ОБОСНОВАНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

На правах рукописи
ПЛАТОНОВА ЕЛЕНА ВЯЧЕСЛАВОВНА
ОБОСНОВАНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
СКОРОСТНЫХ РЕЖИМАХ И МОДЕЛЯХ
ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА
Специальность 05.21.01– «Технология и машины лесозаготовок и
лесного хозяйства»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск – 2006
Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете
(АГТУ).
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
профессор Павлов Ф.А.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор Камусин А.А.
кандидат технических наук,
профессор Салминен Э.О.
Ведущая организация:
ОАО Северный проектно-изыкательский
институт «Севпромпроект» (г. Архангельск)
Защита диссертации состоится 26 июня 2006г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 в Архангельском государственном техническом
университете (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины 17, ауд. 1228).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета
Автореферат разослан
мая 2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
Земцовский А. Е.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основное назначение каждой лесовозной дороги состоит в том, чтобы вывезти в заданные сроки плановый объем древесины при
возможно меньшей себестоимости, наименьших затратах труда, при максимальном использовании автопарка.
В современных условиях, строительство лесовозных дорог – дорогостоящий процесс. Учитывая то, что большинство лесозаготовительных предприятий
работают в условиях полного хозрасчета и самофинансирования, выбор категории лесовозной дороги должен быть обоснован, так как именно от категории дороги зависит ее сметная стоимость. Отрасли необходимо иметь такую классификацию, по которой спроектированная лесовозная дорога будет вывозить весь
плановый объем древесины и иметь минимальные затраты на строительство и
содержание.
В нормативных документах категорию лесовозных дорог устанавливают по
расчетному объему перевозок, обоснование которого нигде не приводится. Очевидно, эти нормы созданы на основе учета опыта эксплуатации магистральных
дорог и изучения закономерностей движения потоков. В связи с этим вопросы
исследования и разработки научно обоснованных технических решений по категорированию лесовозных дорог являются актуальными. Основным показателем,
определяющим деление лесовозных дорог на категории должна быть величина
пропускной способности. Пропускная способность по дорогам общего назначения в настоящее время исследована достаточно подробно, в то же время вопросы, касающиеся пропускной способности автомобильных лесовозных дорог
изучены недостаточно. Преобладание однополосных лесовозных дорог (в Архангельской области - 88%) создает необходимость проведения углубленных исследований их пропускной способности. Это позволит внести определенные поправки и дополнения в существующую классификацию лесовозных дорог.
Перечисленные обстоятельства вызвали потребность в дополнительных
теоретических и экспериментальных исследованиях, касающихся вопросов пропускной способности лесовозных дорог, которые послужили материалом к
настоящей диссертации.
Цель работы – обоснование пропускной способности лесовозных дорог
при различных скоростных режимах и моделях транспортного потока для уточнения существующей классификации лесовозных дорог.
Задачи исследований.
1. Исследовать факторы, влияющие на пропускную способность лесовозных дорог;
2. Провести экспериментальные исследования по определению скорости
движения лесовозных автопоездов с помощью устройств на базе приборов GPS
и соответствующего оборудования;
3. Разработать компьютерные программы для получения модели множественной линейной и нелинейной регрессии. На основании полученных значе-
4
ний определить зависимость средней скорости движения от различных характеристик продольного профиля (максимального подъема, средне арифметического
значения уклона, дисперсии продольных уклонов);
4. Обосновать теоретические предпосылки расчета пропускной способности лесовозных дорог при имеющихся моделях транспортного потока;
5. Разработать и предложить способы расчета пропускной способности на
двух- и однополосных лесовозных дорогах и определить порог применения однополосных и двухполосных дорог;
6. Оценить влияние пропускной способности лесовозных дорог на объемы
перевозок и категорирование лесовозных дорог.
Обоснованность и достоверность результатов исследований
подтверждается применением методов математического моделирования изучаемых процессов, использованием в исследовании практических достоверных данных с последующей обработкой результатов с применением методов математической
статистики, совпадением теоретических и экспериментальных данных.
Научная новизна:
 Установлены взаимосвязи между характеристиками продольного профиля
дороги и скоростью движения лесовозного автопоезда, которая выражается в
виде в виде регрессионных моделей.
 Установлена связь пропускной способности лесовозных дорог со скоростью движения лесовозного автопоезда и моделями транспортного потока, которая выражена в виде аналитических зависимостей.
 Разработаны научно обоснованные рекомендации по уточнению классификации лесовозных дорог, основанные на их пропускной способности.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть
использованы проектными организациями при оценке пропускной способности
лесовозных дорог, а также для установления их категории при проектировании.
Реализация новых предложений по категорированию лесовозных дорог
позволит повысить транспортно-эксплуатационные показатели дорог, снизить
затраты на строительство, содержание и ремонт лесовозных дорог, а также значительно уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.
На защиту выносятся:
 комплексная оценка факторов, влияющих на пропускную способность
лесовозных дорог;
 математические зависимости с компьютерной поддержкой, позволяющие определять значения скорости движения лесовозных автопоездов на любом участке дороги;
 аналитические зависимости для определения пропускной способности
лесовозных дорог при различных моделях транспортного потока;
 рекомендации по обоснованию пропускной способности с целью
уточнения существующей классификации лесовозных дорог.
