и обоснована система ограничений на проектную линию трассы по условию нормального функционирования системы "ЧАДС". Разработаны алгоритмы трассирования и программы автоматизированного расчета.

Сравнительный анализ проектных решений позволил подтвердить эффективность разработанной модели трассирования. Проведенные теоретические исследования и численные эксперименты позволили разработать методику формирования энергосберегающей трассы автомобильных дорог II - IY категорий в условиях равнинного и пересеченного рельефов местности. Методика включает рекомендации и алгоритмы решения задачи энергосберегающего трассирования.

Ключевые слова: система "человек-автомобиль-дорога-среда", область трассирования, цифровая модель рельефа, магистральный ход, трасса автомобильной дороги, вектор состояния системы, локальные координаты состояния системы.

Загальна характеристика роботи

Найважливішою складовою частиною стратегії розвитку економіки України є здійснення державної політики енергозбереження. Оскільки автомобільний транспорт є одним з основних споживачів палива, то в умовах дефіциту енергетичних ресурсів проблема енергозбереження в цій галузі стає надзвичайно актуальною для народного господарства України. Разом з тим, споживання енергоносіїв автомобільним транспортом безпосередньо створює цілий комплекс проблем, пов'язаних з екологією і безпекою діяльності водіїв. Тому об'єднання досліджень в області енергозбереження і екології автомобільних доріг, підвищення безпеки і поліпшення умов діяльності водія - передумова для розробки енергозберігаючих проектних рішень.

Актуальність роботи. Одним із шляхів вирішення означених проблем є вдосконалення методів і норм проектування автомобільних доріг. Існуючі методики дозволяють здійснювати несистемну оцінку енергоємності, екологічної і ергономічної безпеки проектів автомобільних доріг. Можливість одночасного урахування екологічних, ергономічних і технічних вимог на стадії розробки проекту мало вивчена і вимагає як вдосконалення критеріальної основи, так і подальшого розвитку методів формування траси. Розвиток теорії системного проектування автомобільних доріг послужив переконливим стимулом для подальшого вдосконалення методів формування траси автомобільної дороги, які дозволяють врахувати і оцінити енерговитрати системи "людина-автомобіль-дорога-середовище" загалом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до обласної програми "Забезпечення безпеки дорожнього руху та екологічної безпеки транспортних засобів на 1998-2001 р.", а також обласною програмою "Охорона навколишнього середовища в дорожньому комплексі на 1997-2000 р.". Вказані програми є невід'ємною частиною державних програм ресурсозберігання, підвищення безпеки руху і екологічної безпеки в дорожньому комплексі.

Метою роботи є розробка методології формування енергозберігаючої траси автомобільної дороги з урахуванням ергономічних і екологічних вимог системи "людина - автомобіль - дорога - середовище" ("ЛАДС").

Задачі роботи:

розробка критеріїв і показників стану системи "ЛАДС" загалом і кожного елемента системи (водія, автомобіля, навколишнього середовища) нарізно;

розробка алгоритмів формування магістрального ходу;

обгрунтування геометричних характеристик траси за умовою допустимого функціонування системи "ЛАДС";

розробка алгоритму формування траси, що забезпечує зниження витрат палива, зменшення викидів забруднюючих атмосферу речовин, підвищення надійності діяльності водія;

розробка методики і практичних рекомендацій щодо формування енергозберігаючої траси автомобільних доріг II-IY категорій в умовах рівнинного і пересіченого рельєфів місцевості з урахуванням екологічних і ергономічних вимог системи "ЛАДС".

Об'єкт дослідження: автомобільна дорога та процеси взаємодії в системі "ЛАДС".

Предмет дослідження: трасування автомобільних доріг з урахуванням технічних, ергономічних і екологічних вимог системи "ЛАДС".

Методи дослідження. В роботі використані системний підхід, системний аналіз, методи теорії оптимального управління (для постановки задачі формування траси та розробки моделі трасування), методи теорії графів, машинний експеримент (для обчислювального рішення задачі енергозберігаючого трасування та обгрунтовання системи обмежень на проектну лінію траси).

