Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1 Скорость как критерий обеспечения удобства движения на улицах города и методы ее повышения 12
1.2 Роль пассажирского транспорта в инфраструктуре города 16
1.3 Анализ опыта формирования рациональных маршрутных схем пассажирского транспорта в крупных городах 23
1.4 Анализ расчетных методов определения скоростей движения автомобилей 30
1.5 Цель и задачи исследования 37
2 Теоретические положения по совершенствованию маршрутной схемы городского пассажирского транспорта 41
2.1 Методические основы оптимизации маршрутных схем городского пассажирского транспорта 41
2.2 Методика совершенствования маршрутной схемы пассажирского транспорта крупного города 53
2.3 Теоретические основы расчета скоростей движения пассажирских транспортных средств 63
2.4 Выводы по главе 2 80
3 Исследование влияния интенсивности движения на среднюю скорость легковых автомобилей и автобусов 82
3.1 Натурные исследования скоростей движения транспортных средств... 82
3.1.1 Методика исследования скоростей движения 82
3.1.2 Статистическая обработка экспериментальных данных 87
3.2 Натурное исследование интенсивности и состава движения транс
портных потоков з
3.3 Исследование неравномерности интенсивности движения во времени 94
3.4 Выводы по главе 3 102
4 Расчет скоростей движения легковых автомобилей и автобусов в крупных городах с плотной застройкой 103
4.1 Анализ результатов экспериментальных исследований скоростей движения 103
4.2 Разработка алгоритма расчета скоростей движения легковых автомобилей и автобусов 109
4.3 Оценка достоверности результатов теоретического моделирования скоростей движения маршрутных автобусов и легковых автомобилей 115
4.4 Выводы по главе 4 121
5 Разработка мероприятий для повышения эффективности функционирования дорожной сети г.Томска 122
5.1 Анализ условий движения транспортных потоков на дорожной сети г. Томска 122
5.2 Транспортно-эксплуатационное состояние дорожной сети г. Томска 123
5.3 Анализ маршрутной схемы пассажирского траснпорта г. Томска 128
5.4 Разработка практических рекомендаций по совершенствованию дорожной сети г. Томска 132
5.5 Экономико-математическая модель оценки эффективности мероприятий, направленных на повышение скоростей движения пассажирского транспорта 134
5.6 Выводы по главе 5 141
Заключение 143
Список сокращений 145
Список литературы
- Анализ опыта формирования рациональных маршрутных схем пассажирского транспорта в крупных городах
- Теоретические основы расчета скоростей движения пассажирских транспортных средств
- Статистическая обработка экспериментальных данных
- Разработка алгоритма расчета скоростей движения легковых автомобилей и автобусов
Анализ опыта формирования рациональных маршрутных схем пассажирского транспорта в крупных городах
В условиях современного крупного города основной объем пассажирских перевозок осуществляется преимущественно общественными видами транспорта, среди которых наибольшее распространение получил автобус [14, 21, 127].
Положительными качествами пассажирского автобуса являются высокая маневренность и отсутствие необходимости больших капиталовложений на организацию перевозочного процесса, т.к. основные затраты связаны только лишь с устройством начальных, конечных и промежуточных остановочных пунктов. Автономность работы автобусов позволяет оперативно вносить локальные корректировки в маршрутную схему при временном изменении организации движения, например, в ходе дорожно-строительных работ, а также совершенствовать ее вследствие развития городских территорий.
Среди недостатков этого вида транспорта отмечают загрязнение окружающей среды выхлопными газами и сравнительно низкую провозную способность, относительно других видов массового пассажирского транспорта.
