Теоретические принципы и методы повышения эффективности функционирования транспортных систем городов

3. Необходимо повышать плотность населения в городах, так как затраты на систему ГПТ в расчете на жителя обратно пропорциональны плотности населения.

Наиболее простой путь достижения эффекта оптимизации систем ГПТ - это минимизация базовых абсолютных показателей системы (площади города, длины транспортной сети, длины маршрутов, при заданной численности населения). В этом случае проблемы невозможности расширения или нового строительства автотранспортных магистральных направлений, решаются созданием условий для разгрузки центральной части городов от транспортных потоков путем переноса некоторых конечных остановочных пунктов общественного транспорта за границы центра города, создание автобусных терминалов и сохранение ограниченного числа маршрутов пассажирского транспорта по центру города. Проведенные оптимизационные расчеты позволили сделать вывод об избыточности подвижного состава используемого для перевозок пассажиров и не оптимальности схем движения. Расчеты позволили обосновывать в будущем, обеспечение необходимых условий достижения высокого качества транспортного обслуживания и улучшение качества жизни населения города, посредством: создания автобусных терминалов, уменьшение числа маршрутов автобусов, укорачивания маршрутов и стимулирования пересадок; преобладающего развития пассажирского электротранспорта (трамвай, троллейбус); выноса за пределы города грузовых ж/д перевозок и обустройства удобного движения, на освободившихся существующих железнодорожных путях, городского пассажирского электропоезда и т. д.

Рис. 4. Распределение количества транспортных средств по продолжительности времени стоянки

В данной работе были разработаны и научно обоснованны «Методические рекомендации по определению объемов выделения и резервирования городских территорий для парковки и хранения транспортных средств».

Исходным пунктом решения большинства вопросов, связанных с проблемами временных стоянок автотранспорта, является определение потребности свободного пространства для парковки. Подсчет потребности в стоянках автомобилей требует всестороннего изучения процесса парковки, который в основном зависит от двух факторов. Первый из них - число автомобилей, которые прибывают к объектам различного назначения в различное время суток, недели и сезона. Второй - продолжительность парковки, т. е. время пребывания на стоянке (рис. 4).

Для определения потребности территории в местах для хранения автотранспорта, необходимо определить существующее (N_c) и требуемое (N_Т) количество машино-мест.

Расчет существующего количества машино-мест производится на основании натурных или камеральных обследований района. Подсчитывается общее количество машино-мест на каждой локальной внеуличной стоянке (N_вну). Для расчета количества уличных парковок (N_у) предложена следующая формула:

(8)

где , , , , длина проезжей части, на которой возможно осуществить стоянку ТС вдоль проезжей части и под углом 30, 45, 60, 90 соответственно.

Общее количество парковок на обследуемой территории считаем по формуле:

N_c = N_у + N_{вну .}

Необходимое количество мест для хранения автотранспорта (N_Т) предложено рассчитывать по формуле:

, (9)



где , , , , , , , ,,количество машино-мест соответственно для жилых домов, рекреационных зон и объектов отдыха, офисных и бизнес зданий, объектов приложения труда, зоны торговли, объектов физкультуры и спорта, транспортных предприятий и компаний, промышленной зоны, учреждений здравоохранения, вокзалов всех видов транспорта.

Дефицит парковочных мест рассчитывается по формуле:

, (10)

если , то для данной территории необходимо зарезервировать дополнительные места для размещения парковок.

В результате работы был предложен расчет необходимого количества стояночных мест для различных функциональных зданий и территорий, соответствующий современному уровню автомобилизации (табл. 1).

Транспортные системы городов и в первую очередь дорожное движе-ние имеет ряд принципиальных особенностей - гигантские масшта-бы, повышенную опасность, неравенство участников, сложность в управлении, бесконтрольность участников и т. д. - и подчиняется своим объективным законам. Разработанная в диссертационной работе система совершенствования перевозок ГПТ и резервирования городских территорий для парковки основана на таких законах и способствует дальнейшему совершенствованию данных систем.

В четвертой главе рассматривается разработанная многокритериальная целевая функция формирования и эксплуатации транспортно-распределительного комплекса, как базового объекта ТРС, включающая в себя наиболее значимые составляющие затрат на создание и содержание объектов инфраструктуры, а также учитывающая эксплуатационную надёжность проектируемых базовых объектов; предложен алгоритм выбора оптимальных технико-экономических параметров базовых объектов ТРС, основанный на систематическом просмотре многомерных областей с использованием равномерно распределённых последовательностей и позволяющий получить множество Парето-оптимальных решений, из которых проектировщик может выбирать окончательное решение в зависимости от имеющихся ограничений на ресурсы.

Дорожная сеть, представляет собой совокупность интегрированных элементов грузо- и пассажиропроводящей сети города, состоящей из многочисленных взаимодействующих и взаимосвязанных объектов транспортной инфраструктуры, обеспечивающих реализацию общей цели функционирования системы и получение синергетического эффекта на основе интеграции материальных, финансовых и информационных потоков.

Определяя элементный состав ТРС, в нашем случае, в качестве системообразующих (базовых) элементов ТРС выбраны территориальные округа города (ТОГ), обрабатывающие внешние и транзитные транспортные потоки, а также выполняющие распределительные и консолидирующие функции. Структура ТРС определяется топологией размещения базовых объектов, на основе которой, в дальнейшем, решается задача структурного синтеза ТРС в составе базовых объектов.

ТРС представляет собой сложную стохастическую систему, основным инструментом исследования которой возможна методология системного подхода. На основе анализа возможностей системного подхода определяется схема построения ТРС, включающая этап синтеза структуры ТРС. Формализация задачи синтеза оптимальной структуры ТРС города представляет собой достаточно сложную задачу вследствие нечеткости отношений между элементами системы и отсутствием формализованных критериев эффективности функционирования системы.

