автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Разработка алгоритмов кластеризации и рекомендаций по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов городских транспортных систем

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КЛАСТЕРИЗАЦИИ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, её регионов и городов, организация производства на транспорте

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005548059

1 С Г,',' п

1 ! .:" I /__. . Г

Москва-2014

005548059

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Железнодорожные станции и узлы»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кутыркин Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Персианов Владимир Александрович,

доктор экономических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Государственный Университет Управления», кафедра управления на транспорте

Бычкова Анна Алексеевна, кандидат технических наук, Приволжская региональная дирекция железнодорожных вокзалов - структурное подразделение Дирекции железнодорожных вокзалов — филиала ОАО «РЖД», отдел организации обслуживания пассажиров и развития сервисных услуг, технолог 1 категории

Ведущая организация: ОАО «Институт экономики и развития

транспорта», г. Москва

Защита состоится 11 июня 2014г., в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.09 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9, ауд.1235

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru

Автореферат разослан «.М » апреля 2014г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Козырев Валентин Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью модернизации транспортной инфраструктуры, играющей значимую роль в обеспечении железнодорожных пассажирских перевозок, реализации . транспортной Стратегии и в социально-экономическом развитии страны.

Развитие вокзалов в функциональном и градостроительном плане, месторасположение окружающих зданий и сооружений, положило начало трансформации их в многофункциональные вокзальные комплексы, интегрированные в городскую среду. Расширение общественно-деловой функции железнодорожного вокзала привело к появлению новых объектов городской застройки, которые стали центрами мобильности населения, а также представляют собой историческую и культурную ценность.

Недостаточный учёт роли вокзального комплекса в транспортной инфраструктуре города, его взаимосвязи с работой городских видов транспорта, препятствует организации эффективной перевозки пассажиров, снижает качество их обслуживания. Научно-технический прогресс, развитие городских транспортных систем (городская транспортная система — взаимосвязанная совокупность внешнего и внутригородского транспорта, транспортной инфраструктуры (железнодорожные вокзалы, станции, водные и воздушные порты и др.)), требуют переосмысления роли железнодорожных вокзальных комплексов, наращивания их производственного, экономического и технического потенциала в соответствии с современными стандартами и нормативами.

В этих условиях особенно актуализировались и требуют рассмотрения вопросы эффективного использования городских земельных ресурсов, увязки прилегающих к зданию вокзала территорий с генеральным планом развития города, позволяя формировать и модернизировать вокзальный комплекс. Под модернизацией понимается преобразование железнодорожных вокзалов, в соответствии с мировой тенденцией в транспортно-пересадочные комплексы, объединяющие разные виды транспорта, с выраженной общественно-деловой функцией.

Отмечая важную роль вокзального комплекса в системе жизнеобеспечения городов, необходимо отметить, что он является элементом «соприкосновения» различных сфер жизни и деятельности населения. Поэтому представляется актуальным: обеспечение безопасности на любом этапе перемещения пассажира или посетителя вокзального комплекса; социальная адаптивность прилегающих территорий и внутренних помещений пассажирского здания вокзала; предоставление качественного уровня сервиса и комфорта.

Развитие железнодорожных вокзальных комплексов невозможно без создания современной законодательно-нормативной базы. Правовые основы, определяющие статус железнодорожного вокзала, требуют пересмотра и дополнений.

Актуальной становится также функциональная организация вокзала как социально-ориентированного производственного комплекса, органично

связанного своим функционалом с жизнью транспортной системы города, прилегающими территориями, работой городского транспорта. Применение системного подхода для решения такой многогранной транспортной задачи является необходимой мерой. Факт, недостаточной разработанности в научной литературе вопросов формирования и развития отечественных вокзальных комплексов, актуализирует задачу их моделирования и кластеризации (кластеризация - метод абстрактного описания объектов, задаваемых векторами своих характеристик, и автоматизированного разбиения их совокупности на кластеры по критерию схожести), что важно для дальнейшего прогноза развития транспортных систем городов.

Степень научной разработанности темы. Вопросы организации вокзальной деятельности, такие как архитектурное планирование, технологические аспекты, техническое оснащение зданий, с научной точки зрения, стали широко рассматриваться, начиная со второй половины XX века. Накопленный теоретический материал позволяет оцепить, как менялся железнодорожный вокзал, проследить этапы его развития. Однако, современные требования, ставят вопрос о модернизации вокзального хозяйства, в соответствии со спросом, накопленным отечественным и мировым опытом.

Научно-теоретическая база в области проектирования, строительства, организации производства, технологических, технических, экономических аспектов, вопросов сервисного обслуживания, моделирования деятельности объектов транспортной инфраструктуры включает в себя труды отечественных и зарубежных учёных: A.C. Баймиструка, В. М. Батырева, Е.В. Васильева, В.Л. Глазычева, Г.Е. Голубева, В.М. Предтеченского, В.А. Черепанова, H.H. Щетинина, И.Г. Явейна, а также В.Г. Галабурды, Н. П. Терёшиной, С.П. Вакуленко, И.В. Древаля, В.И. Лукашева, В.П. Мироненко, Н.В. Правдина, С.М. Резера, Л.С. Рябухи, В.Г. Шубко, Н.Д. Иловайского, А.Н. Киселёва, П.В. Куренкова, Ю.О. Пазойского, Б.Д. Симпсона, С.Д. Харриса, В. Хеслера, А. Бакерсона, В.Р. Вучика, А.Б. Барского, В.А. Головко, Х.Ш. Зябирова, A.B. Кутыркина, Б.А. Левина и других.

С точки зрения системной методологии организации производства, оценить вокзальный комплекс достаточно сложно, поскольку научные разработки этой тематики начались сравнительно недавно. Современные аспекты деятельности вокзальных комплексов освещены в статьях: С.Б. Абрамова, Л.О. Аникеевой-Науменко, А. А. Бычковой, Л.Н. Павлова, В.И. Солдаткина, М.В. Романенко, С.А. Волковой.

Весомый вклад в современную разработку данной проблематики внесли труды международных конференций: «Развитие вокзалов России», (Москва, 2008г.); «Международная практика развития вокзалов: от проектирования к возврату инвестиций», (Мерано, Италия, 2012г.), которые раскрывают вопросы развития, реконструкции, передового опыта вокзального хозяйства.

В последние годы усилилось внимание учёных к различным аспектам системной методологии объектов транспортной инфраструктуры. Такой подход

смещает акцент в пользу интеграции вокзальных комплексов и городских транспортно-пересадочных узлов, функционирование их в системе и как сиетемы. Согласно, «Актуализации программ и Генеральных схем развития сети железных дорог до 2030 года в современных экономических условиях» (том II - пассажирские перевозки), транспортная инфраструктура должна удовлетворять потребностям населения в мобильности, с учётом растущих объёмов пассажиропотоков. Именно с этих позиций в работе рассматривается современная модель железнодорожного вокзального комплекса.

Недостаточная разработанность отмеченной проблематики даёт также основание для рассмотрения вопросов моделирования деятельности вокзальных комплексов с использованием современных, интеллектуальных методов обработки данных, в частности, кластерного анализа. Необходимо отметить, что данная задача ставится и решается впервые.

Цель исследования - разработка научно-методических аспектов кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов, определение тенденций развития и рекомендаций по их модернизации.

Задачи исследования, отвечающие данной цели, сводятся к следующему:

• определить взаимосвязи города и его транспортной системы, в состав которой входит вокзальный комплекс;

• рассмотреть роль вокзального комплекса в городской транспортной среде;

• проанализировать отечественный и зарубежный опыт функционирования вокзальных комплексов;

• разработать методику и алгоритмы кластерного анализа (кластеризации) железнодорожных вокзальных комплексов;

• выполнить оценку эффективности решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов;

• обосновать основные тенденции развития и приоритеты функционирования вокзальных комплексов.

Объект исследования - железнодорожные вокзальные комплексы городских транспортных систем.

Предмет исследования - алгоритмы кластеризации, моделирование и модернизация железнодорожных вокзальных комплексов.

