Теоретические принципы и методы повышения эффективности функционирования транспортных систем городов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

теоретические принципы и методы повышения эффективности функционирования транспортных систем городов

05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, её регионов и городов, организация производства на транспорте

Пугачев игорь НИКОЛАЕВИЧ

Екатеринбург - 2010



Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский Государственный Университет» (ТОГУ), Федеральное агентство по образованию.

Научный консультант доктор технических наук, профессор Ковалев Рудольф Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Ларин Олег Николаевич доктор технических наук, профессор, Миротин Леонид Борисович доктор технических наук, профессор, Михайлов Александр Юрьевич

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Защита состоится 17 декабря 2010 года, в 14-00, на заседании диссертационного совета Д 218.013.02 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. 283.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университете путей сообщения и в сети Интернет на сайте www.usurt.ru .

Автореферат разослан «____» ____________ 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Александров А.Э.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Транспортные проблемы крупных городов сегодня вышли на первые позиции в рейтинге современных проблем человечества, и только оперативные и затратные решения могут в будущем нормализовать сложившуюся ситуацию. Данная проблема во многих странах вышла на уровень их высшего руководства. В России, в одном из выступлений, посвященном проблемам транспорта, президент страны Д. А. Медведев сказал: «Вопрос безопасности на дорогах требует при решении комплексного подхода - сюда входит и грамотное градостроительное планирование, и организация движения, и поддержание в надлежащем состоянии дорожной сети». А безопасность, - это только одна из проблем транспортных систем городов (ТСГ).

Проблемы ТСГ, и в первую очередь автомобильно-дорожной составляющей, имеют ту же комплексную природу и требуют системного подхода к их решению. Эффективное решение этой крупной народно-хозяйственной и социальной проблемы, на наш взгляд, должно лежать в совместном решении таких задач как: а) совершенствование отраслевой правовой базы и методов государственного управления автомобильным транспортом; б) системная организация дорожного движения; в) рациональное комплексное транспортное и градостроительное планирование; г) оперативная организация дорожного строительства и максимальное сохранение существующей дорожной сети; д) внедрение современных методов управления движением городского транспорта.

Каждый новый этап развития ТСГ сопровождался наработкой соответствующих принципов и методов управления их эффективным функционированием, отвечающих запросам того времени. Несмотря на наличие многих талантливых теоретических разработок отечественных ученых, на практике приходится признать несовершенство транспортных систем российских городов, не способных обеспечить их основные целевые показатели - полное, своевременное и качественное удовлетворение потребностей города в перевозке грузов и пассажиров. В этой связи представляется актуальным исследование основных факторов, определяющих потенциал транспортных систем городов и разработка рекомендаций по его развитию.

Решение задач формирования и развития транспортной инфраструктуры требует учета большого количества факторов связанных с показателями технического развития города, ростом потребностей предприятий и населения, ресурсными возможностями. Требование учета временной динамики ресурсных ограничений совместно с динамикой специфики решаемых задач и потребностей в транспортных (дорожных) ресурсах приводит к объективной необходимости сформулировать научно-обоснованный подход, позволяющий оптимизировать процессы совершенствования базовых магистральных транспортных связей на муниципальном уровне.

В связи с этим представляется актуальным создание комплекса математических моделей, адекватно описывающих временные характеристики развивающихся транспортно-распределенных систем города с возможностью оптимизации в любой момент времени по заданному набору параметров.

Цель работы состоит в совершенствовании теоретико-методических основ развития и функционирования транспортных систем городов и разработке принципов обеспечения бесперебойного и безопасного движения транспортных потоков по дорожным сетям городов, снижения транспортных издержек при всех видах перевозок городским транспортом.

Задачи исследования:

1. Разработать принципы комплексного учета транспортных факторов при принятии архитектурно-планировочных решений и теоретические основы долгосрочного градостроительного и транспортного планирования, обеспечивающие учет пропуска прогнозируемых транспортных потоков внутри городов (муниципальных образований).

2. Разработать и теоретически обосновать процесс поэтапного совершенствования структуры магистральной базовой дорожной сети города и возникающие при этом задачи управления процессом на этапах.

3. Разработать методику определения объемов резервирования земель в границах муниципальных образований для развития стоянок автотранспорта.

4. Предложить комплексное решение по улучшению системы городского пассажирского транспорта.

5. Разработать методологические подходы к решению проблем размещения грузоперерабатывающих комплексов в рамках отдельных задач синтеза структуры городской транспортно-распределительной системы.

6. Обосновать необходимые условия сохранения существующей сети городских дорог на длительную перспективу, как альтернативу снижения затрат на ее развитие.

Объектами исследования являются транспортные системы крупных городов (в частности, краевых (областных) центров) страны.

Теоретико-методологические основы исследования. Диссертационное исследование выполнено на основе современных достижений теории проектирования и развития транспортных систем, моделирования транспортных потоков и оптимизации транспортных сетей. Теоретико-методологической основой исследования явились методы системного подхода и системного анализа, теории принятия решений.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Сформулирована научная концепция развития потенциала автотранспортных систем городов на основе системного подхода к постановке задачи совершенствования процессов функционирования автотранспортных систем городов.

2. Выявлены общие закономерности процессов поэтапного формирования эффективного функционирования транспортной сети города, как сложной системы и процессов формирования магистральной базовой дорожной сети, как основы для решения задач транспортной обеспеченности.

