Совершенствование управления дорожным движением на основе использования математических и инструментальных методов экономики

А. В. Параскевов






СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ДОРОЖНЫМ ДВИЖЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ЭКОНОМИКИ


Монография






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 681.322
ББК 32.972.1
     П18



Рецензенты: профессор, д. э. н., к. т. н., профессор кафедры компьютерных технологий и систем ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина» Луценко Е. В.;
доцент, к. п. н., доцент кафедры информационных технологий ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет» Добровольская Н. Ю.




        Параскевов, А. В.

П18 Совершенствование управления дорожным движением на основе использования математических и инструментальных методов экономики : монография / А. В. Параскевов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 84 с.: ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-1283-4

         Рассмотрены ключевые характеристики и технические особенности современной городской дорожной сети, вариативность транспортного потока, наглядно проиллюстрированы процессы систематизации. Изложены подходы к анализу данных о потоке, методы и способы практической борьбы с перегруженностью транспортных магистралей.
         Для специалистов транспортной инфраструктуры, а также инженеров в области компьютерных технологий. Может быть полезно студентам, обучающимся по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии».


УДК 681.322
ББК 32.972.1






ISBN 978-5-9729-1283-4

     © Параскевов А. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.........................................4
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ......9
ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРОДСКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ.....................29
ГЛАВА 3. ОБЗОР ОРГАНИЗАЦИОННЫХ
И ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ... 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................76

3

                                   Моему другу, Коваленко Ю. М., с благодарностью за всё...




                ВВЕДЕНИЕ




     В мировой литературе самая первая и крупная в монография по теории транспортных потоков - работа С. Дрю и Р. Дональда «Теория транспортных потоков и управление ими». В ней подробно рассматриваются элементы системы «водитель-автомобиль-дорога» и строятся модели движения транспортных потоков, описывается процесс формирования и дальнейшего функционирования транспортного потока, его формализация и описание на основе математических моделей, рассматриваются методы регулирования движения на сложных узлах дорог и скоростных магистралях и проектирования высокопроизводительных транспортных систем с высокой пропускной способностью.
     Глубокие исследования в области изучения транспортных потоков были выполнены Т. Метсоном, Р. Смитом, В. Лейтцбахом и др. учеными Токийского университета X. Иносэ и Т. Хамада подготовлена монография, в которой затронута проблема сбора и обработки информации о параметрах транспортных потоков, а также вопросы их оценки и прогнозирования.
     В работе В. В. Сильянова рассмотрены вопросы оценки пропускной способности автомобильных дорог с точки зрения их проектирования, эффективности принятия проектных решений, а также применения отдельных средств организации движения; приведены результаты исследования закономерностей движения транспортных потоков в реальных дорожных условиях; на основе этих наблюдений установлены уровни удобства движения и величина оптимальной загрузки дороги движением; уделено внимание методам имитационного моделирования движения транспортных потоков; изложены методики расчета пропускной способности элементов дорог.
     Развитие города может идти двумя способами - экстенсивным и интенсивным. Интенсивное предполагает качественное переосмысление необходимых работ, оптимизацию и совершенствование на основе уже существующей инфраструктуры. Экстенсивный метод развития - это увеличение физических объемов, например, увеличение территорий. На данный момент транспортная система города Краснодар является крайне загруженной. Город занимает одно из первых мест по количеству транспортных средств, дороги с такой транспортной нагрузкой не справляются, в результате чего образуются многочисленные заторы на дорогах. Кроме того, ежедневно в город въезжает в среднем 150 тысяч автомобилей, а это создает дополнительную нагрузку на транс

4

портную систему. С утра наблюдается большой приток автомобилей со стороны основных въездов в город. А к вечеру происходит не менее сильная загрузка точек выезда из города, так как те, кто прибыли с утра, выезжают из города. Информационные технологии призваны экономить наше время и силы. В то же время одной из проблем, «съедающей» время, являются пробки на дорогах. Можно добраться из одного места в другое за одно время, но при условии наличия пробок на дорогах, это время может увеличиться и в несколько раз. Почему бы не использовать технические и программные средства для решения этой проблемы!? Сейчас почти у каждого есть смартфон, с загруженным в него навигатором. Вариаций этих навигаторов с примерно одинаковым функционалом существует огромное множество. Но что, если бы навигатор в смартфоне не только выбирал кратчайший путь, но и помогал в разгрузке дорожно-транспортного движения всего города, сводя заторы на дорогах к минимуму. В сложившейся ситуации направление развития всей транспортной инфраструктуры города должно вестись только путем разработки первоначальной комплексной транспортной схемы. В ней должны быть учтены как грузопоток, так и пассажиропоток на всей территории города. И в контексте данной разработки, безусловно, необходимо сразу говорить и о пригородных поселках-спутниках, о количестве, качестве и направлении дорог там. Без совершенствования этих объектов решения проблемы не будет. Все пробки просто переместятся на несколько километров, а вполне возможно, и удлинятся в течение нескольких лет. Комплексная схема организации дорожного движения должна содержать переезд через железнодорожные ветки, которые буквально делят город на несколько частей и образуют эффект «бутылочного горлышка», в котором оказываются запертыми жители в часы пиковой нагрузки на транспортную инфраструктуру.
     Разработка проектов организации дорожного движения в нерабочие и праздничные дни также является ключевым моментом в силу того, что в эти дни, как правило, закрыта для проезда центральная улица и пересечь ее возможно лишь в 3-5 местах, что неприемлемо при существующей нагрузке на транспортную инфраструктуру и идет вразрез с задачами оптимизации всей транспортной сети.
     В 1950-х годах в Соединенных Штатах Америки заговорили о принципиальной возможности возникновения заторов на дорогах. Это должно было произойти, когда на 1000 человек будет приходиться порядка 15 автомобилей. В 1955 г. в США этот показатель никак не превышал 5-7 автомобилей на 1000 человек. На данный момент в г. Москве на 1000 жителей приходится 400 автомобилей, г. Санкт-Петербурге - 300, а по всей Российской Федерации в городах-миллионниках этот показатель находится на уровне 200.