Подобную многокритериальную задачу в состоянии решить с малой долей вероятности допустить ошибку только мощный математический аппарат. Проанализировав существующий в практике оптимизации набор математических аппаратов, автор пришел к заключению, что для данной задачи возможен синтез известных, ранее применяемых в транспортных многокритериальных задачах, методов: экспертных оценок, системного анализа, теории графов, теории вероятностей и случайных процессов, теории систем массового обслуживания, теории нечетких множеств, синтез оптимальных дискретных детерминированных и логико-динамических систем.

Методику этапного структурного синтеза транспортно-распределительной системы для региона предложили Ефремов А. В. и Радченко В. П. Выполненные ими наработки были использованы в данной работе и дополнены с учетом собственных исследований для оптимизации грузопотоков внутри крупного города, при существующей дорожной сети, для предоставления возможно более широкого спектра услуг транспортного обслуживания населения, таких, как увеличение пропускной способности, обеспечение желаемой скорости, комфортных, безопасных и информационно обеспеченных условий движения и доставки грузов и т. д.

Преимуществом представленного подхода является возможность промоделировать построение ТРС на основе статистических данных по интенсивности транспортных потоков города.

Каждый следующий этап предложенной методики (рис. 5) является логическим продолжением предыдущего и все вместе они реализуют синтез структуры проектируемой ТРС. Этапы 1-3, 5 представляют собой системные задачи, рассматривающие интенсивности транспортных потоков города, имеющуюся транспортную инфраструктуру как единый полигон для создания ТРС. Четвертый этап представляет комплекс частных задач, исследующих функционирование базовых объектов ТРС как самостоятельных хозяйствующих субъектов.



Этап 1. Исследование транспортно-распределительного комплекса города и определение наиболее грузо-напряженных узлов (ГНУ)
Этап 2. Построение модели взаимодействующих смежных зон транспортного обслуживания
Этап 3. Определение месторасположения территориально распределительных узлов - базовых объектов ТРС
Этап 4. Определение оптимальных технико-экономических параметров базовых объектов ТРС
Этап 5. Определение наиболее эффективного варианта структуры ТРС

Рис. 5. Методика синтеза структуры ТРС

Для исследования ТРС города моделируется в виде сети G (X, U) , вершинами x_i,i = которой являются транспортные узлы, дугами u_j,j = - транспортные коммуникации города. Веса вершин p_i - суммарный объём интенсивности транспортных потоков за рассматриваемый период i. Базовые объекты ТРС должны быть ориентированы на значительные объемы интенсивности транспортных потоков, поэтому их размещение должно базироваться в узлах наибольшего сосредоточения городских грузопотоков.

За пропускную способность r_ij дуг сети принимается вес вершины, из которой дуга выходит:

r_ij = p_i j, i = . (11)

Дуги ориентируются в направлении от источника к стоку. За источник принимаются вершины, соответствующие точкам зарождения грузопотоков, за стоки - соответственно точки их погашения.

Методика определения узлов с наибольшей концентрацией грузопотоков основана на теореме о максимальном потоке на сети.

В настоящей работе используется симплекс-метод для нахождения максимального потока в сети. Для этого задача о максимальном потоке была поставлена в терминах линейного программирования.

В рассматриваемом методе за точки сгущения грузопотоков принимаются точки с выходящими из них ненасыщенными дугами с пропускной способностью большей или равной минимально необходимому для создания базового объекта ТРС объёму переработки транспортных потоков.

После построения максимального потока f_max в сети проводится анализ результата на предмет поиска наиболее ненасыщенных дуг, что соответствует точкам сгущения потоков (ТСП) D_m :

D_m = {x_i : p_i ?k r_ij : r_ij > x_ij}, (12)

где k - критерий минимального объёма интенсивности транспортных потоков.

Следующим рассматривается второй этап предложенной методики структурного синтеза ТРС - определение зон эффективного транспортного обслуживания потребителей, тяготеющих к выделенным ТСП. В качестве потребителей выступают водители транспортных средств, грузоотправители и грузополучатели. В основе метода идентификации и сегментации зон транспортного обслуживания лежит теория нечетких множеств. При этом принимаются следующие допущения:

- определено m точек сгущения транспортных потоков;

- продукция одного качества (распределительные и консолидирующие функции);

- точки сгущения транспортных потоков характеризуются p признаками;

- степени важности признаков варьируются между потребителями;

- одна ТСП предпочитается другой, если её признаки по своей степени важности более близки к оценке потребителя.

Пусть X = {x₁, x₂, ..., x_n} - множество потребителей, Y = {y₁, y₂, ..., y_p} - множество признаков ТСП и Z ={z₁, z₂, ..., z_m} - множество ТСП.

Пусть Ф_R : XЧY>[0, 1] есть функция принадлежности нечёткого бинарного отношения R. Для всех xX и yY функция Ф_R (x, y) - степень важности признака y по оценке потребителя x при определении им предпочтения ТСП. Отношение R можно представить в матричной форме:

R = . (13)

Пусть р_S :YЧZ> [0, 1] есть функция принадлежности нечёткого бинарного отношения S. Для всех yY и zZ функция р_S ( y, z) - степень принадлежности или совместимости ТСП z с признаком y. В матричной форме отношение имеет вид:

S = . (14)

Теперь можно получить матрицу Т:

T = , (15)

элементы которой определяются функцией принадлежности



. (16)

Сумма равна степени нечёткого множества, указывающей число важнейших признаков y, которое потребитель x использует для оценки ТСП, а можно интерпретировать как взвешенную степень предпочтения ТСП z_i потребителем x. Функция предпочтения, описываемая уравнением (20), удовлетворяет определению выпуклого нечёткого подмножества.