Наукова новизна роботи полягає у такому:

уперше розроблено критерій ефективності проектних рішень, що приймаються при трасуванні автомобільних доріг, який враховує технічні, екологічні та ергономічні вимоги системи "ЛАДС";

встановлено закономірності зміни інтегрального показника стану системи у вигляді аналітичної залежності, що відображає зв'язок показника стану системи з геометричними параметрами траси. Це дозволило обгрунтувати систему обмежень на проектну лінію траси;

вдосконалено методики трасування через застосування методу послідовного поліпшення проектних рішень, а також розробки алгоритмів формування магістрального ходу та його подальшої трансформації в лінію траси;

науково обгрунтовано і розроблено методику системного формування енергозберігаючої траси автомобільних доріг з урахуванням технічних, екологічних і ергономічних вимог системи "ЛАДС".

Практична цінність роботи полягає у такому:

розроблено методику, алгоритми і програми автоматизованого розрахунку положення траси автомобільних доріг II - IY категорій за комплексним критерієм - вектором стану системи "ЛАДС";

надано рекомендації по призначенню ширини допустимої зони трасування між контрольними точками і визначенню кроку цифрової моделі рельєфу при трасуванні автомобільних доріг в умовах рівнинної і пересіченої місцевості;

розроблені рекомендації по формуванню траси автомобільних доріг II - IY категорій в умовах рівнинної і пересіченої місцевості.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблено комплексний показник стану системи "ЛАДС", обгрунтовано систему обмежень на проектну лінію траси, розроблено математичну модель трасування, здійснене машинне моделювання процесу формування траси. Узагальнення отриманих результатів дозволило розробити методику формування траси. У публікаціях із співавторами здобувачем виконане таке: адаптовані методи теорії графів стосовно до задачі прокладання магістрального ходу [1]; розроблено алгоритм формування першого наближення лінії траси [6] та програма розрахунку [8]; визначено параметри формування першого наближення лінії траси і розроблені рекомендації за їх призначенням [2]; розроблено комплексний показник стану системи "ЛАДС", обгрунтовано систему обмежень на проектну лінію траси [3]; розроблено алгоритм формування енергозберігаючої траси [11].

Апробація роботи. Основні положення дисертації докладалися та обговорювалися на науково-технічній конференції "Шляхи підвищення ефективності дорожнього господарства України в нових умовах господарювання", м. Київ, 1994 р.; міжнародної науково-технічної конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я", м. Харків, 1997 р.; міжнародної наукової конференції "Ергономіка на автомобільному транспорті", м. Харків, 1998 р., науково-технічних конференціях ХГАДТУ в 1994 - 2001 р.р.

Публікації. За результатами дослідження опубліковані 11 робіт.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків за результатами дослідження, списку використаних джерел і 4 додатків. Робота містить 228 сто-рінок машинописного тексту, у тому числі 143 сторінки основного тексту, 50 малюнків, 25 таблиць. У списку використаних джерел наведене 99 найменувань.

Основний зміст роботи

Вступ містить обгрунтування актуальності теми, мету і завдання дослідження, відображає наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, містить відомості про впровадження, випробування і структуру роботи. автомобільний магістральний енергозбереження

У першому розділі розглядаються основні напрямки розвитку методів формування траси, аналізуються критерії і методи прийняття рішень в задачах трасування автомобільних доріг, визначається мета і намічаються основні завдання дослідження.

