Юрий Михайлович Низовцев
Конструкции и методики, исключающие формирование пробок и заторов в условиях города
Поэтому следует создать условия, при которых движение транспортного потока не замедлялось до низких величин, при которых начинают возникать заторы, то есть, чтобы скорость транспортного потока не падала бы ниже 30 км в час.
Из всего этого следует, что, во-первых, необходимо увеличить пропускную способность основных магистралей, по крайней мере, до значения, большего чем в часы пик, во-вторых, постоянно удерживать режим безостановочного движения автомобилей без резкого падения скорости транспортного потока, по крайней мере, не ниже 30 км в час, и в-третьих, обеспечить согласование пропускной способности всех участков магистральной сети с пропускной способностью прилегающих к этим участкам въездов, так же как и съездов с этих участков.
Именно этими свойствами для нормализации дорожного движения в крупных городах и их пригородах при большом скоплении автомобилей должна обладать новая магистральная сеть. Без них решение проблемы заторов и пробок возможно только административными методами.
Выше мы показали, что предлагаемое техническое решение соответствует этим требованиям. С его использованием ситуация с возникновением пробок в часы пик в крупных городах мира может коренным образом и быстро измениться в лучшую сторону.
Сеть надземных магистралей с полосами движения, развернутыми по вертикали в несколько этажей, или уровней с переездами между ними, позволяет автомобилям без остановки переезжать с этажа на этаж, полностью загружая имеющиеся полосы движения, которые могут быть многочисленными, позволяет автомобилям объезжать не только по соседней полосе движения, но и по другим этажам место аварии или ремонта, чем возможность затором и пробок сводится, фактически, к нулю.
Предлагаемая магистральная сеть позволяет пропускать по одной полосе движения в среднем 2000 автомобилей в час со скоростью 30-90 км в час. Даже при минимальном количестве уровней движения при наличии только двух этажей, надземная магистраль двустороннего движения с четырьмя полосами движения в одну сторону и четырьмя полосами движения в другую может пропустить за час около 16 тысяч автомобилей, а не 3000 автомобилей в час, как обычная шестиполосная магистраль со светофорами, что равноценно увеличению числа обычных полос движения на магистралях со светофорами почти в четыре раза, или расширению дорожного полотна в четыре раза.
Режим безостановочного движения легковых автомобилей по надземным магистралям сети в пределах 30-90 км в час поддерживается автоматически без допущения внезапного падения скорости не только за счет предварительного согласования пропускной способности соответствующего участка сети надземных магистралей и пропускной способности прилегающих к этому участку подъездов, но и, в экстраординарных случаях, за счет ограничения въезда автомобилей на надземную магистраль на тех участках, на которых скорость движения падает ниже 30 км в час, с помощью объединенной системы датчиков скорости транспортного потока и въездных светофоров.
Следует отметить, что при необходимости несложно нарастить надземную магистраль, увеличив число этажей до 3-х или 4-х или расширить ее, введя несколько дополнительных полос движения на этаже. Несложно также разобрать надземную магистраль, смонтированную из типовых блоков с применением в основном операции свинчивания, и перенести ее на другое место. Шум из закрытых надземных магистралей не выходит наружу, выхлопные газы внутри нейтрализуются очистными установками и не попадают в атмосферу города, то есть новая сеть надземных магистралей является экологически чистой.
Кроме того, закрытые от внешней среды полосы движения не подвержены воздействию дождя и снега, находятся примерно в одном температурном режиме и поэтому практически не разрушаются от воздействия внешней среды, в отличие от обычного дорожного покрытия наземных магистралей, то есть ресурс надземных магистралей по сравнению с наземными увеличивается многократно. В дополнение к этому надземная магистраль как бы накрывает сверху наземную магистраль сверху, защищая ее дорожное покрытие в значительной степени от снега и дождя.
При наличии над наземной магистралью надземной магистрали, практически все легковые автомобили из смежных с этим участком сети надземных магистралей секторов могут «уйти» в нее, а наземная магистраль может быть предоставлена для движения грузового и общественного транспорта. Таким образом, улицы и дороги, прилегающих к надземным магистралям секторов в значительной степени освобождаются от «ушедших» в надземную магистраль легковых автомобилей и движение по ним становится более свободным.
Сеть надземных магистралей с внешними и внутренними въездами-съездами обеспечивает возможность въезда автомобилей для парковки непосредственно снизу на верхнюю площадку надземной магистрали или на ее крылья. В этом случае на одном километре двухэтажной надземной магистрали может быть припарковано порядка 1000 автомобилей, причем себестоимость одного квадратного метра парковочного места составит около $100.
При продлении сети надземных магистралей за черту города на 20-50 км обеспечивается беспрепятственный и быстрый въезд в город или выезд из него практически любого количества легковых автомобилей.
Что касается возможности беспрепятственного въезда на надземную двухэтажную магистраль легковых автомобилей, то широко развитая сеть поперечных городских улиц и их избыточное, как правило, количество вполне обеспечивают въезд на надземную магистраль и съезд с нее 16 тысяч автомобилей в час. Для этого необходимо иметь число подъездных дорог и соответственно полос движения с пропускной способностью до 16 тысяч автомобилей в час. При средней пропускной способности одной полосы движения на дорогах со светофорами 500 автомобилей в час, например, на 10 км надземной магистрали требуется 32 примыкающих полос движения – по 16-ть полос с каждой стороны надземной магистрали, тогда как число полос движения прилегающих улиц и дорог к радиальной магистрали, как правило, в несколько раз больше. То же относится и к съездам. И даже в случае недостатка подъездных или съездных участков безостановочное движение по надземным магистралям все равно может поддерживаться без сбоев, например, путем временного ограничения въезда автомобилей на магистраль при их переизбытке.
