Применение геоинформационных технологий для трассирования легкого рельсового транспорта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ш

УДК 625.111

Титов Константин Михайлович,

аспирант кафедры «ИППЖДиУН» ИрГУПС, e-mail: titov_km@irgups.ru

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ТРАССИРОВАНИЯ ЛЕГКОГО РЕЛЬСОВОГО

ТРАНСПОРТА

K.M. Titov

APPLICATION OF GEOINFORMATION TECHNOLOGIES

FOR LIGHT RAIL TRACING

Аннотация. В статье предложена методика применения геоинформационных технологий для трассирования и оценки вариантов трасс легкого рельсового транспорта по четырем критериям: выкупаемые полезные площади, удорожание строительства в результате выравнивания продольного профиля, увеличение пассажиропотока и нарушение существующего движения.

Ключевые слова: легкий рельсовый транспорт, геоинформационные технологии, вариантное проектирование.

Abstract. In the article the technique of application of GIS technology for tracing and estimation of variants of lines of light rail is proposed by four criteria: redeemable living spaces, rise in the cost of construction as a result of the alignment of the longitudinal profile, the increase in passenger traffic and violation of existing traffic.

Keywords: light rail, GIS technology, design.

При существующих на сегодняшний день возможностях геоинформационных технологий появляются способы, позволяющие быстро составлять сложные карты различных ограничений (зон тяготения) для стадии вариантного проектирования. Например, становится возможным оперативно создать карту, на которой будут выделены области с более низкими затратами на строительство линии или с лучшими перспективами дохода при эксплуатации.

Такой подход при проектировании особенно необходим для трассирования легкого рельсового транспорта (ЛРТ) между опорными точками в стесненной (плотно застроенной) и разнообразной (многофункциональной) городской среде.

При построении карт различных критериев трассирования в городских условиях, образуются области, неоднородные по содержанию и сложные по форме.

Такие области представляются проектировщику как единая картина спектра значений заданного критерия и позволяют оперативно выявлять (распознавать) ограниченные в ширину проходы по условию вписывания оптимального положения линии ЛРТ. В дальнейшем подобные места оптимального вписывания трассы ЛРТ автором статьи

предлагается называть «коридорами». Визуальное отражение коридоров, по мнению автора, необходимо из-за сложности трассирования ЛРТ в городе при одновременном учете различных критериев. Даже крупные области городской территории, весьма выгодные по какому-либо одному критерию, могут оказаться стесненными при проектировании плана и продольного профиля ЛРТ при вписывании кривых радиусами, как правило, большими, чем у существующих транспортных сетей.

В данной статье для построения областей, образующих такие коридоры, используется программный комплекс «Карта 2005 (Панорама)». В нем предлагается создавать специальные карты для дальнейшего трассирования и сравнения вариантов трасс ЛРТ по четырем критериям:

1) минимизации площади занимаемых полезных территорий по условию габарита безопасного приближения строений;

2) минимизации стоимости строительства в результате выравнивания продольного профиля;

3) максимизации пассажиропотока путем смещения трассы к наиболее оживленным областям района проектирования и размещения в них остановочных пунктов;

4) минимизации последствий нарушения существующего движения во время строительства, обусловленных трассированием по интенсивно эксплуатируемой транспортной сети города.

1. Критерий минимизации площади занимаемых полезных территорий по условию габарита безопасного приближения строений Карта первого из критериев строится на основе норм безопасных габаритов и образует площади на карте, пересечение трассой которых приводит к требованию дальнейшего занятия (выкупа) этих земель и зданий.

Обоснованием представления критерия в виде габаритов является распространенность применения подобного ограничения в проектировании железных дорог. Но, в отличие от стандартного подхода, автором предлагается дополнительно

иркутским государственный университет путей сообщения

задавать силу (критичность) ограничения, благодаря которой становится возможен оперативный учет возникающих рисков при нарушении габаритов.