Границы исследования. Типологические границы определяются комплексным рассмотрением архитектурных, планировочных, технических, технологических, организационных особенностей функционирования инфраструктуры вокзального комплекса. Географические границы определяются рассмотрением разных классов вокзальных комплексов, находящихся на балансе Дирекции железнодорожных вокзалов - филиала ОАО «РЖД». Хронологические границы охватывают период с 2007 года по настоящее время.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке новых научно обоснованных технических и технологических решений по моделированию, кластеризации, модернизации и повышению эффективности

функционирования железнодорожных вокзальных комплексов городских транспортных систем, в том числе:

• определены на основе системного подхода, анализа динамики развития вокзального хозяйства, отечественного и зарубежного опыта программные основы для дальнейшей организационной, технической и технологической модернизации вокзальных комплексов;

• разработаны алгоритмы кластеризации вокзальных комплексов. На основе кластерного анализа впервые выделены «ядра» кластеров; доказана необходимость пересмотра классов железнодорожных вокзалов;

• доказана возможность создания новой классификации вокзальных комплексов, призванной обеспечить эффективную организацию работы объектов транспортной инфраструктуры и органичное интегрирование их в городскую транспортную систему;

• определены тенденции развития и приоритеты формирования современных вокзальных комплексов.

Теоретическая и практическая значимость диссертации заключается в возможности применения сформулированных теоретических подходов, разработанных математических и программных методов моделирования, результатов экспериментальной обработки данных в проектах реконструкции и модернизации объектов транспортной инфраструктуры.

Реализация полученных результатов диссертационного исследования послужит основой для научно обоснованного принятия решений по стратегическому развитию объектов транспортной инфраструктуры в целом; формирования новой классификации железнодорожных вокзальных комплексов; ускорит введение инновационных и современных технологических решений; создаст возможность для гармоничной трансформации вокзального комплекса в состав транспортно-пересадочного узла. В работе проведена оценка эффективности принимаемых решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов, имеются два акта внедрения результатов исследований.

Методология и методы исследования диссертационной работы включают теории систем и системного подхода, урбанистики, планирования городов, теории математического и программного моделирования деятельности инфраструктурных транспортных объектов, экономической оценки эффективности принятых решений. Также применены методы исследования информации: анализ и систематизация данных, полученных из литературных источников, периодических аналитических сборников; анализ научных трудов, посвященных градостроительному и архитектурному планированию, технологическим, экономическим, экологическим аспектам работы железнодорожных вокзальных комплексов, вопросам комплексной безопасности; методы сбора и обработки статистических данных, предоставленных Дирекцией железнодорожных вокзалов - филиала ОАО «РЖД».

Согласно общему замыслу, целью и задачами, которые задают содержание и формируют основные направления исследований, на защиту выносятся следующие положении:

1. Научно-методические аспекты формирования железнодорожных вокзальных комплексов, как социально-технических систем.

2. Результаты анализа отечественного и зарубежного опыта функционирования вокзальных комплексов.

3. Матрица данных вокзальных комплексов, содержащая исходные параметры, которые оказывают влияние на качество работы и прогнозы их развития.

4. Методика и алгоритмы кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов, позволяющие обосновать их современную классификацию и научно решать вопросы модернизации.

5. Тенденции развития и приоритеты функционирования современных вокзальных комплексов, обеспечивающие достижения интермодального баланса в городской среде.

Вклад автора в проведенное исследование состоит в обосновании актуальности выбранной темы, определении целей и задач, апробации результатов; анализе взаимосвязей города и его транспортной системы; рассмотрении роли железнодорожного вокзального комплекса в городской транспортной среде; непосредственном участии в сборе и анализе данных; формировании исходной и кодированной матриц данных; разработке методики и алгоритмов кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов; в выполнении оценки эффективности решений; формировании тенденций дальнейшего развития вокзальных комплексов; подготовке публикаций.

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Степень достоверности результатов, изложенных в диссертационной работе, подтверждается реализацией разработанных теоретических, математических, программных моделей деятельности железнодорожных вокзальных комплексов, построением теории на известных, проверяемых фактах, обобщении передового опыта формирования вокзальных комплексов, с использованием современных методик сбора и обработки информации, применением для оценки качества кластерного анализа совокупности критериев и тестовых примеров.

Результаты исследований представлены на Всероссийских научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2009г.), «Наука МИИТа - транспорту» (Москва, 2011г.), «Безопасность движения поездов» (Москва, 2011г.) и Международном транспортном форуме «Транспорт России: становление, развитие, перспективы» (Москва, 2009г.), посвященных проблемам транспорта. Основные диссертационные положения опубликованы в девяти научных работах.

Результаты исследований также прошли апробацию на кафедре «Железнодорожные станции и узлы» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем публикаций по теме диссертации составляет 5,3 п.л. (в т.ч. авт. 4,6).

Структура и объём работы. Работа изложена на 210 страницах, содержит 23 таблицы, 66 рисунков, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Список литературы включает 134 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражены практическая значимость и научная новизна, вклад автора в полученные результаты, положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Теоретико-методологические аспекты функционирования железнодорожных вокзальных комплексов городских транспортных систем» дан обзор литературы, рассмотрены вопросы эволюции городского пространства и проблемы транспортной интеграции, определена роль вокзального комплекса в городской транспортной системе.

Проведен анализ связей между размерами территорий городов и средствами сообщения. Дано определение единой транспортной системы города, определены основные задачи её функционирования, а именно: удовлетворение потребностей населения в перемещении и всех отраслей хозяйства в перевозках грузов; обеспечение быстрого, бесперебойного, безопасного и эффективного перемещения людей и грузов в пространстве между населёнными пунктами и различными объектами. Также рассмотрены вопросы влияния транспорта на различные сферы жизни в городской среде.

Сформулированы основные требования, которые необходимо учитывать при решении транспортных проблем, на этапе формирования новой или модернизации уже существующей транспортной системы города. Определено влияние требований к транспортным системам на планировку городской застройки. Проанализированы факторы, определяющие удовлетворенность пассажира транспортной услугой (главный из них - количество времени, затрачиваемое на поездку). Показано, что в нашей стране, фактические затраты времени на одну поездку значительно выше, указанных в нормативных документах. Рассмотрен опыт некоторых транспортных систем мира и сложившаяся ситуация в России. Выделены мировые тенденции развития городских транспортных систем.

Определена роль вокзального комплекса в городской среде. Вокзал является элементом инфраструктуры железнодорожного транспорта и играет важную роль посредника между городской средой и железной дорогой. В работе обоснована актуальность рассмотрения эволюционных. процессов формирования вокзальных комплексов для дальнейшего прогноза их развития. Выделены основные этапы возникновения железнодорожного вокзального комплекса как важного коммуникационного узла в жизни города:

1) Возникновение железнодорожного вокзала, первая половина XIX века;

2) Вокзалы второй половины XIX века в инфраструктуре города;

3) Железнодорожные вокзалы первой половины XX века;

4) Железнодорожные вокзалы второй половины XX века.

Железнодорожный вокзальный комплекс входит в состав городской

транспортной системы. Железнодорожный вокзальный комплекс - это совокупность железнодорожного вокзала и прилегающей к нему территории, объектов, зданий и сооружений, физически, технологически или иным образом связанных с железнодорожным вокзалом и подчиненных единому правовому режиму функционирования и развития.1 Как следствие, железнодорожный вокзал - это часть вокзального комплекса.

В работе рассмотрены вопросы типологии железнодорожного вокзального комплекса: существующая классификация отечественных железнодорожных вокзалов; размещение зданий железнодорожных вокзалов, пассажирских платформ относительно приемо-отправочных путей; расположение здания вокзала относительно городской черты.

