Wpływ wybranych warunków zewnętrznych na prędkość ruchu samochodowego

Transkrypt

1 WITASZEK Kazimierz 1 WITASZEK Mirosław 2 CZECH Piotr 3 WARCZEK Jan 4 STANIK Zbigniew 5 Wpływ wybranych warunków zewnętrznych na prędkość ruchu samochodowego WSTĘP Największa ilość wypadków w Polsce (ponad 80%) ma miejsce na drogach jednojezdniowych, dwukierunkowych [5, 6]. Najczęstszą ich przyczyną jest niedostosowanie prędkości do warunków ruchu [5, 6]. Prędkość ruchu, styl jazdy oraz zakorkowanie dróg wywiera także istotny wpływ na ekonomikę jazdy. Wpływ prędkości jazdy na jej ekonomikę może sięgać aż 30% [4]. Agresywny styl jazdy powoduje 12-40% wzrost zużycia paliwa przez samochody osobowe [2]. Zakorkowanie dróg prowadzi do spowolnienia ruchu drogowego, co zwiększa emisję toksycznych składników spalin [1]. Powszechnie wiadomo, że w Polsce rozwój infrastruktury drogowej nie nadąża za wzrostem liczby eksploatowanych pojazdów. Pogarsza to bezpieczeństwo ruchu drogowego. Duży wpływ na bezpieczną prędkość poruszania się samochodów wywiera stan nawierzchni [3]. W pracy podjęto tematykę wpływu warunków zewnętrznych na prędkość poruszania się pojazdów samochodowych w ruchu miejskim oraz na krótkim odcinku autostrady. Zbadano, jaki wpływ na prędkość poruszania się pojazdów wywierają warunki pogodowe, a w szczególności opady śniegu i deszczu, mgła oraz stan drogi. Dodatkowo analizie prędkość i czas przejazdu w dniach wolnych oraz roboczych w godzinach szczytu i poza nimi. 1. BADANIA W pracy przeprowadzono badania wpływu warunków zewnętrznych na prędkość ruchu pojazdu samochodowego. Do badań posłużono się samochodem osobowym marki Renault Thalia napędzanym silnikiem o zapłonie iskrowym. Pojemność skokowa silnika o mocy 55 kw wynosiła 1390 cm 3. W celu rejestracji prędkości poruszania się pojazdu zastosowano bezprzewodowy interfejs diagnostyczny typu ELM-327 Bluetooth Mini podłączony do gniazda OBDII samochodu oraz oprogramowanie Torque Pro. Początkowo używano interfejsu diagnostycznego w standardowej, długiej obudowie, lecz po krótkim czasie zdecydowano zamienić go na wersję mini, która mimo znacznie krótszej obudowy posiada tą samą funkcjonalność. Miniaturowa wersja ELM-327 w znacznie mniejszym stopniu obciąża mechanicznie gniazdo OBDII w samochodzie. Program Torque Pro jest przystosowany do pracy w systemie operacyjnym Android, stąd do jego uruchomienia wykorzystano platformę sprzętową w postaci smartfonu Samsung Galaxy 4 Mini. W trakcie badań smartfon był wkładany do uniwersalnego uchwytu samochodowego oraz podłączany do samochodowej ładowarki USB firmy Nokia o wydajności prądowej 2A. Na rysunku 1a przedstawiono podłączony do gniazda OBDII interfejs diagnostyczny ELM-327 w wersji miniaturowej. Natomiast rysunek 1b ukazuje zainstalowany na desce rozdzielczej pojazdu smartfon z uruchomionym oprogramowaniem Torque Pro. Aplikacja Torque Pro oprócz wyświetlania bieżących wartości 1 dr inż. Kazimierz Witaszek, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, kazimierz.witaszek@polsl.pl, dr inż. Mirosław Witaszek, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, mirosław.witaszek@polsl.pl, dr hab. inż. Piotr Czech, prof. nzw. w Pol. Śl., Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych, piotr.czech@polsl.pl, dr hab. inż. Jan Warczek, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych, jan.warczek@polsl.pl, dr hab. inż. Zbigniew Stanik, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, zbigniew.stanik@polsl.pl,