Неоднородностью ограничений в данном критерии является различное предназначение и ценность зданий или территорий. К примеру, в качестве наиболее критичных объектов могут быть приняты жилые многоэтажные здания или объекты культурного и природного наследия (исторические, архитектурные, ландшафтные, природные памятники), не имеющие возможности переноса (пересечения), а в качестве наименее критичных объектов - промышленные здания и территории (ветхие, типовые, не имеющие ограничений по месторасположению в городе). Автором предлагается при построении карты первого критерия представлять территории с габаритом жилых объектов в оттенках от красного до желтого цвета, а административных и хозяйственных объектов в оттенках от желтого до зеленого.

Нанесение габаритов на карту в геоинформационных системах производится построением, так называемых «буферных зон». К примеру, на рис. 1 штриховкой показаны буферные зоны вокруг жилых и нежилых зданий. При этом различные виды этих буферных зон были раскрашены в соответствии с принятой критичностью занятия (выкупа) объектов.

ч

X

(1)

м

п - количество

где ^ - площадь 7-го этажа, этажей.

В качестве примера выбора оптимального положения линии по первому критерию выкупаемых площадей рассмотрим сравнение 4 вариантов трассы ЛРТ по направлению «Аэровокзал Иркутска - Аэропорт Иркутск-Новый (Поздняково)» [1], запроектированных с участием автора (рис. 1).

Исходные данные для оценки вариантов считываем с карты соответствующего критерия путем выделения различных по критичности выкупаемых объектов, вошедших в полосу отвода трассы ЛРТ (табл. 1).

Т а б л и ц а 1 Площади различных типов для критерия

№ варианта Жилые здания Административные здания Частные участки Хозяйственные корпуса

1 0 3 180 1 800 2 230

2 0 1 025 14 960 4 080

3 0 358 9 730 10 480

4 0 358 22 380 3 790

Далее, автором произведен выбор оптимального варианта с предположением равноценности вариантов по остальным критериям. При этом используется метод идеальной точки [2], в котором первый критерий является минимизируемым, весовые коэффициенты условно задаются лицом, принимающим решение, в задаче автором приняты значения: 0,6; 0,3 и 0,1 (табл. 2).

Т а б л и ц а 2 Определение оптимального варианта трассы ЛРТ по первому критерию по методу идеальной точки

Рис. 1. Создание буферных зон около зданий в ПК «Карта 2005» для выявления коридора трассы, где выкупаемые площади будут минимальными (заштрихованные области отражают габарит приближения строений) После трассирования в образовавшемся коридоре габаритов требуется соответствующее сравнение вариантов. Для этого предлагается использовать показатель «Площади выкупаемых земель и зданий, оказавшихся в полосе отвода линии ЛРТ». Вычисление площадей выполняется посредством суммирования вошедших в полосу отвода объектов.

Так как недвижимость на данный момент оценивается квадратными метрами общей площади и на стадии вариантного проектирования могут использоваться приблизительные данные, то занимаемую (выкупаемую) общую площадь любого здания по карте будет справедливо принимать как сумму поэтажных площадей, м2:

Критерии

№ варианта Нормированные значения частных подкритериев Глобальный критерий Р7

Админи-стратив ные здания Частные участки Хозяйственные корпуса

1 1 0 0 0,77

2 0,24 0,22 0,64 0,30

3 0 1 0,39 0,56

4 0 0,19 1 0,33

Весовые коэф. 0,6 0,3 0,1 X С = 1

I=1

В результате сравнения оптимальным вариантом признается 2-й вариант с минимальным значением глобального критерия р = 0,30.

Таким образом, применение предлагаемой процедуры при использовании первого критерия занимаемых (выкупаемых) площадей зданий и городских территорий позволяет эффективно трассировать в стесненной городской застройке с помощью выявления на основе геоинформационных технологий коридоров трассирования, ранжиро-

ванных по ограничениям, зависящим от норм проектирования плана ЛРТ.

