Определение степени опасности конфликтных ситуаций в дорожном движении

СБОРНИК ТРУДОВ МАДИИ(ГТУ)

"ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ"

Москва 2002

УДК 625.72

Инж. А. М. БАДАЛЯН,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ КОНФЛИКТНЫХ СИТУАЦИЙ В ДОРОЖНОМ ДВИЖЕНИИ

Оценка уровня безопасности движения на автомобильных дорогах и городских улицах традиционными методами имеет существенные недостатки, что неоднократно отмечалось в различных исследованиях [1,2 и др.]. Одним из основных недостатков является то, что оценка проводится на основании анализа уже свершившихся ДТП, которые являются крайне редкими событиями. Кроме того, в силу разных причин собранные данные о ДТП не всегда являются достоверными, а ряд мелких ДТП вообще не фиксируется.

В течение последних десятилетий в ряде стран успешно развивается метод конфликтных ситуаций (КС), предназначенный для оценки уровня безопасности дорожного движения (БДД). Суть метода КС заключается в том, что для оценки уровня БДД вместо ДТП фиксируются и анализируются предаварийные конфликтные ситуации, которые в зависимости от конкретных дорожных условий могут привести, но не обязательно, к ДТП. Многочисленные исследования ученых разных стран показали, что существует достаточно устойчивая корреляционная связь между количеством ДТП и количеством КС. В частности, по мнению П. Гардера [6] и К. Хайдена [7] на базе метода КС можно строить прогнозы, более надежные, чем на базе статистики ДТП. КС возникают гораздо чаще, чем происходят ДТП. Поэтому, применение метода КС освобождает от необходимости в течение длительного периода времени (обычно, нескольких лет) проводить наблюдения на исследуемом участке дороги с целью сбора статистических данных о ДТП, поскольку в этом случае практически всегда можно зафиксировать такое количество КС, которое обеспечивает надежность выводов.

Дорожное движение – это сложный динамический процесс взаимодействия всех элементов системы “водитель – автомобиль – дорога – окружающая среда” (ВАДС). Для каждого участника дорожного движения постоянно меняется дорожно-транспортная обстановка. Некоторые из таких изменений могут привести к столкновению, наезду, опрокидыванию, к другим видам ДТП, если участник дорожного движения (субъект КС) своевременно не предпримет активные действия по предотвращению подобного развития ситуации. Такие ситуации, как отмечалось выше, называются конфликтными (полное формальное определение КС дано в работе [3]). Конфликтная ситуация для субъекта КС наступает внезапно, поэтому возникновение КС не является следствием действий субъекта КС. Оно в большей степени зависит от действий других участников дорожного движения, схемы организации движения, геометрических параметров дороги, зоны видимости и других факторов. В зависимости от конкретной дорожно-транспортной обстановки КС может быть более или менее опасной.

Наиболее часто в качестве критерия степени опасности КС применяются такие показатели, как отрицательное продольное и/или поперечное ускорение и время до столкновения. Реже применяются также другие показатели. Эти показатели в определенной степени коррелируются со степенью опасности КС, однако, они не всегда выражают истинную степень опасности.

Фактическое значение отрицательного ускорения транспортного средства, которое фиксирует наблюдатель, является лишь реакцией подсистемы “автомобиль-водитель” системы ВАДС на возникшую КС, а не объективной степенью опасности. Наблюдатель может фиксировать изменение скорости движения (как правило, торможение) с той или иной точностью, в зависимости от измеряющей аппаратуры. Однако он не всегда может точно определить причину торможения, особенно в тех дорожно-транспортных ситуациях, когда одновременно есть несколько причин для торможения (например, торможение перед поворотом налево на перекрестке и торможение для предотвращения столкновения с лидером; торможение для пропуска помехи справа и торможение для остановки автомобиля у стоп-линии, и т. д.). Причину торможения может всегда знать только сам субъект КС, перед которым возникает КС.

Оценивать степень опасности КС по фактическому значению отрицательного ускорения не корректно, так как степень опасности КС характеризуется не реакцией субъекта КС на изменение дорожно-транспортной ситуации, а технической возможностью предотвратить ДТП.

