Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты оптимизации управления городским пассажирским транспортом 17
1.1 Основные элементы системы городских пассажирских перевозок 17
1.2 Моделирование взаимодействия участников городской транспортной системы 22
1.3 Задачи управления городскими пассажирскими перевозками 29
1.4 Выбор направления, задач и методов исследования 37
Глава 2. Моделирование распределения пассажиропотока между маршрутами городского пассажирского транспорта 49
2.1 Наложение маршрутных схем. Методика оценки значимости наложения» маршрутных схем для пассажиров 50
2.2 Алгоритм распределения пассажиропотоков между маршрутами городского пассажирского транспорта : 57
2.3 Алгоритм распределения пассажиропотоков между маршрутами городского пассажирского транспорта в случае светофорного регулирования дорожного движения 61
2.4 Алгоритм распределения двух категорий пассажиров по двум видам городского пассажирского транспорта 67
2.5 Оценка точности моделей распределения пассажиропотоков по маршрутам городского пассажирского транспорта 80
Глава 3. Оптимизация административного механизма управления городским пассажирским транспортом . 88
3.1 Оптимизация механизма управления одним видом городского пассажирского транспорта 92
3.2 Оптимизация механизма управления двумя видами городского пассажирского транспорта 101.
3.3 Минимизации потерь времени пассажиров при фиксированном уровне финансирования городского пассажирского транспорта 115
3.4 Постановка задачи оптимизации интенсивности движения городского пассажирского транспорта с ограничением на пассажировместимость 119
Глава 4. Оптимизация механизма управления свободным и смешанным рынками городских пассажирских перевозок 126
4.1 Ситуация равновесия при конкуренции двух операторов городского пассажирского транспорта 129
4.2 Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок 132
4.3 Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок в условиях светофорного регулирования дорожного движения 147
4.4 Оптимизация механизма управления городским пассажирским транспортом в случае двух транспортных операторов .148
4.5 Оптимизация механизма управления муниципальным транспортом на смешанном рынке городских пассажирских перевозок 160
Глава 5. Алгоритмы принятия решений пассажирами по выбору маршрута и способа передвижения 165
5.1. Алгоритм принятия решений пассажирами при. передвижении с пересадкой 166
5.2 Алгоритм принятия- решений пассажирами при выборе способа перемещения 1.77
5.3 Алгоритм распределения пассажиропотока между двумя видами городского пассажирского транспорта 184
5.4 Моделирование поведения пассажиропотока при наполнении транспортного средства 189
Глава 6. Оптимизация механизма управления городской транспортной системой в условиях активного воздействия пассажиров 195
6.1 Оптимизация механизма управления административной системой городских пассажирских перевозок при выборе пассажирами способа передвижения 196
6.2 Оптимизация механизма управления свободным рынком городских пассажирских перевозок при выборе способа передвижения 198
6.3 Оптимизация механизма управления городской транспортной системой в условиях конфликта интересов пассажиров, транспортных операторов и муниципалитета 201.
6.4 Ситуация равновесия на свободном рынке городских пассажирских перевозок в случае возможности пассажиров перемещаться с пересадками 21.0
6.5 Моделирование транспортного средства как многоканальной системы массового обслуживания с отказами 220
6.6 Оптимизация управления городским пассажирским транспортом при выборе пассажиропотоком между двумя видами городского пассажирского транспорта 227
Глава 7. Реализация математических моделей на реальных транспортных системах 232
7.1 Проектирование структуры программного комплекса оптимизации административной модели управления ГПТ 232
7.2 Вероятностные модели выбора способа передвижения населением г. Кемерово 272
Выводы и заключение 292
Список обозначений .297
Список литературы 300
Приложения 334
- Моделирование взаимодействия участников городской транспортной системы
- Алгоритм распределения двух категорий пассажиров по двум видам городского пассажирского транспорта
- Минимизации потерь времени пассажиров при фиксированном уровне финансирования городского пассажирского транспорта
- Оптимизация механизма управления городским пассажирским транспортом в случае двух транспортных операторов
Введение к работе
Актуальность исследований. Переход экономики к рыночным механизмам функционирования требует применения новых методов исследования поведения поставщиков и потребителей товаров и услуг. В этих условиях особенно возрастает значение городского пассажирского транспорта (ГПТ) в экономике городов и страны в целом, т. к. именно маршрутный транспорт является основным способом перевозки пассажиров в пределах большинства российских городов. На его долю до сих пор приходится около 80 % от общего объема перевозок всех видов транспорта России и около 25 % пассажирооборота.
Начавшееся в последние десятилетия реформирование городского пассажирского транспорта не привело к однозначным результатам. Привлечение в систему пассажирских перевозок частных предпринимателей обеспечило переход городского пассажирского транспорта на рыночные отношения. В связи с этим требуется установить наиболее эффективный способ регулирования системы пассажирских перевозок, в том числе определить политику муниципальных органов власти с учетом интересов транспортных операторов и пассажиров.