3. Предложена оптимизационная модель размещения базовых объектов транспортно-распределительной системы крупного города, обеспечивающая интеграцию внутригородских и транзитных грузопотоков;

4. Предложена расчетная модель сохранения дорожной сети на длительную перспективу посредством определения оптимальных сроков ограничения различных по величине осевых нагрузок транспортных средств.

Практическая значимость. Результаты исследования имеют прикладной характер и могут быть использованы федеральными, региональными и муниципальными органами власти и управления при разработке комплексных программ развития автотранспортных систем городов. Разработанные в диссертации теоретические принципы, модели и методы ориентированы на практическое применение и расширяют возможности по оценке результатов функционирования автотранспортной сети города и обоснованию проектов ее реконструкции и развития в целях повышения эффективности транспортных сообщений. Внедрение результатов исследования позволяет более рационально решать задачи комплексного развития автотранспортной системы города с учетом основных транспортнообразующих факторов, обоснованности оценок потребностей в перспективных пропускных возможностях и конкретизации требований к расположению объектов транспортно-распределительной инфраструктуры городов. транспортный поток архитектурный градостроительный

В диссертационной работе подробно рассмотрены вопросы гражданско-правовых и административно-правовых аспектов транспортного законодательства и внесены конкретные предложения в основные нормативные документы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Концептуальные основы развития транспортного потенциала автотранспортных систем городов.

2. Комплекс математических моделей развития базовой магистральной автотранспортной сети города, учитывающих необходимость выбора и возможность замены управляющих воздействий, динамику начальных условий формирования сети и изменение целей, расчета численных значений характеристик сети, получаемых на этапах.

3. Методика определения объемов выделения и резервирования городских территорий для парковки и хранения транспортных средств.

4. Метод определения многокритериальной целевой функции формирования и эксплуатации базового объекта транспортно-распределительной системы города.

5. Интегрированный метод (концепция) комплексного подхода развития транспортного потенциала автотранспортной системы города.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационного исследования применяются на практике администрацией г. Хабаровска при оценке эффективности функционирования сети городских автомобильных дорог и при обосновании проектов их реконструкции и развития.

Разработанные в диссертации теоретико-методологические принципы развития потенциала автотранспортной системы города используются Министерством промышленности, транспорта и связи Правительства Хабаровского края в программах модернизации транспортно-распределительной инфраструктуры Хабаровского края, направленных на реализацию транспортно-географических преимуществ региона. Содержащиеся в диссертационном исследовании конкретные рекомендации по формированию сети транспортно-распределительных комплексов на территории края учтены в Стратегии социально-экономического развития Хабаровского края до 2020 года.

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в Тихоокеанском государственном университете и Самарском государственном техническом университете при обучении студентов специальности 190702 «Организация и безопасность движения».

Апробация работы. Основные концептуально-теоретические положения, рекомендации и результаты исследования доложены на: научно-технической конференции «Проблемы дорожно-транспортного комплекса Дальневосточного региона в связи с вводом в эксплуатацию автодорожного проезда по мосту через реку Амур у города Хабаровска» (Хабаровск 1999 г.), научно-технической конференции «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике» (Хабаровск 2000 г.), научно-технической конференции «Повышение эффективности и качества строительства и ремонта автомобильных дорог в Дальневосточном регионе» (Хабаровск 2001 г.), Международном семинаре «Технология устройства дорожной разметки в условиях Дальнего востока» (Хабаровск 2002 г.), межрегиональной науч.-практ. конференции (с международным участием) «Автомобильный транспорт Дальнего Востока» (Хабаровск 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), пятой международной научной конференции «Новые идеи нового века» (Хабаровск 2005 г.), научно-технической конференции «Пути повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети г. Хабаровска» (Хабаровск 2005 г.), международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2005». (Волгоград 2005 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» (Красноярск 2005 г.), международной (екатеринбургской) научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития транспортных систем городов и зон их влияния» (Екатеринбург 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 гг.), международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и экономического роста Дальнего Востока России» (Хабаровск 2007 г.), региональной научно-практической конференции «Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного комплекса» (Хабаровск 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы и направления развития транспортной системы» (Самара 2007 г.), V междунар. науч. - техн. конф. «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (Пенза 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Вместе к эффективному дорожному движению!» (Минск 2008 г.), VI Всерос. НТК «Политранспортные системы» (Новосибирск 2009 г.), второй Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем» (Челябинск 2010 г.).

Результаты диссертационных исследований были доложены на совместном заседании кафедр «Автомобильного транспорта» и «Экономики и управления на предприятиях транспорта» Уральского государственного лесотехнического университета.

Основные положения диссертации были доложены на совместном научном семинаре кафедр «Организации и безопасности движения», «Логистики», «Техносферной безопасности», «Транспортной телематики», «Изысканий и проектирования дорог» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 110 работах, в том числе - 4 монографии. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 16 работ. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы. Материалы диссертации приведены также в отчетах по Грантам и Программам, выполненным при участии и под руководством автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст размещен на 354 страницах, включает 41 таблиц, 43 рисунка. Список литературы включает 364 наименования.

Автор выражает признательность Р. Н. Ковалёву и С. М. Буркову за конструктивные замечания, ценные советы и помощь при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, апробация и объем публикаций по теме диссертации.

