CC BY
47
Любимов И.И., Султанов Н.З., Ковриков И.Т.
Оренбургский государственный университет E-mail: lyubimov@mail.osu.ru
МОДЕЛЬ АВТОТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ РЕГИОНА
(на примере Оренбургской области)
Статья посвящена разработке функциональной модели региональной автотранспортной сети, выполненной на примере Оренбургской области. Исследования проводились по принципу пассивного эксперимента с использованием методов системного анализа. Предложены структурно-иерархическая схема системы и модель ее функционирования.
Ключевые слова: транспортная система, моделирование, декомпозиция, структура парка, транспортные средства.
Автотранспортная сеть является одним из центральных элементов в системе автомобильных перевозок. Обусловлено это тем, что по существу автотранспортная сеть, а точнее, топология и параметры, определяющие количественную и качественную стороны ее функционирования, оказывают непосредственное влияние на формирование требований к транспортным средствам (ТС) и инфраструктуре автотранспортного предприятия (АТП). Так, например, от количества маршрутов, их протяженности и объема перевозок зависят состав, структура и тип парка, а топология, количество связей и объем перевозок автотранспортной сети влияют на тип АТП и его элементы инфраструктуры. Исходя из этого, можно сказать, что состояние автотранспортной сети оказывает влияние на величину затрат выполнения транспортной операции [1, 2, 3, 4].
Следовательно, прогнозируя развитие автоперевозок, необходимо наряду с исследованиями в области развития транспортных средств проанализировать основные направления развития автотранспортной сети и определить ее характеристики. В общем случае математическая модель автотранспортной сети описывается следующим образом.
Пусть Р - произвольное конечное множество элементов Р;, Б - совокупность некоторых (не обязательно всех) упорядоченных пар ^•= (Р;,Р]), каждая из которых составлена из различных элементов множества Р. Набор двух множеств Р и Б будем называть автотранспортной сетью (Р, Б) и говорить, что она задается или порождена этими множествами. Элементы р. множества Р называются пунктами автотранспортной сети (Р, Б), элементы ^ = (р;,р-^ множества Б - коммуникациями сети. Коммуникация ^ связывает пункты р; и Р3- причем она начинается в р; и заканчивается в р3-. Таким
образом, задать автотранспортную сеть - это значит указать множество ее пунктов и систему коммуникаций при заданных ограничениях. Если при некоторых 1 и • сеть содержит коммуникации ^ и , то они называются противоположными.
Произвольная автотранспортная сеть может быть представлена матрицей, элементы ^ которой вычисляются согласно правилу
1,если коммуникация й.. е В;
3 (1)
0, в противном случае .
В представленной ниже матрице автотранспортной сети, однозначно определяющей ее топологию, можно видеть, в какие пункты допускается транспортировка из пункта, соответствующего данной строке. Столбцы матрицы позволяют выявить коммуникации, заканчивающиеся в фиксированных пунктах. Причем каждый пункт не может потребить больше, чем его пропускная способность. Матрица автотранспортной сети содержит следующие условия:
Pl P2 Ps P4 P5 P6 P? Ps Pl P2 Ps P4 P5 P6 P ?
Pl о І о о о І І І P5 о о І о о о о
P2 о о І о о о о о P6 о І I о о І о
P3 о І о І о о о о P? І І о о І о о
P4 о о о о о І о о Ps о о о І І о о
Основными элементами автотранспортной сети являются узлы (АТП) и звенья (маршруты).
Взаимодействие системы автомобильных перевозок (САП) с окружающей (внешней) сре-
дой осуществляется через входы и выходы и представляется канонической моделью.
