Транспортный поток состоит из отдельных автомобилей, обладающих различными динамическими характеристиками и управляемых разными по квалификации водителями, т. е. он не является однородным.

В условиях малоинтенсивного движения, когда по дороге движутся отдельные транспортные средства с большими интервалами, водителя в выборе режима движения ограничивают Правила движения, состояние автомобиля и дороги. В плотном транспортном потоке водитель не свободен в выборе скорости движения, он не всегда может сделать обгон и его поведение в значительной степени определяется общим ритмом движения на дороге. Следовательно, интенсивный транспортный поток нивелирует различия в характеристике отдельных водителей и машин.

Наиболее необходимыми и часто применяемыми характеристиками транспортного потока являются интенсивность транспортного потока, его состав по типам транспортных средств, плотность потока, скорость движения, задержки движения. Интенсивность транспортного потока определяется как число транспортных средств, проезжающих через сечение дороги за единицу времени. В качестве расчетного периода времени для определения интенсивности движения принимают год, месяц, сутки, час и более короткие промежутки времени в зависимости от поставленной задачи наблюдения и средств измерения.

На улично-дорожной сети можно выделить отдельные участки и зоны, где движение достигает максимальных размеров, в то время как на других участках оно в несколько раз меньше. Такая пространственная неравномерность отражает, прежде всего, неравномерность размещения грузообразующих и пассажирообразующих пунктов и мест их притяжения. Неравномерность может быть выражена как доля интенсивности движения, приходящейся на данный отрезок времени, либо как отношение наблюдаемой интенсивности к средней за одинаковые промежутки времени.

Эффективность автомобильных перевозок и безопасность дорожного движения в значительной мере определяются характером взаимосвязей в потоке движущихся транспортных средств и основными характеристиками этого потока. Незнание природы таких взаимосвязей ограничивает возможности управления транспортным потоком.

Транспортный поток - это совокупность транспортных средств, движущихся по проезжей части дороги.

В зависимости от числа полос и разрешенных направлений движения транспортный поток подразделяют на следующие виды:

– однополосный односторонний;

– двухполосный односторонний или двусторонний;

– трехполосный односторонний или двусторонний;

– четырехполосный (и более) односторонний или двусторонний.

В зависимости от вида транспортного потока будут различаться возможности для маневрирования, условия движения транспортных средств и другие параметры.

Наиболее востребованными и часто применяемыми характеристиками транспортного потока являются интенсивность, скорость движения, плотность потока, его состав по типам транспортных средств.

Интенсивность движения Na определяется числом транспортных средств (автомобилей), движущихся в определенном направлении или направлениях по данной полосе или дороге и проходящих через пункт наблюдения за фиксированный промежуток времени. Определение интенсивности движения составляет основу оценки состояния транспортного потока.

Интенсивность движения является главным показателем при определении уровня загруженности различных дорог.

При изучении интенсивности движения определяют такой параметр, как неравномерность транспортного потока - его распределение по времени и направлениям.

Интенсивность движения меняется по времени суток (рисунок 2.1), дням недели и месяцам года (рисунок 2.2).

При расчетах обычно пользуются данными об интенсивности движения в часы пик и среднесуточной интенсивности движения за год. При определении эффективности дорожной сети различают два аспекта, один из которых связан с учетом основных характеристик отдельных дорог, а другой - с оценкой эффективности дорожной сети в целом.

Рисунок 2.1 – Изменение интенсивности движения по времени суток

1 – на дороге федерального значения; 2 – на дороге областного значения

Рисунок 2.2 – Примерное изменение интенсивности транспортного потока в течение года.

Постоянный мониторинг интенсивности движения позволяет своевременно планировать работы по изменению организации дорожного движения, модернизации и реконструкции дороги. Данные работы проводятся в соответствии с Руководством по прогнозированию интенсивности движения на автомобильных дорогах которое предназначено для расчета существующей и прогнозирования ожидаемой на соответствующий перспективный период среднегодовой суточной интенсивности движения на участках сети автомобильных дорог общего пользования, дорожной сети городов и т.д.

