Влияние погодно-климатических факторов на принятие решений при проектировании автомобильных дорог

Необходимость применения управляющих воздействий  в виде работ по борьбе с зимней скользкостью обусловлена функционированием  объекта управления во внешней среде  под воздействием возмущающих факторов z(t) - погодных условий, влияющих на состояние дорожного покрытия и формирование на нем различных видов зимней скользкости. 

В зависимости  от обстановки, сложившейся на объекте  управления и в окружающей его  среде в определенный момент времени, возникает определенная ситуация, характеризующаяся  совокупностью параметров, измеряемых и анализируемых в процессе управления и требующая принятия и реализации управляющего решения u(t). Под ситуацией следует понимать состояние дорожного покрытия, а наличие на нем зимней скользкости вызывает необходимость проведения комплекса работ по ее ликвидации или профилактике.

Одной из основных функций управления при зимнем содержании дорог является контроль. Его задача состоит в выявлении отклонений параметров y(t), контролируемых в процессе управления, от планируемых (заданных в программе управления). Различают пассивный контроль, который производится дискретно по окончании какой-либо работы, и активный контроль, проводимый постоянно в процессе функционирования объекта управления. При активном контроле осуществляется регулирование управляющих воздействий после анализа отклонений для компенсации действия на объект возмущающих факторов.

Рассмотрев основные блоки схемы управления, следует  отметить, что их содержательное наполнение при решении любой задачи управления будет зависеть от того уровня управления, на котором она решается.

Анализ обобщенной схемы управления позволяет сделать  вывод о том, что специализированное метеорологическое обеспечение  необходимо для измерения параметров внешней среды, прогнозирования  по результатам измерения состояния  объекта управления и выбора управляющего воздействия, адекватного сложившимся  или ожидаемым погодным условиям.

Оперативное управление зимним содержанием дорог может  быть также рассмотрено с позиций  обеспечения информацией, и в  этом случае целесообразно рассматривать  другие подсистемы [37, 38]: информационно-измерительную, информационно-справочную, управляющую, телекоммуникационную (систему связи), а также исполнительную подсистему, которая содержит информацию об имеющихся  ресурсах. В этом случае обобщенная схема управления может быть представлена в несколько другом виде, приведенном  на рис. 2 и отражающем взаимодействие указанных подсистем.

Для получения  информации о внешних погодных воздействиях и фактическом состоянии объекта  управления (состоянии дорожного  покрытия) необходима информационно-измерительная  подсистема. Измерение параметров внешней  среды не только описывает фактическую  ситуацию, сложившуюся на объекте  управления, но и позволяет при  определенных условиях прогнозировать ее изменение.

Рис. 2. Основные подсистемы в системе управления зимним содержанием автомобильных дорог (информационный аспект)

В информационно-справочной подсистеме формируется программа  управления. Управляющая подсистема должна обеспечивать выбор управляющих  воздействий на основе анализа всей имеющейся информации.

Эффективное оперативное  управление невозможно без надежной связи для передачи информации между  подсистемами и фиксации результатов  управления на основе обратной связи, т.е. обеспечения необходимого контроля.

Ниже приведен обзор работ по каждой из составляющие процесса управления (см. рис. 1) и по каждой из информационных подсистем (см. рис. 2).

Стандарты на зимнее содержание автомобильных дорог  как основа программы управления

Для обеспечения  высоких потребительских свойств  и повышения безопасности движения в сложных погодных условиях практически  во всех странах введены в действие стандарты на зимнее содержание дорог, нормирующие комплекс параметров, которые  обеспечивают определенный уровень  содержания дорог. Эти стандарты  являются основой как стратегического  управления (расчет необходимых ресурсов), так и оперативного управления зимним удержанием дорог.