После наступления КС (например, торможение лидера) при прочих равных условиях, чем больше абсолютное значение фактического отрицательного ускорения, тем больше вероятность предотвращения столкновения. Полное бездействие водителя (ускорение автомобиля - 0 м/с2) в идентичных условиях скорее всего приведет к столкновению. Традиционно, наоборот, считается, что чем больше абсолютное значение фактического отрицательного ускорения, тем ситуация опаснее [2,4]. Таким образом получается, что если в результате ошибочных действий водитель заднего автомобиля тормозил менее интенсивно, чем необходимо для предотвращения столкновения, то такая конфликтная ситуация может фиксироваться как легкая, хотя при этом есть большая вероятность того, что произойдет столкновение. Причиной такого противоречия является неявное предположение, о том, что водитель оценивает обстановку адекватно создавшейся ситуации и предпринимает правильные действия. В таком случае величина абсолютного значения фактического отрицательного ускорения коррелируется со степенью опасности конфликтной ситуации. В действительности же водитель, особенно если он неопытный, не всегда адекватно воспринимает создавшуюся ситуацию и может допустить ошибку.

С точки зрения предотвращения ДТП значение фактического отрицательного ускорения может быть не адекватным к дорожно-транспортной ситуации по разным причинам. Как отмечалось выше, это может быть либо из-за неправильной оценки дорожной обстановки водителем, либо при наличии нескольких причин для торможения, включая предотвращение ДТП. В таком случае наблюдателю со стороны трудно определить доминирующую причину, которая заставила водителя тормозить именно с наблюдаемой интенсивностью. В результате зафиксированное значение отрицательного ускорения может значительно отличаться от величины, необходимой для предотвращения столкновения.

Значение времени до столкновения, так же как значение отрицательного ускорения, в момент возникновения КС не дает ответа на вопрос: произойдет ДТП или нет? Оно показывает лишь временное расстояние возникшей КС до ДТП. При заданном значении времени до столкновения в одних дорожных условиях ДТП можно предотвратить, а в других – нет.

Таким образом, при возникновении КС по значениям отрицательного ускорения и времени до столкновения однозначно нельзя ответить на вопрос, есть ли техническая возможность предотвращения ДТП или нет?

Торможение транспортного средства является наиболее распространенным, однако, не единственным способом предотвращения ДТП. В некоторых ситуациях водитель пытается предотвратить ДТП изменением направления движения, реже - увеличением скорости движения. Так как торможение является наиболее изученным действием в смысле предотвращения ДТП, то при выборе водителем двух других действий возникают новые вопросы относительно определения степени опасности, исчерпывающие ответы на которые по сей день отсутствуют.

Итак, основные критерии степени опасности, применяемые в настоящее время - ускорение автомобиля и время до столкновения, имеют ряд недостатков. По их численному значению не всегда можно судить о степени опасности дорожно-транспортной обстановки, которая складывается в результате возникновения КС.

По нашему мнению, критерий степени опасности (обозначим через sоп) должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Степень опасности как критерий опасности КС должна показать степень технической возможности водителя предотвратить ДТП.

2.  Значение степени опасности sоп = 0 должно соответствовать полностью безопасной ситуации.

3. Меньшим значениям s должны соответствовать менее опасные ситуации, а большим значениям sоп – более опасные ситуации.

4. Должно существовать критическое значение степени опасности, желательно s = 1, которое является граничной между ситуациями, которые однозначно приводят к ДТП и ситуациями, при наступлении которых еще возможно предотвращение ДТП.

5. Степень опасности должна быть безразмерной величиной.

Предлагаемый подход заключается в следующем.

Допустим, после возникновения КС водитель с целью предотвращения ДТП выбрал торможение. Стремление водителя остановить автомобиль ограничено целым рядом факторов, таких, как состояние дорожного покрытия, техническое состояние автомобиля, квалификация водителя и т. д. Эти факторы определяют то максимальное значение замедления, с которым может двигаться автомобиль в данных дорожных условиях. Обычно такое торможение (назовем его экстренным торможением) происходит в условиях частичной блокировки колес автомобиля. Замедление автомобиля за время экстренного торможения изменяет свое значение, поэтому, необходимо определить его среднее значение:

, (1)

где – время торможения.

