Модели транспортного спроса

О научном прогнозировании пассажиропотоков в мегаполисах.

Эффективное управление транспортным комплексом крупных городов, агломераций и регионов в современных условиях возможно на основе систем поддержки принятия решений. Такими системами являются интеллектуальные транспортные системы (ИТС). В процессе перехода России к цифровой экономике разработка ИТС является приоритетной задачей для многих мегаполисов страны. В основе интеллектуальных транспортных систем лежит математическая транспортная модель, которая должна корректно описывать транспортную ситуацию в исследуемой области. О том, как происходит процесс формирования городских транспортных систем, насколько корректны предложения исследователей,   рассуждают директор Института транспортного планирования Российской академии транспорта доктор технических наук Михаил Якимов и кандидат наук, инженер–исследователь, доцент академии «Высшая инженерная школа» РУТ МИИТ Сергей Карасевич.

На первом месте – пассажир

Транспортная сеть аналогично кровеносной системе в живом организме охватывает всю экономически активную территорию нашей планеты. Развитие транспортных сетей является дорогостоящим мероприятием, при этом оно не способно решить все транспортные проблемы. В связи с этим важную роль приобретает научно обоснованное планирование развития транспортного комплекса.

Основы математического моделирования закономерностей дорожного движения были заложены в 1912 году русским ученым, профессором Григорием Дубелиром. В своем исследовании он уже тогда указывал на необходимость адаптации городской планировки к неизбежному резкому увеличению количества автомобилей. «Возрастание интенсивности движения экипажей, и в особенности автомобилей, должно приниматься как важнейший фактор развития городов, подлежащий учету в проектной практике», – подчеркивал он. Первая макроскопическая модель движения автотранспортного потока была введена англичанином Джеймсом Лайтхиллом и американцем Джеральдом Уиземом. В 1955 году в Америке было проведено математическое исследование транспортных потоков. Далее благодаря работе ученых исследование транспортных потоков было включено в самостоятельный раздел в области прикладной математики. В конце 1970–х – начале 1980–х годов – в СССР на механико–математическом факультете МГУ началось изучение динамики автотранспортных потоков. Исследование было связано с подготовкой к Олимпийским играм 1980 года в Москве.

Эксперты считают, что в настоящее время транспортные сети крупных городов испытывают большие нагрузки, связанные с ростом уровня автомобилизации населения, увеличением интенсивности использования индивидуального транспорта, снижением эффективности городского пассажирского транспорта, увеличением мобильности населения, диспропорцией между уровнем автомобилизации и темпами дорожного строительства. Особое внимание уделяется транспортным и градостроительно–планировочным проблемам, вызванным формированием крупных городских агломераций.

Анализ зарубежного опыта показывает, что сегодняшнее состояние дорожно–транспортных проблем – это отражение недалекого прошлого большого числа крупных городов мира 60–70–х годов прошлого века. Для решения этих проблем выбирались два основных пути развития транспортной системы. Первый – это путь максимального учета запросов легкового частного транспорта, который приводил к созданию городов с автомобильным доминированием. Второй – ведущий к формированию сферы транспортных услуг через развитие общественного и введение ряда ограничений для личного транспорта. В результате формировались города со сбалансированной интегрированной интермодальной транспортной системой. При этом под интегрированностью исследователи понимают включение в транспортную систему, как в единый механизм, различных видов городского и пригородного транспорта, объединенных между собой транспортными узлами различного уровня.

Но если прежде при построении транспортных моделей превалировала задача организации движения транспортных средств, то в настоящее время исследования сместились на уровень социума. Задача серьезно усложнилась, поскольку интересы социума не всегда совпадают с поведением, которое выбирает отдельный индивид из соображений личной пользы и личных желаний. Интересно, что во множестве областей этот конфликт решается гораздо успешнее, чем в области транспортных систем. По мнению ученых, проблема согласования личных и общественных интересов в транспортной сфере решена вполне разумным образом на уровне дорожного движения, но практически не решена на уровне интермодального распределения пассажиров.

