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.

Приведем выдержку из статьи Афанасьева М.Б «Транспортный поток», чтобы показать очевидную неадекватность традиционного гидродинамического подхода для уплотненного движения транспортных потоков, как это было отмечено Семеновым В.В.[9].

«…Отметим, что в соответствии с традиционной теорией транспортных потоков, ориентированной на гидродинамическую модель, транспортный поток можно характеризовать тремя основными параметрами: интенсивностью N, средней скоростью V и плотностью D. Эти параметры связаны основным уравнением транспортного потока: N = DV.

Графически это уравнение представляет собой основную диаграмму транспортного потока, общий вид которой показан на рис. 1.

Рис. 1. Основная диаграмма транспортного потока.

Пользуясь уравнением и диаграммой, можно определять характеристики транспортного потока. Так, средняя скорость выражается через тангенс угла наклона прямой, соединяющей начало координат с точкой, координаты которой характеризуют определенную интенсивность и плотность (N/D). Максимально возможная при данных условиях интенсивность движения, как это следует из диаграммы, достигается при определенной плотности транспортного потока (точка A на диаграмме) и называется пропускной способностью полосы движения или дороги в целом. Характерно, что при плотности потока, большей, чем в точке A, интенсивность движения снижается. Объясняется это тем, что при большой плотности движения, часто возникают заторы, снижается скорость и это приводит к уменьшению количества автомобилей, проходящих в единицу времени через какое-либо сечение или участок дороги. Из основной диаграммы и уравнения транспортного потока следует очень важный для регулирования движения вывод: в тех случаях, когда возникает потребность пропустить по дороге максимально возможное количество автомобилей, необходимо установить с помощью знаков определенный режим скорости, который обеспечивает наибольшую интенсивность» [10].

B. В. Семенов и ряд указанных выше специалистов США показали, что гидродинамическая модель неприменима для движения транспортных потоков высокой плотности, поэтому, на наш взгляд, используемые общие понятия, определения и уравнения, приведенные выше, не могут адекватно описывать и объяснять все ситуации в транспортных потоках.

В связи с этим пришлось ввести, на наш взгляд, более адекватную модель движения транспортного потока, которую и приведем ниже.

Рассмотрим процесс формирования транспортных потоков на магистралях без светофоров (без регулируемых перекрестков) [5].

Водитель, двигаясь с определенной скоростью по полосе движения, соблюдает дистанцию безопасности. Ее протяженность зависит от скорости движения и определяется из следующего соотношения:

1дб = τз · v + v²/50,

где τз — время задержки, то есть время реакции водителя на изменение окружающей обстановки; v — скорость автомобиля.

Если окружающая обстановка для водителя является стабильной и не беспокоит его, то, как показывает опыт, в среднем τз составляет около 0,5 сек, что характерно при стабильном движении автомобилей по выбранным им полосам движения значительное время, например, на междугородних магистралях-хайвеях со скоростью до 100 км/час.

При снижении скорости за предел в 30 км/час, например, при повышении плотности транспортного потока, автомобили сближаются, появляется своего рода теснота, которая увеличивается с уменьшением скорости. Обстановка на дороге становится более сложной и время задержки увеличивается. Опыт показывает, что в этом случае τз увеличивается до 1 сек.

При высоких скоростях движения, начиная от 90-100 км/час, напряжение водителя также увеличивается, так как опасность возрастает, и τз снова увеличивается до 1 сек.

Однако время задержки 0,5 секунды сохраняется при скоростях автомобиля от 30 км/час до 90-100 км/час только при стабильном движении автомобилей, без «перемешивания» потока, то есть без частых смен автомобилями полос движения. А это «перемешивание», как правило, происходит в городских условиях при наличии регулярно расположенных, частых въездов на магистраль и частых съездов с нее. Характерным примером этого является «Третье транспортное кольцо» (ТТК) Москвы. В этом случае ситуация для водителя является сложной и время задержки составляет около 1 секунды.

Время реакции водителя τз, конечно, зависит от опытности и квалификации водителя, но в среднем оно таково.

Показатель v2/50 учитывает разброс тормозных систем автомобилей.

Тормозной путь автомобиля sт = v2/2a, где а — отрицательное ускорение в м/сек2. По техническим требованиям для современных транспортных средств, а должно быть не меньше 5 м/сек2. Допустимый разброс имеет порядок 10 %. Возьмем в качестве примера худший вариант — автомобиль, идущий впереди, отрегулирован при торможении на а = 5,5 м/сек2, а следующий за ним автомобиль отрегулирован на а = 4,5 м/сек2. Тогда, если один автомобиль, идущий со скоростью 25 м/сек, пройдет при торможении v2/2а = 625/9, другой автомобиль пройдет путь v2/2а = 625/11. Разность этих двух отрезков будет такова:

As = v2/9 — v2/11= (11v2 — 9 v2)/99 = 2v2/99 ~ v2/50 (м).

