автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Повышение эффективности использования улично-дорожных сетей на основе управления формированием транспортных потоков

На правах рукописи

Белов Александр Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛИЧНО-ДОРОЖНЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

Специальность 05.22.01 — Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 МАЙ 2014

Москва-2014

005548790

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре транспортных систем

Научный руководитель: Горев Андрей Эдливич

доктор экономических наук,

профессор кафедры транспортных систем

СПбГАСУ

Официальные оппоненты: Михайлов Александр Юрьевич

доктор технических наук, профессор кафедры менеджмента и логистики на транспорте НИ ИрГТУ

Енин Дмитрий Владимирович

кандидат технических наук, заведующий научно-исследовательским отделом ОАО «Научно-исследовательский институт

автомобильного транспорта»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «26» июня 2014 года в 1С? часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.126.06 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский пр., д.64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Автореферат разослан « » ¡.Сер. А_2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Телефон для справок (499) 155-93-24

Ученый секретарь диссертационного совета,

Ефименко Д.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Современный уровень транспортной нагрузки на улично-дорожную сеть (УДС) крупных городов в настоящее время вызывает ряд проблем связанных с несоответствием количества транспорта выезжающего на УДС возможностям самой УДС. Основной проблемой является снижение скоростей движения по участкам УДС до значений, при которых функционирование наземного транспорта становится крайне неэффективным. Разница между временем движения в свободных условиях и в часы "пик" может составлять 6-8 раз и более. Помимо потерь времени такой режим движения вызывает значительное увеличение объема вредных выбросов. Кроме того, следует учитывать уровень стресса, испытываемый водителями в таких условиях движения. При этом уровень автомобилизации населения российских городов продолжает расти. Наблюдается тенденция разрастания часов пик и повышения интенсивности движения в межпиковый период. Такие условия перемещения по УДС начинают влиять на темпы общеэкономического развития города и качество жизни в нем. Потери от транспортных заторов для крупных городов по различным оценкам составляют около 3-6 % ВРП, например для Санкт-Петербурга это около 80 млрд. руб. в год, для Москвы около 450 млрд. руб. в год.

Формирование значений интенсивности транспортных потоков на отдельных элементах УДС осуществляется под влиянием значительного числа факторов, основные из которых связаны с субъективным восприятием действительности отдельными индивидуумами, что существенно затрудняет процесс принятия решений о применении того или иного управляющего воздействия. При уровне спроса превышающем возможности транспортной сети, свобода в выборе маршрута и времени начала движения неизбежно приводят к перегрузке, образованию транспортных заторов и существенному снижению эффективности использования имеющейся УДС. Локальные мероприятия по управлению доступом к перегруженным участкам УДС показывают высокую эффективность. В этой связи представляет интерес исследование возможности повышения эффективности за счет распространения принципа управления доступом на всю УДС.

Теоретическая и практическая значимость проблемы повышения эффективности использования УДС, а также ее высокая актуальность предопределили выбор темы, постановку целей и задач диссертационного исследования.

Гипотеза исследования. Для обеспечения максимальной

эффективности работы УДС может быть разработана система управления с директивным регулированием доступа на УДС и предписанием системно-оптимального маршрута на уровне отдельного ТС.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам оценки и повышения эффективности работы УДС посвящены исследования: A.A. Агасьянца, В.Ф. Бабкова, С.А. Ваксмана, А.П. Васильева, А.Э. Горева, Ф.Г. Глика, И.М. Головных, Г.Н. Зубкова, Е.М. Лобанова, А.Ю. Михайлова, П.И. Поспелова, Д.С. Самойлова, A.B. Сигаева, В.В. Сильянова, Ю.А. Ставничего,

М.С. Фишельсона, Ю.Д. Шелкова, В.В. Шештокаса и др. Анализу поведения плотных транспортных потоков и управлению ими посвящены работы: М.Б Афанасьева, P.O. Брайловского, М.Я. Блинкина, А.П. Буслаева, Б.Н. Грановского, В.В. Зырянова, И.Е. Капитанова, Г.И. Клинковштейна, В.И. Коноплянко, Ю.А. Кременца, И.А. Лубашевского, В.Н. Луканина, М.П. Печерского, Ю.М. Ситникова, Е.Б. Хилажева, Б.Г. Хоровича, В.И. Швецова, М.В. Яшиной и др.

Среди зарубежных исследователей в области управления потоками на сетях стоит выделить: Ak?elik R., Braess D., Brilon W., Daganzo C. F., Geroliminis N., Mahmassani H. S., Papageorgiou M., Roughgarden Т., Taale H., P. Varaiya, Wardrop J. G., Zuurbier F., Zuylen H. и др.

Целью настоящего исследования является разработка методических основ повышения эффективности использования улично-дорожных сетей городов за счет директивного воздействия на процесс формирования транспортных потоков.

Для достижения указанной цели в данной работе были поставлены следующие задачи:

— провести анализ процесса формирования транспортных потоков на сети и подходов к управлению ими;

— провести анализ эффективности мер по формированию транспортных потоков;

— разработать математическую модель оценки эффекта от активного управления формированием транспортных потоков;

— разработать алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе активного управления формированием транспортных потоков;

— экспериментально оценить эффект от активного управления формированием транспортных потоков при помощи имитационного моделирования;

— разработать предложения по внедрению системы управления формированием транспортных потоков.

Объект исследования — улично-дорожная сеть города и транспортные потоки на ней.

Предмет исследования — методы распределения транспортных потоков на сети в пространстве и во времени.

Методы исследования. Математический, статистический и системный анализ. Имитационное моделирование.

Научная новизна работы состоит в разработке новых научно-практических рекомендаций по организации системы управления дорожным движением в городах:

— определены границы применимости системно-оптимального распределения потоков на сети;

— предложен новый способ организации системы управления дорожным движением;

- в рамках указанного способа предложен новый критерий оценки эффективности работы УДС;

- разработана математическая модель оценки эффекта от активного управления формированием транспортных потоков;

- разработан алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе активного управления формированием транспортных потоков.

Практическая значимость результатов исследования. Результаты работы могут быть реализованы в виде системы управления дорожным движением, которая регулировала бы доступ автомобилей на УДС в масштабе города или целого региона, создавая вместо реальных транспортных заторов виртуальные очереди, что позволит использовать имеющуюся УДС максимально эффективно.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет".