Наиболее детальными являются стандарты Финляндии, где  управление зимним содержанием автомобильных  дорог признано эталонным не только для Европейских стран. Стандарты, разработанные Государственной  Дорожной Администрацией (FinnRA), определяют уровень сервиса, предоставляемого пользователям дорог [39, 40, 41]. Классификация дорог по уровням содержания определяется двумя признаками - интенсивностью движения и подразделением сети автомобильных дорог на федеральные дороги и территориальные - основные и второстепенные. Все дороги разделены на пять классов. Дороги первого класса содержатся в зимний период с чистым покрытием, на дорогах класса Ib допускается наличие тонкого слоя снега при низких температурах воздуха, когда использование солей экономически и экологически нецелесообразно, дороги II-III классов могут содержаться в течение зимнего периода под снежным накатом. В отдельные два класса выделены пешеходные и велосипедные дорожки, содержанию которых в зимний период уделяется особое внимание для обеспечения безопасности движения. Для дорог каждого класса нормируются следующие показатели:

• время цикла (время, выделяемое на снегоочистку, ликвидацию зимней скользкости, выравнивание покрытий, содержащихся под снежным накатом);

• максимальная толщина слоя снега во время снегопадов;

• материалы, используемые при зимнем содержании дорог (чистые соли, фрикционные материалы);

• время суток  и день недели, когда данные стандарты применимы;

• температура  воздуха, при которой применимы  требования стандарта.

Стандарты на зимнее содержание дорог, аналогичные финским, действуют практически во всех Европейских  странах: Швеции [42], Дании [43], Франции [44], Латвии [45], Эстонии [46]. Даже Испания, где  зимнее содержание проводится на 40% дорог, находящихся в горной местности, имеет свои стандарты на зимнее обслуживание. Все дороги разделены на три класса по уровню обслуживания в зависимости  от интенсивности движения (NS1, NS2, NS3). Для каждого класса установлено количество возможных случаев закрытий дорог из-за снегопадов или гололеда (от 1 до 8), время на ликвидацию гололеда (от 2 до 4 ч) и время на расчистку дорог от снега (от 3 до 6 ч после его окончания) [47].

В середине 80-х  годов прошлого века в США были приняты средние значения нормативов, на основе которых отдельные штаты  и местные власти устанавливали  собственные требования к уровню зимнего содержания дорог. В настоящее  время в США в качестве элемента управления зимним содержанием дорог  рассматриваются уровни обслуживания (LOS) [48, 49].

Требования к  уровню зимнего содержания дорог  обосновываются технико-экономическими расчетами. Такие исследований в  России проводились в 80-е годы прошлого столетия профессором А.П. Васильевым [50], В.П. Расниковым [51]; для Казахстана такие исследования были проведены  В.Т. Федюшиным [52]. Результаты этих исследований были включены в нормативный документ ВСН 24-88 в виде основных показателей  уровня зимнего содержания автомобильных дорог [7]:

• ширины чистой от снега и льда поверхности дороги, м;

• толщины слоя рыхлого снега на дорожном покрытии до начала снегоочистки и в перерывах  между проходами снегоочистительных машин, мм; 

• допустимой толщины  снежного наката на проезжей части и обочинах, мм;

• сроков окончания  снегоочистки и ликвидации зимней скользкости, ч.

Указанное направление  исследований не потеряло своей актуальности и до настоящего времени. Необходимо дифференцированно назначать показатели основных параметров, определяющие уровень  зимнего содержания дорог, в зависимости  от их важности и погодно-климатических  особенностей отдельных регионов России [15].

Для содержания дорог в России разработан государственный  стандарт, регламентирующий требования к транспортно-эксплуатационному  состоянию дорог с цементобетонным  покрытием и покрытием из битумоминеральных  смесей [4]. Соблюдение требований, указанных  в ГОСТ Р 50597-93, призвано обеспечить определенный уровень безопасности движения. В него вошли все указанные  выше показатели, характеризующие уровень  содержания дороги с определением предельно  допустимых значений параметров.

Дальнейшее ужесточение  и детализация этих параметров нашли  свое отражение во «Временном руководстве  по оценке уровня содержания автомобильных  дорог», которое подразделяло уровни содержания на допустимый, средний  и высокий в зависимости от значения автомобильной дороги [3]. Допустимый уровень соответствует требованиям  стандарта, для среднего и высокого уровней все значения параметров уменьшаются, что требует дополнительных ресурсов на их поддержание.

