CC BY
213
Методика расчета загрузки линии метрополитена
Э. А. САФРОНОВ, докт. техн. наук, профессор, К. Э. САФРОНОВ, канд. техн. наук, доцент, кафедра «Городское строительство и хозяйство» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, г. Омск
Новая методика позволяет с большой точностью рассчитать основные параметры загрузки строящейся линии метрополитена: определить объемы перевозок, пассажиропотоки, пассажирооборот станций, объем транспортной работы, среднюю дальность поездки по периодам эксплуатации. Результаты расчетов загрузки линии по времени и направлениям могут быть использованы для определения потребности в подвижном составе, интервала движения, для выбора объемно-планировочного решения станций.
Потребность в скоростных видах транспорта, обострившаяся в России в последние годы, вызвана рядом причин. Крупные города РФ построены по генпланам, основанным на устаревших нормативах развития транспортной инфраструктуры, рассчитанной на 100-150 автомобилей на тысячу жителей. Сейчас этот уровень превышен в 2-3 раза, а перевозки на общественном транспорте в отдельных городах снизились до 30 %. Как следствие, возникли транспортные проблемы: заторы, снижение скорости транспортных потоков, дополнительный ущерб для экономики за счет потерь времени, рост ДТП, травматизма, вредных выбросов, усиление шума, снижение доступности объектов.
В России в 2000-2009 гг. в год в среднем строилось по 3,2 км линий метро в двухпутном исчислении [1]. За последние 20 лет метрополитен появился лишь в седьмом городе России — Казани, на очереди — столица зимней Олимпиады Сочи. Из-за столь медленных темпов строительства метро выход из сложной экологической, транспортной и экономической ситуации видится в интеграции современных скоростных производительных видов транспорта.
За рубежом смело соединяют метро с пригородными железными дорогами и трамваем. Линии подземного трамвая существуют в Антверпене, Шарлеруа, Брюсселе, Гааге, Бостоне, Сан-Франциско, Вене, в некоторых городах Германии и других стран.
В нашей стране этот процесс тормозится, во-первых, из-за несовершенства законодательства: метрополитен был исключен из сферы правового регулирования городского пассажирского
транспорта, отсутсвует законодательная база для развития перспективных видов внеуличного транспорта, в регионах нет норм регулирования, организации, правил движения и технической эксплуатации метрополитенов и т. д. На решение этих проблем, в частности, направлен проект Федерального закона «О метрополитенах и других видах внеуличного транспорта», подготовленный Министерством транспорта РФ 15 июня 2011 г.
Во-вторых, развитие внеуличного транспорта сдерживает устаревшая нормативно-методическая база. Актуализированный «СНиП 32-02-2003. Метрополитены» еще не утвержден, в нем отсутствует механизм развития инновационных видов транспорта, нет примеров расчета перспективной загрузки строящихся метрополитенов.
В настоящее время традиционное метро строится в Омске, Красноярске и Челябинске, во многих городах проектируются системы легкорельсового транспорта. В этой ситуации особую актуальность приобрела разработка новых методов расчета загрузки строящихся метрополитенов в условиях перераспределения пассажирских потоков между видами транспорта.
Расчет пассажиропотока: модели и методы
Основоположниками применения математических методов в расчетах пассажиропотоков в нашей стране были А.Х. Зильберталь, Г. В. Шелейховский и др. А. Х. Зильберталь впервые применил вероятностный метод для расчета распределения передвижений и поездок по длине для городов с различной конфигурацией транспортной сети. Для опи-
сания закономерностей формирования потоков использовались различные математические модели [2-7].
Чтобы определить направление и численность пассажиропотоков, город необходимо разбить на расчетные районы, число которых зависит от величины города. Составляется матрица корреспон-денций, в которой учитывается количество проживающих в каждом районе, отправляющихся и прибывающих, развитие транспортной инфраструктуры и т. д. Подвижность населения зависит от специфики планировочных районов: наличия промышленных предприятий, объектов социального и культурного назначения, жилых зон. Показатели уточняются с помощью обследований. Алгоритмы и программы для ЭВМ для расчета пассажиропотоков открыли широкие возможности для исследований и вариантного проектирования. Известны модели с использованием коэффициентов роста, Детройтский метод, метод Фратара, энтропийные модели и т. д. [8].