Что касается электротранспорта, несмотря на его более высокую провозную способность, маневренность троллейбуса ограничена. Троллейбус привязан к контактной сети, а трамвайные вагоны полностью лишены возможности маневрировать в транспортном потоке. Также следует отметить, что троллейбус более требователен к качеству дорожного покрытия и по условиям электробезопасности и не может эксплуатироваться во время продолжительных ливней. Трамвайные пути создают помехи другим транспортным средствам и поэтому они должны располагаться обособленно, что требует выделения дефицитных городских территорий. Электрический транспорт получил распространение на маршрутах с мощными и устойчивыми пассажиропотоками. Согласно исследованиям [98], общая тенденция стабилизации состояния экономики необратимо влечет за собой повышение уровня благосостояния населения. В результате этого происходит увеличение экономической активности населения, которое проявляется ростом транспортной подвижности граждан, а также предъявлением более высоких требований к своей мобильности и комфорту при перемещениях по городу. Очевидно, что ежедневное использование индивидуального автомобиля в этих условиях становится более привлекательным, в результате чего он занимает второе место по объему перевозок среди видов пассажирского транспорта. Владение легковым автомобилем представляет значительные удобства, т.к. передвижение совершается «от двери к двери», причем довольно в комфортных условиях. Однако, малая провозная способность и потребность большой площади проезжей части указывает на нецелесообразность использования этого вида транспорта для обслуживания массовых перевозок, сосредоточенных в определенные периоды дня и имеющих устойчивый характер, каковыми являются трудовые передвижения. Следует также отметить высокое удельное потребление энергетических ресурсов на совершение поездок на легковом автомобиле и связанное с этим загрязнение воздушного бассейна городов выхлопными газами, поскольку этот вид транспорта в расчете на 1 пасс.-км потребляет топлива в 4-6 раз больше чем автобус [127]. Несмотря на сказанное, очевидно, что транспортное обслуживание не может быть обеспеченно исключительно массовыми видами транспорта. Индивидуальные легковые автомобили имеют нисколько не меньшее значение в организации перевозочного процесса, т.к. только они могут полностью удовлетворить потребности населения в реализации основного объема культурно-бытовых передвижений, характеризующихся сложностью и разнообразием связей.
Процесс автомобилизации, стремительно развернувшийся в послевоенный период в городах США и западной Европы, вызвал волну серьезных кризисных явлений, которые сопровождались транспортными заторами, снижением скоростей движения автомобилей и, наконец, ростом дорожно-транспортных происшествий [40, 93, 148, 151, 158 - 160, 162, 165]. Уже тогда специалистам стало очевидно, что улично-дорожные сети городов, сформированные, в основном, до массового распространения автомобилей, не отвечают требованиям интенсивных транспортных потоков. Несмотря на это, процесс безудержной автомобилизации продолжается и до сих пор, достигая в развитых странах критических значений [40, 149, 157]. Наиболее высокий уровень использования личных автомобилей наблюдается в США, где долгое время политика в транспортной сфере способствовала ликвидации массового пассажирского транспорта. В дальнейшем многие американские специалисты признали ошибочность принятого направления и необходимость выбора европейского курса развития городов, проводя активную политику поощрения выбора пассажирами МТ [40, 159-161]. При этом комплекс разработанных и успешно реализованных ими мер позволил если не снизить долю использования личных автомобилей, то хотя бы сократить темпы ее роста [40, 150, 152, 155, 156, 162, 163, 166]. В тоже время, зарубежные исследователи отмечают, что только одно повышение привлекательности МТ не позволяет достичь желаемого уровня снижения интенсивности городских транспортных потоков, поскольку незначительный процент людей, сталкиваясь с проблемой выбора способа перемещений, реагирует на такие изменения и корректирует при этом свои предпочтения. К тому же, отвлечению внимания от массового пассажирского транспорта в значительной степени способствует давление автомобильной промышленности. В конечном счете, у автомобилистов развивается привычка пользования именно личным транспортом [98].
Особенностям взаимодействия МТ и ИТ уделено внимание в трудах [30, 40 47,71,98,101,139]. По оценкам специалистов [1, 31, 40, 89, 147] Россия отстает от развитых стран по уровню автомобилизации более чем на 20 лет. При этом, крупные и крупнейшие города России, повторив ошибки подобных городов других стран в транспортном развитии, в настоящее время испытывают те же проблемы.
