CC BY
20
УДК 656.224
Определение потребных размеров движения пригородных поездов с учетом суточной и внутрисуточной неравномерностей распределения пассажиропотока
А. Г. Филиппов, С. С. Смирнов, Д. В. Язев, И. П. Александров
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Филиппов А. Г., Смирнов С. С., Язев Д. В., Александров И. П. Определение потребных размеров движения пригородных поездов с учетом суточной и внутрисуточной неравномерностей распределения пассажиропотока // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 4. - С. 528-536. БО1: 10.20295/1815-588Х-2021-4-528-536
Аннотация
Цель: Автоматизация обработки данных о пассажиропотоках на произвольном направлении с целью определения количества «ниток» в графике движения поездов для пригородных пассажирских перевозок на перспективу. Проверка достаточности существующей инфраструктуры и проектных решений по реконструкции в части обеспечения необходимой пропускной способности железнодорожных линий. Методы: Расчет количества поездов осуществляется математическим моделированием распределения пассажиропотока по часам суток в каждый день недели исходного месяца. Выявление поездов не ежедневного назначения производится сравнением результатов расчета на каждый день недели. Результаты: Разработан алгоритм для выполнения расчета на ЭВМ перспективных размеров движения поездов в пригородном сообщении, учитывающий неравномерность распределения пассажиропотока по часам суток и дням недели. Практическая значимость: Получаемые при помощи представленного алгоритма данные позволяют упростить разработку перспективных графиков движения поездов с учетом потребностей населения в перевозках. Результаты работы могут быть использованы в технико-экономических обоснованиях реконструкции путевого развития станций и пассажирских устройств, а также служить основанием для технического перевооружения линий с целью увеличения их пропускной способности (замена средств сигнализации и связи, строительство вторых главных путей, переустройство горловин станций и т. п.). Результаты расчета также позволяют выявить графиковые «нитки» для съема поездов в дни недели, когда они не востребованы, но при этом принимать во внимание поезда не ежедневного назначения при разработке нормативного графика движения поездов. Форма представления результатов учитывает пространственную неравномерность пассажиропотока и дает возможность выделить зонные поезда.
Ключевые слова: Размеры движения, неравномерность, пассажиропоток, пропускная способность, зонный поезд, график движения поездов, технико-экономическое обоснование.
Введение
Пригородные перевозки предъявляют высо- ния поездов ввиду большого количества осо-кие требования к проработке графика движе- бенностей, не присущих другим видам дви-
* Статья опубликована при поддержке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» инициативных научных работ, выполняемых студенческими научными коллективами.
жения поездов. К таким особенностям относятся:
1) сосредоточение большого количества пассажиров в сравнительно небольшом числе пунктов;
2) резкое падение густоты пассажиропотока по мере удаления от головной станции;
3) неравномерность перевозок по сезонам, дням недели и часам суток;
4) необходимость частых остановок в пунктах, не являющихся раздельными [1].
Сравнительно небольшие участки обращения (не свыше 200 км [2]) тоже можно отнести к особенностям пригородных перевозок. Требуется, с одной стороны, удовлетворить потребности населения в перевозках и сократить время ожидания поезда, а с другой - рационально определить размеры движения поездов по зонам, чтобы не допустить ни перенаселенности поездов, ни следования поездов с незначительным числом пассажиров. Организовать движение поездов таким образом, чтобы выполнить указанные требования, затруднительно из-за свойственной пригородным перевозкам пространственной неравномерности [3]. Перенаселенность поездов приводит к задержкам поездов при посадке-высадке пассажиров и вызывает нарушение графика движения поездов, что недопустимо из-за серьезного влияния на безопасность движения и бесперебойность работы железнодорожного транспорта [4]. Поэтому не теряет актуальности задача определения потребных размеров движения пригородных поездов.
В настоящей статье показаны этапы разработки алгоритма решения рассматриваемой задачи.
Особенности расчета количества поездов в пригородном сообщении
По железным дорогам России обращаются пригородные поезда различного рода тяги. Обозначенный расчет имеет смысл, как минимум, при средних (от 8 пар поездов) размерах дви-
жения. В России все участки со значительным пригородным движением электрифицированы. В противном случае используются дизель-поезда, ввиду того, что требованиям организации пригородных перевозок лучше всего удовлетворяют моторвагонные поезда [5]. Поэтому здесь и далее речь пойдет только о моторвагон-ных поездах без учета возможной организации пригородного движения локомотивной тягой.
