8.4. Оценка влияния климатических факторов на скорость движения

Условия движения на дорогах в период действия неблагоприятных метеорологических явлений значительно сложнее, чем в летний период времени при сухом, чистом покрытии и обочинах. Различия определяются целым рядом факторов, основными из которых являются:

снижение сцепных качеств покрытия, изменение механического взаимодействия автомобиля с дорогой и ухудшение ровности покрытия под воздействием осадков, гололёда, тумана, повышенной влажности воздуха и других факторов;

увеличение сопротивления движению за счет отложений снега, грязи, гололеда, появления неровностей на дороге, в результате чего сокращается свободная мощность двигателя автомобиля;

изменение очертания и внешнего вида проезжей части и обочин, изменение параметров поперечного профиля за счёт снежных отложений и образования после наката, что приводит к изменению восприятия дороги водителем;

уменьшение метеорологической видимости в периоды туманов, осадков, пурги, пыльных бурь, слепящего действия солнца, изменяющее восприятие условий движения водителем;

ухудшение эксплуатационно-технических качеств автомобиля и прежде всего систем обеспечения удобства и безопасности движения, к которым относятся тормозная система, рулевое управление, система обеспечения безопасности и видимости, сигнальная система.

Чем выше категория дороги, интенсивность и скорость движения, тем более ощутимо влияние погодно-климатических факторов на режим движения. Из числа климатических и метеорологических факторов наибольшее влияние имеют осадки в виде дождя, сухого или влажного снега, смешанные снегодождевые осадки, метель, ветер, иней, гололёд, температура и влажность воздуха, туман, солнечная радиация. Большое значение имеет интенсивность воздействия каждого фактора и совместное воздействие нескольких неблагоприятных факторов.

Положение осложняется тем, что на состояние поверхности дороги и условия движения одновременно воздействует несколько метеорологических факторов. Поэтому кроме оценки влияния на режим движения каждого отдельного метеорологического фактора необходимо оценивать и их совместное, комплексное влияние. Наибольшее влияние на режим движения оказывают метеорологические факторы, воздействующие на состояние поверхности дороги. Оценка их влияния выполняется совместно с оценкой геометрических параметров и характеристик дорог. Из других метеорологических факторов необходимо оценить влияние метеорологической дальности видимости и ветра на скорость движения.

Метеорологическая дальность видимости относится к факторам, воздействующим на режим движения через водителя. Однако степень ее влияния во многом зависит от состояния дороги и прежде всего сцепных качеств. Механизм воздействия метеорологической дальности видимости на режим движения автомобиля с некоторым допущением может быть принят аналогичным механизму влияния геометрической видимости на дороге. Допущение заключается в разнице понятий метеорологической дальности видимости и видимости поверхности дороги.

Дальностью видимости поверхности дороги(геометрическая видимость) считается расстояние, на котором водитель может увидеть лежащий на покрытии предмет. Влияние ограниченной геометрической видимости на скорость движения остаётся постоянным в течение длительного времени, но распространяется на короткие участки.

Метеорологической дальностью видимости (МДВ)называется наибольшее расстояние, на котором при данной прозрачности атмосферы абсолютно чёрный объект с угловыми размерами не менее 20°, проектирующийся на фоне вблизи горизонта, сливается с фоном и становится невидимым. Метеорологическая дальность видимости ограничена реже, но охватывает большие протяжения дорог.

Из формулы определения остановочного пути по формуле (8.16) определяют степень опасности метеорологических явлений, ограничивающих только видимость, без влияния на коэффициент сцепления и явлений, ограничивающих видимость и снижающих сцепные качества покрытий. К первым относятся дымка, мгла, дымные гари, пыльные бури и др.; ко вторым - туман, дождь, снег, метель и т.д. На рис. 8.9 приведены показатели влияния метеорологической видимости при различных состояниях проезжей части на обеспеченность расчетной скорости. Сравнение расчетных данных с данными наблюдений показывают, что большинство водителей выбирают более осторожные режимы движения в условиях пониженной метеорологической видимости по сравнению с теоретически безопасным и не развивают предельных скоростей в этих условиях.

