CC BY
24ТРАНСПОРТ И ЭНЕРГЕТИКА
Подольский Вл.П., д-р. техн. наук, проф., Курьянов В.К., д-р. техн. наук, проф., Глагольев А.В., канд. техн. наук, Алферов В.И., канд. техн. наук, Тюков Е.Б, канд. техн. наук, Трубников А.В., инж.
Воронежский государственный университет строительства и архитектуры
КОНЦЕПЦИЯ РЕШЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОБЛЕМ НА ПРИМЕРЕ Г. ВОРОНЕЖА
В статье рассматриваются вопросы создания системы управления дорожным движением и модернизации объектов и сооружений дорожно-транспортной инфраструктуры.
Ключевые слова: дорожное движение, управление, дорожно-транспортное инфраструктура.
Расширение возможностей дорожной сети в г. Воронеже запаздывает по отношению к росту транспортных требований, что привело к повышению плотности потоков. Транспортные заторы начали носить хронический характер, и стала реальной возможность появления неуправляемого хаоса и серьезных катастроф. Поэтому актуальность создания системы управления дорожным движением и модернизации объектов и сооружений дорожно-транспортной инфраструктуры не вызывает сомнений.
Для приведения дорожно-транспортной инфраструктуры г. Воронежа в соответствие с развитием экономики, необходимостью удовлетворения спроса пользователей автомобильных дорог и реализации полных возможностей быстро совершенствующегося автомобильного транспорта необходимо в первую очередь провести диагностику и паспортизацию дорожной сети и ливневой канализации.
На основе полученных результатов обследования состояния транспортной сети г. Воронежа необходимо разработать стратегию развития дорожного хозяйства города до 2020 года с разбивкой этапов работ по 3 года. В стратегии необходимо рассмотреть два варианта развития городской дорожно-транспортной инфраструктуры: инновационный и инерционный.
Оба варианта должны учитывать перспективную застройку города в сторону реки Дон и в направлении Северного обхода города, а также ежегодный прирост автомобильного парка.
С учетом роста количества автомобилей в документе следует рассмотреть вопросы снижения негативного влияния дорожно-транспортного комплекса на окружающую среду и безопасности движения.
Одной из наиболее важных характеристик городских транспортных магистралей является "124
их пропускная способность под которой подразумевается максимальное число автомобилей которое может пропустить участок дороги в единицу времени в одном или двух направлениях. Величина пропускной способности неодинакова для разных участков дороги и может сильно изменяться во времени, т.к. зависит от большого числа факторов. К ним относятся ширина проезжей части, величина продольного уклона и радиусов кривых в плане, расстояние видимости, изменяющийся во времени состав потока автомобилей, состояние покрытия, наличие средств регулирования. Изменение даже одного из этих факторов приводит к существенным колебаниям величины пропускной способности в течение суток, месяца, сезона.
Увеличение пропускной способности городских магистралей возможно при условии организации одностороннего движения, строительства транспортных развязок в разных уровнях, тоннелей и подземных пешеходных переходов.
Наиболее радикальным решением транспортной проблемы в городе является освоение подземного пространства и пространства над полосой отвода вдоль железных дорог. На ближайшую перспективу можно приступить к строительству метротрама по направлениям:
- от Ботанического сада ВГУ до конца ул. Острогожской;
- от завода алюминиевых строительных конструкций по верхнему ярусу Северного моста, эстакаде в Северный микрорайон.
Основная часть маршрутов метротрама может проходить по поверхности земли на обособленном земляном полотне, а часть маршрута в тоннеле под землей (примерно от остановки «Динамо» до Военного городка).
Основой для разработки проекта оптимизации и управления транспортной инфраструктурой г. Воронежа в основном будут использоваться компоненты Генерального плана, результаты диагностики и паспортизации дорожной сети, данные моделирования транспортных потоков и проектирования новых объектов транспортной инфраструктуры.
Инструментом при разработке проекта будет программное обеспечение PTV Vision, CARD/1 и KorFin для выполнения проектных работ.
Список исполнителей может быть дополнен после разработки технического задания (специалисты концерна «Созвездие», областного ГИБДД).
На основе использования возможностей программного обеспечения PTV Vision в области построения комплексной транспортной модели города в проекте будет представлена следующая информация:
1. Анализ доступности общественного транспорта.
2. Оптимизация маршрутной сети.
3. Оптимизация расписания движения общественного транспорта.
4. Анализ пассажиропотоков.
5. Расчет рентабельности маршрутов.
6. Анализ спроса на общественный транспорт.
7. Оптимизация интервалов движения общественного транспорта.
8. Прогноз развития общественного транспорта на перспективной период 10-15 лет.
9. Оценка транспортной полезности строительства новых дорог, улиц - дублеров, развязок, путепроводов (в том числе над полезными дорогами).
