ÁP DỤNG TIÊU CHÍ NĂNG LƯỢNG KHI ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN XE CHẠY

ÁP DỤNG TIÊU CHÍ NĂNG LƯỢNG KHI ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN XE CHẠY

Trong quá trình phát triển các phương pháp nghiên cứu điều kiện xe chạy người ta

đã sử dụng tiêu chí năng lượng gồm: Tạp âm gia tốc σ, gradient tốc độ Gv, tạp âm năng

lượng, gradient năng lượng G e.

Kết quả nghiên cứu chỉ tiêu chất lượng xe chạy có thể tiếp nhận thông số của dòng giao thông, được gọi là tạp âm gia tốc Lý do: có 2 nguyên nhân Thứ nhất, chỉ tiêu này quan hệ với 3 bộ phận cơ bản của dòng giao thông như: lái xe, đường và điều kiện xe chạy Thứ hai, thông số này bản chất là chỉ số của chuyển động đều

Trên đường với lưu lượng xe ít, không bị giới hạn tự do di chuyển, lái xe thường cố gắng chuyển động đều với tốc độ thuận lợi cho mình Khi tăng lưu lượng xe chạy đến mức mà tốc độ chạy xe mong muốn bị hạn chế lại, người lái xe phải di chuyển sang hàng khác và tăng tốc độ để vượt các xe ô tô đang chuyển động với tốc độ thấp hơn, dẫn đến tần suất lớn hơn về độ lệch tốc độ so với chuyển động đều Như vậy, có thể thấy rằng sự thay đổi gia tốc theo thời gian mang tính chất ngẫu nhiên, về bản chất thì gia tốc phân phối theo quy luật chuẩn.Sự đều đặn của chuyển động có thể miêu tả bằng đại lượng đặc trưng là độ lệch của các giá trị ngẫu nhiên riêng phần của gia tốc so với giá trị của gia tốc trung bình – độ lệch quân phương trung bình của gia tốc

Tạp âm gia tốc - độ lệch quân phương trung bình của gia tốc, có thể được xem

như là độ lệch tốc độ của xe ô tô so với khi chuyển động đều hay được coi là chỉ số của sự đều đặn của chuyển động Thuật ngữ tạp âm được sử dụng để chỉ ra rằng, sự vi phạm tính đều đặn khi chuyển động so với tạp âm của tín hiệu, gây ra bởi các nhiễu

trên kênh tivi

Tổng năng lượng của dòng các phương tiện giao thông được hình thành từ động năng chuyển động của các xe ô tô và nội năng (tạp âm gia tốc) Phụ thuộc vào trạng thái của dòng giao thông tương quan giữa năng lượng có ích (động năng) và năng lượng không có ích (tạp âm gia tốc) sẽ thay đổi Để tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống giao thông cần phải tăng năng lượng toàn phần của dòng giao thông, đồng thời cố gắng giảm tạp âm gia tốc (hình 1)

Hình 1 Các đặc trưng năng lượng của dòng giao thông và quan hệ của chúng

với các đại lượng: Z – hệ số làm việc; E/T: tỷ số giữa động năng và năng lượng toàn phần; J/T: tỷ số giữa nội năng và năng lượng toàn phần

Nếu gọi v(t) và a(t) là tốc độ và gia tốc của ô tô ở thời điểm t, thì gia tốc trung bình của ô tô trong thời gian T là:

) 0 ( ) ( [

1 )

( 1

0

v T v T dt t a T a

])(

1

n s

Trong đó:

: Giá trị trung bình của đại lượn ngẫu nhiên x

Từ phương trình (1) và (2) ta xác định được tạp âm gia tốc σ được xác định theo công thức:

x

Trong đó: v0 và vT là tốc độ khi bắt đầu và kết thúc của đọan đường nghiên cứu (chiều dài đọan này > 0,5km) Nếu như giá trị của ∆V=const thì:

Trong đó: ∆v là độ lớn chuẩn của biến thiên tốc độ; n - số lần biến thiên tốc độ trong thời gian ∆t.

Theo các kết quả thực nghiệm nghiên cứu đã thếit lập được tập hợp các giá trị tạp

âm gia tốc đối với các trạng thái khác nhau khi xe chạy:

σ < 0,2m/s2 – điều kiện chạy xe thuận lợi;

σ = 0,2m/s2 – 0,45m/s2 điều kiện xe chạy ở mức trung bình;

σ > 0,45m/s2 – điều kiện xe chạy phức tạp

Tạp âm gia tốc có mối liên hệ chặt chẽ với lưu lượng xe chạy

Ví dụ: ∆v = 0,5m/s và các số liệu về thay đổi tốc độ thể hiện ở bảng 1.