Или As = v2/2а1 — v2/2а2 = v2^2 — а1)/ 2а1· а2.

При а1 = 4,5 м/сек2 и а2 = 5,5 м/сек2 As = v2(5,5 — 4,5)/2·24,75 = v2/49,5 * v2/50 (м).

Например, при v = 25 м/сек (90 км/час) и τз = 0,5 сек дистанция безопасности 1дб = 0,5·25 + 252/50 = 12,5 + 12,5 = 25 м, а при τз = 1 сек 1дб = 37,5 м.

Введем понятие динамической длины транспортного средства 1д. Динамическая длина является суммой средней физической длины автомобиля ls и дистанции безопасности 1дб:

Ід = ls + Ідб

В среднем физическая длина автомобиля ls составляет 5 метров. Таким образом, динамическая длина ід — это участок дорожного полотна, который занимает автомобиль с учетом дистанции безопасности 1д6.

Отношение скорости движения автомобиля к динамической длине (v/Ід) является максимальной пропускной способностью полосы движения N.

Например, пять автомобилей движутся друг за другом на скорости 90 км/час (25 м/сек), время задержки τз составляет 1 сек. Они занимают 212,5 метров полосы движения (5авт. х 42,5 м). При указанной скорости расстояние в 212,5 метров будет пройдено за 8,5 секунды, то есть за 8,5 секунды пройдут все пять автомобилей. Таким образом, каждый автомобиль проходит Ід (42,5 м) за 1,82 сек. За одну секунду автомобиль пройдет 23,3 метра, или округленно 5/9 Ід.

За один час пропускная способность полосы движения N при данной скорости и времени задержки для водителя τз = 1 сек составит: 5/9 х 3600 сек = 2000 автомобилей в час.

При снижении скорости будет меняться динамическая длина и пропускная способность полосы движения. Например, если автомобили движутся со скоростью 7,2 км/час (2 м/сек) дистанция безопасности Ідб составляет около 2,1 метра, то есть при времени задержки τз = 1 сек расстояние между автомобилями составляет чуть больше 2 метров, динамическая длина Ід — около 7 метров, а пропускная способность N = 2/7 ~ 0,3 авт/сек, то есть она сократилась примерно в два раза — с 5/9авт/сек до 3/10авт/сек.

Указанный выше расчет пропускной способности при скорости 90 км/час дан для условий движения на городских магистралях, где практически непрерывно производятся съезды автомобилей с магистрали или въезды на нее с многочисленных городских улиц, что предполагает практически непрерывное маневрирование автомобилей для изменения полос движения при подготовке к съезду с магистрали или после въезда на нее и соответствующее напряжение водителя. То же самое характерно для городских магистралей-эстакад с их частыми въездами, съездами и переездами между этажами. В результате, в этих случаях и в интервале скоростей от 30 км/час до 100 км/час время реакции водителя на изменение ситуации, или время задержки составляет так же, как и вне этого интервала, порядка 1 секунды, то есть является повышенным.

Введем также понятие плотности транспортного потока d, которая равна отношению физической длины автомобиля к динамической длине автомобиля: d = ls/Ід.

Данное выражение отражает степень заполнения автомобилями полосы движения (в процентах) с учетом как средней физической длины автомобилей, так дистанции безопасности между ними, определяющейся в значительной степени скоростью движения автомобиля, что, на наш взгляд, является более точным, чем принятое в теории транспортных потоков выражение плотности транспортного потока через число автомобилей на единицу (километр) длины, которое явным образом не учитывает зависимость формирующегося между автомобилями расстояния от скорости их движения.

Из выражения d = ls/Ід (см. табл. ниже) сразу же выявляется степень разреженности автомобильного потока при различных скоростях движения при фиксированном времени задержки для водителя. Видно и соотношение занятой физически автомобилями полосы движения и промежутков между автомобилями. Например, при замедленном движении в заторах корпуса автомобилей занимают до двух третей каждой полосы движения (дорога забита автомобилями), а при скоростях автомобилей выше 100 км/час корпуса автомобилей занимают менее десятой части дорожного полотна.

Для иллюстрации приведем таблицу, в которой показана зависимость динамической длины 1д, пропускной способности полосы движения N и плотности транспортного потока от скорости движения автомобиля V в интервале скоростей от 2 м/сек(7,2 км/час) до 45 м/сек (162 км/час) для городских условий, то есть при τз = 1 сек на магистралях.

Из этой таблицы видно, что при скоростях движения автомобилей в диапазоне от 10 м/сек (36 км/час) до 27 м/сек (97 км/час) пропускная способность N имеет по сравнению с оставшимися скоростными режимами наибольшее значение и изменяется незначительно — около 5 %.