10. Определение узких мест в начертании улично-дорожной сети.
11. Моделирование последствий различных мероприятий на улично-дорожной сети г. Воронежа.
12. Оптимизация светофорных циклов для всей улично-дорожной сети г. Воронежа.
13. Долгосрочный прогноз развития транспортной ситуации с учетом социально-экологического развития города.
Разработка имитационной модели движения транспортных потоков для г. Воронежа позволяет иметь информацию в реальном режиме времени в трехмерном изображении.
1. Моделировать существующие и прогнозируемые транспортные потоки на перекрестках и развязках всего города.
2. Оптимизировать организацию движения на перекрестках.
3. Оценить и оптимизировать пропускную способность перекрестка.
4. Оценить и смоделировать транспортные последствия праздничных и спортивных событий.
5. Разработать схему дорожного движения на перекрестках с учетом приоритета общественного транспорта.
6. Составить алгоритмы управления светофорами, в том числе адаптивных с расчетом промежуточных интервалов.
Для эффективного использования улично-дорожной сети необходима организация круглосуточного контроля за состоянием движения транспортных потоков с целью определения и выбора приемлемых стратегий управления дорожным движением. Процесс управления дорожным движением может реализован специальной ЭВМ с периферийными устройствами для функционирования в реальном временном режиме. Подобные большие системы управления уже работают в ряде стран на железных дорогах, авиационных компаниях и банках в общенациональном масштабе.
Для получения достоверной информации о транспортных потоках в г. Воронеже в различные периоды года, дни недели и в часы «пик» могут понадобиться аэро- и космические снимки.
К 2020 году понадобится строительство мостового перехода через водохранилище в районе Масловки, что позволит закольцевать линии ме-тротрама (завод алюминиевых строительных конструкций - мостовой переход в районе Масловки - Северный микрорайон).
Для оперативного контроля за ситуацией на городских улицах и автомагистралях необходимо создание автоматической системы видеонаблюдения.
Поэтому более эффективное использование существующей сети дорог и обеспечение безопасности движения пешеходов и автомобилей имеют в мире исключительное значение наряду со строительством дорог. С этой точки зрения необходима организация круглосуточного контроля за состоянием движения в крупномасштабных дорожных сетях с целью выбора приемлемых стратегий управления, основанных на этой, получаемой почти в реальном масштабе времени, информации, и управления движением транспортных потоков в соответствии с выбранными стратегическими концепциями. Система, выполняющая такие функции, называется системой управления дорожным движением.
Внедрение системы управления дорожным движением связано с созданием технических средств сбора информации о параметрах транспортных потоков в множестве точек дорожной сети, передачей собранной информации в центр управления, обработкой собранной информации с целью выбора управляющих воздействий и средств для передачи этих воздействий к светофорам с целью переключения их сигналов и информирования водителей о доступности альтернативных маршрутов или наличии зависимых от времени суток регулирующих воздействий, и, наконец, созданием средств связи с оперативным персоналом службы управления движением, находящимися на сети дорог. Выполнение всех этих функций детектирования, передачи и обработки информации вручную, конечно, невозможно, поскольку дорожные сети чрезмерно велики и сложны. К системе управления предъявляются требования быстрой реакции и высокой надежности, вследствие чего появилась необходимость ее создания на полностью электронной основе. Другими словами, управление дорожным движением является процессом, реализуемым большой системой управления, работающей в реальном масштабе времени и включающей, в себя центральные управляющие ЭВМ и периферийные устройства, связанные с ЭВМ посредством каналов передачи информации.
К надежности систем управления дорожным движением в связи с огромным социальным и экономическим значением такого управления предъявляются исключительно высокие требования. Кроме того, управление дорожным движением затрагивает драматическим образом вопросы достояния и жизни людей; наиболее сложные дорожно-транспортные происшествия получают почти такой же отклик в средствах массовой информации, как и катастрофы на железных дорогах и авиакатастрофы. Поэтому политические требования диктуют, чтобы суммарное время отказа в работе устройств обработки информации не составляло более чем, скажем, несколько часов за 10 лет. Это означает, что требуется использование времени процессора в полезных целях, более чем на 99,99%, для чего необходимы сложные избыточные вычислительные системы. Так как транспортные средства распределены по большим районам, для расчета управления их движением как функции от совокупности измеряемых скоростей требуются высокопроизводительные системы обработки информации в реальном масштабе времени, обладающие запасами по вычислительной мощности. Необходима так же «глобальная» совместимость, позволяющая осуществлять управле-
ние на всей территории большого района без создания неразрешимых противоречий.