Рис. 8.9. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от метеорологической видимости: а - по схеме торможения одиночного автомобиля; б - то же, встречных автомобилей; 1,2 - коэффициент сцепления 0,5 и 0,3; 3 - по данным наблюдений при  = 0,4-0,5

Серьёзную опасность для движения может представлять ветер, дующий с большой скоростью. Боковой ветер стремится сместить автомобиль со своей полосы движения и водитель вынужден непрерывно выравнивать траекторию автомобиля. Под влиянием бокового ветра и увода колес автомобиля траектория движения может внезапно измениться, что приведет к аварийной обстановке. Особенно опасны внезапные порывы ветра, на которые водитель не успевает среагировать. Воздействие ветра ощущается тем сильнее, чем выше скорость движения автомобиля и чем больше его боковая поверхность. Величина бокового отклонения автомобиля от заданной траектории зависит в значительной степени от времени реакции водителя, а также от типа автомобиля (расположение центра масс автомобиля и центра давления на боковую поверхность). На кривых в плане боковое давление ветра может совпасть по направлению с действием центробежной силы, что может привести к боковому скольжению или опрокидыванию автомобиля.

Методика оценки условий движения автомобилей на ветроопасных участках дорог разработана проф. А.П. Васильевым [10,11]. К ветроопасным относят участки дорог в открытой (не защищенной лесом) местности, проходящие по водоразделам, возвышенностям, в насыпях, полунасыпях-полувыемках, в нулевых отметках и в выемках глубиной до 1,5 м, на подходах к мостам и путепроводам и на самих мостах, путепроводах и эстакадах, на входах и выходах из глубоких выемок, населённых пунктов и лесных массивов.

За критерий ограничения скорости на прямых участках дороги принимают предельно допустимую величину отклонения траектории автомобиля по условиям приближения его к границе своей полосы движения У_в.доп, которую для двухполосной дороги определяют по формуле:

где                                                                                                              (8.21)

е- допустимое приближение внешнего колеса автомобиля к границе полосы движения, м; принимают 0,2-0,3 м.

Для расчёта возможного отклонения автомобиля определяют расчётную скорость ветра

V_в=К₁К₂К₃V_фл, м/с, где                                                                                                    (8.22)

К₁- коэффициент, учитывающий положение дороги на местности, колеблется от 0,6 до 1,2;

К₂- коэффициент, учитывающий переход от показаний флюгера (измерений на метеостанциях) к высоте центра боковой поверхности автомобиля на дороге; назначается по табл. 8.9;

Таблица 8.9

К₃- коэффициент, учитывающий порывистость ветра (1,7 - для порывистого и 1,9 для крайне порывистого ветра);

V_фл- скорость ветра по флюгеру на высоте 10 м повторяемостью один раз в год принимается по данным ближайшей метеостанции; может быть также принята по картам зонирования расчётного ветра.

Высота центра боковой поверхности (метацентра) легкового автомобиля над уровнем поверхности земли определяется по формуле

h=h_н+ 0,75, м, где                                                                                                             (8.23)

h_н- высота насыпи, м.

В зависимости от расчётной скорости ветра принимают величину показателя а₂по табл. 8.10.

Таблица 8.10

Затем вычисляют коэффициент а₁, учитывающий безопасную скорость движения автомобиля при различной скорости ветра и реакции водителя на порыв ветра

(8.24)

Откладывая на графике рис. 8.10 величину а₁, определяют максимальную допустимую скорость автомобиля на ветроопасном участке. Значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости при различной скорости ветра приведены на рис. 8.11.

Рис. 8.10. Значения коэффициента а₁, учитывающего скорость автомобиля

Рис. 8.11. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от скорости ветра: 1, 2 - для легковых автомобилей с передним расположением двигателя при реакции 1 и 1,5 с; 3, 4 - для автомобилей с задним расположением двигателя

На кривых в плане, расположенных на ветроопасных участках, максимальную допустимую скорость определяют по формуле

где                                                                                (8.25)

q_в- коэффициент бокового давления ветра; принимают в зависимости от скорости ветра и боковой площади автомобиля по табл. 8.11.

