Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и общие тенденции развития автомобилизации и состояния улично-дорожной сети крупных и крупнейших городов 11
1.1. Обзор литературных источников по проблеме плотных транспортных потоков и заторов 11
1.2. Анализ состояния улично-дорожной сети г. Тюмени на текущий момент (2006г.) 18
1.2.1. Формирование улично-дорожной сети г. Тюмени 18
1.2.2. Основные показатели сети 20
1.2.3. Парк автотранспортных средств г. Тюмени 23
1.2.4. Распространение заторов на УДС г. Тюмени 25
1.2.5. Существующий расчет потерь времени от задержек транспортных средств на регулируемых пересечениях 27
1.3. Проблемы неэффективного функционирования УДС на примере г. Москвы 30
1.4. Проблема заторов за рубежом 34
1.5. Существующие и предполагаемые пути транспортной стратегии и развития улично-дорожной сети крупных и крупнейших городов 37
Выводы по главе 1 40
2. Экспериментальные исследования транспортных потоков и заторов на регулируемых пересечениях 41
2.1. Интенсивности движения по магистральным улицам г.Тюмени 41
2.2. Неравномерность движения транспортных потоков во времени 43
2.3. Оценка применимости различных моделей для описания движения транспортных потоков в городах 47
2.4. Пропускная способность регулируемых пересечений в городских условиях 59
2.5. Схемы образования очередей транспортных средств на регулируемом пересечении 72
2.6. Определение средней скорости движения транспортных средств в заторе 78
Выводы по главе 2 81
3. Моделирование очередей транспортных средств на регулируемых пересечениях 83
3.1. Условия существования затора на регулируемом пересечении 83
3.2. Создание модели образования очередей на регулируемых пересечениях 85
3.2.1. Общие рекомендации при создании алгоритма и расчетная схема модели 85
3.2.2. Моделирование очередей и заторов методом статистических испытаний (метод «Монте-Карло») 88
3.3. Численный эксперимент по образованию очередей на регулируемом пересечении 96
3.4. Анализ полученных результатов 103
3.5. Оценка достоверности данных численного эксперимента 111
3.6. Расчет задержек автотранспорта 120
3.7. Практическое значение моделирования заторов методом «Монте-Карло» 124
Выводы по главе 3 125
4. Методика расчета потерь времени в заторах 127
4.1. Отсутствие заторов как условие устойчивого функционирования улично-дорожной сети 127
4.2. Методика расчета времени потерь от задержек транспортных средств на регулируемых пересечениях 128
4.2.1. Адаптация результатов численного эксперимента для расчета потерь времени 128
4.2.2. Расчет потерь времени и экономических потерь 132
4.3. Эффективность устройства развязок в разных уровнях на УДС г. Тюмени 140
4.4. Экологический эффект от реконструкции пересечений 150
Выводы по главе 4 152
Общие выводы 153
Список литературы
- Существующий расчет потерь времени от задержек транспортных средств на регулируемых пересечениях
- Неравномерность движения транспортных потоков во времени
- Общие рекомендации при создании алгоритма и расчетная схема модели
- Адаптация результатов численного эксперимента для расчета потерь времени
Введение к работе
Плотные транспортные потоки - массовое явление для крупных и крупнейших городов России (в т.ч. г. Тюмени).
Устойчивое развитие города невозможно без хорошо развитой улично-дорожной сети (УДС). Транспортное обслуживание населения и организации движения в городах по мере роста их территории, численности населения и развития транспортных средств вырастает в важнейшую градостроительную проблему. Особенно это коснулось на рубеже веков большинства крупных и крупнейших городов России, испытавших в 90-х годах процесс т.н. «взрывной автомобилизации». Решение этой проблемы в значительной степени определяет характер расселения жителей, дальнейшее развитие города, улучшение условий труда и отдыха населения.
Автомобильный парк в городах растет значительно быстрее, чем численность населения. На определенном этапе развития города возникает перенасыщение уличной сети транспортными средствами. Городские улицы городов России, сформировавшиеся в то время, когда уровень автомобилизации был 30-80 автомобилей на 1000 жителей, не удовлетворяют современным требованиям. Перегрузка городских магистралей в «часы пик» приводит к появлению заторов транспортных потоков в крупнейших и крупных городах России и мира.
Наблюдаемое в этих случаях снижение средней скорости движения приводит к сокращению эффективности использования транспортных средств, перерасходу горючего и непроизводительным тратам времени городским населением. Все вышесказанное можно перевести в денежный эквивалент объединить общим понятием транспортные потери пользователей улично-дорожной сети города.