Городской пассажирский транспорт – это социально-экономическая система, основным элементом которой является пассажир. Вследствие увеличения уровня автомобилизации возрастает активность пассажира. Активность пассажира – это наличие множества стратегий (способность выбирать способ и маршрут передвижения), а также целевой функции (минимизация потерь, связанных с передвижением).
Таким образом, значительные изменения в транспортных системах российских городов привели к необходимости разработки новых математических моделей систем управления городскими пассажирскими перевозками. Системы управления должны учитывать наличие активных агентов (транспортных операторов и пассажиров) на городском пассажирском транспорте.
Различие интересов приводит к необходимости применения теории игр для принятия решений участниками системы городских пассажирских перевозок. Однако на данный момент почти нет приложения теории игр для описания системы ГПТ. Оптимизация управления городским пассажирским транспортом должна базироваться на поиске равновесия между интересами пассажиров, транспортных операторов и муниципалитета. Решению данной актуальной проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа.
Объектом исследования диссертационной работы является система городского пассажирского транспорта.
Предметом исследования является механизм управления системой городского пассажирского транспорта в условиях конфликта интересов муниципалитета, пассажиров и транспортных операторов.
Целью диссертационной работы является разработка и оптимизация математических моделей систем управления городским пассажирским транспортом, позволяющих повысить эффективность управления транспортной системой в условиях активного взаимодействия ее участников.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ работы городской транспортной системы: выявить цели и возможные стратегии каждого из участников системы городских перевозок.
-
Разработать математические модели распределения пассажиропотоков между способами передвижения и маршрутами городского пассажирского транспорта в условиях наложения маршрутных схем.
-
Исследовать перемещение населения реального города и создать программный комплекс для прогноза подвижности населения при изменении социально-экономических условий.
-
Разработать и исследовать систему управления городскими пассажирскими перевозками на основе административного механизма управления, в том числе определить способ мотивации пассажиров при выборе способа передвижения.
-
Разработать и исследовать систему управления свободным рынком городских пассажирских перевозок, в том числе определить механизмы конкуренции транспортных операторов и мотивации пассажиров при выборе маршрута передвижения.
-
Разработать и исследовать систему управления смешанным рынком городских пассажирских перевозок, в том числе определить политику муниципального транспорта в области мотивации транспортных операторов и пассажиров.
-
Построить алгоритм оптимизации движения городского пассажирского транспорта с учетом наложения маршрутных схем и создать на его базе программный комплекс. Провести испытание программного комплекса для оптимизации интенсивности движения городского пассажирского транспорта в условиях наложения маршрутных схем на основе данных, полученных в результате обследования пассажиропотока для реального муниципального образования.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались теория игр, теория активных систем, марковские процессы, теория массового обслуживания, теория выбора способа перемещения, численные методы решения задач выпуклого программирования, натурные эксперименты.
Объект, предмет и методы исследования отвечают формуле специальности 05.13.10, т. к. содержанием работы является совершенствование управления и механизмов принятия решений в транспортной системе с целью повышения эффективности их функционирования, и соответствуют пунктам паспорта специальности: ”1. Разработка теоретических основ и методов теории управления и принятия решений в социальных и экономических системах”; ”2. Разработка методов формализации и постановка задач управления в социальных и экономических системах” и ”5. Разработка специального математического и программного обеспечения систем управления и механизмов принятия решений в социальных и экономических системах”.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке математических моделей оптимизации систем управления городским пассажирским транспортом в условиях конфликта интересов пассажиров, транспортных операторов и муниципалитета.
Основные результаты диссертационного исследования состоят в том, что впервые разработан:
1. Новый подход к исследованию систем управления городским пассажирским транспортом, основанный на активном влиянии транспортных операторов и пассажиров, заключающийся в поиске равновесия между интересами участников городской транспортной системы. В рамках этого подхода предложена классификация систем управления городским пассажирским транспортом, основанная на активности ее участников. Активность предполагает наличие у участника функции выигрыша (или потерь), а также множества допустимых стратегий, которые, в первую очередь, зависят уровня развития города. Выделены 6 возможных структур систем управления городским пассажирским транспортом. Сформулированы постановки задач оптимизации параметров для каждой структуры участников городского пассажирского транспорта. Классификация позволяет описать схемы работы пассажирского транспорта для городов, находящихся на различных уровнях развития.
2. Математическая модель административной системы управления городскими пассажирскими перевозками. Структура системы управления включает только одного участника (муниципалитет), управляющего интервалами движения на нескольких маршрутах. Целью муниципалитета является минимизация суммарных потерь пассажиров при перемещении и ущерба, который наносит транспорт городской среде. Математическая модель учитывает наложение маршрутных схем ГПТ, что позволяет перераспределять пассажиропотоки между маршрутами. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована как задача выпуклого программирования. Получены аналитические формулы, показывающие влияние параметров модели на решение задачи.
3. Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок. Участниками системы ГПТ являются транспортных операторов, каждый из которых управляет интервалами движения транспорта по нескольким маршрутам с целью максимизации прибыли. Пассажиропотоки, имеющие возможность перемещаться с помощью нескольких маршрутов (эффект наложения маршрутных схем), распределяются между этими маршрутами в зависимости от интервалов движения ГПТ. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована в рамках теории бескоалиционных игр -лиц с непрерывными множествами стратегий, для которой доказано существование равновесия Нэша в чистых стратегиях. Получены аналитические формулы, показывающие влияние параметров модели на ситуацию равновесия. Получено аналитическое решение в случае конкуренции двух маршрутов ГПТ.