2. Критерий минимизации стоимости строительства в результате выравнивания продольного профиля В трассировании линейных объектов основными факторами, влияющими на стоимость строительства, являются длина трассы, количество искусственных сооружений и продольный профиль. Если длину линии и количество искусственных сооружений можно контролировать при трассировании по планам городской территории, то с продольным профилем гораздо сложнее. Городская застройка может иметь искусственный (техногенный) резко измененный и трудно анализируемый рельеф. К примеру, под основания зданий и парковок создаются насыпи или выемки, с откосами, порою более крутыми, чем естественные склоны. Такие техногенные формы рельефа, которые в масштабах города значительно изменяют естественные склоны, показанные горизонталями на картах и планах крупного масштаба, требуют своего зонирования при трассировании ЛРТ.

Автором предлагается для нахождения оптимального коридора по второму критерию создавать специальную карту, показывающую области сложного рельефа, где с большой вероятностью потребуются значительные затраты на строительство высоких насыпей или глубоких выемок, а с учетом городских условий, вероятнее всего, — высоких эстакад и подземных проездов (тоннелей).

При этом анализ рельефа производится совместно с учетом постоянных водотоков, требующих сооружения мостов.

При построении карты предлагается проверять условие оптимального коридора прохождения линии ЛРТ:

I < Iр ■ кз, %о, (2)

где i - существующий уклон рельефа, %о; iр - руководящий уклон трассы, %о; кз - коэффициент запаса, учитывающий возможность прохождения трассы вдоль крутого склона.

При нарушении условия (2) создаются неоднородные области ограничения в зависимости от сложности рельефа. Неоднородностью при этом является крутизна склонов. К примеру, наиболее критичными будут склоны рельефа с i >> iр■kз, а наименее - области, близкие к значению iр■kз. Поэтому предлагается представлять территории с i >> iр■kз в оттенках от красного до желтого цвета, остальные — в оттенках от желтого до зеленого.

В геоинформационной программе для построения карт таких ограничений применяются поверхности уклонов (рис. 2), создаваемые при помощи объемной модели рельефа.

Рис. 2. Создание поверхностей уклонов в ПК «Карта 2005»

для выявления коридора трассы, где рельеф имеет наименьшую сложность для проектирования (изображен ip = 60 %о при кз = 2 для масштаба карты 1:100 000)

К примеру, на специализированной по второму критерию карте, приведенной на рисунке 2, хорошо видно, где находится сложный рельеф для трассы ЛРТ с заданным руководящим уклоном (области белого цвета на рисунке).

Дальнейшее сравнение вариантов трасс ЛРТ по второму критерию предлагается проводить на основе рассчитанных капитальных вложений в строительство или приведенных затрат, если варианты трассы существенно отличаются по эксплуатационным расходам. Определение сравнительной экономической эффективности вариантов трассы по глобальному критерию чистого дисконтированного дохода может использоваться в случае, когда варианты значительно отличаются по показателям доходов.

3. Критерий максимизации

пассажиропотока

Для внутригородского легкого рельсового транспорта размеры пассажиропотока во многом зависят от пешеходной доступности его остановок. Поэтому при сравнении вариантов трассирования ЛРТ третий критерий максимизации пассажиропотока предлагается рассчитывать путем определения потенциальных пассажиров ЛРТ по принципу пешеходной доступности его остановочных пунктов.

Рассмотрим пример, когда проектируются промежуточные остановочные пункты между опорными точками, указанными в задании проекта ЛРТ. Сложность трассирования ЛРТ с учетом устройства остановок состоит в том, что их рекомендуется располагать на прямых участках с продольным уклоном не более 30 %о и расстоянием между остановочными пунктами на основании СНиП 2.05.09-90 [3]: в застроенной территории 800-1200 м, а вне ее - 1500 м и более. Стоит заметить, что в статье А.С. Морозова и В.Э. Свириден-кова [4] согласно опыту зарубежного проектирования ЛРТ расстояния между остановочными пунктами предлагается принимать в некоторых местах меньше приведенных выше, но с выполнением основного условия - обеспечения средней скорости по маршруту не менее 24 км/ч.

Исходя из вышеизложенного, для облегчения трассирования и своевременного нахождения

иркутским государственный университет путей сообщения

\ , и

р _ здл эл ш р 1 жЛ о 1 ср.кв '

S,

(3)

ср.кв.