По разработанному способу организации системы управления дорожным движением получен патент на изобретение (патент Российской федерации №2507583 "Способ организации системы навигации и управления дорожным движением", заявка от 27.04.2012 г., получен 20.02 2014 г.) Основные положения, выносимые на защиту:

- новый способ организации системы управления дорожным движением, отличающийся регулированием доступа к УДС и передачей управляющих воздействий непосредственно каждому водителю;

- новый критерий эффективности работы УДС, позволяющий оптимизировать производительность при регулировании доступа;

- математическая модель оценки эффекта от управления доступом к УДС, учитывающая закономерности изменения спроса и затрат времени;

- алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе директивного управления формированием транспортных потоков. Апробация работы. Основные положения, рекомендации и результаты

исследования доложены и одобрены на международных и отраслевых конференциях (Санкт-Петербург, Москва, Минск), а также на IV Российском международном конгрессе по интеллектуальным транспортным системам.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в печатных 10 работах общим объемом 2,77 п.л., получен 1 патент на изобретение. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 2 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Основной текст размещен на 123 страницах, включает 5 таблиц, 27 рисунков. Библиографический список включает 117 наименований, в том числе 79 на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведён краткий анализ современного состояния и этапов развития теоретических основ управления транспортными потоками на сетях. Отмечено, что основной задачей управления дорожным движением в современных условиях становится недопущение образования заторов. Описаны наиболее перспективные подходы к решению проблемы транспортных заторов. Особое внимание уделено подходам к описанию взаимодействия отдельных индивидуумов в процессе формирования транспортного потока.

Транспортный поток на том или ином участке сети формируется за счет решения о поездке отдельных индивидуумов. Каждый водитель немаршрутного транспортного средства (ТС) влияет на транспортные потоки путем выбора маршрута движения, времени начала поездки, а также выбора скорости движения и маневрирования. В процессе загрузки УДС транспортными потоками время движения по тому или иному маршруту увеличивается. На практике это увеличение описывается функцией отражающей изменение задержки при проезде участка сети от интенсивности движения по нему, которая в англоязычной литературе обычно называется volume-delay function (VDF). Таким образом, поездка каждого нового водителя вызывает увеличение задержки для всех водителей использующих тот же маршрут в то же время, особенно сильно это проявляется при приближении уровня загрузки к пропускной способности участков этого маршрута.

В транспортной науке известно два принципа распределения потоков по маршрутам сформулированные в 1952 г. Джоном Уордропом: равновесное и системно-оптимальное. Равновесное распределение реализуется при самостоятельном выборе маршрута пользователями в условиях полной информированности о временах движения. Интерес представляет повышение эффективности использования сети за счет системно-оптимального распределения, этому посвящены многие работы, в основном зарубежных авторов, вопрос практической реализации оптимального распределение упирается в невозможность заставить водителей двигаться по предписанным маршрутам в традиционных системах управления.

Кроме выбора маршрута движения водитель имеет возможность выбора времени начала поездки. Выбирая одно то же время поездки, водители скапливаются на «узких» участках УДС, затрудняя движение друг другу. Хорошо известно, что образование затора снижает пропускную способность по сравнению с равномерным движением потока через тот же участок, при этом установлено, что данное явление справедливо как для отдельного участка дороги так и для УДС в целом. Следовательно, сдерживание потоков для поддержания равномерного движения даст выигрыш всем участникам движения. Первые попытки практического применения этого эффекта осуществлялись в США, где в 1966 г. был внедрен первый опытный образец системы регулирующей въезд на автомагистраль (ramp metering). Этот принцип показал высокую эффективность и в дальнейшем получил широкое распространение.

Таким образом, можно сказать, что данный метод реализовывал локальное управление временем начала поездки в масштабе конкретного въезда на автомагистраль. Базовой идеей данной работы является исследование возможности масштабирования этого принципа на УДС любого размера.

Рассматривая меры по регулированию доступа к УДС и направление потоков по маршрутам дающим системно-оптимальное распределение как направленное действие с целью снижения задержек за счет поддержания транспортных потоков в определенном состоянии, можно сказать, что имеет место управление формированием транспортных потоков. При реализации этого подхода в виде полномасштабной системы управления охватывающей УДС города и шире, становится возможным вместо реальных заторов формировать виртуальные очереди, время ожидания в которых будет существенно меньше за счет поддержания работы сети в оптимальном режиме.

Во второй главе система управления транспортными потоками рассмотрена с позиций системного анализа, проведен анализ наиболее распространенных функций VDF, проведено исследование величины «коэффициента Браесса», как показателя эффективности системно-оптимального распределения, разработана математическая модель оценки эффекта от управления доступом к УДС, учитывающая закономерности изменения спроса и затрат времени.

В традиционных системах управления транспортными потоками, где объем транспортной нагрузки является исходными данными, задача управления сводится к отысканию таких параметров управляющих элементов, при которых критерий качества работы системы, например, уровень задержек, будет минимальным. При исчерпании возможностей оптимизации параметров работы управляющих элементов и схемы организации движения, остается только два пути решения проблемы, либо наращивание плотности, связности транспортной сети и пропускной способности её элементов, либо снижение нагрузки на имеющуюся, что в зарубежной литературе получило название «управление спросом» (demand management). В рамках традиционного подхода это направление уже нельзя отнести к системе управления транспортными потоками, оно является вышестоящей системой и регулирует общий объем спроса на передвижения.

С позиций системного анализа управление транспортными потоками может быть рассмотрено в более широком контексте. Нагрузка на транспортную сеть рассматривается уже не как количество автомобилей передвигающихся из одной точки в другую, а как поездка определенного индивидуума, имеющая определенную цель и свои характеристики. Такое представление нагрузки дает возможность учитывать в системе управления новые параметры, связанные с выбором маршрута движения и времени совершения поездки.

Таким образом, с позиций системного анализа, центральная идея данной работы заключается в расширении границ рассмотрения системы управления транспортными потоками, учете взаимосвязей с внешними системами и включении в контур управления одного из пунктов категории управления

спросом — распределения поездок по времени их начала, а также в повышении степени контроля за распределением потоков по маршрутам движения до уровня жесткого регулирования. Схемы иллюстрирующие этот подход представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 — Взаимодействие управляющего субъекта с пользователем в процессе формирования транспортного потока при традиционной схеме управления

Границы контура I__.—-— ~

управления [

Рисунок 2 — Взаимодействие управляющего субъекта с пользователем в процессе формирования транспортного потока в предлагаемой схеме управления

Исследованию характеристик VDF посвящены работы многих зарубежных и отечественных авторов, где эта зависимость принимает различные виды: линейный, полиномиальный, экспоненциальный и др. На практике наиболее распространенными функциями VDF являются:

- функция Бюро Дорог Общего пользования (BPR Function, США);

- коническая функция, применяемая в ПО VISUM (Германия);

- функция французского национального института транспорта;

- функция Акцелика (Akfelik Travel Function, Австалия);

- функция применяемая в ПО AIMSUN (Испания);

- функция применяемая в модели НИПИ ТРТИ (Санкт-Петербург).