Расчетную населенность пригородного поезда следует принимать по нормам, приведенным в [6]. Учитывая разнообразие обращающегося подвижного состава, она для каждого типа моторвагонного поезда будет своя и зависит не только от типа, но и от количества вагонов в составе. Тогда расчетное количество поездов, которыми перевозится а пассажиров с /-го до у'-го остановочного пункта, в общем случае составит
^ = ау ¡^ . (1)
Учет внутрисуточной неравномерности пассажиропотока
Пассажирские перевозки в пригородном сообщении отличаются неравномерностью прибытия и отправления пассажиров в различные часы суток. Например, в утренние часы будних дней пассажиры устремляются из агломерации в город, а в вечернее время - обратно. Поэтому имеет смысл учитывать внутрисуточную неравномерность пассажиропотока отдельно для будних (с понедельника по четверг), предвыходных и выходных дней [7, 8]. Один из примеров распределения прибытия и отправления пассажиров в течение суток по головной станции показан на рис. 1.
Если принять суточный пассажиропоток за единицу, то целесообразно отразить внутрису-точную неравномерность введением коэффициента к0, ее характеризующую. Значение этого коэффициента равно доле прибытия или отправления пассажиропотока (от суточных размеров) за рассматриваемый час и определяется обсле-
1асы суток
Рис. 1. Диаграмма распределения пассажиропотоков на головной станции
дованием пассажиропотоков. Принимая во внимание коэффициент внутрисуточной неравномерности, количество пассажиров, перевозимых с /-го до у-го остановочного пункта поездами, прибывающими на головную станцию или отправляющимися с нее в рассматриваемый час суток, составит
ау (ч) = ау (с) V (2)
Учет суточной неравномерности пассажиропотока
Колебания пассажиропотока в различные дни недели значительны. Это связано в основном с общепринятым графиком работы большинства предприятий и учебных заведений (5 рабочих дней и 2 выходных), что порождает массовый выезд пассажиров из города в пятницу и субботу, а также массовое их возвращение в воскресенье и частично в понедельник. Максимальный пассажиропоток наблюдается в субботу и воскресенье [9]. Колебания пассажиропотока на одном из направлений Санкт-Петербургского железнодорожного узла отражены на рис. 2.
Из диаграмм, представленных на рис. 2, видно, что с понедельника по четверг количество
отправленных пассажиров изменяется не более чем на 10 % от минимального их числа в указанные дни, что подтверждает целесообразность расчета размеров движения на эти дни в совокупности. Учет пассажиропотока по дням недели следует производить при помощи коэффициента, характеризующего долю месячного пассажиропотока, приходящегося на рассматриваемый день недели. Сделать это возможно, если соотнести количество перевозимых пассажиров к общему знаменателю, за который при разработке алгоритма принято среднее количество отправляемых пассажиров в будние дни. Данные о среднесуточном отправлении пассажиров с каждого остановочного пункта представляются в виде вектора А', в котором ап - количество отправленных пассажиров в среднем за месяц в п-й день недели (п = 1 для понедельника, п = 7 для воскресенья):
А = (а1 а2 ••• ап ••• а7). (3)
Данные об отправлении пассажиров по дням недели в формах статистической отчетности не подразумевают разделения по направлению, что позволяет принимать во внимание только неравномерность, отраженную на головных и конечных станциях.
Рис. 2. Распределение количества отправленных пассажиров с головной станции по дням недели в январе и июне 2019 г.
Отношение количества пассажиров, перевезенных в рассматриваемый день недели, к среднесуточному количеству пассажиров, отправленных в будние дни с головной или конечной станции, равно коэффициенту суточной неравномерности поэтому для определения количества пассажиров, перевозимых с /-го до у-го остановочного пункта в этот день, составит
"т = ау(м) ^(с)/1 (к/ (с)т/), (4)
/ /=1
где а у (м) - количество перевезенных пассажиров с /-го до у-го остановочного пункта в рассматриваемом месяце; mf - количество /-х дней в обследуемом месяце; кп - коэффициент суточной неравномерности для описываемого дня (для буднего дня, кроме пятницы, равен единице).