На основе проведенного анализа, выделены следующие тенденции в функциональном и градостроительном развитии вокзальных комплексов:

• определение вокзала как «центра притяжения» в городской среде, увеличение транзитной его функции (исторически сложилось, что в большинстве случаев, вокзал находится в центральной части города) и сокращение функций накопления и ожидания пассажиров;

• развитие общественно-торговой функции (ранее несвойственной для железнодорожного вокзала);

• развитие и упорядочивание инфраструктуры вокзального комплекса, пешеходных коммуникаций (освоение надземного, подземного пространства), в том числе увязка работы вокзала с привокзальной площадью и т.д.;

• развитие рекреационных зон на территории вокзала и защита окружающей среды (зоны отдыха, выставочные залы; экологизация проектных решений).

Установлено, что вокзалы стали многофункциональными объектами железнодорожного транспорта и городской среды, связывающими внешнюю и внутреннюю транспортные системы города (рисунок 1).

Во второй главе «Анализ состояния вокзальных комплексов» рассмотрены вопросы функционирования отечественных вокзальных комплексов и зарубежный опыт.

Более 10 лет в России продолжается реформа железнодорожного транспорта, основная задача которой сделать железнодорожный транспорт более эффективным, доступным, безопасным, конкурентоспособным, удовлетворяющим потребностям государства, привлекательным для инвесторов, удобным и комфортным для пассажиров. В ходе реализации реформы на железнодорожном транспорте была создана Дирекция железнодорожных вокзалов - филиал ОАО «РЖД».

1 Концепция эффективного использования и развития железнодорожных вокзалов Дирекции железнодорожных вокзалов до 2030г. [Текст]: М.: ЗАО «Интегрированные транспортные системы», 2012. - 184с.

Деловая функция

Гостиница

Основные железнодорожные функции

Рекреационная зона

Г\ \ \ \ I \ \

'Ч\ ^ 7

Культур но -образовательная функция

Зрелищно-развлекательная функция

Предприятия быстрого \ потащи, торговли

железнодорожный

вокзальный комплекс

Прокат автомобилей

I J

Расширение пакета услуг. предоставляемых посетителям вокзального комплекса

Рисунок 1 - Принципиальная структурная схема многофункционального железнодорожного вокзального комплекса В состав Дирекции железнодорожных вокзалов вошли 348 вокзалов (внеклассные, 1, 2, 3 классов). Коммерчески выгодные объекты инфраструктуры отошли на баланс Дирекции, так как концепция их развития направлена на создание многофункциональных транспортно-пересадочных узлов с предоставлением широкого спектра услуг.

В работе приведены основные функции Дирекции, задачи, дан краткий обзор правового статуса железнодорожного вокзала, указаны классы вокзалов (рисунок 2).

100 80 60 40 20

------- ...........— - .. .

|.......... "

—<и-- 31 ------

: .......-шмт________ Звв

----г - " 1 г-.....

л

5 §

0 я и о

1 я

(и ^

Класс вокзала

Рисунок 2 - Вокзалы Дирекции по классности Преобладающими в структуре вокзального хозяйства Дирекции являются вокзалы 2 и 3 классов. Класс вокзала, устанавливается исходя из суммы баллов, исчисленной по показателям в условных единицах. Установлено, что основными параметрами, определяющими тот или иной класс вокзала, является количество отправленных пассажиров за определенный период времени (сутки, год) и размеры площадей внутренних помещений. Около 20% вокзалов располагаются в городах с населением более 500 тыс. чел., большая часть вокзалов располагается в городах с населением менее 100 тыс. чел.

Практически все вокзалы в городской застройке территориально располагаются в центре, тем самым, определяя свой высокий инвестиционный потенциал. Наибольшее количество вокзалов, входящих в состав Дирекции, являются памятниками истории и архитектуры, средний возраст вокзалов составляет 57 лет. Общая площадь зданий вокзалов составляет 59% от общего числа площадей и превышает 1 млн. 225 тыс. кв. метров (рисунок 3).

л 600,00

Э 500,00

а юо.оо

2 300,00

5 200,00 100,00 ■ 0,00

1 ЗТО^Г - '

1 338,20' ■

.......

134.60 Я!! 133.10

ь ь

Класс вокзала 3

Рисунок 3 - Площади зданий вокзалов Дирекции по классам, тыс. м2 В диссертации проанализированы современные методы управления вокзальными комплексами. Показано, что с точки зрения управления, вокзальный комплекс - высокотехнологичный объект.

В нём сочетаются два совершенно разных направления деятельности: выполнение функций, связанных со своими прямыми обязанностями (обслуживание пассажиров, продажа билетов, информационно-справочные услуги, обеспечение безопасности и т.д.); функция, связанная с предоставлением широкого спектра дополнительных услуг (деловая, культурно-образовательная и т.д.).

В качестве примера рассмотрены различные технологии управления, технология аутсорсинга, экономическая характеристика деятельности вокзальных комплексов и спектр их услуг. Динамика объемов оказанных Дирекцией услуг за 2008-2010 гг. приведена на рисунке 4.

■ 2008 г. я 2009г. ...........»2Ш0г

Л Ь 43

Вид услуги

и ^

>■ Я

Рисунок 4 - Динамика объёмов оказанных Дирекцией услуг за 2008-2010 гг.

К новым услугам, получившим распространение в вокзальных комплексах, можно отнести услуги: банковских платежных систем; электронных библиотек; по оплате услуг ЖКХ; по оплате транспортных расходов; дистанционных образовательных программ; по организации видеоконференции; по оперативной полиграфии и т.д.

Освещены вопросы: функционального зонирования вокзальных комплексов и прилегающих территорий, работы привокзальной площади, социальной

адаптивности внутренних помещений зданий вокзала, безопасности; представлен зарубежный опыт функционирования вокзальных комплексов.

Установлено, что развитие железнодорожных вокзальных комплексов за рубежом определяют технические и технологические факторы.

Анализ зарубежного опыта функционирования вокзальных комплексов позволил определить тенденции в их развитии: преобразование вокзалов в терминалы, координирующие работу транспортных коридоров по обслуживанию пассажиропотоков и поездопотоков; обеспечение высокого качества обслуживания за счёт совместного взаимодействия различных видов транспорта; объединение проектов развития железнодорожных вокзалов с проектами развития привокзальных, а иногда и квартальных территорий на которых они находятся; увеличение доли частных операторов вокзальных комплексов, а также процесс интернационализации управления железнодорожными вокзалами (итальянский оператор СгапсН81а2юш (ОБ) в управлении железнодорожным вокзалом в г. Прага и т.д.); оптимизация организации управления вокзальными комплексами, правильная организация их внутреннего пространства.

Таким образом, вокзалы становятся не только многофункциональными транспортными узлами, но и общественно-деловыми центрами, в работе которых участвуют разнообразные объекты обслуживания пассажира, посетителя (общественное питание, развлечения, торговля и т.д.).

В диссертации приведена классификация зарубежных железнодорожных вокзалов. Рассмотрен опыт функционирования вокзальных комплексов Японии, Германии, Франции; использования подземного, надземного и внутреннего пространства в проектах реконструкции. Установлено, что основное направление развития зарубежных железнодорожных вокзалов -трансформация вокзалов в многофункциональные, компактные транспортно-коммуникационные узлы, учитывающие потребности не только пассажиров и посетителей, но и прилегающих городских территорий.

В третьей главе «Моделирование вокзальных комплексов» рассмотрены вопросы математического и программного моделирования железнодорожных вокзальных комплексов, разработана методика, модель и алгоритмы (алгоритмы кластеризации - сравнение вокзальных комплексов между собой на основе меры сходства) автоматизированного кластерного анализа вокзальных комплексов, проведено их исследование; разработана блок-схема реализации данного алгоритма, принципиальная схема логической модели данных.

Проанализирована существующая классификация вокзалов, определены ее недостатки (не учитывает весь спектр услуг, построена на эвристических методах анализа, не учитывает всю совокупность информации о деятельности вокзалов и др.) и достоинства (проста для восприятия и понимания).