Таблица 8.11

Расчёты показывают, что влияние ветра при движении по сухим покрытиям малоощутимо. При влажных покрытиях оно заметно на кривых малого радиуса (рис. 8.12). Но при наличии снега или гололеда на покрытии порывы ветра могут способствовать боковым заносам автомобиля при движении на кривых в плане.

Рис. 8.12. Зависимость коэффициента обеспеченности расчётной скорости от скорости ветра, радиуса кривой в плане и состояния покрытия: а - сухое чистое покрытие,  = 0,6; б - мокрое чистое покрытие, = 0,4; в - слой рыхлого снега или снежный накат на покрытии,= 0,2; г - гололёд на покрытии,= 0,15; 1 - скорость ветра 5 м/с; 2 - то же, 20 м/с; 3 - то же, 30 м/с; 4 - то же, 40 м/с; 5 - то же, 50 м/с

Шкала оценки влияния метеорологических факторов. По степени влияния интенсивности метеорологических факторов на скорость движения автомобилей по эталонной дороге можно выделить три характерных интервала: малоопасный (К_рс= 1,0-0,75), опасный (К_рс= 0,75-0,5) и очень опасный (К_рс< 0,5). Им соответствуют нормальные, трудные и очень трудные условия движения. Значения интенсивности различных метеорологических факторов, соответствующих этим интервалам, приведены в табл. 8.12.

Таблица 8.12

Наибольшие трудности для состояния дорог и условий движения представляют гололёд, метель, осадки в виде дождя и снега, туман и ветер. В такой последовательности они могут быть расположены по степени их воздействия на условия движения. Гололед всегда относится к особо опасным явлениям, поскольку коэффициент сцепления при этом всегда меньше 0,2. Гладкие покрытия, для которых коэффициент сцепления в сухом состоянии составляет 0,5-0,6, уже при образовании связанной плёнки воды имеют коэффициент сцепления менее 0,4, т.е. для таких покрытий влагосодержание воздуха 90-100 % является опасным, а дождь интенсивностью 0,2 мм/мин, при котором образуется пленка воды толщиной 2 мм и коэффициент сцепления снижается до 0,2, является очень опасным. Для шероховатого покрытия образование связной плёнки является малоопасным. Опасным является дождь интенсивностью 0,3 мм/мин, при котором образуется слой воды толщиной 4 мм и коэффициент сцепления снижается до 0,3. Учитывая износ шероховатости и процесс эксплуатации, возможность образования толщины плёнки более 4 мм из-за неровностей покрытия, целесообразно все дожди с интенсивностью более 0,2 мм/мин считать очень опасными.

Отложения снега на поверхности дороги особенно опасны при температуре воздуха выше -10°, -20° и при интенсивности движения более 100 авт./ч. В этих условиях происходит быстрое образование снежного наката и гололеда. При температуре воздуха ниже -20° снег уплотняется медленнее и легче удаляется с поверхности. Поэтому выпадение снега любой интенсивности при температуре воздуха ниже -20° следует считать опасным для движения, а при температуре выше -20° очень опасным.

Анализируя вероятность появления опасных и особо опасных метеорологических факторов, необходимо отметить, что наиболее неблагоприятным является зимний период, когда трудные или очень трудные условия могут сложиться под влиянием 7 метеорологических факторов (метель, гололед, снегопад, туман, ветер, низкая температура воздуха и высокая относительная влажность воздуха) и их сочетаний. Весной и осенью такие условия могут быть под влиянием 6 метеоэлементов (гололёд, дождь, туман, ветер, отрицательная температура воздуха и высокая влажность). Летом только 4 метеоэлемента и их сочетания могут создать трудные и очень трудные условия движения (дождь, туман, ветер, высокая температура воздуха).

Методика оценки совместного влияния факторов климата на обеспеченность расчётной скорости. Изложенная методика оценки воздействия метеорологических явлений на дорогу, водителя и автомобиль и их взаимодействия даёт возможность привести влияние различных факторов к единому показателю - коэффициенту обеспеченности расчётной скорости движения. Тем самым имеется возможность оценить влияние каждого метеорологического фактора в отдельности. Однако в природе все взаимосвязано и действие одних метеорологических явлений может усиливаться или уменьшаться в сочетании с другими. Для учёта этого вычисляют обобщенный показатель влияния климата - среднегодовое значение коэффициента обеспеченности расчётной скорости движения, который позволяет учитывать изменение скоростей в периоды действия каждого фактора в отдельности и совместного действия двух и более метеорологических факторов. Для этого на основании обработки данных климатических справочников должны быть получены вероятности появления метеорологических явленийразличной интенсивности для каждого пункта наблюдения и определены вероятности опасных и особо опасных метеорологических явлений.