Как показывает сравнительный анализ, требования к  уровню зимнего содержания автомобильных  дорог в России не уступают по жесткости  требованиям нормативных документов Европейских стран II даже превосходят их, так как не предусматривают дифференцирования требований по времени суток, дням недели, погодным условиям. Несмотря на высокие требования к уровню содержания дорог, остальные составляющие системы управления зимним содержанием дорог в России (специализированное метеорологическое обеспечение, техника, технологии, связь, подготовка кадров) остаются на достаточно низком уровне. Действующие нормативные документы недостаточное внимание уделяют технологиям профилактики и ориентируют дорожные организации на ликвидацию последствий погодных воздействий, что требует значительных ресурсов (финансовых, технических, материальных) [53]. Это объясняется тем, что переход на современные технологии зимнего содержания на основе чистых хлоридов в России только начинается, технологии работ недостаточно отработаны на практике, а научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этом направлении не проводилось.

Однако действующие  в России стандарты четко определяют программу управления и тем самым  создают необходимые предпосылки  для развития и совершенствования  систем погодного мониторинга на автомобильных дорогах.

Состояние объекта  управления - классификация видов  зимней скользкости искусственных  покрытий 

Оперативное управление работами по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах связано  с измерением, анализом и оценкой  параметров внешней среды, необходимых  для принятия управляющих воздействий. Для анализа состояния и поиска путей совершенствования и развития систем погодного мониторинга на дорогах необходимо выбрать и  обосновать ситуации, требующие управления, т.е. принять определенную классификацию  состоянии дорожного покрытия в  зимний период. Описание различных  классификаций видов зимней скользкости приведено в разделе 2.3.

Исполнительная  подсистема в системе оперативного управления работами по зимнему содержанию дорог

Реализация управляющих  воздействий осуществляется путем  выбора определенной технологии проведения работ по зимнему содержанию в  зависимости от погодных условий. Обзор  различных методов и технологий, применяемых в практике зимнего  содержания автомобильных дорог, как  в России, так и за рубежом, приведен автором обзорной информации в работе [54]. Их анализ с позиций требований к составу погодной информации и  специализированным дорожным прогнозам приведен в разделе 2.3.

Информационно-измерительная  подсистема

Основное назначение информационно-измерительной подсистемы - измерение параметров внешних воздействий, передачи данных в центр обработки, отображение и прогнозирование  состояния объекта управления. Для  оперативного управления зимним содержанием  дорог можно выделить два вида потоков информации - внешние и  внутренние [55]. Одним из основных потоков  внешней информации являются данные о погодных условиях. К внутренним потокам можно отнести команды  о начале или прекращении работ  по борьбе с зимней скользкостью, об изменении режима работы в зависимости  от изменившихся погодных условий. К  внутренней может быть отнесена вся  информация, описывающая дорогу как  объект управления и ресурсы, используемые при зимнем содержании дорог.

Управление автомобильными дорогами базируется на объективной  информации о состоянии сети дорог. Она отражается в базах и банках данных, которые формируются в  различных информационных технологиях. Сбор информации и формирование банков данных производятся в ходе работ  по диагностике либо путем переноса ее в базы данных из паспортов дорог [56]. В настоящее время в дорожном хозяйстве существуют два стандарта  на базы данных по состоянию сети дорог: АБДЦ Дорога (ГП «Росдорнии») для федеральных  дорог и стандарт Ассоциации «РАДОР» - для территориальных. Основное назначение АБДД Дорога - планирование ремонтных  работ и выделение средств  на ремонт и содержание на основе анализа  основных транспортно-эксплуатационных показателей, т.е. решение задач стратегического  управления дорогами.

Современный уровень  развития дорожного хозяйства в  России создает предпосылки для  разработки единой информационной системы  автомобильных дорог, но эта задача все еще решается без единого  подхода, несмотря на то, что концептуальные основы уже выработаны [57, 58].