Однако в новых градостроительных условиях нет надежных методов расчета загрузки строящихся метрополитенов в крупных городах. Основные параметры строящихся станций метрополитенов рассчитывают по нормативам исходя из максимальных перспективных пассажиропотоков [9]. Пропускную и провозную способность линии на периоды эксплуатации рекомендуется определять в зависимости от расчетного числа пассажиров в поезде на перегоне, наиболее загруженном в часы максимальных перевозок.
В настоящее время для обеспечения работы метрополитена используются детерминированные модели: в Москве, например, для расчета пассажиропотоков пересадочного узла существует сертифицированный программный комплекс EMME, поэтому прогнозирование пассажиропотоков производится по средним значениям предыдущих лет. Для прогнозирования входного пассажиропотока с заданной надежностью современные исследователи разработали стохастическую математическую модель [10]. Иными словами, для того, чтобы программный комплекс выдавал
адекватные показатели, надо учесть характеристики конкретного мегаполиса.
Сложнее обстоят дела в городах, где метро только проектируется. Чтобы рассчитать пассажиропоток для строящейся линии, хотя бы с некоторой допустимой точностью необходимо знать, сколько человек поедет в определенном направлении. Опросов о том, поедут ли люди в таком-то направлении при открытии новой линии или же выберут альтернативный маршрут, никто не проводит.
Эта проблема была решена при расчете загрузки 1-й линии Омского метрополитена, выполненном специалистами Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) по заданию НПО «Мостовик» в 2011 г.
В связи с изменением градостроительной ситуации в Омске, появлением большого количества личных автомобилей, индивидуальных перевозчиков и необходимостью расчета загрузки отдельных участков метрополитена старые методы расчета стали неэффективны и требовали совершенствования. Разрабатывая новый аналоговый метод, специалисты СибАДИ учли отечественный и мировой опыт.
Рис. 1. Схема Омского метрополитена
Таблица 1. Расчет показателей работы 1-й линии Омского метрополитена, 2016-2045 гг.
Год Длина линии, км Удельная среднесуточная загрузка линии, тыс. пасс./км Среднесуточный объем перевозок в двух направлениях, тыс. пасс./сут. Среднечасовой объем перевозок в максимальном направлении от суточного в двух направлениях, тыс. пасс./ч (КМ - 0,1-0,12) Среднечасовой объем перевозок (КП = 0,8-0,75) Пиковый объем перевозок в двух (с учетом 15-минутного максимума К15 = 1,2) Пиковый объем перевозок в пасс./ч (Ктах = 0,8; 0,75; 0,7; 0,85) Пиковый объем перевозок в пасс./ч (Кт1п = 0,2; 0,25; 0,3; 0,35)
ч. Л0 0. Чч™, «ч. ^пм Чпт«.
Линия в черте города (Западн ая — Сибирский проспект)
2016 7,3 12,6 92,0 11,0 13,7 18,0* 14,4 3,6
2025 18,0 16,4 295,6 29,6 39,4 47,3 35,5 11,8
2035 23,8 16,7 397,5 39,8 53,0 63,6 44,5 19,1
2045 25,6 17,8 455,0 45,5 60,7 72,8 47,3 25,5
Вся линия (Аэропорт — Сибирский проспект)
2016 7,3 12,6 92,0 11,0 13,7 18,0* 14,4 3,6
2025 35,0 9,9 346,7 34,7 43,3 52,0 39,0 13,0
2035 40,8 11,4 466,7 46,7 58,3 70,0 49,0 21,0
2045 42,6 12,5 533,3 53,3 66,7 80,0 52,0 28,0
* Для ст. «Библиотека им. А. С. Пушкина» принят К^,. = '
Порядок расчетов следующий. На основе анализа работы действующих метрополитенов в городах страны, аналогичных по численности и плотности населения, выявляются зависимости удельной загрузки линии от ее длины и расположения в плане города. В зоне тяготения станций уточняются градостроительные показатели: делается прогноз численности населения и параметров объектов тяготения, определяется объем пассажирских перевозок на существующей сети городского пассажирского транспорта. Затем на будущей линии метро определяются объемы перевозок, пассажиропотоки, пассажирооборот станций, транспортная работа, средняя дальность поездки по периодам эксплуатации. Рассмотрим применение этой методики на конкретном примере.