Наблюдения, проведенные на магистральных улицах города Тюмени [81,87], показали, что скорость транспорта в «час пик» снижается до 10-
15км/ч, расход горючего на 40% выше, чем при нормальной загрузке улично-дорожной сети. Частые остановки автомобилей у перекрестков значительно ускоряют износ ходовой части транспортных средств и разрушают дороги с образованием сдвигов и волн. Во время остановки транспорта у перекрестков и в момент начала движения двигатели, работая вначале вхолостую, а затем на малых оборотах, выделяют значительное количество выхлопных газов, загрязняющих воздух в городах. В работах [81,87] показано, что выброс вредных веществ в режиме затора 2,5 раза больше, чем при скорости 40-бОкм/ч. В результате резкого падения скорости движения на подходе к пересечениям улиц и проходе через них, водители транспортных средств стараются компенсировать его последующим движением, превышающем разрешенную скорость движения бОкм/ч и зачастую игнорируя приоритетные пешеходные потоки. Возникающая напряженность движения на улицах и дорогах городов приводит к увеличению числа ДТП и несчастных случаев.
Из сказанного ясно, что обеспечение быстрого и безопасного движения транспорта в современных городах имеет огромное значение. Учет требований движения транспортных потоков при проектировании улиц и дорог является важным условием повышения производительности автомобильного транспорта, ускорения доставки грузов и пассажиров, повышения комфортабельности движения, существенного снижения аварийности [116]. В программе «Модернизация транспортной системы России (2002-2010гг.)» [1], одной из приоритетных задач является «...увеличение подвижности населения и снижение безработицы, увеличение качества товаров и снижение стоимости их доставки, увеличение рабочего времени за счет сокращения времени пребывания в пути к месту работы, отдыха, торговым центрам...»
Несмотря на широкое распространение в условиях плотных транспортных потоков на УДС крупных и крупнейших городов заторов, вопросы, касающиеся их возникновения, существования и исчезновения являются недостаточно изученными. Проводимая же в большинстве городов реконструкция
7 объектов улично-дорожной сети производится административными методами без достаточного обоснования и прогнозирования развития заторов. Это определяет относительно низкие результаты принимаемых мер.
Одним из выходов из создавшегося положения служит сооружение на перекрестках городских магистралей пересечений и развязок в разных уровнях, которые обеспечивают требуемую скорость и безопасность движения. Но поскольку такое строительство связано со значительными затратами средств, оно может быть оправдано лишь в случае его технико-экономической целесообразности. В настоящее время существующая методика обоснования строительства развязок в разных уровнях базируется на определении задержек транспортных потоков от однократной остановки на регулируемом пересечении и не учитывает задержек от заторов. Поэтому актуальной задачей является создание методики, позволяющей рассчитывать потери времени при условии существования па пересечениях улично-дорожной сети заторов транспортных потоков.
Актуальность рассматриваемой в'данном диссертационном исследовании проблемы по неудовлетворительному функционированию УДС подтверждается также и тем, что она выполнялась в соответствии с муниципальным контрактом на исследование транспортных потоков и разработку рекомендаций к проекту перспективной транспортной схемы г. Тюмени (хоздоговора 39/01 от 1.03.01 г. и 89/02 от 1.10.02 г.) [91].
Исходя из вышесказанного целью настоящего диссертационного исследования является разработка методики расчета потерь времени в заторах, учитывающей характеристики очередей на регулируемых пересечениях улично-дорожной сети крупного города.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ транспортных потоков на перегонах и регулируемых пересечениях улично-дорожной сети крупного города;
Разработать математическую модель, отображающую процесс развития заторов на регулируемых пересечениях;
8 3. Создать и программно реализовать методику расчета потерь времени на регулируемых пересечениях с учетом заторных явлений. Объект исследования: транспортные потоки на регулируемых пересечениях улично-дорожной сети крупного города.
Предмет исследования: методика расчета потерь времени на регулируемых пересечениях.
Методологическими основами исследования являются теория транспортных потоков, теория вероятностей, методы математической статистики и теории надежности. Научная новизна:
Произведена классификация очередей транспортных средств на регулируемых пересечениях по критерию однократной или многократной остановки, позволяющая полнее учесть возникаемые задержки;
Произведена классификация регулируемых пересечений улично-дорожной сети по однородности фактической пропускной способности на основе коэффициентов вариации, которая позволяет учесть влияние неоднородности на динамику заторов;
Разработана математическая модель состояния транспортного потока, описывающая динамику очередей на регулируемых пересечениях методом статистических испытаний («Монте-Карло»), которая определяет параметры заторов на регулируемом пересечении;
Проведено ранжирование участков улично-дорожной сети крупного города по степени влияния на параметры заторов (на примере г. Тюмени), позволяющее определить время существования затора;
Разработана методика и компьютерная программа в среде «Borland C++» для расчета потерь времени на регулируемых пересечениях при условии существования заторов. .