5

     Города застраивались, как правило, стихийно, не системно. Во время строительства дорог не производили расчет с учетом количества автотранспорта на сегодняшний день. В настоящее время заторы на дорогах - проблема больших городов, в которых применяются следующие способы борьбы с пробками:
     1.       Работа светофоров в режиме «зеленой волны», когда при средней скорости движения автомобиля по городу - 30-40 км/ч, он на светофорах останавливаться не будет. Такой автомобиль будет постоянно попадать на зеленый сигнал. Даже если первый раз машина остановится на красный сигнал, то, доехав до следующего светофора, попадет уже на разрешающий сигнал. Данная модель безостановочного движения позволяет лишь частично разгрузить транспортный поток на улицах больших городов.
     2.       Проезд транзитных большегрузных автомобилей не через город, а в объезд, они не должны въезжать в город. Они из-за своих больших габаритов создают заторы и аварийные ситуации. Зачастую, для того чтобы совершить маневр, им приходится выезжать на полосу встречного движения, что создает опасность для встречного потока. Если на полосе встречного движения образовался затор, то маневр и вовсе становится нереальным. Позади большегрузного автомобиля скапливается транспорт, и возникает пробка. Значит, все базы для выгрузки должны находиться за городской чертой. Средние и тяжелые грузовики разгружаются там, а малый коммерческий транспорт осуществляет доставку в пределах городской черты.
     3.       Строительство воздушных развязок и тоннелей, дублирующих основные городские дороги. Городские дороги в настоящее время не рассчитаны на существующее количество автотранспорта. Таким образом, необходимо строить дублирующие воздушные мосты и подземные тоннели, которые, несомненно, увеличат пропускную способность сети городских дорог.
     4.       Во всех без исключения южных городах существует проблема видимости сигналов светофора и дорожных знаков. Это происходит из-за деревьев и кустарников, которые в весенне-летне-осенний период закрывают видимость дорожных знаков и светофоров. Необходимо, чтобы на расстоянии 5 метров до дорожного знака и светофора не было деревьев и кустарников. Это улучшит обзорность водителям и, соответственно, увеличит скорость транспортного потока.
     5.       Муниципальные службы по уборке города должны работать ночью, поскольку, работая в утренние и вечерние часы, они создают пробки. Поэтому все работы по уборке города, ремонту освещения и т. п. должны проводиться ночью, когда транспортный поток минимален, и заканчиваться за 30 минут до утреннего часа пик (06.30).

6

     6.      Улучшение дорожного полотна на «промежуточных и дублирующих» улицах. Состояние дорожного покрытия на небольших улицах оставляет желать лучшего, асфальтовое покрытие, порой, полностью отсутствует, что делает распараллеливание потоков совершенно невозможным. Многие автолюбители желают объехать образовавшийся на основном направлении затор, но возможные поломки и резко возрастающая амортизация автомобиля делают их желание несбыточным.
     7.      Установление дополнительных сигналов светофора для поворота направо. Транспортный поток, который совершает правый поворот, создает минимальные помехи дорожному движению. Таким образом, автомобили, совершая правый поворот, смогут несколько разгрузить правую крайнюю полосу для движения в свою сторону.
     8.      Введение платы за проезд в центр города и спальные районы. Наличие при этом альтернативных бесплатных дорог параллельного направления дает возможность регулировать размер потока автотранспорта и направлять его на свободные «объездные» улицы.
     Только комплексный подход сможет помочь в борьбе с заторами на городской дорожной сети с ограниченной пропускной способностью. Ни одна из существующих на данный момент мер не способна «в одиночку» справиться с проблемой. Задача состоит в следующем: найти модель оплаты дорожного проезда, которая будет в состоянии сдерживать спрос на поездки в заданных пределах в зависимости от допустимых экологических норм и физически возможной пропускной способности участка. Вышеупомянутый способ решения проблемы тесно связан с вопросом о поддержке, развитии и строительстве транспортной сети в большинстве крупных городов. Вообще, введение платы за проезд и управление спросом на поездки считаются ключевыми методами влияния на уровень вредного воздействия транспорта на окружающую среду. Поэтому ограничение числа поездок и введение платы за проезд имеют непосредственное влияние на загрязненность окружающей среды и управление перевозками.
     Основная точка зрения заключается в следующем: когда потенциальный спрос на поездки будет достаточно высок для того, чтобы стать причиной заторов и образования очередей на участках транспортной сети, то задержки очередей на загруженных отрезках и, соответственно, расходы на поездку на отрезках О-П (отправление-прибытие) будут расти. В результате произойдет снижение реализованного спроса на поездки до уровня пропускной способности транспортной сети. В итоге результативный спрос и затраты на поездку будут уравновешены, что приведет к устойчивому состоянию равновесия очередей на всей транспортной сети. Поскольку простой в пробке - это, по сути, поте