Перечень входов:
Х1 - информационный: плановые задания по объему перевозок; технические описания, инструкции по эксплуатации, технологическое оборудование;
Х2 - материальный (объектовый): поток грузов и пассажиров, подлежащих перевозке;
Х3 - энергетический: вновь вводимый тип транспортного средства (автобусы; грузовые автомобили; грузовые отсеки пассажирских автобусов, используемых при смешанных перевозках; временно переоборудуемые под другой вид перевозок автомобили); здания и сооружения; электроэнергия и топливо для обеспечения производственной деятельности; топливо и ГСМ; технологическое оборудование; финансовые и прочие материальные ресурсы;
Х4 - кадровый: персонал;
Х5 - возмущения, нарушающие плановую работу системы (незапланированные условия и ограничения, налагаемые интересами отдельного субъекта, случайные изменения спроса, условия и ограничения, налагаемые на систему природой и т. д.).
Перечень выходов:
У1 - информационный: информация о выполнении плана; информация о технической вооруженности и финансовом состоянии системы; единичные запросы информации;
У2 - материальный (объектовый): пассажиры и грузы, доставленные к месту назначения, пасс-км, т-км;
У3 - энергетический; выбывание подвижного состава и отдельных элементов (по плану, по выработке ресурса или неисправности); потери энергии; износ технологического оборудования; износ зданий и сооружений;
У4 - кадровый: временная не работа персонала (отдых); потери кадров;
У5 - возмущения: незапланированное воздействие на отдельную составляющую отрасли; изменение сроков доставки грузов и пассажиров; загрязнение окружающей среды; отрицательное воздействие на население и т.д.
Цели системы и ограничения на потребные для их реализации ресурсы фактически закладываются в перспективных и годовых планах работы автотранспортных сетей, которые включают в себя, только в более детализированном
виде, большую часть связей системы с окружающей средой.
Цель функционирования автотранспортной сети (обеспечение заданного объема перевозок) задается извне, при ее формировании степень развития самой системы перевозок учитывается только в обратной связи. Возможности выполнения цели определяются как выделенными из внешней среды ресурсами, так и внутренней организацией системы, а качество выполнения цели полностью определяется внутренней структурой и организацией работы системы.
Анализ внутренней структуры и организации системы автомобильных перевозок (САП), отдельных ее элементов, факторов и возможных вариантов их изменения и взаимосвязь можно выявить построением иерархической структуры системы.
В основу необходимой декомпозиции по уровням иерархии или построения структурноиерархической схемы может быть положен любой признак, удовлетворяющий целям анализа.
В схеме, приведенной на рисунке 1, выделено пять уровней.
В качестве основной цели выступает достижение согласованности (по горизонтали) иерархических признаков уровней автотранспортной сети с транспортными средствами, что обеспечило бы возможность выполнения анализа их влияния друг на друга. Рассмотрим это на следующем примере.
Известно, что между техническим уровнем развития ТС и инфраструктурой АТП существует двусторонняя связь. Так, достигнутый технический уровень оснащенности АТП и отдельных его служб определяет его возможности по типу эксплуатируемых ТС. В свою очередь, тенденции научно-технического прогресса в автомобилестроении влияют на технический облик АТП. В то же время общим определителем перспективных направлений научно-технического прогресса автомобилестроения и АТП является спрос на автоперевозки, в том числе их объем и топология.
Несоответствие сложившейся или перспективной структуры типа и численности ТС системы САП спросу на них не позволяет в полной мере формировать экономически оптимальную сеть транспортных сообщений, увеличивать номенклатуру перевозимых грузов и расширять сферу использования транспорта в конкретном
субъекте Российской Федерации. Для решения задач формирования экономически оптимальных перевозок требуется анализ динамики таких основных количественных показателей автотранспортной сети, как: общая протяженность, количество связей, тип грузов, грузооборот и средняя дальность перевозок.
В результате проведенного анализа с использованием декомпозиции САП на элементы (маршруты, АТП и ПС) установлена тесная их взаимосвязь. Использование структурноиерархических схем, построенных по вышеизложенному принципу, удобно и с точки зрения распределения текущих и единовременных затрат по элементам системы.
Таким образом, построение канонической модели и иерархической структуры САП позволяет провести комплексный и всесторонний анализ ее развития, выяснить объективные и субъективные факторы, оказывающие как положительное, так и отрицательное влияние на ее функционирование.