Реализация результатов исследований. Скоростные режимы движения
лесовозных автопоездов, полученные с помощью GPS, использовались при раз-
5
работке норм расхода топлива. Рекомендации по категорированию лесовозных
дорог используются в проектах института Севпромпроект.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного
исследования докладывались на научно-технических конференциях по итогам
научно-исследовательских работ за 2001-2006 годы.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 5 статьях.
Объем и структура работы. Диссертационное исследование состоит из
введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 140 страницах
машинописного текста, включает в 24 таблицы, 30 рисунков, в списке использованных источников 70 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показаны научная новизна и практическая значимость результатов исследований,
сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор работ по исследованию пропускной способности автомобильных дорог и скорости движения автомобилей; проанализировано состояние лесов Архангельской области; рассмотрены факторы, оказывающие влияние на пропускную способность дорог; оценено влияние скорости
движения на технико-эксплуатационные показатели дорог, поставлены цель и
задачи исследования.
В области изучения пропускной способности автомобильных дорог проведен ряд научных исследований. Существенный вклад в решение проблемы, связанной с определением пропускной способности автомобильной дороги внесли:
М.Н. Дьяков, А.К.Бируля, Г.Д. Дубелир, Д.П. Великанов,.А.М. Кривисский, А.А.
Поляков, Йоханнессон, Гриншилдс в результате исследований которых в настоящее время имеется возможность решать практические задачи определения пропускной способности не только автомобильных дорог общего пользования, но и
промышленного транспорта.
Профессор А.А. Калерта, И.С. Крюков рассматривали вопросы пропускной
способности военных дорог.
Работы по исследованию пропускной способности лесовозных дорог принадлежат – Б.А. Ильину, Б.И. Кувалдину, И.И. Леоновичу. Изучение вопроса
пропускной способности на однополосных дорогах рассматривался крайне редко, хотя является важным перспективным направлением дорожного строительства. Пропускная способность на однополосных дорогах при малой интенсивности изучалась Л.О. Невеселовым и В.О. Крамаренко.
Работы по исследованию способов определения скорости движения автомобилей принадлежат - Бельскому А.Е.,. Великанову Д.П., Васильеву
А.П.,.Хавкину К.А., Хорошилову Н.Ф., Кременец Ю.А., Сильянову В.В., Зимелеву Г.В. Однако, к сожалению, не во всех методах учитывается характер про-
6
дольного профиля. Решение данной проблемы предполагает использование современных информационных технологий.
Исследования вопросов, связанных с методами определения пропускной
способности автомобильных дорог и скорости движения автомобилей, отражено
в большом количестве работ, что подтверждает значимость рассматриваемых
вопросов. Результаты анализа проблемных исследований позволяют отметить
следующее:
 Как отечественной, так и зарубежной наукой в большей степени проработаны вопросы определения пропускной способности дорог общего пользования. Вопросы, касающиеся пропускной способности лесовозных дорог изучены пока недостаточно. Необходимо изучить, проанализировать
существующие и разработать новые методы для определения пропускной
способности именно лесовозных дорог.
 Пропускная способность лесовозной дороги зависит от множества факторов, основными из которых являются: скорость и состав движения; числа
полос движения; влияние погодно-климатических факторов; воздействие
дорожной пыли. Однако при анализе факторов, влияющих на пропускную
способность лесовозной дороги, особое внимание следует уделить модели
транспортного потока.
 Методы определения пропускной способности на однополосных дорогах
практически отсутствуют. А так как в большинстве случаев лесовозные
дороги – однополосные, то возникает необходимость более детального
рассмотрения данного вопроса.
 Скорость служит основной характеристикой, в значительной степени
определяющей весь комплекс показателей автомобильного движения и
транспортно-эксплуатационных качеств лесовозного автотранспорта;
 Методов определения скорости движения лесовозного транспорта существует достаточное количество. Один из современных способов – определить скорость движения лесовозных автопоездов, применяя приборы на
базе устройств GPS. Однако для Архангельской области, которая относится к числу крупнейших лесных регионов, данная система в лесном комплексе не использовалась;
 Для лесовозных дорог характерна сравнительно небольшая интенсивность движения при значительной нагрузке не автомобильный поезд. В
связи с этим при проектировании практически приходится решать вопрос
о том, одну или две полосы движения назначать в пределах проезжей части дороги. А это означает, что необходимо установить связь между пропускной способностью лесовозной дороги и ее категорией
Исходя из анализа состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе изложены методики экспериментальных исследований с описанием приборов, оборудования, результаты проведенных исследований, кото-
7
рые в последствии обрабатывались методами множественной корреляции и статистикой.
Экспериментальные исследования включали в себя следующее:
а) измерение времени прохождения автопоездом однокилометровых
участков лесовозных дорог с различными типами покрытий;
б) измерение скорости движения лесовозных автопоездов с использованием спутниковой радионавигационной системы (GPS);
в) изучение факторов, влияющих на пропускную способность лесовозных дорог;
г) измерение времени нахождения автопоезда на разъезде.
Перед проведением экспериментов необходимо провести оборудование
участка лесовозной дороги, а именно, разбить трассу на покилометровые участки. Для точного фиксирования момента входа и выхода автомобиля на базис
(мерный участок) устанавливали вешки (на каждом километре). Километраж измерялся с помощью мерной ленты.
