Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Анализ транспортно-логистической инфраструктуры и операционной деятельности на агломерационном уровне. Учебное пособие.pdf
ские методы применяют при оценке небольшого дорожного участка, а для
крупной дорожной сети обязательно используют моделирование.
К макромоделированию относятся модели-аналоги (модель Лайтхилла и Уизема, модель Гриншилдса). В процессе моделирования изучаются
усредненные характеристики потока, такие как плотность, средняя скорость,
интенсивность, но отдельные транспортные средства не рассматриваются.
Макроскопические модели могут быть непрерывными, описываемыми
дифференциальными уравнениями в частных производных, или дискретными. Гидродинамические модели могут учитывать или не учитывать
инерцию. Модели, не учитывающие инерцию, нередко получают из уравнения неразрывности и рассматривают скорость как функцию плотности.
Модели, представленные уравнениями Навье – Стокса, учитывают
эффект инерции и описывают тенденцию автомобилистов ехать с желаемой
скоростью. Рассмотрим распространенные примеры методов, наиболее точно отражающих основные характеристики макроскопического подхода.
Модель Лайтхилла – Уизема – Ричардса (LWR) относится к моделям-аналогам, основана на уравнениях гидродинамики и выполнении закона сохранения массы, под массой подразумевают количество автомобилей. Модель LWR не работает при очень низких и высоких плотностях
транспортного потока, неадекватна вблизи «узких мест» и перекрестков со
светофорами. Но, несмотря на это, гидродинамический подход стал основой для более совершенных моделей.
Так, Пэйн в 1971 г. предложил описать динамическую зависимость с
помощью дифференциального уравнения конвекционного типа (уравнение
было выведено из модели следования за лидером). Модель Пэйна следует
понимать как закон сохранения, но из-за того, что скорость не зависит от
плотности, вводится правая часть уравнения – сохранение импульса. Филипс учел внутреннее давление потока, которое заставляет водителей реагировать аналогично действиям лидирующего автомобиля.
Модель Гриншилдса (1934) содержит линейную зависимость плотности от скорости. Позднее она была модифицирована Ричардсоном. В
модели Гриншилдса при определении пропускной способности важно правильно выбрать скорость свободного движения. В противном случае
101
большое значение приведет к завышенным результатам, что подтверждается в работе.
Две последние модели имеют одну особенность: чем ниже скорость
свободного движения, тем больше расчетные данные соответствуют экспериментальным. Логарифмический тип зависимости между плотностью
потока и скоростью движения имеют макромодели Гринберга и ЭлХозаини.
Модель Гринберга имеет серьезный недостаток: если плотность
транспортного потока стремится к нулю, то значение скорости может стать
больше, чем скорость свободного движения.
Модель Эл-Хозаини работает адекватно, если задана высокая плотность потока, а его скорость не меньше 17 км/ч.
Модели Андервуда, Дрейка и Зырянова имеют экспоненциальный
тип зависимости между плотностью и скоростью автомобильного потока.
Эти модели имеют один общий недостаток: если значение плотности движения будет достаточно большим, то полученная интенсивность превысит
фактическую. Степенную зависимость между плотностью и скоростью
имеют модели Д. Дрю и Л. Пайпса.
Особенность этих моделей заключается в том, что они могут быть
приспособлены к экспериментальным данным благодаря коэффициенту
пропорциональности. В результате применения макроскопических моделей обычно определяются время движения, средняя скорость, уровень загрузки сети, интенсивность движения. Моделирование на макроуровне
имеет определенные достоинства: невысокие требования к ЭВМ, высокая скорость расчетов. Однако обладает и недостатками: полученные результаты являются статичными и недостаточно точными; для решения
задач сложно определять исходные данные [24].
Мезоскопические модели находятся на среднем уровне детализации.
Они описывают автомобили на высоком уровне детализации (как в микроскопическом моделировании), а их поведение и взаимодействие – на низком
уровне (как в макромоделировании). Мезомоделирование позволяет моделировать дорожную сеть и движение автомобилей почти с таким же уровнем детализации, как и микромоделирование. Мезоскопическое моделирование применяется там, где использование микроскопических моделей же-
102
лательно, но невозможно из-за большого размера транспортной сети или
ограниченности ресурсов, которые требуются на создание и отладку сети.
К мезоскопическим моделям относятся модели расчета матрицы
межрайонных корреспонденций (гравитационная, энтропийная модели);
модели распределения потоков (модель равновесного распределения потоков и оптимальных стратегий).