В первой главе разработаны концептуальные основы развития потенциала автотранспортных систем городов, систематизированы проблемы данных систем на современном этапе их развития.

В вопросах разработки и исследования эффективности ТСГ на различных исторических этапах, закономерностей их развития в отечественной практике накоплен значительный опыт, научные и методологические основы которого обобщены в работах Г. Д. Дубелира, В. Н. Семенова, Г. В. Шелейховского, А. Х. Зильберталя, А. А. Полякова, А. М. Якшина, В. Г. Давидовича, В. А. Черепанова, А. Е. Страментова, А. В. Сигаева, М. С. Фишельсона, А. И. Стрельникова, Е. М. Лобанова, В. В. Сильянова, В. Н. Луканина, Л. Б. Миротина, Ю. М. Цветова, Ю. А. Ставничего, Г. А. Гольца, Э. А. Сафронова, А. А. Агасьянца, К. Э. Александера, С. А. Ваксмана, А. Ю. Михайлова, О. Н. Ларина и др.

Автомобилизация и сопутствующий ей рост интенсивности движения автотранспорта играют в целом положительную роль в развитии экономики и общества. Однако без соответствующего инфраструктурного обеспечения они не могут нормально развиваться и функционировать и порождают ряд серьёзных проблем в области безопасности дорожного движения в городах, имеющих далеко идущие последствия для всей социально-экономической сферы страны.

Особенно остро в настоящее время эта проблема проявляется в крупных городах, транспортные системы которых формировались в прежние годы исходя из нормативного уровня 170-180 автотранспортных средств (АТС) на 1000 жителей. Очевидно, что пропускная способность ТСГ недостаточна при существующем и перспективном уровне автомобилизации общества (рис. 1).

Рис.1. Уровень автомобилизации в крупных и крупнейших городах России

Анализ транспортной ситуации, складывающейся в крупных городах России и на подходах к ним, показывает, что перегруженность ТСГ обусловлена совокупным влиянием ряда основных факторов внешней и внутренней среды (рис. 2).

Сложная структура взаимосвязей этих факторов свидетельствуют о том, что проблемы ТСГ имеют комплексную природу и требуют системного подхода к их решению.



Эффективность функционирования транспортных систем городов

Парковочная политика

Сохранение существующей дорожной сети

Совершенствование систем ГПТ

Организация и управление дорожным движением

Совершенствование транспортно-распределительной системы города

Строительство новых дорог

Уровень автомобилизации

Политика землепользования

Дорожная инфраструктура

Градостроительная политика

Городской транспорт

Внешний транспорт

Отраслевая правовая база

Рис.2. Факторы, влияющие на эффективность функционирования ТСГ

Системный подход в решении проблем ТСГ сегодня следует рассматривать как осуществление на государственном уровне сложной интегрированной политики на основе синтеза систем управления транспортом и градостроительства, реализуемые через соответствующие отраслевые правовые базы, политику землепользования и организацию дорожного движения в городах. Только такой синтез управления становится необходимым условием ликвидации «транспортного коллапса» в крупных городах, достижения высокого уровня качества транспортного обслуживания, улучшения качества жизни населения в целом.

Основные принципы интегрированного подхода в транспортной политике на официальном уровне были обозначены в принятой в 2004 г. «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года». Однако приходиться констатировать, что практически ни один из принципов данной стратегии на сегодня не реализован, прежде всего, из-за отсутствия соответствующего правового, институционального, кадрового и финансового обеспечения. Более того, с принятием в ноябре 2008 г. новой «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030г.», сформулированные ранее четкие принципы перестали существовать как явные, растворились в общем объеме текста новой стратегии, стали размыты, неявно выделены в статьях решений транспортных проблем. Город вообще не представлен в планах новой стратегии как самостоятельный транспортно-формирующий объект, требующий специального подхода в решении назревших проблем.

Градостроительная политика и политика землепользования. Механизм, способствующий принятию эффективных решений по развитию ТСГ и их последовательной реализации должен быть заложен в системе градостроительного планирования и регулирования, современной нормативной базой которого в Российской Федерации служит действующий Градостроительный кодекс РФ. Но данный закон разрабатывался юристами без участия специалистов в области управления ТСГ и основное внимание в нем уделено правовому зонированию и процессуальным вопросам разработки документации, а объекты транспортной, социальной и инженерной инфраструктур лишь упоминаются в отдельных статьях. Однако для решения проблемы ликвидации «транспортного коллапса» в городах этого явно недостаточно. Трудности, прежде всего, вызваны слабой адаптацией традиционных гражданских институтов к новым социально-экономическим реалиям развития страны: ориентацией общества на первоочередное обслуживание частной инициативы, высоким и все возрастающим уровнем автомобилизации населения, потерей высококвалифицированных специалистов, занимающихся градостроительным проектированием и др.

Сложившаяся практика планирования землепользования в городах без учета основных транспортных аспектов привела к существующему низкому уровню перспективного планирования территорий городов, приводящего к невозможности реконструкции существующих дорог и устройству новых направлений для пропуска более интенсивных транспортных потоков.

