III. Проектирование маршрутной сети

Формирование новой маршрутной сети, а также корректирование действующей максимально возможно осуществляется с учетом следующих основных принципов:

1. На первом этапе, целесообразно выделить в общей совокупности маршрутов основную маршрутную сеть и дополнительную, как правило, обслуживающую сеть маршрутов. Такое функциональное деление позволяет рационально использовать имеющиеся ресурсы.

При выборе вида транспорта, определяющего формирование хребтовой маршрутной сети, необходимо учитывать различные факторы, такие как экологичность, провозные возможности, степень охвата территории города маршрутами этого вида транспорта, расходы на эксплуатацию и на требуемые инвестиционные затраты. Как правило, в качестве основной маршрутной сети рассматривается сеть маршрутов городского электрического транспорта.

2. Если в качестве основной маршрутной сети рассматривается городской электрический транспорт, то после ее формирования рассматривается формирование маршрутной сети автобуса, как наиболее мобильного с точки зрения конфигурации сети и провозных способностей вида транспорта.

3. В связи с тем, что, как правило, максимальные нагрузки на маршрутную и транспортную сети создаются передвижениями с трудовыми и учебными целями, обеспечение именно этих передвижений должно лежать в основе формирования основной маршрутной сети.

4. Заключительный этап формирования маршрутной сети представляет собой дополнение основной маршрутной сети маршрутами, обслуживающими культурно-бытовые передвижения. Рассмотрение этого вида передвижений на заключительном этапе вызвано тем, что часть его, очевидно, будет удовлетворяться маршрутами, сформированными для обслуживания трудовых и учебных передвижений. При рассмотрении обслуживания культурно-бытовых передвижений необходимо предусмотреть удобные транспортные связи с объектами транспортной инфраструктуры (вокзалами, станциями) и объектами, формирующими культурно-бытовые передвижения, имеющие общегородское значение, такими как крупные больницы, рекреационные зоны, кладбища и другие. Подобные маршруты составляют дополнительную (обслуживающую) маршрутную сеть.

Проектирование маршрутной сети представляет собой комплексную задачу, которая включает в себя:

1. Построение транспортной модели, представляющей собой деление рассматриваемой территории на транспортные микрорайоны, которые обслуживаются транспортом общего пользования.

2. Построение матрицы пассажирских корреспонденций, по параметрам пассажиропотоков которой выбираются виды транспорта для транспортного обслуживания населения.

3. Построение базовой маршрутной сети, на основе матрицы пассажирских корреспонденций.

4. Оптимизация маршрутной сети в соответствии с выбранной для конкретной задачи целевой функцией.

Построение транспортной модели проводится в несколько этапов:

1) производится деление территории на функциональные зоны:

- селитебная зона - территория проживания жителей, основной объект транспортного моделирования. Территория этой зоны делится на транспортные микрорайоны, которые обслуживаются транспортом общего пользования через геометрический центр этого микрорайона - остановочный пункт. Селитебная зона в среднем составляет 35 - 42% территории города;

- промышленная зона - территория, занятая промышленными предприятиями, являющимися градообразующим элементом структуры города. Эта зона, как правило, является обособленной, охраняется и не доступна для обслуживания транспортом общего пользования. Иногда крупные промышленные предприятия организуют на своей территории собственные транспортные системы для перевозок персонала. Промышленная зона контактирует с остальной территорией через контрольно-пропускные пункты предприятий (проходные), которые определяют расположение соответствующих вершин графа транспортной модели. В среднем промышленная зона составляет 30 - 38% от всей территории города;

- административно-деловая зона - территория, занятая административными, офисными, коммерческими и иными учреждениями, не связанными с производством материальных ценностей. Может включать торговые центры, в т.ч. оптовой торговли;

- зона культурно-исторических объектов - территория, расположенная, как правило, в центральной части города, и включающая музеи, театры, библиотеки;

- транспортно-складская зона - территория, занятая транспортными путями и строениями инфраструктуры транспорта, обеспечивающими связь рассматриваемой территории с другими ареалами. К транспортным коммуникациям прилегают различные склады (терминалы), предназначенные для обеспечения жизнедеятельности города. Для формирования транспортной модели назначаются остановочные пункты - вершины графа, расположенные в непосредственной близости с вокзалами, станциями, портами и т.д. Объекты транспортно-складской зоны формируют транзитный и внешний пассажиропоток. В среднем транспортно-складская зона занимает 3 - 10% территории города;