Создание эффективной системы зависит от ряда факторов, в том числе от конфигурации транспортной сети, ее соответствия конфигурации города и распределения очагов активного землепользования, а также от качества проектирования на макро– и микроуровне.

Таким образом, главный вопрос при планировании эффективной транспортной системы большого города сводится к выбору места и роли, которую должен в ней играть тот или иной вид транспорта.

В то же время, рассматривая фактор сравнительной эффективности видов транспорта, следует учитывать не только уровень транспортного планирования, но и процесс организации движения. Примитивное представление о том, что все транспортные средства являются равноправными объектами при регулировании трафика, исходит из критерия максимизации пропускной способности, исчисленной по количеству автомобилей, но не перевезенных пассажиров. Повсеместное принятое равенство в дорожном движении для легковых автомобилей со средним наполнением в 1–4 пассажира и автобусов, перевозящих от 25 до 50 человек, а также широко распространенное пренебрежение к велосипедному сообщению неэффективны и несправедливы. У таких подходов нет разумных обоснований.

Словом, задача транспортной системы – перемещение людей, а не транспортных средств. Поэтому единицей измерения в пассажирских перевозках следует считать пассажира, а не автомобиль.

Программы моделирования несовершенны

Сергей Карасевич: – В мире математическое моделирование для решения транспортных задач развивается бурными темпами. Указывая на современные тренды компьютерного моделирования для оценки качества организации движения в городских агломерациях, следует обратить внимание на ключевые моменты в области организации дорожного движения в целом и движения общественного транспорта в частности. У нас сформировалось в последнее время законодательство в сфере организации и безопасности дорожного движения. Есть соответствующие федеральные законы. В их развитие разработаны приказы, другая документация. Разработан важный приказ об утверждении перечня профессий и должностей, связанных с организацией дорожного движения, и соответствующие квалификационные требования.

Решая задачи по транспортным проблемам в городах, мы сталкиваемся с определенными трудностями в части применения специального программного обеспечения в области транспортного моделирования. Минтрансом в развитие всей этой документации разработаны рекомендации, где в основном прописаны зарубежные программные продукты, так как отечественных мало.

В связи с необходимостью импортозамещения зарубежного программного обеспечения следует обратить внимание на несколько основных ключевых проблем. Среди них – несовершенство применяемых математических моделей и программных продуктов (даже самые востребованные программы не способны решать элементарные задачи по экспертизе ДТП). Остро стоит проблема сбора достоверных исходных данных для моделирования, а также задача подготовки специалистов по моделированию дорожного движения. Последние должны иметь высшее образование не ниже уровня бакалавриата по соответствующим направлениям подготовки в области моделирования дорожного движения. Пока таковых немного.

Один из самых важных этапов – проверка соответствия математической модели к реальному объекту, то есть верификация модели. Здесь возникает проблема сбора достоверных исходных данных для моделирования. Даже если будет собрана вся рабочая информация, правильно вставлена в эту алгоритмическую модель, заложенные в нее исходники не позволят решить задачу с требуемой точностью. Значит, нужно развивать свой, отечественный программный продукт.

Отсюда одна из болезненных тем – сбор исходных данных. Чтобы построить модель крупного города, нужно учесть множество факторов: количество людей, идущих к остановке, динамику их перемещения, интенсивность, скорость, – а также систематизировать статистику… И при этом построенные макромодели можно будет использовать только как вспомогательный инструмент, не более чем подсказку, но ни в коем случае не для принятия проектных решений. Это прикладные, грубые расчеты. Да, существует широкий спектр программ для моделирования. Но на сегодняшний день они не позволяют решать с высоким уровнем точности какую–либо серьезную задачу, где требуется результат, максимально приближенный к реальной оценке. Нужно это понимать.

Мы должны произвести измерения, реальные, натуральные наблюдения на достаточной выборке и сравнить их с результатами моделирования.

Для наглядности можно привести пример. Так, чтобы определить среднее время поездки между двумя районами с 10 тыс. человек с доверительными интервалами 90%, нужно провести 4051 измерение. Как правило, для того чтобы точно определить, как именно и насколько сильно разбросаны значения, необходимо сделать порядка 100 тыс. измерений. Это требуется для того, чтобы достичь необходимой точности результата. В этом основа транспортного моделирования.

