Повышение безопасности движения при эксплуатации автомобильных дорог с позиции теории риска
На правах рукописи
ПЛЕТМИНЦЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
С ПОЗИЦИИ ТЕОРИИ РИСКА
05.23.11 Проектирование и строительство дорог,
метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград – 2011
Работа выполнена в Федеральных государственных бюджетных
образовательных учреждениях высшего профессионального образования:
«Пензенском государственном университете архитектуры и строительства» и «Саратовском государственном техническом университете».
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Столяров Виктор Васильевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Бондарев Борис Александрович ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» (г. Липецк) |
| кандидат технических наук Чернышова Любовь Александровна ООО «Дортехпроект» (г. Саратов) | |
| Ведущая организация: | Федеральное казенное учреждение «Федеральное управление автомобильных дорог «Большая Волга» Федерального дорожного агентства» (г. Пенза) |
Защита состоится «17» ноября 2011 г. в 13-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, в аудитории Б-203).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «14» октября 2011 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Акчурин Т.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационной работы. В связи с подготовкой страны к вступлению во Всемирную Торговую Организацию (ВТО) и утверждением Федерального закона №184 «О техническом регулировании» в дорожной отрасли Российской Федерации, как и в других отраслях экономики, ведутся сейчас работы по созданию трёхуровневой системы технического регулирования. В основе этих работ в области дорожной деятельности должно находиться понятие о допустимом риске причинения вреда пользователям автомобильных дорог (водителям, пассажирам, пешеходам, перевозчикам) при возникновении дорожно-транспортных происшествий по причине несовершенства геометрических параметров и транспортно-эксплуатационных показателей существующих дорог. Необходимо на основе технико-экономических расчетов определить и обосновать величины допустимого риска возникновения ДТП на существующих двух- и многополосных дорогах.
Существующие автомобильные дороги строились в зависимости от периода эксплуатации по разным нормативам: техническим условиям
Гушосдора (1939–1954 гг.); НиТУ 128-55 (1955–1962 гг.); СНиП II-Д. 5-62 (1963–1973 гг.); СНиП II-Д. 5-72 (1974–1986 гг.); СНиП 2. 05.02-85 (1987–2000 гг.) и по действующим сейчас ГОСТам. Неблагоприятные дорожные условия на существующих дорогах вызваны как разными требованиями (в перечисленных нормативных документах) к геометрическим параметрам дорог, так и низким качеством их строительства. Последняя причина связана с отсутствием в дорожных нормативных документах требований к допускам на средние квадратические отклонения ширины покрытий, радиусов кривых в плане и продольном профиле, что снимает со строителей ответственность при некачественном исполнении геометрических элементов. Обоснование этих допусков является важной задачей, так как безопасность движения транспортных средств зависит как от величины геометрического параметра, так и от разброса этого параметра в пределах геометрического элемента.
Стремительный рост уровня автомобилизации и существенное изменение состава транспортного потока требуют увеличения числа полос движения на автомагистралях. На подходах к мегаполисам и крупным городам строятся и уже эксплуатируются десяти- и двенадцатиполосные автомагистрали. Разработанные в настоящее время теоретико-вероятностные модели по оценке риска движения транспортных средств по многополосным дорогам ограничены восьмиполосными автомагистралями. Разработка математических моделей по оценке риска движения транспортных потоков, учитывающих реальное увеличение числа полос на подходах к крупным городам и на кольцевых автомобильных дорогах мегаполисов, является актуальной задачей данного исследования.
В связи со сказанным актуальной является разработка новых методов оценки качества существующих автомобильных дорог по условию обеспечения движения автомобилей с допустимым риском возникновения ДТП на сложных участках существующих дорог.
Целью работы является повышение безопасности движения при эксплуатации автомобильных дорог путём разработки, совершенствования и практического применения методов оценки и уменьшения риска возникновения дорожно-транспортных происшествий как риска причинения вреда пользователям дорог (водителям, пассажирам, пешеходам и перевозчикам) на основе требований Федерального Закона «О техническом регулировании» и ГОСТ Р 51 898–2002 «Аспекты безопасности».
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
- выполнить анализ фактических законов распределения основных геометрических параметров существующих автомобильных дорог: ширины покрытия (включающей ширину проезжей части и краевых полос), радиусов кривых в плане и продольном профиле;
- на основе экспериментальных данных и теоретических исследований разработать для всех расчетных скоростей движения универсальный математический аппарат по оценке допусков на отклонение геометрических параметров автомобильных дорог всех категорий;
- разработать теоретико-вероятностные модели определения допустимой ширины покрытия десяти- и двенадцатиполосных автомагистралей;
- на основе технико-экономического расчета и оценки по теоретико-вероятностным моделям фактического риска возникновения ДТП на дорогах установить допустимый риск причинения вреда пользователям существующих автомобильных дорог (водителям, пассажирам, пешеходам и перевозчикам);
- разработать рекомендации и процедуры оценки качества поперечного профиля существующих десяти- и двенадцатиполосных автомагистралей по риску столкновения при опережении со сменой полосы движения быстроходными автомобилями тихоходных транспортных средств;
- применить на десяти- и двенадцатиполосных автомобильных магистралях методы оценки обеспеченных скоростей движения транспортных средств для обоснования ограничения скорости на знаках 3.24 на основе допустимого значения риска опережения со сменой полос движения.