9 На защиту выносятся:
Классификация очередей транспортных средств на регулируемых пересечениях по критерию однократной или многократной остановки, которая позволяет полнее учитывать возникаемые задержки;
Классификация регулируемых пересечений улично-дорожной сети по однородности фактической пропускной способности, позволяющая учесть влияние неоднородности на динамику заторов;
Результаты математического моделирования очередей методом статистических испытаний («Монте-Карло») с определением параметров заторов на регулируемом пересечении;
Ранжирование участков улично-дорожной сети крупного города (на примере г. Тюмени) по степени влияния на параметры заторов;
Методика и программа расчета потерь времени на регулируемых пересечениях, которая учитывает существование заторов на регулируемых пересечениях.
Практическая значимость:
Предложенная методика расчета потерь времени от заторов позволяет повысить эффективность вложения средств, направляемых на реконструкцию регулируемых пересечений улично-дорожной сети.
Личный вклад автора в решение проблемы: Все методические постановки решаемых в работе вопросов, разработка модели, расчеты, обработка результатов, формулировка выводов и рекомендаций по практическому использованию результатов исследований выполнены автором самостоятельно.
Реализация результатов работы: отдельные положения диссертационной работы использованы в отчете по муниципальному контракту на проведение исследований транспортных потоков и разработку рекомендаций к проекту перспективной транспортной схемы г.Тюмени, согласно заключенным договором с Администрацией г. Тюмени в 2001-2003 гг. Результаты ис-
10 следований использовались ФГУП Российским государственным научно-исследовательским и проектным институтом урбанистики, г. Санкт-Петербург, при работе над генеральным планом г.Тюмени. Также выявленные в работе закономерности и выводы используются в процессе обучения студентов и в дипломном проектировании в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы доложены в 2001-2006гг. на научных конференциях и семинарах Тюменского государственного архитектурно-строительного университета и Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Публикация работы. По материалам исследований опубликовано 8 печатных работ общим объемом - 35 страниц.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 144 наименования. Объем работы составляет 184 стр., в т.ч. 28 таблиц, 48 иллюстраций и графиков, 64 формулы, 6 приложений.
Соискатель выражает свою искреннюю признательность руководителю к.т.н., доценту Елькину Борису Петровичу за руководство работой, за научную поддержку и за полезные советы работы над диссертацией. Также диссертант благодарен сотрудникам кафедры проектирования автомобильных дорог ТюмГАСУ, оказавшим содействие в проведении работы на разных этапах: к.т.н., доценту Болштянскому Марку Павловичу, к.т.н., доценту Богомолову Юрию Николаевичу. Также заведующему кафедрой математического моделирования ТюмГУ д.т.н., профессору Кутрунову Владимиру Николаевичу, д.т.н. профессору Кретову Валерию Андреевичу (ФГУП «РосдорНИИ»), к.т.н., доценту кафедры информатики и вычислительной техники Клюкину Алексею Алексеевичу (ТюмГАСУ) и студентам ВУЗа в проведении экспериментальных исследований (Дерябину Н, Пичугину А., Никифоруку, А., Климшиной Н., Богдановской М., Тимофееву Д.).
Существующий расчет потерь времени от задержек транспортных средств на регулируемых пересечениях
Одним из критериев оценки эффективности работы транспортной системы являются транспортные потери на УДС. Расчет масштабов этих потерь в городах используется для оценки экономической целесообразности строительства магистралей, транспортных развязок и других элементов УДС.
В основу методики расчета потерь от задержек транспорта положена методика, предложенная в работе [137]. Учитывая условия движения транс 28 портных потоков в городе Тюмени, а именно распространение явления заторов, разработана методика учета потерь пользователей при движении в заторах [4,6,5]. Расчеты показывают, что существует критическая интенсивность транспортных потоков на подходах к перекресткам, при которой образуются заторы и которая по своему значению близка к пропускной способности перекрестка. Расчеты выполнены при следующих ограничениях: число дней с заторами принято равным 250 (исключены зимний и переходные периоды, а также выходные дни летом); среднее время движения автомобилей в заторах принято равным 5-й часам, (2 ч утром и 3 ч вечером), по данным обработки массива информации по интенсивности движения на перегонах улиц г. Тюмени; участники движения несут экономические потери в пределах стоимости машино-часа эксплуатации машин. Не учитываются остальные составляющие (потери пассажиров, от ДТП, экологические).