Данные выписывают по следующим факторам:

X₁- фактор температуры воздуха;

X₂- фактор относительной влажности воздуха;

X₃- фактор дождя;

X₄- фактор ветра;

X₅- фактор тумана;

X₆- фактор снега;

X₇- фактор гололеда;

X₈- фактор метели.

Совокупность возможных температур воздуха, кроме того, разбивают на X⁺¹иX^-1- множество значений положительных и отрицательных температур.

Для вычисления итогового коэффициента необходимо предварительно вычислить вероятности сочетаний двух и более метеорологических факторов, при условии, что их интенсивности разделены на интервалы с точки зрения степени воздействия на дорожное движение.

Множества значений каждого метеорологического фактора разбивают на 4 интервала по степени влияния их интенсивности на режим движения:

- подмножество значений фактора, не оказывающих неблагоприятного воздействия на движение,К_рс= 1,0;

- подмножество значений фактора, вызывающих снижение расчетных скоростей в диапазонеК_рс= 0,75-1,0;

- то же, в диапазонеК_рс= 0,5-0,75;

- то же, в диапазонеК_рс< 0,5.

Граничные значения интенсивностей каждого метеорологического явления определяют по табл. 6.9.

Например, для скорости ветра

Для дождя и т.д.

Определяют вероятность совместного действия двух и трёх факторов. При этом учитывается, что между подмножествами множества факторовхимеется три типа соотношений:

а) несовместимость двух факторов при данной интенсивности (например, снегопад не может наблюдаться при высокой температуре воздуха):

(8.26)

б) независимость появления и влияния факторов (например, дождь-ветер);

(8.27)

в) зависимость появления одного фактора от другого (например, гололёд может возникнуть только при отрицательной температуре, метель может возникнуть только при скорости ветра более 3 м/сек и т.д.).

(8.28)

Вероятность совместного действия более чем трёх отрицательных факторов ничтожно мала и поэтому не определяется. Математическая модель определения совместного влияния различных метеорологических факторов на обеспеченность расчётной скорости получена путем разложения функции Fв ряд Тейлора, ограничиваясь членами не выше третьего порядка:

(8.29)

Коэффициенты _ijи_ijeявляются параметрами парного и тройного взаимодействия.

Таким образом, вычисляются коэффициенты обеспеченности расчётной скорости движения для всех сочетаний метеорологических факторов. Это дает возможность перейти к определению обобщенного показателя влияния климата на условия движения - вычислению среднегодового, а также среднесезонного значения коэффициента обеспеченности расчётной скорости для каждого региона. Необходимое для этого распределение вероятностей метеорологических явлений и их сочетаний Р(х) =Р(х₁...х₈) вычисляют на основе фактических значенийдля данного региона с учётом возможных соотношений метеорологических явлений и гипотезы о равномерном распределении. Чтобы получить величину, необходимо учесть кроме длительности действия и последствия каждого метеорологического явления также длительность совместного действия двух и более метеорологических явлений, которая может быть принята по наименьшей длительности одного из взаимодействующих явлений. Окончательно формула для определения среднегодового коэффициента обеспеченности расчётных скоростей движения такова:

где                                                                                                (8.30)

К_pc(х) - коэффициент обеспеченности расчетной скорости по факторух;

А_T- линейный оператор времени действия и последствия метеорологических факторов;

Р(х) - вероятность действия факторах.

Расчёты выполняют на ЭВМ по специально разработанной программе. На основе среднегодового и среднесезонного коэффициента обеспеченности расчётной скорости имеется возможность оценивать и прогнозировать скорость движения на дороге в течение всего года и по его периодам с учётом климата данного района, параметров дороги и уровня ее содержания.