Komputerowe wspomaganie obliczeń przepustowości odcinków międzywęzłowych autostrad

Seria: T R A N SPO R T z. 48 N r kol. 1604

Agnieszka L E ŚN IC K A

K O M PUTERO W E W SPO M A G A N IE O BLICZEŃ PR Z E PU ST O W O ŚC I O DCINK Ó W M IĘ D Z Y W Ę Z Ł O W Y C H A U TO STR AD

Streszczenie. W artykule przedstaw iono je d n ą z aplikacji program u kom puterow ego

„Przepustow ość autostrad” słu żącą do obliczania przepustow ości odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrad. A plikacja ta pow stała w środow isku D elphi n a podstaw ie w ytycznych i zaleceń zaw artych w w ydanej w 1995 r. przez G D D P publikacji „Instrukcja obliczania przepustow ości dróg I i II klasy technicznej (A utostrada i drogi ekspresow e)” . Program „Przepustow ość autostrady” (aplikacje: „Przepustow ość odcinków m iędzyw ęzłow ych”, „P rzepustow ość odcinków z przeplataniem ” i „P rzepustow ość łącznic i połączeń z autostradą”) stanow ić m a w przyszłości elem ent uzupełniający do sym ulacji kom puterow ej ruchu p o jazd ó w w w ęźle autostradow ym .

CAPACITY OF IN T ER N A L SECTIONS OF M OTO RW A Y S - C O M PU TER PROGRAM USED FO R C A LC U LA TIN G TH E C A PA C ITY OF IN TERN A L SECTIONS OF M O TO R W A Y S

Sum m ary. In the article there is introduced one o f the applications o f the com puter program "The capacity o f h ighw ays” w hich is designed for calculating the capacity o f intem odal sections o f m otorw ays. T he application w as created in D elphi environm ent on the basis o f recom m endations and guidelines given in the instruction b y G D D P entitled "The instruction for m aking calculations o f capacity o f roads o f I and II technical class (m otorw ays and express roads)” , p u b lish ed in 1995. "The capacity o f highw ay” program (the applications:

"The capacity o f intem odal sections ” , “T he capacity o f sections w ith striping” and "The capacity o f ju n ctio n -lin es and connections w ith highw ay”) is to be in the future a supplem entary elem ent in the com puter sim ulation o f vehicle m ovem ents in th e intem odal sections o f m otorw ays. T he article contains a program created b y the author th at introduces analysis o f the tran sferab ility o f m otorw ays in com pliance w ith the H ighw ay C apacity M anual procedures on the b asis o f the 1995 instm ction by GDDP.

1. W STĘP

A naliza przepustow ości odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrady m oże dotyczyć trzech różnych zagadnień. P ierw sze z nich dotyczy oceny w arunków m ch u n a istniejącym lub projektow anym odcinku p odstaw ow ym (m iędzyw ęzłow ym ) autostrady o znanej charakterystyce geom etrii drogi i natężeniu m chu. A naliza ta zaw iera określenie poziom u sw obody m ch u o raz w artości liczbow ych takich m ierników P S R (P oziom ów Sw obody

292 A. L eśnicka

Ruchu), jak : gęstość ruchu i prędkość ruchu sw obodnego. D rugi aspekt zw iązany je st z projektow aniem przek ro ju p oprzecznego autostrady dla istniejących lub prognozow anych natężeń m chu i zadanego rozw iązania sytuacyjnego w celu uzyskania w ym aganego PSR.

T rzecie zagadnienie zw iązane je s t z planow aniem przepustow ości now o projektow anych autostrad, które po leg a n a określeniu potrzebnej liczby pasó w m ch u dla zapew nienia zakładanego PSR.

2. OPIS M E T O D Y A N A L IZ Y P R ZE PU STO W O ŚC I O D C IN K Ó W M IĘ D Z Y W Ę Z ŁO W Y C H A U T O ST R A D

O dcinkiem podstaw ow ym autostrady je s t odcinek, na którym m ch odbyw a się w sposób niezakłócony w łączeniam i/w yłączeniam i pojazdów z/do potoku m ch u na autostradzie ani też m anew ram i przeplatania. P o zo stałe elem enty autostrady to: odcinki, na których odbyw a się przeplatanie oraz łącznice i ich p o łączen ia z je z d n ią autostrady.