Кат - средняя скорость движения автомобиля в заторе, км/ч; принятая равной 5 км/ч; Т3 - средняя продолжительность действия затора в течение суток, равное 5 часам; Следует отметить, что в формуле 1.2. время существования затора в течении дня принято приблизительно согласно первоначальным наблюдениям. Также коэффициент 2 в знаменателе формулы, показывающий, что средняя длина затора в два раза меньше максимальной, также принят априорно, что требует в диссертационном исследовании дальнейшем уточнения. г. Москвы Город Москва, как самый большой мегаполис России и как город с самым большим уровнем автомобилизации населения (около 250 легковых автомобилей на 1000 жителей на 2003г.) наиболее остро испытывает проблемы, связанные с перегрузкой транспортной сети города. По данным сотрудников научно-исследовательских институтов, в которых занимаются проблемами транспорта, в Москве в часы пик скорость движения легковых машин в сред 31 нем составляет 34 км/ч, автобусов -17 км/ч, троллейбусов - 15 км/ч, трамваев - 14 км/ч, а поездов подземки - 40 км/ч. "Почти 80% улиц, особенно в центре города, уже практически исчерпали свою пропускную способность. Сейчас дефицит магистралей в столице составляет 300-400 километров". Сотрудники ГИБДД возлагают большие надежды на третье транспортное кольцо - когда его построят, центр города, по их подсчетам, разгрузится на 25-30%. Из-за того, что на строительство магистральных улиц и дорог не всегда хватает денег, по инициативе управления и при поддержке городских властей в Москве с 1995 года проводят так называемые локальные мероприятия по расширению дорог: увеличивают радиус поворотов, расширяют проезжую часть перед перекрестками. Но это повышает пропускную способность только на 10-20%.
Критическая ситуация сложилась в центре Москвы и на основных городских магистралях. По информации ГИБДД, наиболее загруженными магистралями в Москве считаются Садовое кольцо, улица Беговая, Сущевский вал, Большая Дмитровка и Большая Семеновская, Москворецкая набережная, а также Ленинградский и Ленинский проспект и Щелковское шоссе в сторону Московской области. Осложняет дорожную обстановку и большегрузный грузовой автотранспорт - ежедневно в город въезжает около 1,5 млн. автомобилей, значительную часть из которых составляют грузовые. В пределы Московской окружной железной дороги разрешен въезд грузовых автомобилей максимальная масса которых не превышает 3,5 тонн и только по спецпропускам.
Часто заторы на перегонах УДС возникают и из-за того, что водители паркуют свои машины на проезжих частях улиц. Результатом этого явился поиск в Москве новых мест для парковок - например, на широких тротуарах стали менять бордюрные камни на более низкие, чтобы машины могли полностью или частично уместиться на тротуарах. Пока эту работу проводят в основном в Центральном и Северном административных округах. Всего в столице должно появиться таким образом более 10 тысяч новых парковоч-ных мест. В летнее время года из-за жаркой погоды на улицах появляются внезапно сломавшиеся автомобили - ежедневно только с Садового кольца эвакуируют от 200 до 300 машин. Однако это еще не означает, что ситуация с заторами, которые возникают из-за припаркованных машин, резко улучшится. Некоторым водителям проще заплатить штраф за то, что они не там оставили машину, чем искать специально огороженное место, потому что сумма штрафа за неправильно припаркованную машину чрезвычайно мала и равна сумме, которую надо заплатить за 3 часа стоянки на муниципальной парковке.
Ученые МАДИ считают, что любой затор возникает по своим причинам. Они выделяют пять основных причин:
1. Москва имеет радиально-кольцевую систему дорог. При недостатке кольцевых магистралей (что наблюдается в Москве) — транспортные потоки стекаются к центру. При этом улицы, находящиеся внутри Садового кольца нельзя так расширить, как на периферии.
2. В центре города наблюдается слишком большая концентрация магазинов, офисов и административных зданий без парковок. Водители останавливаются у обочины, что уменьшает количество полос для движения по одной в каждую сторону, и время от времени въезжают-выезжают (уменьшается используемое количество полос движения).
