Конструкции и методики, исключающие формирование пробок и заторов в условиях города

Покрытие открытых стальных поверхностей площадью около 2900 м² антикоррозионным составом со средней стоимостью порядка $10 на квадратный метр можно оценить в сумму $29тыс. А монтаж гидроизоляции на той же площади с той же стоимостью можно оценить в сумму $29тыс.

Сверху пролетные участки накрыты пластиковой крышей из негорючего материала, площадь которого составляет порядка 3000 м². Его себестоимость при средней цене пластика $10 составляет $30тыс.

10 фундаментов (1х1х2) метра потребуют 20 м³ бетона стоимостью $6 тыс.

Стоимость указанных конструкций и материалов составит в сумме порядка $395тыс.

Остальные расходные статьи на установку эстакады включают в себя доставку готовых блоков; сборку; аренду кранов, других механизмов и оборудования; проведение предварительных геодезических и других вспомогательных работ.

Известно, что цена доставки кубического метра бетона на расстояние 51-55 км автотранспортном составляет 1000руб. ($33). Таким образом, доставка 145м³ бетона от завода до места монтажа и установки эстакады обойдется в $4,8тыс. Доставка около 260 тонн металлических конструкций при цене доставки тонны автотранспортом на расстояние порядка 650 км $50 стоит порядка $13тыс. В сумме доставка конструкций и материала обойдется в $18тыс.

Сборку эстакады вместе с въездом при наличии необходимого оборудования, механизмов, типовых блоков можно осуществить в основном свинчиванием за один месяц 10-ю специалистами при выплате им $50 тыс.

Аренда механизмов, включая кран, и остального оборудования на один месяц обойдется в сумму порядка $50 тыс.

Стоимость остальных вспомогательных работ можно оценить в сумму около $50 тыс.

С учетом указанных статей расходов стоимость монтажа эстакады составит $565тыс.

Масса эстакады одностороннего движения с двумя полосами движения и одной буферной полосой на основе металлопроката, являющаяся нагрузкой 8-ми стальных колонн диаметром 30см, сечением 17600мм² каждая, составляет около 530 тонн. То есть на общую площадь колонн-опор по сечению 140000мм² действует 5300000 ньютонов, или один квадратный миллиметр подвергается давлению 38н/мм². При пределе прочности стали 600н/мм² конструкция имеет 16-кратный запас прочности. На обеих полосах движения эстакады одновременно может находиться в движении до 20 грузовых автомобилей весящих в среднем каждый 10 тонн, то есть всего 200 тонн. Если учесть их массу, то конструкция с дополнительной нагрузкой в виде автомобилей и общей массой 730т, подвергаясь максимально возможной нагрузке, сохраняет запас прочности, близкий к 11.

Из сравнения массы аналогичных конструкций из бетона и на основе металлопроката видно, что эстакада на стальном каркасе в 4 раза легче, несмотря на то, что более 50% их массы приходится на сталефибробетонное дорожное покрытие. Вместе с тем, объем затрат примерно одинаков, если считать стоимость металлопроката $ 1000 за тонну, а время установки бетонной и стальной эстакад сопоставимым.

Что касается металлоизделий, то показатели распределяется следующим образом: 80% черного металлопроката – это стальные плиты пролетных участков (лист толщиной 10 мм по 24-27 тыс. руб. за тонну, швеллер – от 25500 руб. до 29000 руб. за тонну), 15% – продольные и поперечные двутавровые балки (28800 руб. за тонну), 2% – опоры-колонны в виде труб (41000 руб. за тонну). Эти данные по цене взяты на конкретных московских предприятиях, продающих металлопрокат в различных его видах. Примерно такие же цены на данную продукцию и на других аналогичных предприятиях. Так что превышения стоимости новой конструкции не обнаруживается, а цены на стальную основу эстакады в среднем составляют несколько менее $1000 за тонну, а остальное – это тот же бетон и прочее. При этом блоки и секции конструкции на открытых участках защищаются антикоррозионным покрытием, а между верхней поверхностью пролетных участков из металла и сталефибробетонным покрытием прокладывается гидроизоляция.