Одной из первых моделей, отражающих взаимодействие пары районов, которые порождают транспортные потоки (корреспонденции), считается гравитационная модель. Основой для ее создания послужил закон
всемирного тяготения. К ее недостаткам можно отнести то, что суммарное
количество корреспонденций связывается только с одной парой районов.
Однако посещения могут зависеть от расположения района прибытия среди других районов. Этот недостаток учтен в моделях семейства конкурирующих центров. Использование концепции энтропии для решения транспортных задач было предложено Вильсоном.
В основе этой модели лежит второй закон термодинамики. Транспортная система схожа с физической тем, что в них имеется большое число
неуправляемых элементов. Поэтому проблему определения корреспонденций предложено заменить максимизацией энтропии в транспортной системе. В модели равновесного распределения предполагается, что все участники движения выбирают пути следования, исходя из минимальной цены
поездки. В результате процесса «проб и ошибок» в системе устанавливается равновесное распределение потоков, обладающее свойствами, известными как требования Вардрупа. Суть свойств заключается в следующем:
при равновесном распределении автомобилей ни один участник движения
не меняет свой путь, потому что цена поездки уже минимальна.
Основным достоинством перечисленных моделей является их сравнительная компактность. Однако эти модели имеют ряд недостатков: они
охватывают лишь ограниченный набор параметров (скорость, задержки,
очереди), слабо учитывают динамику транспортного потока [24].
Микромоделирование в деталях описывает поведение и взаимодействие отдельных автомобилей, создающих транспортный поток. В микромоделировании каждый автомобиль задается индивидуально, описывается
взаимодействие автомобилей друг с другом и дорожной сетью. Как прави-
103
ло, характер поведения автомобиля описывается с помощью правил, которые определяют, когда автомобиль ускоряется, замедляет скорость, перестраивается в другой ряд, а также когда и как автомобиль выбирает и меняет свой маршрут следования.
В этих моделях описывается движение каждого транспортного средства в отдельности. Микромодели стали популярными после появления
мощных вычислительных компьютеров, потому что требовали большого
объема расчетов. Такие модели хорошо подходят для представления движения по дороге с несколькими полосами, потому что могут описывать реалистичные правила перемещения автомобилей.
Модель «следования за лидером» была одной из первых, разработали
ее А. Рѐшель (1950) и Л. Пайпс (1953). Основная идея заключена во влиянии головного автомобиля на следующие за ним машины. Влияние лидера
косвенно выражено через зависимость оптимальной скорости от дистанции до впереди идущего автомобиля. С течением времени теорию разрабатывали и вносили изменения, в частности, стали учитывать время реакции
водителей, исследовали движение на многополосных дорогах, изучали
устойчивость движения.
В 1959 г. работники автоконцерна General Motors предложили для
описания одной полосы движения свою микроскопическую модель, с помощью которой можно получить фундаментальную диаграмму.
Следующим шагом стала модель Ньюелла, представленная в 1961 г.
Основное предположение заключается в следующем: у каждого водителя
есть своя «безопасная» скорость движения, которая зависит от расстояния
до лидера. В этой модели важно правильно выбрать функцию зависимости
скорости от интервала между машинами. Время реакции водителей стоит
выбирать с осторожностью, при слишком больших значениях времени реакции появятся столкновения, а при малых могут возникнуть нереалистичные ускорения.
Две последние рассмотренные модели можно объединить в одну общую микромодель «разумного водителя». Она была предложена Трайбером в 1999 г. Движение в модели описывается как сочетание двух стратегий: ускорения и торможения. В зависимости от расстояния до впереди
идущего автомобиля приоритет отдается одной из них. В модели умного
104
водителя учитываются психофизические параметры людей, что помогает
моделировать транспортные потоки более реалистично, случайно выбирая
параметры автомобилистов.
Модели следования за лидером некорректно описывают динамику
отдельного транспортного средства, что позволяет нам отнести их к мезоскопическим моделям. Также в моделях есть парадокс – если отсутствует
лидер, то ускорение становится равным нулю.
Очень удобным аппаратом для реализации микроскопических моделей оказались клеточные автоматы. Предложил такую модель Дж. фон
Нейман в начале 1950-х г. В моделях клеточных автоматов дорога разбивается на клетки, время считается дискретным. Каждая ячейка может находиться в каком-либо состоянии, которое определяется набором правил, зависящих от состояний соседних ячеек. Случайные возмущения вносят
элемент стохастичности.
Достоинством такого подхода является высокая эффективность при
компьютерном моделировании. Недостатком же является относительно
низкая точность в микроскопических масштабах, из-за дискретной природы клеточного автомата. В результате работы микроскопических моделей,
как правило, получают следующие данные: длина очереди, время задержки
транспортных средств, средняя скорость, максимальная или минимальная
скорость, время движения автомобилей.