Дорожная инфраструктура. Сегодняшняя стратегия развития дорожной инфраструктуры должна быть нацелена на достижение соответствия перспективной пропускной способности дорожной сети крупных городов прогнозируемому уровню автомобилизации страны - порядка 450-500 автомобилей на 1000 жителей в 2025 г. Здесь, в условиях существующего значительного отставания объемов строительства новых дорог и реконструкции, существующих от темпов роста автомобилизации, на одно из первых мест среди задач обеспечения эффективного функционирования ТСГ выходят вопросы сохранения и безопасной эксплуатации существующей дорожной сети.

Организация и управление дорожным движением. Уровень организации дорожного движения в крупных городах России значительно отстает от уровня, достигнутого в городах большинства европейских стран. Причем отставание это в большей степени объясняется отнюдь не слабостью теоретической проработки проблем организации движения, а неудовлетворительной практикой реализации известных методов организации дорожного движения. Другая причина такого отставания кроется в отсутствии системного подхода к организации дорожного движения, особенно комплексного проектирования на сетевом уровне. Именно на этом этапе и должна, на наш взгляд, закладываться основа оптимизации управления движением транспорта на уровне городской транспортной сети.

Крупные города России в первую очередь нуждаются в интенсификации использования всего потенциала существующей дорожной сети. Достигнуть желаемого результата возможно путем использования современных средств и методов организации (оптимизации) дорожного движения, включающих комплекс мер правового, организационного и инженерно-технического воздействия на дорожное движение.

Парковочная политика. Резкий рост автомобилизации нашей страны в последние десятилетия сделал несостоятельными требования действующих нормативных документов в отношении количества парковочных мест на территории различных объектов. Пересмотр данных требований сегодня становится крайне важным при решении экономических, экологических и социальных проблем, связанных с автомобилизацией общества и эффективности функционирования ТСГ.

Концептуальная модель развития потенциала автотранспортной системы города ориентирована на снижение затрат на перевозку грузов и пассажиров по транспортным системам городов за счет увеличения средней технической скорости движения автотранспорта. Для этой цели предлагается использовать следующее основные способы: внесение необходимых изменений в нормативные документы транспортного законодательства; вопросы организации и обеспечения безопасности дорожного движения в городах, должны быть представлены в системе градостроительной документации в виде акцентированных предметов проектирования; законодательное решение вопроса включения в систему долгосрочного градостроительного планирования механизмов резервирования земли и коридоров под магистральные дороги, а также под транспортную и дорожную инфраструктуру; обеспечение сохранности сетей городских дорог; применение современных схем, средств и технологий организации дорожного движения; оптимизация грузопотоков внутри крупного города при существующей ДС для предоставления возможно более широкого спектра услуг транспортного обслуживания населения; комплексное решение улучшения систем ГПТ; проведение рациональной парковочной политики.

Во второй главе рассмотрены вопросы совершенствования системы управления развитием и функционированием ТСГ, а в частности её автотранспортной составляющей.

В условиях постоянного роста автомобилизации и сопутствующего ему роста объёмов движения автотранспорта, важной задачей представляется создание транспортно-распределительных систем (ТРС), обеспечивающих доступ участников дорожного движения к имеющимся ресурсам магистральных автотранспортных сетей.

В связи с этим представляется актуальным создание комплекса математических моделей, адекватно описывающих временные характеристики развивающихся ТРС городов с возможностью оптимизации в любой момент времени по заданному набору параметров. Характер временной зависимости параметров, определяющих состояние транспортного объекта, в данном случае автотранспортной системы города, позволяет выделить периоды (этапы) в пределах которых данные параметры можно считать постоянными. Это, в свою очередь, позволяет сформулировать новый подход формализующий процесс поэтапного формирования ТРС, в котором, результат на каждом этапе зависит от результатов предыдущего и действующих на данном этапе ресурсных ограничений.

Удобным аппаратом для построения моделей ТРС, является теория графов, что позволяет использовать методики при постановке задач оптимизации процессов функционирования и развития ТРС. Следует отметить, что задача развития транспортной сети допускает рассмотрение с различной степенью детализации структуры, что дает возможность введения понятия кластера, как некоторого компактного объекта формирования ТРС. В данной работе сделана попытка формализации такого подхода с привязкой к нему потоковых моделей, работающих в условиях, меняющихся во времени ресурсных ограничений.

Модель автотранспортной системы описывается множеством элементов , не имеющих внутренней структуры. Введем операцию D, определение которой производится исходя из конкретной модели рассматриваемой структуры. Так, например, если рассматривается транспортная инфраструктура города, то операция определяется исходя из географических соображений. Соответственно уровнями кластеризации будут, дом, квартал, район и т.д. Взаимодействие элементов подмножеств, на каждом уровне детализации, описывается системой связей, параметры, которых задаются конкретной моделью. Таким образом, без нарушения общности, можно сказать, что кластерная модель, с учетом межкластерного взаимодействия, представима как задача на графе. Для конкретизации и построения модели требуется определить принципы построения топологии системы на определенном классе задач и систему базовых параметров модели.

В процессе составления сетевых графических моделей может возникнуть ситуация когда исходный граф модели с максимальным уровнем детализации вершин и ребер оказывается очень велик и описывается большой матрицей. В практическом использовании, например при моделировании динамики транспортных потоков муниципальных и (или) региональных образований, можно выделить подмножества вершин и ребер, которые достаточно тесно связаны между собой и имеют ограниченное число связей с другими подмножествами. Как указывалось выше, определение набора подмножеств, требует задания операции D. В данном случае, эта операция определяется, как функция координатного отбора с учетом административно-территориального деления. Такие подмножества будем называть кластерами. Само понятие кластера, используемое в данной работе, достаточно условно и определяет степень детализации рассматриваемых моделей.