Существующая классификация железнодорожных вокзалов не отвечает требованиям и тенденциям развития вокзалов, и трансформации их в вокзальные комплексы. По существующей классификации, например, два внеклассных вокзала Северо-Западной РДЖВ, имеющие существенную

разницу в площадях и количестве обслуживаемых пассажиров, попадает в одну классификационную группу: Калининград-Южный площадью 10600 м2, ежесуточно отправляет около 2600 чел., а Ленинградский вокзал (г. Москва) площадью — 21500 м2, отправляет пассажиров порядка 43000 чел.

Основываясь на выделенных недостатках данной классификации и учитывая недостаточную разработанность в научной литературе, можно сделать вывод о необходимости постановки и решения задачи кластеризации -автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов. Важно отметить, что данная задача ставится впервые и не имеет аналогов в транспортной сфере.

В рамках кластерного анализа необходимо произвести выбор параметров, по которым будут оцениваться объекты - железнодорожные вокзальные комплексы. Задача данного анализа реализовывалась методом разбиения исследуемых объектов на группы. Вокзальные комплексы, входящие в каждую конкретную группу должны обладать схожими исходными параметрами. Применение кластерного анализа позволит провести первичное исследование, изучить полученную структуру данных. Для проведения анализа было рассмотрено 139 вокзалов, описанных 45 параметрами каждый. В исходную матрицу данных вошли все внеклассные вокзалы, вокзалы 1 класса, выборочно вокзалы 2 и 3 классов, находящиеся на балансе Дирекции железнодорожных вокзалов.

В диссертации для формирования исходной матрицы данных все многообразие исследуемых параметров было сгруппировано по 12 блокам: название вокзала; класс вокзала; вокзал и город; привокзальная площадь; архитектурные особенности здания вокзала; пассажиропоток; размеры движение; устройства на территории вокзала; наличие бесплатных услуг; наличие платных услуг; состояние социальной сферы; состояние безопасности на вокзале.

Для выполнения кластерного анализа все необходимые данные были сведены в итоговую матрицу данных в формате .хЬх. Фрагмент исходной матрицы данных представлен на рисунке 5.

Формально задача кластерного анализа описывается следующим образом. Каждый объект описывается вектором характеристик или дескрипторов X = {х/, х2,..., хр}. Компоненты х, являются отдельными характеристиками объекта. Количество характеристик р определяет размерность пространства характеристик. Любое многомерное наблюдение может быть геометрически интерпретировано в виде точки в /»-мерном пространстве. Геометрическая близость двух или нескольких точек в этом пространстве означает принадлежность этих точек к одному кластеру. Объекты X, и X/ будем относить к одному кластеру, когда расстояние между этими объектами будет достаточно малым, и к разным кластерам - если будет достаточно большим. Для каждой пары объектов измеряется «расстояние» между ними — степень похожести.

Общие требования к мере сходства: р (X/, X)) функция расстояния (метрика), если:

1) она должна быть положительной величиной, т.е. р(Х„ X,) > 0, для всех X, и Л};

2) Лу = 0, тогда и только тогда, когда Х^Х^

3) она должна обладать свойством симметрии, т.е. р(Хь X) = р(Х/,

4) выполняется неравенство треугольникар(Х>, X) < р(Х„ Х^) + р(Хк,Х]),

где Х„ X,, Хк - любые 3 объекта.

Наименование региональной дирекции железнодорожных воиалов БЛОКИ ВОКЗАЛ И ГОРОД ПРИВОКЗАЛЬНАЯ ПЛОЩАДЬ

Название вокзала/ Параметры Класс вокзала Федеративный статус города Население города, тыс. чел. 1 £ § Иг I " ' 1 § 18 Средняя длительность поездки Наличие метрополитена в городе Принадлежность привокзальной площади (город или вокзал} Наличие юн парковки, такс и, службы г роката автотранспорта 5 .31 НИ! ^ 3 2 е- в -г- е- - * 5 ^ 1 1 11 1 I 1 - Н I

Балтийский вн город федерального 1начопия <600 310 окраина города большая да город

Витебский вн город федерального значения 4 600 310 окраина города исключительно большая да город Да нет

Калининград-ЮЖНЫЙ .„ город областного значения 422 000 окраина города большая нет город Да нет

1 Ленинградский вн город федерального значения 11 514 300 центр города исключительно большая д, ОАО ■РЖД"-ДЖВ Да да

А Ладожский вн город федерального значения 4600310 окраина города исключительно большая да город/ ОАО •ржд- Да Да

Московский вн город федерального 4600310 центр города исключительно большая да город нет

Финляндский вн город федерального значения 4600210 окраина города большая да город да нет

Выборг город областного значения 80126 окраина города малая нет город да

Мурманск город областного значения 307 664 центр города большая „„ город да нет

Рисунок 5 - Фрагмент исходной матрицы данных

Евклидово расстояние - наиболее распространенная функция

расстояния р(х1,х') = ^Е^С*;- х')2, с помощью которой, можно определить геометрическое расстояние в многомерном пространстве между парой объектов. С точки зрения оценки качества проведенной кластеризации на сегодняшний день не существует универсальных критериев, однако, плотность кластеров и расстояние между ними, можно косвенно отнести к ним.

В качестве метода кластерного анализа предложено использовать самоорганизующиеся карты Кохонена, принципы работы которого относятся к искусственным нейронным сетям. В работе решение задачи кластеризации железнодорожных вокзальных комплексов осуществляется по следующим этапам:

1) определение выборки для кластеризации;

2) выбор множества параметров, по которым будут оцениваться объекты в выборке;

3) определение метода кластеризации данных;

4) разработка приложения, позволяющего проводить кластерный анализ объектов - железнодорожных вокзальных комплексов;

5) разработка информационного обеспечения;

6) визуализация полученных результатов;

7) сохранение полученных данных в виде таблицы (.xlsx).

Структуру самоорганизующейся карты формируют узлы или нейроны, количество которых, задаётся. Каждый из узлов описывается двумя векторами. Первый - вектор веса, имеющий такую же размерность, что и входные данные (m,(t)). Второй — вектор, представляющий собой координаты узла на карте (г). По координатам узла на карте можно определить его соседей - ближайшие узлы. Веса - это главный элемент модели Кохонена. Веса рассчитываются с помощью итеративной процедуры, в ходе которой параметры карты подстраиваются под наблюдения. После её завершения, самоорганизующаяся карта построена, а полученные кластеры изображаются на двухмерном рисунке, что позволяет наглядно и легко интерпретировать структуру кластеров. Векторы входных сигналов (х) обрабатываются по одному, для каждого из них находится ближайший кодовый вектор-«победитель» - Мс (t). После этого все кодовые векторы m/t) соседних узлов пересчитываются, соседи кодового вектора-«победителя» сдвигаются в ту же сторону, что и этот вектор, пропорционально мере близости.

Алгоритм кластеризации представлен следующим образом:

а) Инициализация. Первоначальные веса узлов задаются случайными числами.

б) Цикл. Пусть t — номер итерации (инициализация соответствует номеру 0). Необходимо:

1) выбрать произвольное наблюдение x(t) из множества входных данных;

2) найти расстояния от него до векторов веса всех узлов карты и определить ближайший по весу узел Mc(t). Это - BMU или Winner. Условие Mc(t): ¡¡x(t) -mc(t)// < ffx(t) -m,(t)//, для любого mfi), где m,(t) - вектор веса узла Mfi). Если находится несколько узлов, удовлетворяющих условию, BMU выбирается случайным образом среди них;

3) определить с помощью функции hd(t) (функции соседства) соседей Мс и изменение их векторов веса.

Функция ha(t) определяет «меру соседства» узлов М, и Мс, изменение их векторов веса. Функция должна постепенно уточнять их значения. В качестве функции соседства используется функция Гаусса:

hci(t) = a(t)-exp(-i^), (1)

где 0< a(t) <1 - обучающий сомножитель, монотонно убывающий с каждой последующей итерацией; гс, г, - координаты узлов Мс (t) и М, (t) на карте;

a2ft) — сомножитель, уменьшающий количество соседей с итерациями, монотонно убывает. Параметры а,с и характер их убывания задаются.