Графически зависимость пропускной способности N от скорости движения транспортного потока показана ниже. Из графика видно, что пропускная способность увеличивается примерно в два раза — с тысячи автомобилей в час на одной полосе движения и примерно до двух тысяч автомобилей в час при увеличении скорости от 7 км/час до 30 км/час, затем до 45 км/час идет медленный рост пропускной способности до 2200 тысяч автомобилей в час, эта величина пропускной способности сохраняется до скорости 72 км/час, а потом происходит медленное снижение пропускной способности до 1800 автомобилей в час при скорости 162 км/час. Таким образом, наиболее выгодный режим движения, с точки зрения использования пропускной способности полос движения, начинается с 30 км/час. Однако если при скорости 30 км/час по полосе движения 2000 автомобилей за час проезжают только 30 км, то те же 2000 автомобилей при скорости 90 км/час проезжают уже в три раза большее расстояние. Поэтому, с точки зрения экономичности и быстроты перемещения выгоднее всего выбирать более скоростной режим, но при этом, не выходя за предел в 100 км/час с точки зрения безопасности движения.

Эта таблица и график, на наш взгляд, более адекватно отражают динамику дорожного движения по основным его параметрам, чем, например, основная диаграмма транспортного потока (показана выше), используемая в теории транспортного потока, основанной на гидродинамической модели [10].

Указанный выше подход по созданию и поддержанию безостановочного движения может быть применен как для многоуровневых магистралей-эстакад, так и для наземных магистралей, не имеющих перекрестков (без светофоров), типа «Третьего транспортного кольца» (ТТК) в Москве.

Если иметь в виду преобразование имеющихся в городах большей частью магистралей с перекрестками в магистрали без них, то есть без использования светофоров, в магистрали с безостановочным движением, то необходимо установить надземные или подземные путепроводы для пересекающих магистраль автомобилей и пешеходов. Нами предложен вариант надземных легких эстакад на основе стального каркаса максимально простой конструкции в качестве переездов с односторонним движением через магистраль с боковых улиц.

Над магистралью над перекрестком перебрасывается легкая эстакада на стальном каркасе с одной буферной полосой, двумя полосами движения в одну сторону движения и въездом с магистрали, по которой автомобили могут пересечь магистраль, причем этот вариант позволяет исключить левый поворот с магистрали, чтобы не замедлять движение. На следующем перекрестке или переезде эстакада устанавливается для организации переезда над магистралью в обратном направлении. И так далее. Тем самым, конструкция упрощается, удешевляется, позволяет установить на магистрали безостановочное движение и, вместе с тем, практически не нарушает поперечный транзит автомобилей и пешеходов. В зависимости от предполагаемой разницы загрузки эстакады автомобилями со стороны магистрали и со стороны подходящей к ней улицы число полос движения должно этому соответствовать. То есть на эстакаду с боковой улицы или дороги может выводиться одна или две полосы (см. рисунки ниже).

Затраты на установку легкой металлической эстакады одностороннего движения на стальном каркасе составляют около $600 тыс. при ее протяженности в 250 метров. Она имеет массу по металлу 257 тонн, а по дорожному покрытию (из сравнительно тонкого слоя сталефибробетона) — 362 тонны.

Эстакаду целесообразно, как минимум, сверху накрыть негорючим пластиком, обеспечив тем самым большую сохранность полос движения. Скатывания снега с крыши и возникновения сосулек сравнительно нетрудно избежать, используя следующее.

Известно, что при углах скатов, равных или больших 60°, снега на крыше совсем не остается, то есть коэффициент, зависящий от угла наклона ската, равен 0. При 45° этот коэффициент равен 0,5. Таким образом, можно вывести приемлемую высоту крыши, угол наклона скатов, материал и систему креплений для крыши при условии известной из таблиц величины нагрузки на 1 м² крыши, чтобы появилась возможность вовсе не убирать снег с крыши эстакады. Если по тем или иным причинам скатывание даже небольших масс снега с крыши эстакады является недопустимым, то, как известно, можно вмонтировать в скаты крыши скобы, удерживающие снег и лед на крыше, превращая их с течением времени в безопасную.

Приведем краткую экономическую оценку переезда-эстакады с односторонним движением на основе стального каркаса и стальных пролетных участков с дорожным покрытием из сталефибробетона с 2-мя полосами движения и буферной полосой.

Пролетные участки переезда над автомагистралью с безостановочным движением протяженностью 250 м в виде стальных листов-плит 6x3x0,01 метра укладываются на стальные двутавровые балки — продольные и поперечные опоры, высотой по сечению 200мм, шириной — 100мм, которые закрепляются на вертикальных опорах — металлических колоннах — высотой от 2 до 4 метров диаметром 30 см, толщиной стенки 20 мм. Колонны располагаются на расстоянии 50 метров друг от друга продольно и 10 метров поперечно. Около 2 метров каждой колонны являются частью фундамента.