Объединение исходных данных в единый алгоритм
Корреспонденция пассажиропотоков в общем виде представляется квадратной матрицей отправления пассажиров А размерности п, численно равной количеству остановочных пунктов
на исследуемом направлении, с нулевыми элементами по главной диагонали. В ней элементы а.. - количество пассажиров, перевезенных от /-го до у-го остановочного пункта. Причем, если элементы находятся выше главной диагонали - они относятся к перевозкам в прямом направлении, а наоборот - в обратном. Для создания алгоритма такой вид данных неудобен, в связи с чем был разработан алгоритм разделения сведений о пассажиропотоке на прямое и обратное направления [10]. Упрощение выражается в разделении исходной матрицы на две - для прямого (матрица В) и обратного (матрица С) направлений, элементы которых сформированы по следующим условиям:
Ь \ / > У \ 1 * У
Ь = а , < ; е- = а , < .
у у,\Ьу = 0' у у , \еу = 0
Количество пассажиров в поездах на момент отправления с /-го остановочного пункта в прямом направлении равно разности количества вошедших и вышедших на нем с учетом уже находившихся в составах (кроме случая отправления с головной станции):
п п _
ау(м) = X Ьу - X Ьу + а/-1 у (м), . = 2 п. (5)
у=1 /=1
Рис. 3. Алгоритм выполнения расчетов на ЭВМ
Количество пассажиров в поездах на момент отправления с головной станции равно количеству вошедших на ней:
матриц 2ЬА...2ЬВ той же размерности, содержащих указанные выше данные для обратного направления.
a
у(м)
= Z bj, i=1.
(6)
j=i
Формулы (5) и (6) справедливы и для обратного направления при замене элементов матрицы В на элементы матрицы С.
Из (1), (2), (4) и (5) количество поездов в час рассматриваемого дня недели, которыми требуется перевезти пассажиров в прямом направлении, составит
Z bj -Z bj+ai-i j (м)
Vj=1 i=1 J
kn{ с) k0
Ii
\
(7)
wZ (kf (с)mf )
V /= j
Заключение
Разработанный алгоритм позволяет выполнять расчеты на ЭВМ и выводить результаты в форме таблиц с указанием необходимого количества поездов на каждом участке. Методика расчета позволяет выявить участки, где потребуется повышенная пропускная способность в перспективе на основании исходных данных, отражающих прогнозные пассажиропотоки. Поскольку потребная пропускная способность определяет техническое оснащение железных дорог, производимые по ней расчеты могут служить технико-экономическим обоснованием необходимости развития инфраструктуры.
Для случая отправления с головной станции множитель (5) заменяется на (6). Формула (7) справедлива и для обратного направления при замене элементов матрицы В на элементы матрицы С.
Алгоритм для выполнения программы на ЭВМ представлен на рис. 3. В указанном алгоритме исходными данными являются матрица А размерности п, векторы ВВ и СС размерности д, содержащие данные о суточной неравномерности отправления пассажиров с головной и конечной станций по форме, определенной в векторе (3). Векторы НЕЛ-НЕБ и НЬА-НЬБ размерности г содержат коэффициенты внутри-суточной неравномерности на каждый час суток в прямом и обратном направлениях. Значения элементов 51-57 отражают число п-х дней в месяце, учтенных вектором (3). Все остальные массивы объявляются пустыми и заполняются в ходе выполнения операций по заданному алгоритму. Результатом выполнения алгоритма является вывод матриц 2ГА-2ГВ размерности п, г с данными о потребных размерах движения в прямом направлении в будни, пятницу, субботу и воскресенье исследуемого месяца, а также
Библиографический список
1. Зубков И. И. Организация движения на железнодорожном транспорте: учебник для технич. школ ж.-д. транспорта. - 5-е изд., перераб. и доп. / И. И. Зубков, А. К. Угрюмов, А. П. Романов. - М.: Транспорт, 1981. - 232 с.
2. Федеральный закон от 10.01.2003 г. № 18-ФЗ. Устав железнодорожного транспорта Российской Федерации. - URL: http://www.consultant.ru (дата обращения: 05.10.2021).