Объектом исследования являются геометрические элементы и параметры существующих двух- и многополосных автомобильных дорог, рассматриваемые с позиции качества их исполнения и влияния на безопасность дорожного движения.
Предметом исследования являются методы анализа, оценки и уменьшения риска возникновения ДТП на существующих дорогах до допустимого значения риска, установленного технико-экономическими расчётами.
Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена математической строгостью и обоснованностью применения теории риска, использованием методов математической статистики при обосновании средних значений и среднеквадратических отклонений изучаемых параметров, сопоставлением теоретических законов распределения случайных величин с гистограммами экспериментально установленных параметров изучаемых геометрических элементов автомобильных дорог, сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными непосредственно на автомобильных дорогах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- разработаны математические модели определения допусков на средние квадратические отклонения основных геометрических параметров автомобильных дорог: радиусов выпуклых и вогнутых кривых продольного профиля; радиусов кривых в плане; ширины покрытия двухполосных и многополосных дорог;
- разработаны теоретико-вероятностные модели по проектированию и оценке ширины покрытия на десяти- и двенадцатиполосных автомагистралях с учётом вероятностной сущности качества строительства дорожного покрытия и манёвров перестроения транспортных средств на многополосной проезжей части;
- на основе технико-экономического обоснования впервые определены уровни допустимого риска на существующих двухполосных и многополосных дорогах.
Практическая значимость работы заключается в разработке новых критериев оценки качества существующих дорог, основанных на анализе и практических рекомендациях снижения риска возникновения ДТП на существующих дорогах до допустимого значения. Снижение риска возникновения ДТП рекомендовано выполнять в соответствии с предложенными в работе методиками совершенствования качества при капитальном ремонте и (или) частичной реконструкции участков существующих дорог, с учётом обоснованного ограничения скорости движения автомобилей на сложных участках дорог. На десяти- и двенадцатиполосных дорогах методика анализа, оценки и уменьшения риска до допустимого значения выполняется по созданным в работе теоретико-вероятностным моделям.
Результаты диссертационной работы получили внедрение в подрядных дорожных организациях Федерального управления автомобильных дорог «Большая Волга» в виде форм и схем соответствия безопасности продукции по проектированию ремонта, реконструкции и содержания дорог федерального значения на основе оценки и снижения риска причинения вреда пользователям автомобильных дорог; в ООО «Камешкиравтодорсервис» в виде рекомендаций по допустимым отклонениям ширины покрытия, радиусов кривых в плане и продольном профиле при капитальном ремонте и частичной реконструкции автомобильных дорог; в ПУИЦ «Волгодортранс» СГТУ при оценке ширины покрытия в разработке проекта ремонта участка федеральной автомобильной дороги Р-240 «Уфа –Оренбург».
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с целью установления законов распределения ширины покрытия, радиусов кривых в плане и продольном профиле существующих дорог;
- разработанные теоретико-вероятностные модели по оценке риска возникновения ДТП в зависимости от параметров покрытия десяти- и двенадцатиполосных автомагистралей;
- обоснованные технико-экономическими расчётами уровни допустимого риска на существующих двухполосных и многополосных дорогах;
- математические модели для определения допусков на среднеквадратические отклонения основных геометрических параметров автомобильных дорог;
- практические рекомендации по обеспечению уровня допустимого риска на существующих дорогах, включая автомагистрали с десяти- и двенадцатиполосной проезжей частью.
Личный вклад автора. Формулировка задач, постановка и проведение экспериментальных и теоретических исследований, полученные результаты, их анализ и выводы выполнены лично автором диссертации.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы по мере их разработки докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-исследовательских конференциях СГТУ «Декада науки» (2010 – 2011 гг.); на научно-методических семинарах кафедры «Строительство дорог и организация движения» СГТУ (2009 – 2011 гг.); на расширенном заседании кафедры «Строительство дорог и организация движения» СГТУ (2011 г.); на расширенном заседании кафедры «Автомобильные дороги» ПГУАС (2011 г.); на девятой Международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (Санкт-Петербург, 2010 г.); на Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых учёных с международным участием «Применение современных технологий в дорожном и строительном производстве» (Пермь, 2011 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано восемь печатных работ, включая две публикации в издательствах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержит 162 страницы текста, 17 рисунков, 20 таблиц. Список литературы включает 109 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель, показаны научная новизна и практическая ценность работы, описаны объект и предмет исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе показан анализ современного уровня соответствия безопасности движения на автомобильных дорогах России Федеральному Закону №184-ФЗ «О техническом регулировании».
В настоящее время для оценки безопасности движения на дорогах Российской Федерации широко применяют методы коэффициентов безопасности, коэффициентов аварийности и конфликтных ситуаций. По принципу определения опасности участков дорог перечисленные методы являются детерминированными, то есть однозначно определяющими уровень опасности на участке дороги в зависимости от тех или иных дорожных условий или дорожно-транспортных ситуаций. В последнее время в научной литературе по автомобильным дорогам всё заметнее находит отражение вероятностный подход к оценке опасности дорожных условий и дорожно-транспортных ситуаций, основанный на теории риска.