- рекреационная зона - территория, предназначенная для отдыха, спорта и лечения жителей. Это территория занятая лесопарками, стадионами, спортивными площадками и сооружениями, санаториями и медицинскими комплексами. Для транспортного обслуживания объектов рекреационной зоны назначаются остановочные пункты транспорта общего пользования, которые формируют соответствующие вершины графа транспортной модели, расположенные рядом со входами на эти объекты. Рекреационная зона обычно занимает от 5 до 40% территории города;

- санитарно-защитная зона - территория, предназначенная для снижения вредного влияния промышленных объектов на экологию селитебной зоны. Величина санитарно-защитной зоны определяется классом опасности промышленных производств и, в основном, влияет на размеры (протяженность) ребер модели транспортной сети. В этой зоне остановочные пункты транспорта общего пользования не организуются;

2) производится деление селитебной зоны на транспортные микрорайоны, в каждом из которых определяется геометрический центр. Средняя площадь транспортного микрорайона определяется исходя из максимальной продолжительности пешего перехода пассажира от края до центра транспортного микрорайона. Для обычных условий расстояние пешего перехода не должно превышать 0,5 км. Следовательно, средняя площадь транспортного микрорайона составляет порядка 0,75 км². Площадь транспортного микрорайона не должна содержать препятствия (железнодорожные пути, реки и т.п.), затрудняющие проход пассажиров к остановочному пункту. Геометрический центр каждого транспортного микрорайона представляет остановочный пункт маршрутной сети, поэтому он должен располагаться на улично-дорожной сети, пригодной для движения транспорта общего пользования. Через этот центр осуществляется транспортное обслуживание жителей рассматриваемого транспортного микрорайона;

3) для промышленной, транспортно-складской и рекреационных зон центрами транспортного обслуживания населения являются остановочные пункты маршрутной сети, расположенные на улично-дорожной сети города и находящиеся в непосредственной близости от центров прохода пассажиров на эти территории. Остановочные пункты назначаются в соответствии с расположением проходных предприятий, вокзалов и организованных входов на соответствующие объекты. Таким образом, в результате проведенной работы (п. 1 - 3 настоящего Приложения) получается распределение остановочных пунктов (вершин графа транспортной модели) по транспортной сети рассматриваемой территории.

4) анализируется улично-дорожная сеть рассматриваемой территории, выделяются транспортные связи, пригодные для организации движения маршрутных транспортных средств, учитывая информацию об особенностях организации движения транспортных средств (одностороннее движение, ограничения по габаритам и весовым параметрам). Между обозначенными остановочными пунктами (вершинами графа) определяются кратчайшие пути следования и устанавливаются протяженности этих ребер;

5) строится транспортная модель в виде графа, посредством соединения вершин графа (остановочные пункты) кратчайшими путями следования по улично-дорожной сети, пригодной для движения транспорта общего пользования.

Матрица пассажирских корреспонденций строится на основании результатов транспортного обследования пассажиропотоков, проведенного с учетом деления территории на транспортные микрорайоны (с учетом результатов транспортного моделирования). Матрица пассажирских корреспонденций представляет собой таблицу, содержащую количество строк (пункты прибытия пассажиров) и столбцов (пункты отправления пассажиров) соответствующее количеству вершин графа. Для заполнения матрицы выполняется моделирование пассажиропотоков по ребрам транспортной модели в соответствии с кратчайшими путями перемещения пассажиров. Результаты распределения пассажиропотоков по ребрам транспортной модели в час пиковой нагрузки заносятся в соответствующие ячейки матрицы пассажиропотоков вместе с данными о кратчайшем пути следования пассажиров по промежуточным остановочным пунктам.

Анализ матрицы пассажирских корреспонденций позволяет найти максимальное значение пассажиропотока, на основании которого определяется вид или совокупность видов транспорта общего пользования и характеристики подвижного состава. Требуемая производительность выбираемого вида пассажирского транспорта должна соответствовать найденному значению пассажиропотока. Ориентировочные характеристики производительности (пассажиропоток) различных видов пассажирского транспорта общего пользования составляют:

автобус - от 450 до 6500 пасс/ч;

троллейбус - от 1500 до 6500 пасс/ч;

трамвай - от 2000 до 25000 пасс/ч;

метрополитен - от 25000 до 60000 пасс/ч;

городская железная дорога - от 50000 до 85000 пасс/ч.

