مقدمه:
اندازه گیری متدوال و رایج اثر بخشی امکانات بزرگراهی معمولاً منعکس کننده زمان سفر به شکل تاخیر یا سرعت سفر است. اخیراً مشخص شده است که برای ارزیابی عمل ترافیک بزرگراه این پارامترها کافی نیستند آنها تاکید زیادی برروی اختلافات کوچک در زمان سفر دارند در حالی که تفاوت زیاد و معنی دار بین ترافیک روان ترافیک متراکم و بهم فشرده بدرستی بیان شده است. علاوه بر این هنگامی که میزان تقاضا از ظرفیت فراتر رود ارزیابی های کیفی قدیمی و سنتی شده و دچار شکست می شوند. زیرا آن به سادگی اشکال مورد در این مورد را بیان می‌کند. با وجود این بارهای اضافی بزرگراهی متوقف و زودگذر (کاملا) رایج هستند. این دلیل بیان می:ند که چرا ارزیابی های کیفی مقادیر مختلف تراکم و انباشتگی بزرگراهی نیز به همین اندازه لازم و ضروری است (سی اف. شاور 2003) در راهنماهای مهندسی ظرفیت در اطراف جهان بطور سنتی و رایج ظرفیت یک بزرگراه به عنوان یک مقدار ثابت همچون HCM (2000) در نظر گرفه می شود تردیدهای در مورد این (ماهیت) ظرفیت ها به عنوان مقادیر ثابت توسط پونزلت (1996) بیان شد او نشان داد که شرایط خارجی همچون سطوح جاده ای خیس و خشک، روشنی روز و تاریکی و هدف رایج بزرگراه ( ترافیک ناشی از رفت و آمد مکرر در مناطق کلان شهری یا مسافت طولانی) ظرفیت ها تغییر می‌کنند. علاوه براین چند تن از نویسندگان ثابت کردند که در حقیقت حتی تحت شرایط خارجی ثابت. را میتوان ظرفیت های مختلفی را در بزرگراهها مشاهده کرد ( الفتریاد و همکارانش 1995، منیدرهود و همکارانش 1997 و پرسود و همکارانش 1998 و کوهن و آنستت، 1999، لرنزو الفنریاد و 2000 و اکاهورا و همکارانش 2000) برای اثبات تغییر پذیری جریانهایی که قبل از یک اختلال هستند ( تغییر پذیری جریانهای مقدم بر اختلال) بسیاری از نویسندگان تنها اختلالات ترافیکی در سرعتهای جریان مختلف را مشاهده کردند. با وجود این ما برای بررسی خیلی منظم به یک مفهوم تئوری جامع و کامل نیاز داریم مفهوم اصلی تصادفی بودن ظرفیت ( ظرفیت تصادفی) بر طبق MCH2001) ظرفیت یک بزرگراه به عنوان حداکثر سرعت جریانی که بطور منطقی میتوان برای حرکت یک وسیله تحت شرایط کنترلی و ترافیکی و؟؟ متدوال انتظار داشت. تعریف میشود به بیان دیگر عبارت “ظرفیت” یعنی ماکزیمم سرعت جریانی که می‌تواند به عنوان حجم ترافیک در پایین تر از جایی که عمل وسیله قابل قبول است و در بالاتر از جایی که- در مورد تقاضای بالاتر- عمل مناسب رد شده و دچار شکست می شود، تعریف می شود انتقال (جابه جایی) بین عمل مناسب و شرایط جریان غیر قابل قبول،“ اختلال” نامیده میشود. دریک بزرگراه زمانی که (متوسط) سرعت ترافیک از یک سطح سرعت قابل قبول به یک مقدار خیلی کمتر از شرایط (متراکم) و انباشته کاهش یابد. یک چنین اختلالی اتفاق می‌افتد این انتقالات معمولاً شامل یک کاهش سرعت نسبتاً ناگهانی است. با وجود این بسته به فرهنگ عمومی رانندگی، ممکن است ناگهانی بودن این اختلال از یک کشور به کشور دیگر متفاوت باشد. با این تعریف مشخص می شود که ظرفیت اصلاً یک مقدار ثابت نیست. یک مقدار ثابت