Площадь пролетных участков переезда-эстакады составляет 2500 м², число стальных листов-плит — 139. Поскольку по эстакаде, кроме легковых автомобилей, проезжают автобусы и большегрузные автомобили, постольку необходимо усиление стальной плиты. Для этого к нижней поверхности плоского стального листа привариваются продольные и поперечные ребра, имеющие разную жесткость, то есть формируется ортотропная плита, цена которой несколько выше цены плоского стального листа из металлопроката.

Масса пролетного участка эстакады протяженностью 250 м и шириной 10 метров при толщине стальных листов-плит 0,01 м и плотности стали 7,8 т/м³ составляет: 250 м х 10 м х 0,01 м х 7,8 т/м3 = 195 тонн. Площадь пролетного участка — 2500м2.

Масса въезда протяженностью 100 м с наземного уровня на эстакаду и шириной 4 метра при толщине стальных листов-плит 0,01 м и плотности стали 7,8 т/м3 составляет: 100 м х 4 м х 0,01 м х 7,8 т/м3 = 31,2 т. Площадь пролетных участков въезда — 400 м.

Общая площадь пролетных участков эстакады и въезда составляет 2900 м2.

Диаметр вертикальных опор-колонн 300мм, толщина стенки 20мм, сечение -17600мм2. Число опор-колонн под эстакадой — 8, высота 4-х колонн 4 метра, и других 4-х — 2 метра. Две опоры-колонны удерживают въезд на эстакаду, одна высотой 4 метра, другая — 2 метра. Порядка двух метров каждой колонны являются частью фундамента. Суммарная протяженность колонн — 50 метров, масса — 6,86 тонны.

Протяженность двутавровых балок — продольных опор пролетных участков составляет — четыре ряда и в каждом ряду 5-ть пятидесятиметровых продольных опор — 1000 м, 4-е поперечных десятиметровых опор-балок имеют суммарную длину 40 м, общая длина балок — 1040 м. Известно, что 44,7 м двутавровой балки указанного размера весит одну тонну, то есть масса балок эстакады составляет 22 тонны. Въездной участок удерживают две поперечные балки по 4 метра и два продольных ряда балок протяженностью 200 метров, общая протяженность балок въезда 208 метров. Суммарная протяженность всех балок эстакады и въезда -1248 метров, то есть 1248 метров балок весят 28 тонн.

Общая масса стальных блоков и элементов эстакады с учетом опор и въездного участка составляет порядка 257 т. При цене одной тонны стального проката в виде указанных металлоизделий около $1000 стоимость стальных блоков и элементов эстакады составляет $260 тыс.

Масса блоков эстакады, нагружающих 8-мь опор-колонн эстакады без учета въездного участка, равна 217 т.

Пролетные участки эстакады покрываются, как минимум, пятисантиметровым слоем дорожного покрытия — сталефибробетоном. Площадь пролетов эстакады -2500 м². Объем сталефибробетонного покрытия пролетов эстакады — 125 м³, масса — 312,5 т. Площадь пролетов въезда — 400 м2. Объем сталефибробетонного покрытия пролетов въезда — 20м3, масса — 50 т. Общая стоимость сталефибробетонного покрытия пролетов эстакады и въезда при цене кубометра сталефибробетона $300 составляет $43,5 тыс.

С учетом массы сталефибробетона масса эстакады с въездным участком составит 620 т и суммарная стоимость — $300 тыс., а масса нагрузки на 8-мь вертикальных опор эстакады составит с учетом массы стали (217 т) и массы сталефибробетонного покрытия (312,5) порядка 530 тонн.

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

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

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

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

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

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 $565 тыс.

Масса эстакады одностороннего движения с двумя полосами движения и одной буферной полосой на основе металлопроката, являющаяся нагрузкой 8-ми стальных колонн диаметром 30 см, 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 730 т, 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 (36000 м 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 18 км: 7 км/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.: зполосы): 2,6 час» 1000 автомобилей.

При регулировании движения по предложенной методике на трех сквозных полосах движения ТТК (протяженность ТТК 36 км) при той же средней длине автомобиля (5 м) и расстоянии между автомобилями 30 — 40 метров (скорость движения 60 — 90 км/час) в среднем находится примерно (36000 м х 3): 35 м» 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: 18 км: 75 км/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/ід, где 1д является динамической длиной транспортного средства и определяется по формуле: 1д = ls + 1дб, где ls является физической длиной автомобиля и в среднем составляет 5 метров, а 1дб является дистанцией безопасности от переднего бампера до заднего бампера соседних автомобилей в потоке и 1дб = 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/(1s + 1дб) = v/(1s + 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/(1s + 1дб) = v/(1s + 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 резервнотехнической (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.