Для построения базового варианта маршрутной сети используются материалы матрицы пассажирских корреспонденций. Любая маршрутная сеть состоит из конечного количества маршрутов транспорта общего пользования. Самый короткий маршрут содержит только две вершины графа и обслуживает только один участок улично-дорожной сети, такие маршруты называются участковыми. Регулярные маршруты, содержащие более двух вершин, называются сквозными.

Основой базовой маршрутной сети являются сквозные маршруты. Чем больше вершин графа (остановочных пунктов) будет обслуживать один регулярный маршрут, тем меньшее количество маршрутов будет содержать маршрутная сеть. В этом случае организация работы транспорта общего пользования будет иметь наименьшее количество организационных и эксплуатационных проблем. Поэтому первоначально разработчика должны интересовать только сквозные маршруты, и чем больше вершин графа соединяет этот маршрут, тем больший эффект от разработки можно получить. Информацию об объективно необходимых жителям города сквозных маршрутах можно получить только из матрицы пассажирских корреспонденций.

В свою очередь, среднее время пересадки пассажира на промежуточных пунктах маршрутной сети является результатом обработки данных матрицы пассажирских корреспонденций (приоритетный способ), либо материалов транспортного обследования пассажиропотоков (способ, обеспечивающий ухудшенные параметры точности).

Приоритетными являются маршруты, состоящие из наибольшего количества остановочных пунктов. Из совокупности этих маршрутов, имеющих одинаковое количество остановочных пунктов, приоритет следует отдавать маршруту с большим значением разности среднего времени пересадки и среднего времени ожидания. В этом случае поиск оптимального варианта маршрутной сети существенно ускорится, а количество вариантов маршрутной сети сократится. Выполнение этого требования направлено также на формирование маршрутной сети из минимального количества маршрутов. При этом все вершины графа должны обслуживаться созданной маршрутной сетью. В случае необходимости, отдельные вершины, не связанные выбранными ранее сквозными маршрутами, следует связать с маршрутной сетью участковыми маршрутами. Если возникает возможность использования нескольких участковых маршрутов, то в маршрутную сеть включается тот маршрут, который по расчету должен работать с наименьшим интервалом движения.

Однако построенную базовую маршрутную сеть нельзя считать оптимальной. Совершенствование маршрутной сети заключается в увеличении количества регулярных маршрутов и, соответственно, сокращения суммарных затрат времени населения на поездки с использованием транспорта общего пользования. В качестве добавляемых маршрутов используются только участковые маршруты. В конечном итоге маршрутная сеть представляет комбинацию сквозных маршрутов с последовательным добавлением участковых, степень оптимальности которой определяется величиной целевой функции.

С целью улучшения обслуживания населения, при формировании маршрутной сети целесообразно ориентироваться на следующие показатели: суммарное время на передвижение "от двери до двери", удаленность остановочных пунктов, частоту движения транспорта общего пользования, количество пересадок при поездке пассажиров, безопасность, степень наполнения подвижного состава, стоимость проезда, удобство пользования транспортом и т.д.

Одним из наиболее распространенных в практике критериев оценки транспортного обслуживания населения являются затраты времени на передвижение. Тогда в общем виде задачу построения оптимальной схемы маршрутов можно сформулировать следующим образом.

Имеется транспортная сеть - улицы города, по которым возможно движение транспорта общего пользования. Заданы крупные пункты зарождения и погашения пассажиропотоков - узлы и соединяющие их участки улиц - звенья транспортной сети (граф транспортной сети). Известно время следования подвижного состава по каждому звену транспортного графа. Установлены размеры пассажиропотоков между вершинами транспортного графа и определен интервал движения подвижного состава на маршрутах.

Необходимо определить такую схему маршрутов, чтобы суммарные затраты времени всеми пассажирами на перемещение были минимальными.