Для перекрытия зон обслуживания точек сгущения грузопотоков z_i и z_j используется “порог разделимости”. В данной модели порог разделения l может быть ограничен условием

. (17)

Таким образом, для выбранного порога l зона обслуживания M_i точки сгущения z_i определяется нечётким множеством уровня l

M_i = { } xX . (18)

В качестве признаков ТСП используются: транспортная доступность (наличие железнодорожных и автомобильных дорог, речных портов, аэропортов), мощность ТСП, фактор близости потребителя к ТСП.

Следующий этап методики структурного синтеза ТРС предполагает определение месторасположения базового объекта (БО) в каждой из идентифицированных зон транспортного обслуживания. На основе анализа существующих подходов к решению данной задачи проводится обоснование выбора метода определения оптимального месторасположения по критерию минимума грузооборота. Этот метод представляет собой сетевую модель, позволяющую определить оптимальное месторасположение БО с учётом существующей сети транспортных коммуникаций. Для каждой зоны эффективного транспортного обслуживания строится сеть G_i , i = , аналогичная уже рассмотренной G (X, U) . Здесь m - количество идентифицированных зон транспортного обслуживания. В качестве вершин выбираются грузо-напряженные узлы (ГНУ) города, расположенные на территории зоны транспортного обслуживания. Оптимальное месторасположение БО будет соответствовать общей медиане такой сети.

На пятом этапе предложенной методики синтеза структуры ТРС, определяется эффективная структура города, основанная на методе анализа иерархий. Суть этой методики состоит в декомпозиции проблемы на более простые части (элементы) и последующем построении иерархий взаимодействий полученных элементов. Анализ иерархий основывается на определении приоритетов элементов по отношению к выбранным критериям оценки. Согласно методу анализа иерархий, декомпозиция проблемы в иерархию выглядит следующим образом (рис. 6).

Уровень 1			Цель (свойство)
Уровень 2	А1		А2		А2	…	Аn
Уровень 3	В1		В2		…		Вm

Рис.6. Декомпозиция проблемы в иерархию.

Для рассматриваемой задачи целью является получение эффективной структуры ТРС, элементы A_i - критерии оценки различных вариантов структур ТРС, элементы B_j - варианты реализации структуры ТРС. Различные варианты реализации структуры ТРС получаются в результате варьирования количества ТСП.

В рассматриваемом методе определение приоритетов (важности) критериев A_i и оценка различных вариантов B_j по этим критериям происходит путём построения матриц парных сравнений по отношению к их воздействию на общую для них характеристику. Такой подход позволяет выбрать наиболее эффективный вариант реализации структуры ТРС на основе выбранных критериев.

Далее необходимо исследование функционирования ТНУ, в районах выбранных в качестве БО ТРС, что соответствует четвёртому этапу общей методики структурного синтеза ТРС.

Основными параметрами ТНУ являются объём интенсивности транспортных потоков и их пропускная способность. Объём интенсивности транспортных потоков определяется на основе существующих и прогнозируемых грузопотоков, а для определения пропускной способности рассмотрим ТНУ как открытую многоканальную систему массового обслуживания (СМО) с ожиданием, граф состояний которой приведён на рис. 7.

Рис. 7. Граф состояний открытой СМО: q₀ - отсутствие интенсивности в зоне ТНУ; q₁ - в зоне ТНУ находится один автомобиль; q₂ - в зоне ТНУ находится два автомобиля; … q_n - в зоне ТНУ находятся n автомобилей (пропускная способность исчерпана)

Далее формируется многокритериальная целевая функция задачи создания и эксплуатации БО ТРС для определения оптимальных технико-экономических параметров. Модель определения этих параметров может быть представлена в виде:

A_кт = (б _кт1 , …, б _ктn ) F_кт , F_кт = { F_кт1 , F_{кт 2} , ..., F_ктk } , (19)

где A_кт - вектор оптимизируемых параметров ГНУ; F_ктi - i-й критерий оптимальности; k - количество критериев оптимальности. В настоящей работе в качестве оптимизируемых технико-технологических параметров ГНУ выбраны: число подходов (ЧП) к ГНУ (Z); интенсивность движения на подходах к ГНУ (m); время задержки в ГНУ от прибытия и до отправления ( t_зд ); число полос (ЧП) на подходах к ГНУ (H).

К неоптимизируемым параметрам относятся: технические параметры подвижного состава и его стоимостные показатели, экономические нормативы и др.

В качестве критериев оптимальности выбран критерий, выражающий приведенные затраты, связанные с созданием и функционированием БО, и критерий, выражающий эксплуатационную надёжность.

Под эксплуатационной надежностью понимается вероятность обработки всего суточного объема транспортного потока с учетом неравномерности последнего. Коэффициент резерва - параметр, характеризующий неравномерность суточной интенсивности транспортного потока - задается соотношением:

К_рез = 1 + К_д , (20)

где M(X) - математическое ожидание интенсивности транспортного потока; у(X) - среднеквадратичное отклонение величины X; К_д - число, задающее интервал отклонения от математического ожидания, при К_д = 3 (для случая нормального распределения) обеспечивается эксплуатационная надежность, близкая к 100 %.

Критерий оптимальности, связанный с экономическими затратами, выглядит следующим образом:

F_{кт1 =} f (Z, m, t_зд, Н, K_рез) = С_i , (21)

где C₁(Z) - приведённые затраты на технические средства организации дорожного движения (ТСОДД), руб./год; C₂(t_зд, H, K_рез) - приведённые затраты на транспортные сооружения, руб./год; C₃(Z, t_зд, H, K_рез) - затраты на электроэнергию, руб./год; C₄(Z, H, m, K_рез) - расходы за износ покрытия в районе БО, руб./год; C₅(t_зд, H, K_рез) - расходы за износ (использование) автомобилей, руб./год; C₆ (m) - расходы на задержки (простой) автомобилей.

Критерий F_кт2 , характеризующий эксплуатационную надёжность, определяется как эмпирическая функция распределения коэффициента резерва K_рез.