Основным достоинством микроскопических моделей является возможность получения оценок с высокой точностью. Однако высокая степень детализации в микромоделях влечет за собой следующие недостатки:
требуется много ресурсов для сбора исходных данных; для получения достоверных результатов нужно большое число прогонов модели; необходима калибровка параметров; высокая чувствительность к ошибкам в исходных данных; сложности в получении аналитических зависимостей [24].
Субмикроскопические модели, так же как и микроскопические модели, детально описывают характеристики транспортного средства. Однако
кроме этого в моделях учитывается функционирование отдельных частей
транспортного средства. Кроме привычных для микроскопических моделей
исходных данных, требуются и дополнительные. Например, вид топлива,
используемого автомобилем; вид двигателя; использование навигационных
105
систем и т.д. Большинство этих дополнительных параметров используется
для расчетов специфических исходящих данных модели, например, для
оценки влияния транспортного средства на окружающую среду.
4.3. Формирование маршрутной сети агломераций
Маршрутная система должна отвечать следующим требованиям:
– соответствовать направлению основных пассажиропотоков;
– соединять районы проживания с основными объектами тяготения и
с центром города, по возможности, по кратчайшим направлениям;
– способствовать беспересадочной связи района проживания со все-
ми основными фокусами тяготения населения;
– обеспечивать наименьшую пересадочность сообщений, основные
фокусы тяготения должны иметь беспересадочную связь с центром города,
объектами внешнего транспортного узла и, по возможности, между собой;
– конечные пункты маршрутов должны размещаться, как правило,
вне центральной зоны города, где затруднительно выделить необходимые
свободные площади для разворота и отстоя транспорта;
– при наличии в городе двух и более видов транспорта маршрутная
система должна быть координированной, обеспечивающей удобные пересадки с одного вида транспорта на другой;
– кольцевые маршруты городского транспорта рекомендуется проектировать в городах с населением свыше 500 тыс. жителей [3].
Формирование маршрутной сети является ключевым элементом при
создании эффективной транспортной системы любого города, оказывая прямое влияние на удовлетворенность населения в перевозках и качество оказываемых услуг. Одним из ответственных моментов в решении задачи разработки маршрутной сети является выбор методики проектирования сети.
Построение маршрутной сети с использованием методических рекомендаций Министерства транспорта. Методические рекомендации
Министерства транспорта Российской Федерации по разработке Документа планирования регулярных перевозок пассажиров и багажа по муниципальным и межмуниципальным маршрутам автомобильным транспортом и
городским наземным электрическим транспортом утверждены в 2020 году.
106
Предполагается, что они могут использоваться как на муниципальном, так
и на региональном уровне во всех субъектах Российской Федерации.
Согласно данному документу, ключевыми целями планирования и
организации маршрутной сети городского транспорта должны являться:
− повышение качества обслуживания населения общественным
транспортом в соответствии с социальным стандартом и иными локальными нормативно-правовыми документами, принятыми администрациями
регионов и муниципальных образований, согласно которым устанавливаются требования к качеству оказываемых населению транспортных услуг,
с учетом существующей инфраструктуры, изменения спроса на данные
услуги и имеющихся бюджетных возможностей;
− повышение привлекательности общественного транспорта и по-
степенное снижение уровня использования личного автотранспорта;
− развитие транспортно-пересадочных узлов для создания эффек-
тивных транспортных связей между разными видами общественного
транспорта;
− повышение мобильности населения за счет снижения расходов на
использование общественного транспорта и сокращения времени на поездки;
− повышение эффективности использования общественного транс-
порта за счет снижения прямых эксплуатационных затрат, связанных с содержанием инфраструктуры и работы транспортных средств, ущерба от
возможных дорожно-транспортных происшествий и загрязнения окружающей среды. При этом отмечается, что в зависимости от специфики и
уровня социально-экономического развития регионов и муниципальных
образований приоритетность целей разработки Документа планирования
может изменяться [20].
Документ планирования предусматривает достижение вышеозначен-
ных целей за счет следующих принципов:
− интеграция градостроительного, социально-экономического и
транспортного планирования с учетом прогнозирования изменения транспортного спроса населения;
− разработка конфигурации маршрутной сети должна обеспечивать
соблюдение нормативов социального стандарта и иных локальных нормативно-правовых документов, принятых администрациями регионов и му-
107
ниципальных образований, согласно которым устанавливаются требования
к качеству оказываемых населению транспортных услуг;
− конфигурация развития маршрутной сети должна базироваться на
развитости инфраструктуры, технических и экономических характеристиках транспортных средств, позволяющих выполнять установленное расписание движения общественного транспорта.