D la poszczególnych elem entów składow ych autostrady stosuje się osobne procedury obliczeniow e. O ddzielnie przep ro w ad za się rów nież analizę przepustow ości każdej z jezd n i odcinka podstaw ow ego autostrady. M etoda analizy przepustow ości odcinków z przeplataniem oraz łącznic i połączeń z auto strad ą z w ykorzystaniem program u kom puterow ego

„Przepustow ość autostrad” została przedstaw iona w artykule [1],

2.1. Podstaw ow e założenia m etody obliczeniow ej

Punktem w yjścia do analiz przepustow ości są zw iązki, ujęte w tab licy (ta b l.l), zachodzące m iędzy śred n ią p rę d k o śc ią podróży i natężeniem m ch u oraz gęstością m chu, przy różnych prędkościach ruchu sw obodnego, w idealnych w arunkach drogow o - m ch o w y ch [2].

T ab lica 1 K ryteria określania P S R na odcinku podstaw ow ym autostrady

PSR Gęstość maksymalna [E/km/pas]

Prędkość podróży nie mniejsza niż [km/h]

Natężenie krytyczne na P S R j [E/km/pas]

Największy w spółczynnik Q/C Prędkość ruchu swobodnego Vas 120 km/h

A 6 120 720 0,33

B 10 120 1200 0,55

C 15 114 1710 0,78

D 20 105 2100 0,95

E 21,5 102 2200 1,00

F zmienna zmienna zmienne zmienny

Prędkość ruchu swobodnego V M = 100 km/h

A 6 100 600 0,27

B 10 100 1000 0,45

C 15 100 1500 0,68

D 20 96 1910 0,87

E 25,3 87 2200 1,00

F zmienna zmienna zmienne zmienny

Prędkość ruchu swobodnego V M =80 km/h

A 6 80 480 0,27

B 10 80 800 0,36

C 15 80 1200 0,61

D 20 80 1600 0,82

E 29 76 2200 1,00

F zmienna zmienna zmienne zmienny

—r——1 » ■ ■■■■ — i

Źródło: Instrukcja ob liczan ia przepustow ości dróg I i II klasy technicznej

Idealne w arunki d rogow o - ruchow e z punktu w id zen ia przepustow ości są następujące:

- szerokość pasów ru ch u w ięk sza niż 3,60 m,

łączna szerokość p asa w olnego od przeszkód bocznych licząc od kraw ędzi skrajnego pasa ruchu je s t w ięk sza od 1,80 m , przy czym bariery ochronne w p asie dzielącym nie są przeszkodam i bocznym i, natom iast m aszty ośw ietleniow e, ściany oporow e i podpory w iaduktów uznaw ane s ą za przeszkody boczne,

- w potoku ruchu w y stęp u ją je d y n ie sam ochody osobow e,

z autostrad k o rzy stają je d y n ie kierow cy regularnie podróżujący i znający je j przebieg.

W procedurach o b liczeniow ych zakłada się rów nież: dobry stan naw ierzchni, dobre w arunki atm osferyczne oraz brak zakłóceń w ruchu przez zdarzenia drogow e. Z ak ład a się, że przepustow ość w idealnych w arunkach drogow o - ruchow ych przy zakresie prędkości od 76 do 102 km /h w ynosi na autostradzie 2200 E/h/pas.