Модель задана графом , где - множество вершин графа, соответствующее множеству узлов магистральной автодорожной сети города (микрорайонов с определенным числом объектов притяжения транспорта), где n - общее число узлов, вершина соответствует узлу номер i, а , () - множество ребер графа, соответствующее возможным магистральным связям между узлами, задаваемое парами, где каждой паре (ребру) соответствует участку магистрали (перегону) между узлами (вершинами) i и j. Каждому ребру графа поставлен в соответствие вес ребра. Вес ребра равен . Если ребра, связывающего вершины и нет, то . Под весом ребра будем понимать пропускную способность магистрали между вершинами . В связи с тем, что в общем случае, матрица пропускной способности может быть несимметрична, то данный граф следует рассматривать как ориентированный.

На рис. 3 приведен пример графа, соответствующий кластерной системе со степенью детализации равной двум, то есть, детализованы кластеры порядка n.

Вершины графа, обозначенные кругами, представляют объекты (микрорайоны города), имеющие внутреннюю структуру. Параметры этих объектов определяют уровень автомобильного трафика между ними и соответственно транспортную нагрузку на магистрали. Каждый такой объект, имеет свою систему входов и выходов, причем суммарный входящий трафик не равен исходящему. Другими словами, объект представляет собой систему стоков и источников трафика. Второй тип вершин, приведенных на рисунках, обозначен квадратами (Сi), задает функцию управления и маршрутизации трафика. Суммирование трафика по всем входам и выходам таких вершин, за определенный промежуток времени - Т, называемый периодом управления, должен быть равен нулю. Каждая такая вершина задается функцией управления, которая, в идеальном варианте, периодична во времени, однако в общем случае период управления может являться дискретной функцией времени. Топология задается матрицей связанности системы. Введем далее, определение порядка кластерной вершины, как числа входов и выходов из нее. Из рис. 3. следует, что вершины 1,2,3 имеют степень 3, вершина 4 имеет степень 5, вершина 5 - степень 2. Пусть далее, - вектор входов и выходов кластера i. Сопоставим данному вектору в соответствие матрицу характеристик их внутреннего взаимодействия . Здесь i- номер кластерной вершины. Данная матрица определяется из внутренней топологии кластера и постановкой конкретной задачи.

Таким образом, каждая кластерная вершина может быть представлена в векторе Х, элементами, где - степень вершины. Определим размерность вектора Х и матрицы связанности Г. Пусть n - число кластерных вершин, М - число маршрутизирующих узлов, тогда размерность вектора Х определится как: , соответственно размерность матрицы связанности Г будет .

В рассматриваемой здесь модели, ребрами графа являются участки (перегоны) дорог (улиц) городского и районного значения, не содержащие перекрестков, светофоров и въездов и выездов. Предполагается, что движение на данных участках ограничивается только свойствами вершин, которые соединяются данным ребром и параметрами магистрали. Будем считать, что весовые параметры ребер на данном интервале не меняются. Пусть далее, вектор набор независимых параметров магистрали между вершинами . Под системой независимых параметров будем понимать набор таких характеристик ребра, которые не могут быть выражены через остальные. Таким образом, применительно к графу (рис. 3), компонентами вектора будет набор матриц, размерность которых определяется размерностью матрицы связанности.

Так, для описания транспортно-распределенной системы города данный вектор может быть представлен в следующем виде:

,

где L_ij - матрица длин участков (перегонов) между вершинами . - матрица, характеризующая пропускную способность магистрали от вершины i к вершине j. Фактически данная матрица задает количество полос движения в заданном направлении. - матрица скоростных ограничений на заданном участке дороги. Данные параметры являются базовыми для рассматриваемой модели в том смысле, что их можно считать постоянными на значительном интервале времени. Очевидно, что диагональные элементы данных матриц не имеют смысла и без нарушения общности могут быть положены равными нулю. Из данных параметров могут быть рассчитаны предельные характеристики для составления матриц ограничений. Так, например, минимальный интервал времени движения транспортного средства по магистрали (i,j) может быть вычислен по формуле:.

Рис 3. Кластерная модель с детализацией n+2 порядка

Введем далее параметры заполнения дороги транспортными средствами. Пусть набор габаритов транспортных средств осуществляющих движение в рассматриваемом населенном пункте. Пусть далее - вероятность того, что некое транспортное средство, движущееся в направлении (i,j), имеет габарит , тогда среднестатистическая длина транспортного средства с учетом интервала движения , на направлении (i,j) может быть вычислена в соответствии со следующим выражением:

. (1)

Соответственно, максимальное количество транспортных средств, которые могут находиться на магистрали (i,j): . Аналогично можно ввести множество необходимых параметров требуемых для решения конкретной задачи.

