Моделирование и анализ движения транспортных потоков автомобильной дороги г. Екатеринбург — аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8

Объектом настоящего исследования является участок автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8.
Моделируемый участок представляет собой автомобильную дорогу длиной 1,4 км с пятью полосами движения в одном направлении. Ширина каждой полосы движения – 3,8 м. Две полосы движения данной автомобильной дороги предназначены для поворота в микрорайон Новокольцовский и выезда из него, остальные полосы – для движения в сторону г. Екатеринбурга. Проектный чертеж данного участка дороги был разработан Уральским филиалом ОАО «ГИПРОДОРНИИ». Фрагмент чертежа представлен на рис. 1.

Рис. 1. Проект реконструкции автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8, выполненный в AutoCAD

Исходные данные для моделирования

Специалистами Уральского филиала ОАО «ГИПРОДОРНИИ» были предоставлены сводные ведомости грузонапряженности, грузооборота и интенсивности движения (см. таблицу 1) на моделируемом участке.
Для проведения моделирования использовалась следующая информация, предоставленная специалистами Уральского филиала ОАО «ГИПРОДОРНИИ»:
• суточные прогнозные интенсивности движения на 2027 год;
• состав транспортного потока на 2027 год.
Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Сводная ведомость грузонапряженности, грузооборота и интенсивности движения автомобильной дороги Екатеринбург – аэропорт Кольцово.

Сводная ведомость грузонапряженности, грузооборота и интенсивности движения автомобильной дороги Екатеринбург – аэропорт Кольцово.

Для проведения анализа моделируемой ситуации нужно учитывать следующие характеристики транспортного потока (в течение часа):
• структура транспортного потока;
• интенсивность транспортного потока;
• скорость движения транспортного потока.
Далее остановимся подробнее на каждой из характеристик.

Структура транспортного потока

Данные о составе транспортного потока на 2027 год были взяты из таблицы 1, предоставленной специалистами Уральского филиала ОАО «ГИПРОДОРНИИ». На основе предоставленных данных получили процентное соотношение состава транспортного потока от общего транспортного потока (см. таблица 2).

Таблица 2.
Состав транспортного потока на участке автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово по данным прогноза на 2027 год.

Интенсивность транспортного потока

Для исследования необходимо учитывать: часовую интенсивность движения на данном участке, а также проанализировать степень влияния интенсивности транспортного потока, следующего в микрорайон Новокольцовский, на общий транспортный поток.
Совместно с сотрудниками ОАО «ГИПРОДОРНИИ» было принято решение о том, что интенсивность движения в часы пик составляет 10 % от суточной интенсивности транспортного потока. Информация об интенсивности транспортного движения в час пик приведена на рисунке 2. Единицы измерения, приведенные на картограмме, соответствуют транспортным средствам.

Рис. 2. Пиковая интенсивность движения на участке дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8.

Поскольку транспортный поток, въезжающий в микрорайон Новокольцовский, влияет на одно направление, (так как встречный поток не сообщается с микрорайоном Новокольцовский), то моделирование будем проводить только для этого направления.

Скорость транспортного потока

Моделируемый участок дороги находится вне населенного пункта. Согласно правилам дорожного движения, вне населенных пунктов разрешенные скорости движения на дорогах, не относящихся к автомагистралям, составляют:
• для легковых автомобилей и грузовых автомобилей с разрешенной максимальной массой не более 3,5 т – 90 км/ч;
• для автобусов и грузовых автомобилей с разрешенной максимальной массой более 3,5 т – 70 км/ч.
При моделировании необходимо будет учесть скоростные ограничения для каждого из указанных типов транспортных средств.

Моделирование участка автомобильной дороги
г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8.
Основой для микромоделирования послужил проект реконструкции автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8 (рис. 1), выполненный Уральским филиалом ОАО «ГИПРОДОРНИИ» в системе автоматизированного проектирования AutoCAD. Моделирование на исследуемом участке было проведено специалистами Агентства дорожной информации с помощью программного комплекса PTV Vision Vissim.

Рис. 3. Проект реконструкции автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8, выполненный в PTV Vision Vissim.