2 wybranych parametrów pracy samochodu może po przeprowadzeniu właściwej konfiguracji rejestrować znaczną ilość danych udostępnianych przez jednostkę sterującą sinikiem pojazdu oraz przez czujniki zabudowane w smartfonie. Telefon łączy się z modułem ELM-327 za pomocą cyfrowej transmisji radiowej w standardzie Bluetooth. Aby uzyskać dużą dokładność danych wybrano częstotliwość próbkowania 2 Hz, co niestety prowadzi do zauważalnego wzrostu obciążenia telefonu. Możliwe jest również uruchomienie Programu Torque Pro na tablecie. Jednakże ze względu na niewielką ilość dostępnego miejsca na desce rozdzielczej samochodu Renault Thalia, zadecydowano o rezygnacji z tego rozwiązania, na korzyść poprzednio wybranego w tym celu modelu smartfonu. Rys. 1. Sprzęt użyty do badań: a) interface diagnostyczny ELM237 Bluetooth Mini podłączony do gniazda OBDII; b) smartfon Samsung Galaxy 4 Mini z oprogramowaniem Torque Pro Do badań wybrano trasę znajdującą się w obrębie miasta Katowice, przebiegającą następującymi ulicami. Grzyśki Wozaków Rolna Brynowska Mikołowska Górnośląska Prowansalska Pułaskiego Graniczna. Podróż kończyła się na jednym z trzech parkingów ulokowanych w niedaleko ul. Granicznej. Analizowaną trasę pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Analizowana trasa z ulicy Grzyśki na jeden z parkingów w okolicach ul. Granicznej w Katowicach 6655

3 Na potrzeby niniejszej publikacji posłużono się otwartą mapą dostępną w serwisie OpenStreetMap, dostępną na licencji Open Data Commons Open Database Licence (ODbL CC-BY-SA 2.0). Badana trasa obejmuje odcinki o różnych dopuszczalnych prędkościach ruchu. Ulice Grzyśki i Wozaków znajdują się na terenie osiedla, przez co można się po nich poruszać z prędkością 20 km/h. Od dnia 20 lutego 2015 została w ramach całego osiedla wprowadzona nowa organizacja ruchu. Od tego dnia wszystkie skrzyżowania są równorzędne a dodatkowo zwiększono dopuszczalną prędkość do 30 km/h. Na całej długości ulicy Rolnej obowiązuje ustawowe ograniczenie prędkości do 50 km/h (60 km/h w nocy). Podobna sytuacja ma miejsce na ulicach Brynowskiej i Mikołowskiej, z tym, że na niewielkim fragmencie ulicy Brynowskiej obowiązuje ograniczenie do 40 km/h. Na ulicy Górnośląskiej można poruszać się kolejno z następującymi prędkościami maksymalnymi: 100, 120, 100, 70 km/h. Od początku ul. Prowansalskiej kierowca wjeżdża z powrotem na obszar zabudowany, więc może poruszać się z przepisową prędkością 50 km/h. Podobna sytuacja ma miejsce na ul. Pułaskiego z tym, że przed jej końcem został ustawiony znak ograniczający prędkość na niewielkim odcinku drogi do 30 km/h. Na krótkim fragmencie ul. Granicznej obowiązuje ograniczenie prędkości do 40 km/h, a na pozostałej jej długości można poruszać się w tempie 50 km/h (60 km/h w nocy). Cała analizowana trasa posiada długość ok. 7,5 km. 2. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Materiał badawczy zawiera dane pochodzące z blisko 50 przejazdów samochodu po wybranej trasie. Dane rejestrowano od początku listopada 2014 r. do pierwszych dni marca 2015 r. Baza danych pomiarowych złożona była z ponad rekordów. Zebrane podczas badań informacje o prędkości poruszania się pojazdu naniesiono na wykres trójwymiarowy przedstawiony na rysunku 3. Rys. 3. Prędkości ruchu badanego pojazdu w ukazane na tle mapy trasy przejazdu Zabieg ten był możliwy dzięki temu, że każdy rekord danych zawierał informację o współrzędnej geograficznej punktu pomiarowego, która została pobrana z modułu GPS wbudowanego w smartfon. Z rysunku tego wynika, że w obszarze zabudowanym pojazd poruszał się z prędkościami maksymalnymi dochodzącymi do około 50 km/h. Na ul. Górnośląskiej rejestrowane prędkości są 6656