Jako m ierniki d efiniujące PR S przyjęto prędkość odczuw aną przez kierow ców oraz gęstość ruchu ch arak tery zu jącą sw obodę w ykonyw ania m anew rów i bliskość innych pojazdów . Z ależność średniej prędkości potoku ruchu w w arunkach idealnych od natężenia i kryteriów oceny p oziom ów sw obody ruchu przedstaw iona została na rys. 1.

i<n/h

O blicze n e rie no tęże n ie o o to k u ru ch u w w arunkoch idealnych E / h / p O ' -

Rys. 1. Z ależność średniej prędkości p otoku ruchu w w arunkach idealnych od natężenia i kryteriów o cen y p o zio m ó w sw obody ruchu

F ig .l. The dependence o f average speed o f traffic flow in ideal conditions on intensity and criteria o f evaluation o f m ovem ent freedom levels

2.2. C zynniki w p ływ ające na p rzep u stow ość odcinków podstaw ow ych autostrady

R zeczyw iste w arunki geom etryczno - m chow e zw ykle ró żn ią się od założonych w arunków idealnych. U w zględnienie w pływ u zm iany w arunków drogow o - m ch o w y ch na przepustow ość odbyw a się p o przez zastosow anie odpow iednich w spółczynników korygujących. W m etodzie H C M uw zględniany je st w pływ takich czynników , ja k : prędkość m chu sw obodnego, szerokość pasów m ch u i odległość przeszkód bocznych, obecność

294 A. L eśnicka

w ruchu pojazdów ciężkich, znajom ość drogi w populacji kierow ców , rodzaj terenu, pochylenia i ich odległości oraz nierów nom iem ość ruchu w godzinie szczytu.

2.3. Procedura ob liczeniow a

W m etodzie H C M - 85 p o d staw ą obliczeń przepustow ości i oceny w arunków ruchu są natężenia ruchu w najbardziej obciążonych piętnastu m inutach godziny m iarodajnej, przeliczone na natężenie o b liczeniow e zgodnie z poniższym w zorem :

a , = 4 - 0 , „ [P/h] (1)

gdzie:

Q15 - natężenie obliczeniow e [P/h],

Qismax

W praktyce n atężenie obliczeniow e uzyskuje się p o przez podzielenie natężenia m iarodajnego przez w sp ó łczy n n ik w ahań ruchu w godzinie szczytu:

ß l5 = ^ [P/h] (2)

15

gdzie:

Q is - natężenie obliczeniow e [P/h], Q m - natężenie m iarodajne [P/h],

kis - w spółczynnik w ah ań (nierów nom iem ości) ruchu w godzinie szczytu.

M etoda obliczeniow a u m ożliw ia przeprow adzanie obliczeń przepustow ości odcinków m iędzyw ęzłow ych w dw óch w ariantach. P ierw szy to obliczanie przepustow ości i natężeń krytycznych odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrad w rzeczyw istych w arunkach drogow o- ruchow ych. D rugi p o leg a n a ustalaniu P SR d la istniejących n a danym odcinku m iędzyw ęzłow ym w arunków drogow o-ruchow ych.

O bliczanie przep u stow ości i natężeń krytycznych

Przepustow ość i n atęż en ia krytyczne odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrad w rzeczyw istych w aru n k ach drogow o - ruchow ych oblicza się z następującego w zoru:

a , = c . [p/h] o )

gdzie:

Qki - natężenie krytyczne w rzeczyw istych w arunkach drogow o - ruchow ych d la PSR i w [P/h] w jed n y m kierunku,

(Q/Cj) - stosunek n atężen ia do przepustow ości dla PSRj,

C0 - przepustow ość w idealnych w arunkach drogow o - ruchow ych w ynosząca 2200 [E /h/pas],

n - liczba pasów ruchu n a autostradzie w jednym kierunku,

fp - w spółczynnik w pływ u szerokości pasów ruchu i odległości p rzeszkód bocznych (tabl. 2),

fc - w spółczynnik w p ły w u sam ochodów ciężarow ych i autobusów oraz rodzaju terenu, spadków i ich długości,

fzd - w spółczynnik znajom ości drogi w śród kierow ców (tabl. 3).