Таким образом, постановка задачи определения оптимальных параметров может быть представлена в виде:

F_кт1 = С_i > min, F_кт2 = F(K_рез) > max, (22)

при ограничениях

P_кт (A_кт) ? , (23)

, (24)

где P_кт (A_кт) - перерабатывающая способность ТНУ; - суточная интенсивность транспортного потока в ТНУ; - соответственно минимальные и максимальные значения из множества допустимых значений варьируемых параметров A_кт = {Z, t_зд , H, m, K_рез}. Соотношение (23) представляет собой функциональное ограничение, означающее, что весь проходящий через узел суточный объема транспортного потока должен быть обработан.

На основе анализа существующих методов решения многокритериальной задачи (22) - (24) был выбран метод определения оптимальных технико-экономических параметров, основанный на систематическом просмотре многомерных областей в пространстве параметров с использованием равномерно распределенных последовательностей.

Эффективность функционирования БО определяется на основе двух показателей - себестоимости обработки одного автомобиля и рентабельности БО.

Себестоимость обработки внешних и транзитных транспортных потоков, а также выполнение распределительных и консолидирующих функций является обобщающим показателем качества работы БО. В нём отражены конкретные условия работы ТНУ, техническое оснащение, технология и организация распределительных и консолидирующих работ.

Эффективность функционирования БО в качестве системообразующих элементов определяет эффективность всей проектируемой ТРС. На основе приведённых показателей экономической эффективности и критериев оптимальности задачи создания и эксплуатации БО ТРС были определены пять критериев оценки для методики выбора наиболее эффективного варианта реализации структуры ТРС: критерий суммарных приведённых издержек на создание и функционирование ТРС; критерий общего объёма необходимых инвестиций; критерий затрат на переработку транспортного потока; критерий транспортных издержек; критерий общей рентабельности системы. Выделенные критерии оценки эффективности структуры ТРС охватывают все доступные на этапе проектирования показатели функционирования ТРС и позволяют на основе объективных данных выбрать наиболее эффективный вариант реализации структуры ТРС.

Предложенная методика структурного синтеза ТРС была апробирована на примере дорожной сети г. Хабаровска. Согласно методологии системного подхода проведен анализ предметной области исследований - транспортно-распределительного комплекса г. Хабаровска, включающий в себя анализ автотранспортной инфраструктуры, направлений и объёмов транспортных потоков на территории г. Хабаровска.

Далее на основе исходных данных по интенсивности транспортных потоков города согласно первому этапу предложенной методики синтеза структуры ТРС сформирована сеть G(X, U), включающая 31 объект автодорожной инфраструктуры города (рис. 8). Для полученной сети G решается задача максимального потока с помощью симплекс-метода.

Согласно правилу определения узлов сгущения транспортных потоков на основе исходных данных г. Хабаровска было выделено три консолидированных ТОГ - Северный округ, Центральный округ и Южный округ.

На следующем этапе общей методики синтеза структуры ТРС была проведена идентификация и сегментация зон транспортного обслуживания потребителей, тяготеющих к найденным ТСП. Далее для каждой из идентифицированных зон был произведен расчёт оптимального месторасположения базового объекта. Согласно результатам, оптимальное месторасположение базового объекта для каждой из зон транспортного обслуживания в двух случаях совпало с ТОГ, а для варианта реализации структуры ТРС, включающего только один ТОГ Центральный округ, оптимальное месторасположение для базового объекта было определено в Северном округе.

В результате анализа существующих и прогнозируемых грузопотоков на территории города были определены объёмы грузопереработки БО, а также определена система ограничений на оптимизируемые параметры и произведены расчеты для базовых объектов в ТОГ Северного, Центрального и Южного. Анализ результатов показывает, что наиболее существенное влияние на F_кт1 оказывают приведённые затраты на транспортные сооружения (С₂) - ~70 % от суммарных затрат. Далее идут расходы за использование автомобилей (С₅) - ~10 % и проезжей части (С₄) - ~8 %. Затраты на электроэнергию (С₃) составляют ~5 % от всей суммы. На оставшиеся позиции приходится около 2 %.

Рентабельность базовых объектов в Северном, Центральном и Южном ТОГ, соответственно составила 0,724; 0,752; 0,789. Высокие значения рентабельности свидетельствуют об экономической эффективности проектируемых базовых объектов ТРС.

На заключительном этапе методики синтеза структуры ТРС, определялась наиболее эффективная реализация структуры ТРС. Для этого была составлена в соответствии с методом анализа иерархий матрица парных сравнений для критериев оценки эффективности ТРС и определены элементы третьего уровня иерархии (табл. 2).

Таблица 2 Элементы третьего уровня иерархии

Реализация структуры	ТОГ Северный Центральный Южный	ТОГ Северный Центральный	ТОГ Северный Южный	ТОГ Центральный Южный	ТОГ Северный	ТОГ Центральный	ТОГ Южный
Соответствующий элемент	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7

Для каждого критерия оценки формировалась матрица парных сравнений элементов третьего уровня и на основании полученных локальных приоритетов была сформирована матрица глобальных приоритетов.

Наибольший приоритет получился у варианта реализации структуры ТРС, включающего все три идентифицированные ТОГ. Согласно методу анализа иерархий, B₁ является наиболее эффективным вариантом структуры ТРС г. Хабаровска.

Таким образом, поэтапная методика синтеза структуры ТРС, позволила на основе реально доступных данных о грузопотоках города получить эффективную структуру и функциональную организацию ТРС, а так же определить месторасположения базовых объектов ТРС в каждой из идентифицированных зон транспортного обслуживания потребителей с использованием сетевой модели.

В результате сформирована многокритериальная целевая функция формирования и эксплуатации базового объекта ТРС, включающая в себя наиболее значимые составляющие затрат на создание и содержание объектов терминальной инфраструктуры, а также учитывающая эксплуатационную надёжность проектируемых базовых объектов.