Радиальные надземные магистрали целесообразно для обеспечения возможности быстрого переезда с одного конца города на другой, минуя его центральную часть, пересечь, в зависимости от размеров города, несколькими кольцевыми надземными магистралями.
Нами предложена и запатентована в нескольких вариантах простая и эффективная конструкция, которая вполне удовлетворяет вышеуказанным условиям [1, 2]. Один из вариантов, показанный ниже, представляет собой в отношении межэтажных переездов использование уплощенной волнообразной полосы в сочетании со смежными одноуровневыми полосами. Он обеспечивает переезды автомобилей внутри объемной эстакады. Другой вариант схематично представлен ниже. Он представляет собой в отношении межэтажных переездов использование внешних переездных участков. Этот вариант обеспечивает переезды автомобилей с боков объемной эстакады. При этом надо отметить, что по бокам и сверху магистраль-эстакада закрывается легкой и негорючей оболочкой, а внутри оснащается конвертерами-нейтрализаторами загрязнений, поступающих в воздух ее объема от автомобилей [1].
Таким образом, конструкция многоуровневой магистрали-эстакады, как минимум, в два этажа с подобной конфигурацией полос движения и/или с межэтажными переездами, позволяет автомобилям без остановки переезжать с этажа на этаж, полностью загружая имеющиеся полосы движения, и предоставляя возможность автомобилям объезжать по другому этажу или по резервно-технической (буферной) полосе место аварии или ремонта, не прекращая движения с высокой скоростью (то есть устраняется возможность возникновения пробок). В этом случае, по одной полосе движения можно пропускать 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 и пробок в силу этого уплотнения не возникает. То есть предлагается блокировка перехода стадии 1 в стадии 2 и 3. Иначе говоря, предлагается формировать и сохранять режим дорожного движения на магистрали, при котором автомобилисты движутся на скорости, удобной для перехода на соседние полосы движения, то есть все время удерживать такую плотность транспортного потока, при которой автомобили располагаются при движении достаточно далеко друг от друга и обеспечены пространством для маневра.
Конечно, существуют и другие причины для образования пробок, например, авария, в результате которой образуется сужение трассы, что также приводит к образованию пробки. Тем не менее, и эта проблема так же является вполне решаемой в рамках предложенной новой методики регулирования, так как введение резервно-технической (буферной) полосы только для въезда-съезда автомобилей позволяет использовать ее и для объезда мест аварий во многих случаях, поскольку аварии редко перекрывают все полосы трассы.
Вернемся, однако, к предлагаемым конкретным методам регулирования транспортных потоков, с помощью которых формируется такая транспортная ситуация, при которой уплотнение транспортного потока и образование пробок в силу этого уплотнения не возникает.
Формировать и удерживать благоприятный режим движения на магистрали, или стадию 1 свободного потока можно при определенной доработке на основе уже несколько десятков лет известной методики ramp metering [3], в соответствии с которой при чрезмерном уплотнении движения на отдельном участке дороги производится теми или иными способами ограничение въезда на этот участок автомобилей.
Предложенная нами модификация этой методики сводится к следующему. На всех въездах на магистраль устанавливаются светофоры, управляемые контроллерами по программе, которая разрешает въезд только при интегральной скорости транспортного потока, например, в интервале 60-100 км/час, данные о скорости транспортного потока постоянно поступают на контроллер, например, с установленных здесь же радаров. Сразу же при выходе скорости транспортного потока за нижний предел, контроллер дает команду на включение запрещающего въезд на магистраль сигнала светофора. Сигнал светофора переключается на разрешающий только при наборе транспортным потоком скорости, близкой к верхнему пределу, например, 90 км/час (в зависимости от расположения трассы и времени эти интервалы могут быть различными, например, 30 – 70 км/час, 40 – 100 км/час). Этим самым в указанные выше стадии 2 (синхронизированный поток) и 3 (режим «stop-and-go») транспортный поток не попадает и возникновение пробок в зависимости от уплотнения потока и соответствующего падения его скорости не происходит.
Предложенный подход вместе с тем позволяет за счет выбранного интервала скоростей достигнуть, как это будет показано ниже, максимально возможной в данных условиях пропускной способности каждой полосы движения вместе с возможностью для каждого автомобиля менять полосы движения, что в условиях, например, часто расположенных въездов на магистраль и съездов с нее в городе, является необходимостью.
Дополнительно к этому смежная с въездными и съездными участками магистрали полоса резервируется как буферная, то есть используется только для въезда и съезда автомобилей, а также для объезда мест аварий или ремонта. Это решение позволяет, по крайней мере, снизить вероятность образования пробок из-за аварий до минимального предела, а также избежать пробок на магистрали у мест съезда автомобилей с нее, так как автомобили перед съездом с магистрали заранее переезжают на эту резервно-техническую полосу и не создают помех другим автомобилям на действующих полосах движения.