Развитие автотранспортной сети во времени может идти по трем направлениям: первое -за счет появления новых связей между имеющимися пунктами доставки (внутреннее развитие), второе - в результате дополнительного включения в автосеть новых пунктов (внешнее развитие) и третье - при одновременном осуществлении первых двух направлений (комплексное развитие).
Выделение этих трех направлений в развитии автотранспортной сети имеет принципиальное значение при прогнозировании объема перевозок и средней дальности перевозок, потребных материальных, трудовых и денежных ресурсов на осуществление транспортного процесса и, как следствие этого, - определения оптимальной по типу и численности структуры требуемого парка ТС. На рисунке 2 схематично показаны варианты развития автотранспортной сети на примере территориальных районов А, Б, В.
Развитие автотранспортной сети по первому варианту (рисунок 2, а) характеризуется появлением новых маршрутов между пунктами, расположенными в пределах данного района. Такое направление развития автотранспортной сети свойственно развитым экономическим районам с большим количеством крупных промышленных центров, высоким уровнем плотности населения, межрайонной специализацией и кооперацией. При этом наблюдается ускоренное заполнение автотранспортной сети по сравнению с его расширением ( дп < дт ; где Ап - число новых точек - городов, Ат - количество новых связей автотранспортной сети). Кроме того, удельный вес объема грузов, ввозимых в данный район, меньше удельного веса отправляемого груза в другие экономические районы. Примером такого развития является центральная и южная часть Оренбургской области.
Рисунок 1. Укрупненная (пятиуровневая) структурно-иерархическая схема САП
Формирование автотранспортной сети по второму варианту (рисунок 2, б) свойственно для развивающихся районов, большинство которых находится на начальной стадии их комплексного развития, районов с относительно небольшим количеством крупных промышленных центров. Как правило, развитие автотранспортной сети по этому направлению обусловлено необходимостью удовлетворения резко возрастающего спроса развивающихся экономических районов, и в первую очередь их промышленных центров, в продукции индустриальных районов страны. При этом автотранспортная сеть имеет ярко выраженную географическую направленность с относительно большой протяженностью маршрутов. Примером развития автотранспортной сети по такому пути служат северные и западные территориальные районы Оренбургской области.
Третий вариант (рисунок 2, в) развития автотранспортной сети наблюдается при наличии регионального комплекса отдельных экономических районов, находящихся на различных уровнях развития. В зависимости от уровня развития регионального комплекса в целом, т.е. соотношения развитых и развивающихся экономических районов, изменение его автотранспортной сети происходит как за счет заполнения, так и за счет ее расширения.
Примером такого развития может служить динамика автотранспортной сети регулярных
грузовых перевозок восточных районов и Оренбургской области в целом.
В общем, о развитии автотранспортной сети регионального комплекса или отдельного экономического района можно судить по изменению показателя ее транспортной плотности (%), который определяется следующим образом:
т=^ = Ь1+^2, (2)
Б Б
где Ь - суммарная протяженность внутренних и внешних автотранспортных связей района;
Ь1 - суммарная протяженность внутренних связей; Ь2 - суммарная протяженность внешних связей; ^ - площадь исследуемого района.
Очевидно, что транспортная плотность (ТП) автотранспортной сети во времени может
изменяться в пределах т < т < т. Минимальные значения показатели ТП принимают, когда данный район вообще не имеет транспортных связей, а максимальные - если все транспортные пункты данного района имеют автотранспортную связь между собой и со всеми транспортными пунктами других районов, не обязательно связанных между собой, т.е. когда число транспортных связей т равно максимальной величине:
ттах = + Ц'-- -1>-^-1) + Ш', (3)
где N - число АТП исследуемого района;
N - число АТП прочих рассматриваемых районов.