В кабину водителя размещался наблюдатель с двумя секундомерами, бланками для записей, ручкой. Во время въезда автопоезда на каждый нечетный километр, включался первый секундомер; при входе на каждый четный – первый
секундомер выключался и начинал работать второй секундомер. Во время работы второго секундомера наблюдателем записывалось в бланк время, зафиксированное на первом секундомере. Таким образом были проведены исследования на
протяжении всего участка.
Изначально замерялось время проезда автопоезда в прямом и обратном
направлениях по всему обследуемому маршруту, при отсутствии помех от других автомобилей в периоды малой интенсивности движения. Полученные данные сводятся в таблицы, которые представлены в диссертации.
Также скорости движения автопоездов были замерены новым способом –
с использованием системы GPS. Первые попытки по использованию информационной системы для контроля работы автопарка и управления транспортнотехнологическими процессами на базе приборов GPS/GPM в лесном комплексе
России начаты в ООО «Пим» в Ленинградской области. Представленная система
прошла успешные испытания на базе лесозаготовительного предприятия «Пим»
(филиал кафедры сухопутного транспорта леса Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова), под руководством заведующего кафедрой, профессора, к.т.н. Салминена Э.О. к.т.н. Борозны А.А. и уже
эксплуатируется в нескольких лесозаготовительных компаниях Ленинградской
области, показывая высокую живучесть и стабильность в тяжелых эксплуатационных условиях. Представленные наблюдения в Архангельской области проводились впервые.
Для контрольных заездов были выбраны технически исправные автопоезда.
Все автопоезда оснащены приборами глобального позиционирования GPS с независимым от бортовой сети питанием, регистрирующем время нахождения в
наряде, пробег автопоезда, остановок в пути и стоянок на верхних складах.
8
При проведении исследований по определению скорости движения лесовозных автопоездов использовалась система мониторинга автотранспорта, которая в данном случае состоит из следующих технических устройств:
Программа
чер».
«Диспет- Данная программа содержит базу данных автомобилей,
водителей и устройств GPSR-1. Программа позволяет
рассматривать маршрут движения автомобиля (в том
числе в режиме анимации), задавать эталонные маршруты движения транспортного средства и т.д.
Одной из трех моди- Устройство определения местоположения объекта
фикаций GPS реги- наблюдения, его скорости и точного времени пребывастраторов – GPSR-1.
ния на маршруте. Предусмотрена возможность снимать
характеристики с 9 аналоговых и 9 дискретных входов и
записывать их в энергонезависимую внутреннюю память с интервалом 1-30секунд. Устройство снабжено
активной внешней антенной.
Устройство
снятия Снятие информации может осуществляться диспетчером
информации с объекта дистанционно через радиоканал на частоте 433 МГц и
радиусом действия 300м, передавать регистрируемые
данные через GSM связь в режиме реального времени
или при помощи flash- карты.
Персонального компьютера
диспетчерского пункта.
Для сбора, передачи и хранения информации о местоположении объекта и
его состоянии на мобильный объект устанавливается электронный блок GPSR. К
блоку подключается GPS антенна для приема сигналов со спутников.
Антенна принимает сигналы со спутников системы GPS и передает их в блок.
При возвращении автомобиля на автобазу (или в другое место, где установлен
диспетчерский компьютер с соответствующем программным обеспечением) к
блоку GPRS подключается flash-карта и информация переписывается на карту, а
внутренняя память блока очищается. После передачи данных с автомобиля на
компьютер диспетчера вся информация сохраняется на жестком диске и доступна для просмотра и анализа.
В качестве примера работы системы GPS показан фрагмент работы программы «Диспетчер».
9
Рис.1. Фрагмент работы программы «Диспетчер»
Программой экспериментальных исследований предусматривалось измерение времени ожидания автопоезда на разъезде.
При выполнении данных замеров использовались 3 электронных секундомера марки Электроника ИТ-01. Включение первого секундомера соответствовало въезду на разъезд. Его выключение – остановке автопоезда. В этот момент
включался второй секундомер, фиксирующий время ожидания автопоезда на
разъезде. Начало съезда соответствовало выключению второго секундомера и
включению третьего. После того как автопоезд покидает разъезд, секундомер
выключается.
Во время переезда от одного разъезда к другому замеренные на секундомерах данные записывались в бланк. И все результаты сбрасывались. Суммарное время на разъезде определялось сложением всех составляющих. Кроме использование секундомера, при проведении эксперимента применялась цифровая
видеокамера VP-D20i.
10
После выполнения экспериментальной части переходят к построению математической модели зависимости скорости движения от характеристик продольного профиля (максимального подъема, средне арифметического значения
уклона и дисперсии уклонов). Вид целевой функции скорости движения автопоезда определен с помощью методов множественного регрессионного анализа, на
основе данных, полученных в результате проведенных экспериментов.
В данном случае применяется множественный корреляционнорегрессионный анализ, который решает следующие задачи: определяет форму
связи результативного признака с факторными, выявляет тесноту этой связи и
устанавливает влияние отдельных факторов.