4. Математическая модель системы управления смешанным рынком городских пассажирских перевозок, которая является обобщением административной модели и модели свободного рынка. Структура системы управления содержит коммерческих транспортных операторов и муниципалитет, каждый из которых управляет интервалами движения на нескольких маршрутах. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована в рамках теории бескоалиционных игр +1-лиц с непрерывными множествами стратегий, для которой доказано существование равновесия Нэша в чистых стратегиях.
5. Алгоритм принятия решений пассажирами при выборе способа и маршрута передвижения. Стоимость времени каждого элемента пассажиропотока задана с помощью экспоненциального закона распределения вероятностей. Сформулирована функция потерь пассажиропотока в зависимости от:
вероятности выбора способа передвижения (личный и общественный транспорт);
вероятности выбора перемещения с пересадкой;
интервала движения общественного транспорта;
финансовых затрат при передвижении различными способами;
временных затрат при передвижении различными способами.
Осуществлено обобщение модели на случай множества пассажиропотоков и транспортных операторов, отражающее реальную городскую транспортную систему. Доказана выпуклость вниз функции потерь пассажиропотока в зависимости от вероятности выбора способа передвижения и получено аналитическое решение.
6. Способ мотивации пассажиров при выборе способа передвижения в рамках административной системы управления городским пассажирским транспортом. Построено обобщение административной системы управления посредством добавления в качестве участников системы не более чем пассажиропотоков. Пассажиропоток распределяется между способами (общественный или индивидуальный транспорт), а также маршрутами ГПТ, целью является минимизация временных и финансовых затрат на передвижение. Учитывая меньший ущерб городской среде от работы общественного транспорта, муниципалитету выгодно повышать качество его работы, чтобы стимулировать пассажиров для выбора общественного транспорта. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована в рамках теории бескоалиционных игр +1-лиц с непрерывными множествами стратегий, для которой доказано существование равновесия Нэша в чистых стратегиях.
7. Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок, обобщенная на случай выбора пассажирами способа передвижения. Таким образом, транспортные операторы не только конкурируют между собой, но и вынуждены повышать качество обслуживания, чтобы удержать пассажира на общественном транспорте. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована в рамках теории бескоалиционных игр +-лиц с непрерывными множествами стратегий, для которой доказано существование равновесия Нэша в чистых стратегиях.
8. Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок, обобщенная на случай возможности выбора пассажирами передвижения с пересадкой. У пассажиров увеличивается выбор вариантов передвижений, что увеличивает конкуренцию между транспортными операторами. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована в рамках теории бескоалиционных игр +-лиц с непрерывными множествами стратегий, для которой доказано существование равновесия Нэша в чистых стратегиях.
9. Способ мотивации муниципалитетом пассажиров и транспортных операторов в рамках модели смешанного рынка городских пассажирских перевозок. Структура системы управления включает коммерческих транспортных операторов, пассажиропотоки и муниципалитет. Математическая задача системы управления ГПТ сформулирована в рамках теории бескоалиционных игр ++1-лиц с непрерывными множествами стратегий, для которой доказано существование равновесия Нэша в чистых стратегиях.
Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность выносимых на защиту научных положений, выводов и рекомендаций обусловлены и подтверждаются корректностью математического обоснования проведённых исследований и системным подходом к решению задач, результатами натурных и вычислительных экспериментов, апробацией при обсуждении на научно-технических конференциях и семинарах.
Практическая значимость. Практическая значимость заключается в том, что разработанные системы управления позволяют прогнозировать спрос на перемещение населения города общественным транспортом. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при оптимизации расписания движения общественного транспорта в условиях рынка, монополии, муниципального управления, конкуренции городского пассажирского транспорта с другими способами передвижения. В частности, получены рекомендации по оптимизации работы транспортной системы для городов Междуреченска, Кемерово.
Практическую значимость результатов работы подтверждают дипломы I и II степени за разработку программного комплекса для оптимизации движения городского пассажирского транспорта с учетом наложения маршрутов и разработку программного комплекса для определения закономерностей выбора способа передвижения жителями г. Кемерово (Международная выставка-ярмарка транспортных средств и логистики ”ТРАНССИБ-ЭКСПО”, 24–27 марта 2009 года, г. Кемерово).
Значимость тематики исследования для развития городского транспорта подтверждается тем фактом, что работа поддержана грантом Губернатора Кемеровской области в 2009 г.