Определение удельной загрузки линии
Для расчетов загрузки 1-й линии Омского метрополитена использовали данные генплана города о численности населения, материалы обследований и нормативные коэффициенты [9]. Коэффициенты неравномерности распределения пассажиропотоков по времени и направлениям (КМ, КП, К15, Ктах) были уточнены путем натурных обследований пассажирских потоков наземных видов транспорта, проведенных в ноябре 2011 г. в сечении будущих станций.
Темпы ввода в эксплуатацию 1-й ли -нии и схема скорректированы в новой концепции инновационного развития Омского метрополитена
1,4, как для пересадочных и временно конечных станций [9].
(рис.1). Пуск первой очереди из пяти станций приурочен к 300-летнему юбилею города в 2016 г.
К 2045 г. длина 1-й линии составит 42,6 км, при этом участок 25,6 км будет находиться в пределах городской застройки, остальные 17 км до ст. «Западная» пройдут за ее пределами — в направлении нового международного аэропорта Омск — Федоровка.
Удельную загрузку линии в городской черте определяли по отчетным данным других городов (табл. 1, рис. 2). На основе этой статистики приняты значения загрузки по городской линии: от 12,6 тыс. пасс./км сут. в 2016 г. до 17,4 тыс. пасс./км сут. в 2045 г.
По пригородному участку удельную загрузку определили с учетом развития прилегающих к линии территорий и аэропорта. В качестве примера приведем расчет основных параметров загрузки 1-й линии.
Среднесуточный объем перевозок в двух направлениях
Яс = Л.е х 1и =
= 12,6 х 7,3 = 92,0 тыс. пасс./сут., где А.<2 — удельная среднесуточная загрузка линии, тыс. пасс./км; ¿м — длина линии, км.
Среднечасовой объем перевозок в максимальном направлении
йчтах = !2С х КМ =
= 92,0 х 0,12 = 11,0 тыс. пасс./ч,
где <2С — среднесуточный объем перевозок в двух направлениях, тыс. пасс./сут.; КМ — коэффициент приведения среднесуточного объема перевозок в двух направлениях к среднечасовому в максимальном направлении.
Среднечасовой объем перевозок в двух направлениях (по данным обследований)
Qч2 = йчшах / КП =
= 11,0/0,8 = 13,7 тыс. пасс./ч,
где QЧшaI — среднечасовой объем перевозок в максимальном направлении, тыс. пасс./ч; КП — коэффициент приведения объема перевозок в максимальном направлении к объему в двух направлениях.
Пиковый объем перевозок в двух направлениях с учетом 15-минутного максимума
^2п15 = ^Зпр.ст х КПр15 + ^2к.сг х ККон15 =
= 5,83 X 1,2 + 7,86 х 1,4 = 18,0 тыс. пасс./ч,
где QПp.ст — объем перевозок в двух направлениях кроме выхода на конечной ст. «Библиотека им. А. С. Пушкина», тыс. пасс./ч; QК.ст — выход в на конечную ст. «Библиотека им. А. С. Пушкина» в максимальном направлении, тыс. пасс./ч.;
КПр15 — коэффициент приведения часового пика к 15-минутному максимуму для промежуточных станций 1,2;
ККон15 — коэффициент приведения часового пика к 15-минутному максимуму для конечных станций 1,4.
Пиковый объем перевозок в максимальном направлении
^2пшах = ^2п15 Х Кшах =
= 18,0 х 0,8 = 14,4 тыс. пасс./ч,
где QП15 — пиковый объем перевозок в двух направлениях, тыс. пасс./ч; Кшах — коэффициент приведения пикового объема перевозок в максимальном направлении к объему перевозок в двух направлениях (по мере удлинения линии меняется от 0,8 до 0,65).
Пиковый объем перевозок в минимальном направлении
!2птт = !2п15 Х Кш1п = = 18,0 х 0,2 = 3,6 тыс. пасс./ч,
где QП15 — пиковый объем перевозок в двух направлениях, тыс. пасс./ч; Кш1п — коэффициент приведения пикового объема перевозок в минимальном направлении к объему перевозок в двух направлениях (по мере удлинения линии меняется от 0,2 до 0,35).