Уравнение регрессии для выбранной модели имеет вид:
v  a  a  mi  a  si  a  di ,
0
1
2
3
(1)
Параметры a 0 , a1 , a 2 и a3 находятся путем решения системы нормальных
уравнений:
na  ( mi)  a  ( si )  a  ( di)  a   v
1
2
3
 0
( mi) a  ( mi 2 )  a  ( si  mi)  a  ( di  mi)  a   v  mi

0
1
2
3

2
( si ) a0  ( mi  si )  a1  ( si )  a2  ( di  si )  a3   v  si

( di) a  ( mi  di)  a  ( si  di)  a  ( di 2 )  a   v  di
0
1
2
3

,
(2)
Затем, решая эту систему методом Гаусса, получаем значение коэффициентов a 0 , a1 , a 2 и a3 . В данной работе применяем гауссовский метод исключения
и LU-разложения, который позволяет нам избежать влияния вычислительной погрешности. Рассмотрим метод в общем виде. Нам необходимо решить систему
линейных уравнений A  x  b . Алгебраической основой гауссовского исключения служит следующая теорема:
«Пусть дана квадратная матрица А порядка n и Ak означает главный
минор матрицы, составленный из первых k строк и столбцов. Предположим,
что det( Ak )  0 для k=1,2,…,n-1. Тогда существует единственная треугольная
матрица L  (mi j ) , где m11  m22  ...  mnn  1 , и единственная верхняя треугольная матрица U  (u i j ) , такие, что L  U  A ».
Представление матрицы А в виде произведения L  U является основой
идей гауссовских схем исключения, так как тогда система A  x  b может быть
записана как
(3)
L U  x  b ,
и сводится к двум системам с треугольными матрицами
L y b
и
U x y,
(4,5)
11
которые легко решаются. Компоненты промежуточного решения y могут быть
получены из первой системы непосредственно, так как первое уравнение содержит только y1 , второе – только y1 и y 2 и т.д. Затем компоненты х могут быть
получены аналогично из второй системы в таком порядке x n , x n 1 ,..., x1 . Таким
образом, получаем модель множественной регрессии. Далее необходимо рассчитать коэффициент множественной корреляции и частные коэффициенты.
При простой регрессии относительное значение или сила влияния независимых факторов измерялись отношением стандартного отклонения оцененных
величин к стандартному отклонению фактических величин и это отношение
называлось - коэффициентом корреляции.
Исходя из вышеизложенного, можно дать определение коэффициенту
множественной корреляции, то есть когда оценки основываются на нескольких
переменных, относительное значение всех этих переменных может быть измерено путем сравнения стандартного отклонения оцененных величин с соответствующим показателем. В общем виде коэффициент множественной корреляции
определяется по формуле:
2
R1/(234 ...m) 
(b12 /(34 ...m) (  x1  x 2 )  b13 /(24 ...m) (  x1  x3 )  ...  b1m /(23 ...( m1)) (  x1  x m )
2
 ( x1 )
,(6)
В нашем случае формула будет выглядеть следующим образом:
R2

v /( misidi)
(b
( v  mi)  b
( v  si )  ...  b
( v  di)
vmi /( sidi) 
vsi /( midi) 
vdi /( misi ) 
,(7)
2)
(
v

В дополнение к измерению влияния всех комбинированных независимых
переменных иногда желательно получить показатель частного воздействия каждой отдельной переменной, предполагая при этом связь ее с остальными независимыми переменными. Для этого определяют коэффициенты частной корреляции. Коэффициентом частной корреляции измеряется корреляция между зависимой переменной (в нашем случае скорости движения) и каждым из нескольких
факторов, искажающим эту корреляцию (максимальный подъем, среднее арифметическое значение уклона, дисперсия уклонов). В программе определяют
частные коэффициенты корреляции, которые характеризуют степень тесноты
связи между двумя признаками di и v при фиксированном значении других
факторных признаков. В случае зависимости v от нескольких факторных признаков mi, si и di коэффициент частной корреляции следующий:
r

vdi /( misi )
(1  R 2
)  (1  R 2
)
v /( mi si )
v /( mi si di )
,
1  R2
v /( mi si )
(8)
12
или
1  R2
v / (mi si di )
r
 1
,
vdi /( misi )
1  R2
v /( mi si )
(9)
Для среднего арифметического значения уклона и максимального подъема в грузовом направлении коэффициенты частной корреляции имеют следующий вид:
1  R2
v / (mi si di)
r
 1
;
vsi /( midi)
1  R2
v /( mi di)
(10)
1 R2
v / (mi si di )
r
 1
;
vmi /( sidi )
1 R2
v /( si di )
(11)
Рассмотрение множественной регрессии до настоящего момента ограничивалось линейной зависимостью, при которой предполагалось, что изменение зависимой переменной происходят равномерно, в постоянном отношении к единице каждой независимой переменной. Однако, ограничение анализа линейными
отношениями зависимости при применении множественной регрессии может серьезно снизить ценность этого анализа для ряда задач или даже совсем исключить возможность его использования.
Разумеется, линейная функция не всегда хорошо отражает данную зависимость от нескольких переменных. Принципиальная основа выбора вида функции
для уравнения корреляционной зависимости от нескольких признаков остается
та же. Но практически применение криволинейной связи с несколькими переменными затруднительно и, в тем большей мере, чем больше этих переменных.
Однако с помощью ЭВМ эта задача становится решаемой. Для этой цели были
рассмотрены следующие криволинейные функции- обратная функция от диспер1
); логарифмическая функция ( ln( di) ; среднеквадраdi
тическое отклонение от дисперсии продольных уклонов ( di ).