Имитационная модель строится на основе модели поведения за впереди идущим транспортным средством по автомагистрали «Видеман 99» со следующими установленными параметрами:
• средняя желаемая дистанция между двумя транспортными средствами при остановке составляет 3 м;
• желаемое ускорение транспортного средства во время начала движения составляет 3,5 м/с2;
• желаемое ускорение при средней скорости транспортного потока равной 80 км/ч – 1,5 м/с2.

Данные, характеризующие состав транспортного потока (таблица 2), были занесены в имитационную модель.

Рис. 4. Определение состава и скорости транспортного потока на участке автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово в PTV Vision Vissim.

Интенсивность транспортного потока в моделировании учитывается с помощью входящих в зону моделирования транспортных потоков. В таблице 3 представлены входящие транспортные потоки.
Таблица 3
Входящие транспортные потоки

Скорость транспортных потоков при моделировании учитывается в составе транспортного потока. Кроме того, возможно вводить ограничения скорости, используя зоны малоскоростного движения.
Радиусы центральных островков на поворотах при заезде в микрорайон Новокольцовский и повороте на выезде равны 25 м. Исходя из рекомендаций по проектированию улиц и дорог, расчетная скорость на поворотах равна 20-25 км/ч. На микромодели замедление транспортных средств на поворотах до скорости 20-25 км/ч определяется зонами малоскоростного движения. (см. рис.5)

Рис. 5. Зоны малоскоростного движения
Фрагмент имитации при использовании моделирования приведен на рисунке 6, различными цветами транспортных средств отображены скоростные характеристики движения транспортного потока.

Рис. 6 Результаты моделирования, представленные в формате 3D
Далее на рисунках 7-12 представлены фрагменты моделирования при интенсивности транспортного потока на повороте 1520 ТС на разных секундах имитации движения.

Рис. 7 Фрагмент моделирования при интенсивности поворотного движения 1520 ТС на 320 секунде имитации движения.

Рис.8 Фрагмент моделирования при интенсивности поворотного движения 1520 ТС на 1700 секунде имитации движения.

Рис. 9 Фрагмент моделирования при интенсивности поворотного движения 1520 ТС на 2100 секунде имитации движения

Рис. 10 Фрагмент моделирования при интенсивности поворотного движения 1520 ТС на 2200 секунде имитации движения.

Рис. 11. Фрагмент моделирования при интенсивности поворотного движения 1520 ТС на 2420 секунде имитации движения.

Рис. 12 Фрагмент моделирования при интенсивности поворотного движения 1520 ТС на 3000 секунде имитации движения.

Анализ результатов моделирования

В рамках данного проекта необходимо проанализировать:
• степень влияния увеличения транспортного потока, совершающего поворот, на весь транспортный поток, выраженную во временных задержках транспортных средств на моделируемом участке;
• определить пропускную способность автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово 7 км – 8 км при увеличении интенсивности потока, выполняющего поворот в микрорайон Новокольцовский.

По каждому из приведенных параметров проведем детальный анализ.

Время задержки транспортных средств

Время задержки для транспортных средств рассчитывается как разность промоделированного времени реализации маршрута и времени проезда маршрута в идеальной сети. Задержки в сети в общем случае могут возникать по ряду причин связанных с интенсивностью транспортного потока, его неоднородностью, с различием в целях и конечных точках маршрутов движения транспортных средств.
Чтобы проанализировать влияние интенсивности транспортного потока, следующего в микрорайон Новокольцовский и из микрорайона, на время задержки транспортных средств на всем моделируемом участке и отдельно на транспортный поток прямого направления, необходимо увеличивать интенсивности потока, выполняющего поворот. Для этого количество транспортных средств, въезжающих в микрорайон, увеличивали от 380 ТС/час до 2660 ТС/час в арифметической прогрессии с шагом 380 ТС/час.
Полученные данные представлены в таблице 3.

Таблица 3.
Зависимость среднего времени задержки от количества транспортных средств, поворачивающих в м/р Новокольцовский.

На рисунке 13 приведен график изменения среднего времени задержки транспортного потока, поворачивающего направо.