Теоретические основы расчета скоростей движения пассажирских транспортных средств
Для решения этой задачи необходимы сведения о потребностях населения в передвижениях по городу, которые удобно представлять в виде матрицы корреспонденции между выделенными транспортными районами города за расчетный период времени. Будем считать ее известной. После распределения населения каждого транспортного района среди принадлежащих ему вершин получим модифицированную матрицу корреспонденции между всеми остановочными пунктами. При этом элемент матрицы Ау соответствует числу передвижений, совершаемых между вершинами і и j. На стадии конструирования автобусных маршрутов затраты времени пассажиров на пешие переходы и ожидание транспорта не учитываем.
При проектировании маршрутов обычно соединяют назначенные конечные пункты по кратчайшему пути. Учитывая различную степень взаимосвязи пунктов, необходимость такого совмещения, возникает, прежде всего, при значительных величинах пассажиропотока. Предлагаемый нами в работе метод построения рациональной маршрутной схемы в значительной степени основан на принятом допущении.
Следующий этап работы заключается в нахождении кратчайших путей между всеми пунктами графа. Задача нахождения этих путей относится к числу комбинаторных. Существует большое количество методов решения обозначенной задачи (метод последовательных приближений, метод «метлы», метод Прима Бержа, Данцига, Мура и др.) достаточно подробно описанных в работах [18, 21, 136]. В настоящее время существует ряд специализированных компьютерных программ, позволяющих автоматизировать процесс нахождения кратчайших путей, поэтому сам алгоритм их определения в работе не рассматриваем. Причем, кратчайшие пути следования выбираем исходя не из минимального расстояния, а из времени, затраченного пассажирами на перемещения. В связи, с чем обоснованное установление скоростей движения пассажирских автобусов и в данном случае является одной из главных задач.
Для удобства результаты расчета кратчайших путей между каждой парой пунктов транспортной сети сводим в таблицу с указанием адресов начального, конечного и промежуточных пунктов, протяженности и времени следования между ними и величин пассажиропотоков. Причем, если между двумя пунктами сети есть несколько вариантов пути, близких по затратам времени, их также фиксируем в таблицу, но как альтернативные.
На следующем этапе работы проводим анализ эффективности функционирования действующей маршрутной схемы. При этом определяем транспортно-эксплуатационные показатели маршрутов всех видов ГПТ, на основе которых оцениваем их по критериям оптимальности. Руководствуясь полученными значениями, а также основываясь на мнении специалистов, жалобах пассажиров и, в конечном счете, обоснованных предпочтениях, маршруты подразделяем на три группы: 1) Маршруты, не требующие корректировки трассы. Как правило, они соответствуют предъявляемым критериям оптимальности и характеризуются устойчивым пассажиропотоком, пользуясь высокой популярностью у населения. В эту же группу необходимо включать действующие маршруты электротранспорта. 2) Маршруты частично не соответствующие принятым критериям оптимальности и в результате требующие локальной корректировки. 3) Маршруты, полностью не соответствующие установленным критериям оптимальности.
Далее необходимо установить положение вершин графа, в пределах которых возможно обустроить конечные пункты для обеспечения нормальной работы маршрутных автобусов. Отбор подходящих для этого пунктов производим в результате их последовательного анализа, руководствуясь наличием свободной от застройки территории и соответствующими архитектурно-планировочными принципами. Затем определяем участки транспортной сети, не приспособленные или запрещенные для движения автобусов. И, наконец, повороты в пределах вершин, запрещенные для движения автобусов, а также характеризующиеся сложностью выполнения маневров и повышенной аварийностью. Учет этих особенностей позволит исключить из рассмотрения отдельные кратчайшие пути, сократив тем самым количество сравниваемых вариантов маршрута. При разработке альтерна 56 тивных вариантов маршрутных схем можно рассмотреть необходимость снятия обозначенных ограничений для движения автобусов.
Маршруты первой группы считаем заданными и включаем в первоначальный каркас формируемой рациональной схемы, называемый базовым. После этого формируем новую матрицу корреспонденции, не обслуженных маршрутами базовой схемы. Откорректированная с учетом этого сводная таблица нереализованных связей, в последующих операциях послужит основой для назначения недостающих маршрутов.