При определенных изменениях этот же подход к установлению безостановочного движения может быть применен и для магистралей с перекрестками, или со светофорами [5].

Суть этих изменений состоит в том, что безостановочное движение устанавливается в виде разрывного потока автомобилей. Иначе говоря, когда формируются отдельные колонны (пулы) автомобилей, разрывы, или промежутки между колоннами приходятся при движении колонн на запрещающий (красный) сигнал светофора, а сами колонны – на разрешающий (зеленый) сигнал светофора. То есть при работающих в противофазе светофорах на соседних перекрестках через каждый перекресток в течение действия разрешающего сигнала проходит колонна автомобилей, причем после смены сигнала на противоположный в образовавшийся разрыв колонн проходят автомобили поперечных направлений.

Такой подход позволяет точно так же проводить колонны автомобилей противоположного направления на магистралях с двусторонним движением. Причем особенностью данного подхода является то, что при фиксированном интервале действия сигнала всех светофоров, например, 40 секунд, управление движением переходит как бы от светофора к водителям переднего фронта каждой автомобильной колонны, которые притормаживают, если видят, колонна едет слишком быстро и может оказаться на перекрестке до смены красного сигнала на зеленый или, наоборот, прибавляют газу, если скорость колонны недостаточна, чтобы использовать все время работы разрешающего сигнала.

Что же касается пополнения колонн, убывающих по количеству автомобилей по мере их съезда на боковые улицы, то впуск с поперечных направлений на магистраль автомобилей осуществляется по сигналу пересчитывающих автомобили в колонне детекторов, которые передаются контроллером на въездной светофор, если убыль автомобилей составит, например, 20% от имевшегося первоначально числа автомобилей в колонне. А прекращается впуск автомобилей на магистраль, как только прежнее число автомобилей в колонне восстановится.

Риски проекта и их оценка.

Рассмотрим возможные возражения по работоспособности и эффективности предложенной методики регулирования транспортных потоков с точки зрения оценки рисков проекта.

1) Введение безостановочного движения на магистралях без светофоров (заторы и пробки не возникают) типа «Третье транспортное кольцо» (ТТК) и «Московская кольцевая автодорога» (МКАД) в Москве ухудшает условия проезда по прилегающей улично-дорожной сети, в том числе, нарушает работу общественного пассажирского транспорта.

Сначала на конкретном примере такой магистрали без светофоров как «Третье транспортное кольцо» (ТТК) покажем возможные результаты использования предлагаемой нами методики регулирования транспортных потоков на основе ramp metering в отношении пропускной способности и в отношении организации безостановочного движения (без возникновения заторов и пробок).

Обычно при затрудненном движении по ТТК, например, в часы пик, на нем начинают скапливаться автомобили, въезжающие на ТТК примерно с 30 въездов. Плотность транспортных потоков растет, скорость движения падает. В частности, при падении скорости до 7 км/час с образованием между автомобилями расстояния в 2 метра и при средней длине автомобиля 5 метров на трех полосах движения одной стороны ТТК при его протяженности 36 км скапливается (36000м х 3полосы) : (5+2)м = 15400 автомобилей. Если взять случай, что каждый автомобиль до съезда с магистрали должен проехать по ней половину ТТК (18 км), то при скорости 7 км/час на проезд в этих условиях затрачивается 18км : 7км/час ≈ 2,6 часа. Таким образом, за 2,6 часа по 1/2 ТТК сможет переместиться 15400авт х 1/2 ≈ 7700 автомобилей, то есть за один час по одной полосе движения сможет проехать (7700авт. : 3полосы) : 2,6час ≈ 1000 автомобилей.