Существует некоторое минимальное значение по абсолютной величине отрицательного ускорения, которое предотвращает столкновение. Обозначим эту величину и назовем критическим значением ускорения при торможении, предотвращающем ДТП (кратко – критическим торможением). Значение критического торможения носит объективный характер и не зависит от дальнейших действий субъекта КС. Наблюдатель не может определить это значение, так как, во-первых, он не может точно определить момент наступления КС, во-вторых, определяется в результате прогноза дальнейших действий всех участников КС, что без моделирования крайне сложно сделать.

В частности, если автомобиль движется за лидером, то определяется следующим образом. В том случае, если за время торможения режим движения обоих автомобилей не изменяется, то

. (2)

Если за время торможения заднего автомобиля лидер останавливается, то тогда

, (3)

где – дистанция между автомобилями в момент возникновения КС, м;

– соответственно скорость в м/с и ускорение лидера в м/с2;

– скорость следующего за лидером автомобиля, м/с.

В том случае, когда автомобиль предотвращает наезд на неподвижное препятствие, можно использовать выражение (2), подставив м/с и .

Определим отношение критического торможения и среднего максимального торможения:

. (4)

Полученную величину назовем степенью опасности КС при торможении. Она удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям критерия опасности.

Степень опасности торможения можно обобщить и применять в качестве критерия опасности КС также для других маневров, предотвращающих ДТП. В таком случае вместо критического замедления и минимального ускорения в (4) должны применяться другие определяющие степень опасности факторы.

Определим степень опасности КС в случае изменения направления движения автомобиля поворотом рулевого колеса. Очевидно, что вместо ускорения автомобиля определяющим фактором необходимо выбрать угловую скорость поворота рулевого колеса или угловую скорость поворота управляемых колес автомобиля. Допустим, что водитель вращает рулевое колесо с угловой скоростью, а рулевой механизм пропорционально передает вращение к управляемым колесам с передаточным числом . Впоследствии управляемые колеса поворачиваются с угловой скоростью. Обозначим через и назовем критическим значением угловой скорости поворота управляемых колес автомобиля, предотвращающим ДТП (кратко – критическим поворотом колес), то минимальное значение по абсолютной величине угловой скорости поворота управляемых колес, при котором предотвращается ДТП (рис. 1).

Водитель может вращать рулевое колесо не с любой угловой скоростью. Стремление водителя изменить направление движения ограничивают такие факторы, как конструкция автомобиля и, в частности, рулевого управления, наличие гидроусилителя руля, физические данные водителя и т. д. Этими факторами определяется среднее максимальное значение угловой скорости (по абсолютной величине) поворота управляемых колес автомобиля :

, (5)

где – время движения автомобиля до зоны конфликта.

 

 

 

Рис. 1. Схема к пояснению понятия критического значения угловой скорости поворота управляемых колес автомобиля.

Теперь можно определить степень опасности КС в случае изменения направления движения:

. (6)

Пусть в случае поворота налево угловая скорость принимает положительные значения, а в случае поворота направо – отрицательные. Тогда если критический поворот по направлению совпадает с , то независимо от направления поворота мы получим положительное значение степени опасности, а в противном случае – отрицательное. Это дает возможность определить степень опасности КС независимо от направления поворота. Отрицательные значения показывают, что дорожно-транспортная ситуация настолько безопасна, что у водителя есть возможность до некоторого определенного значения угловой скорости вращать рулевое колесо даже в обратную сторону, без риска возникновения ДТП. Если же >1, то ДТП неминуемо произойдет, так как в таком случае для предотвращения ДТП водителю необходимо вращать рулевое колесо быстрее, чем он сможет в данных условиях.

Таким же образом определяется степень опасности КС в случае ускорения автомобиля, когда водитель стремится проехать зону конфликта раньше, чем там окажется конфликтующий участник дорожного движения (формальное определение зоны конфликта приведено в работе [5]).

В качестве примера рассмотрим КС на перекрестке между двумя автомобилями A и B, которые двигаются по конфликтующим направлениям (рис. 2).