Рис. 13. График изменения среднего времени задержки транспортного потока, поворачивающего направо.

На рисунке 14 приведен график изменения среднего времени задержки транспортных средств, на моделируемом участке от количества ТС, едущих прямо.

Рис. 14. График изменения среднего времени задержки транспортных средств, движущихся на моделируемом участке в прямом направлении, в зависимости от количества ТС, поворачивающих направо.

Из анализа диаграмм видно, что среднее время задержки транспортных средств, следующих: 1) в прямом направлении, и 2) поворачивающих направо, значительно возрастает при интенсивности транспортного потока, следующего в м/р Новокольцовский, более 1140 ТС/час.
Далее проведем анализ общего времени задержки транспортных средств, которые движутся на моделируемом участке в прямом направлении. На рисунке 15 приведен график суммы временных задержек для транспортных средств в сети, едущих прямо.

Рис.15. Суммарная временная задержка для транспортных средств, которые движутся в прямом направлении, час.

Из диаграмы на рисунке 15 видно, что при увеличении интенсивности транспортного потока на повороте время задержки транспортных средств значительно увеличивается.
Временные задержки транспортных средств, движущихся прямо, для модели, на которой отсутствует поворотный маневр, составляют 4:55:41. Когда интенсивность движения на поворот составляет около 500 ТС – временные задержки для прямого направления возрастают на 1:69:01, что нормально для данной ситуации. При увеличении количества ТС, совершающих поворот, примерно до 1000 ТС/час – задержки возрастают на 8:08:06, т.е. увеличиваются примерно в два раза по сравнению с вариантом, когда нет поворотного маневра. Увеличение временных задержек более чем в два раза можно считать существенными.

Пропускная способность
Необходимо оценить, как изменится пропускная способность дороги при увеличении интенсивности потока, выполняющего поворот.
По результатам научных исследований максимальная пропускная способность дороги, имеющей четыре полосы движения и более, составляет: 1250 ТС/час для крайней правой полосы, 1800 ТС/час для крайней левой полосы, 1600 авт./час для средних полос (на одной полосе).
В соответствие с «Рекомендациями по проектированию улиц и дорог» было получено, что максимальная пропускная способность полосы на повороте радиусом 25 м составляет 600 ТС/ч. При увеличении количества поворачивающих более 1140 ТС/час сокращается пропускная способность полос, следующих прямо.
Полученные данные представлены в виде таблицы 4.
Схема нумерации полос представлена на рисунке 16.

Рис. 16. Схема нумерации полос..

Таблица 4.
Зависимость пропускной способности полос от количества транспортных средств, поворачивающих в микрорайон Новокольцовский.

В результате моделирования было установлено, что при интенсивности поворотного направления 1140 ТС в час, пропускная способность поворотного участка дороги достигает почти максимального значения. При этом поток, въезжающий в микрорайон Новокольцовский, затрудняет движение для транспортных средств, следующих в прямом направлении, пропускная способность полос, следующих в прямом направлении, уменьшиться примерно на 250 ТС в час. Дальнейшее увеличение интенсивности поворотного потока снижает пропускную способность дороги в прямом направлении.

Выводы
На основе проекта реконструкции автомобильной дороги г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 – км 8 и данных об интенсивности и структуре транспортных потоков было проведено микромоделирование и анализ среднего времени задержки и пропускной способности с учетом перспективы развития микрорайона Новокольцовский.
Результаты анализа указывают на то, что при интенсивности потока, поворачивающего в микрорайон Новокольцовский не более 1000 ТС/час, существенного увеличения времени задержек для транспортных средств, движущихся в прямом направлении, не будет создаваться. Пропускная способность полос, следующих в прямом направлении, будет изменяться в сторону уменьшения, но не существенно. Так, при увеличении интенсивности движения на поворот до 1000 ТС/час пропускная способность прямого направления сократится на 250 ТС/час.
Считаем, что если интенсивность поворотного маневра в микрорайон Новокольцовский не будет превышать 1000 ТС/час, то обустройство развязки с автомобильной дорогой г. Екатеринбург – аэропорт Кольцово на участке км 7 –км 8 возможно разрешить в одном уровне.