сии продольных уклонов (
В уравнении зависимости появляется четвертая переменная. Решение полученного таким образом уравнения немного усложняется, но суть остается такой
же. Для нахождения уравнения зависимости, а также для определения коэффициента множественной корреляции и коэффициентов частной корреляции составлены компьютерные программы. Все программы представлены в приложениях диссертационной работы. По результатам опытов получают зависимость
скорости движения от характеристик продольного профиля v  f (mi,  si , di ) .
Обработка результатов эксперимента начинается с корреляционного анализа, который выполняется с целью выяснения наличия линейной (нелинейной)
связи между величинами v, mi,  si и di .
13
Оценка достоверности связи выполняется с помощью коэффициента корреляции и коэффициентов частной корреляции. В итоговой таблице1 значения
этих коэффициентов находятся в пределах (0,5…0,95), что означает о присутствии линейной, либо нелинейной связи. Для выяснения характера связи переходят к построению математической зависимости. Обработав результаты эксперимента, получим математические модели опытов, что позволит нам исследовать
характер и степень виляния каждого из факторов на выходящую величину (v). В
ходе выполнения разработанных в представленной работе компьютерных программ на языке Turbo Pascal - MinCor21, MinCor22, MinCor23, MinCor24 были
получены следующие уравнения регрессии и значения коэффициентов корреляции:
v  12.5  0.0181  mi  0.0160  si  0.000738  di,
1
v  12.1  0.0108  mi  0.0105  si  0.000708  di  22.2 / di,
2
v  14.4  0.00143  mi  0.00161 si  0.000232  di  0.475  ln( di),
3
v  13.3  0.000142  mi  0.000327  si  0.00122  di  0.124  di ,
4
Таблица 1
Функция
Итоговая таблица
Коэффициент множественной
корреляции
R
Коэффициенты частной корреляции
R1 (mi)
R2 (si)
R3 (di)
R4
Прямая
0,874
0507
0,376
0,565
-
Обратная (1/di)
0.913
0.356
0.295
0.615
0.543
Логарифмическая ln(di)
0.940
0.0908
0.0519
0.248
0.712
di
0.946
0.0527
0.0103
0.542
0.745
Затем по экспериментальным точкам и полученным зависимостям строились соответствующие графики, анализируя которые можно сделать выводы об
адекватности полученных математических моделях.
Адекватность представленных выше моделей доказывают рис.2-5, где точки представляют собой наблюдаемые значения скорости движения, а прямая
(криволинейная) линия – предсказанные по модели, при одинаковых наборах
значений факторов, включенных в модель. Тесное расположение точек говорит о
высокой степени соответствия модели объективной ситуации.
14
скорость движения, м/с
14
13
12
11
10
9
0
500
1000
1500
2000
2500
дисперсия уклонов,‰2
Рис. 2. График зависимости скорости движения от дисперсии уклонов продольного
профиля
скорость движения, м/с
14
13
12
11
10
9
0
500
1000
1500
2000
2500
дисперсия уклонов,‰2
Рис. 3. График зависимости скорости движения от обратной характеристики дисперсии
уклонов продольного профиля (для 1/di).
скорость движения,
м/с
14
13
12
11
10
9
0
500
1000
1500
2000
2500
2
дисперсия уклонов,‰
Рис. 4. График зависимости скорости движения от логарифма дисперсии уклонов продольного профиля (для ln(di)).
скорость движения, м/с
15
14
13
12
11
10
9
0
500
1000
1500
дисперсия уклонов,‰
2000
2500
2
Рис.5. График зависимости скорости движения от среднеквадратического отклонения
дисперсии уклонов продольного профиля (для di).
Как видно, использование метода множественной корреляции в данном
случае позволяет более точно проанализировать данные и получить результаты
максимально приближенные к фактическим. В данной работе необходимо использовать в качестве четвертого параметра di, так как именно при этой характеристике более полно можно охарактеризовать результаты, полученные в опыте. Однако, не всегда необходимо стремиться сразу в расчетах применять метод
множественной нелинейной регрессии. Сначала требуется определить зависимость и тем, и другим методами, и уже после делать выводы. Предлагаемые программы позволят на этапе проектирования лесовозных дорог рассчитать скорость движения лесовозного транспорта на любом участке, а также определить
участки трассы, где необходимо понижать скорость движения и тем самым избежать ДТП.
Также в данной главе приведен анализ результатов исследований по определению времени ожидания автопоезда на разъездах. Для определения времени
ожидания автопоезда на разъезде выполнены замеры времени на: въезде, ожидания и съезде с разъезда. Результаты экспериментов представлены диссертации.
По полученным экспериментальным данным получены распределения и составлена статистика.
Нормальность закона распределения доказывают при помощи расчета
асимметрии и эксцесса. Если выполняется неравенство
z AS 
As
Es
 3, z ES 
 3,
S as
S es
(12,13)
Выборочные коэффициенты асимметрии и эксцесса определяют по формулам:
As 
m3
m
; Es  4  3,
4
3
где m3 , m4  центральные выборочные моменты 3-го и 4-го порядков,
(14,15)
16
12 ср
3
 ( xi  X )  ni
m3  i 1
N
12 ср
4
 ( xi  X )  ni
m4  i 1
N
(16)
(17)
xiср  середина i-го интервала;
S as , S es  стандартные отклонения асимметрии и эксцесса,
S as 
z AS 
6
;
N 3
S еs 
0,1
 0,41 3,
0,24
z ES 
(18)
24
N 5
(19)
1,05
  2,19  3 ,
0,48
так как выполняется условие можно говорить о нормальности закона распределения.