4) Изменение векторов веса рассчитывается по формуле:

m,(t)= m,(t-l) + К, (t)-(x(t) - m,(t-l)), (2)

где t - номер итерации;

x(t) - произвольное выбранное наблюдение из множества данных; hcl(t) - функция соседства.

Вектора веса всех узлов, являющихся соседями BMU, приближаются к рассматриваемому наблюдению.

5) Вычисление ошибки карты как среднее арифметическое расстояний между наблюдениями и векторами веса соответствующих им BMU:

¿Шк-mJ, (3)

где N— количество элементов набора входных данных.

В диссертации представлена программная реализация кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов, которая предусматривает выполнение двух этапов: подготовка статистически значимых данных; анализ подготовленных данных.

1 этап. Подготовка исходных данных осуществляется в Excel. Исходные данные представляют собой таблицу, первая строка и столбец которой содержат наименования объектов транспортной инфраструктуры (139 железнодорожных вокзальных комплекса) и их характеристики соответственно (45 параметров). Все ячейки исходной матрицы данных заполняются значениями. Исходные параметры данных матрицы могут быть описаны как количественными, так и качественными значениями (числовые и нечисловые данные). Перед проведением кластерного анализа необходимо провести преобразование качественных признаков исходных параметров в количественные, путем их кодирования. Фрагмент кодированной матрицы данных приведен в таблице 1.

Параметры исходной матоииы данных Кодирование

Класс воюала:

внеклассные 0

1

2 класс ->

3 класс з

республика 1

край 2

область 3

города Федерального значення 4

автономная область 5

автономный округ 6

2 этап. Анализ подготовленных данных. Данные, подготовленные согласно требованиям этапа 1, анализируются при помощи нейросетевого метода, основанного на SOM - соревновательной нейронной сети с обучением без учителя, выполняющей задачу визуализации и кластеризации. Анализ данных исходной матрицы производился в программе «Neuron.exe», где описаны основные функции приложения, разработана инструкция пользователя, разработана модель автоматизированного кластерного анализа (рисунок 6).

Формально методику (алгоритм) автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов можно представить следующим образом:

1) сбор данных, формирование исходной матрицы данных;

2) анализ исходных данных;

3) кодирование нечисловых значений и общая нормализация исходных данных (кодированная матрица данных);

4) алгоритм кластеризации;

5) построение топографической карты Т. Кохонена;

6) анализ полученных результатов и предлагаемые решения.

Типы исходных Предобработка Алгоритм Результаты работы

Следующий этап развития разработанного программного приложения предусматривает клиент-серверное взаимодействие. В этом случае, клиенты (локальные компьютеры) взаимодействуют с сервером (сервер базы данных) через сеть. Разработана принципиальная схема логической модели данных.

Кластерный анализ в зависимости от целей исследования можно проводить как по отдельным блокам параметров, описанным ранее, так и по всей совокупности. Во-первых, в работе произведен кластерный анализ железнодорожных вокзальных комплексов по всей совокупности выделенных параметров. Проведено построение десяти вариантов топологических карт (топологическая карта — это двухмерная решетка, пересечение линий которой - узлы). В результате проведенных исследований, было получено 9 кластеров, при размерности карты 3x3. Перечень вокзальных комплексов, их координаты на полученной карте, сохранены в файле «Исследование №...», формата «.х^х». Во-вторых, в работе показана возможность кластеризации железнодорожных вокзальных комплексов по отдельным блокам параметров: «услуги», «привокзальная площадь», «безопасность».

Результаты программной реализации подтвердили наличие предполагаемой структуры в исходном массиве данных. Сокращена его размерность; подготовлены данные для последующего, более глубокого анализа (возможно применение других методов статистической обработки полученных результатов); получено визуальное представление результатов, с перечнем

вокзальных комплексов и маркёром цвета, обозначающего тот или иной кластер. Анализ полученных результатов показал, что все кластеры содержат «ядро» (определенное количество железнодорожных вокзальных комплексов), которое остаётся постоянным, даже при перенастройке топографической карты. Это говорит о том, что координаты исследуемых объектов располагаются достаточно близко друг к другу, таким образом, сохраняя постоянным «ядро». Однако, часть вокзальных комплексов «мигрирует» из кластера в кластер, что свидетельствует о том, что их координаты располагаются на границе кластеров. В работе дана характеристика вокзальных комплексов, относящихся к разным кластерам. Фрагмент таблицы с перечнем вокзальных комплексов, составляющих «ядро» кластеров представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Фрагмент таблицы перечень вокзальных комплексов,

составляющих «ядро» кластеров

Наименование Класс Наименование Класс

Номер вокзального вокзального Номер вокзального вокзального

кластера комплекса комплекса ' 222Й комплекса комплекса

Анапа 1 Балтийский вн

Богоявленск 3 Витебский вн

Воркута 2 Выборг 1

■Р Дальнереченск з ■ ' 1" : Калининград-Южный вн

Кемерово 2 Калуга -1 ВН

Комсомольск 2 Савеловский I

Кропачево 3 Финляндский вн

Магнитогорск 2

В результате проведенных исследований, получено 9 кластеров, в которых определенным образом сгруппировались вокзальные комплексы. Отправной точкой для дальнейшего анализа должны быть 4 класса вокзалов (вопросы экономики), исследуемые объекты сгруппированы в 4 кластера, исходя из объемов их работ и полученных ранее результатов. Полученные результаты показали, что часть вокзальных комплексов («ядро») в кластерах сгруппировалась с понижением своего класса, а часть с повышением класса. В кластере по 1 классу вокзальных комплексов Калининград-Южный понизил свою классность, а Калуга-1 - повысила. В кластере, объединяющем группу вокзалов по 3 классу, Анапа понижает свой класс с 1-ого до 3. В кластере, где сгруппированы вокзальные комплексы 2 класса по объемам работ, например, Первоуральск повышает свой класс.

Для мигрирующих групп вокзальных комплексов, с целью получения постоянства координаты на топографической карте Т. Кохонена, необходимо изменить статус своих параметров исходной матрицы данных. Здесь могут быть, проведены различного рода мероприятия, первоочередные из них сформулированы в Главе 4.

В четвертой главе «Тенденции дальнейшего развития вокзальных комплексов» представлены перспективы развития железнодорожных вокзальных комплексов, приоритеты их формирования и модернизации. Проведена оценка эффективности принимаемых решений по их модернизации, предложена технология расчета затрат на проект автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов.

Представлены тенденции развития вокзальных комплексов: архитектура зданий и планировка прилегающих территорий; сервис и комфорт; комплексная безопасность; экология; управление. В каждом блоке предложены мероприятия, направленные на совершенствование вокзальной инфраструктуры.

Сформулированы приоритеты формирования и модернизации вокзальных комплексов: гармоничная интеграция вокзального комплекса в городскую среду; расширение и гуманизация функционала вокзала; модернизация системы управления; совершенствование законодательно-нормативной базы. Дана краткая характеристика каждого блока.

В диссертации проведена оценка эффективности решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов путем сравнения фондов оплаты труда (рисунок 7). Решение считается эффективным, если разница между максимальным и текущим значениями ФОТ — положительная. Такой подход позволяет приближенно оценивать эффективность решений на этапе формирования проектов модернизации вокзальных комплексов.

Фонд оплаты труда вокзального комплекса любого класса составит:

ФОТ™

ФОТуправл перс.

ФОТв,

(4)

где ФОТуправл Перс. - это фонд оплаты труда управляющего персонала (руководителей, специалистов, служащих);

ФОТв(

это фонд оплаты труда вспомогательного персонала

(например, водитель автомобиля, слесарь-ремонтник и т.д.).

Тарификация ФОТуправл перс определялась по Положению о корпоративной системе оплаты труда работников филиалов и структурных подразделений ОАО «РЖД» в соответствии с классом вокзального комплекса. ФОТвспомперс принят, исходя из Положения и ФЗ - №232 от 03.12.12, производственного календаря на 2013 год, часовых тарифных ставок.

График разницы ФОТ вокзального комплекса Калининград-Южный с сохранением класса и понижением его (годовое значение)

Калининград-Южный, внеклассный — —-

управленческим персонал вспомогательным персонал

ФОТ годовой, руб.