При регулировании движения по предложенной методике на трех сквозных полосах движения ТТК (протяженность ТТК 36 км) при той же средней длине автомобиля (5м) и расстоянии между автомобилями 30 – 40 метров (скорость движения 60 – 90 км/час) в среднем находится примерно (36000м х 3) : 35м ≈ 3000 автомобилей, то есть меньше, чем в уже рассмотренном случае, в 5 раз: 15400авт. : 3000авт. ≈ 5, (число автомобилей при данных условиях – запуск на ТТК со всех въездов порциями – колеблется примерно от 3300 до 2400). При средней скорости 75 км/час на проезд половины ТТК (18 км) затрачивается: 18км : 75км/час ≈ 0,24 часа, или около 14 минут. Таким образом, за 0,24 часа по 1/2 ТТК сможет переместиться 3000авт х 1/2 ≈ 1500 автомобилей, то есть за один час по одной полосе движения сможет проехать ((1500авт. : 3полосы) : 0,24) ≈ 2025 автомобилей.

Эти данные указывают на важнейий для внедрения предложенной методики факт: время, требуемое на проезд одинакового расстояния при установленном свободном движении на магистрали без светофоров, например, за счет ограничения въезда при выходе за пределы установленного скоростного интервала, в 11 раз меньше времени, расходуемом на проезд того же пути при неконтролируемом въезде автомобилей в часы пик на магистраль. Поэтому даже в часы пик можно будет с помощью магистралей с безостановочным режимом скоростного движения существенно сократить время в пути.

Что касается пропускной способности магистрали, то приведенные данные показывают явную зависимость пропускной способности от скорости движения транспортного потока: пропускная способность увеличивается с ростом скорости в данном случае более чем в два раза.

Посмотрим, насколько совпадают эти опытные данные с расчетными показателями, полученными для аналогичных случаев из введенных нами соотношений.

В соответствии с предлагаемым подходом к оценке формирования транспортных потоков пропускная способность N одной полосы движения вычисляется по формуле: N = v/lд, где lд является динамической длиной транспортного средства и определяется по формуле: lд = ls + lдб, где ls является физической длиной автомобиля и в среднем составляет 5 метров, а lдб является дистанцией безопасности от переднего бампера до заднего бампера соседних автомобилей в потоке и lдб = τз • v + v²/50, где τз – время задержки, то есть время реакции водителя на изменение окружающей обстановки; v – скорость автомобиля.

Для первого примера с неконтролируемым въездом автомобилей на ТТК, в котором при постепенном насыщении трассы автомобилями скорость потока автомобилей падает до 7 км/час (затор), или 2 м/сек, а время задержки для водителей составляет в условиях затрудненного движения примерно 1 сек, пропускная способность вычисляется следующим образом: N = v/(ls + lдб) = v/(ls + τз • v + v²/50) = 2/(5 + 1• 2 + 4/50) = 2/(7 + 0,08) = 0,29(авт/сек) ≈ 1164 автомобилей в час.

В примере с использованием предлагаемой методики средняя скорость автомобилей на ТТК составляет 75 км/час, или 21 м/сек, а время задержки для водителей в условиях частого маневрирования, так как автомобили практически постоянно въезжают на трассу и съезжают с нее, составляет, так же как и в первом примере, около 1 сек, пропускная способность вычисляется следующим образом: N = v/(ls + lдб) = v/(ls + τз • v + v²/50) = 21/(5 + 1,0 • 21 + 441/50) = 21/34,8 ≈ 0,6(авт/сек) = 2160 автомобилей в час.

Это в целом совпадает с опытными данными, в соответствии с которыми пропускная способность полосы движения так же увеличивается примерно в 2 раза – примерно от 1000 автомобилей час до 2000 автомобилей в час.

Приведенный пример показывает, что среднесуточная пропускная способность каждой действующей полосы движения при условии сохранения для автомобилей пространства для маневрирования сохраняется вблизи значения 2000 автомобилей в час, а время проезда половины ТТК также в любое время суток составляет около 14 минут. То есть, если в течение суток на ТТК средняя скорость будет составлять 75 км/час (сравнительно разреженное движение), то заторы и пробки, причиной которых является падение скорости транспортного потока, не возникнут.