0,45
0,4
12
0,35
10
0,3
8
0,25
6
0,2
0,15
4
0,1
2
0,05
0
плотность распределения
p(z)
частота попадания n, шт
14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
интервалы
Рис. 6. Гистограмма полигон распределения времени ожидания автопоезда на разъезде совмещенная с графиком нормальной плотности
Из рис.6 видно, что полученное из наблюдений эмпирическое распределение
времени ожидания автопоезда на разъезде довольно хорошо согласуется с нормальным распределением, так как лишь сравнительно небольшие участки гистограммы
выходят за пределы кривой нормальной плотности. Однако такое глазомерное
сравнение распределений является весьма приближенным; более точно сравнение
выполняется с помощью специальных критериев.
Чтобы принять или опровергнуть гипотезу о том, что случайная величина χ
подчиняется некоторому определенному закону распределения F(χ), рассмотрим
величину χ2, характеризующую степень расхождения теоретического и экспериментальных распределений. После всех выполненных расчетов делаем вывод:
17
«Так как χ2 < χ29;0,05, т. е. 8,2433 < 16,92, следовательно, гипотеза о нормальности распределения рассматриваемого процесса принимается при уровне значимости α = 0,05».
В ходе выполнения экспериментов также изучали поведение автопоезда до
и после разъезда, для этой цели были выполнены следующие измерения - время
и скорость при подходе к разъезду и при выходе с него. Результаты исследования представлены в диссертации. По данным, полученным во время эксперимента, производили построение графика изменения скорости движения при подходе
автопоезда к разъезду и выхода с него
скорость движения, км/ч
40
30
20
10
0
0
-10
10
20
29,5
30
40
12,49
50
60
70
80
90
74,25
100 110 120 130 140 150
13,12
19,74
-20
20…40,2
8,11…16
50,69…99,17
9,1…16,95
14,91…25,54
время, затрачиваемое автопоездом при заходе на
разъезд,с
Рис.7. График изменения скорости движения при подходе автопоезда к разъезду и выхода с него
Третья глава посвящена обоснованию необходимости разработки нормативной базы, позволяющей уточнить существующую классификацию лесовозных дорог, в основу которой заложен расчет пропускной способности лесовозных дорог.
Одной из задач при вывозке древесины является разработка и выбор способов по повышению пропускной способности лесовозных дорог. Для этой цели нами предлагается рассмотреть три модели перевозки древесины:
1. неупорядоченного движения на однополосной дороге с гравийным покрытием.
2. упорядоченного движения (движение колоннами) по типу однополосной
дороги с тем же покрытием;
18
3. неупорядоченного движения на двухполосной дороге
 с покрытием из железобетонных плит на грузовой полосе и гравийным покрытием на порожняковой.
 с гравийным покрытием.
Для расчета пропускной способности лесовозной дороги необходимо рассматривать дорогу как звено транспортной системы на вывозке леса. Звено
транспортной системы представляет собой следующие ступени:
1. движение автопоезда с нижнего склада на погрузку (порожняковое
направление);
2. погрузка;
3. движение автопоезда с грузом с места погрузки на нижний склад;
4. разгрузка.
Грузопотоки должны быть сформированы так, чтобы обеспечить непрерывную работу всей транспортной сети, избежать узких мест и довести до минимума перегрузочные работы при перевозке древесины, чтобы достичь максимального значения пропускной способности.
В первой модели движение автопоездов происходит по дороге с одной полосой, а встреча осуществляется только на разъездах. Для пропуска встречного
автомобиля один из них должен сделать на разъезде остановку, поэтому пропускную способность определяют как сумму пропускных способностей дороги и
разъездов:
P  Pм  Pраз 
(t разг
1
1
      0  v  q max  Pраз 
, (20)
Qп t разг Qп t погр
 t погр )
(

)
П разг
П погр
где Pм  пропускная способность участков дороги между разъездами, авт/ч.
q max  максимальная плотность движения на участке дороги, авт/км,
q max 
L
;
l
(21)
L  длина участка дороги между остановками на разъездах ,км;
l – интервал между автомобилями, км, принимается равным расстоянию
видимости при сухой погоде и в 2,5 раза выше – при скользкой дороге;
v 2 (k з  k п )
l v
 l зап ,
2 g (  i  f )
(22)
k з , k п  коэффициенты эксплутационного состояния тормозов обоих автомобилей;
l зап  некоторый запас расстояния между остановившимися автомобилями, м,
v – скорость движения, км/ч;
  коэффициент сцепления с дорогой;
  коэффициент, зависящий от загрузки встречной полосы, так как мы рассматриваем однополосную дорогу, то   1 ;
  коэффициент, зависящий от дорожных условий и типа дорог, принимаем
  0.65  0.00425  v max ,
(23)
19
 0  коэффициент, учитывающий влияние расстояния между разъездами на
скорость автопоезда, принимаем по таблице 2.