Реализация результатов работы. Разработанные математические модели изменения состояния элементов ГПТ, модели затрат пассажиров и транспортных предприятий с учетом наложения маршрутных схем, решение задач оптимизации движения городского пассажирского транспорта внедрены в учебный процесс на кафедре “Автомобильные перевозки” Кузбасского государственного технического университета, результаты моделирования на основе данных натурного обследования пассажиропотока учтены при организации перевозок МУ ”Управление по благоустройству, транспорту и связи” (г. Междуреченск), что подтверждено соответствующими актами. В результате решения данной задачи получено два свидетельства о государственной регистрации – программы для ЭВМ “Оптимизация интервалов движения городского общественного транспорта на основе данных табличного обследования пассажиропотока” (№ 2008611196) и базы данных “Расчетно-справочное хранилище информации на основе данных табличного обследования пассажиропотока” (№ 2008620122).
Прогнозирование подвижности населения г. Кемерово используется Управлением единого заказчика транспортных услуг г. Кемерово. В результате решения данной задачи получен акт о внедрении и два свидетельства о государственной регистрации – программы для ЭВМ “Прогнозирование подвижности населения города и ее распределение по способам перемещений на основе данных анкетного обследования” (№ ) и базы данных “Автоматизированная информационная система исследования подвижности населения города на основе данных анкетного обследования населения” (№ ).
Положения, выносимые на защиту. Получены лично автором и выносятся на публичную защиту следующие научные результаты:
1. Новый подход к исследованию и классификации систем управления городским пассажирским транспортом, основанные на активном взаимодействии транспортных операторов, пассажиров и муниципалитета.
2. Математическая модель административной системы управления городскими пассажирскими перевозками.
3. Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок.
4. Математическая модель системы управления смешанным рынком городских пассажирских перевозок, которая является обобщением административной модели и модели свободного рынка.
5. Математические модели принятия решений пассажирами при выборе способа и маршрута передвижения.
6. Способ мотивации пассажиров при выборе способа передвижения в рамках административной системы управления городским пассажирским транспортом.
7. Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок, обобщенная на случай выбора пассажирами способа передвижения.
8. Математическая модель системы управления свободным рынком городских пассажирских перевозок, обобщенная на случай выбора пассажирами передвижения с пересадкой.
9. Способ мотивации муниципалитетом пассажиров и транспортных операторов в рамках модели смешанного рынка городских пассажирских перевозок.
10. Алгоритм оптимизации движения городского пассажирского транспорта с учетом наложения маршрутных схем и созданный на его базе программный комплекс. Результаты испытания программного комплекса в г. Междуреченске.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции ”Новые технологии и комплексные решения: наука, образование, производство” (Анжеро-Судженск, 2001), Всероссийских научно-практических конференциях ”Краевые задачи и математическое моделирование” (Новокузнецк, 2001, 2008), Всероссийских научно-практических конференциях ”Информационные технологии и математическое моделирование” (Анжеро-Судженск, 2002–2010), Всероссийских научно-практических конференциях ”Информационные недра Кузбасса” (Кемерово, 2003, 2004), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием ”Транспортные системы Сибири” (Красноярск, 2003), Международных научно-практических конференциях ”Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс” (Кемерово, 2004, 2008), IASTED International Multi-Conference Signal and Image Processing (Novosibirsk, 2005), Международной конференции ”Устойчивость и процессы управления” (Санкт-Петербург, 2005), Международной научно-практической конференции ”Прогресс транспортных средств и систем – 2005” (Волгоград, 2005), Международной научно-практической конференции ”Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах” (Кемерово, 2005), Международной научно-практической конференции ”Социально-экономические проблемы развития транспортных систем городов и зон их влияния” (Екатеринбург, 2006), Annual MOPTA Conference: Modeling and Optimization – Theory and Applications (Waterloo, Ontario, Canada, 2006), Международных выставках-ярмарках ”ТрансСиб-Экспо” (Кемерово, 2007, 2009, 2011), International Conference on Game Theory and Management (St. Peterburg, 2007), Всероссийской конференции ”Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса” (Кемерово, 2007), Всероссийских научно-технических конференциях ”Политранспортные системы Сибири” (Красноярск, 2007, 2010, Новосибирск, 2009), Всероссийской конференции ”Проблемы оптимизации и экономические приложения” (Омск, 2009), Всероссийской научно-практической конференции ”Проблемы эксплуатации систем транспорта” (Тюмень, 2009), Всероссийской конференции ”Устойчивость и процессы управления” (Санкт-Петербург, 2010).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 212 наименований. Общий объем работы составляет 345 страниц, в том числе основной текст – 298 страниц.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 66 публикациях, в том числе в 15 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Моделирование взаимодействия участников городской транспортной системы
На длительность этапа ожидания маршрутно го транспортного средства влияют, в первую очередь, два фактора — регулярность и интенсивность движения
При регулярном движении интервал; между соседними транспортными:. средствами- двигающимися по одному маршруту, является; постоянной величиной- для определенного: периода движения. Однако в реальной транспортной сети соблюдение заложенного в расписании оптимального интервала; между подвижными единицами затруднено:. Это= связано; с рядом- факторов, оказывающих случайное воздействие на-величину интервалов между трансг портнымш средствами.