В отличие от широко применяемых детерминированных методов оценки безопасности автомобильных дорог теоретико-вероятностный метод, основанный на оценке риска возникновения дорожно-транспортных происшествий (ДТП), учитывает как величину геометрического параметра, так и среднеквадратическое отклонение этого параметра от среднего или проектного значения, то есть учитывает качество строительства геометрического элемента на участке дороги. При этом оценка качества строительства геометрического элемента на участке дороги может быть выполнена при любой скорости движения автомобиля, например, как при расчётной скорости, так и при скорости, допускаемой правилами дорожного движения на данном геометрическом элементе или участке дороги, построенном (перенесённом в натуру) с фактическим среднеквадратическим отклонением параметра. В этой теории, разработанной для дорожной отрасли профессором Столяровым В.В., имеются математические модели оценки риска потери видимости (поверхности дороги и встречного автомобиля), применяемые при некачественном и качественном строительстве геометрических элементов плана и продольного профиля автомобильной дороги. Оценка риска возникновения ДТП в этих моделях осуществляется с учётом скорости движения транспортных средств, а следовательно, эта теория применима как при проектировании дорог, так и для оценки фактического риска движения автомобилей по существующим дорогам. В связи с вышеизложенным, автор диссертационной работы счёл необходимым при выборе методов проводимого исследования по повышению безопасности существующих автомобильных дорог, для достижения поставленной цели и решения сформулированных в диссертации и показанных выше задач, применить методы теории риска.
На основе анализа состояния проблемы было установлено, что в настоящее время отсутствует единый унифицированный математический аппарат для оценки допусков на средние квадратические отклонения основных геометрических параметров автомобильных дорог (радиусов кривых в плане и продольном профиле, ширины геометрических элементов поперечного профиля дороги). Без нормирования допусков на среднеквадратические отклонения основных геометрических элементов автомобильных дорог невозможно предъявлять к качеству строительства дорог требований по снижению риска причинения вреда пользователям (водителям, пассажирам, пешеходам и перевозчикам) в случае превышения этих допусков в процессе строительства дороги.
В настоящее время на подходах к мегаполисам и крупным городам всё чаще прибегают к строительству автомагистралей с десятью и двенадцатью полосами движения. Такие решения применяют потому, что интенсивность транспортного потока на кольцевых дорогах и на въездах в крупные города в часы «пик» превышает пропускную способность восьмиполосных автомагистралей. Даже на автомагистралях с десятью полосами движения (например, на МКАД) в часы «пик» возникают заторы транспортных средств (или пробки). Поэтому всё острее проявляет себя проблема развития и применения математических моделей теории риска к уже существующим дорогам и улицам с десятью и двенадцатью полосами движения.
Существующие автомобильные дороги строились по различным нормативным требованиям, и поэтому параметры их геометрических элементов имеют разную степень опасности, соответствующую требованиям того или другого нормативного документа, применяемого в конкретные годы. Провести реконструкцию всех существующих автомобильных дорог под допустимую величину риска вновь построенных дорог (1 10-4) – задача невыполнимая с экономической и технической точек зрения. Но существующие дороги должны обеспечивать одинаковую степень риска движения автомобилей с максимально допустимой скоростью, несмотря на то, что построены они в разные десятилетия. Эта задача относится к разряду технико-экономических задач и требует обоснования допустимого риска возникновения ДТП при движении автомобилей по существующим дорогам с допустимой скоростью.
В результате выполненного анализа в первой главе диссертации были сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе приведены результаты проведённых автором экспериментальных исследований на участках двухполосных и многополосных автомобильных дорог.
Для вывода расчетных формул теории риска необходимо знать законы распределения исследуемых показателей. С целью установления фактических законов распределения геометрических параметров дорог были выполнены натурные обследования радиусов кривых в плане и радиусов кривых в профиле, ширины покрытия на двух- и многополосных автомобильных дорогах Московской, Пензенской и Саратовской областей.
Статистическую обработку измеренных параметров выполняли с использованием метода суммирования и мультипликативного метода. Результаты статистической обработки сравнивали с законом нормального распределения (рис. 1).
 |  |
 |  |
Рис. 1. Сравнение гистограмм распределения с законом нормального распределения: а – ширины покрытия; б – радиусов кривых в плане; в – радиусов выпуклых кривых; г – радиусов вогнутых кривых
В результате обследования ширины покрытия более чем на 15 км автомобильных дорог, 16 вертикальных кривых (11 выпуклых и 5 вогнутых) и 18 кривых в плане было установлено, что ширина покрытия, радиусы вертикальных кривых и кривых в плане распределены по закону, хорошо согласующемуся с нормальным распределением.