4) Низкая эффективность ограничения доступа на магистрали с точки зрения перераспределения транспортных потоков из-за низкой связности местной улично-дорожной сети (УДС) и невозможности выбора альтернативного маршрута.

Мы уже выше упоминали о распространенном заблуждении по заметному влиянию некоторого (в основном крайне незначительного по времени и использующегося, как правило, в часы пик) ограничения въезда на магистрали автомобилей на эффективность дорожного движения.

В городских условиях все происходит как раз наоборот: если по магистралям можно без пробок и заторов (именно для этого магистрали и предназначены) быстро (за 10–20 минут) доехать до пункта назначения, то водитель, как правило, не будет искать альтернативные маршруты, а предпочтет ехать по магистрали даже в том случае, если для въезда на нее ему придется некоторое время (несколько минут) подождать. Таким образом, время в пути для него возрастет на несколько минут, например, с 15 минут до 20 минут, тогда как другими маршрутами ему до того же места придется добираться в заторах и пробках часами.

Иначе говоря, если создать движение без пробок хотя бы на магистралях, то пропускная способность городской сети сразу увеличится.

Но полностью решить проблему заторов и пробок на улицах города возможно только с помощью сети многоуровневых магистралей-эстакад для перемещения легковых автомобилей, а также автопоездов или электропоездов с пассажирами, желающими перемещаться по городу без автомобилей (недорогой аналог метро, но над землей), описанной выше, поскольку сеть магистралей-эстакад как бы всасывает в себя легковые автомобили, освобождая секторальные улицы от лишнего транспорта для свободного проезда. Кроме того, магистрали-эстакады обеспечивают свободный въезд в город и выезд из него любого числа автомобилей. При установке магистралей-эстакад над действующими магистралями и/или железнодорожными путями не придется тратить колоссальные суммы на снос домов и строительство дополнительных дорог в городе, а практически неограниченная пропускная способность городской сети магистралей будет обеспечена.

5) Высокая стоимость внедрения, требующего существенных инвестиций в транспортную инфраструктуру.

Известно, что уже в течение более 10 лет борьбы с пробками в Москве безрезультатно потрачены сотни миллиардов долларов, и эти бесполезные траты предполагается осуществлять и далее.

Внедрение же усовершенствованной нами методики регулирования транспортных потоков ramp metering [3] на магистралях со светофорами [5] и без них [5] по сравнению со строительством или расширением дорог обходится совсем недорого: для регулирования процесса въезда автомобилей на магистраль требуются светофоры, радары или детекторы, табло, контроллеры. А это оборудование не является дорогим. К тому же, на многих въездах на магистрали светофоры и прочее оборудование уже имеется и его надо только перестроить. Что же касается установки многоуровневых магистралей-эстакад над наземными магистралями, то километр двухэтажной магистрали с восемью действующими полосами движения и парковочным третьим уровнем стоит $7–8 млн., а не сотни миллионов долларов, затрачиваемых городским бюджетом, в данном случае Москвы, на один километр городских наземных магистралей.

Только одно внедрение усовершенствованной нами методики регулирования транспортных потоков ramp metering на магистралях со светофорами и без них, увеличивает пропускную способность нынешних магистралей примерно в полтора раза, что только по этому показателю эквивалентно соответствующему увеличению сети транспортных магистралей, а это — сотни миллиардов долларов. К тому же следует отметить уменьшение потерь времени в пути, расхода топлива, напрасно расходующегося в заторах, уменьшение поступающего в воздух выхлопного газа и т. д.

Дополнительные разъяснения по организации безостановочного движения на городских автомагистралях.

Прежде всего, должен быть решен вопрос о выделении пробного участка без пересечений (без регулируемых перекрестков) в 10–20 км.

На нем сначала могут быть отработаны вручную детали методики установления безостановочного движения на магистралях без перекрестков, то есть с использованием на въездах ручного переключения светофоров на запрещающий сигнал или использования жезла при указании радара на падение скорости потока до 60 (40 или 50) км/час и на разрешающий сигнал при указании радара на заданный верхний предел скорости потока 100 (80 или 90) км/час. После этой отработки производится установление автоматического режима контролируемого въезда автомобилей на всем протяжении участка, а затем перенос этого режима на все аналогичные магистрали.

Если в городе не имеется магистралей без пересечений, то необходимо рассмотреть вариант надземных переездов или рассмотреть вариант организации безостановочного движения на магистралях с перекрестками автомобильными колоннами с разрывами между колоннами (см. предшествующую главу).

Приведем более конкретно алгоритм для регулирования въезда автомобилей на магистраль без перекрестков.

На въездах необходимо поставить регулировщиков с жезлами или ручным переключением сигнала светофора и радарами для проведения периодического ограничения въезда автомобилей на магистраль.