График разницы ФОТ вокзального комплекса Анапа с сохранением класса и понижением его (годовое значение)

е.1.07843МЛЮ_

— ФОТ с

сохранением класса

-ФОТ с

понижением класса вокзала

управленческим персонал вспомогательный персонал

ФОТ годовой, руб.

График разницы ФОТ вокзального комплекса Калуга -1 с повышением класса и сохранением его (годовое значение)

5000000,00 к 4000000,00 3000000,00

0ч

2000000,00 ■ 1000000,00 ■

•«. 5303760,00

управленческим персонал

вспомогательным персонал

ФОТ при повышении класса ВК

-ФОТ при сохранении класса ВК

ФОТ головой, руб.

Рисунок 7 - Графики изменения ФОТ вокзальных комплексов Ведомость экономических эффектов рассматриваемых вокзальных комплексов приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Экономический эффект по вокзальным комплексам

Вокзальные комплексы Экономический эффект

ФОТ при сохранении класса ВК, руб /год ФОТ при понижении класса ВК, руб /год ФОТ при повышении класса ВК, руб/год Итого, руб./год

Калининград-Южный 7042548,00 6708468,00 ____ 334080,00

Анапа 13725648,00 12368328,00 1357320,00

Калуга-1 6250932.00 6573612,00 322680,00

В ходе реализации автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов показана возможность пересмотра классов вокзалов. Разработанный алгоритм кластерного анализа позволяет гибко и оперативно реагировать на изменяющиеся объёмы работы, спрос, выявлять недостатки в организации работы, дает возможность визуализировать результаты и подвергать их иным статистическим методам обработки. Предложена технология расчета затрат на проект автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе теоретико-методологической базы, использования методов системного анализа, математического, программного моделирования показаны текущее состояние отечественных вокзальных комплексов, пути и способы их модернизации - трансформации в основу транспортно-пересадочных узлов. Изложены новые научно обоснованные технические и технологические решения по моделированию, кластеризации и модернизации железнодорожных вокзальных комплексов городских транспортных систем, имеющие существенное значение для развития железнодорожного транспорта страны. Выполненная работа даёт основание выделить следующие ключевые итоги:

1. Определены задачи развития городских транспортных систем, реализация которых позволит повысить качество обслуживания пассажиров, минимизировать время на их перемещение, уменьшить площади территорий, занимаемые транспортными узлами, удовлетворить потребность населения в перемещении и увеличить мобильность. Проведённый анализ показал необходимость перехода к комплексному планированию городских

транспортных систем, скоординированному использованию различных видов транспорта, и формирования их транспортных коммуникаций.

2. Проведен анализ развития вокзалов, формирования их в вокзальные комплексы, входящие в состав транспортно-пересадочных узлов. Выявлены несоответствие текущего состояния объектов транспортной инфраструктуры современным техническим и технологическим требованиям, недостаточный учёт роли вокзального комплекса и его значения в транспортной системе города.

3. Проведена оценка текущего состояния отечественных железнодорожных вокзалов. Использование имущества, на момент передачи его на баланс ДЖВ, велось неэффективно, а именно: не обеспечивалось активное вовлечение объектов инфраструктуры в инвестиционную деятельность, связанное с несовершенством юридической базы; не были сформулированы процессы управления сдачи площадей в аренду; отсутствовала нормативно-правовая база для категории «железнодорожный вокзал»; не велась федеральная и отраслевая статистическая отчётность; не обеспечивалась технологическая связь с привокзальной площадью; не было осуществлено оборудование внутренних помещений и прилегающих территорий для людей с ограниченными возможностями; не были сформированы стандарты качества оказываемых услуг. Проведен анализ площадей, сдаваемых в аренду в региональном разрезе, рассмотрена структура доходов и расходов ДЖВ за период 2008-2010гг.

4. Анализ деятельности зарубежной вокзальной инфраструктуры позволил определить новые подходы к организации их управления: наметился процесс интернационализации управления; произошел рост доли частных операторов, осуществлено функциональное зонирование внутренних площадей и внешней транспортной среды; осуществлена стандартизация услуг; введены новые системы и способы приобретения проездных документов; изменены принципы информационного обеспечения пассажиров.

5. Определена предметная область исследования и выявлены недостатки существующей классификации железнодорожных вокзалов, а именно: не охватывает всего многообразия деятельности вокзальных комплексов, в связи с интенсивным развитием ряда дополнительных сервисных, торговых, общественно-деловых функций; выстраивается исключительно с помощью эвристических методов, не позволяющих охватить множество факторов, влияющих на особенности функционирования вокзалов; не несет в себе значимой информации для детального изучения процессов развития и формирования вокзальных комплексов; не позволяет принимать комплексные решения по развитию и модернизации групп вокзалов; не учитывает изменившиеся требования к формированию вокзальных комплексов, развитию дополнительных функций, в связи с изменившимся соотношением числа пассажиров и посетителей вокзального комплекса; не позволяет прогнозировать развитие городской среды, в которой находится вокзал. Достоинства существующей классификации: проста для восприятия и

понимания; удобна для ознакомления с принципами группировки железнодорожных вокзалов.

6. Впервые разработаны алгоритмы кластеризации железнодорожных вокзальных комплексов, создана исходная матрица данных (139 вокзальных комплекса, описанных 45 параметрами). Сформулированы задачи, разработана методика и алгоритмы, модель автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов, принципиальная схема логической модели данных. На основе кластерного анализа с использованием метода -самоорганизующиеся карты Т. Кохонена, подтверждено наличие предполагаемой структуры в исходном массиве данных. Применение этого подхода позволило сократить размерность исходного массива данных, подготовить данные для последующего, более глубокого анализа (возможно применение других методов статистической обработки полученных результатов), получить визуальное представление результатов, с перечнем вокзальных комплексов и маркёром цвета, обозначающий тот или иной кластер; выделить «ядра» кластеров.

7. На основе полученных результатов «ядра» сгруппированы в 4 кластера. Часть вокзальных комплексов («ядро») в кластерах сгруппировалась с понижением своего класса, а часть с повышением класса. Для мигрирующих групп вокзальных комплексов, с целью получения постоянства координаты на топографической карте Т. Кохонена сделаны выводы о необходимости изменения статуса своих параметров исходной матрицы данных.

8. Результаты кластеризации позволяют разработать рекомендации по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов и достичь следующих положительных тенденций: упрощение процесса принятия решений по стратегическому развитию объектов транспортной инфраструктуры в целом; экономия времени на принятия решений по развитию конкретных железнодорожных вокзальных комплексов; экономия времени на выполнение аналитической работы; введение инновационных и современных технологических решений.

9. На основе проведённого анализа определены тенденции развития отечественных вокзальных комплексов, а именно обеспечение: соответствующей архитектуры зданий и планировки прилегающих территорий; сервиса и комфорта во внутренних помещениях и прилегающих территориях; комплексной безопасности; экологии и современной системы управления.

10. Определены следующие приоритеты их формирования: гармоничная интеграция в городскую среду; развитие и гуманизация функционала; модернизация системы управления; совершенствование законодательно-нормативной базы. Реализация указанных приоритетов уже на первых этапа проведения реформы, создаст возможность для гармоничной трансформации вокзального комплекса в состав транспортно-пересадочного узла.

11. В ходе реализации автоматизированного кластерного анализа вокзальных комплексов получены результаты, подтверждающие необходимость пересмотра

классов вокзалов. Смена классов вокзальных комплексов повлекла за собой изменение фонда заработанной платы как в большую сторону (Калуга-1 -повышение класса), так и в меньшую сторону (Калининград-Южный, Анапа -понижение класса). В работе проведена оценка эффективности принимаемых решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов, имеются два акта внедрения результатов исследований. Предложена технология расчета затрат на проект автоматизированного кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Овчинникова, Е. А. Взаимоотношения города и транспорта [Текст] / Е. А. Овчинникова // Наука и техника транспорта. - 2012. - №3. - С.43-54.