Глобальным фактором; влияющим на: регулярность,, является увеличившаяся за: последнее время интенсивность движения на. улично-дорожнойї сети и, как следствие, рост дорожно-транспортных происшествий; заторов и ,т:д:
Локальными факторами являются-присутствие в транспортном потоке: автомобилей с различными скоростными характеристиками; наличие на проезжей части в случайные моменты времени;пешеходов; образование очередей из транспортных средств на остановочных пунктах; неравномерность пассажирского потока, приводящая к колебаниям времени остановки; нахождение: на- пути-следования маршрутного транспортного средства перекрестков. Кроме того, регулярность движения может быть нарушена из-за неудовлетворительного технического состояния и оснащения подвижного состава. Поэтому в [13, 109, 142, 155, 158-160]: указывается на случайный характер потока транспортных: средств, движущихся по одному маршруту. В работе [109] доказывается, что если интервал движения между маршрутными транспортными средствами имеет экспоненциальный: закон: распределения, то по ток отъезжающих пассажиров (а следовательно, и отъезжающих транспортных средств) является пуассоновским потоком. В работах [142, 155] исследуется случай, когда поток пассажиров — пуассоновский, а моменты мгновенного обслуживания (прибытия транспортных средств на остановочный пункт) образуют произвольный рекуррентный поток. С другой стороны, применение теории массового обслуживания также предполагает наличие случайного потока транспорта и пассажиров, примером применения данной теории на автомобильном транспорте являются [158-160].
Увеличение интенсивности движения по маршруту или увеличение количества маршрутов, с помощью которых пассажир способен переместиться до места назначения, приводит к снижению среднего времени ожидания. Ожидание маршрутного транспортного средства наиболее тяжело переносится пассажирами.
В [142] так же, как в. [160], изменение количества пассажиров в транспортном средстве, на остановочном пункте рассматривается как случайный процесс. При этом интервал времени между маршрутными транспортными средствами является одинаково распределенной случайной величиной, что говорит о том, что рассматривается один маршрут ГПТ. Для нескольких маршрутов возникает проблема в описании распределения интервалов времени между автобусами и, следовательно, в получении формулы распределения пассажиров между маршрутами и расчете времени ожидания. Моделирование выбора маршрута передвижения
На этапе прибытия транспортного средства k-го маршрута происходит взаимодействие двух потоков - общественного транспорта и пассажиров. Если подошедшее транспортное средство удовлетворяет требованиям потенциального пассажира, то пассажир осуществляет посадку. Первоочередным условием осуществления посадки является возможность перемещения с помощью подвижной единицы данного маршрута до места назначения. Кроме того, потенциальный пассажир учитывает: — стоимость проезда; - наполнение салона подошедшего транспортного средства; - время движения; - время ожидания следующего маршрутного транспортного средства (например, с более низкой стоимостью проезда или более высокой скоростью движения). При этом пассажир руководствуется стоимостью своего времени. Математические модели, описывающие взаимодействие потока общественного транспорта и потока пассажиров; наиболее полно рассматриваются! в [6; 23, 123;, 1=58; 165;, 188;. 193]. В: [123] обсуждается модель коллективного взаимодействия в системе «автобусы — пассажиры». При этом считается; что прохождение транспортным средством- маршрутам зависит от длительности посадки/высадки пассажиров наюстановочных: пунктах, которая, в-свою очередь, зависит от наполнения автобусами; количества; пассажиров на остановочном: пункте. Поэтому число пассажиров в салоне и- на остановочных пунктах зависит от движения автобусов; по маршрутам. В работе также сформулированы общие уравнениям гипотезы, описывающие поведение-системы, в, которых, однако, не учитывается ;высокая вероятность прохождения? через остановочный; пункт нескольких маршрутов, перевозящих ОДИН; ш тот же пассажиропотоку различная; стоимость проезда, на маршрутах, деление пассажиров на группы (по возрастному или социальному признаку): В-- [23] рассматриваются различные модели- распределения пассажиропотоков между. маршрутами городского- пассажирского транспорта; с, учетом; наложения;маршрутных схем. существлена постановка задач оптимизации; ГПТ, и на примере г. Междуреченска показано, что за. счет перераспределения подвижного;состава; между маршрутами можно повысить качество-обслуживания, населения города. Моделирование выбораспособа передвижения .." В [23] отмечается, что наличие в системе множества людей приводит к формированию коллективного? поведения, которое складывается как результат достаточно независимого поведения индивидов, стремящихся к достижению собственных; целей. Предполагается, что для каждого варианта дости жения цели (множество маршрутов и пунктов назначения, видов транспорта и др.) индивид строит функцию полезности, которая может быть представлена как линейная функция от характеристик альтернативы [192]:
Алгоритм распределения двух категорий пассажиров по двум видам городского пассажирского транспорта
Основная задача программного обеспечения для решения оптимизационных задач (для системы ГПТ) состоит в определении оптимальной интенсивности движения транспортных средств по маршрутам.
Так как моделирование чаще всего является единственным способом проанализировать возможные последствия от целенаправленных внешних воздействий на сложную систему, к которой относится и транспорт [163], то наличие программного комплекса позволяет смоделировать большинство возможных в реальной сети ситуаций. Так, изменив значения матрицы межостановочных пассажирских корреспонденции, можно определить оптимальную интенсивность движения ГПТ на всех маршрутах в конкретный день, час. Так же можно рассчитать последствия изменения схемы маршрутов, количества остановочных пунктов и т. д.