При свободном движении, например, в интервале 50–90 км/час ограничение въезда не производится (магистраль не перегружена, поток далек от синхронизированного, то есть автомобили имеют возможность свободно менять полосу движения). Средняя скорость транспортного потока измеряется радарами или другими доступными способами.

При уплотнении транспортного потока в часы пик или при авариях и, как результат, падении его средней скорости, например, до 50 км/час въезд автомобилей на магистраль на соответствующих участках запрещается до увеличения средней скорости транспортного потока, например, до 90 км/час.

При регистрации средней скорости потока 90 км/час въезд автомобилей на данный участок магистрали разрешается вплоть до снижения средней скорости потока до 50 км/час и так далее.

Этот алгоритм используется, в основном, в часы пик и при авариях, то есть при начале перегрузки трассы Результатом использования этого алгоритма является то, что безостановочное движение потока автомобилей на магистрали не прерывается.

При этом на магистрали для скоростного, свободного, безостановочного движения используются все полосы движения, кроме крайних справа по ходу движения.

Таким образом, с помощью указанного режима контролируемого въезда скорость на всем протяжении магистрали все время удерживается в пределах 50–90 км/час и безостановочное движение в режиме свободного потока сохраняется

При авариях на магистрали скорость удерживается в тех же пределах за счет дополнительного увеличения времени ограничения въезда автомобилей на магистраль до момента увеличения скорости потока до максимального значения, а объезд места аварии (ремонта) проводится по свободным полосам движения и буферным (крайним справа) полосам у мест аварий.

1. Дорожная полиция и департамент по управлению движением должны скоординировать свои действия по предотвращению сквозного проезда автомобилей по буферным полосам, например, с помощью специальной разметки, использованием видеокамер и т. д.

2. Число въездов на магистраль должно соответствовать числу съездов с магистрали для согласования притока автомобилей на магистраль и оттока их с нее. Если число съездов недостаточно или в часы пик у съездов транспортный поток начинает быстро уплотняться, то необходимо соответственно увеличить число съездов или изменить организацию движения на прилегающих к магистрали улицах аналогичным предложенному способом.

3. Въезд автомобилей на магистраль, так же как и съезд с нее, производится только через буферную полосу на отрезке 50-200 метров и автомобили перед съездом с магистрали заранее переезжают на эту резервно-техничекую (буферную) полосу, чтобы не создавать помех другим автомобилям на действующих полосах движения. Таким образом, буферная полоса оказывается на большей части своего протяжения свободна для объезда автомобилями мест аварии или ремонта.

4. Съезд производится только в правую сторону по ходу движения через буферную полосу, чтобы не нарушать режим свободного потока (не тормозить его) на магистрали. Левый поворот с магистрали запрещается.

5. Запуск автомобилей на магистраль производится только по разрешающему сигналу въездного светофора, работающего в автоматическом режиме через контроллер, запрограммированный на смену разрешающего въезд сигнала на запрещающий только при подаче с радара сигнала о падении средней скорости транспортного потока, например, до 50 км/час. Сигнал светофора переключается на разрешающий только при наборе транспортным потоком скорости, близкой к верхнему пределу скорости, например, 90 км/час (в зависимости от ситуации эти интервалы могут быть различными, например, 30 — 70 км/час, 60 — 100 км/час, но не менее 30 км/час). Тем самым, не допускается попадание транспортного потока в стадию синхронизированного потока (при котором автомобили не могут маневрировать без торможения потока) и возникновение заторов исключается.

На магистрали должны быть установлены указатели об ограничении нижнего уровня скорости, например, до 50 км/час. Таким образом, данный режим исключает возможность перехода свободного транспортного потока в синхронизированный, который лишает автомобили возможности маневра (переезда с одной полосы движения на другую).

6. Для случая возможного скопления автомобилей у въездов при запрещающем сигнале светофора, например, в часы пик необходимо предусмотреть соответствующее расширение въездных участков на магистраль. Что касается съезда, то при экстремальной ситуации, например, в часы пик, автомобили выстраиваются один за другим на буферной полосе перед съездом и последовательно съезжают с магистрали, не препятствуя движению основного транспортного потока. В том случае, если выезжать им будет некуда — прилегающая улица будет в пробке — на буферной полосе у данного съезда будет выстраиваться очередь до тех пор, пока места на этой полосе будет достаточно, а затем остальным автомобилям придется проезжать дальше — до следующих съездов. В любом случае, многократное сокращение времени проезда автомобилей по магистрали без светофоров (без перекрестков) способствует разгрузке прилегающей улично-дорожной сети от автомобилей благодаря их ускоренной переброске к местам назначения через данную магистраль с безостановочным движением и высокой пропускной способностью и улучшает условия проезда по всей городской дорожной сети.