7

ря времени, то было бы целесообразным найти альтернативные маршруты для того, чтобы распределить поток. Это можно достичь элементарным замещением задержки очередей эквивалентным размером платы за проезд. Однако в некоторых ситуациях этого будет не достаточно для того, чтобы сдерживать величину транспортного потока в пределах пропускной способности.

8

ГЛАВА 1





                ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ




     Проблема перегруженности городской транспортной сети обостряется от месяца к месяцу. И связано это с неуклонно растущим количеством автотранспортных средств. Существуют три общие ситуации, при которых возникают заторы на дорогах:
     - так называемые «часы пик»;
     - предпраздничные, праздничные и выходные дни;
     -      влияние событий непреодолимой силы (форс-мажорные ситуации) и ремонтные работы.
     «Часы пик», в свою очередь, можно разделить на два особенно острых случая:
     1)     ситуация «утро», при которой транспортный поток направляется из спальных районов и из близлежащих станиц и поселков в городской центр в основном на работу;
     2)     ситуация «вечер», при которой основной транспортный поток направляется в спальные районы и из города.
     Ситуация «утро» складывается, начиная с 07.00 утра на въезде в город и с 07.30 утра на выезде из спальных районов. Заканчивается она в 09.30. Естественно, приведенный временной коридор является ориентировочным и зависит от метеорологических условий, дня недели, состояния дорожного полотна, количества дорожно-транспортных происшествий и некоторых других, не столь существенных, условий. Зависимость интенсивности транспортных потоков от того или иного дня недели обусловлена дополнительным «вливанием» в пригородную, а затем и городскую транспортную сеть приезжающих и уезжающих студентов, а также некоторых других категорий граждан (характерно, в основном, для понедельника и пятницы).
     Ситуация «вечер» обратна, в некоторой степени, ситуации «утро», потому что направленность заторов на дорогах меняется на противоположную, а вот загруженность остается примерно такой же, что и утром. Для возникновения ситуации «вечер» характерен временной отрезок примерно с 17.30 и до 19.30.


9

     Выводы о временных промежутках были сделаны на основе анализа наблюдений за проблемными участками городской транспортной сети, изучения графика работы объектов с большим количеством задействованных сотрудников.
     Но ни в коем случае нельзя говорить о том, что проблемы возникают только из-за человеческого фактора и графиков работы. Такой вывод был бы глубоко ошибочным. Проблема комплексна и требует исключительно системного подхода к решению и принятию комплекса мер.
     Для того, чтобы понять, наглядно показать и применять современные научные (математические, технические и аппаратные) методы решения, представим городскую дорожно-транспортную сеть в виде графа.
     Разобьем граф на подграфы в соответствии с территориальным делением районов и жилых массивов. Укажем на нем красными линиями участки дорожной сети, на которых возникают заторы в ситуациях «утро» и «вечер».


Рисунок 1. Карта микрорайона «Юбилейный»

10

Рисунок 2. Карта микрорайона «Дубинка»

     Пропускная способность значительно снижается в праздничные дни, но, зачастую, остается напряженной на совершенно других участках дорожно-транспортной сети. Как правило, это магистральные улицы, ведущие к крупным торговым и торгово-развлекательным центрам, во время летних праздников -это выезды из города в сторону федеральной трассы М4 «Дон» по направлению к черноморскому побережью.
     В некоторых случаях, при совпадении ситуаций «утро» или «вечер» и праздничных/предпраздничных/выходных дней образуется гигантский, буквально катастрофический коллапс, при котором становится практически непредсказуемым время его разрешения. Ярким примером могут служить новогодние праздники. Особенно сильно жители и гости г. Краснодара ощущают проблемы дорожного движения начиная с2010 года.

11