Обозначим через и назовем критическим значением ускорения автомобиля A, предотвращающим ДТП (кратко – критическое ускорение), то минимальное значение ускорения, при котором автомобиль A проедет зону конфликта раньше, чем конфликтующий автомобиль B доедет до зоны конфликта. определяется следующим образом:

, (7)

где – длина пути, которую должен проехать автомобиль А для переезда зоны конфликта, м;

– скорость движения автомобиля А в момент наступления КС, м/с;

– время до столкновения (время проезда до зоны конфликта) для автомобиля B, если он не изменит прежний режим движения.

Степень опасности данной КС в случае ускорения определяется следующим образом:

, (8)

где – среднее значение ускорения автомобиля при полностью открытой дроссельной заслонке (выдвижения рейки) с момента наступления КС до выезда автомобиля из зоны конфликта.

 

A A’

 

B’

 

B

Рис. 2. Схема к пояснению понятия критического ускорения автомобиля.

Поскольку ускорение автомобиля при разгоне не является постоянным, а вследствие специфики тягово-динамических характеристик автомобиля меняется во времени, то необходимо определить как среднее значение функции на отрезке времени [; ] (рис.3):

(9)

Таким образом, хотя степень опасности для всех рассматриваемых предотвращающих ДТП маневров определяется различными определяющими факторами, во всех случаях она удовлетворяет следующим условиям для критерия опасности КС:

1.  Степень опасности впрямую показывает степень технической возможности водителем предотвратить ДТП. Чем больше значение , тем водитель должен интенсивнее тормозить в случае торможения, тем быстрее должен вращать рулевое колесо в случае поворота и тем больше он должен открывать дроссельную заслонку (выдвигать рейку) в случае разгона для предотвращения ДТП, соответственно, тем меньше шансов предотвратить ДТП.

2.  При ДТП исключается (если, конечно, водитель сам умышленно не стремится попасть в ДТП), так как тогда для предотвращения ДТП вообще нет необходимости тормозить, нет необходимости вращать рулевое колесо и нет необходимости ускоряться. только при значениях , , . Заметим, что степень опасности может в некоторых случаях принимать отрицательные значения. Это говорит о том, что для предотвращения столкновения

- не только нет необходимости тормозить, но и есть некоторый запас увеличения скорости движения без риска столкновения;

- не только нет необходимости поворачивать автомобиль в нужном направлении, но и есть некоторый запас поворачивать автомобиль в обратном направлении без риска столкновения;

- не только нет необходимости увеличить скорость движения автомобиля, но и есть некоторый запас для торможения.

3.  При увеличении значения от 0 до 1 ситуация постепенно переходит от полностью безопасной до однозначно приводящей к ДТП. Чем больше значение , тем меньше интервал значений отрицательного ускорения, угловой скорости, ускорения при разгоне, которые предотвращают ДТП, тем меньше вероятность попадания в этот интервал значения фактического отрицательного ускорения при торможении, фактического значения угловой скорости поворота управляемых колес при повороте и фактического ускорения при разгоне, поэтому тем опаснее ситуация.

4.  При = 1 , , . Если > 1, то , , . Это значит, что в создавшихся дорожно-транспортных ситуациях у водителя нет технической возможности придавать автомобилю необходимое для предотвращения ДТП ускорение, или изменить направление движения для предотвращения ДТП.

5.  Степень опасности является безразмерной величиной.

Мы определили степень опасности КС для каждого предотвращающего ДТП маневра в отдельности. Обычно в реальных дорожных условиях при возникновении КС водитель имеет множество альтернативных вариантов дальнейших действий, которые возможно предотвратят ДТП. Так, в случае возникновения рассмотренной выше КС на перекрестке (рис.2), у водителя автомобиля A есть одновременно следующие альтернативы действий:

-  торможение, с целью пропуска помехи справа, либо остановки автомобиля до зоны конфликта;

-  ускорение, с целью проехать зону конфликта раньше, чем помеха справа - автомобиль B доедет до зоны конфликта;

-  изменение направления движения с целью избежать столкновения либо спереди помехи справа (поворот налево), либо сзади (поворот направо);

-  сочетание изменения направления движения с ускорением или торможением.