3. Грачев А. А. Проектирование технологий организации пригородных перевозок: учеб. пособие / А. А. Грачев, А. Г. Котенко, В. А. Кудрявцев, А. С. Шу-мари, И. Н. Шутов. - СПб.: ПГУПС, 2009. - 54 с.
4. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. - М.: Моркнига, 2020. -608 с.
5. Технический справочник железнодорожника. -Т. 13 / под ред. Р. И. Робеля. - М.: Гос. транспорт. ж.-д. изд-во, 1956. - 739 с.
6. ГОСТ 34530-2019. Транспорт железнодорожный. Основные понятия. Термины и определения. -М.: Стандартинформ, 2019. - 49 с.
7. Кочнев Ф. П. Оптимальные параметры пригородных пассажирских перевозок / Ф. П. Кочнев. - М.: Транспорт, 1975. - 304 с.
8. Кудрявцев В. А. Основы эксплуатационной работы железных дорог: учеб. пособие для студ. учреждений средн. профессионального образования / В. А. Кудрявцев, В. И. Ковалев, А. П. Кузнецов и др.; под ред. В. А. Кудрявцева. - 2-е изд., стер. - М.: Изд. центр «Академия», 2005. - 352 с.
9. Правдин Н. В. Пригородные зоны и зоны тяготения на железнодорожном транспорте (для условий средних и больших городов Республики Беларусь) / Н. В. Правдин, Т. А. Влясюк. - Гомель: БелГУТ, 2007. - 207 с.
10. Заболотская Е. А. Разработка алгоритма автоматизированной обработки данных по пассажиропотокам и его программная реализация / Е. А. Заболотская, Д. В. Изимов, С. С. Смирнов, Д. В. Язев, А. В. Сугоров-
ский, А. Г. Филиппов // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: сб. трудов LXXX Всерос. науч.-технич. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб.: ПГУПС, 2020. - С. 181-184.
Дата поступления: 13.10.2021 Решение о публикации: 24.10.2021
Контактная информация:
ФИЛИППОВ Антон Геннадьевич - канд. техн. наук, доц.; tigropard10@mail.ru СМИРНОВ Сергей Сергеевич - студент; sss1999@inbox.ru
ЯЗЕВ Денис Викторович - студент; denchik_yazik167@mail.ru АЛЕКСАНДРОВ Игорь Павлович - студент; aleksandrovigor2000@mail.ru
Determination of the required amount of traffic of suburban trains, taking into account all-day and intraday irregularities in passenger traffic distribution *
A. G. Filippov, S. S. Smirnov, D. V. Yazev, I. P. Aleksandrov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Filippov A. G., Smirnov S. S., Yazev D. V., Aleksandrov I. P. Determination of the required amount of traffic of suburban trains, taking into account all-day and intraday irregularities in passenger traffic distribution. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 4, pp. 528536. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-4-528-536
Summary
Objective: Automation of processing data on passenger traffic in an arbitrary direction in order to determine the number of "threads" in the time schedule for suburban passenger traffic in the future. Verification of the adequacy of the existing infrastructure and design solutions for reconstruction in terms of ensuring the required throughput capacity of railway lines. Methods: The calculation of the number of trains is carried out by mathematical modeling of passenger traffic distribution by hours of the day on each day of the week of the initial month. The identification of trains with non-daily destination is made
* The article is published with the support of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Emperor Alexander I Petersburg State Transport University " for initiative scientific work carried out by student research teams.
by comparing the calculation results for each day of the week. Results: An algorithm has been developed for calculating on a computer the perspective amount of suburban train traffic, taking into account the uneven distribution of passenger traffic by hours of the day and days of the week. Practical importance: The data obtained using the presented algorithm makes it possible to simplify the development of advance time schedules, taking into account the needs of the population in transportation. The results of the work can be used in feasibility studies for the reconstruction of station layout development and passenger devices, as well as serve as the basis for the technical re-equipment of lines in order to increase their throughput (replacement of signaling and communication equipment, construction of second main tracks, reconstruction of yard necks, etc.). The results of the calculation also make it possible to identify schedule "threads" for withdrawal of trains on days of the week when they are not in demand, but at the same time take into account non-daily trains when developing a standard time schedule. The form of presentation of the results takes into account the spatial irregularity of passenger traffic and makes it possible to distinguish zonal trains.