Таблица 2
L,км
>3
1.0
0
2
0.98
1.5
0.96
1.0
0.92
0.8
0.88
0.5
0.80
Р раз  пропускная способность на разъездах,
k
Pраз    
i 1
t зам
3600
,
 t разг  t ожид
авт/ч;

коэффициент, учитывающий то, что разъезд занимается автопоездом
непостоянно;
кколичество разъездов, на которых происходят остановки, шт;
t зам - время замедления при остановке, сек;
t разг  время разгона, сек;
tожид  время ожидания, сек;
3600 – количество секунд в часах.
пропускная способность
дороги,авт/ч
35
30
25
20
70
80
90
100
110
120
130
Время ожидания на разъезде,сек
Рис. 8. Зависимость пропускной способности дороги от времени ожидания автопоезда
на разъезде
В основу второй модели положен принцип движения потока, в котором отдельные автомобили подчинены общей закономерности. Она основана на принципе неразрывности потока, предполагающем постоянство общего числа автомобилей на участке L во времени. Тогда формула определения пропускной способности немного преобразуется, так как максимальную плотность потока при
движении колоннами будет не L/l, а к/L ( то есть равна количеству автопоездов
в колонне на 1км дороги). Однако необходимо помнить о том, что на разъездах
колонна не будет тратить время, а увеличивается время ожидания на погрузке и
разгрузке
20
Пропускная способность дороги, авт/ч, определится по формуле:
k
k
k
k

 2    v  
,
Qп t см Qп t см
L (t погр  t разг )
L
(

)
П погр П разг
P  2    v 
где
(24)
v – скорость движения колонны, км/ч, v  (0.5  0.7)  v max ,(0,50 соответствует наибольшему числу автопоездов в колонне, а 0,70 – наименьшему) ;
L
длина исследуемого участка дороги, км;
2 - коэффициент, учитывающий, что движение происходит в двух направлениях;
t погр  время погрузки одного автопоезда, ч;
t разг  время разгрузки одного автопоезда, ч;
t см  время смены, ч;
Qпол  полезная нагрузка на рейс, куб. м;
П погр  производительность погрузочной машины, куб. м/см;
П разг  производительность разгрузочной машины, куб. м/см;
к - количество автопоездов в колонне, авт;
пропускная способность
дороги, авт/ч
30
25
20
15
10
4
6
8
10
12
14
16
количество автопоездов в колонне,авт
Рис. 9. График зависимости пропускной способности от количества автопоездов
в колонне
Для третьей модели организации вывозки древесины пропускная способность дороги определяется по формуле:
P  Pдор 
1
1
 2   0    v  qmax 
,
Q
t
Qпtпогр
(t разг  tпогр )
п разг
(

)
П разг
Ппогр
(25)
 0  коэффициент, зависящий от загрузки встречной полосы, для двухполосной дороги при равном распределении встречной полосы  0  1 ;
21
График зависимости пропускной способности двухполосной дороги от скорости движения автопоезда представлен на рис. 10
пропускная способность
дороги, авт/ч
60
55
50
45
40
35
30
30
35
40
45
50
55
60
скорость движения автопоезда, км/ч
Рис. 10. График зависимости пропускной способности двухполосной дороги от
скорости движения автопоезда
Лесовозные дороги относятся к дорогам промышленного транспорта, обеспечивающие производственно технические перевозки предприятий. Обычно их
проектируют и устраивают в соответствии с требованиями СНиП 2.05.07-91
«Промышленный транспорт» или «Инструкцией по проектированию лесозаготовительных предприятий»(1982 год). Используя данные источники, можно определить категорию лесовозной дороги либо по годовому объему вывозки, либо
расчетному объему перевозок.
Установленные категории лесовозных дорог по классификациям не совпадают. То есть длительное время и сейчас не существует единой методики определения категории лесовозной дороги. Кроме того, авторы предложенных источников не раскрывают методов получения такого рода классификации, а
именно, на чем основывается расчетный объем перевозок. Вероятно, что эти
нормы созданы на основе учета опыта эксплуатации магистральных дорог, достижений теории движения автомобиля и изучения закономерностей движения
потоков автомобилей. Не следует считать работу по разработке нормативов законченной.
Подводя итог изложенному, возникает необходимость разработки достаточно обоснованной классификации лесовозных дорог, основанной на их пропускной способности. Основным показателем, определяющим деление лесовозных дорог на категории должна быть величина пропускной способности. Для
этого следует использовать формулу:
расч
(26)
Qi  Рi  Qпол
 Т раб  t дн     п   ,
где Qi  объем перевозок i-категории, тыс. м 3 ;
22
Рi  пропускная способность дороги i-категории, авт/ч;
расч
Q пол
 полезная нагрузка на рейс (расчетная), м 3 ;
T раб  расчетное число дней работы автомобильного транспорта в тече-
ние года, дн/год;
t дн  количество рабочих часов в сутках, ч;
γ – объемная масса перевозимой древесины, т/м3;
 п  коэффициент использования грузоподъемности;
  коэффициент использования пробега.
Выполненные расчеты позволили подвести итог зависимости пропускной
способности дорог, скорости движения и все это привязать к часто используемым категориям лесовозных дорог (III-в и IV-в).