می‌تواند بدین معنا باشد که در یک ظرفیت مشخصی چونveh/h 3600- در حالت تقاضای veh/h 599/3، ترافیک باید روان باشد و در حالت تقاضای veh/h 3601 ترافیک باید انباشته و در هم فشرده باشد. این بطور واضح نشان می دهد که تقاضایی که باعث اختلال میشود در جریان ترافیک واقعی تغییر می‌کند و اینکه سرعت جریان اختلال به رفتار راننده های مختلف در ترکیب با منظومه محلی خاصی در بزرگراه وابسته است. بنابراین پذیرفتنی است که میزان اختلال باید همه خصوصیات یک متغیر تصادفی را داشت هباشد. با استفاده از مفهوم تصادفی بودن ظرفیت بزرگراه- لازم است تا در مورد تابع توزیع ظرفیت بیشتر مطالعه کرده و اطلاعات بیشتری بدست آوریم. با وجود این تعریف آن یک کار ساده ای نیست. واضح است که هر روش تحلیلی باید بوسیله یک تحقیق تجربی گسترده و جامع حمایت شود بررسی های جریان ترافیک در بزرگراهها، مقادیری از سرعتهای جریان ترافیک و میانگین سرعتها در طی فواصل زمانی بررسی (مشاهده) معین ( پیوست ز) را بهم جفت می کند بر طبق تعریف ظرفیت اگر متوسط سرعت از یک مقدار استانه ای معین بیشتر شود
( یعنی در حدود 70 کیلومتر بر ساعت برای شرایط بزرگراهی آلمان) در اینصورت میزان مشاهده کمتر از ظرفیت خواهد بود با یک میانگین سرعت کمتر از میزان آستانه جریان ترافیک متراکم و بهم فشرده میشود. بنابراین در طی فاصله زمانی بین این دو مشاهده جریان باید از ظرفیت بیشتر باشد با وجود این خود ظرفیت مستقیماً نمی‌تواند اندازه گیری شود. علاوه بر این احتمال کمی وجود دارد تا در این رابطه مهم تقاضاهای بیشتر مشاهده شود چون احتمال بیشتری وجود دارد که قبل از اینکه آنها اتفاق بیفتند. قبلاً در طی فواصل زمانی خیلی در حجم های کمتر یک اختلال ایجاد شود هر دو اثر تخمین تابع توزیع ظرفیت را مشکل می‌سازند. که به صورت زیر تعریف می‌شوند جای که، Fe(q) = تابع توزیع ظرفیت c= ظرفیت q= حجم ترافیک
یک روش تخمین عملی اولین بار توسط دانشمند بنام وان تورنبرگ (1986) نشان داده شد و توسط میندرهود و همکارانش (1997) مورد بحث و بررسی قرار گرفت تحقیقات نشان داده شده در اینجا، براساس این ایده است. با وجود این به نظر می‌رسد که لازم است تا برخی از فرضیات اصلی این روش اصلاح شده و تغییر کنند روشی که توسط وان تورنبرگ(1986) پیشنهاد شده. براساس شباهت آماری آنالیز داده های طول عمر است. این آمار، در فرمولاسیون اصلی آن برای تشریح خصوصیات آماری مدت زندگی انسان بکار می‌رود علاوه بر این معمولاً برای آنالیز دوام و ماندگاری اجزاء اختصاصی از آن استفاده می شود. در این متن تابع توزیع طول عمر به صورت زیر است: که F(t) = تابع توزیع طول عمر = P(Tt)
اغلب براساس آزمایشاتی با مدت محدود، توزیع های طول عمر، تخمین زده شده و ارزیابی می‌شوند. در نتیجه طول عمر چندین فرد خاص از مدت آزمایش بیشتری میشود و بنابراین قابل اندازه گیری نمی‌باشند. تنها چیزی که میتوان بیان کرد این است که این طول عمرها طولانی تر از مدت آزمایش است. با وجود این حتی این اطلاعات نیز ارزشمناد هستند این داده ها “داده های بیان بندی” نامیده می‌شوند.