Формирование маршрута-кандидата начинается с выбора элемента из матрицы нереализованных поездок, соответствующего наибольшему значению пассажиропотока Аутах. Если таких элементов несколько, то предпочтение отдаем наиболее прямолинейной цепочке, либо цепочке обеспечивающей меньшие затраты времени пассажиров на следование по ней. Затем, из ранее составленной сводной таблицы кратчайших путей, выписываем промежуточные адреса для выбранной связи, формируя, таким образом, основание будущего маршрута. Далее производим поиск цепей, совпадающих с каким-либо участком принятого основания маршрута. Выделенные цепи обозначаем как обслуженные и временно исключают из последующего анализа.
Дальнейшие действия по формированию маршрута заключаются в наращивании рассматриваемого основания путем добавления к нему наиболее подходящих звеньев. Этот этап начинаем с последовательного просмотра связей в сводной таблице кратчайших путей, частично совпадающих с основанием формируемого маршрута. При этом смотрим, чтобы в адресах анализируемой связи одновременно присутствовали номера начального (конечного) пункта и хотя бы одного из промежуточных пунктов цепи основания маршрута, либо номера их конечных пунктов совпадали между собой (рисунок 2.1).
Статистическая обработка экспериментальных данных
В отечественной и зарубежной практике исследований дорожного движения известно много способов натурного изучения скоростей движения, отличающихся составом, полнотой и точностью получаемой информации, а также технической оснащенностью учетчиков. Так, в зависимости от вида рассматриваемого показателя, измерения могут производиться в створе, на отдельном элементе дороги и во всей системе.
Первый способ применяется, как правило, для оценки мгновенных скоростей движения автомобилей между двумя створами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. Измерения, производимые на отдельном элементе дороги, характерны для исследования влияния выделенного дорожного фактора (кривая в плане, продольный уклон и т.д.) на изменение скоростного режима транспортного потока.
Наиболее сложными, с точки зрения организации, являются измерения движения автомобилей в потоке, выполняемые в пределах отдельного транспортного узла или их совокупности, маршрута движения, а также транспортной сети в целом. В результате таких измерений можно получить среднюю скорость передвижения по обследуемой транспортной сети, либо скорость сообщения между ее отдельными пунктами.
Существующие методы измерения скоростей можно группировать следующим образом: 1) Стационарные методы наблюдений: - Визуальный метод с применением наблюдателем секундомера. - Применение автоматических и полуавтоматических приборов (скоростемеры, счетчики различного типа действия, радиолокационная аппаратура). - Фото и видео фиксация транспортного потока. 2) Динамические методы, основанные на применении в ходе обследования испытательного автомобиля, двигающегося с наиболее характерной скоростью потока (метод «плавающего» автомобиля) или ходовой лаборатории, оснащенной дополнительным измерительным и GPS оборудованием. 3) Объемные методы измерений с применением летательных аппаратов, в том числе компактных беспилотных, оборудованных фото- и видеоаппаратурой. Среди обозначенных методов следует выделить наиболее прогрессивные, основанные на применении фото- и видеофиксации совместно со специализированным программным обеспечением, позволяющим полностью автоматизировать процедуру обработки данных, и, тем самым, значительно повысить точность результатов и ускорить процесс исследования. К сожалению, применение этих методов связано с приобретением дорогостоящего оборудования. В нашей работе принят визуальный метод, как наиболее простой и доступный, позволяющий получить достаточную информацию.
Для установления характера зависимости скорости от интенсивности движения наблюдения проводились на прямых горизонтальных участках, имеющих удовлетворительную ровность. Обследуемый участок выбирался в дали от пересечений с улицами и трамвайными путями, остановочных площадок, пешеходных переходов и других помех, чтобы дорожная обстановка как можно меньше влияла на выбор водителями желаемых скоростей движения [74, 124].