T ablica 2 W spółczynnik w pływ u szerokości pasów i odległości od przeszkód bocznych fp

Odległość od przeszkody bocznej [m]

Przeszkody boczne po jednej stronie jezdni Przeszkody boczne po obu stronach jezdni

Szerokość pasa ruchu Szerokość pasa ruchu

3,75 3,60 3,50 3,25 3,00 3,75 3,60 3,50 3,25 3,00

> 1,80 1,00 1,00 0,98 0,94 0,90 1,00 1,00 0,98 0,94 0,90

1,00 0,99 0,99 0,97 0,93 0,89 0,98 0,98 0,96 0,92 0.88

0,00 0,92 0,92 ,91 0,88 0,84 0,86 0,86 0,85 0,82 0,78

Źródło: Instrukcja obliczania przepustow ości dróg I i II klasy technicznej

W spółczynnik znajom ości drogi w śród kierow ców fzli

T ablica 3

Charakterystyka użytkowników Współczynnik korygujący f2j Dojeżdżający do pracy lub inni regularni użytkownicy 1,0

Ruch rekreacyjny lub inni nieregularni użytkownicy 0,75 - 0,99 Źródło: Instrukcja obliczania przepustow ości dróg I i II klasy technicznej

W spółczynnik fc obliczany je s t z następującego w zoru:

/c =

l + p ,(£ c- l )

gdzie:

p c - udział sam ochodów ciężarow ych i autobusów w ruchu [-],

Ec - ekw iw alentny w spółczynnik przeliczeniow y na pojazdy um ow ne d la sam ochodów ciężarow ych i autobusów , ustalany w edług dw óch procedur: uproszczonej lub szczegółow ej.

Procedurę upro szczo n ą m o żn a stosow ać, jeśli na danym odcinku m iędzyw ęzłow ym nie występuje żaden odcinek dłuższy od 400 m o pochyleniu w iększym lub rów nym 3% (spadek lub w zniesienie), a odcinki o pochyleniu w iększym od 3% nie są dłuższe od 800 m.

Przepustow ość odcinków o pochyleniu m niejszym od 2% obliczana je s t w edług procedury uproszczonej niezależnie od ich długości. P rocedura uproszczona stosow ana je s t rów nież na etapie planowania.

Procedura szczegółow a stosow ana je s t dla odcinków o dużych i/lub długich pochyleniach, tzn. takich, których bezw zględna w artość pochylenia je s t m niejsza od 3% na długości większej od 800 m i odcinków o w artości pochylenia w iększej od 3% na długości ponad 400 m. Przepustow ość tych odcinków pow inna być obliczana oddzielnie dla każdego z kierunków ruchu (w górę, w dół).

Ustalanie PSR odcinka podstaw ow ego autostrady w istniejących w arunkach drogow o - ruchowych

U stalanie poziom u sw obody ruchu dla istniejącego odcinka m iędzyw ęzłow ego i istniejących w arunków drogow o - ruchow ych odbyw a się za p o m o cą następującego w zoru:

Q»

C„ - n - f . - L - f «

(5)

296 A. L eśnicka

gdzie:

Qi 5 - obliczeniow e n atężenie ruchu (Qm/ki5, Qm = Qh - obserw ow ane godzinow e natężenie) w P/h, p o zo stałe o znaczenia ja k we w zorach (1-4).

S zczegółow y opis m eto d y przeprow adzania analizy przepustow ości odcinków m iędzyw ęzłow ych m ożna znaleźć w publikacjach [2], [3] i [4].

3. A PLIK A C JA K O M P U T E R O W A O B L IC Z A JĄ C A PR ZE P U S T O W O Ś Ć O D C IN K Ó W M IĘ D Z Y W Ę Z ŁO W Y C H

O pisyw ana w tym artykule aplikacja pow stała przy użyciu zintegrow anego środow iska program istycznego D elphi firm y B olrand Inc. Jest to popularne i w ygodne narzędzie ułatwiające pracę p ro g ram isty i skracające czas potrzebny na stw orzenie aplikacji kom puterow ej [5],

P ierw sze pow italne okno p rogram u przedstaw ione zostało n a rysunku 2.

j f l W yjście | ¡ g Start |

Rys. 2. Pow italne okno p rogram u Fig. 2. O pening w indow o f th e program 3.1. M enu głów ne program u

W m enu głów nym p rogram u m o żn a dokonać w yboru jed n ej z trzech m ożliw ych opcji przeprow adzania obliczeń:

- przepustow ości o dcinków m iędzyw ęzłow ych,

przepustow ości odcinków , n a których odbyw a się przeplatanie, - przepustow ości łącznic.