наиболее удобного места расположения таких остановок предлагается на картах третьего критерия, максимизации пассажиропотока, строить зоны тяготения вокруг объектов с достаточным числом потенциальных пассажиров. Подобные зоны после построения позволяют провести или скорректировать трассу ЛРТ в плане. Точность корректировки при этом контролируется величиной радиуса этих зон.

Для построения таких областей потребуются исходные данные по численности различных категорий потенциальных пассажиров ЛРТ в районе проектирования: жителей, работников крупных предприятий и потребителей услуг крупных торговых объектов. Данные для каждого объекта на этапе вариантного проектирования предлагается получать по числу работников и потребителей услуг из статистических источников, а по количеству жителей Рж на здание (если нет точных данных) вычислять приближенно для каждого здания по формуле:

После нанесения вариантов трасс и расстановки промежуточных остановочных пунктов, сравнение по третьему критерию производится на основе общего числа потенциальных пассажиров, которые входят в зону пешеходной доступности

всех остановок каждого отдельно взятого вариан-

___

трасса ЛРТ

Vе

*

■

*

6

■

■

1 ■

■ ■ ■

п

где 8здл - площадь проекции здания на карте, м2; Зср.кв - средняя площадь квартир, м2; пэЛ - количество этажей здания; Рср.кв - среднее количество жителей квартиры, чел.

Неоднородностью ограничений данного критерия принимается различная заселенность или посещаемость объектов. К примеру, наиболее критичными будут области, построенные вокруг зданий с наименьшим количеством потенциальных пассажиров, а наименее - с достаточной численностью для экономически выгодного наполнения вагонов легкого рельсового транспорта. Поэтому предлагается представлять территории с низким, но достаточным количеством потенциальных пассажиров в оттенках от красного до желтого цвета, а территории с большим числом потенциальных пассажиров - в оттенках от желтого до зеленого. Кроме того, отдельные близкорасположенные объекты при создании зон третьего критерия могут быть объединены в один объект.

К примеру, на рис. 3 показаны зоны тяготения, разделенные по количеству проживающих человек на объекте или посещающих данный объект на три ранга:

• менее 100 чел./объект;

• от 100 до 300 чел./объект;

• более 300 чел./объект.

В данных обстоятельствах не используется плотность заселения (посещаемости) в районе проектирования и расчет происходит от конкретных объектов, где требуется или будет требоваться разгрузить пассажиропоток. Наилучшим местом прохождения линии ЛРТ для таких случаев являются объекты с максимальным количеством потенциальных пассажиров, которые будут образовывать зеленые зоны тяготения трассы ЛРТ.

Рис. 3. Создание буферных зон в ПК «Карта 2005» на расстоянии до 100 м вокруг объектов, имеющих достаточный пассажиропоток (черными кружками показаны рекомендуемые места размещения остановочных пунктов ЛРТ)

Для этого предлагается в программе для обработки геоинформационных данных создать соответствующие буферные зоны вокруг проектных остановок (рис. 4).

Рис. 4. Охват населения района в пределах пешеходной доступности остановки (круг К = 400 м)

Затем с помощью средств автоматизации суммировать потенциальных пассажиров в этих зонах по всем объектам, вошедшим полностью или частично.

Таким образом, с применением геоинформационных технологий становится возможным достаточно быстро не только запроектировать, но и оценить варианты трассы по третьему критерию максимизации пассажиропотока.

5. Критерий минимизации нарушения существующего движения (минимизации последствий нарушения существующего движения транспорта во время строительства, обусловленных трассированием по интенсивно эксплуатируемой транспортной сети города) Чаще всего наиболее удобным местом прохождения трассы ЛРТ в городе является существующая транспортная сеть (уличная сеть, сво-

ш

бодная от застройки), причем, как правило, проектировщики вынуждены использовать наиболее оживленные ее участки.