Однако результаты измерения геометрических параметров показали, что при строительстве геометрических элементов дорог строители допускают большие отклонения от проектных параметров (см. рис.1). Так, например, при оценке фактических радиусов на одной из вогнутых кривых (запроектированной по параболе) был получен большой разброс фактических радиусов в пределах данной кривой с проектным радиусом 12100 м. Минимальное значение радиуса получили равным 2100 м, максимальное – 200000 м. При этом среднее значение радиуса 12524 м практически приближается к проектному значению 12100 м. Однако среднеквадратическое отклонение радиуса равно 5563 м, при допуске на среднеквадратическое отклонение радиуса 235 м. Такое строительство вогнутой кривой в продольном профиле приводит к большому разбросу видимости поверхности покрытия при свете фар в тёмное время суток. В данном случае среднеквадратическое отклонение видимости при свете фар, в соответствии с расчётом по формулам теории риска, составляет 195 м, что приводит к недопустимому риску наезда на препятствие в тёмное время суток.
Допуски на среднеквадратические отклонения геометрических элементов автомобильных дорог устанавливали на основе оценки точности разбивочных и строительно-монтажных работ. В результате была получена унифицированная расчётная формула для оценки допусков на среднеквадратические отклонения ширины покрытия, радиусов кривых в плане, выпуклых и вогнутых кривых:
 , (1) |
где 
допустимое среднеквадратическое отклонение параметра А, м;
AПР – проектное значение ширины покрытия, радиуса кривой в плане или радиуса вертикальной кривой, м;
ДОП – допуск на отклонение ширины покрытия относительно проектной (или нормированной) ширины покрытия, м; или допуск на высотное или плановое отклонение точек оси покрытия относительно высотного или планового положения этих же точек по проекту (в проекте), м;
d – нормированное (при приёмке дорог) расстояние между поперечниками (м), через которое измеренное отклонение ширины покрытия при приёмке дороги в эксплуатацию (i = Bi – BПР) не должно превышать допустимое отклонение (доп = 0,060 м) ширины покрытия; или нормированное (при приёмке дорог) расстояние между поперечниками (м), через которое измеренное высотное или плановое отклонение точек (i) не должно превышать допустимое отклонение (доп = 0,035…0,040 м).
Значения параметра d связаны с требуемой видимостью поверхности дороги, расчётной скоростью и длиной остановочного пути и определяются по вспомогательным формулам.
Обобщая результаты экспериментальных исследований, были сделаны следующие выводы:
- основные параметры геометрических элементов автомобильных дорог (ширина покрытия, радиусы кривых в плане и продольном профиле) в результате низкого качества строительства имеют значительные отклонения от проектных величин (см. рис.1). Эти отклонения приводят к появлению недопустимых рисков возникновения ДТП по причине несовершенства дорожных условий на отдельных участках дорог. Современные методы приёмки дорог в эксплуатацию не позволяют оценить влияние степени отклонения фактических параметров от проектных величин на риск причинения вреда пользователям дорог. Наилучшим образом эта оценка выполняется методами, основанными на теории риска, которые учитывают фактические законы распределения геометрических параметров дорог, построенных в разные десятилетия и по различным нормативным требованиям;
- критерии Пирсона и Романовского показали, что все параметры (ширина покрытия, радиусы кривых в плане, радиусы вертикальных кривых) автомобильных дорог хорошо согласуются с нормальным законом распределения случайных величин. Следовательно, для обработки статистических данных, а также для вывода основных формул для оценки качества строительства геометрических элементов автомобильных дорог можно использовать нормальный закон распределения;
- по полученным статистическим данным можно предварительно судить о качестве строительства автомобильных дорог. Например, в пределах одной (выпуклой или вогнутой) кривой встречаются случайные радиусы, значения которых на несколько порядков как в большую, так и в меньшую сторону отличаются от среднего радиуса. Такие отступления от проекта недопустимы, легко обнаруживаются в статистических рядах и приводят к опасному движению транспортных средств на этих участках;
- на зауженных участках ширины покрытия возникают недопустимые риски столкновения встречных автомобилей при их разъезде на двухполосных дорогах и риски столкновения попутных автомобилей при опережении на многополосной проезжей части;
- на кривых в плане на участках с локальным уменьшением радиуса возникают риски потери устойчивости автомобилей;
- на вертикальных кривых локальное уменьшение радиуса приводит к уменьшению расстояния видимости и возможности возникновения аварийной ситуации на выпуклых кривых в светлое время суток, а на вогнутых кривых в тёмное время.
Третья глава посвящена теоретическим исследованиям по проблеме повышения безопасности движения при эксплуатации автомобильных дорог с позиции теории риска. На основе нормального закона распределения были получены формулы для оценки риска возникновения ДТП на десяти- и двенадцатиполосных автомагистралях (рис. 2):
 , (2) |
где r – риск столкновения автомобилей при опережении со сменой полос движения;
BСР – среднее значение фактической ширины покрытия в одном направлении движения на десяти- или двенадцатиполосной автомагистрали, м;
BКР – среднее значение критической ширины покрытия в одном направлении движения на десяти- или двенадцатиполосной автомагистрали, на которой риск опережения со сменой полос движения приводит к 50% ДТП, м;
среднеквадратическое отклонение фактической ширины покрытия или допуск на среднеквадратическое отклонение данной ширины покрытия, м;
среднеквадратическое отклонение критической ширины покрытия, м;
Ф(u) – табулированная функция Лапласа в зависимости от переменной u.