Существует также ряд дополнительных проблем, вызванных к жизни уникальным характером дорожного движения. Первой из этих проблем является сложность дорожной сети, образовавшейся в процессе исторического развития намного раньше появления плотных высокоскоростных транспортных потоков. Вторая проблема вызвана индивидуальным характером автомобильных перевозок. Каждый автомобиль, как правило, управляется без заранее заданного маршрута и графика движения. Третья проблема возникает из-за относительной дешевизны автомобиля, который намного легче купить, чем самолет, пароход или железнодорожный поезд. Поэтому сложная и дорогая система управления не может быть установлена на автомобиле, а должна быть принадлежностью дороги и управлять движением автомобилей, находящихся на ней в данное время.
Для обсуждения алгоритмов управления дорожным движением необходимо прежде всего понять природу и характеристики транспортных потоков, а затем исследовать поведение системы после введения различных управляющих воздействий. Для этой цели могут показаться полезными непосредственные наблюдения за транспортными потоками в условиях, когда дорожные контроллеры реализуют различные алгоритмы управления. Однако этот метод практически неосуществим, так как, во-первых, трудно найти подходящие для каждого данного эксперимента в пределах большого района транспортные потоки, а во-вторых, это принципиально недопустимо, так как случайное экспериментирование на реальном объекте может привести к транспортным заторам и даже дорожно-транспортным происшествиям. Отсюда следует, что мы нуждаемся в модели действующей транспортной системы. Такая модель может иметь большое значение при проектировании систем управления дорожным движением.
Другими словами, нужно создать модель, представляющую реалистичную картину транспортного потока и доступную для систематического анализа. Затем мы должны найти эффективные концепции управления дорожным движением и получить возможность предсказывать поведение и характеристики управляемого движения с помощью модели. При этом можно надеяться, что использование модели приведет к оптимальному проекту системы управления. Подобные шаги всегда требуется выполнять при проектировании больших сложных систем. Дорожное движение не является исключением, но
его моделирование встречает ряд дополнительных трудностей, связанных со сложностью сети дорог и случайным поведением водителей, как отмечалось ранее.
Использование подходящей модели делает известными характеристики, получаемые при работе различных алгоритмов управления, при этом необходимо оценивать и выбирать те алгоритмы, которые наилучшим образом приводят к достижению поставленных целей. Слово «цели» может быть более определенно выражено следующим образом: достижение, наилучшего значения данной функции (возможность); завершение работы по передвижению автомобилей в заданный момент времени при минимуме расходов (экономия); выполнение заданной задачи в случае использования фиксированной жесткой программы функционирования (надежность); кооперация со связанными городскими транспортными системами для достижения наивысшей эффективности с точки зрения городского хозяйства (совместимость).
Практический метод выбора единственной общей цели сводится к оценке возможностей, экономии, надежности и совместимости данной системы управления дорожным движением, а затем к выбору в качестве критерия композиции этих четырех величин, основанной на суждениях относительной важности каждой из них. Однако, поскольку подобная дилемма является общей (и неразрешимой) проблемой при создании больших систем, не будем ее обсуждать далее.
Если мы обсуждаем только вопрос достижения наилучшего значения данной функции (т. е. возможность), тогда от управления дорожным движением требуется по крайней мере обеспечить эффективное функционирование дорожного движения (в смысле максимизации интенсивности движения) и его безопасность.
С недавнего времени в качестве особенно важных стали рассматривать также следующие четыре функции: предупреждение загрязнения окружающей среды и чрезмерного уровня шумов, создаваемых дорожным движением; минимизация потребления энергии при движении автомобилей; предупреждение возникновения и распространения транспортных беспорядков, вызванных заторами или дорожно-транспортными происшествиями; предупреждение полного транспортного хаоса.
Эти функции могут иметь различный смысл для различных людей. Например, если рассматривается только аспект функционирования дорожного движения, они могут быть интерпретированы оператором, управляющим се-
тью дорог, как «максимизация числа автомобилей, использующих данную сеть в данный интервал времени (обычно час)», в то время как водитель может их интерпретировать как «снижение времени (т. е. моего времени) проезда по сети, транспортной усталости, износа подвижного состава и потребления горючего».
Это многообразие интерпретаций затрудняет установление универсального критерия. Более того, действительные конфликты между возможными целями делают проблему еще более трудноразрешимой. Например, «наилучшим» решением проблемы загрязнения окружающей среды и безопасности движения является полное запрещение всякого дорожного движения, но такое решение, естественно, вступает в конфликт с принципом наиболее эффективного использования дорог и, конечно, нереализуемо до тех пор, пока либо не будет введена новая транспортная система, заменяющая использование индивидуального автомобильного транспорта, либо социальная и экономическая деятельность в районе полностью изменится. Далее, чем большей эффективности управления удается достичь, тем большее количество автомобилей привлекается к дорожной системе, и, таким образом, эффект управления снижается и проблема образования и распространения заторов становится более серьезной.