Предложенный алгоритм выбора оптимальных технико-экономических параметров базовых объектов ТРС, основанный на систематическом просмотре многомерных областей с использованием равномерно распределённых последовательностей, позволил получить множество Парето-оптимальных решений, из которых проектировщик может выбирать окончательное решение в зависимости от имеющихся ограничений на ресурсы.

В пятой главе исследованы теоретические подходы к сохранению дорожной сети городов. Дорожные сети в городах Российской Федерации складывались в течение длительного периода без должного учета перспективного развития городов по принципу эпизодических реконструкций. Дороги различаются в широких диапазонах по геометрическим и конструктивным параметрам, интенсивности и составу движения. Воздействие автомобилей различной грузоподъемности на дорожные одежды не равнозначно. Увеличение нагрузки на ось, общего веса транспортного средства приводит к преждевременному разрушению дорожной одежды, увеличению ее износа.

В данной главе представлена научно-обоснованная методика расчета ограничения движения транспортных средств в период весеннего разупрочнения грунта земляного полотна с целью сохранения дорожной одежды от разрушения.

Сохранность дорог предусматривается и в летний период, когда асфальт «плавится» под воздействием высоких температур и образуется колея, но, как правило, наибольшие разрушения дорожных конструкций наблюдаются в весенний период оттаивания грунтов. В этот период снижается несущая способность дорожных одежд, что приводит к ограничению допустимых осевых нагрузок и закрытию дорог для пропуска тяжеловесных автомобилей.

Особенно это актуально для городских дорог, которые проложены в нулевых отметках, плохо решен вопрос поверхностного водоотвода, существенное влияние оказывают коммуникации.

Решение о введении временного ограничения движения на автомобильных дорогах и по перечню транспортных средств, на которые не распространяется ограничение движения, по дорогам местной сети принимается администрацией субъектов (муниципальных образований) Российской Федерации. Сроки действия временного ограничения движения указываются согласно представлению дорожных организаций по опыту прошлых лет.

На сегодняшний день нет обоснованной математической модели, позволяющей в зависимости от географического положения автомобильной дороги, состояния дорожных конструкций и темпов весеннего оттаивания установить оптимальные сроки закрытия автомобильных дорог и ограничения нагрузок на территории различных субъектов (муниципальных образований) Российской Федерации.

Основная цель ограничений - снижение затрат на ремонт, в обеспечении сохранности дорожной конструкции в пределах нормативного межремонтного срока службы. Для того чтобы ограничения были менее ощутимы для пользователей автомобильных дорог, необходимо создание математической модели, методики и рекомендаций по прогнозированию оптимальных сроков ограничения осевых нагрузок на автомобильных дорогах в период распутицы, дифференцированных в зависимости от реального состояния дорожных конструкций, дорожно-климатического районирования и тяжеловесности автомобилей.

Внедрение разработанной автором методики позволяет снизить на 20 % затраты на ремонтные работы за счет уменьшения ущерба, нанесенного автомобильным дорогам в период распутицы из-за неправильного назначения сроков закрытия автомобильных дорог. Более того, по результатам работы уменьшается ущерб, нанесенный экономике страны, из-за закрытия дорог в период, когда их эксплуатация не вызывает разрушений.

Методика позволяет использование её для практической работы ИТР при прогнозировании сроков ограничения осевых нагрузок в различных субъектах (муниципальных образованиях) Российской Федерации.

Разработанная математическая модель по определению оптимальных сроков ограничения осевых нагрузок строится следующим образом:

1. По данным прогноза синоптиков определяется в зависимости от географического положения дорожной сети директивная (среднестатистическая) дата начала срока ограничения осевых нагрузок. Эта дата в зависимости от климатических особенностей каждой весны корректируется на территории каждого субъекта (муниципального образования) территориальными дорожными органами.

2. Директивная (среднестатистическая) продолжительность периода весеннего ограничения осевых нагрузок определяется по формуле предложенной В. М. Сиденко, с введением автором в данную формулу уточняющего коэффициента k учитывающего состояние дорожной одежды:

Т_р = k Z_от / a_v, (25)

где Z_от - глубина оттаивания дорожной конструкции, см; a_v - среднесуточная скорость оттаивания дорожных конструкций, см/сут.

В разработанной методике предусматривается учет состояния дорожной одежды с помощью эмпирического коэффициента k, который предполагается определить на основе работ, выполняемых при проведении диагностики дорог согласно ОДН 6-2002 «Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог». Визуальная регистрация дефектов дорожных одежд и покрытий с целью определения их состояния осуществляется ежегодно, не зависимо от значения дороги. Безусловно, при плохом состоянии дорожной одежды (трещины, выбоины, колея и т.д.), малой толщине конструктивных слоев дорожной одежды будет большое влагонакопление, малая плотность грунта, что будет способствовать увеличению продолжительности периода ограничения осевых нагрузок.

Эмпирический коэффициент k рассчитан и табулирован для различных состояний покрытия, типов и прочностей дорожной одежды. Данный коэффициент меняется в пределах от 1,0 до 1,61.

3. Фактическая продолжительность периода весеннего ограничения осевых нагрузок будет отличаться от директивной (среднестатистической), так как каждый год будут отклонения от среднестатистической температуры, количества осадков, влажности и т.д. В зависимости от прогноза погоды корректировать среднесуточную глубину оттаивания дорожных конструкций по следующей формуле:

Z_ф.от = Z_от (А_ср / А_факт)^0,5 , (26)

где А_ср - средняя суточная амплитуда колебания температуры воздуха в период оттаивания (для данного региона), град С; А_факт - фактическая средняя суточная амплитуда колебания температуры воздуха в период оттаивания, град С (определяется по прогнозу синоптиков).

Обоснованные сроки ограничения пропуска автомобилей разной грузоподъемности должны опираться на реальную картину изменения прочностных характеристик грунтов земляного полотна в период весенней распутицы.