а - внутреннее развитие; б - внешнее развитие; в - комплексное развитие;
----- существующие связи;...... новые связиО - транспортные узлы;
ф - условный центр региона
Рисунок 2. Варианты развития автотранспортной сети на примере территориальных регионов
Оренбургской области А, Б, В.
N' = 1 Nj,
(4)
где N - число АТП )-го района.
Зная, что ТП можно рассчитать исходя из средней протяженности маршрутов, т.е.
т =
(5)
где Ьр - средняя протяженность маршрутов,
ср
среднюю протяженность маршрутов определяем по формуле
m 1 ^р=1^
(6)
где 1; - протяженность г-го маршрута 1 = (1,2,...т),
Имея формулу (3), можно Ь х = Ьтах представить в следующем виде:
max = LpN(N -1)
ср 2
ср
(N + N .)(N + N .■ J J
■1) - Nj (N-1) - N (N-1)
+ X L J = 1
(7)
где Up - среднее расстояние между АТП данного района; Lcp = Ln - среднее расстояние между АТП данного и j- го районов; Ц™ - расстояние между центрами тяготения промышленности данного и j-го районов.
Тогда, подставив в выражение (2) значение Lmax из уравнения (7), получим уравнение определения максимально возможной ТП в исследуемый момент времени т = тmax(ti). Рассчитанная таким образом т служит верхним пределом развития автотранспортной сети, а в качестве ее нижнего предела принимается ТП, сложившаяся на начало исследуемого периода.
Показатель ТП, как это было показано выше, зависит от ее топологической схемы и характеризует количественную сторону автотранспортной сети.
Очевидно, что разработка прогнозов и выбор стратегий развития автотранспортной сети должны выполняться с учетом динамики изменения грузооборота W и типа груза Q за год. Если рассматривать только т без учета этих показателей, то можно сделать вывод, что, как это следует из выражения (2), чем больше т, тем лучше развитие сети. Однако это применимо только в случае, когда по всем L; величина Q/Lt = const(i = 1,2,...m, где m - число маршрутов).
В действительности же расширение автотранспортной сети может происходить и происходит за счет возникновения маршрутов с разным объемом перевозок. В этом случае может возникнуть вариант, когда в автосеть включаются маршруты большой протяженности, но со сравнительно малыми грузопотоками. В другом же случае наоборот, т.е. расширение автотранспортной сети происходит за счет того же количества связей, но с относительно меньшей протяженностью и сравнительно большим объемом перевозок. Тогда, если за характеристику развития автотранспортной сети принимать только показатель плотности, первый вариант окажется лучшим. Однако с точки зрения экономической целесообразности более эффективным может быть второй вариант. В связи с этим за критерий, характеризующий уровень комплексного развития автотранспортной сети, можно принять показатель отдачи единицы плотности автотранспортной сети по количеству отправленного груза Ц/т.
Показатель Ц/т учитывает не только тип грузов и пассажиров в расчете на 1 км пути, но и площадь территории, охваченной автосетью, т.е. характеризует не только автотранспортную сеть, но и в определенной степени транспортное развитие района.
Не менее важным, особенно при анализе интенсивности использования ПС, является показатель отдачи единицы транспортной плотности по грузообороту т, который, по существу, учи-
тывает обеспеченность автотранспортной сети необходимым типом и количеством ТС, так как
т т
= Х М;пр; =х Ь1Ц1, (8)
1 1
где - тип автомобиля на г-м маршруте; пр{ - число рейсов на г-м маршруте за исследуемый период времени; - тип грузов на г-м
маршруте за исследуемый период времени.
Очевидно, что с ростом числа перевозок по каждой линии и с ростом ее грузонапряженности доля расходов на доставку каждой тонны груза или тысячи пассажиров будет уменьшаться. Таким образом, показатели Ц/т и W/ т, характеризующие интенсивность и экстенсивность эксплуатации транспортной сети различных районов или региона в целом, прямо связаны с рентабельностью перевозок и, следовательно, с экономической эффективностью эксплуатации сети.