Keywords: Traffic sizes, irregularity, passenger traffic, throughput capacity, zonal train, time schedule, feasibility study.
References
1. Zubkov I. I., Ugryumov A. K. & Romanov A. P. Or-
ganizatsiya dvizheniya na zheleznodorozhnom transporte. Uchebnik dlya tekhnicheskikh shkol zh.-d. transporta [Organization of movement on railway transport. Textbook for technical schools of railway transport]. 5th ed., revised and enlarged. Moscow, Transport Publ., 1981, 232 p. (In Russian)
2. Federal'nyy zakon ot 10.01.2003g. no. 18-FZ. Us-tav zheleznodorozhnogo transporta Rossiyskoy Federatsii [Federal Law of 10.01.2003 N 18-FZ Charter of Railway Transport of the Russian Federation]. Available at: http://www.consultant.ru (accessed: October 05, 2021). (In Russian)
3. Grachev A. A., Kotenko A. G., Kudryavtsev V. A., Shumari A. S. & Shutov I. N. Proyektirovaniye tekh-nologiy organizatsii prigorodnykh perevozok. Ucheb-noye posobiye [Designing technologies for organizing suburban transportation. Tutorial]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2009, 54 p. (In Russian)
4. Pravila tekhnicheskoy ekspluatatsii zheleznykh do-rog Rossiyskoy Federatsii [Rules for the technical operation of the railways of the Russian Federation]. Moscow, Morkniga Publ., 2020, 608 p. (In Russian)
5. Tekhnicheskiy spravochnik zheleznodorozhnika [Technical handbook of the railway worker]. Vol. 13.
Ed. by R. I. Robel. Moscow, Gos. Transport. zh.-d. izd-vo Publ., 1956, 739 p. (In Russian)
6. GOST34530-2019. Transport zheleznodorozhnyy. Osnovnyye ponyatiya. Terminy i opredeleniya [GOST 34530-2019. Railway transport. Basic concepts. Terms and Definitions]. Moscow, Standartinform Publ., 2019, 49 p. (In Russian)
7. Kochnev F. P. Optimal'nyye parametry prigorodnykh passazhirskikh perevozok [Optimalparameters of suburban passenger transportation ]. Moscow, Transport Publ., 1975, 304 p. (In Russian)
8. Kudryavtsev V. A., Kovalev V. I., Kuznetsov A. P. at al. Osnovy ekspluatatsionnoy raboty zheleznykh dorog. Uchebnoye posobiye dlya studentov uchrezhdeniy sred-nego professional'nogo obrazovaniya [Foundations of railroad service checks. Textbook for students of institutions of secondary vocational education]. Ed. by V.A. Kudryavtsev. 2nd ed. Moscow, Izd. tsentr "Akademiya" Publ., 2005, 352 p. (In Russian)
9. Pravdin N. V. & Vlyasyuk T.A. Prigorodnyye zony i zony tyagoteniya na zheleznodorozhnom transporte (dlya usloviy srednikh i bol'shikh gorodov Respubliki Belarus') [Suburban and gravity zones on railway transport (for conditions of medium and large cities of the Republic of Belarus)]. Gomel, BelGUT [Belarusian State Transport University] Publ., 2007, 207 p. (In Russian)
10. Zabolotskaya E. A., Izimov D. V., Smirnov S. S., Yazev D. V., Sugorovskiy A. V. & Filippov A. G. Raz-
rabotka algoritma avtomatizirovannoy obrabotki dannykh po passazhiropotokam i yego programmnaya realizatsiya [Development of an algorithm for automated data processing on passenger traffic and its software implementation]. Transport: problemy, idei, perspektivy. Sbornik trudov LXXVIII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh [Transport:problems, ideas, prospects. Collection papers of the LXXVIII All-Russian research and training conference of students, postgraduates students and young scholars]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2020, pp. 181-184. (In Russian)
Received: October 13, 2021 Accepted: October 24, 2021
Author's information:
Anton G. FILIPPOV - PhD in Engineering, Associate Professor; tigropard10@mail.ru Sergey S. SMIRNOV - Student; sss1999@inbox.ru Denis V. YAZEV - Student; denchik_yazik167@mail.ru Igor P. ALEXANDROV - Student; aleksandrovigor2000@mail.ru