Парадокс Браесса (Braess's Paradox), обнаруженный Дитрихом Браессом

(Dietrich Braess) в 1968 г., иллюстрирует различие между распределением потоков по первому и второму принципам Уордропа. Данный парадокс заключается в том, что добавление новой связи в сети может повышать общую стоимость поездок при равновесном распределении. Степень повышения стоимости поездок до и после добавления участка сети называют «коэффициентом Браесса» или «ценой анархии» т.е. ценой отсутствия централизованного контроля над распределением потоков. В зарубежной литературе описаны исследования парадокса Браесса с применением линейных и полиномиальных функций VDF. При этом отмечается, что при произвольных нелинейных функциях степень парадокса может иметь произвольное значение. В этой связи было проведено исследование парадокса Браесса для вышеуказанных наиболее распространенных на практике функций.

Исследование проводилось на классическом примере парадокса Браесса — сети из четырех вершин и четырех дуг. В этом примере функции имели линейную форму и были различны для смежных отрезков. В проведенном исследовании функции всех отрезков имели один вид из приведенного списка, но сами отрезки отличались по длине. Исследовалась величина коэффициента Браесса в зависимости от соотношения длин отрезков сети и уровня нагрузки. Соотношения длин смежных отрезков принималось в пределах от 55/45 до 95/5 с шагом 5, уровень загрузки от 0,1 до 1,5 с шагом 0,05. Исследование проводилось в ПО AIMSUN путем равновесного распределения потоков до и после добавления пятой дуги с незначительной стоимостью проезда и сравнения суммарных затрат на движение.

Результаты показали для всех типов функций парадокс Браесса возникает при средней и высокой загрузке, и резко снижается или полностью пропадает при превышении пропускной способности ключевых участков сети. Максимальное значение коэффициента Браесса 1,89 наблюдалось при использовании функции Акцелика при уровне загрузки 0,55 и соотношении длин участков 90/10.

Для дополнительной оценки было проведено исследование коэффициента Браесса на базе микромоделирования, как наиболее точно воспроизводящего процесс движения потоков транспорта. Моделирование проводилось в том же ПО AIMSUN. На основе аналогичной сети из 4 дуг и 4 узлов был смоделирован вариант с соотношением длин участков 90/10, как показавший наибольшее значение коэффициента Браесса в предыдущем эксперименте. В результате наблюдались даже большие значения коэффициента Браесса, максимальное значение составило 2,68 при уровне загрузки 0,8 (рис. 3). С ростом нагрузки степень парадокса также снижалась. В целом, результат эксперимента на микромодели подтвердил результаты эксперимента с распределением на основе

\ТЖ Парадокс Браесса возникает в диапазоне уровня нагрузки от 0,6 до 1, что соответствует области наибольшей чувствительности задержек к изменению нагрузки.

3

2,5

п> ?

п,

из

1Л

~г

**

-н-

-н-

о

1С о,ь

р ■■Г1Г -Г" -т-г -г-т- ^-г-ГЧ-Г-■ - ГТ- Г -Г- -Г-Г-Т-Тчг^-Г-Г ^-.-Г- Г.....-г'---,.....

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Уровень загрузки

Рисунок 3 — Коэффициент Браесса при микромоделировании с соотношением длин

участков 90/10

Таким образом, основной вывод, который можно сделать из проведенных исследований носит качественный характер и заключается в том, что возможности для снижения задержек в перегруженной сети путем оптимизации распределения потоков отсутствуют.

Вторым параметром, который выбирает водитель при совершении поездки является время начала поездки. Поскольку выбор времени начала поездки, так же как и выбор маршрута, существенно влияет на состояние транспортных потоков на сети, можно провести аналогию с парадоксом Браесса для выбора времени начала поездки. В часы пик водители действующие самостоятельно выбирают примерно одно и тоже время начала поездки, что приводит к перегрузке сначала отдельных элементов сети, а затем распространению заторов на другие. Управление формированием транспортного потока позволит не допускать перегрузки лимитирующих элементов и обеспечить их работу в оптимальном режиме.

Важную роль в данном исследовании играет явление снижения пропускной способности в состоянии затора. По данным различных авторов величина снижения пропускной способности перегона магистрали при образовании затора может достигать от 5 до 25 %, но большинство исследователей сходятся на значении 9-10 %. Более поздние исследования зарубежных авторов направлены на изучение эффекта снижения пропускной способности на сети магистралей и на улично-дорожной сети.

Для анализа работы УДС исследователи ввели понятие сетевой фундаментальной диаграммы в целом по всей сети, впервые это понятие появилось в конце 60-х гт. 20-го века. Результаты недавних исследований доказывают, что фундаментальная диаграмма для сети существует и что производительность реальной сети существенно зависит от характера нагрузки.

Задача управления формированием транспортных потоков состоит в том, чтобы не допустить образование затора и снижения пропускной способности и

эффективности работы сети. На рисунке 2 проиллюстрировано изменение различных параметров в ходе процесса загрузки условного участка УДС имитирующего нагрузку утреннего часа «пик». Пунктирной линией показано развитие ситуации при отсутствии управления формирования потоков, сплошной — при наличии.

Рисунок 4 - Изменение параметров в ходе процесса загрузки участка УДС при наличии контроля над формированием транспортных потоков

График а представляет изменение спроса на поездки по рассматриваемому участку. Значение нагрузки хтах соответствует уровню загрузки равному 1, т.е.

нагрузка равна пропускной способности участка. Следует отметить, что в применяемой здесь терминологии уровень нагрузки соответствует уровню спроса, т.е. числу ТС желающих проехать по участку, а уровень загрузки — отношение интенсивности к пропускной способности. Моменты времени 11 и показывают когда уровень спроса начал превышать пропускную способность и когда закончил соответственно. Задача системы управления — «срезать» верхушку графика спроса Б] и расположить ее правее так (Бг), чтобы спрос не превышал предложение.

График б показывает уровень равновесной стоимости поездки Ср и изменение в соотношении затрат на движение по участку, затрат связанных с ранним прибытием или опозданием в место назначения. При введении управления формированием потоков в структуре затрат на поездку появляется стоимость времени ожидания. Это время показывает насколько должны быть задержаны автомобили желающие выехать на участок после момента времени Для каждого последующего автомобиля время задержки будет увеличиваться до момента Благодаря поддержанию потока на уровне максимальной эффективности затраты на непосредственно движение по участку остаются постоянными. Поскольку поток поддерживается в таком состоянии в течение всего рассматриваемого периода, существенно снижаются общие затраты на совершение поездок, на графике эту разницу показывают значения Сдо и СП0Слс-Это же подтверждает график в, где кривая зависимости времени прибытия от времени отправления смещается вправо в диапазоне максимальной нагрузки, это означает, что время становится ближе к желаемому времени прибытия, т.е. сокращается равновесное время движения по участку. График г соответственно показывает, что при наличии управления поток поддерживается па уровне максимальной эффективности, время Ц,о соответствует моменту когда виртуальная очередь из задержанных автомобилей исчезает.