Благодаря современному программному обеспечению возможно не только моделировать работу реальной транспортной системы, но и хранить первичную, справочную и расчетную информацию о ней [65, 112, 139]. Для хранения и многофункционального использования большого объема взаимосвязанной информации рациональнее всего поместить ее в базу данных (БД). Наиболее часто используются такие системы управления базами данных (СУБД), как Oracle, SQL-Server, MS Access, Paradox. Однако на сегодняшний день нет идеальной системы управления базами данных, имеющей как развитый интерфейс, так и оптимизированную структуру [139].
Для оптимизации движения общественного транспорта без учета наложения маршрутных схем существует достаточное количество программных разработок, например [3, 138]. Кроме того, существуют программы, позволяющие рассчитывать только технико-эксплуатационные показатели работы транспортных средств на каждом отдельно взятом1 маршруте на основе данных табличного обследования пассажиропотока. В [76] предлагается использовать программный комплекс АРМ «Обследование пассажиропотока», позволяющий определять технико-эксплуатационные показатели работы автобусов и составлять протоколы обследования. Однако рекомендации по изменению интенсивности движения, перераспределению транспортных средств по маршрутам данный программный комплекс не выдает. Другие авторы [7, 23, 78] предлагают методы и программы, позволяющие различными способами рассчитывать матрицу межостановочных пассажирских корреспонденции, на основе которой проводятся исследования перемещений населения. Зарубежные разработчики приводят не только сведения о структуре таблиц и их содержании, но также предлагают для? оценки возможностей модели. В[ 3] рассмотрена математическая модель работы транспортной- системы крупного города (и ее практическая"реализация с помощью программыransnet), предназначенная для прогнозирования ситуаций возникающих на транспортной сети в случае изменения ее структуры,или градостроительных условий.
Несмотря на,обилие программных разработок, они не решают следующих задач, имеющих большое значение для оптимизации работы транспортной системы: при; определении интенсивности движения транспортных средств не учитывается наложение маршрутов, различная стоимость проезда, деление пассажиров на категории; не рассматривается задача для оптимизации работы транспортного предприятия- при постоянном уровне финансирования, при различной стоимости проезда; не определяется значимость частичного наложения маршрутов для оптимизации движения общественного транспорта конкретного города; не определяется характер распределения пассажиропотоков по маршрутам на основе экспериментальных данных. Большое социальное значение городского пассажирского транспорта говорит о необходимости исследований в области оптимизации его работы. Актуальным направлением является исследование и. оптимизация рынка го родских пассажирских перевозок в России. Требуется учесть интересы различных сторон, участвующих в процессе функционирования рынка: определить равновесную политику пассажиров, транспортных операторов и муниципальных органов власти, поэтому исследование должно быть основано на теории активных систем. Современная улично-дорожная сеть характеризуется значительным количеством маршрутов, проходящих по отдельным ее участкам. Разветвлен-ность маршрутной сети позволяет пассажиру осуществить выбор одного маршрута для передвижения из нескольких. Разнородность маршрутного транспорта по стоимости проезда, скорости и интенсивности движения позволяет пассажиру осуществлять выбора маршрута передвижения исходя из экономической оценки своего времени. При этом пассажир сознательно или бессознательно принимает решение о способе передвижения, о посадке в тот или иной вид транспорта, учитывая наличие льгот, стоимость проезда, время ожидания другого вида транспорта, возможность передвижения с пересадкой, важность времени. Так как система городского пассажирского транспорта включает в себя несколько подсистем, то необходимо построить математические модели, описывающие поведение каждой из них. Участники системы городского пассажирского транспорта В настоящее время в России недостаточно исследовано - поведение главного участника системы общественного транспорта — пассажира. Однако переход к рыночной экономике говорит об обратном - общественный транспорт должен удовлетворять потребности пассажиров. Поэтому, в первую очередь, рассмотрим систему «Пассажиры». Во-первых, определим варианты стратегий, которые может выбрать человек. Если есть потребность в перемещении, то сначала необходимо выбрать способ перемещения: — общественный транспорт; - личный автомобиль; — пеший способ перемещения. Данная классификация условна и не включает такие редкие способы перемещения в российских городах, как велосипед, мопед, мотоцикл, речной и воздушный транспорт. Следует заметить, что желание переместиться может быть не реализовано, если нет эффективного способа передвижения. Во-вторых, кроме выбора способа передвижения выбирается и его маршрут. На общественном транспорте перемещение является составным: 1) выбор остановочного пункта; 2) выбор варианта подхода к остановочному пункту; 3) выбор маршрута общественного транспорта; 4) выбор остановочного пункта высадки; 5) выбор варианта перехода от остановочного пункта до места назначения. При перемещении может возникнуть необходимость в одной-двух и более пересадках, поэтому пункты 1-5, или 1-3, или 3-5 могут повторяться несколько раз.