Аналіз літературних джерел дозволив виділити три основних напрями вдосконалення трасування, а саме: 1) вдосконалення норм проектування, застосування яких забезпечує зниження витрати палива автомобільним транспортом; 2) урахування закономірностей взаємодії транспортного потоку з дорожнім середовищем при призначенні параметрів траси; 3) урахування закономірностей поведінки водія при обґрунтуванні елементів автомобільних доріг. Розв'язанню проблеми вдосконалення норм проектування, застосування яких забезпечує зниження витрати палива, присвячені роботи Сегеркранца В.М., Філіппова В.В., Бєлозерова В.І. Безперечною позитивною якістю розроблених ними моделей є принципи і методи призначення елементів плану і поздовжнього профілю при вирішенні задач зниження витрати палива. Великий внесок в рішення проблеми екологічної безпеки автомобільних доріг зробили Орнатський М.П., Хом'як Я.В., Кавтарадзе Д.М., Білятинський О.А., Бєлозеров В.І., Гутаревич Ю.Ф. та інш. Їх дослідження спрямовані на розробку методів оцінки забруднення повітряного басейну і придорожньої смуги та на вдосконалення методів і норм проектування, застосування яких виключає створення екологічно небезпечних проектів автомобільних доріг. Розв'язанню проблеми урахування людського чинника при проектуванні автомобільних доріг присвячені роботи Бегми І.В, Лобанова Е.М., Сильянова В.В. Ними створені методи обліку психофізіологічних можливостей водіїв при проектуванні доріг.

Аналіз існуючих методів трасування дозволив зробити висновки:

1. Найважливішими завданнями проектування, будівництва та експлуатації автомобільних доріг є забезпечення раціонального використання паливно-енергетичних ресурсів, екологічної безпеки і підвищення надійності діяльності водія. Основними напрямами вирішення вказаних завдань є вдосконалення існуючих і розробка нових методів формування траси автомобільних доріг.

2. Методи формування траси базуються в основному на техніко-економічних критеріях. Такий підхід має істотні недоліки. Так, існують показники, оцінка яких в грошовому еквіваленті недостатньо обгрунтована, а саме: втрати від дорожньо-транспортних подій, вартісні оцінки людського життя, облік віддалених наслідків збитку, що наноситься автомобільною дорогою навколишньому середовищу.

3. Розроблені методи рішення задач енергозбереження розглядають технічні, економічні, екологічні та ергономічні аспекти цієї проблеми нарізно. Тоді як проектування траси повинно здійснюватися на основі сукупності цих вимог.

4. Існуючі методи обґрунтування окремих елементів плану і поздовжнього профілю при вирішенні завдань трасування автомобільних доріг не дозволяють врахувати і оцінити їх вплив і взаємодію в системі "ЛАДС".

5. Потреби практики і дослідження в області системного проектування створили об'єктивні передумови для розробки комплексних критеріїв оцінки проектних рішень, в яких грошові витрати виступають лише як обмеження на реалізацію цільової функції. Вдосконалення методики трасування автомобільних доріг і оптимізація проектних рішень на основі кількісних оцінок стану системи "ЛАДС" дозволять знизити витрату палива, зменшити викиди забруднюючих речовин, підвищити надійність діяльності водія.

У другому розділі дисертації викладено основні етапи трасування, розглянута математична модель формування магістрального ходу і методи вирішення вказаної задачі, дана постановка задачі формування траси, обгрунтовані параметри трасування, розглянуті алгоритми формування траси. Необхідність одночасного обліку численних показників при розробці проектів автомобільних доріг дозволяє віднести задачу трасування до класу складних багатокритеріальних задач. Тому для її вирішення використаний метод послідовного поліпшення проектних рішень. Рішення розбите на ряд послідовно здійснюваних етапів: 1) визначення допустимої зони трасування; 2) вирішення задачі прокладання лінії магістрального ходу; 3) обґрунтування параметрів трасування; 4) формування траси.

Модель формування магістрального ходу між контрольними точками. На першому етапі задача полягає у пошуку на реальній поверхні положення першого наближення лінії траси (лінії магістрального ходу), енерговитрати на переміщення яким мінімальні, а капіталовкладення не перевищують граничних значень. З урахуванням обмежень по капіталовкладеннях в будівництво () вимога мінімізації енерговитрат формулюється таким чином:

, (1)

де - множина можливих напрямів траси між контрольними точками у межах зони трасування; - вибраний напрям траси; - параметр трасування; - капіталовкладення в будівництво дільниці автомобільної дороги.