При организации визуального обследования скоростей движения автомобилей в условиях интенсивного транспортного потока сплошные наблюдения потребуют привлечения значительного числа исполнителей. Поэтому для производства измерений был выбран выборочный метод, при котором учетчики случайным образом выбирали автомобили в потоке. В этом случае необходимо установить такое оптимальное количество замеров, которое позволит обеспечить достаточную точность получаемых данных при приемлемых трудозатратах. Практикой установлено, что число замеров скоростей движения, полученных при стационарных наблюдениях, зависит от интенсивности движения. В связи с этим при выеких значениях интенсивностеи движения, характерных для городских улиц и до рог, количество замеров может быть снижено до 30-50 [9].
Для обеспечения объективной оценки изучаемого процесса перед основными исследованиями выполнены предварительные выборочные измерения скоростей автомобилей в намеченных сечениях улиц и дорог, позволяющие более обосновано определять представительность экспериментальных выборок. В результате анализа полученных размахов варьирования наблюдаемых величин по известной методике [74], определено необходимое минимальное число наблюдений, которое в зависимости от исследуемого участка составило от 40 до 130.
Суть метода заключается в измерении с помощью секундомера времени проезда автомобилем базового участка. На основе экспериментальных наблюдений установлена рациональная длина базового участка - 60 м, при этом значении достигается наименьшее среднеквадратичное отклонение а [67]. Для удобства фиксации скоростей на каждом участке было задействовано 3 исполнителя (рисунок 3.2). При нахождении автомобиля в положении А учетчик № 1, давал сигнал (отмашку) учетчику № 2 и тот включал секундомер. При достижении автомобилем положения В учетчик № 2 фиксировал время. Свободный участник обследования (№3) выполнял запись в табличной форме, отмечая при этом номер полосы, тип транспортного средства и время прохождения участка. Также в его функции входили контроль процесса измерений и координация действий учетчиков.
Движение каждого автомобиля в потоке происходит в условиях непрерывного влияния на него разнообразных факторов, совокупность которых образует различную по сложности дорожную обстановку. В результате субъективной оценки дорожной обстановки каждый водитель выполняет различные действия по управлению автомобилем. В конечном счете, автомобили в потоке движутся с различными скоростями. Причем, если скорости зафиксированы в произвольный момент времени, то можно утверждать, что они являются непрерывными случайными величинами. Поэтому автомобильное движение можно рассматривать как физический процесс, носящий вероятностный характер [72, 124].
Как показали исследования различных авторов [9, 58, 72], одной средней скорости потока недостаточно для оценки условий движения. Поэтому исчерпывающая информация может быть получена при известном законе распределения вероятностей значений скорости.
Исследования, выполненные различными авторами, показали, что эмпирическое распределение скорости движения всех автомобилей не может быть описано любым из простых аналитических распределений. С другой стороны, значения скоростей движения внутри отдельных групп автомобилей, выделенных в транспортном потоке, может быть вполне удовлетворительно охарактеризовано нормальным и гамма-распределением [72].
С помощью аналитических расчетов Р.В. Горбанев [51] доказал возможность применения нормального закона распределения для описания скоростей движения автомобилей на многополосных улицах и дорогах. Предельные значения интенсивностей движения, ограничивающие достоверность применения нормального распределения составляют: на четырехполосных улицах и дорогах 2600 авт/ч, на шестиполосных - 3450 авт/ч. Нижний предел интенсивности, при которой нормальная кривая будет соответствовать фактическому распределению составляет 250-400 авт/ч (в одном направлении). Возможность описания кривой нормального распределения данных наблюдений, полученных при обследовании плотных автомобильных потоков, подтверждена также исследованиями В.В. Сильянова [124].
Разработка алгоритма расчета скоростей движения легковых автомобилей и автобусов
Характер развития города и большое количество образовательных и научных комплексов в совокупности с другими факторами определяют специфику его пассажиропотоков и требования, предъявляемые к системе ГПТ. Анализ маршрутной схемы г. Томска позволил сформулировать существующие условия эксплуатации автобусных маршрутов в системе ГПТ [25, 26]:
Основная доля маршрутов относится к диаметральным, проходящим через центр города, соединяя два отдаленных района. Такие маршруты исключают размещение конечных пунктов в центральной части города. Большинство маршрутов ГПТ функционируют постоянно, обеспечивая непрерывный процесс перевозок населения.