Тыс. пасс./км
25 20 15 10 5 0
Таблица 2. Расчет загрузки 1-й линии Омского метрополитена в 2035 г. (количество пассажиров в час пик с учетом 15-минутного максимума)
Станция Аэропорт -» Сибирский проспект Сибирский проспект —► Аэропорт Пассажирооборот
Вошло Поток на перегоне Вышло Вошло Поток на перегоне Вышло станции
Аэропорт 1000 1000 - - 820 820 1820
Камышловская 200 1100 100 50 820 50 400
Горячий ключ 250 1200 150 80 820 90 570
Дружино 300 1300 200 90 830 160 750
Тюкалинская 350 1350 300 100 900 180 930
Захламинская 400 1350 400 150 980 200 1150
Западная 2200 3050 500 300 1030 1300 4300
Солнечная 3000 5250 800 430 2030 1400 5630
Молодежная 4000 8350 900 500 3000 1500 6900
Рокоссовского 4500 10350 2500 700 4000 1700 9400
Соборная 5500 13250 2600 1300 5000 1800 11200
Кристалл 4000 14850 2400 1100 5500 1200 8700
Заречная 4800 16650 3000 1300 5600 1300 10400
Библиотека им. А. С. Пушкина 4400 15550 5500 1900 5600 2100 13900
Торговый центр 6500 15750 6300 2600 5800 2800 18200
Маршала Жукова 3400 15650 3500 1900 6000 1900 10700
Лермонтовская 2000 11650 6000 2000 6000 1100 11100
Парковая 1500 6950 6200 1600 5100 1000 10300
Туполевская 500 2950 4500 1500 4500 300 6800
Рабочая 200 2150 1000 1200 3300 100 2500
Московская - 2150 2150 2200 2200 - 4350
Всего/мах 49000 16650 49000 21000 6000 21000 140000
Значительная величина пассажирского потока в направлении центра города на пусковом участке метро в час пик объясняется тем, что в районе ст. «Библиотека им. А. С. Пушкина» на небольшом расстоянии расположено много остановок наземного общественного транспорта, административных зданий, учебных заведений, жилых, торговых и культурных объектов. Учитывая высокую надежность и комфортность метро, можно ожидать перетока пассажиров с различных видов наземного транспорта. Следует особо отметить острую нехватку парковоч-ных мест в центральной части города, что также позволит метрополитену стать альтернативой личному автотранспорту.
И2 = 0,6341
23,1
15, * ♦ 2 -Н ♦
¡0 ? 1 3.8
Рис. 2. Зависимость удельной загрузки метро от длины линий по городам СНГ, тыс. пасс./км (в среднем в сутки)
Распределение загрузки по длине линии
При распределении пассажиропотоков по длине 1-й линии метро использованы данные генерального плана города, прогноз численности населения в зоне станций, проекты планировки территорий и результаты обследований, представленные в виде коэффициентов неравномерности [4].
В табл. 2 показана загрузка участка 1-й линии (21 станция), предполагаемая в 2035 г. С северной стороны ветка дойдет до аэропорта Федоровка, с южной — до ст. «Московская». Данная линия примет на себя основную нагрузку наземного пассажирского транспорта с Левобережья до Московки, на нее частично переключатся пассажирские потоки с мостов им. 60-летия ВЛКСМ и Ленинградского. В районе ст. «Заречная» на месте старого аэропорта появится жилой массив с большим количеством объектов тяготения. Станции «Парковая» и «Тупо-левская» обеспечат доступность промышленной зоны и района Чкаловский. Перераспределятся потоки наземного транспорта, появятся подвозящие маршруты к станциям метрополитена на промежуточных и конечных станциях. Станция «Торговый центр» станет пересадочной, что резко увеличит ее пасса-жирооборот. Временно конечная ст. «Московская» соберет потоки с Москов-
ки и Сибирского проспекта. Встречные пассажиропотоки распределятся в соотношении 70 к 30 % (рис.3). Пассажиро-оборот станций (суммарный вход и выход) составит 140 тыс. пассажиров в час пик (рис. 4).
Итоговые показатели
Основные итоговые показатели — работа транспорта и средняя дальность поездки в час пик — рассчитываются следующим образом:
к
;
1ср —
Xöiz
где АП — работа транспорта в час пик, пасс./км;
0 'пер — пассажиропоток в двух направлениях на г-м перегоне, пасс./ч;
1 'пер — длина г-го перегона, км;
- средняя дальность поездки, км;
О' П — суммарный объем перевозок в двух направлениях, пасс./ч.