W celu w y konyw ania obliczeń przepustow ości odcinków m iędzyw ęzłow ych należy w ybrać pierw szą opcję. F orm u larz „M enu głów ne” przedstaw iony został na rys. 3.

/ ■ P rz e p u s to w o ś ć A u to s tra d y g o l i l i

Obliczanie przepustowości odcinków międzywęzłowych

Obliczanie przepustowości odcinków z przeplataniem

Obliczanie przepustowości łącznic i połączeń z drogą główną

Rys. 3. Form ularz „M enu głó w n e”

Fig. 3. Form „M enu g łów ne” („m ain m enu”) 3.2. W prow adzanie danych

W pisyw anie k oniecznych do przeprow adzenia obliczeń danych odbyw a się p rzy pom ocy form ularza „W prow adzanie d an y ch ” .

GGE

O b lic za n ie n a tę ż e n ia krytycznego d la z a d an eg o P S R

P rę d k o ść ruchu sw obodnego (km/h]

(Too

Regularni użytkownicy

Ruch rekreacyjny C

Rodzaj

ukształtowania jptssk>

terenu

Udztał Liczba p asó w \

ruchu - p

4 r pojazdów p o

ciężkich

odcinka '

kmf* m

p asó w ruchu 13-75 (m]

W zniesienie S p a d e k

Pochylenie

[%]

bez przeszkód bocznych lechottionr«

obustronne

w odległości f T

M ’

O c e n a w aru n kó w ruchu - w y z n a c z e n ie pozio m u sw obody ruchu P S R

O bserw ow ane godzinowe natężenie ruchu p / h ]

P rę d k o ść ruchu sw obodnego [km/h]

Liczba p asó w * ^

3 ? : 4 r pojazdów 1

ciężkich [*4]

D ługość | ... . odcinka

kmf* C m p asów ruchu (3.75

w

Rodzaj _________

ukształtowania ¡Płaski terenu

P rzeszkodyboczne f — b ez przeszkód bocznych lednostronne obustronne

W zniesienie S p ad ek

Pochylenie

m

^Wyn* |

X Wrtecz j

w o d ległości h c

M ‘

Regułam i użytkownicy Ruch rekreacyjny C

X wuc» i

Rys. 4. W idok ekranu form ularza „W prow adzanie danych”

Fig. 4. V iew o f the form „W prow adzanie danych” („data inserting”)

298 A. Leśnicka

Poniew aż w program ie m o żn a w ykonyw ać dw a w arianty przeprow adzania obliczeń:

1. obliczanie przepustow ości i natężeń krytycznych odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrad w rzeczyw istych w arunkach drogow o-ruchow ych,

2. ustalanie P S R d la istniejących n a danym odcinku m iędzyw ęzłow ym w arunków drogow o-ruchow ych,

należy dokonać w yboru odpow iedniego d la danego typu obliczeń form ularza. Form ularz

„W prow adzanie danych ” p rzestaw io n y został na rysunku 4.

N iezbędne do przeprow adzania obliczeń dane m ożna w prow adzać w program ie tylko z klaw iatury, baza d anych znajduje się w trakcie tw orzenia.

3.3. O bliczenia i p rezentacja w yników

Po w pisaniu do odpow iedniego form ularza niezbędnych danych i w ciśnięciu przycisku wynik, program dokonuje obliczeń, których rezultat pojaw ia się w oknie dialogow ym „W ynik 1” lub „W ynik 2” . W tych oknach dialogow ych znajdują się rów nież przyciski um ożliw iające pow rót do głów nego m enu lub zakończenie pracy z program em .