Оскільки на даному етапі здійснюється пошук на реальній поверхні маршруту, який лише надалі може бути трансформований в трасу автомобільної дороги, то найбільш прийнятною для розрахунку енерговитрат на рух є модель об'єкту, який рухається з постійною швидкістю при наявності сили тертя. Облік обмежень в рамках даної моделі проводиться на наступному етапі - при згладжуванні лінії магістрального ходу. Розрахунок енерговитрат на рух зводиться до розрахунку роботи, що здійснюється при русі в прямому і зворотному напрямах, дільницею . Тоді в загальному випадку цільова функція представлена у вигляді:

(2)

де - маса модельного об'єкту, кг; - коефіцієнт опору; - прискорення вільного падіння, м/с ²; - чинник обтічності, кг/м; - кут, утворений реальною поверхнею та її проекцією на горизонтальну площину, - проекція дільниці на горизонтальну площину.

Оскільки задача прокладання магістрального ходу допускає геометричну інтерпретацію, воно зведене до задачі пошуку шляху з мінімальною сумарною вагою на дугах графа, а її рішення отримане на основі розвитку методів теорії графів і теорії оптимального управління (методу поміток і методу лагранжева ослаблення обмежень). Для реалізації методу поміток на плані місцевості будується зв'язний орієнтований граф . З кожною дугою графа пов'язані витрати енергії при русі по дузі - і капіталовкладення в будівництво дільниці - . З обмеженням пов'язаний множник Лагранжа . Введення функції лагранжева ослаблення обмежень дозволило привести задачу (2) до вигляду:

. (3)

Для вирішення задачі (3) розроблені алгоритми і програми автоматизованого розрахунку.

Для більш ефективного пошуку положення першого наближення лінії траси доцільно обмежити зону пошуку, обгрунтувавши параметри прокладання магістрального ходу: ширину допустимої зони трасування і крок цифрової моделі рельєфу (ЦМР). Запропонована послідовність визначення ширини допустимої зони трасування між контрольними точками, виходячи з профілю траси повітряною лінією. У такій постановці враховані: подовження траси і розчленованість рельєфу (). Облік показників цінності зайнятих земель, грунтово-гідрогеологічних умов досягається шляхом призначення контрольних точок і виключення з допустимої зони трасування дільниць, прокладання траси через які недоцільне. З точки зору геометричної інтерпретації задачі формування магістрального ходу, найбільш прийнятним для її рішення є регулярне розташування вузлів графа. Тому в роботі прийнята регулярна ЦМР. Враховуючи випадковий характер розподілу висот на місцевості, запропонована послідовність визначення ширини зони трасування і кроку ЦМР на базі статистичних методів.

Модель формування траси. На цьому етапі задача зводиться до формування найбільш гладкої траси, що найменше відхиляється від початкового першого наближення в значенні середнє квадратичного відхилення. Отримана траса повинна забезпечувати зниження витрати палива, зменшення викидів забруднюючих атмосферу речовин, зниження питомих витрат праці водія, тобто забезпечувати нормальне функціонування системи "ЛАДС". Застосування методу апроксимації згладжуючими кубічними сплайнами дозволило подати цільову функцію у вигляді:

, (4)

, , ,

де - функція, що відповідає за стан системи; - координати лінії магістрального ходу у вузлі ; ,- відповідно згладжені значення координат і лінії траси; , - відповідно поточна і загальна довжина шляху між контрольними точками; - величина згладжуючого параметра сплайна; ,- відповідно фактичне і допустиме значення вектора стану системи; - число вузлів магістрального ходу; - відповідно початкова і кінцева контрольні точки; - відповідно фактичний і допустимий поздовжній ухил; - відповідно проектні значення ординат і ордината контрольної точки лінії поздовжнього профілю.

Як комплексний показник, що характеризує стан всієї системи "ЛАДС" і кожного з її елементів, прийнято вектор стану системи (), уперше запропонований Гавриловим Е.В. Він є результатом агрегації координат стану компонентів системи () "ЛАДС":

, (5)

де - ваговий коефіцієнт відносної важливості - ой координати.

Координати стану компонентів системи і вагові коефіцієнти визначаються через ха-рактеристики взаємодії компонентів системи, або через результати цієї взаємодії. У останньому випадку зручно скористатися інтегральним результатом - швидкістю руху (). Тому:

,, (6)

де , - відповідно нормальна (норма) і гранично допустима швидкості руху для -го ком-понента системи.