Формулы (4), (6) и (8) позволяют определить степень опасности КС в случае выбора водителем первых трех из перечисленных действий в отдельности. Определим степень опасности КС в более общем случае: сочетания одновременно двух действий водителя – изменения направления движения и ускорения. В дальнейшем, если особо не будет оговорено, под термином ускорение будем понимать как торможение, так и разгон автомобиля.

Рассмотрим координатную плоскость a (рис. 4) с координатными осями a (ускорение) и w (угловая скорость поворота управляемых колес автомобиля).

Обозначим через E(a, w) множество всех точек на плоскости a, для которых в данных дорожных условиях движение автомобиля возможно.

Назовем множество точек точками критического ускорения (либо торможения, либо разгона), если

а) является критическим торможением, или критическим разгоном для фиксированного значения. Т. е. при ускорении автомобиля ДТП предотвращается, а при ускорении ДТП не предотвращается. Здесь da – сколь угодно малое положительное приращение ускорения ; в выражениях и верхние знаки имеют место в случае торможения, а нижние – в случае разгона;

б) для фиксированного значения не является критическим поворотом колес.

Назовем множество точек точками критического поворота колес, если

а) для фиксированного значения является критическим поворотом колес. Т. е. при повороте управляемых колес автомобиля с угловой скоростью и ДТП предотвращается, а при повороте ДТП не предотвращается. Здесь – сколь угодно малое положительное приращение угловой скорости ; в выражениях и верхние знаки имеют место в случае левого поворота, а нижние – в случае правого поворота;

б) для фиксированного значения не является ни критическим торможением, ни критическим разгоном автомобиля.

 

t, c

tКС tзк

Рис. 3. Схема к пояснению понятия максимального среднего значения ускорения автомобиля.

 

s

s(w, а)

 

w a

 

a

 

E (a,w)

 

Рис. 4. Схема к пояснению понятия степени опасности конфликтной ситуации.

Назовем множество точек точками критического ускорения и критического поворота колес, если при фиксированном , (или ) и, одновременно, при фиксированном .

Пусть . Определим функцию следующим образом:

, (10)

Функция определяется на множестве.

Степень опасности наступившей КС определяется минимальным значением функции на всей области определения :

(11)

Выражение (11) дает возможность определить степень опасности КС как в случае выбора водителем любого из выше перечисленных предотвращающих ДТП действий в отдельности, так и в случае сочетания этих действий, как, например, одновременное частичное торможение и частичное изменение направления движения.

– это минимальное значение функции и обеспечивается лишь в том случае, если водитель правильно принимает часто единственное правильное решение о дальнейших действиях. Если водитель допустил ошибку и неправильно выбрал предотвращающие ДТП действия, то в дальнейшем степень опасности уже с учетом допущенной ошибки возрастает.

Литература

  Еремин аспекты исследования системы “водитель – автомобиль – дорога – окружающая среда”.// Актуальные вопросы повышения безопасности движения. Сб. научн. Трудов /МАДИ,1988, с.4-8.

  Должиков вариантов двухполосных автомобильных дорог по условию безопасности движения транспортных потоков. Дисс … канд. Техн. Наук.- М.: 198с.

  , Бадалян моделирование транспортных потоков и метод конфликтных ситуаций.// Совершенствование методов проектирования автомобильных дорог – Сб. научн. Тр. / МАДИ, 1995 г, с.145-152.

  Указания по обеспечению безопасности движения на автомобильных дорогах: ВСН 25-86 / Минавтодор РСФСР.- М.: Транспорт, 198стр.

  Бадалян зоны конфликта при возникновении конфликтных ситуаций между транспортными средствами на перекрестке. - М; 1997 г.- 19 стр. Деп. В ВИНИТИ 10.04.97 г, N 1157-В97.

  Garder P. Theory for strong validation, in: KTI, Traffic Conflicts and Other Intermediate Measures in Safety Evaluation, Institute for Transport Sciences, Budapest, 1986.

  Hyden Ch. The development of a method for traffic safety evaluation: The Swedish Traffic Conflicts Technique, Doctor’s Thesis, Lund Institute of Technology, 1987.