Согласно положениям документа планирования, при проектировании
новой маршрутной сети, а также изменении существующей могут использоваться два подхода (рис. 49).
Подходы к планированию маршрутной
сети городского транспорта
Деление городского общественного
транспорта на основные и
дополнительные маршруты
Проектирование маршрутной сети
является комплексной задачей
Рис. 49. Подходы к планированию маршрутной сети городского
транспорта согласно Методическим рекомендациям Министерства
транспорта РФ
Первый подход подразумевает деление городского общественного
транспорта на основные и дополнительные маршруты и состоит из четырех последовательных этапов.
На первом этапе производится деление маршрутной сети на основную и дополнительную. Это необходимо для наиболее рационального использования имеющихся ресурсов. Рекомендуется использовать в качестве
основной (хребтовой) маршрутной сети городской электрический транспорт – трамваи и троллейбусы – ввиду их экологичности и меньших эксплуатационных затрат.
На втором этапе, если основой маршрутной сетью выбран городской
электрический транспорт, необходимо спланировать маршрутную сеть автобусов, поскольку именно этот вид транспорта является наиболее мобильным с позиции провозных способностей.
108
На третьем этапе необходимо разделить и проанализировать маршруты передвижения пассажиров в зависимости от целей поездок (в первую
очередь учебные и трудовые), поскольку именно они создают максимальную нагрузку на городской пассажирский транспорт в «пиковое» время.
На заключительном четвертом этапе сформированная маршрутная сеть
усиливается необходимыми маршрутами, позволяющими совершать поездки
пассажиров с культурно-бытовыми целями. К ним относятся объекты транспортной инфраструктуры, в первую очередь вокзалы, станции, аэропорты и
объекты, имеющие общегородское значение, – рекреационные зоны, медицинские, культурные учреждения, кладбища и т.д. Подобные маршруты составляют дополнительную маршрутную сеть и нередко могут дублироваться
основными.
Второй подход подразумевает, что проектирование маршрутной сети
является комплексной задачей, которая должна включать в себя пять последовательных этапов:
1. Деление города на семь функциональных зон.
2. Определение центров притяжения в каждой из функциональных
зон.
3. Построение матрицы корреспонденций с определением основных
пассажиропотоков.
4. Выбор оптимального вида транспорта в зависимости от пассажи-
ропотоков и формирование базовой маршрутной сети.
5. Оптимизация существующих маршрутов под базовую маршрут-
ную сеть [19].
В методике особо отмечается, что основой базовой маршрутной сети
должны являться регулярные сквозные маршруты. Чем большее количество остановочных пунктов по трассе следования будет обслуживать один
регулярный маршрут, тем меньшее число маршрутов потребуется для
формирования маршрутной сети.
В целях повышения качества обслуживания пассажиров при формировании маршрутной сети необходимо ориентироваться на следующие показатели:
− суммарно затрачиваемое время на поездки пассажиров «от двери до
двери»;
109
− месторасположение и удаленность остановочных пунктов;
− интервалы движения городского общественного транспорта;
− средняя заполняемость;
− количество пересадок при поездках пассажиров и стоимость про-
езда;
− безопасность перевозок;
− комфорт и удобство пользования транспортом и т.д.
Преимуществом предложенной методики Минтранса является ее
универсальность. Методика может применяться как при планировании новой, так и при совершенствовании существующей, исторически сложившейся маршрутной сети городского общественного транспорта.
4.4. Показатели эффективности маршрутной сети
Основные задачи, которые должны быть решены в процессе анализа
маршрутной сети:
− моделирование распределения (нагружение) корреспонденций на
маршруты;
− определение рационального типа и количества подвижного соста-
ва на маршрутах (если они исходно не заданы);
− расчет используемых при анализе маршрутной сети основных ха-
рактеристик маршрутов и сети в целом.
Решение этих задач носит итеративный характер, связанный с итеративной процедурой перераспределения пассажиропотоков, обусловленной
тем, что это распределение зависит от такой характеристики путей передвижения, как время ожидания, а следовательно, от количества подвижного состава на маршруте и их вместимости, которые в свою очередь определяются пассажиропотоком на маршруте.
К показателям маршрутной сети относятся:
Протяженность маршрутной сети. Определяется суммой длин
всех маршрутов. Этот абсолютный показатель не свидетельствует о достаточности маршрутов и степени удобства пользования ими.
Одним из сложных вопросов проектирования является определение
необходимого числа маршрутов. Число маршрутов зависит от протяжен-
110