Гранично допустиме значення вектора стану системи визначається виходячи з умови . Тому:

. (7)

З урахуванням (5) і (7) обмеження, що накладається на цільову функцію трасування, виглядають так:

. (8)

Для розрахунку координат стану компонентів системи визначено нормальні і граничнодопустимі швидкості руху за станом кожного з компонентів системи. Нормальна і гранично допустима швидкості для людини () оцінювалися по методиці проф. Гаврилова Е.В. Нормальна і гранично допустима швидкості для автомобіля () визначені на основі зв'язку витрати палива та критичного проценту використання потужності з швидкістю руху. Нормальна і гранично допустима швидкості за станом середовища () визначені на основі зв'язку викидів забруднюючих атмосферу речовин з швидкістю руху розрахункового автомобіля. Отримані результати дозволили визначити вектор стану системи через результат взаємодії всіх компонентів системи - швидкість руху розрахункового автомобіля.

Просторова кривина траси. Вимога гладкості траси (4) визначається кривиною лінії в даній точці. Кривина траси, в свою чергу, впливає на швидкість руху. Останнє відкрило шлях до подання координат стану компонентів системи "ЛАДС" () через кривину траси (). Кількісні характеристики зв'язків швидкості з кривиною істотно залежать від поздовжнього ухилу. Для виключення впливу поздовжнього ухилу зроблене нормування швидкості і кривини траси. Віднесення фактичної швидкості до норми швидкості відповідного компонента системи () перетворює відносну швидкість в координату стану компонента. Тому зв'язки відносних швидкостей руху з відносною кривиною траси є зв'язками координат стану компонентів системи з відносною кривиною траси. Вирівнювання вказаних зв'язків і подальше підставляння отриманої залежності в рівняння (7) дозволили визначити допустиму за станом системи просторову кривину для траси двосмужних автомобільних доріг:

(9)

де - норми кривини траси для людини, автомобіля і середовища відповідно.

Отримані результати дозволили подати цільову функцію трасування у вигляді:

, (10)

Рішення задачі формування траси (10) отримане на основі методу згладжування вузлових точок магістрального ходу кубічними сплайнами (сплайни Шенберга) при обмеженні по вектору стану системи. У ході вирішення завдання трасування розбите на формування плану і формування поздовжнього профілю. Застосування теореми Меньє і векторний характер задачі визначення просторової кривини траси дозволили обгрунтувати правомірність такого підходу. Для вирішення вказаної задачі розроблені алгоритми і програми автоматизованого розрахунку.

У третьому розділі обгрунтовано параметри моделі трасування, а саме: отримана аналітична залежність для визначення ширини допустимої зони трасування між контрольними точками, обгрунтований крок регулярної ЦМР, визначені нормальні і граничні значення швидкостей і відповідні нормальні і граничні значення кривини траси за показниками стану компонентів системи (водія, автомобіля, середовища) для розрахункових автомобілів ГАЗ-24 і ЗІЛ-130. У розділі обгрунтована система обмежень на проектну лінію траси за умовою допустимого функціонування системи "ЛАДС".

Ширина зони трасування і крок цифрової моделі рельєфу. Ширина допустимої зони трасування між контрольними точками () визначена за величиною відхилення лінії магістрального ходу від повітряної лінії, що з'єднує контрольні точки на рельєфах різної розчленованості. Обчислювальні експерименти дозволили сформувати вибірку відхилень лінії магістрального ходу від повітряної лінії (на рельєфі з питомою розчленованістю ). Це дало можливість визначити ширину зони трасування за критерієм Стьюдента при надійній імовірності 0.95. У роботі прийнята ЦМР з використанням системи поперечників до повітряної лінії, що з'єднує контрольні точки. Істотний вплив на положення траси і точність розрахунку енерговитрат надає величина кроку ЦМР. Тому при обгрунтуванні кроку поперечників до повітряної лінії основною характеристикою є величина відносної поступки у визначенні енерговитрат (). Допустимий крок поперечників (StepJ) для рельєфів різної розчленованості визначений в діапазоні в довірчому інтервалі 0.95.