Интенсивность движения - это непрерывно изменяющаяся величина, даже при очень низкой часовой интенсивности движения могут наблюдаться кратковременные интервалы, за которые через данный пункт будет проходить транспортные средства.

Для двухполосных дорог с движением в обоих направлениях общая интенсивность обычно характеризуется суммарным значением встречных потоков, так как условия движения и, в частности, возможность обгонов определяются загрузкой обеих полос.

Если же дорога имеет разделительную полосу и встречные потоки изолированы друг от друга, суммарная интенсивность встречных направлений не определяет условия движения, а характеризует лишь суммарную работу дороги как сооружения. Для таких дорог имеет значение интенсивность движения в каждом направлении.

При решении различных вопросов регулирования дорожного движения, особенно в городских условиях, большое значение имеет не только суммарная интенсивность потока по данному направлению, но и интенсивность движения, приходящаяся на одну полосу, - так называемая удельная интенсивность движения Ма.

Если известно конкретное распределение интенсивности движения по полосам и оно существенно неравномерно. В качестве расчетной интенсивности Ма можно принять интенсивность движения по наиболее загруженной полосе.

Во многих городах дорожная сеть не соответствует возросшей интенсивности движения. На перекрестках возникают заторы, жизнь пешеходов подвергается опасности, оставленные у тротуаров автомобили сильно затрудняют движение транспортных средств.

В оценку уровня загруженности дорог входят следующие взаимосвязанные факторы:

– скорость движения и время, затрачиваемое на поездку;

– непрерывность движения;

– свобода маневрирования;

– безопасность и удобство управления транспортным средством.

Интенсивность движения влияет на все эти факторы, причем с увеличением интенсивности ее отрицательное влияние усиливается. Когда фактическая интенсивность движения по дороге приближается к максимально возможной, увеличивается опасность заторов.

Затор - это качественное понятие, которое связано с количественной характеристикой, называемой плотностью транспортного потока qa.

Плотность транспортного потока является пространственной характеристикой, определяющей степень стесненности движения на полосе дороги. Ее измеряют числом транспортных средств, приходящихся на 1 км протяженности дороги.

Предельная плотность транспортного потока достигается при неподвижном состоянии колонны транспортных средств, расположенных вплотную друг к другу на полосе.

Предельное значение плотности транспортного потока qmах составляет 170 - 200 авт./км в зависимости от состава транспортного потока.

При разных значениях плотности движения могут складываться разные уровни эксплуатационных условий по степени стесненности. В зависимости от плотности транспортного потока движение по степени стесненности подразделяют на свободное, частично связанное, насыщенное и колонное.

Численные значения qa в физических единицах (автомобилях), соответствующих этим состояниям транспортного потока, весьма существенно зависят от параметров дороги, в первую очередь от ее плана и профиля, коэффициента сцепления, а также состава транспортного потока по типам транспортных средств, что, в свою очередь, влияет на выбираемую водителями скорость движения.

Скорость движения υa является важнейшим показателем транспортного потока, так как цель всех мероприятий по организации дорожного движения – обеспечение скорости транспортного потока, наиболее приближенной к максимально возможной из условий безопасности дорожного движения.