Однако пробки могут возникнуть в результате аварии на трассе. Поэтому для объезда (обтекания) мест аварий предлагается ввести и использовать резервные-технические, или буферные (крайние справа по ходу движения) полосы и оставшиеся свободными во время аварии или ремонта полосы движения, что позволяет при сохранении режима ramp metering (регулярной приостановки въезда автомобилей на трассу, или контролируемого въезда на магистраль) удержать движение безостановочным.

Резервно-техническая полоса, по которой сквозной проезд запрещен, используется также как буфер при въезде и съезде автомобилей, то есть только для плавного переезда на крайнюю полосу движения от места въезда или для подъезда к месту съезда с магистрали, что позволяет автомобилям не скапливаться на полосах движения у съездов и, тем самым, не блокировать полосы скоростного движения.

Кроме этого резервно-технические (буферные) полосы могут использоваться для подъезда специализированного транспорта к местам аварий или ремонта, а также в случае необходимости как полосы для достаточно редкого движения общественного транспорта.

Многократное сокращение времени проезда автомобилей по магистрали без светофоров – типа ТТК – способствует разгрузке прилегающей улично-дорожной сети от автомобилей благодаря ускоренной переброске их к местам назначения через эту магистраль с безостановочным движением и высокой пропускной способностью и, таким образом, не ухудшает, а улучшает условия проезда на этой сети, причем за счет предложенной организации движения часть полос магистрали может быть использована как для ее нужд, так и для сравнительно редко проезжающего общественного транспорта.

Для многоуровневой магистрали-эстакады, как и для любой наземной магистрали, в период выбора места ее установки (строительства) и подготовки проектной документации необходимым этапом является согласование притока автомобилей с боковых подъездов, в том числе и перспектив этого притока, с проектируемой пропускной способностью магистрали-эстакады и оттока автомобилей с пропускной способностью отходящих от магистрали-эстакады трасс. Причем, если ошибку по расчету притока можно исправить, надстроив эстакаду или срезав лишние этажи, то ошибка по расчету оттока может быть чревата осложнениями, вплоть до закупоривания слишком редких мест съезда и поиска автомобилями свободных мест съезда. Поэтому, например, в случае примерно равного притока и оттока автомобилей число въездов на магистраль-эстакаду и число съездов с нее должно быть одинаково, а пропускная способность магистрали-эстакады должна быть несколько выше максимально возможного притока автомобилей. То есть необходимо предусмотреть необходимое увеличение на участке числа съездов и если их недостаточно, спроектировать соответствующие отводы от магистрали-эстакады на прилегающие улицы. Однако и при этом, в общем-то, равновесном положении могут быть значительные отклонения от средних значений притока, накопления автомобилей на этажах магистрали-эстакады и оттока автомобилей, например, на въездах в утренние часы пик. Для этого при проектировании на соответствующих участках следует предусмотреть дополнительные въезды на магистраль-эстакаду непосредственно на ее верхние этажи с подведением к ним соответствующих отводов от прилегающих улиц и дорог. Что же касается возможного переполнения магистрали-эстакады автомобилями выше установленного предела, то для его недопущения, так как от этого зависит сохранение скоростного безостановочного движения, необходимо на каждом въезде на магистраль-эстакаду установить автоматическую систему, которая, например, с помощью радара, то есть по скорости или с помощью пересчетных датчиков, то есть по количеству проходящих автомобилей, производила регистрацию параметров транспортного потока и при их отклонении за нижний предел кратковременно приостанавливала въезд автомобилей на магистраль-эстакаду, передавая через контроллер команду на включение запрещающего сигнала въездного светофора, действующего до восстановления близких к максимальному значений параметров транспортного потока.