Характеристики вершин графа. Как уже указывалось выше, мы выделили два типа вершин. Первый - кластерные объекты характеризуют промышленную, экономическую и социальную инфраструктуру муниципального образования, они определяют потоки транспорта, места парковки и т.д., другими словами - являются генераторами и потребителями транспортных потоков. Каждая такая вершина имеет набор въездов и выездов, связанных между собой матрицей переходных функций, определяемых исходя из деталировки кластера. Пусть далее М - множество источников транспортных средств, которое можно представить в следующем виде:

, (2)

где - множество источников транспортного движения, привязанное к кластеру i, z - общее количество кластерных вершин. Каждый элемент множества (источник транспортных средств) представим в виде вектора m_ik, где i - индекс кластера, k - номер источника в кластере.

,

где - вес источника (число транспортных средств), - их габариты. Тогда параметры кластера как суммарного объекта притяжения определятся как сумма всех внутри кластерных объектов.

Основные определения модели. Для дальнейшей конкретизации модели дадим несколько определений основных параметров и характеристик, необходимых для постановки задач. В дальнейшем под общим термином сеть будем понимать транспортную сеть рассматриваемого образования, базовым узлом сети будем называть кластерное образование, генерирующее или поглощающее транспортные потоки, узлом управления будем называть вершины графа участвующие только в маршрутизации транспортных потоков и их управлении. В приложении к различным порядкам кластеризации моделируемого объекта можно дать рекурсивное определение базовой сети кластера, как сети городских магистралей, связывающих основные объекты рассматриваемой структуры, ее входы и выходы.

Определение 1. (Определение магистрали).

Рассматриваемая магистраль задается номерами узлов сети, которые она соединяет. Магистраль, соединяющая узлы m и n обозначается или . Магистраль активна для группы объектов притяжения, если она используется при организации перевозок.

Определение 2. (Определение транспортного потока между узлами i и j).

Транспортный поток задается для пары узлов i и j, которые являются конечными узлами для пути следования данного потока. Поток образуется между объектами, прикрепленными к узлам i и j. Конечные узлы могут быть либо узлами-источниками, либо узлами-приемниками. Такой поток обозначается . При этом узел i называется источником потока (узлом-источником), а узел j называется узлом-приемником, таким образом, поток направлен от узла i к узлу j. В дальнейшем будем различать поток транспортных средств конкретного типа или суммарный поток данных всех типов транспортных средств.

Параметром потока является интенсивность этого потока, задаваемая величиной - , ().

Поток передается по городским магистралям, в соответствии с установленным маршрутом.

Определение 3. (Определение маршрута).

Маршрутом транспортного потока между узлами i и j называется множество существующих магистралей, по которым следует поток :

= {, , …, , }.

Множество задает маршрут однозначно.

Далее будет использоваться и другое определение маршрута. Маршрутом передачи потока между узлами i и j называется множество узлов , через которые передается поток :

= {},

где , если узел номер n входит в маршрут движения потока между узлами i и j, и , если узел номер n не входит в маршрут движения потока между узлами i и j. Отметим, что всегда .

Определение 4. (Определение потока, поступающего на магистраль).

Поток называется поступающим на магистраль , если магистраль входит в маршрут движения транспортного потока между узлами i и j, т.е. .

Определение 5. (Определение транзитного потока движения по магистрали) Поток , поступающий на магистраль на маршруте движения между узлами i и j называется транзитным потоком, если ни один из узлов i или j не является узлом-приемником для данного потока. Т.е. если и и .

Определение 6. (Определение потока, поступающего на узел).

Поток называется поступающим на узел m, если узел m входит в маршрут передачи данных между узлами i и j, т.е. .

Определение 7. (Определение транзитного потока, поступающего на узел).

Поток , поступающий на узел m, называется транзитным потоком, если узел m входит в маршрут потока, но не является узлом-приемником или узлом-источником для этого потока. Т.е., если и и .

Такой узел будем также называть транзитным узлом потока .

Определение 8. (Определение внутреннего потока узла).

Поток , поступающий на узел m, называется внутренним потоком узла, если это поток между объектами притяжения, расположенными в этом узле, или если маршрут потока проходит только через этот узел.

Введенные определения транзитных магистралей и узлов сети и вычисляемые значения суммарных интенсивностей транзитных потоков, проходящих через узлы и магистрали, позволяют более полно оценить качество сети, поскольку транзитные потоки вносят избыточность в нагрузку узлов и магистралей связи.

Расчет нагрузки на узлы и магистрали базовой сети. Для учета временной динамики развития базовой транспортной сети рассматриваемого объекта и возможные изменения в структуре участников движения делается предположение, что развитие происходит поэтапно, за достаточно продолжительные интервалы времени, на которых параметры модели можно считать постоянными. Для учета этого факта, все переменные, приводимых ниже алгоритмов, имеют индекс r, соответствующий номеру рассматриваемого этапа.

Расчет параметров потоков между узлами. Прежде чем приступить к решению задач формирования структуры сети, необходимо определить параметры потоков данных между узлами сети. Исходя из определения 2 поток между узлами i и j - есть суммарный поток всех типов транспортных средств на этих узлах. При этом считается, что узлы с номерами i и j входят в состав узлов, которые могут входить в состав базовой сети, т. е. и , (). Пусть - вероятность появления транспортного средства, осуществляющего перевозки между объектами n и k в момент времени t на перегоне (i, j), тогда интенсивность потока вычисляется по формуле:

,(). (3)

Справедливость выше приведенного выражения следует из того, что в нем суммируются интенсивности транспортных потоков от узла i к узлу j от объектов генерации потоков всех типов, находящихся на узле i к объектам потребления всех типов, находящимся на узле j. Суммарная интенсивность потоков, ассоциированных со всеми объектами типа m узла i всем объектам типа m узла j - вычисляется по формуле:



, (4)

().