Hình 2 Đồ thị biến đổi tốc độ xe chạy trên đọan đường

nghiên cứu

Số khoảng Thời gian kết thúc của

khoảng, s

Vận tốc cuối của khoảng, m/s

Số lần thay đổi tốc độ ∆t, s n2/∆ti

14 14 13 14,5 15,5 15,5 14,5 14 13,5 13,5 13 11

0 2 3 2 0 2 1 1 0 1 4

3 3 2 2 3 2 3 4 3 2 3

0,00 1,33 4,50 2,00 0,00 2,00 0,33 0,25 0,00 0,50 5,33

2530

5,0





Khi đánh giá các điều kiện xe chạy trên các đường phố chính trừ chuyển động không đều, cần phải xét đến thời gian bị dừng lại trên các nút giao thông có điều khiển, nơi dòng xe bị ùn lại…

Khi thời gian bị dừng lại là đáng kể thì tạp âm gia tốc sẽ không thể hiện tương ứng với mức độ xấu đi của điều kiện xe chạy, dẫn đến khả năng sử dụng nó khi đánh giá độ lớn của thời gian bị dừng lại là hạn chế Hạn chế này làm cho việc sử dụng tạp âm gia tốc như là tiêu chí đánh giá hiệu quả của các phương pháp tổ chức giao thông trên các đường phố chính là không thích hợp

Trong một vài trường hợp khi xe bị chậm lại trên các giao cắt có điều khiển có thể ghi nhận giá trị tạp âm gia tốc bé hơn so với khi xe chạy liên tục

Ở giá trị thấp của tạp âm gia tốc, ví dụ, khi có ùn tắc giao thông, gây ra mức độ thấp tổ chức giao thông và dòng giao thông có mật độ cao Cho nên sử dụng tạp âm gia tốc như là tiêu chí đánh giá chất lượng tổ chức giao thông đối với đường phố có tốc độ

xe chạy cao chỉ có hiệu quả khi xe chạy không bị gián đoạn

Như vậy, có 2 tiêu chí: tạp âm gia tốc và tốc độ hành trình (tốc độ trung bình trên hành trình cho trước, có xét đến thời gian xe bị trễ trên các nút giao thông và do ảnh hưởng lẫn nhau của các xe ở trong dòng xe Tạp âm gia tốc thể hiện rõ tính không đều của chế độ tốc độ xe chạy, nhưng không thể hiện đầy đủ khi dòng xe bị trễ; tốc độ hành trình đánh giá được sự chậm dòng, nhưng không miêu tả được dao động của chế tộ tốc độ Để nhận được tiêu chí tòan diện và khách quan, có thể đánh giá chuyển động của dòng xe khi ùn tắc giao thông, đã đề xuất tỷ số tạp âm gia tốc và tốc độ hành

trình trên đọan nghiên cứu, được gọi là gradient tốc độ.

Gv= σ/vc

trong đó vc – tốc độ hành trình, m/s

Gradient tốc độ quan hệ tuyến tính với tốc độ hành trình, thời gian của chuyến đi, thời gian xe bị chậm dòng Gradient tốc độ là các chỉ tiêu thông tin về tình trạng ùn tắc giao thông nhiều hơn so với tạp âm gia tốc

Gv < 0,05 (1/s) - điều kiện chạy xe thuận lợi;

Gv = 0,05-0,10 (1/s) - điều kiện chạy xe trung bình;

Gv > 0,10 (1/s) - điều kiện chạy xe phức tạp;

Khi phân tích chế độ tốc độ xe chạy đã chứng minh rằng, cùng với việc tăng tốc độ

xe chạy và tiếp tục chạy xe ở chế độ này làm giảm các giá trị tức thời và giá trị trung bình của gia tốc Từ công thức xác định giá trị tạp âm gia tốc (6) cho thấy rõ khi xe chạy với tốc độ cao thì giá trị σ giảm Kết quả, khi xe chạy tốc độ cao không xét tới một trong các mâu thuẫn cơ bản của chuyển động “tốc độ - mối nguy hiểm” Tuy nhiên các tình tiết này thường không được xem xét khi xác định chế độ tốc độ tối ưu theo độ lớn của tạp

âm gai tốc

Bởi vậy, hướng tiếp theo là phát triển tiêu chí trên cơ sở đánh giá độ lệch quân phương trung bình của các giá trị aivi so với giá trị trung bình av Các tiêu chí này được gọi là tạp âm năng lượng

2

1 2

1

] ) (

1

n i



(7)

Trong đó: m – Khối lượng của ô tô.