При этом на решение могут быть наложены следующие ограничения:

использование вместимости подвижного состава, работающего на маршруте, должно быть не ниже заданного коэффициента;

протяженность маршрута должна быть не меньше минимальной и не больше максимальной длины, которая заранее задается;

маршруты не должны начинаться и заканчиваться в тех узлах, которые не могут быть использованы для организации конечных пунктов маршрутов, и другие.

Таким образом, целевая функция (F) будет выглядеть следующим образом:

,

где:

Q_ij - пассажиропоток, пасс./ч;

T_ij - время поездки, ч.

Исходя из вышеописанной формулировки задачи выбора оптимальной схемы маршрутов по критерию минимального суммарного времени, затраченного всеми пассажирами на следование, для ее решения необходимы следующие основные исходные данные.

1. Карта города с транспортной сетью, состоящей из пунктов зарождения и погашения пассажиропотоков (транспортные зоны города) и улиц, соединяющих эти пункты, по которым возможно движение подвижного состава. На транспортном графе указываются длина каждого его звена и время следования подвижного состава по этим звеньям, с учетом задаваемой эксплуатационной скорости по каждому звену транспортного графа.

2. Пассажиропотоки между всеми пунктами (зонами) города, которые целесообразно определять на основе анкетного обследования пассажиропотоков, что позволяет при обработке анкет определить соответствующие микрорайоны начала и окончания поездок пассажиров. Наиболее целесообразно маршрутную схему разрабатывать на основе трудовых и других поездок в часы "пик". Таким образом, обследование также целесообразно проводить в указанное время.

3. Интервал движения подвижного состава на маршрутах.

4. Задаваемые вершины начала и окончания маршрутов, а также минимальная или максимальная протяженность маршрутов.

Число возможных вариантов построения схемы маршрутов выражается очень большой величиной, и наилучшее решение находится между двумя крайними вариантами.

1 вариант:

все микрорайоны связываются непосредственно между собой прямыми маршрутами, и тогда при поездках все пересадки будут полностью исключены и при этом количество маршрутов будет наибольшее и их число будет m = [(n - 1) n] / 2, где n - число микрорайонов (зон). При этом, приходящиеся на каждый маршрут пассажиропотоки будут мелкими, а интервал движения подвижного состава, при заданном использовании их вместимости, достаточно большой, что вызовет потери времени пассажиров на ожидание подвижного состава на остановках.

2 вариант:

при простейшем линейном расположении микрорайонов все маршруты назначаются только между соседними микрорайонами, и их число будет m = (n - 1). Однако при этом будут иметь место максимально возможное число пересадок пассажиров и соответствующие этому затраты их времени на пересадки.

Таким образом, необходимо выбрать определенную комбинацию маршрутов, которая обеспечивала бы минимальные суммарные затраты времени пассажиров на поездки.

В этом случае методика оптимизации маршрутной сети будет состоять из следующей последовательности действий:

1. Формирование транспортного графа, с указанием кратчайших расстояний между всеми смежными вершинами.

2. Формирование матрицы пассажирских корреспонденций (таблицы перемещения пассажиров), включая трудовые, учебные и культурно-бытовые поездки, которая строится для наиболее загруженного периода времени.

3. Формирование матрицы кратчайших (по времени) путей между вершинами графа. Матрица формируется на основании матрицы кратчайших расстояний между центрами транспортных зон и заданной, для каждого звена графа, эксплуатационной скорости движения подвижного состава.

4. Построение картограммы пассажиропотоков, которая строится на основании матрицы пассажирских корреспонденций (таблицы перемещения пассажиров) и матрицы кратчайших (по времени) путей между вершинами графа.

5. Назначение маршрутов движения подвижного состава (формирование маршрутной сети) по картограмме пассажиропотоков.

6. Перераспределение пассажиропотоков по назначенным маршрутам движения подвижного состава, путем перебора звеньев маршрута. В случае прохождения нескольких маршрутов по звену, пассажиропоток на этом звене распределяется пропорционально между маршрутами, проходящими по этому звену.

7. Для назначенных маршрутов движения подвижного состава (сформированной маршрутной сети) с учетом перераспределения пассажиропотоков производится расчет целевой функции:

,

где:

Q_ij - пассажиропоток (из перераспределенной матрицы картограммы пассажиропотоков), пасс/ч;

T_ij - время поездки (из матрицы минимальных времен движения), ч.

