Конструкции и методики, исключающие формирование пробок и заторов в условиях города - Юрий Михайлович Низовцев

в час в среднем 2000 легковых автомобилей со скоростью 60-100 км/час. То есть при наличии у двухэтажной магистрали-эстакады двустороннего движения 4-х полос движения и двух резервно-технических полос на каждом этаже (всего восемь полос движения и четыре буферные полосы) ее средняя пропускная способность составит 16 тысяч легковых автомобилей в час, а не 3000 автомобилей в час, как это существует в настоящее время на каждой городской магистрали со светофорами (с перекрестками). Ширина такой магистрали-эстакады без учета возможных внешних межэтажных переездов – 18 метров.

Режим безостановочного движения автомобилей по магистрали-эстакаде в пределах 40 – 90 км/час при форс-мажорных ситуациях также может поддерживаться автоматически за счет ограничения въезда автомобилей на тех участках, где скорость движения начинает падать ниже предела 40 км/час с помощью объединенной системы соответствующих датчиков средней скорости транспортных потоков и въездных светофоров [1,5].

Введение одной радиальной двухэтажной восьмиполосной магистрали-эстакады над наземной магистралью увеличивает пропускную способность для автомобильных потоков данного городского сектора с учетом наземной магистрали в шесть раз, что эквивалентно строительству пяти аналогичных существующей наземных магистралей.

Чтобы обеспечить согласование числа движущихся легковых автомобилей по радиальным магистралям-эстакадам с числом легковых автомобилей на кольцевых магистралях, необходима установка, соответствующего числа кольцевых магистралей-эстакад с общей пропускной способностью, соответствующей пропускной способности радиальных эстакад-магистралей. Если учесть, что большая часть автомобилей на радиальных магистралях стремится перемещаться в рамках своих секторов или выезжает (въезжает) в загородные регионы в направлении каждой радиальной магистрали, то пропускная способность кольцевых магистралей-эстакад может быть соответственно понижена до уровня, достаточного для организации переезда автомобилей из одного сектора в другой.

Глава 4

Технические решения, обеспечивающие безостановочное движение автомобилей по действующим магистралям (без пробок).

Несмотря на высокую стоимость работ по регулированию движения на магистралях, проблема возникновения пробок и заторов на них остается не решенной, что подтверждает ежедневная практика автомобильного движения. Применяемые методы регулирования транспортных потоков на городских магистралях в условиях существенного повышения плотности движения, вызванного значительным приростом числа автомобилей, перестали быть эффективными.

Выше об этих методах регулирования было сказано подробнее и были выяснены причины их неэффективности.

В теории, рассматривающей движение транспортных потоков, до сего времени используется гидродинамическая аналогия – модель Лайтхилла-Уизема. В своей классической работе (Lighthill M.J., Whitham G.B., Proc. R. Soc. A 229, 317 (1955)) они писали: «…Основная гипотеза теории состоит в том, что в любой точке дороги расход (автомобили в час) есть функция плотности (автомобили на милю)…». «На основе этого и еще ряда допущений и последующего обобщения было получено уравнение Бюргерса, которое можно рассматривать как скалярное одномерное уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости с единичной плотностью», отмечает Семенов В.В. [9].

Один из представителей отечественной науки о транспортных потоках Афанасьев М.Б. также пишет: «…движение плотного транспортного потока по улице или дороге напоминает движение воды в канале… канал определенного сечения может пропустить вполне определенное количество воды в единицу времени. Если мы хотим пропустить через канал большее количество воды, то должны увеличить его сечение. Нечто подобное происходит и с транспортным потоком, движущимся по своему каналу – улице или дороге. Проезжая часть определенной ширины может пропустить вполне определенное количество автомобилей, и если мы хотим увеличить ее пропускную способность, то должны расширить дорогу… Эта аналогия дала специалистам основание применить для изучения закономерностей транспортных потоков законы движения жидкости. Такая модель, правда, с определенными ограничениями позволяет проводить важные исследования и решать ряд практических вопросов по регулированию движения.» [10].

Однако модель «жидкости на дороге» имеет границы до определенных скоростей и плотностей. Затем происходит «фазовый переход», и эта модель перестает работать. Приходится вводить еще две модели – свободный поток и перемещающиеся пробки. Возникает вопрос: «Какие параметры определяют эти фазовые переходы?». Например, для понятия «агрегатное состояние вещества» определяющим параметром является температура. Для гидродинамических переходов – скорость потока и т.п. Для транспортных потоков этот вопрос остается открытым [9].

Ученые Национального исследовательского центра Лос-Аламоса (Los Alamos National Lab. – LANL) выделяют следующие паттерны транспортного потока.

Стадия 1.      Пока дорога не загружена, автомобилисты движутся на удобной им скорости, свободно переходя на соседние полосы движения. На этой стадии автомобили сопоставимы с потоком частиц, имеющих большую свободу в своем перемещении.

Стадия 2. Как только дорога становится переполненной, автомобилисты внезапно теряют большую часть свободы перемещения и вынуждены двигаться уже как часть всеобщего транспортного потока, согласовывая с ним свою скорость. При этом они уже не имеют возможности свободно менять полосу движения. Эта стадия, подобная потоку воды, называется «синхронизированным» потоком.

Стадия 3. При очень большом числе автомобилей в потоке движение приобретает прерывистый характер (режим «stop-and-go»). На этой стадии транспортный поток можно уподобить потоку замерзающей воды, автомобили становятся на какой-то промежуток времени как бы «приклеенными» к одному месту дороги.

Таким образом, в теории транспортных потоков последний рассматривается как поток жидкости или газа. Поэтому понятие «фазового перехода» в транспортном потоке введено по аналогии с фазовыми переходами в жидкостях – превращение пара в воду или воды в лед.

Семенов В.В. поясняет: «Объяснение же момента и динамики смены фазы в транспортном потоке, по аналогии с тем как это происходит в природе, на сегодняшний день пока нет. Иными словами, фазовые переходы – это качественные скачкообразные изменения в скорости и плотности транспортных единиц в потоке. Эти изменения возникают локально и распространяются волнообразно по потоку. В результате поток превращается в «желе». Такое состояние может сохранять достаточно долго, час или два. Возникает чаще у въездов-съездов на автострадах. Эти явления не описываются ни одной из существующих математических моделей, а только лишь реалистично воспроизводится на имитационных моделях клеточных автоматов. Поэтому механизм фазовых переходов, если они существуют в реальности, а не просто являются красивой классификацией, до сих пор не понятен [9].

Таким образом, методы регулирования транспортных потоков ориентируются на установление определенного порядка в рамках складывающихся на магистралях дорожных ситуаций с целью улучшения этих ситуаций. И этот порядок основывается на гидродинамической модели транспортного потока, которая, как было отмечено выше, не является адекватной для всех дорожных ситуаций и, в частности, не работает при уплотнении транспортного потока. Как результат, непреходящие пробки на магистралях больших городов.

В рамках предложенного нами подхода решение проблемы пробок рассматривается в иной плоскости – в плоскости сохранения, точнее, формирования и сохранения режима транспортного потока, соответствующего указанной выше стадии 1, то есть стадии свободного потока. Определенный тип регулирования транспортных потоков может сформировать такую транспортную ситуацию, при которой уплотнение транспортного потока и образование заторов