Если для УДС в целом можно применить понятие фундаментальной диаграммы, то и применимо понятие УОБ, т.е. функции изменения общей задержки в сети в зависимости от роста ее загруженности. Тогда, на основе проведенного анализа процесса развития ситуации при наличии и отсутствии управления формированием транспортных потоков, в общем виде получаемую выгоду можно описать следующим образом:

= тоят- /*(0л

(2) (3)

усд

где Ам> — разница между задержкой при движении без сдерживания и со сдерживанием потоков, - задержка при движении без сдерживания, м/№ —

задержка движения при сдерживании, обусловленная плотностью транспортного потока, п'сд — задержка от непосредственно сдерживания, f(x) — функция изменения задержки от интенсивности движения, x(t) — кривая изменения спроса на поездки по участку, хтп - уровень загрузки, при котором эффективность работы УДС максимальна, Тот — время движения по участку при загрузке хот, hom — временной интервал между автомобилями при уровне загрузки хот_ t\ — время начала превышения уровня спроса над пропускной способностью УДС, t2 — время окончания превышения спроса над пропускной способностью, tq=o — время когда очередь задержанных ТС исчезает.

Таким образом, можно сказать что формулы 1-4 являются математической моделью оценки эффекта от управления формированием транспортных потоков.

Третья глава посвящена разработке основного алгоритма работы системы сдерживания потоков и экспериментальным исследованиям эффективности управления формированием транспортных потоков для различных участков УДС.

В качестве основы для построения предлагаемой системы управления формированием транспортных потоков выбран метод управления на прогнозирующих моделях основанный на принципе "катящегося горизонта", когда с определенным временным шагом модель прогнозирует поведение системы на некоторый длительный период времени и принимает управляющие воздействия на основе этого прогноза, затем с некоторым периодом прогноз повторяется с учетом текущих данных, таким образом постоянно отодвигая горизонт прогнозирования. В зарубежной литературе он называется МРС (Model Predictive Control).

Таким образом, система управления формированием транспортных потоков будет состоять из следующих элементов:

- модель транспортных потоков на подконтрольной УДС;

- блок оценки целевой функции;

- блок выработки управляющих воздействий;

- блок оценки текущего состояния.

Взаимосвязь перечисленных элементов показана на рисунке 5.

Рисунок 5 — Структурная схема системы управления формированием транспортных потоков

Для построения системы управления формированием транспортных потоков может быть использована модель любой степени сложности при наличии необходимых вычислительных ресурсов.

В качестве критерия используется допустимое число автомобилей на перегоне УДС, при которой достигается устойчивый максимум производительности УДС при текущем шаблоне нагрузки.

Показатель производительности УДС, имеющий размерность автомобиле-километров в час, не встречается в отечественной практике при оценке эффективности транспортных сетей. В зарубежных источниках он появился в конце 90-хх гг. прошлого века, для оценки производительности отдельных участков магистралей, где он рассматривается как аналогия мощности в механических системах. Позднее такой показатель стали применять для оценки эффективности УДС в целом при реализации различных мероприятий. Расчет показателя производительности УДС предлагается проводить следующим образом:

(5)

¡=1

где к — число участков; N — число транспортных средств, прошедших по участку к, прив.ед.; V* — средняя скорость прохождения участка к км/ч.

Поскольку основным управляющим воздействием в предлагаемой системе является задержка ТС путем прямого индивидуального запрета на выезд с места парковки, под целевой функцией понимается минимум суммы предписанных задержек, при условии недопущение превышения значений плотности потока на каком-либо участке УДС, которые соответствуют максимальной производительности всей УДС в данных условиях. В формализованном виде это будет выглядеть следующим образом:

м

Хл п™ (6)

]=1

при условии

(Р,-Рп(7) где I — величина задержки для заявки на поездку }, М — общее число заявок, р, — прогнозируемая плотность на перегоне 1,рШах— предельная величина плотности, полученная в результате предварительной оценки.

Для анализа производительности УДС был разработан алгоритм проведения оценки допустимых значений плотности потоков р,, представленный в тексте диссертации.

Оценка текущего состояния объекта управления будет осуществляться на основе данных спутникового и наземного позиционирования с высокой точностью. Это позволит получать исчерпывающую информацию о ситуации на УДС.

Согласно предложенной структурной схеме системы управления формированием транспортных потоков был разработан алгоритм ее работы, представленный на рисунке 6.

Рисунок 6 - Алгоритм работы предлагаемой системы управления формированием

транспортных потоков

Таким образом, работа системы требует наличия следующих технических составляющих:

— бортовые устройства в каждом ТС,

— центр управления с вычислительными мощностями и моделью контролируемой УДС,

— система двухсторонней связи между центром и ТС,

— система позиционирования на основе ОРЯ/ГЛОНАСС и (или) наземных средств.

Кроме технических составляющих, для работы системы требуется изменение нормативной базы, обеспечивающее возможность запрета на выезд на УДС без разрешения системы.

Для оценки эффективности работы предлагаемой системы были проведены экспериментальные исследования на основе имитационного моделирования в

программном комплексе AIMSUN. В качестве исследуемых объектов были выбраны следующие типы участков УДС:

- прямой участок дороги с сужением с 2 до 1 полосы;

- нерегулируемый перекресток;

- регулируемый перекресток;

- кольцевое пересечение;

- двухуровневая развязка типа "клеверный лист".

Для проведения эксперимента в среде AIMSUN была написана подпрограмма замещающая внутреннюю логику управления поведением транспортных средств на языке Python. Усредненные по всем прогонам результаты экспериментов с указанными объектами приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты эксперимента для различных объектов_

Участок УДС Суммарное время в пути до, с Суммарное время в пути после, с Снижение в%

Сужение с 2 до 1 полосы 1392126 657084 52,8

Нерегулируемый перекресток 4508015 4453919 1,2

Регулируемый перекресток 4545382 4568109 -0,5

Кольцевое пересечение 16216521 10508306 35,2

Развязка типа «клеверный лист» 15406458 8072984 47,6

Отдельно взятые регулируемый и нерегулируемый перекрестки не показали снижения задержек. В этой связи интерес представляет проведение данного эксперимента с некоторым участком УДС имеющем несколько пересечений разных типов. Для эксперимента был выбран фрагмент УДС Центрального района Санкт-Петербурга включающий 1 кольцевое, 15 нерегулируемых и 25 регулируемых пересечений. Данные по параметрам регулирования и нагрузке на данную сеть взяты из материалов выполненного ранее проекта по совершенствованию ОДД в данном районе. Нагрузка соответствует вечернему часу пик с 18.00 до 19.00. Изображение модели исследуемого фрагмента УДС приведено на рисунке 7.