7. Для преобразования магистрали с перекрестками в безостановочную магистраль необходимо, кроме демонтажа центральных светофоров и установки светофоров на въездах, соорудить для пешеходов подземные и надземные переходы, а автомобили, пересекающие данную магистраль, пустить по быстро собирающимся металлическим эстакадам. В результате, смежные районы города не рассекаются автомагистралью с исключением возможности прямого транзита.

8. Кроме указанных целей, буферные полосы могут использоваться для подъезда специализированного транспорта к местам аварий или ремонта, а также, при необходимости, и как полосы для общественного транспорта в определенное время суток.

9. Следует также отметить, что наличие свободной от движения резервнотехнической (буферной) полосы по краю магистрали особенно важно при недостатке съездов с магистрали. Поскольку сохранение безостановочного скоростного режима является самым главным для нормального функционирования магистралей, постольку уходящие из транспортного потока автомобили не должны его задерживать и должны иметь место для ухода в любое время из потока. Этим местом и является буферная полоса, способная вместить достаточное число автомобилей, если пропускной способности съездов, например, в часы пик не хватает. Причем технически несложно дополнительно расширить буферные полосы — в предельном варианте — для большей вместимости отстаивающихся до момента съезда на ней автомобилей, по крайней мере, до времени постройки дополнительных съездов.

10. 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 транспортного коллапса, то есть тысячи, а в крупных городах десятки тысяч и более 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 перед въездом на магистраль», то кратковременное ожидание (как правило, несколько минут до въезда на магистраль для каждого автомобиля в напряженные периоды движения), практически только в часы пик на специально выделенных площадках неизмеримо выгоднее задержки автомобилей в течение 2–3 часов в пробках на магистралях, как это происходит каждый день на магистралях практически всех крупных городов.

11. Настоящая методика позволяет избежать уплотнения транспортных потоков. С ее помощью на магистралях образуются разреженные (свободные) транспортные потоки со скоростным безостановочным движением. Поэтому автомобили могут беспрепятственно маневрировать в этих условиях. Это необходимо потому, что в городских условиях при наличии недалеко друг от друга расположенных въездах на магистрали и съездах с них автомобилям при въездах и съездах приходится часто 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 съездов сравнительно немного. 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 без светофоров, 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. Тем не менее, эта величина пропускной способности существенно выше нынешней средней за сутки в городах пропускной способности магистралей при неконтролируемом въезде автомобилей на них. 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 скорость транспортного потока при указанных колебаниях, например, от 50 км/час до 90 км/час не падает до низких значений и составляет в среднем около 70 км/час не только в часы пик, но и при аварийных случаях или ремонте на трассе. В последнем случае для объезда используются выделенные по краям магистралей буферные полосы.

12. Известно, что уже в течение более 10 лет борьбы с пробками в Москве и в большинстве других крупных городов безрезультатно потрачены астрономические суммы, поскольку заторы и пробки только растут вместе с ростом числа автомобилей. Тем не менее, эти бесполезные траты предполагается осуществлять и далее. Использование же усовершенствованной нами методики регулирования транспортных потоков ramp metering на магистралях без светофоров по сравнению со строительством или расширением дорог обойдется сравнительно недорого: для регулирования процесса въезда автомобилей на магистраль потребуются, как правило, уже установленные на въездах светофоры, радары, табло, контроллеры, программу которых следует только перенастроить. Но это только в том случае, если не требуется установка переездов через магистраль.

13. Только одно использование усовершенствованной нами методики регулирования транспортных потоков ramp metering на магистралях со светофорами увеличивает пропускную способность ныне действующих магистралей примерно в 1,5 раза, что по одному этому показателю эквивалентно соответствующему росту сети транспортных магистралей, а это — для крупных городов не один миллиард долларов. К этому можно добавить уменьшение потерь времени в пути, топлива, напрасно расходующегося в заторах, уменьшение поступающего в воздух выхлопного газа и т. д.

14. Если у городской администрации не имеется возможности перевести магистраль в бессветофорную (без регулируемых перекрестков), то можно применить другую методику организации безостановочного движения на магистралях со светофорами (см. в предыдущей главе), суть которой сводится к установлению на магистрали непрерывного движения автомобилей колоннами, в разрывы между которыми попадает промежуток времени, необходимый для проезда пересекающих магистраль автомобилей и для перехода пешеходов через перекресток. В этом случае, как и в первом, крайние правые полосы в каждую сторону движения по магистрали переводятся в буферные, то есть используются только для въезда на магистраль, съезда с нее, а также для объезда случившихся аварий или при ремонте. На каждом въезде (перекрестке) на магистраль устанавливаются светофоры, управляемые через контроллер пересчетными датчиками (в настоящее время эту функцию, как правило, выполняют видеокамеры) по программе, которая запрещает автомобилям въезд на магистраль до момента снижения числа автомобилей в колонне до установленного уровня, например, до уровня в 20 % от максимально возможного числа автомобилей в колонне при средней скорости транспортного потока, например, 70 км/час. В результате, транспортный поток в виде отдельных автомобильных колонн на оставшихся полосах движения превращается в скоростной, непрерывный и с пропускной способностью для каждой полосы движения до 1500 автомобилей в час, несмотря на наличие на магистрали перекрестков. При этом, во избежание торможения потока, левый поворот на магистрали запрещается.