В практике организации дорожного движения в зависимости от методов измерения и расчета рассматривают:

- мгновенную скорость движения υa – скорость, фиксируемую в отдельных типичных сечениях (точках) дороги. Именно мгновенная скорость движения в значительной степени влияет на безопасность движения, поскольку определяет кинетическую энергию автомобиля, т. е. его тормозной путь и время, которое имеется у водителя для оценки опасной ситуации;

- максимальную скорость движения υм – наибольшую мгновенную скорость движения, которую может развить транспортное средство. Для дорожного движения большое значение имеет максимальная скорость движения транспортного средства, которая ниже разрешенной. Такие транспортные средства становятся препятствием для нормального движения транспортного потока;

- крейсерскую скорость движения υк – скорость, с которой водитель стремится ехать в данных условиях. Если транспортный поток движется более медленно или более быстро, водитель испытывает дискомфорт. В зависимости от типа личности водитель быстрее ощущает усталость, становится невнимательным или раздражительным;

- разрешенную скорость движения υpaз – скорость, разрешенную на данном участке дороги нормативными документами или средствами регулирования дорожного движения;

- рекомендуемую скорость движения υpeк – скорость, с которой рекомендуется двигаться водителю и которая обеспечивает безопасность дорожного движения в данных условиях;

- безопасную скорость движения υб.д. – скорость, при которой водитель в состоянии предпринять необходимые действия при возникновении опасной ситуации. Соблюдение безопасной скорости движения с большой вероятностью позволяет гарантировать безопасность поездки;

- экономичную скорость движения υэкн – скорость, при которой затраты на движение (в основном расход топлива) минимальны;

- скорость сообщения υс – скорость, которая является измерителем времени доставки пассажиров и грузов. Скорость сообщения определяется как отношение расстояния между точками сообщения ко времени нахождения транспортного средства в пути (времени сообщения). Этот же показатель применяется для характеристики скорости движения по отдельным участкам дорог.

Между параметрами транспортного потока существуют определенные зависимости. Характер этих зависимостей достаточно сложный, на них влияет громадное количество факторов, связанных не только непосредственно с транспортным потоком, но и с условиями его движения по дороге, метеоусловиями, временем года и суток и т. п. При исследовании транспортных потоков влияющие на них факторы могут рассматриваться как детерминированные или как вероятностные величины.

Вероятностный подход более близок природе транспортного потока, но сложен для математического описания. Детерминированный подход легче реализовать в инженерных методиках, и при тщательном анализе исходных данных он дает достаточно точные для практики результаты.

При исследовании транспортных потоков используют два подхода.

Первый предполагает исследование процессов, происходящих внутри потока, поэтому он получил название микроскопическое моделирование. Микроскопическое моделирование рассматривает транспортный поток как взаимное положение следующих друг за другом автомобилей и основано на теории следования за лидером. Предполагается, что основное влияние на изменение параметров движения конкретного автомобиля (ведомого) оказывает изменение скорости движения находящегося перед ним автомобиля-лидера.

Исследования показали, что влияние на изменение скорости ведомого автомобиля начинается, когда временной интервал между ним и ведомым автомобилем составляет в городских условиях - 6 сек, вне населенных пунктов - 9 сек.

Второй подход к изучению транспортных потоков рассматривает его как целостный процесс, характеризуемый только внешними параметрами. При таком подходе создаются макроскопические модели, которые рассматривают такие характеристики транспортного потока как скорость, интенсивность, плотность движения и т.п.

Между скоростью движения, плотностью и интенсивностью движения существует соотношение Na = υа qa, (2.1) которое графически может быть изображено в виде так называемой основной диаграммы транспортного потока (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Основная диаграмма транспортного потока

Диаграмма отражает изменение состояния однорядного транспортного потока в зависимости от увеличения его интенсивности и плотности. Левая часть кривой (показана сплошной линией) отражает устойчивое состояние транспортного потока, при котором по мере увеличения плотности транспортный поток проходит фазы свободного, затем частично связанного и связанного движения, достигая точки максимально возможной интенсивности - пропускной способности (точка Na max= Pa).

В процессе этих изменений скорость транспортного потока падает - она характеризуется тангенсом угла наклона α радиуса-вектора, проведенного от точки 0 к любой точке кривой, характеризующей изменение Na.

Соответствующие точке Na max = Pa значения плотности и скорости транспортного потока считаются оптимальными по пропускной способности (qa opt и υa opt). При дальнейшем росте плотности (за точкой Ра перегиба кривой) транспортный поток становится неустойчивым (эта ветвь кривой показана штриховой линией).