Периодом снижения прочностных значений грунта земляного полотна следует считать период от начала оттаивания до глубины оттаивания 0,8-1,2 м от низа дорожной одежды. Причем следует заметить, что после оттаивания земляного полотна на глубину 0,8 м, освободившаяся влага будет притягиваться к фронту оттаивания не только вверх, но и в стороны к обочинам. Тогда, допустимое значение влажности, можно найти по формуле:

W_доп/W₀ = 1 + ДW • t, (27)

где t - количество дней до начала периода ограничения пропуска соответствующей нагрузки; W_доп - допустимая влажность грунта земляного полотна; W₀ - влажность на момент оттаивания; ДW - относительное изменение влажности грунта земляного полотна, за период оттаивания на глубину 0,8 м, со скоростью оттаивания дорожных конструкций а_v.

ДW = , (28)

где а_w - прирост влажности грунта земляного полотна за весенний период.

По результатам исследований прирост влажности грунта земляного полотна за весенний период а_w, был систематизирован, согласно типу местности по условиям увлажнения рабочего слоя и типу грунта земляного полотна (табл. 3).

Таблица 3. Значение прироста влажности грунта земляного полотна за весенний период, %

Тип местности по условиям увлажнения рабочего слоя земляного полотна	Грунты
	супесь легкая	песок пылеватый	суглинок легкий	супесь пылеватая и суглинок пылеватый
1	4…6	7…9	9…11	11…13
2	7…9	11…13	14…16	16…18
3	10…12	14…16	17…19	19…21

Примечание: Верхний предел характерен для затяжной осени и, как следствие, избыточного влагонакопления. Нижний предел, для короткой осени и раннего наступления отрицательных температур.

Расчетные характеристики грунта земляного полотна зависят от расчетной влажности, которая в свою очередь определяется средней влажностью и уровнем проектной надежности. Поэтому для выполнения расчетов дорожных одежд были получены эмпирические зависимости допустимой влажности до возникновения недопустимых сдвигающих напряжений в грунте земляного полотна от различной нагрузки на ось автомобиля для различных типов (по ОДН 218.1.052-2002) дорожной одежды, при требуемом коэффициенте прочности К_пр (рис. 9).

В зависимости от фактической среднесуточной амплитуды колебания температуры воздуха в период оттаивания, значительно меняется продолжительность периода ограничений.

Рис. 9. Зависимости допустимой влажности грунта земляного полотна от различной нагрузки на ось автомобиля для различных типов (по ОДН 218.1.052-2002) дорожной одежды, при требуемом коэффициенте прочности К_пр.



Примечание: Порядок использования графика - для рассматриваемой нагрузки на ось автомобиля, по рис. 9, определяем допустимую влажность грунта земляного полотна W_доп / W_о, в зависимости от требуемого коэффициента прочности по критерию сдвига (по ОДН 218.1.052-2002), соответствующего определенному типу дорожной одежды.

Предложенная методика позволяет учесть тип дорожного покрытия и состояние дорожной одежды на период оттаивания, фактическую продолжительность периода весеннего оттаивания, полный вес и нагрузки на ось транспортных средств и регламентирует для различных автомобильных нагрузок период начала и конца ограничений.

В шестой главе разработана модель (концепция) комплексного подхода к развитию транспортного потенциала автотранспортных систем городов.

В настоящий момент требуется разработка и принятие среднесрочных программ по развитию дорожной сети. Разработка таких программ, а в особенности программ с объективно вынужденными расхождениями с положениями действующих генеральных планов, требует основательного пересмотра сложившейся системы транспортного планирования, серьезных финансовых затрат и времени. Подобные трудности вызваны в первую очередь тем, что технологии, временные рамки и расчетные показатели программ развития будут значительно отличаться от тех, что заложены в генеральных планах городов. Отсутствие в настоящее время таких программ и планов перекладывает задачи среднесрочного планирования развития дорожной сети в плоскость оперативного управления процессом принятия решений, основанного либо на коллегиальном принципе, либо на принципе единоначалия. Подобные принципы формирования транспортной политики либо размывают ответственность за конечный результат, либо имеют большую вероятность принятия ошибочных решений, в перспективе еще больше усугубляющих положение в дорожно-транспортном комплексе городов.

В итоге складывается ситуация, когда, имея в распоряжении полный набор разработанных документов регионального и местного уровня в области развития дорожно-транспортного комплекса, муниципальные службы оказались не в состоянии системно осуществлять процесс транспортного планирования. Возникает необходимость в разработке документа не столько в развитие уже созданных документов генерального планирования, сколько некоего руководства в принятии среднесрочных и оперативных решений по использованию транспортного потенциала автотранспортных систем, направленных на улучшение транспортной ситуации в городах. Нужен максимально функциональный документ как основа принятия оперативных управленческих решений в области транспортного планирования городов.

Для решения этих задач возникает необходимость разработки Концепции транспортного планирования и организации движения на территории города - специального документа, учитывающего особенности каждого города. Данная Концепция должна определять цель, задачи, приоритеты, основные направления формирования транспортной политики органов местного самоуправления городов и механизмы её реализации.

Основное внимание в разработанной Концепции обращено к двум основным блокам вопросов:

- совершенствованию системы управления развитием дорожно-транспортного комплекса города;

- формированию системного подхода к этому процессу.

Объектами приложения Концепции на всех уровнях воздействия (управленческий, законодательный, организационно-технический) предложено рассматривать:

1. Транспортное планирование (в т. ч. формирование ТРС).

2. Организацию и управление дорожным движением.

3. Совершенствование системы городского пассажирского транспорта.

4. Формирование парковочной политики.

5. Сохранение существующей и развитие дорожной сети.

Научно-обоснованные решения по каждому вышеназванному элементу были рассмотрены в данной работе и в совокупности предложены в виде концепции комплексного подхода развития транспортного потенциала автотранспортной системы города.