2. Овчинникова, Е. А. Биография вокзала [Текст] / Е. А. Овчинникова // Мир транспорта. - 2012. - №2. - С. 204-210.

3. Овчинникова, Е. А. Типология железнодорожных вокзалов [Текст] / Е. А. Овчинникова // Мир транспорта. - 2012. - №4. - С.130-135.

4. Кутыркин, А. В. Кластерный анализ объектов инфраструктуры [Текст] /А. В. Кутыркин, Е. А. Овчинникова, С. С. Судоргина // Мир транспорта. - 2012. -№6. - С.28-34.

Научные статьи в других изданиях

5. Вакуленко, С. П. Опыт и тенденции развития зарубежных вокзальных комплексов [Текст] / С. П. Вакуленко, Е. А. Овчинникова // Научно-практическая конференция «Транспортное образование и наука. Опыт, проблемы, перспективы»: труды. - М.: МИИТ, 2009. С. У-1.

6. Овчинникова, Е. А. Качественный сервис - приоритет в развитии вокзальных комплексов [Текст] / Е. А. Овчинникова // Труды научно-практической конференции «Неделя науки - 2011», «Наука МИИТа -транспорту»; в 2-х т., т.2. - М.: МИИТ, 2011. - С. 1У-3-1У-4.

7. Овчинникова, Е. А. Обеспечение безопасности железнодорожного вокзального комплекса - составляющая качественного обслуживания пассажира [Текст] / Е. А. Овчинникова // Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»: труды. - М.: МИИТ, 2009. - С. Х-12-Х-13.

8. Овчинникова, Е. А. Мировой опыт в организации безопасности на вокзальных комплексах [Текст] / Е. А. Овчинникова // Двенадцатая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»: труды. - М.: МИИТ, 2011. - С. Х1У-149-Х1У-150.

9. Овчинникова, Е. А. Роль вокзального комплекса в инфраструктуре города [Текст] / Е. А. Овчинникова // Труды научно-практической конференции «Неделя науки - 2011», «Наука МИИТа - транспорту»; в 2-х т., т. 2. - М.-МИИТ, 2011. С. 1У-4-1У-5.

ОВЧИННИКОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КЛАСТЕРИЗАЦИИ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Заказ 29Й

Формат 60x90 1/16 Тираж 80 экз.

Подписано в печатьОЪ. ОЧ.1 Ч.. Объем 1,5 усл. п.л.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д.9, стр.9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

_МГУПС (МИИТ)_

На правах рукописи

04201457979

Овчинникова Елена Александровна

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КЛАСТЕРИЗАЦИИ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

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

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИТАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Кутыркин Александр Васильевич

МОСКВА 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ГОРОДСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ.........................11

1.1. Эволюция городского пространства и проблемы транспортной интеграции..! 1

1.2. Вокзальный комплекс в городской транспортной системе..............................30

1.3. Выводы по главе 1..........................................................................49

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ..............52

2.1. Функционирование отечественных вокзальных комплексов.........................52

2.2. Зарубежный опыт функционирования вокзальных комплексов..................82

2.3. Выводы по главе 2........................................................................103

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ..................106

3.1. Описание математической модели....................................................106

3.2. Программная реализация кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов методом самоорганизующейся карты Кохонена.........................123

3.3. Исследование железнодорожных вокзальных комплексов городских транспортных систем..........................................................................140

3.4. Выводы по главе 3...........................................................................151

ГЛАВА 4. ТЕНДЕНЦИИ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ВОКЗАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ..................................................................................154

4.1. Тенденции развития железнодорожных вокзальных комплексов..................154

4.2. Приоритеты формирования и модернизации железнодорожных вокзальных комплексов.......................................................................................167

4.3. Оценка эффективности решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов........................................................................177

4.4. Выводы по главе 4..........................................................................192

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................194

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................211

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью модернизации транспортной инфраструктуры, играющей значимую роль в обеспечении железнодорожных пассажирских перевозок, реализации транспортной Стратегии и в социально-экономическом развитии страны.

Развитие вокзалов в функциональном и градостроительном плане, месторасположение окружающих зданий и сооружений, положило начало трансформации их в многофункциональные вокзальные комплексы, интегрированные в городскую среду. Расширение общественно-деловой функции железнодорожного вокзала привело к появлению новых объектов городской застройки, которые стали центрами мобильности населения, а также представляют собой историческую и культурную ценность.

Недостаточный учёт роли вокзального комплекса в транспортной инфраструктуре города, его взаимосвязи с работой городских видов транспорта, препятствует организации эффективной перевозки пассажиров, снижает качество их обслуживания. Научно-технический прогресс, развитие городских транспортных систем (городская транспортная система — взаимосвязанная совокупность внешнего и внутригородского транспорта, транспортной инфраструктуры (железнодорожные вокзалы, станции, водные и воздушные порты и др.)), требуют переосмысления роли железнодорожных вокзальных комплексов, наращивания их производственного, экономического и технического потенциала в соответствии с современными стандартами и нормативами.

В этих условиях особенно актуализировались и требуют рассмотрения вопросы эффективного использования городских земельных ресурсов, увязки прилегающих к зданию вокзала территорий с генеральным планом развития города, позволяя формировать и модернизировать вокзальный комплекс. Под модернизацией понимается преобразование железнодорожных вокзалов, в соответствии с мировой тенденцией в транспортно-пересадочные комплексы, объединяющие разные виды транспорта, с выраженной общественно-деловой функцией.

Отмечая важную роль вокзального комплекса в системе жизнеобеспечения городов, необходимо отметить, что он является элементом «соприкосновения» различных сфер жизни и деятельности населения. Поэтому представляется актуальным: обеспечение безопасности на любом этапе перемещения пассажира или посетителя вокзального комплекса; социальная адаптивность прилегающих территорий и внутренних помещений пассажирского здания вокзала; предоставление качественного уровня сервиса и комфорта.

Развитие железнодорожных вокзальных комплексов невозможно без создания современной законодательно-нормативной базы. Правовые основы, определяющие статус железнодорожного вокзала, требуют пересмотра и дополнений.

Актуальной становится также функциональная организация вокзала как социально-ориентированного производственного комплекса, органично связанного своим функционалом с жизнью транспортной системы города, прилегающими территориями, работой городского транспорта. Применение системного подхода для решения такой многогранной транспортной задачи является необходимой мерой. Факт недостаточной разработанности в научной литературе вопросов формирования и развития отечественных вокзальных комплексов, актуализирует задачу их моделирования и кластеризации (кластеризация - метод абстрактного описания объектов, задаваемых векторами своих характеристик, и автоматизированного разбиения их совокупности на кластеры по критерию схожести), что важно для дальнейшего прогноза развития транспортных систем городов.

Степень научной разработанности темы. Вопросы организации вокзальной деятельности, такие как архитектурное планирование, технологические аспекты, техническое оснащение зданий, с научной точки зрения, стали широко рассматриваться, начиная со второй половины XX века. Накопленный теоретический материал позволяет оценить, как менялся железнодорожный вокзал, проследить этапы его развития. Однако, современные

требования ставят вопрос о модернизации вокзального хозяйства в соответствии со спросом, накопленным отечественным и мировым опытом.