Минимизации потерь времени пассажиров при фиксированном уровне финансирования городского пассажирского транспорта
Для проверки адекватности предложенных моделей было проведено обследование работы пассажирского транспорта в г. Кемерово. Были выбраны два перекрестка: в районе «Швейной фабрики» и «Цирка». Через первый перекресток проходит 53 маршрута, через второй — 37. Замеры проводились в ноябре 2009 г. в течение 1 ч. в будние и выходные дни (утро, день, вечер). В анкете заполнялись следующие графы: номер светофорного цикла, номер маршрута, время открывания дверей на остановочном пункте (с точностью до секунд).
Многие маршруты за это время совершают всего 1-2 рейса, а максимум — 10 рейсов в час. За все время наблюдений не было случая, когда в одной «пачке» оказались два транспортных средства одного маршрута. Проверка точности формул распределения пассажиропотоков на маршрутах на реальном примере не дала хороших результатов, т. к. требуется значительно большее количество исходных данных (ежедневные наблюдения в течение недель). Например, если на данном маршруте выполняется лишь один рейс в час, то он может подойти и в одиночестве, и в «пачке» с 10 другими маршрутными транспортными средствами. Однако сравнение двух моделей (2.4), (2.6) показывает, что значения практически совпадают (отклонение порядка 1-2%). Для проверки точности моделей предложен другой подход - сравнение времени ожидания. Были рассмотрены три модели: детерминированный поток, пуассоновский поток и предложенный в пункте 2.3 пуассоновский поток со светофорным регулированием (2.5). В данном случае рассмотрено отношение времени ожидания для модели к реальному времени ожидания. На рис. 2.20 показано время ожидания на перекрестке «Цирк» в будний день утром. При этом рассматривалось время ожидания в случае, что пассажир ждет 1 маршрут, 2 маршрута и т. д. В целом, аналогичная картина наблюдается во всех случаях. Основные выводы, которые можно сделать, - это определить область применения моделей в зависимости от количества рассматриваемых маршрутов: 1) для одного маршрута наилучшие показатели обеспечивает детерминированный поток (время ожидания занижено на 20%), наихудшее — пуассоновский (время ожидания завышено на 60%); 2) при количестве маршрутов от 2 до 5 наилучшие значения обеспечивает пуассоновский поток со светофорным регулированием (время ожидания занижено на 5-15%), для пуассоновского завышено на 15-40%; 3) при количестве маршрутов от 5 до 20 "пуассоновские модели показывают примерно одинаковые результаты (отклонение от -25 до 10%); 4) При количестве маршрутов более 20 наилучшие значения обеспечивает пуассоновский поток со светофорным регулированием (время ожидания завышено на 3-10%), для пуассоновского занижено на 10-20%. В итоге отметим, что предложенные модели позволяют с высокой точностью описать время- ожидания и. могут быть использованы для построения модели административного механизма регулирования системы городских пассажирских перевозок. Проверка точности моделей по данным опроса жителей г. Кемерово в условиях существования двух видов ГПТ Точность моделей изменения1 состояния элементов городского пассажирского транспорта при одинаковой, и различной стоимости- проезда проверена на статистических данных, полученных в результате опроса пассажиров, ожидающих маршрутный транспорт на остановочных пунктах в различные периоды времени. Количество опрошенных — 200 человек. В анкете содержалась следующая информация: доход на одного члена семьи; наличие льгот; время перемещения на муниципальном/коммерческом транспорте; вид транспорта (муниципальный/коммерческий), выбираемый для осуществления поездки; среднее время ожидания каждого вида транспорта; как часто пассажир выбирает этот вид транспорта для осуществления данной поездки. В результате обработки анкет получены следующие закономерности: доля пассажиров, относящихся к льготной категории и1 выбирающих для перемещения муниципальный транспорт, - 91%, а пассажиров, не имеющих льгот и перемещающихся на муниципальных транспортных средствах, -35%. Для проверки точности модели изменения состояния элементов ГПТ при одинаковой стоимости проезда предположим, что пассажиры при выборе способа передвижения не обращают внимания на стоимость проезда. Анализ поведения пассажиров привел к следующим результатам: в 40% потенциальный пассажир осуществляет посадку в первое подошедшее транспортное средство, в 27% —- всегда ждет муниципальное транспортное средство, в 33% — всегда ждет маршрутное такси. Учитывая, что коммерческий транспорт имеет более высокую интенсивность движения, то в целом в первое подошедшее транспортное средство осуществляют посадку 82%) пассажиров. Для проверки» точности модели изменения состояния элементов FllT при различной стоимости проезда и делении пассажиров на 2 категории, необходимо определить, какая часть пассажиров выбирает муниципальный транспорт. 88% пассажиров-льготников, всегда выбирает для передвижения муниципальный транспорт, 6% - осуществляет посадку в первое подошедшее. Учитывая различную интенсивность движения различных видов- транспорта, получаем, что более чем в 90% случаев пассажир, относящийся к льготной категории населения, выбирает муниципальное подвижное средство.