Результат эксперимента с фрагментом реальной УДС показал снижение суммарного времени пребывания в сети на 18,1 %.

Полученные результаты экспериментов в целом показывают значительный положительный эффект и совместно с теоретическим обоснованием могут служить убедительным подтверждением эффективности предлагаемой системы управления.

В четвёртой главе проанализированы возможности современных технических средств и технологий и перспективы внедрения предлагаемой системы, даны некоторые рекомендации, сформулированы направления дальнейших исследований.

Одной из основных задач системы управления формированием транспортных потоков является обеспечение надежного времени совершения поездки при заранее установленном времени ожидания. Поскольку уровень максимальной производительности УДС, который должна поддерживать система, находится в зоне высокой вероятности образования заторов, проработка вопроса надежности и устойчивости работы системы требует особого внимания. Возможным решением может быть поиск компромисса между производительностью сети и устойчивостью ее работы, за счет снижения допустимых плотностей потоков. Кроме того, поскольку случайные возмущения в транспортном потоке вызваны различиями в восприятии окружающей обстановки и поведении водителей, повысить надежность работы системы могут также различные меры помогающие снизить эти различия. Среди таких мер могут быть следующие:

- информирование о времени включения разрешающих сигналов на перекрестках, что позволит водителям самостоятельно группироваться в "пачки" и повысить пропускную способность перекрестков;

- жесткий контроль максимальной скорости с помощью встроенных в систему средств мониторинга позволит гармонизировать скорости движения потоков и повысить прогнозируемость транспортной ситуации;

- бортовые системы предупреждения столкновений, контроля слепых зон, адаптивного круиз-контроля также могут повысить плавность потоков, помочь избегать попутных столкновений и столкновений при перестроении.

Установление степени влияния таких мер, а также уровня снижения пороговых значений плотности потоков на надежность работы системы требует проведения дополнительных исследований.

Анализируя тенденции развития вычислительных устройств можно уверенно сказать, что вычислительных ресурсов будет достаточно даже при использовании в контуре управления системы высокоточной микромодели подконтрольной УДС масштаба крупной агломерации.

Также отсутствуют технические ограничения в задаче точного и непрерывного определения местоположения каждого автомобиля на УДС.

С точки зрения интеграции с современными технологиями интеллектуальных транспортных систем, предлагаемая система не противоречит основным тенденциям развития ИТС, а только дополняет их и системно вписывается в общую структуру. Система полностью охватывает функции подсистем мониторинга параметров транспортных потоков, навигационно-информационного обеспечения участников дорожного движения, автоматизированных комплексов контроля соблюдения правил дорожного движения, частично охватывает функции и тесно интегрируется с подсистемами АСУ ДД, АСУ ГПТ, системой контроля грузового транспорта, мониторинга и управления единым городским парковочным пространством, электронных платежей на транспорте.

Также следует отметить, что при современных тенденциях автоматизации управления автомобилем, полностью автоматическая транспортная система с отдельными единицами подвижного состава может стать реальностью в достаточно небольшие сроки (20-30 лет). На сегодняшний день уже разработаны, испытываются и почти готовы к серийному производству автомобили способные полностью автоматически передвигаться в условиях городского движения. В нескольких штатах США уже законодательно разрешено движение автомобилей с автоматическим управлением. Очевидно, что подобная система априори не должна создавать заторы, регулируя доступ к сети в порядке очереди.

Таким образом, предлагаемую систему управления формированием транспортных потоков можно рассматривать как промежуточный этап при переходе к полностью автоматической системе, на котором некоторые функции управления остаются за человеком.

Внедрение системы управления формированием транспортных потоков открывает новые возможности для экономического развития городов за счет максимально эффективного управления транспортной системой, а также несет ряд социально-экономических эффектов:

— существенно сокращается общее время пребывания автомобилей в сети, за счет повышения эффективности использования УДС;

— сокращается объем вредных выбросов из-за снижения доли "грязных" режимов работы двигателей;

— транспорт общего пользования имеет возможность соблюдать расписание даже без выделенных полос, появляется возможность предоставлять приоритет не физическим выделением дорожного пространства, а долей пропускной способности, которая будет зависеть от ситуации;

- автомобили экстренных и оперативных служб смогут передвигаться гораздо быстрее, не создавая препятствий остальным участникам движения;

- концепция доставки грузов "точно в срок" может применяться более широко, что повысит эффективность перевозок и работы предприятий;

- водители не испытывают стресса от простаивания в заторах, что по данным медицинских исследований является весьма существенным фактором влияющим на состояние здоровья жителей городов;

- время ожидания в виртуальной очереди может быть потрачено эффективнее, чем время проведенное в заторе;

- полная информация о матрице корреспонденций автомобильного транспорта и о величинах виртуальных очередей дает возможность планировать развитие УДС и всей транспортной системы наилучшим образом;

- отсутствие режима движения старт-стоп уменьшит износ транспортных средств.

Произвести грубую оценку эффективности системы можно опираясь на данные о потерях вследствие транспортных заторов, которые как уже отмечалось составляют от 3 до 6 % ВРП города. Для расчета срока окупаемости примем эффект от реализации системы по нижней границе оценок потерь вследствие заторов (3 % от ВРП). В таблице 2 приведены результаты расчета окупаемости затрат на внедрение предлагаемой системы. Расчет затрат приведен в тексте диссертации.

Таблица 2

Эффективность внедрения системы__

С анкт-Петербу рг Москва

ВРП, млрд руб. 2600 12000

Потери от заторов (3% ВРП), млрд руб. 78 360

Затраты на внедрение, млрд руб. 89,25 161,5

Период окупаемости, лет 1,14 0,45

Таким образом, даже при минимальной оценке потерь вследствие транспортных заторов, окупаемость вложений, измеряемых сотнями миллиардов рублей составит для Санкт-Петербурга 1 год и 2 мес., для Москвы менее полугода.

Расчет величины полного эффекта от внедрения предлагаемой системы требует построения экономической модели, способной учесть все указанные факторы.