Як показник, що визначає величину поздовжнього кроку ЦМР (StepI), прийнятий коефіцієнт варіації координат лінії магістрального ходу відносно нульового наближення, сформованого при StepImin=2,5м. Проведення обчислювальних експериментів за оцінкою StepI проводилося за схемою методу послідовних поступок. У результаті встановлений крок сітки StepI в діапазоні відносної поступки і коефіцієнті варіації в надійному інтервалі 0.95.

Характерні швидкості автомобіля. На основі залежності витрати палива від швидкості руху і поздовжнього ухилу дороги визначені швидкості, при яких енерговитрати мінімальні - норми швидкостей руху за станом двигуна. Швидкості граничні за станом двигуна визначені за величиною індикаторного ККД двигуна, що досягає максимального значення при певних швидкостях. Нормальні () і граничні () значення кривини траси по показниках роботи двигуна визначені шляхом рішення рівняння зв'язку швидкості руху розрахункового автомобіля з просторовою кривиною траси відносно кривини.

Нормативи викидів. Як показник, що характеризує стан середовища, прийнятий сумарний зведений до СО викид забруднюючих атмосферу речовин. Внаслідок розрахунків встановлені швидкості руху, при яких сумарний зведений до СО викид забруднюючих атмосферу речовин мінімальний. Максимальний сумарний пробіговий викид спостерігається при русі автомобіля з максимальній технічній швидкістю - граничній за показниками стану середовища. Вирішення рівняння зв'язку швидкості руху автомобіля з кривиною траси відносно кривини дозволило встановити нормальні () і граничні () значення просторової кривини траси за станом середовища.

Параметри трасування з функціональних можливостей водія. Питомі витрати абстрактної праці водія є інтегральною характеристикою його функціонального стану. Проведені розрахунки дозволили визначити швидкості, при яких забезпечується оптимальний функціональний стан водія, і швидкості, відповідні граничним значенням показників функціонального стану. Отримані результати дозволили обгрунтувати нормальну () і допустиму () за станом водія кривину траси для автомобільних доріг II, III і IY категорій.

Параметри трасування за показником стану системи. Отримані результати дозволили визначити координати стану кожного з компонентів системи і вектора стану системи, що в свою чергу дозволило вирішити такі задачі: 1) на основі встановлених зв'язків координат стану компонентів системи з кривиною траси визначити допустиму за показниками функціонування системи кривину траси; 2) обгрунтувати систему обмежень на проектну лінію траси. Обчислювальні експерименти дозволили встановити зв'язок вектора стану системи з гео-метричними характеристиками траси і швидкістю руху розрахункового автомобіля. Це дозволило визначити системні норми і гранично допустимі значення всіх компонентів системи: витрати палива, зведеного до СО викиду, питомих витрат праці водія.

У четвертому розділі дана оцінка ефективності моделі трасування, що містить в собі: адекватність розрахункової моделі діяльності водія експериментальним даним і порівняльну оцінку проектних рішень.

Перевірка адекватності містить в собі: оцінку вірогідності розрахунку імовірності утримання заданої швидкості руху та оцінку зв'язку питомих витрат праці водія зі зсувом частоти серцебиття. Обробка експериментальних даних дозволила: 1) підтвердити адекватність розрахункових значень імовірності утримання заданої швидкості експериментальним даним; 2) показати, що зсув частоти серцебиття пов'язаний з розрахунковими значеннями питомих витрат праці водія лінійною залежністю. Це дозволило зробити висновок, що питоми витрати правомірно використовувалися як характеристика енергетичної вартості руху.