В большинстве случаев пересечение или вхождение проектируемой трассы ЛРТ в коридор автомагистралей рассматривалось при трассировании как удорожание строительства из-за устройства развязок, обеспечивающих беспрепятственное (приоритетное или в разных уровнях) прохождение ЛРТ. Но при строительстве такого линейно-протяженного объекта, как ЛРТ, как правило, значительно меняются размеры или направление существующего движения. В этом случае потребуются сложные меры по поддержанию пропускной способности перекрываемого направления.

К примеру, если проектируемый ЛРТ возводится как метро «мелкого» заложения в течение одного года на участке в центре города с интенсивным движением в час пик, то до его введения в эксплуатацию и разгрузки пассажиропотока потребуются дополнительные проектные решения по временному отводу потока транспорта. В такой ситуации изменение существующего движения на магистралях во время строительства будет критически влиять не только на стоимость транспорта, но и на нормальное функционирование этих «артерий» города.

Отсюда в статье четвертый критерий предлагается рассматривать как минимизацию числа создаваемых при строительстве ЛРТ ограничений существующего движения, различных по времени и площади соприкосновения с трассой ЛРТ.

Графическое представление критерия создается в виде множества неоднородных полос на плане городской застройки.

При этом неоднородностью ограничений на плане является различная интенсивность движения на участках с учетом ширины проезжей части. Такой подход разделяет четвертый критерий на 3 части:

• особо напряженные магистрали;

• напряженные магистрали;

• слабо напряженные магистрали.

К примеру, наиболее критичными будут участки магистралей с наибольшей интенсивностью движения в час пик, а наименее - магистрали, имеющие большой запас по загруженности.

Поэтому предлагается представлять напряженные магистрали в оттенках от красного до желтого цвета, а обратное - в оттенках от желтого до зеленого (рис. 5).

Дальнейшее трассирование на карте выполняется по условию уменьшения количества соприкосновений с магистралями в порядке их статуса и способов развязки с ЛРТ.

Развязки выбираются как исходя из возможности удешевления их строительства, так и для обеспечения надежного скоростного хода ЛРТ.

К примеру, развязка с магистралью в одном уровне создает проблему жесткого регулирования движения для скоростного прохода по существу-

ющим дорогам, но значительно удешевит строительство (использование существующих уклонов, минимальные затраты на выделение площади).

Рис. 5. Создание буферных зон ширины проезжей части от осей автомагистралей в ПК «Карта 2005» для выявления коридора трассы, где оказывается минимальное воздействие на существующее движение

При трассировании по рассматриваемому критерию также важно учитывать, как расположена трасса в плане относительно магистрали.

К примеру, при прохождении трассы ЛРТ вдоль существующей автодороги может обеспечиваться некритичное сужение ширины проезда (под некритичным уменьшением ширины проезжей части понимается условие создания небольших пробок на них лишь в часы пик).

После трассирования ЛРТ предлагается выполнять оценку вариантов по сумме рангов запроектированных видов развязок с магистралями.

В сравнении рассматриваются участки трех типов магистралей, указанных ранее, полностью или частично заблокированные трассой ЛРТ на период строительства.

При этом в ранжировании, в случае продолжительного ограничения, принимается одна или 0,5 единицы автомагистрали, в зависимости от количества перекрываемых полос движения.

Ранг ограничения зависит от прохождения проектной трассы ЛРТ вдоль или поперек магистрали в одном или разных уровнях (табл. 3).

Основанием такого ранжирования является требование сохранения устоявшегося направления движения для минимизации неблагоприятного воздействия строительства и эксплуатации ЛРТ на жизнь города.

Делая выводы, можно сказать, что использование геоинформационных технологий позволяет достаточно быстро создавать специальные карты по определенным критериям.