Основные показатели работы линии метрополитена представлены в табл. 3. Пиковые пассажиропотоки будут сконцентрированы на перегоне, разделяющем правый и левый берег Иртыша. При строительстве второй линии они сместятся в сторону пересадочной ст. «Торговый центр».
Результаты расчетов загрузки линии используются для определения потребности в инновационном подвижном составе. Объемно-планировочные решения станций должны соответствовать их расчетной загрузке и отвечать требованиям доступности [11]. Методику расчета загрузки строящегося метрополитена целесообразно использовать при уточнении нормативно-методических документов.
Совершенствование законодательной и нормативно-методической базы позволит на инновационной основе сдвинуть с мертвой точки решение вопросов об ускорении строительства
Пассажнропсгток I<41 i;h.i\. ггасс.'ч 18000
О Аэропорт —* Сибирский проспект □Сибирский проспект —* Аэропорт
«^и ^ Л ее
§ I 5 Ü ^
т и ИД ff
&
S tc
Рис. 3. Пассажиропотоки на перегонах Омского метрополитена в 2035 г. в час пик с учетом 15-минутного максимума
11асеажирооборот станций, пасс./ч 20000 18000 16000 14000 12000 10000 кооо 6000 4000 2000 0
______Ii
Рис. 4. Пассажирооборот станций Омского метрополитена в 2035 г. в час пик с учетом 15-минутного максимума (вход и выход)
метрополитенов в крупнеиших городах [12]. Например, переход с традиционного метрополитена на современные виды скоростного рельсового транспорта с учетом мирового опыта позволит сократить стоимость и сроки строительства в 3-4 раза.
Литература
1. Основные показатели транспортной деятельности в России. 2010: Стат. сб. / Росстат. M., 2010. URL: http://www.gks.ru.
2. Овечников Е. В., Фишельсон М. С. Городской транспорт: учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1976.
3. Сафронов Э. А. Определение закономерностей, используемых в расчетах пассажиро-
Таблица 3. Основные показатели работы 1-й линии Омского метрополитена до 2045 г.
Год Длина линии, км Удельная среднесуточная загрузка линии, тыс. пасс./км Среднесуточный объем перевозок, тыс. пасс./сут. Годовой объем перевозок, Пиковый объем перевозок в двух направлениях, тыс. пасс./ч Работа транспорта, в час пик, тыс. пасс./км Средняя дальность поездки, км
ч, AQ «с «г «п
2016 7,3 12,6 92,0 33,6 18,0 75,6 4,2
2025 35,0 9,90 346,7 126,5 52,0 249,6 4,8
2035 40,8 11,4 466,7 170,3 70,0 350,0 5,0
2045 42,6 12,5 533,3 194,6 80,0 408,0 5,1
потоков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1971. № 6.
4. Фролов Ю. С., Голицынский Д. М., Ледяев А. П. Метрополитены: учеб. для вузов / под ред. Ю. С. Фролова. М.: Желдориздат, 2001.
5. Шершевский Ю. З. Пассажиропотоки на сети общественного пассажирского транспорта: определение фактических значений // Социально-экономические проблемы развития транспортных систем городов и зон их влияния. Екатеринбург: УрГЭУ, 2004.
6. Якшин А. М., Говоренкова Т. М. и др. Графоаналитический метод в градостроительных исследованиях и проектировании. М., 1979.
7. Якушкин Н. М. Пассажирские перевозки на метрополитенах. М.: Транспорт, 1982.
8. Горев А. Э. Основы теории транспортных систем: учеб. пособие. СПбГАСУ. СПб., 2010.
9. СНиП 32-02-2003. Метрополитены. Актуализированная редакция. М., 2012.
10. Леванова Д. С. Прогнозирование пассажиропотока метрополитена на основе математических моделей: дисс. ... канд. техн. наук. СПб., 2005.
11. Сафронов Э. А. Транспортные системы городов и регионов: учеб. пособие. М.: АСВ, 2007.
12. Сафронов Э. А., Сафронов К. Э., Семенова Е. С. Инновационный путь развития метрополитенов в современных условиях // Известия Транссиба. 2010. № 3 (3).