اگر یک اختلال ترافیکی به عنوان یک حادثه شکست و خرابی در نظر گرفته شود در این صورت برای تخمین ظرفیت C میتوان ارزشهایی استفاده کرد که شبیه T هستند. شباهت کلی بین آنالیز ظرفیت و آنالیز داده های طول عمر در جدول 1 داده شده است. برای تخمین و ارزیابی داده های توزیع براساس نمونه هایی که شامل داده های بیان بندی است. میتوان از آمار حاصل از آنالیز داده های طول عمر استفاده کرد. برای تخمین تابع بقاء یک روش غیر به رامتری وجود دارد که روش محدود مبادله (plM) نامیده میشود و توسط کپلان ومیر (1988) شرح داده شد که تابع بقاء تخمینی
nj= تعدا افراد خاص با طول عمر dj= میزان فوت ها در زمان tj
معمولاً هر طول عمر مشاهده شده به عنوان یک مقدار – tj مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مورد- dj موجود در معادله 3 همواره برابر با 1 می‌باشد. به منظور آنالیز ظرفیت، معادله 3 به همراه معادله 2 را میتوان به صورت زیر نوشت: که
Fc(q)= تابع توزیع ظرفیت.C q= حجم ترافیک qI= حجم ترافیک در فاصله زمانی I
Ki= تعداد فواصل زمانی با حجم ترافیکی di= تعداد اختلالات در حجمqI {B}= مجموعه‌ای از فواصل زمانی اختلالال ( بخش زیر را ببینید) با استفاده از این معادله مهم حجم ترافیکی مشاهده شده q به صورت زیر طبقه بندی میشود.
B: در فاصله زمانی I ترافیک روان است اما حجم مشاهده شده باعث ایجاد یک اختلال میشود یعنی در فاصله زمانی بعدی 1+I متوسط سرعت به پایین تر از سرعت آستانه کاهش می‌یابد.
F= در فاصله زمانی I و فاصله زمانی بعدی 1+I ترافیک روان است. این فاصله زمانی I حاوی یک مقدار بیان بندی است اطلاعات آن بدین معنی است که ظرفیت واقعی در فاصله زمانی i، بزرگتر از حجم مشاهده شده qI است.
CI= در فاصله زمانی I ترافیک متراکم و بهم فشرده است. یعنی متوسط سرعت و کمتر از میزان آستانه است. این فاصله I هیچ اطلاعاتی در مورد ظرفیت در اختیارها قرار نمی‌دهد به آن توجهی نمی‌شود.
C2= در فاصله I ترافیک روان است اما حجم مشاهده شده باعث ایجاد یک اختلال میشود با وجود این برخلاف طبقه B در مقطع پائینی جاده در فاصله زمانی I یا 1-I ترافیک متراکم و بهم فشرده میشود در این مورد فرض میشود که در نقطه تحت بررسی اختلال ( خط تهاجم) سمت پایین جده مربوط میشود. این فاصله زمانی I حاوی هیچ اطلاعاتی برای ارزیابی ظرفیت در نقطه بررسی نیست و بنابراین به آن توجهی نمی شود.
در روشprodct lim لازم نیست تا یک نوع خاصی از تابع توزیع را در نظر بگیریم (تصور کنیم) با وجود این اگر ماکزیمم حجم مشاهده شده q یک مقدارB باشد در اینصورت ماکزیمم مقدار تابع توزیع تنها به مقدار 1 خواهد رسید ( یعنی به یک اختلال منجر می شود) تنها در این مورد، جواب معادله 4 برابر با 0 خواهد بود. در غیر اینصورت تابع توزیع در یک مقدار Fc(q)<1 در مرز بالای به پایان خواهد رسید. معادله 4 یک راه حل مفیدی برای تخمین و ارزیابی تابع توزیع ظرفیت یک بزرگراه از مشاهدات ترافیکی است. برای کاربردهای عملی دو بخش باقی مانده به صورت زیر تعریف می‌شوند.
مدت
برای آنالیز تنها فواصل زمانی تحت بررسی نسبتاً (کوتاه) مفید و مناسب هستند. در غیر اینصورت رابطه علی (سببی) بین اختلال و حجم ترافیک خیلی ضعیف می‌باشد. به عنوان مثال یک ساعته برای این منظور کافی مناسب نمی‌باشد.