Преимуществом применения этих карт в вариантном проектировании ЛРТ является:

• ускорение нахождения выгодного местоположения ЛРТ между опорными пунктами, благодаря представлению критерия в масштабе всего района проектирования;

• более точное определение местоположения трассы за счет ранжирования ограничений или зон тяготения;

иркутским государственный университет путей сообщения

Т а б л и ц а 3 Ранжирование проектных решений соприкосновения трассы ЛРТ с магистралями в зависимости от времени

Тип развязки на участке магистрали Прохождение линии ЛРТ по участку магистрали

Вдоль Поперек

В одном уровне: 1) проезжая часть расширяется 2) проезжая часть сужается и выполняется капитальный отвод магистрали: а) части полос движения б) всех полос движения 0 0,5 1 0

Автомагистраль на путепроводе (эстакаде) или в тоннеле: 1) проезжая часть расширяется на время строительства 2) проезжая часть сужается на время строительства 0 0,5 1

ЛРТ на эстакаде: 1) проезжая часть расширяется на время строительства 2) проезжая часть сужается на время строительства 0 0,5 0

ЛРТ в тоннеле «мелкого» заложения: 1) проезжая часть расширяется на время строительства 2) проезжая часть сужается на время строительства 0 0,5 1

ЛРТ в тоннеле «глубокого» заложения 0 0

• обеспечение оперативной оценки вариантов трасс, благодаря возможности быстрого считывания необходимых исходных данных.

Стоит заметить, что указанные преимущества эффективны лишь при совместном использо-

вании таких карт критериев, за счет поочередной

корректировки по ним вариантов трассы ЛРТ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Развитие аэропорта Иркутск. Краткое обоснование инвестиций в развитие аэропорта Иркутск. Комплексная экспертная оценка целесообразности устройства грузопассажирского железнодорожного сообщения г. Иркутск - Аэропорт Иркутск-Новый : пояснительная записка. Арх. № А-3233/Ш. Том 4.5 / ФГУП ГПИ НИИ ГА «Аэропроект», ОАО «Иркутскгражданпроект», ВСИПТС ИрГУПС. М. : «Аэропроект», 2008. 48 с.

2. Гавриленков, А. В. Теоретические основы проектирования скоростных и высокоскоростных железнодорожных магистралей : монография / под науч. ред. проф. С.М. Гончарука. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2004. 210 с.

3. СНиП 2.05.09-90 Трамвайные и троллейбусные линии / Минжилкомхоз РСФСР. Введ. 1 января 1991; взамен СНиП II-41-76. М. : Госстрой СССР, 1991. 57 с.

4. Морозов А. С. О современном подходе к легкорельсовому транспорту [Электронный ресурс] / А. С. Морозов, В. Э. Свириденков // Вопросы планировки и застройки городов : материалы XVI междунар. науч.-практ. конф. Пенза : ПГУАС, 2009. URL : http://www.moscowlrt.ru/64.html (дата обращения 8.02.2012).

УДК 625.143.1 Карпов Иван Геннадьевич,

аспирант кафедры «Путь и путевое хозяйство» ИрГУПС, тел.: 89501441346, e-mail: Karpov_ig@irgups.ru

ВЛИЯНИЕ ПРОПУЩЕННОГО ТОННАЖА НА УПРУГИЙ ОТПОР ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ ПРИ ДЕЙСТВИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ НАГРУЗКИ

I. G. Karpov

INFLUENCE OF THE PASSED TONNAGE ON ELASTIC REPULSE OF FERRO-CONCRETE CROSS TIES AT ACTION OF HORIZONTAL CROSS-SECTION LOADING

Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению величины упругого отпора железобетонных шпал, от действия горизонтальной нагрузки, направленной перпендикулярно оси пути, на участках с различным пропущенным тоннажем.

Ключевые слова: упругий отпор, экспериментальное исследование, железобетонные шпалы, горизонтальная нагрузка.

Abstract. Results of experimental researches for definition of size of elastic repulse of ferro-

concrete cross ties, from action of the horizontal loading, directed perpendicularly to the line axis, on sites with the various passed tonnage are resulted.

Keywords: elastic repulse, an experimental research, ferro-concrete cross ties, horizontal loading.

Одним из важнейших факторов, негативно влияющих на устойчивость бесстыкового пути является наличие на нем отступлений в плане. Устойчивость пути тем ниже, чем выше степень отступления [1, 2]. Отступления пути в плане возникают вследствие воздействия на путь различных