4 znacznie wyższe i sięgają ponad 100 km/h. Poza tym na obszarze zabudowanym zwraca uwagę znaczna liczba zahamowań badanego samochodu. Są one skoncentrowane głównie w okolicy skrzyżowań oraz przejść dla pieszych. W użytym do badań pojeździe zainstalowany był wideorejestraror Mio MiVue. Początkowo używano modelu 358, który został później zastąpiony modelem 508. Dzięki archiwizacji nagrań wideo, możliwe było określenie rodzaju warunków atmosferycznych panujących podczas jazdy. Zebrane podczas badań dane posortowano według warunków atmosferycznych. Przyjęto następujące kategorie danych: sucha nawierzchnia, wilgotna nawierzchnia, opady deszczu, opady śniegu oraz mgła. Do analizy wpływu warunków pogodowych na prędkość poruszania się pojazdu wybrano dane z przejazdów trasą w dni robocze poza szczytem komunikacyjnym w godzinach 9:30 11:00. Za pomocą arkusza kalkulacyjnego obliczono prędkości średnie i maksymalne, sumaryczne czasy zatrzymania wynikającego z warunków ruchu oraz średnie prędkości przejazdu odcinków (bez uwzględnienia zatrzymań samochodu. Dane te zestawiono w tabeli 1 oraz pokazano graficznie na rysunkach 4 i 5. Tab. 1. Zestawienie parametrów ruchu pojazdu dla różnych warunków drogowych Sucho Mokro Deszcz Śnieg Mgła Najwyższa prędkość v max, km/h Prędkość średnia v śr, km/h Średnia prędkość poruszania (bez zarzymań) v śrp, km/h Średni czas podróży t śr, min Sumaryczny czas zatrzymania t z, min Udział czasu zatrzymania pojazdu, % 101,7 90,0 81,9 63,0 88,2 29,1 27,4 24,2 15,9 26,3 35,9 34,6 34,1 21,0 34,0 17,0 18,0 21,6 31,1 19,7 3,2 3,7 6,3 7,6 4,5 19,1 20,8 29,2 24,4 22,6 Rys. 4. Prędkości ruchu badanego pojazdu w różnych warunkach drogowych 6657

5 Wynika z nich jednoznacznie, że maksymalne wartości prędkości poruszania się pojazdu po drodze są znacznie wyższe od osiąganych wartości średnich. Różnice te sięgają nawet 300%. Zauważalny udział w obniżaniu średnich wartości prędkości mają zatrzymania pojazdu wynikające z warunków ruchu, takich jak przestoje w korkach, zatrzymania pojazdu przed skrzyżowaniami oraz przejściami dla pieszych. Gdy w obliczeniach wartości średniej prędkości ruchu pojazdu pominie się te dane, dla których prędkość ruchu wynosiła 0 km/h, to wtedy otrzymuje się wartości wyższe o prawie 10 km/h. Największy wpływ na prędkość ruchu pojazdu wywierają opady śniegu. Wówczas kierowcy znacznie ograniczają prędkość jazdy. Zmierzona średnia wartość prędkości jazdy podczas opadów śniegu była prawie dwukrotnie mniejsza niż dla dobrej pogody. Opady deszczu również skłaniają kierowców do ostrożnego operowania pedałem przyśpieszenia, jednakże pojazdy poruszają się już zauważalnie szybciej niż w przypadku śnieżycy. Gdy droga jest mokra, ale opady atmosferyczne zakończyły się prędkość ruchu pojazdów niewiele odbiega od notowanych przy suchej nawierzchni. Niepokojącym zjawiskiem jest wysoka prędkość poruszania się pojazdów mimo ograniczenia widoczności przez mgłę. W tym przypadku zarejestrowano wyniki niewiele różniące się od jazdy po mokrej nawierzchni. a) b) Rys. 5. Czasy podróży i czasy zatrzymania pojazdu (a) oraz udziały czasu zatrzymania w podróży (b) W ruchu miejskim samochody muszą często zatrzymywać się i ruszać z miejsca, co zresztą jest głównym źródłem wzmożonego zużycia paliwa przez te pojazdy. Udział czasu zatrzymania w stosunku do całej podróży waha się od niecałych 20% do prawie 30%. Biorąc pod uwagę fakt, że część trasy przebiega przez autostradę, to rzeczywiste udziały czasu zatrzymania w ruchu czystomiejskim będą jeszcze wyższe. Warunki pogodowe wywierają znaczący wpływ na czas przejazdu trasy, lecz obserwowane są odwrotne zależności niż w przypadku prędkości przejazdu. Im niższa wartość średniej prędkości, tym dłużej zajmuje kierowcy pokonanie trasy. Gdy na odcinku drogi znajduje się jednocześnie zbyt dużo pojazdów ruch ulega spowolnieniu, co prowadzi do tworzenia się korków. Takie sytuacje na drogach nazywane są szczytami komunikacyjnymi. W przypadku analizowanej trasy wzięto pod uwagę poranny wzmożony ruch pojazdów mający miejsce w godzinach 6:45 7:30. Został on porównany z uprzednio omówionymi danymi zarejestrowanymi w godzinach 9:30 11:00 dla przejazdów po suchej nawierzchni. Ze zbioru wyników wyselekcjonowano też pomiary prędkości poruszania się samochodu w dni wolne od pracy przy dobrej pogodzie. Podobnie jak uprzednio za pomocą arkusza kalkulacyjnego obliczono prędkości średnie i maksymalne, sumaryczne czasy zatrzymania wynikającego z warunków ruchu oraz średnie prędkości przejazdu odcinków bez uwzględnienia zatrzymań samochodu. Dane te zestawiono w tabeli 2 oraz pokazano graficznie na rysunku