По сути, формула (4) позволяет вычислить суммарную интенсивность потоков между объектами одного типа, расположенными на различных узлах.

Наконец, суммарная интенсивность потоков всех генерирующих объектов типа m, передаваемых от узла i всем объектам узла j, вычисляется по формуле

, (). (5)

Формулу (5) можно использовать для вычисления множества матриц суммарных интенсивностей транспортных потоков, передаваемых между узлами базовой сети объектами генерации типа m

,

где - интенсивность суммарного транспортного потока, передаваемых по транспортным магистралям базовой сети между узлами i и j объектами типа m. В этом случае справедливо равенство

, (6)

().

При выводе (6) считалось, что потоки однонаправленные, однако матрица симметричная [3], поскольку, для всех ().

Величина имеет смысл как суммарная интенсивность внутренних потоков объектов типа m на узле i и вычисляется по формуле

, (7)

().

Отметим, что из (3) и (5) следует, что , это соответствует действительности, поскольку суммарная интенсивность всех потоков от узла i к узлу j равна суммарной интенсивности потоков от объектов всех типов на узле i к объектам всех типов узла j.

Формулу (3) и её аналог, в случае если i = j, можно объединить в матричной форме, составив матрицу , () - интенсивностей потоков между узлами и в узлах.

Элементы из формулы (4) и её аналога суммарной интенсивности внутренних потоков между всеми объектами типа m присоединенных к узлу j - , можно объединить в матрицы , () - интенсивностей потоков между объектами типа m между узлами и в узлах.

Элементы из формулы (5) и её аналога суммарной интенсивности внутренних потоков всех объектов генерации типа m узла j - ,объединим в матрицы , () - интенсивностей потоков объектов типа m между узлами и в узлах.

Из (6) и (7) получим, также:

, (),



где символ T означает транспонирование матрицы, а - диагональная матрица, получаемая из матрицы приравниванием к нулю всех недиагональных элементов.

Таким образом, получены формулы (для расчета параметров потоков между базовыми узлами и внутренних потоков на узлах).

Здесь также следует отметить, что можно обобщить приведенные результаты, если задавать не одну матрицу , а, например, множество матриц , (), задающих интенсивности транспортных потоков между объектами различных типов применительно к узлам сети.

Результаты расчетов по модели (формулы (3)-(6)) являются исходными данными для проведения расчетов при решении частных задач формирования структуры базовой сети.

Расчет параметров транспортных потоков для заданного варианта структуры базовой сети. Пусть при решении частной задачи сформирован вариант структуры базовой сети. Номер этого варианта d. Этот вариант представляется в виде множества узлов и связей, соединяющих эти узлы. Требуется вычислить характеристики сети, построенной по заданному варианту. Для вычисления характеристик сети необходимо вычислить значения параметров потоков, определяющих автомобильный трафик сети. Отметим, что параметры потоков зависят от варианта структуры сети.

Требуется определить величины следующих параметров:

· вектор суммарных интенсивностей транспортных потоков на узлах базовой сети для заданного варианта структуры сети: , где - суммарная интенсивность транспортных потоков, проходящих через узел номер i базовой сети, при варианте структуры номер d на этапе r. При этом поток на узле будем разделять на три составляющих: транзитный поток (определение 7), проходящий через узел на другие узлы, внутренний поток (определение 8), создаваемый объектами, присоединенными к узлу (внутренний поток не передается на другие узлы), входящий и выходящий транспортных поток, для которого приемником или источником является данный узел;

· множество матриц суммарных интенсивностей транспортных потоков, передаваемых по магистральным связям между узлами базовой сети объектами типа m, для заданного варианта структуры на этапе r: , где интенсивность суммарного потока данных, передаваемых по магистралям базовой сети между узлами i и j пользователями типа m, ().

· вектор, задающий величины затрат на создание узлов магистральной базовой сети при заданном варианте структуры, включенных в состав базовой сети на этапе номер r: , где - величина затрат на создание узла номер j базовой сети на этапе номер r при интенсивности суммарного транспортного потока через этот узел равной , ().

· вектор, задающий величины затрат на обслуживание узлов базовой сети на этапе номер r: , где - величина затрат на обслуживание узла номер j базовой сети при заданном варианте структуры на этапе номер r при интенсивности суммарного транспортного потока через этот узел равной , ().

В процессе решения частной задачи на этапе r выбирается оптимальный вариант структуры базовой сети и его параметры, вычисляются характеристики сети для этого варианта. Этот вариант становится окончательным решением для этапа r.

Расчет нагрузки узлов. Пусть при решении частной задачи построен вариант d. Этот вариант зададим с помощью матрицы смежности , где , если узел i связан ребром с узлом j и , если узел i не связан ребром с узлом j, ().

Отметим, что не все вершины (узлы) могут входить в состав сети на данном этапе, а только те, номерам которых соответствуют единичные компоненты вектора . Ребра сети выбираются из ребер исходного графа для этапа.