Остановочные пункты в целом равномерно расположены на маршрутной сети города. Среднее расстояние между ними для автобусных маршрутов составляет 450 м, троллейбусных - 540 м, что соответствует рекомендациям [8]. Однако, на некоторых участках длины перегонов не превышают 250-300 м, увеличивая задержки, как общего движения, так и снижая скорости пассажирского транспорта.
По роли в транспортной системе города все маршруты ГПТ относятся к дублирующим либо частично-дублирующим.
Как и в большинстве старых крупных городов, функционирование транспортной системы г. Томска характеризуется явной диспропорцией в формировании приоритетов развития массового и индивидуального пассажирского транспорта. Освоение свободной городской территории и периферийных зон под массовое жилищное строительство и крупные торгово-развлекательные комплексы привели к перегрузкам, как отдельных транспортных магистралей, так и всей инженерной инфраструктуры города. Проявление в последнее время некоторой активности в реализации мероприятий, направленных на развитие улично-дорожной сети города, сопровождалось лишь локальной корректировкой отдельных маршрутов. Специфика старых городов (плотная застройка, узкие и извилистые улицы), хаотично сформированная маршрутная схема пассажирского транспорта, увеличение количества подвижного состава и потеря позиций общественного транспорта по отношению к индивидуальному, привели к значительному снижению скоростей транспортных потоков.
Таким образом, для повышения эффективности работы транспортной системы города и разгрузки центральных магистралей, потребуется перераспределение части маршрутов ОТ, не нарушая интересов пользователей пассажирского транспорта. Это потребует приведения значительной части УД С города в нормативное состояние за счет реализации ремонтно-реконструктивных мероприятий, а в некоторых случаях и кардинальных мер.
На основе натурного обследования межрайонных корреспонденции получена матрица трудовых поездок населения г. Томска, которая послужила фундаментом при решении задач совершенствования дорожной сети города. Учитывая сложность построения модели транспортной системы города, в работе применена специализированная компьютерная программа ptv vision VISUM [24, 141] для транспортного планирования, с помощью которой получены фактические распределения транспортных и пассажирских потоков на дорожной сети г. Томска. Результаты в виде картограмм транспортных и пассажирских потоков представлены в приложениях Д и Е.
В диссертационной работе рассмотрены три сценария повышения эффективности функционирования дорожной сети города Томска, включающие мероприятия различных уровней сложности и капиталоемкости:
1) Локальная корректировка маршрутной схемы ГПТ, включила в себя 4 новых и 12 частично отредактированных маршрутов, что позволило перераспределить часть пассажирского транспорта на менее загруженные участки дорожной сети города (приложения Ж, И). Хорошо видно, что максимальное снижение интенсивности пассажиропотока характерно для пр. Ленина (до 4500 пассажиров в утренний период часа «пик») за счет переноса части маршрутов на параллельные улицы (ул. Р. Люксембург, ул. Белинского, ул. Вершинина и т.д.).
2) Базируясь на мероприятиях первого сценария, второй предусматривает выполнение необходимых ремонтных работ для повышения транспортно-эксплуатационных качеств дорожной сети, предназначенной для движения ОТ, включающих в себя ремонт дорожной одежды, устройство уширения на подходах к перекресткам, заездных карманов на остановочных пунктах и строительство необходимых внеуличных пешеходных переходов.
3) Третий вариант сценария включает комплекс организационных, ремонтных и реконструктивных мероприятий, направленных на улучшение условий движения потоков индивидуального и общественного транспорта на пр. Ленина и прилегающих улицах (приложение К). Основной идеей варианта является организация одностороннего движения на пр. Ленина (в направлении от ул. Дальне-Ключевская до ул. Нахимова) и улицах Советская и Розы Люксембург (в направлении от ул. Нахимова до ул. Дальне-Ключевская). Для реализации этой схемы потребуется реконструкция перечисленных улиц, включающая уширение проезжих частей и переустройство трамвайного пути.