N a rysunku 5 p rzedstaw ione zostało okno dialogow e „W ynik 1” , w którym p o jaw ia się rezultat obliczeń przepustow ości i natężeń krytycznych odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrad w rzeczyw istych w arunkach drogow o-ruchow ych. W ygląd w ynikow ego okna dialogow ego dla drugiego w ariantu w ykonyw anych w program ie obliczeń przedstaw iono na rysunku 6.

O b liczanie n a tężenia krytyczne go dla zadanego PSR PSR

A B

DC E F

[ Prędkość ruchu

j swobodnego

/■

Regularni użytkownicy W j W iniesi£n,e Ruch rekreacyjny C | Spodek

EdKMfOEI

Udział ....

pojazdów j 10 ciężkich

Długość n r n r łr in k f t ’

i Udział pojazdów j : ciężkich [%]

N a tę ż e n ie k ry ty c zn e d la

wybranego PSR wynosi 4 0 0 0 P /h

-rrnrcnrpuarow---

ruchu ‘

3

r \ bez prziszfTćiboćżhycłi

r ⁱ jednostronne r [

A r j obustronne C . j

—..j....— iiżytkownicy <*

Ruch rekreacyjny C

Rys. 5. W idok ekranu form ularza „W ynik 1”

Fig. 5. V iew o f th e form „W ynik 1” („result 1”)

E

F

r 1

r 1

ukształto w an ia j Płaski

te re n u d

P o c h y le n ie p t )

/ ' P iz e p u s to w o ś ć A u to strady

; U dział --- p o ja z d ó w j a ę z k ic h

| D łu g o ś ć r — i o d c in k a 1

km<* «.

| U d z ia ł i p o ja z d ó w }10

| c ię ż k ic h [% ]

l...

| Długość |7“ ~*

i odcinka 1

i

»/stecz I

f i a # * 1

S z e r o k o ś ć ____ __ ___

p a s ó w ruchu |3.75 d w o d le g ło ś c i 1 •<

M H 1

ytkownicy (• : cyjny <" ;

T~y ¡¡a«* I X Wstecz I

Rys. 6. W idok ekranu fo rm ularza „W ynik 2 ” Fig. 6. V iew o f the form „W ynik 2” („result 2”)

4. PO D SU M O W A N IE

O bliczenia przepustow ości, n ie tylko odcinków m iędzyw ęzłow ych autostrad, są niezw ykle czasochłonne i pracochłonne. W ykorzystanie do p rzeprow adzania tych obliczeń odpow iednich program ów kom puterow ych stw orzonych np. w D elphi u łatw ia pracę inżyniera ruchu, poniew aż skraca czas potrzebny na w ykonanie tych obliczeń. W ażne je s t rów nież to, że otrzym ane w yniki są dokładne i bezbłędne.

Literatura

1. Leśnicka A.: „P rzepustow ość autostrady” - program analizujący przepustow ość autostrad.

Zeszyty N aukow y P olitechniki Śląskiej, Seria: T R A N SPO R T z.46(N r kol. 1571.

2. Instrukcja o bliczania przepustow ości dróg I i II k lasy technicznej (A utostrady i drogi

ekspresow e). G D D P, W arszaw a 1995. *

3. Praca zbiorow a p od red. K rystek R.: W ęzły drogow e i autostradow e. W K iŁ , W arszaw a 1998.

4. Transportation research Board: H ighw ay C apacity M anuał, Special R eport 209, W ashington D .C ., 1985.

5. Struzińska - W alczak A ., W alczak K.: N auka oprogram ow ania w izualno-obiektow ego.

W &W , 1998.

R ecenzent: D rh a b . Tom asz A m broziak, prof. Pol. W arszaw skiej

300 A. L eśnicka

Abstract

The capacity calculations, not on ly for intem odal sections o f m otorw ays, are h ig h ly tim e- consum ing and laborious. U sage o f suitable com puter program s to carry out these calculations (e.g. created in D elphi) facilitates the w ork o f traffic engineer b ecause it shortens the tim e necessary for realization o f these calculations. It is im portant to note that received results are faultless and exact.

Praca w ykonana w ram ach badań B W 4 5 7 /R T 5 /2 0 0 3