E =mv2/2

Trong đó: ai, vi là các giá trị tức thời của gia tốc và tốc độ, m/s2 và m/s; av – giá trị trung bình của tích tốc độ và gia tốc trên đọan nghiên cứu, m/s3; n – số lần đo tốc độ và gia tốc

Động năng của ô tô được xác định theo công thức:

mva dt

dv mv dt

dE



Trong khoảng thời gian dt giữa 2 lần đo (2-3s) khối lượng của ô tô không thay đổi, có thể cho rằng, sự thay đổi năng lượng được đặc trưng bởi tích số của gia tốc và tốc độ.

Khác với gia tốc độ lớn av tăng nhanh cùng với việc tăng tốc độ khi chuyển động không đều, còn trong trường hợp tiến gần đến chế độ ổn định khi chuyển động, giữ được mức tốc độ cao hơn 40-45 km/h Phân biệt có tính nguyên tắc này cho phép nhận được đánh giá chính xác hơn chế độ chuyển động với tốc độ tương đối cao

Tạp âm năng lượng hiếm khi được sử dụng đánh giá các điều kiện chuyển động, kinh nghiệm sử dụng nó không nhiều Trên cơ sở các số liệu đã có, có thể cho rằng các điều kiện chuyển động là phức tạp (khó khăn) khi tạp âm năng lượng cao hơn 4-5 m2/s3 Gradient năng lượng Ge là tổng hợp các tiêu chí Công thức tính tóan để xác định nó khi biến đổi tạp âm năng lượng:

c e

G   /

Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bởi giáo sư V.V Giưrianôvưi đã chỉ

ra rằng, ảnh hưởng thực sự lớn nhất đến gradient năng lượng là thời gian chậm dòng và tính không đều của chuyển động Mức độ tác động lẫn nhau của các nhân tố này với gradient năng lượng là như nhau Các tính chất như vậy cho phép áp dụng thành công gradient năng lượng để đánh giá hiệu quả các các phương pháp tổ chức giao thông trên mạng lưới giao thông có điều khiển đèn tín hiệu

Nhờ kết quả của các nghiên cứu này đã thiết lập được các quan hệ sau giữa gradient năng lượng và các đặc trưng cơ bản của dòng giao thông:

- Cùng với việc tăng lưu lượng xe chạy gradient năng lượng tăng lên, có nghĩa là tiêu chuẩn phản ánh sự thay đổi về chất của trạng thái dòng giao thông, xảy ra khi thay đổi mức độ ùn tắc giao thông (hình 3a)

- Tăng tốc độ hành trình và giảm thời gian chậm dòng dẫn đến giảm gradient năng lượng (hình 3b)

Hình 3 Sự phụ thuộc của gradient năng lượng:

a- vào hệ số làm việc Z; b- vào khỏang thời gian trung bình chậm dòng ∆t

trên hành trình

- Nâng cao ổn định chế độ tốc độ góp phần giảm gradient năng lượng;

- Sự không đồng nhất thành phần dòng xe dẫn đến tăng gradient năng lượng;

- Các điều kiện giao thông có thể bước đầu nhận định được nhờ các gái trị sau của gradient năng lượng:

+ Ge < 0,3 m/s2 – thuận lợi;

+ Ge = 0,30-0,55 m/s2 – trung bình;

+ Ge > 0,55 – phức tạp;

Khi tiến hành các nghiên cứu với mục đích đánh giá các điều kiện chạy xe theo tiêu chí năng lượng cần phải đo các giá trị tức thời của vận tốc vi và gia tốc ai trong khỏang thời gian nhất định t Khi lựa chọn tính phân tán của phép đo cần thiết phải xét đến: ở các khỏang thời gian bé việc vào sổ các số liệu tốn công xử lý số liệu hơn, còn ở các khỏang thời gian lớn dễ bỏ sót các thông tin về sự thay đổi chế độ chuyển động Trên cơ

sở các nghiên cứu được tiến hành tại MADI các chỉ tiêu Ge được tính toán với ∆t=2s