6 Tab. 2. Zestawienie parametrów ruchu poruszania się pojazdu dla różnych natężeń ruchu drogowego Dzień roboczy - szczyt Dzień roboczy - poza szczytem Dzień wolny Najwyższa prędkość v max, km/h Prędkość średnia v śr, km/h Średnia prędkość poruszania (bez zarzymań) v śrp, km/h Średni czas podróży t śr, min Sumaryczny czas zatrzymania t z, min Udział czasu zatrzymania pojazdu, % 84,6 101,7 103,5 21,0 29,1 31,9 28,9 35,9 38,6 23,9 17,0 15,1 6,5 3,2 2,6 27,4 19,1 17,4 a) b) Rys. 6. Prędkości jazdy (a) oraz czasy zatrzymania pojazdu (b) w zależności od natężenia ruchu na drodze Z rysunku 6 wynika, że natężenie ruchu wywiera istotny wpływ na prędkość poruszania się pojazdu po badanych drogach. W warunkach porannego szczytu komunikacyjnego przy dobrej pogodzie średnia prędkość jazdy jest niższa niż dla intensywnych opadów deszczu poza szczytem. Podobny jest również udział czasu zatrzymania pojazdu. W dni wolne od pracy niskie natężenie ruchu sprzyja rozwijaniu wyższych prędkości oraz dzięki większej płynności ruchu występuje zauważalny spadek sumarycznego czasu zatrzymania samochodu. WNIOSKI Największy wpływ na prędkość ruchu pojazdu wywierają opady śniegu. Kierowcy wtedy znacznie ograniczają prędkość jazdy. Opady deszczu również skłaniają kierowców do ostrożnego operowania pedałem przyśpieszenia. W przypadku, gdy droga jest mokra, ale opady atmosferyczne zakończyły się prędkość ruchu pojazdów niewiele odbiega od notowanych przy suchej nawierzchni. Niepokojącym zjawiskiem jest wysoka prędkość poruszania się pojazdów mimo ograniczenia widoczności przez mgłę. W tym przypadku zarejestrowano praktycznie takie same wartości prędkości, jak dla mokrej nawierzchni. Duży wpływ na prędkość i udział czasu zatrzymania wywiera natężenie ruchu, zależne 6659