Переход транспортного потока в неустойчивое состояние происходит вследствие снижения плавности движения, например при появлении препятствия на участке дороги, неблагоприятных метеоусловиях и т. п. Снижение скорости движения автомобилем – лидером группы требует торможения разной интенсивности последующих автомобилей, а затем и разгонов, что создает пульсирующий, неустойчивый поток.

Резкое торможение транспортного потока (находящегося в режиме, соответствующем точке А) и переход его в результате торможений к состоянию по скорости и плотности в положение, соответствующее, например, точке В, вызывает так называемую «ударную волну» (показана тонкой штриховой линией АВ), распространяющуюся навстречу направлению транспортного потока со скоростью, характеризуемой тангенсом угла β.

«Ударная волна» является, в частности, источником возникновения попутных цепных столкновений, типичных для плотных транспортных потоков.

В точках 0 и qmax интенсивность движения Na = 0, т.е. соответственно на дороге транспортные средства отсутствуют или транспортный поток находится в состоянии затора (неподвижности).

Радиус-вектор, проведенный из точки 0 в направлении любой точки на кривой (например, Аили В), характеризующей Na, определяет значение средней скорости потока

 (2.2)

Плотность транспортного потока рассматривается как зависимая переменная, поскольку две другие (интенсивность и скорость движения) являются измеряемыми и независимыми переменными.

Еще одним важным параметром, характеризующим транспортный поток, является наличие в его составе транспортных средств различного типа - состав транспортного потока. Состав транспортного потока влияет на загрузку дорог (стесненность движения), что объясняется, прежде всего, существенной разницей в габаритных размерах автомобилей: от длины 4...5 м для легковых автомобилей, до длины 24 м, характерной для автопоездов. Необходимо учитывать и различие в динамических характеристиках автомобилей различного типа.

Оценка состава транспортного потока осуществляется по процентному составу или доле транспортных средств различных типов.

Знание состава транспортного потока позволяет учесть степень занятости дороги движущимся автомобилем, выражением которой является динамическая площадь автомобиля Sa.

Этот показатель характеризует сложность обгона данного автомобиля другим.

Низкие значения Sa незначительно влияют на безопасность движения, а высокие вызывают ее снижение. Динамическая площадь определяется как произведение длины автомобиля lа на динамический габарит Ga.

 (2.3)

 (2.4)

где Bа − ширина автомобиля, м;

Ка − ширина колеи (по центрам колес), м;

0,5 − запас для обеспечения разъезда по 0,25 м на сторону.

Для учета в фактическом составе транспортного потока влияния различных типов транспортных средств на загрузку дороги применяют коэффициенты приведения kпр i к условному легковому автомобилю, значения которых представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значения коэффициентов приведения kпр i, по СНиП 2.05.02-85

Приведенная интенсивность движения вычисляется как сумма произведений частных показателей интенсивности движения транс портных средств каждого типа, умноженная на соответствующие коэффициенты приведения:

 (2.5)

где Ni − интенсивность движения транспортных средств данного типа;

kпр i − соответствующие коэффициенты приведения для данной группы транспортных средств;

т − число типов транспортных средств, на которые разделены данные наблюдений.

Исследования показывают, что используемые коэффициенты приведения являются приближенными или завышенными. Основная причина некорректности состоит в определении kпр i как функции грузоподъемности.

В действительности грузоподъемность не имеет прямого отношения к динамике автомобиля. Этот вывод тем более справедлив для современных более динамичных, скоростных транспортных средств. Автомобиль с высокими динамическими характеристиками независимо от грузоподъемности создает меньше помех движению и способствует повышению пропускной способности дороги.

Корректная оценка динамики автомобилей в транспортном потоке позволяет повысить достоверность расчета пропускной способности дороги.