Критическую ширину покрытия, на которой возникает 50% ДТП и среднеквадратическое отклонение этой ширины, устанавливаем по формулам:
- для десятиполосной автомагистрали (см. рис. 2,а)  | (3) |
 , | (4) |
где V1, V2, V3, V4, V5 – скорости движения транспортных средств на полосах одного направления движения автомагистрали, начиная от разделительной полосы (слева направо), например:
V1 – скорость движения полноразмерного джипа, превышающая расчётную скорость на 15% (учитываем предсказуемое неправильное поведение водителя), км/ч;
V2 – скорость движения легкового автомобиля класса Е (например, ГАЗ-3110 «Волга»), идущего при опережении с расчётной скоростью, км/ч;
V3 – скорость движения пассажирского автомобиля повышенной вместимости (минивэна или микроавтобуса, например, ГАЗ-3221 «Газель»), так как этот автомобиль опережаемый, то его скорость меньше расчётной, км/ч;
V4 – скорость движения туристического автобуса, совершившего манёвр смены полосы движения. Его скорость должна быть выше скорости автопоезда (вплоть до расчётной скорости), км/ч;
V5 – скорость движения опережаемого автопоезда, км/ч;
D1, D2, D3, D4, D5 – длины соответствующих транспортных средств, м;
a1, a2, a3, a4, a5 – ширина транспортных средств, м;
c1, c5 – колеи транспортных средств, находящихся на крайних полосах движения, м;
а  | б  |
Рис. 2. Расчетные схемы движения: а – на десятиполосной автомагистрали (джип + легковой класса Е (маневрирует) + минивэн + автобус (маневрирует) + автопоезд); б – на двенадцатиполосной автомагистрали (джип + легковой класса Е (маневрирует) + минивэн + автобус (маневрирует) + средний грузовой автомобиль (маневрирует) + автопоезд)
- для двенадцатиполосной автомагистрали (см. рис. 2,б)
 | (5) и (6) |
 . | |
На основе расчётных формул (1) – (6) выполнен анализ риска столкновения автомобилей при опережении быстроходными автомобилями тихоходных транспортных средств, и дано обоснование требуемой ширины покрытия десяти- и двенадцатиполосных автомагистралей по величине допустимого риска столкновения автомобилей, равного значению 1 10-4. При этом построены зависимости «расчётная скорость на автомагистрали – требуемая ширина покрытия» с десятью и двенадцатью полосами движения (рис. 3).
На кривой 1 показана возможность применения десятиполосных автомагистралей при ширине полосы движения 3,5 м и расчётных скоростях от 100 до 110 км/ч. Получили, что при расчётной скорости 100 км/ч современные нормативные требования обеспечивают допустимую величину риска 1 10-4 на покрытии с пятью полосами движения в одном направлении дороги. При этом ширина полосы движения должна быть 3,5 м, а ширина краевых полос: со стороны центральной разделительной полосы 1 м; со стороны обочины 0,5 м (1 + 5 3,5 + 0,5 = 19,0 м).
При расчётной скорости 110 км/ч проектировать автомагистраль с параметрами 1 + 5 3,5 + 0,5 = 19,0 м недопустимо.
При расчётных скоростях 120 и 130 км/ч (см. кривую 2 на рис. 3,а) нормативные требования ширины покрытия обеспечивают допустимую величину риска 1 10-4 на покрытии с пятью полосами движения в одном направлении дороги. При этом ширина полосы движения должна быть
3,75 м, а ширина краевых полос: со стороны центральной разделительной полосы 1 м; со стороны обочины 0,75 м (1 + 5 3,75 + 0,75 = 20,5 м).
При расчётной скорости 140 км/ч проектировать автомагистраль с параметрами 1 + 5 3,75 + 0,75 = 20,5 м недопустимо (см. рис. 3,а).
Проектирование по современным нормативным требованиям автомагистралей с двенадцатью полосами движения (см. кривую 3 на рис. 3,б) возможно только при расчётной скорости 120 км/ч.
При этом ширина полосы движения должна быть 3,75 м, а ширина краевых полос: со стороны центральной разделительной полосы 1 м; со стороны обочины 0,75 м (1 + 6 3,75 + 0,75 = 24,25м).
При расчётных скоростях 130 и 140 км/ч проектировать автомагистраль с параметрами 1 + 6 3,75 + 0,75 = 24,25 м недопустимо (см. рис. 3,б), так как нормированная в ГОСТ Р 52399–2005 ширина покрытия не обеспечивает допустимую величину риска 1 10-4.
а б
Рис. 3. Зависимость требуемой ширины покрытия от расчётной скорости на автомагистрали: а – с десятью полосами движения; б – с двенадцатью полосами движения; пунктирные линии – нормированная в ГОСТ Р 52399–2005 ширина покрытия
Однако допустимые значения риска можно реализовать только при качественном строительстве дорожных одежд, на которых выдерживается проектная (установленная в данных расчётах) ширина покрытия.