7 od tego czy jest to dzień roboczy albo wolny oraz od pory dnia. Największe prędkości i najkrótszy czas podróży oraz udział czasu zatrzymania obserwuje się w dniach wolnych, gdy natężenie ruchu jest najmniejsze. Przeciwne zależności występują w dniach roboczych w godzinach szczytu, gdy średnie prędkości są o ok. 25% niższe, a udział czasu zatrzymania o ponad 50% wyższy niż dla dni wolnych. Bezpieczeństwo na drogach uzależnione jest również od stanu technicznego poruszających się pojazdów. Na całym świecie prowadzone są badania mające na celu poprawę stanu technicznego środków transportu w aspekcie bezpieczeństwa [7-13]. Streszczenie Rozwój infrastruktury drogowej nie nadąża za wzrostem liczby eksploatowanych pojazdów. Poruszanie się wielu samochodów po drogach publicznych prowadzi do spowolnienia ruchu drogowego. Również warunki zewnętrzne, np. pogodowe, wywierają istotny wpływ na tę prędkość. W pracy podjęto tematykę wpływu warunków zewnętrznych na prędkość poruszania się pojazdów samochodowych w ruchu miejskim oraz na krótkim odcinku autostrady. Bardzo duży wpływ na prędkość poruszania się pojazdów wywierają warunki pogodowe, zaś wśród nich główną rolę w spowolnieniu ruchu pojazdów odgrywają opady śniegu i deszczu. Zaobserwowano także istotny wpływ natężenia ruchu drogowego na uzyskiwane prędkości i czasy postoju na badanej trasie. Większe natężenie ruchu w godzinach szczytu w dni robocze powoduje zmniejszenie średniej prędkości o ok. 25% i wydłużenie średniego czasu postoju o ponad 50% w porównaniu z dniami świątecznymi. Słowa kluczowe: ruch samochodowy, godziny szczytu, warunki pogodowe Influence of chosen external conditions on traffic velocity Abstract Development of transport infrastructure doesn t keep up with increasing number of vehicles.using of public roads by numerous cars causes a decrease of traffic velocity. Important factor, that determine this velocity are external conditions such as the weather ones. This article presents a study of influence of external conditions on traffic velocity on a short motorway section as well as on the streets. Results of the study show, that weather conditions, especially rain- or snowfalls significantly reduces traffic velocity. Significant influence of street traffic volume on vehicle average velocity and idle time was observed. Higher traffic volume during rush hours a working day causes average velocity reduction of about 25% and over 50% idle time increase in comparison with a holiday. Keywords: traffic velocity, rush hours, weather conditions BIBLIOGRAFIA 1. Andre M., Hammarstroem U.: Driving speeds in Europe for pollutant emissions estimations. Transportation research Part D, Transport and Environment 5 (2000) s De Vlieger I., De Keukeleere D., Kretzschmar J. G., Environmental effects of driving behaviour and congestion related to passenger cars. Atmospheric Environment 34 (2000) s Niedziela J.: Widoczność pieszych w światłach mijania pojazdów. Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej. Mechanika. Z. 64, 1998, s Sivak M. Schoelttle B.: Eco-driving: Strategic, tactical anf operational decisions of the driver that influence fuel economy. University of Michigan Transportation Research Institute, Ann Arbor, 2011 (dostępny na: 5. Symon E.: Wypadki drogowe w Polsce w 2012 roku. Komenda Główna Policji. Biuro ruchu drogowego. Zespół profilaktyki i analiz. Warszawa, 2013 (Raport dostępny na: 6. Symon E.: Wypadki drogowe w Polsce w 2013 roku. Komenda Główna Policji. Biuro ruchu drogowego. Zespół profilaktyki i analiz. Warszawa, 2014 (Raport dostępny w Internecie na: 7. Grega R., Homišin J., Kaššay P., Krajňák J.: The analyse of vibrations after changing shaft coupling in drive belt conveyer. Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Śląska 2011, z Harachová D., Medvecká-Beňová S.: Applying the modutarity principle in design of drive systems in mechanotherapeutic devices. Grant journal 2013, Vol. 2, no

8 9. Homišin J.: Dostrajanie układów mechanicznych drgających skrętnie przy pomocy sprzęgieł pneumatycznych: kompendium wyników pracy naukowo-badawczych. Wydawnictwo ATH, Bielsko-Biała Medvecká-Beňová S., Vojtková J.: Analysis of asymmetric tooth stiffness in eccentric elliptical gearing. Technológ 2013, Roč. 5, č Puškár M., Bigoš P., Puškárová P.: Accurate measurements of output characteristics and detonations of motorbike high-speed racing engine and their optimization at actual atmospheric conditions and combusted mixture composition. Measurement 2012, Vol Urbanský M., Homišin J., Krajňák J.: Analysis of the causes of gaseous medium pressure changes in compression space of pneumatic coupling. Transactions of the Universities of Košice 2011, Vol Zuber N., Bajrić R., Šostakov R.: Gearbox faults identification using vibration signal analysis and artificial intelligence methods. Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance And Reliability 2014, No 16(1). 6661