Порівняльна оцінка проектних рішень проводилася шляхом зіставлення існуючих і проектуємих варіантів траси. Як початковий матеріал прийнятий проект автомобільної дороги "с. Білопілля - с. Ворожба" в Сумській області. Порівняння проводилося по таких показниках: 1) енерговитрати на рух одиночного легкового автомобіля, при розрахункової швидкості 100 км/ч; 2) пробігова витрата палива (, л/100 км); 3) зведений до СО викид (, г/км); 4) витрата палива на рух по дільниці (, л); 5) питомі витрати праці водія; 6) вектор стану системи "ЛАДС" і координати стану кожного компонента. Аналіз результатів розрахунку дозволив встановити, що на дорозі, яка знову проектується, знижена витрата палива на 8,6%, зменшений зведений до СО викид забруднюючих атмосферу речовин, мінімальні питомі витрати праці водія. Використання системних критеріїв при проектуванні дільниці автомобільної дороги дозволило створити умови, при яких координати і вектор стану системи "ЛАДС" не перевищують своїх граничних значень.

У п'ятому розділі наведені рекомендації по призначенню допустимої зони трасування і кроку цифрової моделі рельєфу, приведені алгоритми формування лінії магістрального ходу і формування траси, дана методика формування енергозберігаючої траси. Методика формування траси є логічним узагальненням отриманих результатів і полягає в послідовності операцій по формуванню траси: 1) призначення допустимої зони трасування і кроку ЦМР; 2) прокладання лінії магістрального ходу; 3) розрахунок допустимої кривини траси; 4) згладжування лінії магістрального ходу при обмеженнях по вектору стану системи "ЛАДС".

Висновки

1. У дисертації наведене розв'язання науково-технічної проблеми енергозбереження на етапі розробки проектів автомобільних доріг, що спрямовано на економію паливних ресурсів, забезпечення екологічної безпеки автомобільних доріг, підвищення безпеки і поліпшення умов діяльності водія. У рамках розв'язання цієї проблеми розроблена методика енергозберігаючого трасування з урахуванням ергономічних і екологічних вимог системи "ЛАДС".

2. У рамках системного проектування розроблений комплексний показник, що характеризує стан системи "ЛАДС". Як комплексний показник прийнятий вектор стану системи, що враховує стан автомобіля, водія і навколишнього середовища. Застосування вектора стану системи як обмеження на цільову функцію трасування дозволяє отримати рішення, що забезпечують допустиме функціонування системи "ЛАДС".

3. Рішення задачі енергозберігаючого трасування здійснюється методом послідовного поліпшення проектних рішень, суть якого полягає в послідовному застосуванні критеріїв на різних етапах формування траси. Рішення задачі складається з послідовно здійснюваних етапів: 1) визначення допустимої зони трасування; 2) формування початкового наближення лінії траси між контрольними точками по енергетичних критеріях (енерговитрати на рух); 3) обгрунтування параметрів трасування; 4) формування лінії траси за екологічними, ергономічними, технічними критеріями.

4. Розроблена математична модель формування магістрального ходу за критерієм мінімуму енерговитрат. На базі моделі розроблені алгоритми формування магістрального ходу в умовах рівнинного і пересіченого рельєфів місцевості шляхом модифікації методів теорії графів і теорії оптимального управління та їх адаптації стосовно до задачі трасування. Методами математичної статистики визначені і обгрунтовані параметри моделі: допустима зона трасування між контрольними точками, крок ЦМР. Дійсні значення ширини допустимої зони трасування і кроку ЦМР розраховані для надійної імовірності 0.95. Ширина зони трасування між контрольними точками змінюється в діапазоні 50...1000 метрів при розчленованості рельєфу відповідно - 10...200 м/км, крок ЦМР - 100...5 метрів при розчленованості рельєфу 10...159 м/км і величині відносної поступки 5%.

5. Розроблена математична модель формування траси, що полягає у формуванні найбільш гладкої траси, яка найменше відхиляється від початкового першого наближення в значенні середнє квадратичного відхилення і забезпечує зниження витрати палива, зменшення викидів забруднюючих атмосферу речовин, підвищення надійності діяльності водія. Обгрунтовані геометричні характеристики траси за умовою нормального функціонування системи "ЛАДС". Встановлено, що найбільший вплив на показники стану системи "ЛАДС" надають величина поздовжнього ухилу і кривина траси. Визначені нормальні і граничнодопустимі значення кривини траси по локальних координатах стану системи, а так само отримана аналітична залежність локальних координат від кривини траси. Сукупність даних результатів дозволила встановити аналітичну залежність для визначення допустимої за показником стану системи кривини траси. Розрахована допустима кривина траси для доріг III категорії, що змінюється в діапазоні від 27,446*10-4 1/м (0 0/0) до 12,718*10-4 1/м (для ухилу 50 0/0).