3. До периферийных районов-новостроек, с отсутствующим подъездом к метрополитену, можно добраться только на автобусе. Из-за этого очень высока нагрузка на периферийные улицы, а жители массово приобретают личные автомобили, невольно способствуя еще большим заторам.
4. Развязки в одном уровне рассчитаны на небольшой поток машин и исчерпали свою пропускную способность.
5. Дополнительные барьерные трудности создает железная дорога, через которую существует недостаточное количество путепроводов 6. Кроме этого существует много менее значимых причин: неудачная организация движения, недостаток информации о маршрутах проезда. За последние годы число мелких аварий увеличилось в Москве почти втрое: с 300—400 в день до 1000.
По мнению Лобанова Е.М. кольцевых магистралей должно быть не меньше, чем радиальных, Сейчас же полноценных колец в Москве два — Садовое и Московская кольцевая автомобильная дорога. Остальные являются неполными (Бульварное, Кремлевское), или еще не достроены (Третье). Но даже если признать их кольцами, получается всего пять. А радиальных магистралей —12.
Неравномерность движения транспортных потоков во времени
Общеизвестно, что транспортные потоки крайне неравномерно распределены по времени. В первую очередь это касается суточного распределения интенсивности движения. В несколько меньшей степени неравномерность проявляется в недельном и сезонном циклах.
Для построения графика распределения интенсивности в течении суток нам достаточно знать ее распределение в пределах с 8ч до 20ч [71,97], т.е. нам необходимо знать дневное распределение интенсивности. Параметры заторных явлений, такие как максимальная и средняя длины заторов, временные промежутки работы улиц в таком режиме, определяются именно характером суточного распределения интенсивности движения. В работе [144], которая имеет целью получить характеристику интенсивности движения по дням недели, предложено данные, полученные в 9 часов утра, усреднять для получения интенсивности движения во всей первой половине дня. Такой подход применим в плане определения общего суточного объема движения. В нашем же случае даже самые незначительные колебания интенсивности в условиях плотных транспортных потоков значительно влияют на характеристики заторов и задержек автотранспорта в них. Для этого нам нужно получить детализированные графики распределения интенсивности движения в течении дня.
Кривая дневного распределения интенсивности движения, в отличие от картины распределения интенсивности с 20 до 8 часов, имеет разное очертание для различных участков магистральной УДС. На разных улицах города или на их участках час пик наступает в различное время. Исключением являются участки улиц, образующие т.н. транспортный коридор (мосты, путепроводы, сквозные магистрали через весь город). Установлено, что часы, когда наблюдается максимальное движение транспорта, определяются такими факторами, как время начала и окончания работы, функциональное назначение городской улицы и расположение рассматриваемого ее участка относительно центра города.
Для детального изучения поведения суточных колебаний транспортных потоков в рамках работы [91] проводились адресные наблюдения интенсивности, используя следующую классификацию участков (перегонов) УДС, т.к картина дневного распределения интенсивности движения будет иметь разный характер для магистралей, расположенных в различных функциональных зонах города и с различным типом застройки:
Перегоны центральных районов города (административно-деловая зона) на основных широтных и меридиональных потоках с плотным расположением регулируемых пересечений; Перегоны, проходящие преимущественно через окраинные спальные районы; Остальные перегоны.
Для выявления дневного хода интенсивности движения проводились сплошные обследования в течение с 8 до 20 часов в рабочие дни недели (вторник, среду и четверг). Результаты наблюдений представлены в приложении 4. Остальные наблюдения по выявлению характера дневного распределения проводилось выборочным методом для каждого часа в течение 20-30 минут, согласно формуле 2.1.
Т.о. выяснилось, что общая неравномерность движения транспорта в течение 12 дневных часов колеблется на контрольных участках в пределах 1,13 -1,63. Меньшие значения характерны для перегонов и объектов, расположенных в центральной части города и обуславливаются близостью расположения в центре города на основных магистральных улицах регулируемых пересечений друг к другу. При интенсивностях движения в «часы пик», близких или равных пропускной способности пересечений, транспортный поток, через них проезжающий, становится достаточно равномерным во времени (рис.2.2.). Т.е. уровень загрузки улицы движением близок к 1,0; транспортный поток является чрезвычайно насыщенным и дальнейший рост интенсивности практически невозможен. Такая картина в нашем примере наблюдается на ул. Республики, ул. Мельникайте - основных магистралей, осуществляющей сквозное движение через город потоков широтного и меридионального направлений.