Поясним указанное. Предложенный способ регулирования автомобильного движения на магистрали состоит в том, что реализуется пересечение транспортным потоком перекрестка сходу колоннами с соответствующими разрывами между ними. Этим и обеспечивается максимальная пропускная способность для магистралей со светофорами. Для этого отсеканием на перекрестках формируют поток транспортных средств с разрывами, состоящий из колонн, которые сходу, друг за другом, соблюдая установленный интервал, определяемый временем запрещающего сигнала светофора, пересекают каждый перекресток на магистрали на разрешающий сигнал светофора. Въезжающие на магистраль по буферной полосе автомобили, присоединяются к ближайшей колонне после разгона по буферной полосе.

Обязательной мерой для безостановочного движения сформировавшихся колонн является своего рода «фазирование» потока транспортных средств, то есть решение задачи подвода головных автомобилей каждой отдельной колонны к перекрестку к моменту появления разрешающего сигнала светофора. Это обеспечивается путем информирования водителя автомобиля тем или иным способом о времени, остающемся до появления разрешающего сигнала светофора. Водители головных автомобилей и водители, следующие за первыми, видя время, остающееся до появления разрешающего сигнала, так или иначе манипулируют скоростью движения автомобиля и тем самым обеспечивают подход к перекрестку головных автомобилей колонны к моменту появления разрешающего сигнала светофора без значительных перепадов в скорости колонн.

Коррекцию скорости автомобилей на перегонах в зависимости от показаний информационных табло можно также производить автоматически путем считывания видеодатчиками в автомобиле информации с табло или светофора, ее обработки и передачи соответствующего сигнала на датчик-регулятор скорости, который производит необходимое изменение скорости автомобиля в соответствии с передаваемой информацией о времени до изменения знака светофора в рамках установленного интервала скоростей, видеодатчики также принимают информацию о наличии пешеходов на автомагистрали и учитывают расстояние безопасности до соседних автомобилей с передачей соответствующих команд на систему управления автомобилем (см., напр., патент РФ № 2317592).

При использовании средств «фазирования» транспортного потока все светофоры магистрали имеют одинаковый цикл работы, или одинаковую продолжительность разрешающего сигнала, что обеспечивает неизменное количество автомобилей в колонне и одинаковый проход колонны через все перекрестки, то есть при появлении запрещающего сигнала в колонне не будут скапливаться дополнительные автомобили. Кроме того, это обеспечит синхронизацию движения встречных потоков автомобилей на магистрали.

Длительность разрешающего сигнала соответствует скорости движения транспортного потока между перекрестками при преодолении средней протяженности перегона.

Светофоры соседних перекрестков магистрали работают в противофазе.

В процессе движения по магистрали часть автомобилей покидает магистраль, что уменьшает количество автомобилей в колонне. Поэтому для поддержания высокой эффективности использования магистрали и высокой эффективности использования транспортных средств необходимо регулировать количество автомобилей в колонне.

Для регулирования числа автомобилей в колонне можно использовать датчики подсчета автомобилей наиболее подходящего для конкретного случая типа, например, видеокамеры, применение которых позволяет не повреждать дорожное покрытие, и для использования которых уже разработано много сравнительно недорогих программ. Можно также использовать различные датчики движения, например, индукционные датчики и т. д. С их помощью, фиксируется число автомобилей, движущихся в колонне. Далее обработанная информация передается на управляющее устройство, которое дает команду на включение разрешающего сигнала въездного светофора с бокового направления только при уменьшении числа автомобилей в колонне на 20 %, например, со 100 автомобилей до 80 и переключает сигнал въездного светофора на запрещающий, когда число автомобилей в колонне восстановится (до 100) за счет въехавших автомобилей. Совокупность этого оборудования составляет на каждом перекрестке своего рода автомат управления движением.

Практически, число автомобилей в колонне определяется параметрами магистрали и длительностью разрешающего сигнала светофора.

Следует отметить, что остановка тех или иных автомобилей не опасна, так как эти автомобили отсекаются от одной колонны и присоединяются к другой. А неодинаковая протяженность перегонов между перекрестками и возможная неодинаковость запрещающих движение сигналов компенсируются изменением скорости движения колонны между перекрестками.

Информировать водителей о времени переключения светофора можно различными способами. Например, перед появлением разрешающего сигнала включать желтый сигнал или большими цифрами на фоне красного сигнала сообщать об остающемся времени до появления разрешающего (зеленого) сигнала светофора. Также можно использовать табло большого размера.