Система должна обеспечивать поддержание основной целевой функции, а именно недопущения образования заторов, а также стремиться максимизировать выгоду для всех категорий пользователей, в то же время быть способной адаптироваться под возникающие изменения. Исходя из таких задач при описании функционирования предлагаемой системы в дальнейших исследованиях необходимо опираться на теорию сложных и сложных адаптивных систем.

Существует также еще ряд сложностей социального и правового характера. Некоторые жители могут воспринять внедрение такой системы как попытку введения тотальной слежки и ограничения свободы передвижения. Также для внедрения системы требуется значительная корректировка нормативно-правовой базы.

Общие выводы

В проведенном диссертационном исследовании были получены результаты, позволяющие утверждать о достижении поставленной цели, решении сформулированных задач и сделать следующие выводы.

1. В текущих условиях стихийного формирования транспортных потоков эффективность использования УДС существенно ниже возможной, что несет огромные издержки для общества. Основное влияние оказывает эффект снижения пропускной способности в состоянии затора, а также неоптимальное распределение потоков по маршрутам следования.

2. Анализ традиционных подходов показывает, что как бы ни была развита и проработана система управления транспортными потоками, она является всего лишь инструментом повышения пропускной способности имеющейся УДС посредством качественного управления. Это повышение имеет определенный предел, и при нагрузке превышающей этот предел заторы все равно возникнут.

3. Достигнуть повышения эффективности использования УДС возможно за счет упорядочения доступа к ней с целью недопущения таких состояний потока, при которых высока вероятность образования затора. Для такого упорядочения возможно применение двух методов: директивного и косвенного, которые могут реализовываться посредством экономического воздействия и административного ограничения. Косвенные методы носят в основном характер рекомендаций и экономических мер общего действия, что не может полностью предотвратить образование заторов. Директивные методы, например принудительное регулирование доступа на магистраль, показывают высокую эффективность и имеют значительный потенциал в повышении эффективности использования имеющихся УДС городов.

4. Меры экономического характера, такие как повышение налогов, пошлин, плата за парковку, фиксированная и динамически изменяемая плата за проезд в определенные зоны, являются достаточно эффективными с точки зрения снижения нагрузки на УДС, но крайне непопулярными и подчеркивающими социальное неравенство населения. Меры административных ограничений лишены этого недостатка, и при соответствующем обосновании могут быть адекватно восприняты обществом и использованы более широко.

5. Для обеспечения максимальной эффективности работы УДС может быть разработана система управления с директивным регулированием доступа на УДС и предписанием системно-оптимального маршрута на уровне отдельного ТС. Для реализации такой системы необходимо законодательно обязать каждого водителя перед совершением поездки подавать заявку с указанием пункта назначения. При поступлении заявки в центр управления она обрабатывается и водителю предписывается время выезда на УДС и маршрут движения. Таким

образом, можно сказать, что у каждого водителя появляется «индивидуальный светофор». За нарушение запрета на выезд и не согласованного отклонения от маршрута должна быть предусмотрена административная ответственность. По описанному принципу организации системы управления дорожным движением получен патент на изобретение (патент РФ №2507583 «Способ организации системы навигации и управления дорожным движением», заявка от 27.04.2012 г., получен 20.02 2014 г.)

6. Эффект от введения директивного управления временем начала поездки может быть описан с помощью предложенной математической модели, основанной на понятии сетевой основной (фундаментальной) диаграммы.

7. По результатам анализа современных подходов к моделированию крупных насыщенных транспортных сетей, а также методов управления сложными системами, в качестве принципа построения системы управления формированием транспортных потоков выбран метод управления на основе прогнозирующей модели. Исходя из этого была разработана структурная схема работы системы включающая следующие основные блоки:

— модель транспортных потоков на подконтрольной УДС;

— блок оценки целевой функции;

- блок выработки управляющих воздействий;

- блок оценки текущего состояния.

8. В качестве критерия оценки эффективности работы УДС в предлагаемой системе был выбран показатель производительности (автомобиле-километров в час) не применявшийся ранее на практике в силу трудностей в получении данных для расчета. На основе данного критерия предложена новая целевая функция работы системы управления дорожным движением.

9. Полученные результаты экспериментов на основе имитационного моделирования показывают существенный положительный эффект и совместно с теоретическим обоснованием могут служить убедительным подтверждением эффективности предлагаемой системы управления.

10. Анализ аспектов внедрения предлагаемой системы управления формированием транспортных потоков позволяет сделать вывод о том, что с технической стороны нет никаких препятствий для развертывания предлагаемой системы.

11. На основе анализа тенденций автоматизации в транспортных системах, предлагаемую систему управления формированием транспортных потоков можно рассматривать как переходный этап к автоматической транспортной системе.

Для дальнейшей проработки вариантов внедрения необходимо построение четкой методологической базы функционирования такой системы и проведение ряда дополнительных исследований. Такие исследования в основном должны затронуть вопросы оценки полного экономического эффекта от внедрения системы, вопросы ее надежности и устойчивости, и вопросы алгоритмического обеспечения.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

I. Публикации в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Белов A.B. Методический подход к проектированию схем объезда закрываемых участков УДС. Транспорт: паука, техника, управление, ВИНИТИ РАН - М., 2010 (1). - С.54-56.

2. Белов A.B. Исследование потенциала повышения эффективности использования улично-дорожных сетей городов. Инновации и инвестиции, -М., 2014 (3). - С. 218-222.

II. Научные публикации в прочих изданиях:

3. Белов A.B. О методике организации дорожного движения при закрытии движения на участках улично-дорожной сети. Доклады 64-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / СПбГАСУ. — Ч.И. - СПб., 2007. - С.68-70.

4. Белов A.B. Оптимизация распределения транспортных потоков по УДС на основе анализа матриц корреспонденции и маршрутов движения. Актуальные проблемы современного строительства: сб. материалов 60-й Международной научно-технической конференции молодых ученых/СПбГАСУ. -Ч.Н. -СПб., 2007. - С.96-98.

5. Белов A.B. Методика разработки схем объезда при закрытии движения на участках УДС. Доклады 65-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / СПбГАСУ. - В 4 ч. Ч.П. - СПб., 2008. - С.86-90.

6. Белов A.B. О методике разработки схем объезда при закрытии движения на участках УДС. Материалы 8-ой международной научно-практической конференции "Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах", Санкт-Петербург — 2008. — С. 192 -195.

7. Белов A.B. Методические основы проектирования схем объезда закрываемых участков улично-дорожных сетей. Доклады 68-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / СПбГАСУ. - В 5 ч. 4.IV. - СПб., 2011. — С.75-81.