заключение

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что рассмотренные в работе вопросы действительно сложные, проблемные, комплексные, и вряд ли их можно решить сиюминутно. Они требуют точного анализа и прогнозирования последствий проводимых мероприятий.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены новые научные данные о закономерностях развития и функционирования автотранспортных систем городов, разработаны теоретические принципы и модели развития их потенциала.

В диссертационном исследовании получены следующие основные результаты, совокупность которых свидетельствует о достижении поставленных целей и решении сформулированных задач исследования:

1. Даны предложения по внесению изменений и дополнений в нормативные документы транспортного законодательства, имеющие прямое действие на систему управления ТСГ.

2. Сформулированы концептуальные основы развития транспортного потенциала автотранспортных систем городов, посредством комплексного учета влияющих факторов.

3. Теоретически обоснованы принципы поэтапного формирования эффективного функционирования транспортной сети города, как типовое решение при наличии ресурсных ограничений, не позволяющих практически создавать инфраструктуру по всем направлениям одновременно.

4. Дано математическое описание процесса поэтапного формирования структуры базовой магистральной сети города, позволившее определить достаточные условия сходимости процесса за конечное число этапов при наличии ресурсных ограничений.

5. Разработан комплекс математических моделей для расчета и оптимизации характеристик структуры базовой транспортной сети города, при ее поэтапном формировании учитывающих наличие ресурсных ограничений и изменения условий на этапах.

6. Разработаны рекомендации определения объемов резервирования земель в границах муниципальных образований для развития стоянок автотранспорта;

7. Предложена комплексная модель совершенствования системы ГПТ обосновывающая в будущем, при отсутствии возможности расширения или нового строительства автотранспортных магистральных направлений, обеспечение необходимых условий достижения высокого качества транспортного обслуживания и улучшение качества жизни населения города, посредством: создания автобусных терминалов, уменьшения числа маршрутов автобусов, укорачивания маршрутов и стимулирования пересадок; преобладающего развития пассажирского электротранспорта (трамвай, троллейбус); выноса за пределы города грузовых ж/д перевозок и обустройства удобного движения, на освободившихся существующих железнодорожных путях, городского пассажирского электропоезда и т. д..

8. Впервые примененная для городских условий, получила развитие теория рационального размещения базового объекта транспортно-распределительной системы, обеспечивающего интеграцию внутригородских и транзитных грузопотоков;

9. Поэтапная методика синтеза структуры ТРС, позволила на основе реально доступных данных о грузопотоках города получить эффективную структуру и функциональную организацию ТРС, а так же определить месторасположения базовых объектов ТРС в каждой из идентифицированных зон транспортного обслуживания потребителей с использованием сетевой модели.

10. Сформирована многокритериальная целевая функция формирования и эксплуатации базового объекта ТРС, включающая в себя наиболее значимые составляющие затрат на создание и содержание объектов терминальной инфраструктуры, а также учитывающая эксплуатационную надёжность проектируемых базовых объектов.

11. Апробация предложенной методики структурного синтеза ТРС выполнена на примере г. Хабаровска.

12. Разработана методика сохранения городской дорожной сети в расчетный период времени, посредством определения оптимальных сроков ограничения различных по величине осевых нагрузок транспортных средств.

13. Разработана интегрированная модель (концепция) комплексного подхода развития транспортного потенциала автотранспортной системы города.

Системное решение всех рассмотренных направлений улучшения транспортных проблем городов позволит в будущем обеспечить необходимые условия достижения безопасности дорожного движения, высокое качество транспортного обслуживания, эффективное использование всех видов городских ресурсов, повышение степени использования городских территорий, улучшение качества жизни населения.



ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПОЛНОСТЬЮ РАСКРЫВАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Пугачев И. Н. Проблемы эффективной модернизации городской дорожной сети / И. Н. Пугачёв, Р. Г. Леонтьев // Транспорт : наука, техника, управление : науч.-информ. сб. - 2008. - Вып. 4. - С. 24-31.

2. Пугачев И. Н. Проблемы модернизации транспортных систем городов / И. Н. Пугачев // Транспортное строительство. - 2008. - № 8,. - С. 5-9.

3. Пугачев И. Н. Прогнозирование развития системы городского пассажирского транспорта в условиях крупного города / И. Н. Пугачев, П. П. Володькин // Вестник ТОГУ. 2010. № 1(16). - С. 91-98.

4. Пугачев И. Н. Развитие городских транспортно-распределительных систем / И. Н. Пугачев // Транспорт Урала .- № 1(24)/2010 - C. 28-31.

5. Пугачев И. Н. Проблемы провозной способности предприятий грузового автотранспорта и пропускной способности транспортной системы города Хабаровска и Хабаровского края / И. Н. Пугачёв, Ю. И. Куликов // Грузовое и пассажирское автохозяйство. № 3, 2010 - С. 14-19.

6. Пугачев И. Н. Реформирование и оптимизация системы ГПТ в крупных городах / И. Н. Пугачёв, П. П. Володькин // Грузовое и пассажирское автохозяйство. № 4, 2010 - С. 24-29.

7. Пугачев И. Н. Практическое применение модели кластерных сетевых структур в решении задач, повышения эффективности функционирования транспортно-распределительных систем городов / И. Н. Пугачев, С. М. Бурков // Вестник ТОГУ. 2010. № 2(17). - С. 121-130.

8. Пугачев И. Н. Разработка методов рационального развития систем городского пассажирского транспорта в условиях рынка и конкуренции / И. Н. Пугачев, П. П. Володькин // Вестник ТОГУ. 2010. № 2(17). - С. 131-140.

9. Пугачев И. Н. Оптимизация управления движением транспортных потоков на базовой сети автомобильных магистралей крупных городов / И. Н. Пугачев, С. М. Бурков // Транспорт Урала .- № 2(25)/2010 - C. 12-16.