Оптимизация механизма управления городским пассажирским транспортом в случае двух транспортных операторов
Математические модели, описывающие взаимодействие: потока общественного транспорта, го потока, пассажиров; наиболее . полно рассматриваются в [6; 88, 41, l 42 j 147].: В [123] обсуждается- модель коллективного взаимодействия ВІсистеме «автобусы — пассажиры». При этом считается; что прохождение транспортным средством маршрута зависит от длительности; посадки/высадки пассажиров на остановочных пунктах, которая, в свою очередь зависит от наполнения автобуса и количества пассажиров на остановочном пункте.
К задачам оптимизации относятся г вопросы: обоснования экономически целесообразных вариантовшощности АТП; дислокации подвижного состава, распределения транспортных средств. между отдельными видами перевозок, маршрутами и т. д 016]:.
В работе: [68]( утверждается, что критерием оптимальности: распределения транспортных средств по маршрутам: может быть минимум-суммарных приведенных затрат за исследуемый; период времени. Однако на городском транспорте в большинстве случаев решения; соответствующие наилучшим экономическим показателям работы АТП; не обеспечивают наилучшее качество перевозок: И наоборот - то, что является выгодным для пассажиров, далеко не всегда выгодно для транспортных предприятий. При увеличении интенсивности движения возрастает нагрузка на. улично-дорожную сеть, что приводит к ДТП, заторам, повышению загрязнения окружающей среды. Кроме того, применение современного подвижного состава требует дополнительных капитальных затрат [7], а увеличение интенсивности движения — эксплуатационных. С другой стороны, уменьшить затраты на осуществление пассажирских перевозок можно путем создания маршрутной сети с высоким коэффициентом пересадочности [15], что, в свою очередь, не выгодно для населения.
В связи с этим при оптимизации работы транспорта необходимо учитывать интересы не только транспортного предприятия, но и пассажиров [6]. Для этого авторы работ [6,-7, 16, 83, 106] предлагают использовать целевые функции. Следует заметить, что в [66];предлагается»минимизировать, количество автобусов на; линии; исходя из, транспортных затрат. При» этом; качественная составляющая; перевозок — время; поездки, время ожидания качество поездки — не учитывается; .
Ш Ц7]; четко обозначены; критерии оценки- транспортных систем, учитывающие:интересы транспортныхпредприятий пассажиров игородам Є точки зрения, пассажиров-— это минимальные затраты времени на подход, к остановочному пункту, ожидание, пересадку и поездку, высокий-комфорт поездки: Є точки: зрениям транспортных предприятий — это повышение: рентабельности: Для; города— это минимизация: вредного воздействия; на окружающую среду, уменьшение отчуждаемых под транспортные сооружения земель. В2 [7]; приведено» решение задачи оптимизации: функционирования ГГПЗ при существовании изолированных маршрутов, решение задачи распределения подвижного состава между двумя маршрутами; с помощью модели массового; обслуживания. Исследование объемных сетей массового обслуживания; [158- Г60]? позволяет определить, производительность, загрузку и: длину очереди. Однако; для большого количества маршрутов применение подходов, к решению оптимизационных задач, рассмотренных в этих работах, вызывает вычислительные сложности.,
В [Г6] рассматривается задача, распределения- наличного парка подвижного составам между отдельными видами- пассажирских перевозок. Решение такой задачи- сводится к нахождению такого варианта распределения автобусов между видами перевозок, чтобы суммарная эффективность работы всей системы была бы максимальной. В качестве критерия эффективности в данной задаче выступает прибыль, скорректированная коэффициентами, учитывающими качество обслуживания пассажиров. В [72] исследуется оптимизация работы транспорта на изолированном маршруте. Предлагается в целевую функцию включать показатели качества перевозок (время ожидания, комфортность поездки) в стоимостном выражении. Основными параметрами целевой функции являются: интенсивность поступления пассажиров на остановочный пункт, количество транспортных средств на маршруте, интервалы между прибытием маршрутных транспортных средств.на остановочный пункт. Метод отыскания, минимума функции, представляющей сумму транспортных затрат и затрат времени пассажиров в стоимостном выражении, позволяет подбирать количество автобусов и их пассажировместимость в зависимости от пассажиропотоков [4] . Кроме того; в работе [15] дляраспределения транспортных средств по маршрутам используется- графический метод, а в [[] необходимое в конкретных условиях количество автобусов (и, следовательно, интенсивность движения) определяется с помощью номограммы. Все вышеперечисленные методы и способы-решения оптимизационной задачи могут быть применены для оптимизации работы транспорта на одном-двух маршрутах с одинаковой стоимостью проезда. Разветвленная маршрутная сеть, характеризующаяся большим количеством маршрутов, проходящих по одним и тем же участкам улично-дорожной сети, говорит о необходимости учета возможности выбора пассажиром одного из нескольких маршрутов. В данной главе рассмотрена задача оптимизации интервалов движения транспорта с учетом затрат времени пассажиров. Причем при перевозках учтено, что большинство пассажиропотоков могут быть перевезены с помощью транспортных средств конкурирующих маршрутов. При увеличении интервала движения транспортных средств по данному маршруту возрастают затраты времени пассажиров, но сокращается ущерб от транспорта городской среде, и, наоборот, при снижении интервала движения сокращаются затраты времени пассажиров, но увеличивается ущерб городской среде от работы транспорта.