8. Белов A.B. Исследования условий возникновения парадокса Браесса в транспортных сетях. Наука - образованию, производству, экономике: сб. материалов 9-й Международной научно-технической конференции /Белорусский национальный технический университет. — В 4 томах. Т. 3. - Минск, 2011. - С. 141-142.

9. Белов A.B. Контроль доступа на УДС как средство управления дорожным движением. Актуальные проблемы безопасности дорожного движения: матер, междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов / СПбГАСУ. - СПб., 2012. -С.48-51.

10. Белов A.B. Повышение эффективности использования улично-дорожной сети путем активного управления формированием транспортных потоков. Сборник научных докладов и выступлений 72-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. — М. 2014. -С.92-99.

Подписано в печать 23.04.2014 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 175

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Белов Александр Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛИЧНО-ДОРОЖНЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ

ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

Специальность 05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на

транспорте

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор экон. наук, профессор Андрей Эдливич Горев

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ...........................................................10

1.1. Развитие автомобильного транспорта и связанных с этим проблем........10

1.2. Развитие методов организации движения и борьбы с заторами................14

1.3. Анализ транспортного потока как объекта управления.............................21

1.4. Перспективные способы организации транспортных систем городов и постановка задач исследования..........................................................................26

1.5. Гипотеза исследования.................................................................................32

1.6. Выводы по главе 1........................................................................................33

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ВЫБОРА ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ УЛИЧНО-ДОРОЖНОЙ СЕТИ НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ...........................................35

2.1. Рассмотрение транспортной системы с позиций системного анализа......35

2.2. Исследование различий распределения транспортных потоков по первому и второму принципам Уордропа........................................................................39

2.3. Подходы к оценке влияния распределения потоков по времени поездки на

эффективность функционирования УДС...........................................................46

2.4 Описание математической модели оценки эффекта от управления формированием транспортного потока..............................................................53

2.5. Подходы к повышению эффективности работы УДС................................58

2.6. Выводы по главе 2........................................................................................59

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ( ФОРМИРОВАНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ........................................61

3.1. Разработка структурной схемы системы управления формированием транспортных потоков.........................................................................................61

3.1.1. Модель для использования в системе управления..................................63

3.1.2. Оценка целевой функции..........................................................................64

3.1.3. Выработка управляющих воздействий.....................................................71

3.1.4. Оценка текущего состояния объекта управления...................................73

3.1.5. Блок-схема алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков.........................................................................................73

3.2. Экспериментальная оценка работы системы управления формированием транспортных потоков на основе имитационного моделирования..................75

3.2.1. Описание программного комплекса для проведения эксперимента......75

3.2.2. Разработка модуля подпрограммы для реализации логики управления 77

3.2.3. Оценка допустимой плотности потока.....................................................77

3.2.4. Реализация основного алгоритма работы системы управления формированием транспортных потоков в AIMSUN.........................................78

3.3. Выводы по главе 3........................................................................................86

ГЛАВА 4. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ВНЕДРЕНИЮ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ........................................88

4.1. Технология работы системы........................................................................88

4.2. Обеспечение устойчивой работы системы..................................................89

4.3. Состав технических средств........................................................................91

4.4. Интеграция предлагаемой системы в структуру ИТС................................95

4.5. Автоматическое управление единицами подвижного состава..................98

4.6. Оценка экономической эффективности....................................................101

4.7. Предложения по дальнейшим исследованиям..........................................104

4.8. Выводы по главе 4......................................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................108

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................112

(

' ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

«... мы создали сложную математическую теорию по поводу того, что делать с массой автомобилей, которая скопилась на ограниченном пространстве улично-дорожной сети городских центров, и выработали на ее основе некоторые полезные инженерные рецепты. Но для дальнейшего продвижения нам невозможно избежать вопроса: может быть, лучше всем этим автомобилям одновременно там не собираться?»

Дэнос Газис, журнал American Scientist, 1972 г.

Актуальность исследования. Современный уровень транспортной нагрузки на улично-дорожную сеть (УДС) крупных городов в настоящее время вызывает ряд проблем связанных с несоответствием количества транспорта выезжающего на УДС возможностям самой УДС. Основной проблемой является снижение скоростей движения по участкам УДС до значений, при которых функционирование наземного транспорта становится крайне неэффективным. Разница между временем движения в свободных условиях и в часы «пик» может составлять 6-8 раз и более. Помимо потерь времени такой режим движения вызывает значительное увеличение объема вредных выбросов. Кроме того, следует учитывать уровень стресса, испытываемый водителями в таких условиях движения. При этом уровень автомобилизации населения российских городов продолжает расти. Наблюдается тенденция разрастания часов пик и повышения интенсивности движения в межпиковый период. Такие условия перемещения по УДС начинают влиять на темпы общеэкономического развития города и качество жизни в нем. Потери от транспортных заторов для крупных городов по различным оценкам составляют около 3-4 % ВВП, например для Санкт-Петербурга это около 80 млрд. руб. в год, для Москвы около 450 млрд. руб. в год.

Западные страны столкнулись с подобными проблемами 30-40 лет назад. В начале основным направлением решения данных проблем было экстенсивное развитие УДС, строительство новых дорог и развязок. Затем стало развиваться

направление повышения эффективности использования имеющейся УДС посредством различных методов организации и управления дорожным движением. Однако подобные меры по улучшению условий движения вызывали все больший приток новых поездок, что в итоге снова приводило к возникновению заторов.

Таким образом, как бы ни была развита и проработана система управления транспортными потоками, она является всего лишь инструментом повышения пропускной способности имеющейся УДС посредством качественного управления. Это повышение имеет определенный предел, и при нагрузке превышающей этот предел заторы все равно возникнут. Большинство специалистов все-таки пришли к единому мнению, что без мер по управлению спросом транспортная система крупного города не может быть стабильной и надежной. Комплексный подход к управлению транспортной системой города неизбежно требует мер по ограничению числа поездок на личном транспорте и перераспределение их на транспорт общего пользования и другие альтернативы. В первую очередь это экономические меры, повышение различных налогов, взимание платы за проезд по магистралям, платная парковка и т.д., которые вызывают закономерное недовольство у автомобилистов. В противовес экономическим можно выделить меры физического сдерживания, такой принцип широко применяется на крупных магистралях, где доступ к ним бесплатный, но регулируется, не допуская перегрузок. Также подобные меры применяются в масштабах сети, сдерживая потоки на границах некоторой проблемной зоны посредством светофоров. Такие решения, однако, не ликвидируют заторы, а перемещают их в более «удобные» места. Эффективность таких мер по сдерживанию потоков обусловлена снижением пропускной способности дороги при рассасывании затора в случае отдельной магистрали, и возможностью возникновению сетевого затора (превышение длиной очереди длины перегона) в случае сети в целом. Исследования в области повышения эффективности работы УДС имеют высокую актуальность, особенно с помощью методов управления спросом.