10. Пугачев И. Н. Необходим единый стандарт по нормативной нагрузке для автотранспортных средств / И. Н. Пугачев, Ю. И. Куликов // Транспортное строительство. - 2010. - № 4. - С. 20-22.

Авторские монографии :

11. Пугачев И. Н. Методология развития эффективного и безопасного функционирования транспортных систем городов / И. Н. Пугачёв // Владивосток : Дальнаука, 2009. - 260 с.

Коллективные монографии :

12. Пугачев И. Н. Статистический анализ ДТП, связанных с состоянием и шириной обочин. Гл. 4 ; Исследование влияния ширины обочин на режим и безопасность движения. Гл. 5 ; Обоснование ширины обочин в зависимости от размещения элементов обустройства дороги. Гл. 6 / И. Н. Пугачёв // Обоснование требований к ширине обочин и типу их укрепления / А. И. Ярмолинский, П. А. Пегин, И. Н. Пугачёв, В. А. Ярмолинский. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2006. - С. 51-101.

13. Пугачев И. Н. Определение существующей пропускной способности сети автомобильных дорог общего пользования Хабаровского края § 4.1; Обоснование необходимости в дополнительных пропускных способностях сети автомобильных дорог общего пользования Хабаровского края § 4.2. / И. Н. Пугачёв // Транспортный комплекс Хабаровского края: современное состояние, проблемы, перспективы : моногр. / под ред. С. А. Зражевского, А. С. Балалаева, В. И. Савченко. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2008. - С. 68-100.

14. Пугачев И. Н. Проблемы современного нормативного обеспечения функционирования и развития дорожных сетей. § 1.1; Анализ отечественного и зарубежного опыта по ограничению движения транспортных средств. § 1.2; Методика оценки прочности дорожных конструкций в период оттаивания. § 1.4; Методы определения расчетных значений влажности грунта земляного полотна. § 3.1. / И. Н. Пугачёв // Оценка влияния характера нагрузки на прочностные характеристики земляного полотна и дорожных одежд в период оттаивания земляного полотна. § 3.5. / И. Н. Пугачёв, А. И. Ярмолинский, В. В. Лопашук // Методы расчета продолжительности и степени ограничения нагрузки на автомобильные дороги в период весенней распутицы. § 3.6; Методика корректировки директивных сроков ограничения осевых нагрузок в зависимости от природно-климатических и грунтово-гидрогеологических условий. § 4.3. / И. Н. Пугачёв, А. М. Кулижников, В. В. Лопашук // Ограничение движения транспортных средств на автомобильных дорогах Российской Федерации в весенний период. / В. В. Лопашук, И. Н. Пугачёв, А. М. Кулижников, А. И. Ярмолинский // Владивосток : Дальнаука, 2009. - С. 9-19 ; 32-62 ; 92-107 ; 132-155 ; 164-174 ; 197 с.

Научные статьи, опубликованные в других изданиях:

А1. 15. Пугачев И. Н. Преодоление противоречий, возникших в Градостроительном кодексе РФ при современной классификации дорог / И. Н. Пугачев // Жилищное строительство - 2008. - № 10. - С. 11-13.

16. Пугачев И. Н. Организация управления автомобильным транспортом как путь улучшения безопасности дорожного движения / В. Н. Шпаков, И. Н. Пугачёв // Автотранспортное предприятие. - 2006. - № 12. - С. 39-43.

17. Пугачев И. Н. Использование аппарата динамического программирования при выборе оптимальных параметров управления транспортными потоками / И. Н. Пугачев // Вестник ОГУ - 2005. - № 12. - С. 112-115. - Приложение «Прогрессивные технологии в транспортных системах».

18. Пугачев И. Н. Развитие транспортной инфраструктуры города - путь вывода экономики на траекторию уверенного роста / И. Н. Пугачёв // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Спец. вып. : «Перспективы и направления развития транспортной системы». - 2007. - С. 57-61.

19. Пугачев И. Н. Проблемы развития автомобильного транспорта и дорожной составляющей транспортной системы России - проблемы безопасности дорожного движения / И. Н. Пугачёв, В. Н. Шпаков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Спец. вып. : «Перспективы и направления развития транспортной системы». - 2007. - С. 135-140.

20. Пугачев И. Н. Системное регулирование транспортной деятельности в Российской Федерации / И. Н. Пугачёв, Ю. И. Куликов // Вестник ТОГУ. - 2008. - № 1(8). - С. 111-118.

21. Пугачев И. Н. Проблемы развития систем управления движением транспорта в г. Хабаровске / И. Н. Пугачёв // Вопросы надёжности пути и транспортных сооружений в суровых климатических условиях : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Г. М. Стояновича. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2004 - C. 139-144.

22. Пугачев И. Н. Программное обеспечение систем управления движением автомобильного транспорта / И. Н. Пугачёв, А. А. Павленко // Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах : сб. докл. шестой междунар. конф. / СПб. гос. архит.-строит. ун-т. - СПб., 2004. - C 237-241.

23. Пугачев И. Н. Автоматизированные системы управления дорожным движением (АСУДД) и перспективы их развития / И. Н. Пугачёв, А. А. Павленко // Прогресс транспортных средств и систем - 2005 : материалы междунар. науч.-практ. конф. - Волгоград : Изд-во Волгогр. гос. техн. ун-та, 2005. - C. 481-483.

24. Пугачев И. Н. Выбор оптимальных параметров управления транспортными потоками / И. Н. Пугачёв // Транспортные системы Сибири : материалы III Всерос. науч.-техн. конф., 24-25 нояб. 2005 г., Красноярск / под ред. В. Н. Катаргина. - Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2005. - С. 161-163.

25. Пугачев И. Н. Проблемы общественного транспорта или не до оценивание его значимости в инфраструктуре города / И. Н. Пугачёв // Дальневосточные дороги и транспортные коридоры : науч.-техн. и производств. журнал дорожно-трансп. отрасли Дальнего Востока. - 2006. - № 4. - С. 16-18.