Используя матрицу , можно построить для заданного варианта, полученного при решении частной задачи, множество маршрутных матриц узлов , (). Каждая матрица определяет множество маршрутов от узла е до всех других узлов при заданной структуре сети (для заданного варианта). При этом , если , (), т.е. узел номер е не входит в состав варианта d структуры базовой сети на этапе r. 0 - нулевая матрица.

Для случая, когда маршрутная матрица для узла номер е , () имеем:

, если вершина номер j (узел номер j) является, в соответствии с определением 7, транзитной для потока , т.е. при движении транспортных потоков от узла номер е к узлу номер i;

, если вершина номер j (узел номер j) не является транзитной для потока .

По сути, каждая строка номер i матрицы есть множество номеров узлов, входящих в маршрут от узла е до узла i, так, что, в соответствии с определением маршрута для потока (определение 3) имеем: .

Если узел i не достижим из узла е для данного варианта структуры базовой сети, то все элементы строки номер i матрицы равны 0.

Для построения матриц , () можно использовать любой из известных алгоритмов поиска пути на графе. Это следует из того, что для древовидного графа, маршрут, связывающий любые две вершины, всегда является единственным.

Таким образом, в работе сформулирован подход, позволяющий ставить и решать задачи формирования и оптимизации функционирования ТРС. Представлен комплекс алгоритмов, позволяющий рассчитывать параметры оптимизируемых процессов. На основе представленного подхода представляется возможным поставить задачу оптимизации функций управления движением на базовой сети транспортных магистралей с различной степенью детализации муниципальных объектов. Такая задача может быть поставлена и решена методами динамического программирования и имитационного моделирования. Предложенный подход позволяет также описать временную динамику развития ТСГ с возможностью поэтапной оптимизации принимаемых решений.

В третьей главе рассмотрены вопросы совершенствования системы управления развитием и функционированием ТСГ, на основе комплексного улучшения работы системы городского пассажирского транспорта (ГПТ) и разработки новых подходов в резервировании территорий для парковки и хранения транспортных средств.

Все передвижения пассажиров, несмотря на их кажущуюся хаотичность, подчиняются определенным закономерностям, знание которых помогает правильно планировать развитие системы ГПТ. Наиболее важные закономерности передвижений, влияющие на работу ГПТ, связаны с масштабом города, взаимным размещением и удалением отдельных пунктов тяготения, вероятностью пользования транспортом, выбором пути следования и др. Эти факторы влияют на подвижность, а также на основные пространственно-временные параметры передвижения населения.

В дальневосточных городах с развитым массовым пассажирским транспортом, вследствие небольшой плотности расселения, передвижения "от двери до двери" связаны со значительными накладными затратами на подход, ожидание, пересадку, отход от остановки.

Анализ влияния отдельных параметров на структуру времени полного передвижения и производительность системы ГПТ в г. Хабаровске был проведен с использованием результатов оптимизационных расчетов.

В результате расчетов получена зависимость времени подхода и отхода от плотности сети, времени ожидания от плотности сети (д_л) и населения (д_н), времени полной поездки (t_пол) и скорости передвижения от д_л и д_н. Если время подхода и отхода снижается с ростом плотности сети (вне зависимости от плотности населения), то время ожидания возрастает с ростом д_л, а также по мере снижения д_н. Время поездки во всех случаях остается постоянным. В результате время полного передвижения снижается с ростом д_л, а также ростом д_н. Это говорит о том, что среднее значение плотности сети д_л = 2,34 км/км² по критерию полных затрат времени передвижения нельзя принять за оптимальную величину, поскольку они снижаются и далее по мере роста как д_л, так и д_н. Зависимость же скорости передвижения от д_л и д_н обратная - нарастает с ростом этих параметров.

Анализ показывает, что динамика изменения изучаемых показателей t_пол и времени суточных передвижений (t_пас) за пределами д_л = 1,5 км/км² и д_н = 7 тыс. жит./км² снижается, т.е. дальнейший рост этих показателей не приводит к столь же существенному росту производительности системы ГПТ, как на предыдущем этапе. Поэтому эти величины можно условно принять за границы эффективности изменения д_л и д_н по экономическому критерию.

В пределах полученных общих показателей системы ГПТ эффект будет тем выше, чем ниже доля работы транспорта с наиболее высокими приведенными строительно-эксплуатационными затратами, зависящими от пробега (с учетом области применения видов транспорта), и чем меньше длина наиболее дорогостоящей транспортной сети. В целом с увеличением средней вместимости уменьшается потребность в подвижном составе, сокращается пробег, уменьшаются затраты на систему ГПТ.

В результате приведенного расчета, а также анализа проведенных исследований были сформулированы основные принципы рационального развития систем ГПТ:

1. Повышение удельной загрузки всех элементов систем ГПТ до нормативных показателей, приводит к росту их эффективности, поскольку при этом снижается потребность в материально-технических и др. ресурсах в расчете на жителя, увеличивается фондоотдача и растет производительность системы.

2. Достижение первого принципа возможно главным образом за счет совершенствования планировочных показателей города: повышения плотности населения д_н до максимального, а плотности транспортной сети д_л - до минимального (нормативного) уровня. Это, в свою очередь, приведет к оптимизации самой системы ГПТ - обеспеченности транспортной сетью д_c, маршрутного коэффициента m, напряженности пассажиропотока на маршрутах б_м, средней вместимости подвижного состава, скорости сообщения транспорта V_c, его пробега П.