Việc xuất hiện các nhóm chỉ tiêu về năng lượng đòi hỏi tiến hành phân tích hợp lý đánh giá các điều kiện xe chạy về độ lớn của các chỉ số này, xác định phạm vi hợp lý áp dụng chúng Mỗi một trong các chỉ tiêu có một vài đặc điểm ảnh hưởng đến đánh gia thực tế các điều kiện xe chạy Xác định phạm vi áp dụng hợp lý các chỉ tiêu cần phải dựa vào đánh giá các giá trị cụ thể của đặc trưng chuyển động trên đường ô tô Các giá trị này có thể được xác định từ sự phụ thuộc ổn định và chủ yếu giữa các chỉ tiêu và tổng hợp các nhân tố, thể hiện qu luật của dòng giao thông, các phương pháp tổ chức giao thông, các điều kiện xe chạy Tất cả các yếu ảnh hưởng đến các chỉ tiêu, có thể chia làm 2 nhóm: trực tiếp và gián tiếp Bởi vì các phân tích các chỉ tiêu được hình thành trên

cơ sở đánh giá sự thay đổi chế độ tốc độ, các yếu tố liên quan đến nhóm trực tiếp, phải là các đặc trưng trực tiếp của chế độ tốc độ Các yêu tố này có thể được đo đạc chính xác và được đối chiếu với độ lớn của các chỉ tiêu đối với bất kỳ đọan đường nào thuộc mạng lưới đường phố và trong bất kỳ khoảng thời gian nào Các yếu tố trên gồm: tốc độ, phương sai của tốc độ, thời gian chậm dòng, số lượng các trạm dừng

Nhóm các yếu tố gián tiếp bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của các chỉ tiêu do sự tồn tại của tác động lẫn nhau ở trong hệ thống ”chuyển động đường” Các yếu tố gián tiếp cũng có thể là: lưu lượng, mật độ, thành phần dòng xe hay đường một chiều, hai chiếu, các phương pháp điều khiển đèn tín hiệu Để nhận được các quan hệ đáng tin cậy giữa các chỉ tiêu và các yếu tố gián tiếp cần phải hú ý các yếu tố này không phải là các yêu tố độc lập nhau, mà sự thay đổi một nhân tố có thể dẫn đến thay đổi nhân tố khác Bởi vậy, quan hệ giữa các yếu tố gián tiếp và trực tiếp cần phải đánh giá sự thay đổi đồng thời của các yếu tố và tác động giữa chúng.

Khi thiết lập phạm vi áp dụng hợp lý các tiêu chí, việc xác định các giá trị giới hạn đối với các mức độ thuận lợi xe chạy khác nhau, tình trạng giao thông trong các điều kiện phức tạp khác nhau là bài toán quan trọng nhất Việc chia các tiêu chí thành các nhóm đồng nhất cho phép phát hiện các tình trạng và điều kiện xe chạy, mà một trong số các tiêu chí có thể thể hiện chính xác Chẳng hạn, đối với tốc độ hành trình nhận được các kết quả sau (bảng 1).

Các giá trị của

các tiêu chí 4 5 6 Tốc độ hành trình, m/s7 8 9 1

0 11 12 13 Tạp âm gia tốc,

độ, 1/s Gv>0,11 0,11>Gv>0,087

0,065<Gv<0,08

7 Gv<0,065Gradient năng

lượng, m 2 /s 2 Ge>0,66 0,66>Ge>0,

55 Ge <0,55

Cho nên, các khoảng tốc độ được chia ra, mà mỗi một trong các tiêu chí có thể phân biệt được chính xác Tạp âm gia tốc có thể phân biệt được, không phải là tập hợp tất cả các giá trị tốc độ, mà chỉ là hai khoảng chia (v > 9m/s, v<9 m/s), gradient tốc độ – 4 khoảng tốc độ

Chia các tiêu chí thành các nhóm đồng nhất đối với các khoảng tốc độ khác nhau không là kết quả cuối cùng của phân tích Nhờ chia tập hợp đồng nhất, ở bên trong nó các giá trị của các tiêu chí không có khác biệt đáng kể, nảy sinh khả năng chính xác hoá sự tương ứng giữa các tiêu chí tốc độ hành trình và nâng cao độ chính xác các kết quả nhận được

Bên trong của các nhóm đồng nhất được chia ra, các giá trị khác nhau của tiêu chí đã cho mang thông tin giống nhau Ví dụ, các giá trị gradient tốc độ 0,1 s-1 và 0,09s-1 không có sự phân biệt đáng kể và đặc trưng cho cùng một khoảng từ 4 đến 7 m/s Ngược lại, các giá trị của gradient tốc độ 0,08 s-1 và 0,06 s-1 có sự khác nhau đáng kể và phù hợp với các khoảng tốc độ khác nhau