Таблица 3
Категория
дороги по
СНИП
Классификация лесовозных дорог III-в и IV-в категорий
Расчетный
объем перевозок по
СНиП, млн
т/год
Скорость движения
транспортных средств,
км/ч
РекоменПо
дуемая скоСНиП
рость движения, км/ч
Пропускная
Рекоменспособдуемый объность доро- ем перевоги, авт/ч
зок,
млн т/год
III-в
0,1-0,35
30/50
30…60
37…56
0,69…1,05
VI-в
Менее 0,1
30/40
30…45
24…27
Менее 0,50
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод - лесовозные дороги способны пропускать гораздо больше грузов. Так для лесовозной дороги III-в
категории перевозимый объем перевозок увеличился в 2,5 раза, а порог применения однополосных дорог можно поднять до 5 раз. Это означает, что при проектировании лесовозной дороги открывается возможность ее спроектировать по
техническим нормативам, которые соответствуют меньшей категории.
Это говорит о том, что характеристики строящейся дороги будут иметь
меньшие параметры (например, ширина земляного полотна, длина труб). А значит, это позволит сэкономить достаточное количество денежных средств и в
меньшей степени воздействовать на окружающую среду с экологической точки
зрения.
Уточненная классификация лесовозных дорог III-в и IV-в категорий является отправной точкой в понятии «обоснованная классификация лесовозных дорог». Разработанные нормативы не противоречат и не дублируют основные руководящие документы, а уточняют их.
В четвертой главе приведен расчет экономической эффективности от
внедрения результатов исследования в практику, а именно использования новой
классификации лесовозных дорог. Экономический эффект составляет -1079 тыс. руб
23
с 1 километра лесовозной дороги с гравийным покрытием. Кроме положительного экономического эффекта данная методика позволяет существенно улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения ширины полосы отвода.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1
Установлено, что главными факторами, влияющими на пропускную способность лесовозных дорог, являются скорость движения автопоездов и выбранная модель транспортного потока.
2
Получены аналитические зависимости, позволяющие надежно рассчитать величину пропускной способности на двух и однополосных лесовозных дорогах при трех моделях вывозки древесины:
- неупорядоченного движения на однополосной дороге с гравийным покрытием.
- упорядоченного движения (движение колоннами) по типу однополосной
дороги с тем же покрытием;
- неупорядоченного движения на двухполосной дороге
3
Впервые для расчета пропускной способности лесовозная дорога рассматривается как звено транспортной системы на вывозке леса (порожняковое
направление, погрузка, грузовое направление, разгрузка). Грузопотоки должны быть сформированы так, чтобы обеспечить непрерывную работу всей
транспортной сети, избежать узких мест и довести до минимума перегрузочные работы при перевозке древесины, чтобы достичь максимального значения пропускной способности.
4
Показано, что при применении традиционных методов определения скорости
движения лесовозных автопоездов (по продолжительности прохождения автопоездом километровых участков) и современных информационных технологий - системы GPS получаются достаточно точные результаты. Расхождение экспериментальных наблюдений с нормативными документами (СНиП
2.05.07-91 Промышленный транспорт) не превышает 3%.
5
Получены уравнения линейной и нелинейной множественной регрессии для
достоверной оценки влияния различных характеристик продольного профиля
(максимальный подъем в грузовом направлении, среднее арифметическое
уклонов и дисперсия уклонов) на скорость движения лесовозных автопоездов. Используя полученные уравнения регрессии, решена задача определения
скорости движения лесовозного автопоезда на различных участках продольного профиля, еще на стадии проектирования лесовозной дороги.
Данные уравнения могут быть использованы при обосновании скорости
движения лесовозного транспорта в практике проектирования лесовозных
дорог Архангельской области.
Результаты экспериментальных наблюдений и теоретических исследований
пропускной способности лесовозных дорог показывают, что для лесовозных
6
24
дорог III-в категории объем перевозок увеличился в 2,5 раза по сравнению с
нормами (СНиП 2.05.07-91 Промышленный транспорт), а порог применения
однополосных дорог можно поднять до 5 раз.
7
Результаты исследования пропускной способности и категорирования лесовозных дорог могут быть использованы при уточнении действующего СНиП
2.05.07-91 «Промышленный транспорт».
ПЕЧАТНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Платонова Е.В.Влияние типа покрытия на скорость движения автопоезда.
//Лесн. журн. – 2002. – № 6. – С. 137 – 138.
2. Платонова Е.В. Применение методов множественной линейной и нелинейной
корреляции при определении средней скорости движения. // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр
Вып. VIII – Архангельск: АГТУ, 2002. – С.139 – 141.
3. Челышева Т.В., Платонова Е.В.Применение методов множественной линейной и нелинейной регрессии при исследовании средней скорости движения автопоезда.// Севергеоэкотех–2003: Тезисы докл. межрегион. молодеж. науч.
конф./УГТУ, Ухта: 2003. – С. 270-272.
4 Платонова Е.В. Выбор способа расчета пропускной способности лесовозных
автомобильных дорог. //Совр. наука и образ. в решении пробл. эконом. Европ.
Севера: Сб. матер. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2004г.- т.1- С. 102-104.
5 Платонова Е.В. Выбор способа расчета пропускной способности дорог.
//Совершенствование техники и технологии лесозаготовок и транспорта леса:
Межвузовский сборник научных трудов.- Архангельск,2005.- Вып.3 – С.128-132.
Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями
просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17,
АГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А. Е.