6. Порівняльний аналіз проектних рішень дозволив підтвердити ефективність розробленої моделі трасування. Формування траси за системними критеріями дозволило знизити енерговитрати на рух, а отже, зменшити витрату палива на 8.6%, знизити зведений до СО пробіговий викид на 3.53 г/км, зменшити питомі витрати праці водія, забезпечивши імовірність утримання заданої швидкості на рівні 0.8.

7. Проведені теоретичні дослідження і чисельні експерименти дозволили розробити методику формування енергозберігаючої траси автомобільних доріг II-IY категорій в умовах рівнинного і пересіченого рельєфів місцевості з урахуванням забезпечення нормального функціонування системи "ЛАДС".

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гаврилов Э.В., Батракова А.Г. Применение метода лагранжева ослабления для решения задачи проложения магистрального хода при трассировании автомобильных дорог // Вестник ХГАДТУ. - 1997. - №3. - С. 39 - 41.

2. Гаврилов Э.В., Батракова А.Г. Назначение границ полосы варьирования и шага цифровой модели местности // Вестник ХГАДТУ: Сб. научн.тр. - 2000. - вып.11.- С. 55-58.

3. Гаврилов Э.В., Батракова А.Г. Системные критерии формирования энергосберегающей трассы // Вестник ХГАДТУ: Сб. научн. тр. - 2000. - вып. 12. - С.115-118.

4. Батракова А.Г. Энергосберегающее трассирование автомобильных дорог // Эргономика на автомобильном транспорте./ Под ред. проф. Э.В. Гаврилова. - Харьков: ХГАДТУ, 1997. - С. 45 - 47.

5. Батракова А.Г. Формирование плана трассы автомобильных дорог по критерию минимума энергозатрат // Проектирование, строительство, эксплуатация автомобильных дорог, аэродромов и искусственных сооружений. Труды СоюзДорНИИ. - М.: Союздорнии. - 1997. - вып.194. - С. 54 - 63.

6. Гаврилов Э.В., Батракова А.Г. Алгоритм и пакет программ для трассирования автомобильных дорог.// Информационный листок ИЛ № 165-94. Государственный комитет Украины по вопросам науки и технологий. Украинская информационная корпорация "УкрНТИ". ХАРПНТЭИ. - Харьков: ХАРПНТЭИ. - 1994. - 4 с.

7. Батракова А.Г. Разработка базового алгоритма трассирования автомобильных дорог. // Тезисы докладов научно-технической конференции "Пути повышения эффективности дорожного хозяйства Украины в новых условиях хозяйствования". - К.: КАДИ. - 1994. - С.23.

8. Гаврилов Э.В., Батракова А.Г. Алгоритм расчета магистрального хода при трассировании автомобильных дорог по критериям социальной адекватности / ХДАДТУ - Киев, 1995. - 19 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 25.04.95, №29 - УК 95.

9. Батракова А.Г. Вычислительные аспекты энергосберегающего трассирования // Информационные технологии: наука, техника, образование, здоровье./ Тр. междунар. науч.-техн. конф., Харьков, 12 - 14 мая 1997г. - Ч.3. - Харьков, Мишкольц, Магдебург: Харьк. гос. политехн.ун-т, Мишкольц. ун-т, Магдебург. ун-т. - 1997. - С. 239 - 243.

10. Батракова А.Г. Алгоритм расчета оптимального маршрута движения по реальной поверхности // Системы управления и связи. Труды ХВУ. - Харьков: НАНУ, ПАНИ, ХВУ. - 1996. - С. 18 - 21.

11. Гаврилов Э.В., Батракова А.Г. Трассирование автомобильных дорог по системным критериям // Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже 3-го тысячелетия. / Материалы междунар. науч. конф., Харьков, 16-18 октября 2000г. - Харьков: ХДАДТУ. - 2000. - С.43-44.

Размещено на Allbest.ru

...