В четвёртой главе дано технико-экономическое обоснование допустимой величины риска возникновения ДТП по дорожным условиям на существующих автомобильных дорогах. Для решения этой задачи в диссертационной работе применяли в основном два метода оценки эффективности принятых решений: «Сумму приведенных затрат» и «Чистую приведенную ценность проекта» (NPV). Очевидно, что допустимому уровню риска возникновения ДТП на автомобильных дорогах соответствуют минимум суммы приведённых затрат и максимум чистой приведённой ценности проекта (NPV) при эффективных значениях внутренней нормы рентабельности (IRR). Увеличение значения допустимого риска влечет за собой увеличение автотранспортных расходов и потерь от ДТП с одновременным уменьшением строительных затрат на капитальный ремонт дороги и усиление конструкции дорожной одежды. Отметим, что эти три вида затрат являются решающими в выборе оптимального варианта. Суммарные капитальные вложения определяли как сумму приведенных затрат на капитальные ремонты за нормативный период эксплуатации дорожной одежды и на частичную реконструкцию особо опасных участков существующих дорог.
Чистую приведенную ценность проекта определяли как разность между приведенными выгодами и приведёнными затратами в течение расчетного срока
 , | (7) |
где 
– среднее значение чистой приведенной ценности проекта;
tp – расчетный период анализа проекта;
t – текущий год;
Вt – сумма выгод от реализации проекта в t-м году;
Сt – сумма всех затрат в t-м году на повышение однородности параметра или частичную реконструкцию;
Е – процентная ставка.
В расчётах суммы приведённых затрат и чистой приведённой ценности величины процентных ставок принимали одинаковыми и в пределе не ниже 12% (E 0,12).
При определении капитальных вложений в частичную реконструкцию дороги и всех видов затрат (потерь и ущерба) устанавливали зависимость данных расходов от риска движения автомобилей по фактическим и улучшенным геометрическим элементам. Для осуществления этой цели выдерживали следующую общую методику.
На одном и том же участке существующей дороги проектировали несколько вариантов совершенствования геометрических элементов плана, продольного и поперечного профиля дороги (применяли варианты: ничего не делать; повысить однородность параметров элементов; запроектировать новый элемент дороги, соответствующий расчётной скорости). Определяли риск движения автомобилей по рассматриваемым вариантам при различных скоростях движения и определяли экономические показатели: сумму приведённых затрат и чистую приведённую ценность проектного решения с применением компьютерных программ «Транзит» и «NPV– Road», разработанных в СГТУ под руководством проф. Столярова В.В.
В строительную стоимость частичной реконструкции участка дороги и в стоимость капитального ремонта включали затраты на следующие виды работ:
- устройство уширения земляного полотна и повышения его однородности по ширине;
- устройство уширения и усиления дорожной одежды;
- ремонт или реконструкция искусственных сооружений (путепроводов, малых мостов, водопропускных труб и дренажей).
С учетом вычисленных строительных, автотранспортных, дорожно-эксплуатационных и пассажирских расходов, а также потерь от ДТП были получены суммарные приведенные затраты, представленные в относительных единицах. На рис. 4 показан пример определения допустимого риска возникновения ДТП на участках существующих автомобильных дорог III технической категории, на которых при расчётной скорости движения 100 км/ч реализуются суммарные риски возникновения ДТП от 1 · 10-5 до 1 · 10-1.
При суммарном риске 0,1 наибольшую статью расходов в сумме приведённых затрат, взятой за 100%, имеет ущерб от ДТП по причине
несовершенства дорожных условий, составляющий около 52 % от этой суммы. На втором месте по объёму расходов при суммарном риске 0,1
находятся автотранспортные расходы, которые составляют 37 % от суммы приведённых затрат.
| 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 | ||||
| 1 | ||||
| 2 | 4 | |||
| 3 | ||||
| 5 | 6 | |||
| 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 Риск возникновения ДТП | ||||
Рис. 4. Определение допустимого риска возникновения ДТП на существующих дорогах III технической категории по оптимальной сумме приведённых затрат на капитальный ремонт и (или) реконструкцию участков дорог:
1 – сумма приведённых затрат; 2 – стоимость повышения однородности параметров дороги и (или) частичной реконструкции её элементов; 3 – автотранспортные затраты; 4 – потери от ДТП; 5 – стоимость пребывания пассажиров в пути; 6 – дорожно-эксплуатационные расходы
Потери населения и общества от задержек, связанных с пребыванием пассажиров в пути, достигают 8 %. При сохранении таких показателей и риска 0,1 транспортная работа дороги поддерживается только текущим ремонтом, на который приходится расходовать около 3 % от суммы приведённых затрат.
Капитальный ремонт с усилением дорожной одежды и частичной реконструкцией опасных участков дорог III категории (при суммарном риске, превышающем 6 · 10-3) позволяет улучшить безопасность движения транспортных средств до рисков от 0,00001 до 0,001…0,005 (см. рис. 4).
Однако только при рисках от 3 · 10-4 до 5 · 10-3 (0,0003…0,005) сумма приведённых затрат минимальна и составляет менее 40 % от суммы приведённых затрат, взятой за 100 % при риске 0,1 (см. рис.4). Как показали технико-экономические расчёты по сумме приведённых затрат, все существующие двухполосные автомобильные дороги должны эксплуатироваться при суммарном риске, не превышающем значения 5 · 10-3, а частные значения риска не должны превышать значения 1 · 10-3.