Научно-теоретическая база в области проектирования, строительства, организации производства, технологических, технических, экономических аспектов, вопросов сервисного обслуживания, моделирования деятельности объектов транспортной инфраструктуры включает в себя:

- по архитектурно-градостроительной тематике железнодорожных вокзалов теоретические труды: A.C. Баймиструка, В. М. Батырева, Е.В. Васильева, B.JI. Глазычева, Г.Е. Голубева, М.Н. Канунникова, Ю.М. Косого, А.Ю. Мурунова,

B.М. Предтеченского, Э.А. Сафронова, Е.Г. Трубиной, В.А. Черепанова, H.H. Щетинина, И.Г. Явейна;

- по экономическим вопросам транспортной деятельности: В.Г. Галабурды, В.Р. Захарова, H.H. Зюзиной, O.A. Олениной, Н. П. Терёшиной;

- по технологическим аспектам и пассажирской логистике: О.М. Борзова, С.П. Вакуленко, И.В. Древаля, В.И. Лукашева, В.П. Мироненко, Н.В. Правдина,

C.М. Резера, JI.C. Рябухи, P.A. Фатхутдинова, В.Г. Шубко;

- по вопросам сервисного обслуживания: Н.Д. Иловайского, А.Н. Киселёва, Е.Б. Куликовой, П.В. Куренкова, И.В. Шубина;

- по вопросам моделирования деятельности объектов транспортной инфраструктуры посвящены труды: А.Б. Барского, В.А. Головко, Х.Ш. Зябирова, A.B. Кутыркина, Б.А. Левина, Ю.О. Пазойского;

- из зарубежных авторов следует указать: А. Бакерсона, М. Вальтер-Бергманна; В.Р. Вучика, М. Диа, Е.Л. Олмэна, Д. Риггса, Б.Д. Симпсона, С.Д. Харриса, В. Хеслера.

С точки зрения системной методологии организации производства, оценить вокзальный комплекс достаточно сложно, поскольку научные разработки этой тематики начались сравнительно недавно. Современные аспекты деятельности вокзальных комплексов освещены в статьях: С.Б. Абрамова, Л.О. Аникеевой-Науменко, A.A. Бычковой, Л.Н. Павлова, В.И. Солдаткина, М.В. Романенко, С.А. Волковой.

Весомый вклад в современную разработку данной проблематики внесли труды международных конференций: «Развитие вокзалов России», (Москва, 2008г.); «Международная практика развития вокзалов: от проектирования к возврату инвестиций», (Мерано, Италия, 2012г.), которые раскрывают вопросы развития, реконструкции, передового опыта вокзального хозяйства.

В последние годы усилилось внимание учёных к различным аспектам системной методологии объектов транспортной инфраструктуры. Такой подход смещает акцент в пользу интеграции вокзальных комплексов и городских транспортно-пересадочных узлов, функционирование их в системе и как системы. Согласно, «Актуализации программ и Генеральных схем развития сети железных дорог до 2030 года в современных экономических условиях» (том II — пассажирские перевозки), транспортная инфраструктура должна удовлетворять потребностям населения в мобильности, с учётом растущих объёмов пассажиропотоков. Именно с этих позиций в работе рассматривается современная модель железнодорожного вокзального комплекса.

Недостаточная разработанность отмеченной проблематики даёт также основание для рассмотрения вопросов моделирования деятельности вокзальных комплексов с использованием современных, интеллектуальных методов обработки данных, в частности, кластерного анализа. Необходимо отметить, что данная задача ставится и решается впервые.

Цель исследования - разработка научно-методических аспектов кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов, определение тенденций развития и рекомендаций по их модернизации.

Задачи исследования, отвечающие данной цели, сводятся к следующему:

• определить взаимосвязи города и его транспортной системы, в состав которой входит вокзальный комплекс;

• рассмотреть роль вокзального комплекса в городской транспортной среде;

• проанализировать отечественный и зарубежный опыт функционирования вокзальных комплексов;

• разработать методику и алгоритмы кластерного анализа (кластеризации) железнодорожных вокзальных комплексов;

• выполнить оценку эффективности решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов;

• обосновать основные тенденции развития и приоритеты функционирования вокзальных комплексов.

Объект исследования - железнодорожные вокзальные комплексы городских транспортных систем.

Предмет исследования - алгоритмы кластеризации, моделирование и модернизация железнодорожных вокзальных комплексов.

Границы исследования. Типологические границы определяются комплексным рассмотрением архитектурных, планировочных, технических, технологических, организационных особенностей функционирования инфраструктуры вокзального комплекса. Географические границы определяются рассмотрением разных классов вокзальных комплексов, находящихся на балансе Дирекции железнодорожных вокзалов - филиала ОАО «РЖД». Хронологические границы охватывают период с 2007 года по настоящее время.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке новых научно обоснованных технических и технологических решений по моделированию, кластеризации, модернизации и повышению эффективности функционирования железнодорожных вокзальных комплексов городских транспортных систем, в том числе:

• определены на основе системного подхода, анализа динамики развития вокзального хозяйства, отечественного и зарубежного опыта программные основы для дальнейшей организационной, технической и технологической модернизации вокзальных комплексов;

• разработаны алгоритмы кластеризации вокзальных комплексов. На основе кластерного анализа впервые выделены «ядра» кластеров; доказана необходимость пересмотра классов железнодорожных вокзалов;

• доказана возможность создания новой классификации вокзальных комплексов, призванной обеспечить эффективную организацию работы объектов транспортной инфраструктуры и органичное интегрирование их в городскую транспортную систему;

• определены тенденции развития и приоритеты формирования современных вокзальных комплексов.

Теоретическая и практическая значимость диссертации заключается в возможности применения сформулированных теоретических подходов, разработанных математических и программных методов моделирования, результатов экспериментальной обработки данных в проектах реконструкции и модернизации объектов транспортной инфраструктуры.

Реализация полученных результатов диссертационного исследования послужит основой для научно обоснованного принятия решений по стратегическому развитию объектов транспортной инфраструктуры в целом; формирования новой классификации железнодорожных вокзальных комплексов; ускорит введение инновационных и современных технологических решений; создаст возможность для гармоничной трансформации вокзального комплекса в состав транспортно-пересадочного узла. В работе проведена оценка эффективности принимаемых решений по модернизации железнодорожных вокзальных комплексов, имеются два акта внедрения результатов исследований {Приложение 3).

Методология и методы исследования диссертационной работы включают теории систем и системного подхода, урбанистики, планирования городов, теории математического и программного моделирования деятельности инфраструктурных транспортных объектов, экономической оценки эффективности принятых решений. Также применены методы исследования информации: анализ и систематизация данных, полученных из литературных источников, периодических аналитических сборников; анализ научных трудов, посвященных градостроительному и архитектурному планированию, технологическим, экономическим, экологическим аспектам работы

железнодорожных вокзальных комплексов, вопросам комплексной безопасности; методы сбора и обработки статистических данных, предоставленных Дирекцией железнодорожных вокзалов - филиала ОАО «РЖД».

Согласно общему замыслу, целью и задачами, которые задают содержание и формируют основные направления исследований, на защиту выносятся следующие положения:

1. Научно-методические аспекты формирования железнодорожных вокзальных комплексов, как социально-технических систем.

2. Анализ отечественного и зарубежного опыта функционирования вокзальных комплексов.

3. Матрица данных вокзальных комплексов, содержащая исходные параметры, которые оказывают влияние на качество работы и прогнозы их развития.

4. Методика и алгоритмы кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов, позволяющие обосновать их современную классификацию и научно решать вопросы модернизации.

5. Тенденции развития и приоритеты функционирования современных вокзальных комплексов, обеспечивающие достижения интермодального баланса в городской среде.

Вклад автора в проведенное исследование состоит в обосновании актуальности выбранной темы, определении целей и задач, апробации результатов; анализе взаимосвязей города и его транспортной системы; рассмотрении роли железнодорожного вокзального комплекса в городской транспортной среде; непосредственном участии в сборе и анализе данных; формировании исходной и кодированной матриц данных; разработке методики и алгоритмов кластерного анализа железнодорожных вокзальных комплексов; в выполнении оценки эффективности решений; формировании тенденций дальнейшего развития вокзальных комплексов; подготовке публикаций.

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Степень достоверности результатов, изложенных в диссертационной работе, подтверждается реализацией разработанных теоретических, математических,

программных моделей деятельности железнодорожных вокзальных комплексов, построением теории на известных, проверяемых фактах, обобщении передового опыта формирования вокзальных комплексов, с использованием современных методик сбора и обработки информации, применением для оценки качества кластерного анализа совокупности критериев и тестовых примеров.

Результаты исследований представлены на Всероссийских научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2009г.), «Наука МИИТа - транспорту» (Москва, 2011г.), «Безоп