Картина сглаживающего влияния регулируемых пересечений на ход дневной интенсивности движения в центре города; Икр - критическая интенсивность движения, равная пропускной способности регулируемого пересечения Большие значения характерны для магистралей, имеющих большой запас пропускной способности. Это, в основном, окраинные магистральные улицы и въезды-выезды в город и спальные районы (ул. Моторостроителей, ул. Широтная, Пермякова и др.).
Для т.н. спальных районов, расположенных ближе к окраине города с преобладанием жилой застройки характерным является типичный график с двумя пиками движения: утром (8-10ч) и вечером (16-18ч). Иногда выделяется т.н. «обеденный» пик в середине рабочего дня. Для центральных деловых районов выраженного утреннего пика движения не наблюдается и характерен «час пик» в середине рабочего дня, (от 10-12 до 11-14 ч), связанный с пиком деловой активности в центре города. После некоторого спада во второй половине рабочего дня, наблюдается пик после его окончания, причем его амплитуда несколько меньше аналогичного в спальных районах. Для магистрали - выхода и окружной дороги характерны значительные увеличения интенсивности движения перед рабочим днем и после его окончания. Это связано с выездом экономически активного населения из спальных районов, и возвращения в них. В середине кривой также наблюдается несколько меньший всплеск движения, связанный с пиком рабочей активности.
Также на характер и динамику заторов оказывает неравномерность распределения интенсивности по сезонам года. Это заключается в росте интенсивности движения в летние и осенние месяца (июнь, сентябрь) и уменьшении ее в зимнее время. В рамках настоящего исследования изменение интенсивности по месяцам года и внутри рабочей недели на магистралях города не проводилось. Это обусловлено относительной равномерностью движения транспорта внутри рабочей недели [81,87]. Большей влиянию сезонной неравномерности подвергаются движение только магистральных улиц местного значения, на которых не наблюдаются систематические заторные явления. На основных магистралях движение по сезонам года относительно равномерно.
Общие рекомендации при создании алгоритма и расчетная схема модели
Рекомендации и условия к применению моделирования на ЭВМ в исчерпывающем виде изложены в [118]: «...исследование транспортных потоков могут проводиться как в реальных дорожных условиях, так и с помощью искусственных экспериментов путем моделирования на ЭВМ. Разработка программ для искусственного эксперимента возможна только при наличии обширных данных натурных экспериментов и при высокой надежности моделирующих алгоритмов. Исследование реальной системы взаимодействия транспортных потоков на УДС методами натурных измерений представляется чрезвычайно трудным. Большое разнообразие факторов, влияющих на функционирование системы, предполагает проведение очень большого количества натурных наблюдений для получения эмпирических зависимостей, что в свою очередь требует значительных затрат денежных средств и времени. Кроме того, сложность в организации, а в некоторых случаях и невозможность проведения натурных экспериментов с реальной системой не позволяют делать достаточно обоснованные прогнозы о ее функционировании...». «...Исследование данной системы с помощью аналитических методов имеет свои сложности. Большое число разнообразных по своей природе факторов, влияющих случайным образом на функционирование отдельных элементов системы и их взаимодействие, значительное число реакций системы, подлежащих исследованию, приводят к слишком сложным уравнениям, аналитическое решение которых относительно интересующих нас характеристик, либо чересчур громоздко и неудобно, либо вообще невозможно из-за отсутствия в настоящее время соответствующего математического аппарата. Кроме того, как правило, параметрами системы являются функции плотностей вероятностей, которые часто задаются в виде гистограмм. Поэтому использование только аналитических методов для исследования данной системы не может дать в настоящее время удовлетворительных результатов...» [118].
По определению Т. Нейлора, под имитацией понимается численный метод проведения на ЭВМ экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложных систем в течение продолжительного периода времени..
«...Главной особенностью метода машинной имитации является то, что исследование сложной системы основывается на результатах экспериментов, проводимых не с реальной системой, а с ее математическими моделями на ЭВМ; при этом такие модели можно строить, учитывая все многообразие реальных процессов, не заботясь о сложности и громоздкости получаемых построений. Ясно, что с моделями сложной системы мы можем проводить любые управляемые эксперименты, что очень сложно или невозможно сделать в реальных условиях...»[118].
Методы математического моделирования транспортных потоков позволяют проводить экспериментальное исследование с помощью ЭВМ, моделируя различные интересующие ситуации, комбинации характеристик потока, наличие различных средств организации движения и т.д. Наиболее эффективным является метод статистического моделирования транспортных потоков, при использовании которого случайные факторы имитируются при помощи случайных чисел, формируемых ЭВМ.