Эти результаты практически подтверждают и несколько уточняют расчёты, выполненные по компьютерной программе «NPV-Road» – максимальные значения чистой приведённой ценности находящихся в эксплуатации дорог практически соответствуют тем же значениям риска возникновения ДТП, что и минимум суммы приведённых затрат. Так, на рис. 5 показан пример результатов расчёта чистой приведённой ценности находящихся в эксплуатации дорог III технической категории при различных рисках возникновения ДТП на их участках.
| 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 | ||||
| 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 Риск возникновения ДТП | ||||
Рис. 5. Зависимость чистой приведённой ценности от риска возникновения ДТП на дорогах III технической категории, получаемая в результате их ремонта или реконструкции
Как показали расчёты, максимум NPV находится практически в тех же пределах, в которых на рис. 4 зафиксирован минимум суммы приведённых затрат (в данном случае получили, что оптимальные значения допустимого риска находятся в пределах от 5 · 10-4 до 1 · 10-3). Следовательно, окончательно на двухполосных автомобильных дорогах можно допускать частные значения рисков не более 5 · 10-4, а суммарный риск не выше чем 1 · 10-3.
Как показали расчёты по компьютерным программам «Транзит» и «NPV-Road», на существующих многополосных дорогах частные и суммарные значения допустимого риска не должны превышать допустимый риск, определённый для вновь проектируемых дорог.
Следовательно, для существующих автомагистралей частные значения риска не должны быть выше величины 1 10-4, а суммарное значение риска на участке многополосной дороги следует ограничивать значением
8 10-4.
В таблице показаны значения рисков, рекомендованных в данных исследованиях в качестве допустимых рисков на существующих дорогах.
Таблица
Допустимые значения риска возникновения ДТП
на опасных участках находящихся в эксплуатации автомобильных дорог
| Вид допускаемого риска | Величины допускаемого риска возникновения ДТП на существующих дорогах: | |
| двухполосных | многополосных | |
| Частные значения | 5 · 10-4 | 1 · 10-4 |
| Суммарное значение | 1 · 10-3 | 8 · 10-4 |
В этой главе также представлены методики по определению обеспеченной скорости на запрещающих дорожных знаках 3.24 и по оценке качества поперечного профиля на десяти- и двенадцатиполосных автомагистралях по величине допустимого риска опережения со сменой полосы движения.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Анализ экспериментальных исследований показал, что проблема аварийности на дорогах наряду с плохой дисциплиной участников дорожного движения связана с низким качеством строительства основных геометрических элементов находящихся в эксплуатации автомобильных дорог и с недопустимым разбросом их параметров: ширины покрытия, радиусов кривых в плане и продольном профиле. Значительные отклонения названных параметров от проектных и (или) средних значений приводят к появлению недопустимых рисков возникновения ДТП. А кривые распределения и гистограммы названных геометрических параметров и их отклонений в пределах основных геометрических элементов автомобильных дорог хорошо согласуются с нормальным законом распределения. Следовательно, при обработке статистических данных, а также для вывода основных формул, оценивающих качество строительства геометрических элементов автомобильных дорог, можно использовать нормальный закон распределения.
2. На основе экспериментальных данных и выполненных теоретических исследований установлено и рекомендовано к применению основанное на расчетной скорости движения универсальное математическое выражение для оценки допусков на отклонение основных геометрических параметров автомобильных дорог всех категорий. Применение этого уравнения позволяет устанавливать и контролировать допуски на среднеквадратические отклонения таких непрерывных переменных, как ширина покрытия дорожного полотна, радиусы кривых в плане и продольном профиле. Именно недопустимый разброс этих параметров приводит к появлению локально зауженных участков покрытий на автомобильных дорогах, неожиданному возникновению и росту центробежных сил и потере видимости поверхности дороги и встречного автомобиля на кривых в плане и продольном профиле. Существующие методы приёмки дорог в эксплуатацию не позволяют оценить влияние степени отклонения названных параметров от проектных величин на риск причинения вреда пользователям дорог. Наилучшим образом эта оценка выполняется методами, основанными на теории риска, которые учитывают фактические законы распределения геометрических параметров дорог, построенных в разные десятилетия и по различным нормативным требованиям.
3. На основе теории риска разработана теоретико-вероятностная модель определения требуемой ширины покрытия десяти- и двенадцатиполосных автомагистралей, которая позволяет устанавливать требуемую ширину покрытия, соответствующую допустимому риску столкновения автомобилей в режиме перестроения (опережения со сменой полосы движения). Разработка этих математических моделей вызвана тем, что в настоящее время на подходах к мегаполисам и крупным городам всё чаще прибегают к строительству автомагистралей с десятью и двенадцатью полосами движения.
4. Анализ полученных математических моделей показал, что десятиполосные автомагистрали целесообразно проектировать (строить) с применением расчётной скорости 100 км/ч и шириной полосы движения 3,5 м. При этом риск возникновения ДТП, вызванный опережением быстроходными автомобилями тихоходных транспортных средств, остаётся допустимым и равным 1 10-4. Очевидно, что строительство таких дорог даст существенную экономию капиталовложений.