به طور ایده آل، مدت بررسی باید 1دقیقه یا حتی کمتر باشد. با ملاحظه دسترس پذیرش اطلاعات منطقی آشکار سازهای حلقوی و سودمندی نتایج ( با ملاحظه هر دو) بریلون و زورلیندن (2003) بعد از آزمایشات با های مختلف به این نتیجه رسیدند که 5= دقیقه بهترین سازگاری را دارد. در نتیجه همه بررسی ها براساس مقادیر سرعت و حجم 5 دقیقه ای هستند. درک دقیق اختلا تعریف اختلال که در بالا ذکر شده ( یعنی در معادله 4) یک جنبه قطعی از کل روش شناسی (متلالوژی) است. وان تورنبرگ(1986، همچنین مندرهرد و همکارانش را ببینید و 1997) ظرفیت اختلال را به عنوان حجم اندازه‌گیری شده در سمت پائین یک ص در یک گلوگاه تعریف کرد. در نتیجه، مهر حجم جریان متراکم و علل فشده به عنوان یک مقدار –B تلقی می شود( توضیحات مربوط به معادله 4 را ببینید) به عبارت دیگر (جدول1) این به معنی آنالیز طول عمر یک فرد خاصی است که چند ماه قبل فوت کرده است معادل به نظر نمی‌رسد که این منطقی باشد. در عوض تنها آن فواصلی از I که باعث ایجاد یک اختلال می‌شوند به عنوان فواصل –B در نظرگرفته می شوند. یک اختلال جریان ترافیک معمولاً شامل یک کاهش سرعت زیاد و قابل توجه است. به استفاده از یک مجموع زمانی شامل حجم های ترافیکی و میانگین سرعت های توسط فضایی (هردو) میتوان حوادث اختلالی را تشخیص داد. با استفاده از یک مقدار سرعت آستانه ای ثابت این کار انجام میشود. اگر در فاصله زمانی بعدی 1+I سرعت کمتر ازمیزان آستانه باشد حجم ترافیک در فاصله زمانی I به عنوان مقدار –B تلقی میشود مشخص شد که برای بزرگراههای آلمان سرعت آستانه ای Km/h 70 سرعت مسائله ای به حساب می‌آید اما ممکن است برای جاده های دیگر این سرعت متفاوت باشد.
در برخی موارد برای تعیین اعتبار اختلالات ترافیکی، ممکن است به معیارهای مختلف یا خیلی مشروح نیاز باشد. یعنی معیاری که حداقل اختلاف سرعت بین فواصل زمانی I و 1+I را ملاحظه می‌کند همانطور که در شکل a1 نشان داده شده اگر بررسی های صورت گرفته در یک گلولگاه معین و قابل تمیز باشند در این صورت میتوان ظرفیت یک بخش بزرگراهی (یک طرفه) را با دقت مورد تجزیه و تحلیل قرار داد در چنین گلوگاهی تنها از طریق اشباع بیش از ود خود گلوگاه، اختلالات ایجاد می‌شوند در ظرفیت های بزرگتر که همواره در بخش بعدی وجود دارند. جریان در سمت پائین جاده ( دنباله پائینی) نباید اتفاق افتد بنابراین بررسی ها در یک نقطه ای در نزدیکی بالای گلوگاه انجام میشود. برای اطمینان از اینکه شرایط خارجی واقعاً با فرضیات تئوری هماهنگی دارند، چنین مشاهداتی بریلون وزورلیندن (2003) انجام شد. به عنوان مثال دیاگرامهای سرعت – جریان دو بخش تحت بررسی در امتداد حلقه بزرگراهها در اطراف شهر گلوگن در شکل 2 نشان داده شده است. هر دو مکان گلوگاه های هندسی (پهن سازی) جاده در سمت پائین نقطه تحت بررسی می‌باشند. داده های سرعت – جریان حاصل از محخاسبات 5 دقیقه ای در امتداد طول همه باندها که از آشکار سازهای حلقوی اتوماتیک در طی سال 2000 بدست آمده در شکل 2 نشان داده شده است بدلیل اشباعیت بیش از حد رایج هر دو بخش بزرگراه فواصل متراکم و انباشته زیادی مشاهده شد با روش هر سوم ( تخمین یک مدل دگریسون در دیاگرام k-v به علاوه سرعت جریان حداکثر که از q=k.v حاصل میشود) براساس رابطه جریان – سرعت پیشنهاد شده بوسیله وان ارد(1995) برای نمونه 2 باندی ظرفیتی برابر با veh/h4284 و برای نمونه سه باندی ظرفیتی برابر با veh/h 6720 تعیین شد. برای تخمین تابع توزیع ظرفیت برای هر دو نمونه (خطوط تیره موجود در شکل 3 را ببینید) از روش proguct limit استفاده شد