Аналогичные действия должны производиться во избежание заторов и пробок и для сохранения скоростного безостановочного движения на наземных магистралях без светофоров. Покажем на примере ТТК, какие она имеет характеристики по въезду на нее автомобилей, ее пропускной способности при сохранении скоростного режима движения и по оттоку автомобилей с нее. По ТТК по каждой сквозной полосе движения, а их там три по обеим сторонам (на отдельных участках ТТК число полос доходит до пяти), может проехать в час, как мы показали выше, около 2000 автомобилей в интервале скоростей 60-90 км/час, то есть 6000 автомобилей в час по трем полосам сквозного движения. При наличии примерно 30 въездов на ТТК с одной ее стороны и 30 съездов с нее за один час с этой стороны может въехать в среднем 6000 : 30 = 200 автомобилей и съехать 200 автомобилей, или примерно 3 автомобиля в минуту. Поэтому самый простой путь сохранения данного выгодного скоростного режима – это постоянный пересчет автомобилей на въездах с впуском на ТТК не более трех автомобилей в минуту. Если автомобилей начинает въезжать больше, то въезд сразу же ограничивается и автомобили приостанавливаются на, например, специально подготовленных площадках – наземных, если есть место для них, или надземных (подземных), при отсутствии такового.

Другой способ въезда на ТТК для сохранения скоростного режима на ТТК основан на использовании радаров, То есть при падении средней скорости транспортного потока до установленного предела в 60 км/час контроллер дает команду на включение запрещающего сигнала въездного светофора до восстановления близкой к максимальной скорости потока, например, до значения – 80 км/час, и только после этого снова разрешает въезд. Что касается съезда с ТТК, то тут все проще, так как с резервно-технической (буферной) полосы на съезд в среднем идет в минуту только 3 автомобиля, поэтому никаких помех для съезда для них, а также для движения основного транспортного потока не создается даже в случае внезапного желания, например, водителей сразу 10 автомобилей съехать на одном и том же выезде в одно и то же время. В этом случае автомобили, выстроившись один за другим на резервно-технической (буферной) полосе, последовательно выедут с ТТК, не препятствуя движению основного транспортного потока. В том же случае, если выезжать им будет некуда – например, прилегающая улица будет в пробке – на резервно-технической (буферной) полосе у данного съезда будет выстраиваться очередь до тех пор, пока места на этой полосе будет достаточно, а затем остальным автомобилям придется просто проезжать дальше – до последующих съездов.

Так что текущая ситуация с заторами и пробками, например в Москве, на магистралях без перекрестков вполне решаема так, как это описано выше.

Следует также отметить, что наличие свободной от движения резервно-технической (буферной) полосы по краю магистрали особенно важно при недостатке съездов с магистрали, как, например, на МКАД Москвы. Поскольку сохранение скоростного режима является самым главным для нормального функционирования магистралей, постольку уходящие с потока автомобили не должны его задерживать и должны иметь место для ухода в любое время из потока. Этим местом и является резервно-техническая полоса, способная вместить достаточное число автомобилей, если пропускной способности съездов, например, в часы пик не хватает. Причем технически несложно дополнительно расширить резервно-техническую полосу для большей вместимости отстаивающихся до момента съезда на ней автомобилей, по крайней мере, до того времени, пока дополнительные съезды не будут построены.

Что же касается транспортных потоков на магистралях со светофорами (с регулируемыми перекрестками) типа радиальных магистралей в Москве, то на них следует использовать описанную вкратце выше усовершенствованную нами методику ramp metering [3], с помощью которой несложно устанавливать безостановочное движение на магистралях (без возникновения заторов и пробок) даже при наличии на них светофоров. Причем, например, если в местах пересечений магистралей другими улицами возникают непреодолимые трудности при движении в поперечном направлении, то проблему можно решить, например, перебросив через магистраль легкую эстакаду для поперечного движения транспорта.

Именно таким образом можно решить проблему связанности улично-дорожной сети и автомобили одного района города не отсекаются от другого района магистралью с безостановочным движением, что подробно описано в источнике [5].

Кроме того, проблема связанности решается и другим вариантом методики организации безостановочного движения, а именно: движением автомобилей по магистрали с регулируемыми перекрестками без остановки колоннами с разрывами между ними, детально описанной в источнике [5].