5. На основе применения к существующим автомобильным дорогам математических моделей теории риска и технико-экономического обоснования с использованием чистой приведённой ценности проекта (NPV) был установлен допустимый (оптимальный) риск причинения вреда участникам движения (водителям, пассажирам, пешеходам и перевозчикам) на существующих двух- и многополосных дорогах. Как показали результаты исследования, на автомагистралях, находящихся в эксплуатации, представляется возможным использовать в качестве допустимого частного риска значение 1 10-4, а в качестве допустимого суммарного риска значение
8 10-4, которые рекомендуется использовать и для вновь проектируемых дорог. Этот результат связан с наличием на автомагистралях многополосной проезжей части, на которой у водителей имеется возможность маневрировать в случае возникновения опасности на пути движения (в отличие от двухполосных дорог, на которых объезд препятствия и совершение обгонов осуществляется с выездом на встречную полосу дороги).
Как показало технико-экономическое обоснование по чистой приведённой ценности проектов и сумме приведённых затрат, все существующие двухполосные автомобильные дороги должны эксплуатироваться при суммарном риске, не превышающем значения 1 · 10-3, а частные значения риска не должны превышать значения 5 · 10-4. В настоящее время качественное состояние двухполосных автомобильных дорог России не позволяет, как с технической, так и экономической точки зрения принимать в качестве допустимых меньшие значения риска. Снижение суммарного риска до значения 1 10-4 приведёт к установке на двухполосных дорогах запрещающих знаков 3.24 со скоростями, не обеспечивающими эффективной работы автомобильного транспорта или к такому объёму работ по частичной реконструкции дорог, при котором чистая приведённая ценность становится менее эффективной, чем при рисках от 5 · 10-4 до 1 · 10-3.
6. Разработаны практические рекомендации оценки качества поперечного профиля существующих десяти- и двенадцатиполосных автомагистралей по риску столкновения при опережении со сменой полосы движения быстроходными автомобилями тихоходных транспортных средств. Эти рекомендации основываются на проведении ремонтных работ с частичной реконструкцией находящихся в эксплуатации дорог и с обоснованием ограничения допустимой скорости движения на знаках 3.24, при которых частные и суммарный риски возникновения ДТП по причине несовершенства автомобильной дороги не превысят допустимых значений.
Основное содержание диссертационной работы отражено
в следующих публикациях:
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах
и изданиях, определенных ВАК РФ
1. Плетминцев С.А. Основные понятия и формулы теории риска для оценки риска опережения быстроходными автомобилями тихоходных транспортных средств на десяти- и двенадцатиполосных автомагистралях // Вестник ВолГАСУ. Сер.: Строительство и архитектура. Волгоград:
ВолГАСУ, 2011. Вып. 22 (41). С. 45–51.
2. Плетминцев С.А. Технико-экономическое обоснование допустимой величины риска возникновения ДТП по дорожным условиям на существующих автомобильных дорогах // Строительство и реконструкция:
научно-технический журнал. Орел: Госуниверситет – УНПК, 2011. Вып. 3 (35). С. 72–78.
Отраслевые издания и материалы конференций
3. Столяров В.В., Плетминцев С.А. Об альтернативном техническом регламенте на проектирование новых автомобильных дорог // Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах: Девятая
междунар. конф. Санкт-Петербург, 23–24 сентября 2010 г. СПб., 2010. С. 124–128.
4. Столяров В.В., Плетминцев С.А. Процедура анализа и оценки тяжести ущерба при возникновении ДТП с гибелью, ранением участников движения, порчей или утратой имущества любой формы собственности // Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах:
Девятая междунар. конф. Санкт-Петербург, 23–24 сентября 2010 г. СПб., 2010. С. 519–523.
5. Плетминцев С.А. Влияние качества строительства автомобильных дорог на безопасность движения автомобилей // Проблемы транспорта и транспортного строительства: сб. науч. тр. Саратов: Изд-во СГТУ, 2011. С. 25–32.
6. Оценка качества строительства продольного профиля автомобильной дороги на основе теории риска / В.В.Столяров, С.А. Плетминцев
[и др] // Вестник ПГТУ. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. Пермь: Пермский гос. техн. ун-т, 2011. №1. С.57–64.
7. Столяров В.В., Плетминцев С.А. Оценка допусков на отклонение геометрических параметров автомобильных дорог // Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве: Материалы
Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием. Пермь: Пермский гос. техн. ун-т, 2011. Том 2. С. 274–278.
8. Столяров В.В., Кокодеева Н.Е., Плетминцев С.А. К оценке качества строительства автомобильных дорог // Наука: 21 век. Саратов:
Издательский центр РАТА, 2011. №1 (13). С. 72–80.
ПЛЕТМИНЦЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
С ПОЗИЦИИ ТЕОРИИ РИСКА
05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов,
аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
__________________________________________________________
Подписано в печать «03» октября 2011г. Формат 6084 1/16.
Бумага писчая белая. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0.
Заказ № 129. Тираж 100 экз.
Издательство ПГУАС.
Отпечатано в полиграфическом центре ПГУАС
440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28.
