§ 11. Пропускная способность дороги

Важным показателем, характеризующим дорогу, является ее пропускная способность, которая оценивается максимально возможным количеством автомобилей, проходящих через определенное сечение дороги в единицу времени.

По дороге можно пропустить максимальное количество автомобилей только при определенной скорости и плотности транспортного потока. Если транспортный поток состоит только из одних легковых автомобилей, то за одно и то же время их можно пропустить по дороге больше, чем грузовых, имеющих большую длину. Поскольку транспортный поток состоит из различных по габаритам и техническим характеристикам автомобилей, возникают определенные трудности при сравнении по пропускной способности конкретных участков дорог. Поэтому для оценки пропускной способности принято весь транспортный поток приводить к однородному потоку легковых автомобилей с помощью переводных коэффициентов. Численные значения переводных коэффициентов показывают, насколько динамический габарит длина автомобиля плюс безопасная дистанция до движущегося впереди транспортного средства) данного автомобиля отличается от динамического габарита легкового автомобиля.

Тормозные качества автомобилей различных типов имеют существенную разницу, что оказывает влияние на величину безопасной дистанции и, как следствие, на динамический габарит.

В расчетах обычно пользуются следующими значениями коэффициентов приведения, которые получены путем изучения динамических габаритов транспортных средств в реальных дорожных условиях:

Если, например, по дороге проходит 250 легковых автомобилей, 400 грузовых грузоподъемностью от 2 до 5 т, 20 автобусов и 100 автопоездов грузоподъемностью до 20 т (всего 770 транспортных средств), то, используя коэффициенты приведения, получим:

(250 х 1) + (400 x 2) + (20 x 2,5) + (100 x 4) = 1500.

Иными словами, такой поток, состоящий из 770 разнотипных транспортных средств, эквивалентен по степени загрузки дороги 1500 легковым автомобилям.

Сопоставление между собой коэффициентов приведения подсказывает, что одним из путей повышения пропускной способности перегруженных участков улиц и дорог является исключение из транспортного потока (или перевод на другие маршруты) троллейбусов и автопоездов, имеющих динамический габарит соответственно в 3 и 4 раза больше, чем у легковых автомобилей.

На величину пропускной способности дороги существенное влияние оказывает дистанция между движущимися по дороге автомобилями. При скользкой проезжей части в целях безопасности водители выдерживают большую дистанцию, чем при нормальном состоянии дороги. Поэтому при гололедице, сильном снегопаде или дожде пропускная способность дороги резко снижается и нередко образуются заторы. Однако при определении пропускной способности обычно исходят из предположения, что движение происходит при нормальном состоянии проезжей части.

Пропускная способность проезжей части рассчитывается при следующих предпосылках. По какому-либо участку дороги можно пропустить максимально возможное количество автомобилей только в том случае, если все транспортные средства будут двигаться с одинаковой скоростью в колонне, поддерживая между собой минимально безопасную дистанцию. Эта дистанция должна обеспечивать безопасную остановку в случае экстренного торможения движущегося впереди транспортного средства. Если бы все автомобили обладали одинаковыми тормозными качествами, то, очевидно, дистанция между ними могла бы быть равна расстоянию, проходимому за время реакции водителя. Однако в реальных условиях, как уже отмечалось, транспортный поток состоит из разнотипных автомобилей, имеющих тормоза с различной эффективностью. Поэтому величину безопасной дистанции определяют исходя из предположения, что движущийся впереди автомобиль имеет более эффективную тормозную систему и, следовательно, меньший тормозной путь, чем следующий сзади.

Эффективность тормозов характеризуется величиной максимального замедления i при торможении на сухом асфальтобетонном покрытии. Разница между величиной замедления двух следующих друг за другом автомобилей в реальных условиях может достигать 4 - 5 м/с². Например, легковой автомобиль с дисковыми тормозами может развить замедление i = 8 м/с², а тяжелый автопоезд иногда укладывается только в диапазон i = 3 - 4 м/с². В таких условиях тормозной путь автопоезда будет примерно в 2 раза больше, чем легкового автомобиля. Поэтому, чтобы при экстренном торможении движущегося впереди легкового автомобиля автопоезд не столкнулся с ним, между этими транспортными средствами должна быть дистанция, равная разности их тормозных путей плюс расстояние, которое пройдет автопоезд за время реакции водителя и время срабатывания тормозов.

Тормозной путь автомобиля на горизонтальном участке равен:

Тогда разность тормозных путей двух следующих с одинаковой скоростью друг за другом автомобилей будет:

где i₁ и i₂ - максимальное замедление при торможении переднего и заднего автомобилей соответственно, м/с²; V - скорость движения, м/с.