8. Для назначенных маршрутов движения подвижного состава (сформированной маршрутной сети):

Определяется расчетная вместимость подвижного состава транспорта общего пользования на каждом маршруте (q_расч):

q_расч = Q_{ij max} x I,

где:

Q_{ij max} - максимальный пассажиропоток на участке маршрута (из перераспределенной матрицы картограммы пассажиропотоков), пасс./ч;

I - интервал движения ПС (задается вручную для каждого маршрута), ч.

Производится сравнение расчетной вместимости с максимальной вместимостью подвижного состава (q_{вм max}) из существующих классов подвижного состава (по вместимости). В случае превышения расчетной вместимости над максимальной, расчетная вместимость приравнивается к максимальной и на основании последней рассчитывается новый интервал движения подвижного состава (I_н).

Производится сравнение нового интервала движения подвижного состава с минимально допустимым интервалом (I_min), который для расчетов принимается исходя из минимально необходимого времени на посадку и высадку пассажиров. В случае I_н < I_min новый интервал движения подвижного состава приравнивается к минимальному и на основании последнего пересчитывается расчетная вместимость подвижного состава.

Определяется количество подвижного состава для работы на каждом маршруте (Ам):

Ам = t_об x 60 / I = (2 x Lм) / (V_э x I) = (2 x Lм x Q_{ij max}) / (V_э x q_расч) = (Q_{ij max}) / (t_об x q_расч),

где:

t_об - время оборота подвижного состава на маршруте, ч;

Lм - длина маршрута (из матрицы кратчайших расстояний), км;

V_э - эксплуатационная скорость движения подвижного состава, км/ч.

Также при расчетах потребности в подвижном составе, помимо непосредственно работы на маршрутах, необходимо учитывать технологические ограничения, увеличивающие это количество (необходимость технического обслуживания, ремонта, наличие непроизводительных пробегов и другие).

9. Изменение маршрутов движения подвижного состава (формирование новой маршрутной сети) по картограмме пассажиропотоков (см. п. 4 последовательности действий).

10. Выполнение последовательности действий, описанных в пунктах 6 - 8, каждый раз выполняя сравнение вновь созданного варианта маршрутной сети по заданному критерию оптимальности с рассчитанными ранее. Например, с существующим вариантом маршрутной сети.

Необходимо учесть, что проектирование маршрутной сети транспорта общего пользования невозможно рассматривать без учета существующей и планирования новой транспортной инфраструктуры. Для эффективного функционирования новой маршрутной сети необходимо иметь достаточное количество остановочных пунктов. В местах с большим пассажирооборотом, массовой пересадкой на другие виды транспорта целесообразно строить транспортно-пересадочные узлы. Для изменения направления движения необходимо предусмотреть разворотные кольца или разворотные тупики для двунаправленных трамваев. Для межрейсового отдыха персонала необходимо иметь конечные (диспетчерские) станции, которые могут совмещаться с автостанциями (автовокзалами). Для межрейсового и межсменного отстоя подвижного состава на конечных станциях должны быть предусмотрены соответствующей вместимости площадки или пути для трамваев.

В случае совершенствования существующей, исторически сложившейся маршрутной сети можно сформулировать следующие основные цели ее оптимизации:

1. Снижение затрат времени на передвижения, которое может быть обеспечено за счет:

увеличения скорости движения путем обеспечения приоритета в движении маршрутных транспортных средств, сокращения продолжительности посадки и высадки пассажиров благодаря применению низкопольных транспортных средств;

сокращения времени ожидания за счет использования подвижного состава большей вместимости, обеспечивающего исключение отказа в обслуживании из-за отсутствия свободных мест. Рост средней вместимости подвижного состава обуславливается концентрацией пассажиропотоков на меньшем количестве маршрутов при сокращении уровня дублирования маршрутной сети.

2. Снижение убыточности перевозчиков пассажирского транспорта общего пользования за счет:

снижения уровня дублирования маршрутов;

оптимизации маршрутной сети.

снижения затрат на эксплуатацию путем повышения эксплуатационной скорости.

3. Обеспечение удобства перехода к новой маршрутной сети за счет сохранения беспересадочных сообщений при реализации основных транспортных связей и сохранения конфигурации подавляющего большинства маршрутов.

4. Адаптация маршрутной сети к изменяющимся потребностям населения и территориальному планированию.