Как мы видим из таблицы, среднее количество подъехавших к стоп-линий автомобилей меньше пропускной способности, но из-за неравномерности подхода автомобилей образуются кратковременные очереди перед пересечением.
Задачу по определению параметров очереди автомобилей и времени их задержек рекомендуется решать на уровне цикла светофора. Движение транспортного потока в интервале работы цикла (примерно от 70 до 100 сек для регулируемых пересечений) как происходит крайне неравномерно и осуществляется по законам теории вероятностей (п.2.3). Соответственно подход к созданию модели затора должен учитывать эту особенность.
Моделирование явлений подобного рода занимается теория массового обслуживания и очередей. Ввиду сложности вывода расчетных формул для нормального распределения теории массового обслуживания [54,86,116,139], и наличия временных интервалов с превышением количества поступающих требований в систему над интенсивностью обслуживания, то для моделирования очередей хорошо подходит метод статических испытаний («Монте-Карло»), основанный на генерировании случайных величин ЭВМ. В п.2.4. мы показали, что для описания появления автомобилей в течении одного цикла и пропускной способности пересечения в сечении стоп-линий подходит нормальное распределение. В качестве решения практических задач но определению параметров затора и задержек автомобилей мы можем эту гипотезу принять в качестве исходной для создания модели затора.
По горизонтальной шкале отложены количество подошедших за время цикла транспортных средств, по вертикальной - интегральные вероятности. Решая задачу мы действуем обратно: задавая вероятность появления мы получаем количество подошедших автомобилей. Случайность подхода автомобилей создается генерированным с помощью ЭВМ числом от 0 до 1, являющимся равномерно распределенной случайной величиной. В виде такого же графика представляется возможные значения пропускной способности за цикл светофора.
Адаптация результатов численного эксперимента для расчета потерь времени
Как было сказано в п. 1.3.6., в формуле 1.3. расчета экономических потерь неясным является время существования затора в течении дня и отношение максимальной длины к средней. Недостающие данные мы можем определить с помощью разработанной в главе 3 моделью на основе метода «Монте-Карло».
Для удобства расчетов необходимо ввести показатель: относительная длина затора (относительное количество накопленных автомобилей) - отношение максимальной длины затора, выраженной в количестве накопленных транспортных средств, к пропускной способности данного направления регулируемого пересечения за условное время цикла (Q0Tn) светофора. В нашем случае Тцусл=90 сек. Такой показатель необходим, т.к. пропускные способности пересечений различны, в зависимости как от t3, так и от числа полос движения.
Значения времени существования затора в течение суток (Тзат) и отношение максимальной длины затора к средней (Ктах) являются функцией от относительной длины очереди. В формуле (1.3) целесообразно, для удобства обобщения полученных по разным графикам данных, эти две величины заменить одним множителем.
Анализ полученных данных для графика (табл. 4.1), характерного для ул. Республики показал, что при одном и том же Q0TH мы наблюдаем некоторое расхождение показателя Т3ат/Ктах для крайних коэффициентов вариации 10%, 15% и 22%о, 28% но сравнению с 15% ,22% . Оно в среднем составляет 10-15%) до Кз=1,06. При более высоком Кз такое расхождение еще больше.
Но, как было сказано в и. 3.4., такие условия движения транспортного потока на узле являются нехарактерными ввиду резкого роста задержек. Для дневного графика ул. Моторостроителей ввиду небольших значений Тзат/К такое отклонение при одинаковых значениях Q0TH еще меньше - 5-8%. Это говорит о том, что в практических расчетах мы можем пренебречь коэффициентами вариации пропускной способности и подходящего потока автомобилей ввиду относительно небольшой погрешности. При подстановке значений Тзат и Ктах в формулу 1.3. для расчета экономических потерь можно пользоваться полу-ченными значениями для С VC v равным 15% и 22%.
Т.к. при подстановке данных движения потока для различных магистралей города максимальное количество накопленных в очереди автомобилей различно, то обобщая полученные данные (Тзат/Ктах) нам необходимо привести их при одинаковых значениях коэффициента загрузки для каждого типа графика. В таблице 4.4. покажем значения Т ЯТ/Ктах при К3=1,02.
Первая группа - это центральные магистрали города высокой частотой регулируемых пересечений (через 200-600м) и общим высоким уровнем загрузки. Третья группа - магистральные улицы, проходящие преимущественно через спальные и окраинные районы города. Вторая группа - остальные магистральные улицы.