Рассматривая меры по ограничению въезда как направленное действие с целью снижения задержек за счет поддержания транспортного потока в определенном состоянии, можно сказать, что имеет место управление формированием транспортных потоков. Эффективность таких мер на сетевом уровне изучена мало, и требует проведения специальных исследований.

При совершении поездки индивидуум обладает следующими степенями свободы:

- выбор совершать поездку или нет,

- выбор пункта назначения поездки (для культурно-бытовых и

рекреационных поездок),

- выбор вида транспорта или их комбинаций,

- выбор времени совершения поездки,

- выбор маршрута движения (при выборе личного автомобиля).

Такое разнообразие альтернатив вносит значительную долю неопределенности в процесс формирования транспортных потоков и существенно затрудняет процесс принятия решений о применении того или иного управляющего воздействия.

При уровне спроса превышающем возможности транспортной сети, свобода выбора маршрута и времени начала движения неизбежно приводит к образованию транспортных заторов и существенному снижению эффективности использования имеющейся УДС.

Гипотеза исследования. Для обеспечения максимальной

эффективности работы УДС может быть разработана система управления с директивным регулированием доступа на УДС и предписанием системно-оптимального маршрута на уровне отдельного ТС.

Целью настоящего исследования является разработка методических основ повышения эффективности использования улично-дорожных сетей городов за счет директивного воздействия на процесс формирования транспортных потоков.

Для достижения указанной цели в данной работе были поставлены следующие задачи:

- провести анализ процесса формирования транспортных потоков на сети и современных подходов к управлению ими;

- провести анализ эффективности мер по формированию транспортных потоков;

- разработать математическую модель оценки эффекта от управления формированием транспортных потоков;

- разработать алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе управления формированием транспортных потоков;

- экспериментально оценить эффект от управления формированием транспортных потоков при помощи имитационного моделирования;

- разработать предложения по внедрению системы управления формированием транспортных потоков.

Объект исследования - улично-дорожная сеть города и транспортные потоки на ней.

Предмет исследования - методы распределения транспортных потоков на сети в пространстве и во времени.

Методы исследования. Математический, статистический и системный анализ. Имитационное моделирование.

Научная новизна работы состоит в разработке новых научно-практических рекомендаций по организации системы управления дорожным движением в городах с использованием мероприятий по формированию транспортных потоков:

- определены границы применимости системно-оптимального распределения потоков на сети;

- предложен новый способ организации системы управления дорожным движением;

- в рамках указанного способа предложен новый критерий оценки эффективности работы УДС;

- разработана математическая модель оценки эффекта от активного управления формированием транспортных потоков;

- разработан алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе активного управления формированием транспортных потоков.

Практическая значимость результатов исследования. Результаты работы могут быть реализованы в виде системы управления дорожным движением, которая регулировала бы доступ автомобилей на УДС в масштабе города или целого региона, создавая вместо реальных транспортных заторов виртуальные очереди, что позволит использовать имеющуюся УДС максимально эффективно.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

По разработанному способу организации системы управления дорожным движением получен патент на изобретение (патент Российской Федерации №2507583 «Способ организации системы навигации и управления дорожным движением», заявка от 27.04.2012 г., получен 20.02 2014 г.) представленный в Приложении 1.

Основные положения, выносимые на защиту:

- новый способ организации системы управления дорожным движением, отличающийся регулированием доступа к УДС и передачей управляющих воздействий непосредственно каждому водителю;

- новый критерий эффективности работы УДС, позволяющий оптимизировать производительность при регулировании доступа;

- математическая модель оценки эффекта от управления доступом к УДС, учитывающая закономерности изменения спроса и затрат времени;

- алгоритм работы системы управления дорожным движением на основе директивного управления формированием транспортных потоков.

Апробация работы. Основные положения, рекомендации и результаты исследования доложены и одобрены на международных и отраслевых конференциях (Санкт-Петербург, Москва, Минск), а также на IV Российском международном конгрессе по интеллектуальным транспортным системам. Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 11 работах, в том числе 1 патент на изобретение. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 2 работы. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Основной текст размещен на 123 страницах, включает 5 таблиц, 27 рисунков. Библиографический список включает 117 наименований, в том числе 79 на иностранном языке.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

1.1. Развитие автомобильного транспорта и связанных с этим проблем

Появление автомобиля в массовой доступности привело к противоречивым результатам. С одной стороны автомобильный транспорт, особенно в личном пользовании, обеспечил небывалую гибкость и скорость транспортного обслуживания населения, доставку грузов «от двери до двери». В любой стране развитие автомобильного транспорта подталкивало развитие практически всех отраслей экономики. Кроме того, и сам транспорт стал одной из ведущих отраслей. На сегодняшний день функционирование городов немыслимо без автомобильного транспорта, он играет роль своего рода кровеносной системы в организме города. В междугородных и международных сообщениях автомобильный транспорт также имеет весомую составляющую. На заре автомобилизации личный автомобиль для отдельного человека давал невероятную свободу передвижений, и значительное повышение качества жизни за счет сокращения времени на поездки. Автомобиль связывал разобщенные ранее территории и вызывал расширение городов, позволяя быстро добираться из пригородов в центр. С другой стороны, кроме каталитического эффекта на экономику и повышения мобильности населения автомобилизация несет с собой и отрицательные последствия, связанные с высокой аварийностью и смертностью в результате ДТП, огромного количества вредных выбросов в атмосферу, шумового загрязнения, и потерь времени вследствие перегрузки УДС. Последний фактор обусловлен тем, что для функционирования автомобильного транспорта необходима соответствующая инфраструктура, развитие которой требует гораздо больших ресурсов, чем производство автомобилей. Поэтому количество дорог и уровень их

пропускной способности не успевает за темпами роста автомобильного парка. Особенно остро эта проблема стоит в городах, где возможности развития транспортной инфраструктуры сильно ограничены. Из-за перегрузки УДС городов возникают транспортные заторы, парализующие движение на значительных территориях. Заторы не только свели на нет основное преимущество автомобиля - его высокую мобильность, но и привели к неэффективности системы автомобильных перевозок как таковой [1,2]. В таких условиях можно говорить о том, что автомобиль стал выполнять функции противоположные изначальным: вместо повышения скорости доставки грузов и мобильности населения он затрудняет движение по УДС и препятствует экономическому развитию.

Специалисты из США выделяют 7 базовых причин возникновения заторов, которые могут сочетаться друг с другом в раз