2) Возможность неприемлемо большого времени ожидания разрешающего сигнала светофора при въезде на магистраль.

Как нами уже было указано выше, гораздо важнее установить на всех магистралях скоростное безостановочное движение, позволяющее за 10-20 минут пересечь значительную часть города, чем все остальное, поскольку магистрали являются основными транспортными артериями города и при установлении на них безостановочного движения (без пробок и заторов) практически решается проблема назревающего транспортного коллапса, то есть десятки и даже сотни тысяч автомобилей по магистралям могут беспрепятственно перемещаться по городу без пробок и заторов на них, в отличие от того, как это происходит сейчас.

Что касается «возможного неприемлемого большого времени ожидания разрешающего сигнала светофора», то, как уже было показано выше, кратковременное ожидание (несколько минут до въезда на магистраль для каждого автомобиля), практически только в часы пик на специально выделенных площадках неизмеримо выгоднее простоя автомобилей в течение 2-3 часов в пробках на магистрали, как это происходит каждый день на МКАД, ТТК и других городских магистралях Москвы и на аналогичных магистралях других городов.

Отметим также и проблему съезда с магистрали, которая является важной с точки зрения сохранения на магистралях безостановочного скоростного движения. Например, на ТТК в часы пик образуются пробки у ряда съездов из-за того, что съезды находятся на стыке ТТК и радиальных магистралей, которые в часы пик забиты автомобилями. Конечно, введение резервной-технической (буферной) полосы, на которой, не мешая основному движению, съезжающие автомобили могут выстроиться в очередь в ожидании съезда на радиальную магистраль и не перегораживать сквозные полосы движения, в определенной мере решает проблему. Однако более конструктивным является установление безостановочного движения на всех магистралях – и кольцевых и радиальных – со светофорами и без светофоров. В этом случае при наличии согласования транспортных потоков и применения современных развязок на их стыках, а также резервно-технических полос для въезда и съезда проблем с переездом с одной магистрали на другую не может возникнуть.

3) Затруднение перестроений, необходимых для следования по маршруту, сформированными плотными транспортными потоками.

Настоящая методика как раз позволяет избежать образования плотных транспортных потоков. С ее помощью на магистралях автоматически образуются разреженные транспортные потоки скоростного, безостановочного движения. Поэтому автомобили могут свободно маневрировать в этих условиях. Это необходимо потому, что в городских условиях при наличии частых въездов на магистрали и съездов с них автомобилям для въездов или съездов приходится переезжать с одной полосы на другую. Для обеспечения этого, расстояние между автомобилями должно быть большим, нежели при движении без маневров, как это, например, происходит на междугородних хайвеях, где съезды редки. Иначе говоря, маневрирование на полосах движения отвлекает водителя, в среднем увеличивая время на принятии им тех или иных решений (время задержки). Поэтому теоретически максимально возможная пропускная способность городских магистралей, составляющая около 3000 автомобилей в час для одной полосы движения при скоростях от 30 до 100 км/час, снижается приблизительно до 2000 автомобилей в час для одной полосы (см. расчеты выше). Тем не менее, эта величина пропускной способности выше нынешней средней пропускной способности на магистралях без использования светофоров примерно вдвое и выше нынешней средней пропускной способности на магистралях с использованием светофоров примерно вчетверо, но главное не это, а то, что в отсутствии заторов и пробок высокая скорость на магистралях позволяет автомобилям в десятки минут пересекать весь город. Именно для установления и сохранения режима скоростного безостановочного движения количество автомобилей на магистралях автоматически регулируется описанной выше методикой. В результате средняя скорость транспортного потока при указанных колебаниях, например, от 60 км/час до 90 км/час не падает до низких значений и составляет в среднем около 75 км/час. А при аварийных случаях или ремонте на трассе для объезда используется заранее выделенная по каждому краю магистрали резервно-техническая полоса.