Ранжировав участки магистралей УДС по группам, мы можем выделить внутри каждой группы характерный участок УДС и, в дальнейшем, применять полученные на их основе итоговые данные для всех магистралей города. Полученные по характерным участкам данные Тзат и Ктах можно представить в виде нижеприведенных графиков (рис.4.1.-4.2.). Для удобства использования итоговых данных на ЭВМ, необходимо аппроксимировать полученные кривые на основе метода наименьших квадратов в программном пакете «Excel».
Для пассажиров (согласно рис. 1.4.) выражение стоимости пассажиро-часа может быть выражено через валовой региональный продукт (ВРП) города или области или среднюю заработанную плату по городу. Данных по городскому ВРП не имеется, т.к. г. Тюмень не является субъектом федерации. Данные ВРП по Тюменской области использовать в расчетах не является корректным, т.к. основная часть ВРП области создается в автономных округах (ХМАО и ЯНЛО) в процессе добычи полезных ископаемых и практически не связано с хозяйственной деятельностью города. Т.о. самым корректным будет использование при определении стоимости пассажиро-часа среднюю заработанную плату по г.Тюмени в 2005г. и равной ПЗООруб/мес.
Сегодня управлять дорожным хозяйством мы обязаны по ситуации, оставив до лучших времен разработку перспективных схем и, в то же время, не забывая о будущем. На будущее должен работать элемент системы управления городом, которого сегодня практически нет. Выходу из кризисной ситуации и было уделено основное внимание при внесении предложений по совершенствованию УДС г. Тюмени.
Полученные значения потерь пользователей (п.4.2.2.) позволяют выбрать направления инвестиций с наибольшей отдачей. На основании вышеприведенных значений экономических потерь можно сделать вывод о необходимости первоочередной реконструкции пересечений с наибольшими экономическими потерями.
Необходимым является устройство в г. Тюмени магистральных улиц и дорог непрерывного движения. Проведенная комплексная реконструкции регулируемых пересечений вдоль улицы максимально исключила бы наблюдаемые в настоящее время экономические потери. Реконструкция цепи регулируемых пересечений, находящихся на одном направлении позволила бы полнее исключить экономические потери на них. При этом необходимо учитывать, что «...пересечение в разных уровнях достигнет полного эффекта только при условии реконструкции всех узлов на данной магистрали. Реконструкция отдельного узла не всегда может радикально повлиять на повышение пропускной способности и скорости движения транспорта, ибо автомобиль, пройдя беспрепятственно одно пересечение, неминуемо будет задержан на следующих, не реконструированных узлах. Если же все реконструированные узлы будут представлять собой единую систему, то образуется магистраль непрерывного движения, по которой городской транспорт получит возможность двигаться безостановочно» [45]. Потери на одном, реконструированном вне общей системы, пересечении распределились на следующие по ходу движения, т.к. они стали бы новым «узким» местом.
В г. Тюмени предполагаемыми магистралями непрерывного движения могут стать (согласно генеральному плану 1987г. и вновь разработанному в 2006г.): в широтном направлении - ул. 50 лет ВЛКСМ с выходом на ул. Полевую и далее в районы озера Цимлянское - д. Воронино; в меридиональном направлении - либо магистраль по улицам Профсоюзная - Мориса Тореза -Червишевский тракт, либо магистраль по улице Мельникайте.
При широко распространенном относительно дешевом способе реконструкции узлов в одном уровне с одним уширением ширины проезжей части перед пересечением и увеличением количества полос движения происходит некоторое увеличение пропускной способности на 10 - 25 %, в зависимости от числа дополнительных полос [91]. Это приводит к уменьшением масштабов заторов на данном пересечении. В некоторых случаях это приводит к их полному исчезновению. Однако не следует считать, что при интенсивности движения равной пропускной способности всегда будут обеспечиваться удобство и безопасность движения. Эти условия обеспечивают только наибольшую пропускную способность, но не удобство и экономичность движения [97]. Такая мера является эффективной при относительно низком коэффициенте загрузки пересечения и небольшой длины затора. Она также является допустимой на пересечениях улиц, относящихся по классификации СНиП 2.07.01-89. «Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений» к магистральных улицам районного значения и улицам местного значения [91].
Значительные потери времени и снижение скоростей происходят на площадях с кольцевым движением из-за сложного сплетения транспортных потоков. Существенно влияют на скорость транспорта места его остановок и стоянок. При подъезде к остановке или стоянке и при выходе с нее водитель, маневрируя, разрывает поток транспорта и задерживает движение. [45].