В целом же рост показателей Ц/т и '^т свидетельствует о прогрессивном характере развития перевозок.
Таким образом, комплексная оценка развития автотранспортной сети и анализ причин возникновения и продолжительности каждого конкретного порогового уровня в ее формировании позволяют производить коррекцию прогнозных значений объема перевозок, грузообо-
рота, типов груза и средней протяженности маршрута, полученных методом экстраполяции их временных рядов (трендов). В конечном итоге это обеспечивает возможность разработки оптимальных стратегий развития автотранспортной сети, что позволяет повысить точность формирования оптимальной структуры транспортных средств.
14.09.2011
Список литературы:
1. Любимов, И.И. К вопросу формирования рациональной структуры городского пассажирского транспорта в городе Оренбурге / И.И. Любимов, Н.З. Султанов, Е.В. Бондаренко // Вестник Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) - 2009. - №3. - С. 21-25.
2. Любимов, И.И. Показатели спроса на услуги городского пассажирского транспорта (на примере г. Оренбурга) / И.И. Любимов // Вестник Оренбургского государственного университета - 2009. - №9. - С. 139-143.
3. Любимов, И.И. Оптимизация структуры подвижного состава городского пассажирского транспорта / И.И. Любимов, И.Т. Ковриков, Н.З. Султанов, А.П. Фот // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2010. №1. С. 206-210.
4. Любимов, И.И. Управление функциональными процессами городских пассажирских перевозок / И.И. Любимов, Вагапова
Н.В., Портников Б.А., Султанов Н.З. // Интеллект. Инновации. Инвестиции: Академический журнал. - 2009. №2. С. 49-56.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки России в рамках федерального целевого проекта «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы на тему: «Научные и инженерные основы повышения качества функционирования транспортно-технологических систем» (государственный контракт №14.740.11.0983)
Сведения об авторах:
Любимов Игорь Ильич, доцент кафедры автомобилей и безопасности движения Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент
Е-тай: 1уиЫтоу@тай.о5и.т Султанов Наиль Закиевич, заведующий кафедрой систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор
Е-тай: su1tanov@rnai1.osu.ru Ковриков Иван Тимофеевич, профессор кафедры машин и аппаратов химических и пищевых производств Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор
Е-тай: kovrikovit@rnai1.ru 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: (3532) 75-41-82; (3532) 37-25-12; (3532) 37-24-64
UDC 656.022.8(470.56)
Lubimov I.I., Sultanov N.Z., Kovrikov E.T.
Orenburg state university, e-mail: lyubimov@mail.osu.ru
MODEL OF ROAD NETWORK IN THE REGION (FOR EXAMPLE, ORENBURG REGION)
The article is devoted to the development of a functional model of regional road network, carried out by the example of Orenburg region. Studies were conducted on the principle of passive experiment using methods of systems analysis. Structurally-hierarchical system diagram and a model of its functioning were proposed.
Key words: transport system, modeling, decomposition, the structure of the park, transportation.
Bibliography:
1. Lyubimov, II On the question of forming a rational structure of the urbanpassenger transport in the city of Orenburg / II Lyubimov, NZ Sultanov, EV Bondarenko // Bulletin of Moscow Automobile and Road Institute (State Technical University) - 2009. - №3. - P. 21 - 25.
2. Lyubimov, II Indicators of demand for urban passenger transport (by the example of Orenburg) / II Lyubimov // Bulletin of Orenburg State University, th: - 2009. - №9.- P. 139 - 143.
3. Lyubimov, II Optimization of the structure of the rolling stock of urban passenger transport / II Lyubimov, IT Kovrikov, AP
Phot // Bulletin of the Irkutsk State Technical University: - 2010. №1. P. 206-210.
4. Lyubimov, II Management of functional processes of urban passenger transport / II Lyubimov, NV Vagapova, BA
Portnikov, NZ Sultanov // Int. Innovation. Investment.: Academic journal. - 2009. №2. P. 49-56.