Рис. 5. Схема к определению динамического габарита автомобиля

Динамический габарит (рис. 5), включающий в себя разность тормозных путей, расстояние, проходимое за время реакции водителя и срабатывания тормозного привода, а также длину автомобиля, определяется соотношением:

В этой формуле и на рис. 5 величина Vt - путь за время реакции водителя и срабатывания тормозов; la - длина автомобиля. Приняв в качестве примера i₁ = 8 м/с² и i₂ = 4,2 м/с² (минимальная допускаемая Правилами дорожного движения величина замедления), t = 2 с и длину автомобиля l_а = 6 м, получим следующие величины динамических габаритов (с округлением до целых метров):

По этим данным построена кривая 1 на рис. 6. Здесь же для сравнения приведены экспериментальные характеристики, полученные на дорогах СССР (2) и США (3). Обращает на себя внимание несовпадение экспериментальных и расчетных значений динамических габаритов. Даже со скидкой на некоторую условность принятых в расчете данных (чрезмерно большое различие в эффективности действия тормозов следующих друг за другом автомобилей) следует все же заметить, что выбираемые водителями дистанции, особенно при высоких скоростях, иногда не обеспечивают безопасности движения. Подтверждением этого служит большое количество так называемых попутных столкновений в плотных транспортных потоках.

Для вычисления пропускной способности основное уравнение транспортного потока можно представить в следующем виде:

Рис. 6. Зависимость динамических габаритов ав томобилей от скорости движения

Здесь плотность транспортного потока D выражена через величину

количество автомобилей на 1 км дороги, a L - динамический габарит среднего автомобиля. На рис. 7 приведены зависимости интенсивности движения N от скорости V, вычисленные по данной формуле (при значениях L и V по рис. 6). Они показывают, что максимум, соответствующий пропускной способности, наблюдается при различных скоростях.

Анализ графиков на рис. 7 наглядно показывает, как влияет динамический габарит на пропускную способность дороги. Для дорог СССР при реальных значениях интервалов между автомобилями максимум пропускной способности составляет примерно 1650 авт/ч на одну полосу, для американских условий эта величина несколько больше 2000 авт/ч. Наименьшее значение пропускной способности (кривая 1) получилось для принятых в расчете условий движения автомобилей с резко различной эффективностью тормозных систем, что предопределило существенно большую величину динамического габарита (см. рис. 6).

Указанные величины пропускной способности относятся к горизонтальным участкам многополосных дорог и являются предельно возможными при условии непрерывного движения транспортных средств в колоннах. Как уже отмечалось, наблюдения, проводившиеся на дорогах нашей страны, показывают, что обычная дорога с двусторонним движением, имеющая проезжую часть шириной 7-7,5 м, может в обоих направлениях пропустить около 2000 авт/ч, т. е. почти столько же, сколько одна полоса многополосной магистрали. Объясняется это взаимными помехами при встречном движении на узкой проезжей части.

Маневрирование при многополосной проезжей части и обгоны также снижают пропускную способность. Поэтому пропускная способность, например, четырехполосной проезжей части будет больше пропускной способности одной полосы не в 4 раза, а только в 3.

Рис. 7. Зависимость интенсивности движения от скорости

В городских условиях на регулируемых пересечениях транспортный поток периодически останавливается красным сигналом светофора, и общее время запрещения движения в течение часа может достигать 30 мин. Неизбежные задержки возникают и при проезде нерегулируемых пересечений, где автомобили снижают скорость или даже останавливаются, уступая дорогу тем транспортным средствам, которые в соответствии с Правилами движения имеют преимущественное право проезда. Поэтому реальная пропускная способность одной полосы городской улицы при наличии светофорного регулирования не превышает 500 авт/ч.

Анализ факторов, влияющих на пропускную способность, свидетельствует, что для ее повышения решающее значение имеет сокращение дистанций между автомобилями. Однако это возможно лишь при условии повышения эффективности тормозных систем автомобилей. Важное значение имеет обеспечение одинаковой эффективности торможения различных типов автомобилей. В настоящее время водители автомобилей старых моделей в целях безопасности движения вынуждены увеличивать дистанцию, что, естественно, снижает плотность транспортного потока и пропускную способность улицы или дороги. Если бы тормозные системы всех автомобилей обладали одинаковой эффективностью, то дистанция между автомобилями, как уже отмечалось, определялась бы в основном временем реакции водителя и временем срабатывания тормозного привода. Так, для скорости 80 км/ч дистанция составляет 44 м, а пропускная способность полосы-примерно 1800 авт/ч. При разнице величины замедления между автомобилями 5 м/с² безопасная дистанция составит уже 102 м и пропускная способность полосы снизится до 780 авт/ч. Этот пример наглядно показывает, какие огромные резервы повышения пропускной способности улиц и дорог кроются в дальнейшем совершенствовании тормозных систем автомобилей.

Надо подчеркнуть, что за счет повышения водительского мастерства также можно "уплотнить" транспортный поток, так как опытные водители могут позволить себе двигаться на несколько меньших расстояниях.

Другой путь повышения пропускной способности связан с введением элементов автоматизации управления автомобилем. В данном случае речь идет о системах, обеспечивающих автоматическое поддержание заданной дистанции между автомобилями. Научные разработки в этом направлении проводятся как в нашей стране, так и за рубежом.