Модель формирует спрос

Михаил Якимов: – Целью создания транспортной модели является комплексная оценка развития транспортной системы в целом, а также ее отдельных частей. Кроме того, модель является информационной основой для создания системы стратегического планирования мероприятий по развитию транспортного комплекса при условии создания постоянно действующей системы мониторинга его состояния. В транспортную модель заложен прогностический механизм, который позволяет ответить на вопрос «Что будет, если?...» и оценить варианты решения транспортных проблем в масштабе города, агломерации и региона. Как следствие, модель является основой для оценки сценариев развития транспортной системы. В основе математической модели лежит самый важный фактор – транспортный спрос, количественно и качественно определяющий потребность пользователей сети в перемещении. В свою очередь методика построения транспортных моделей сводит процесс к решению задачи о степени соответствия существующего транспортного спроса имеющемуся транспортному предложению, то есть к задаче распределения транспортных потоков.

Существующие транспортные системы в различных городах Российской Федерации существенно отличаются друг от друга по наличию различных видов транспорта, работающих в общей маршрутной сети. – С завидной регулярностью в крупных и крупнейших городах России ставятся вопросы о необходимости развития той или иной системы транспорта. Наиболее острая дискуссия возникает вокруг строительства метро либо линий так называемого скоростного трамвая.

Те россияне, которые родились и успели пожить при Советском Союзе, помнят, что метро функционировало только в городах, имеющих население более 1 млн человек. Это было негласное правило и условие появления метрополитенов в том или ином городе. В отношении других видов транспорта никаких правил нет и не было.

Правда, и правило «одного миллиона» имеет исключения. Так, можно увидеть, что четыре вида транспорта (метро, трамвай, троллейбус, автобус) функционируют в Санкт–Петербурге, Новосибирске, Екатеринбурге, Казани, Нижнем Новгороде и Самаре; три вида транспорта (трамвай, троллейбус, автобус) – в Челябинске, Омске, Ростове–на–Дону, Уфе, Красноярске, Волгограде, Краснодаре, Саратове, Ижевске; два вида транспорта (трамвай и автобус) – в Перми; два вида транспорта (троллейбус и автобус) – в Воронеже и Тольятти; один вид транспорта (автобус) – в Тюмени. Самым проблемным городом на сегодняшний момент является Воронеж, единственный из городов в Европе с населением более 1 млн человек, где не функционирует трамвай или иной вид транспорта большой провозной способности.

В ряде регионов и городов придумываются свои, как это представляется на первый взгляд, уникальные виды транспорта, являющиеся гибридами между рельсовым, автомобильным, железнодорожным транспортом и метрополитеном. Почти сразу же после возникновения подобные обсуждения о необходимости того или иного вида транспорта перетекают в публичную политическую плоскость, в которой аргументами для политика становятся не показатели целесообразности либо эффективности функционирования отдельных видов транспорта, а имиджевые эффекты для конкретного города, его возможной туристической привлекательности. Аргументами служат примеры успешного функционирования транспорта в других городах, чаще всего за пределами РФ.

На чем же базируются целесообразность и эффективность построения транспортной системы городов? Прежде всего – на формировании оптимального транспортного спроса. В этой связи наиболее важной и интересной представляется задача формального и однозначного обоснования необходимости функционирования той или иной системы транспорта большой провозной способности на территории крупных городов. В первую очередь это касается метрополитена и трамвайного движения. В любом случае необходима подготовка исходных данных для формирования модели транспортного спроса и последующего графического анализа распределения этого спроса по территории города.

Поиск оптимальных коридоров

Затронув тему исходной информации, Михаил Якимов вступил в заочную полемику со своим коллегой Сергеем Карасевичем, убежденным в несовершенстве инструментов и методов сбора данных. «Есть мнение, что пространственный анализ модели транспортного спроса требует довольно большого объема информации о существующем транспортном поведении горожан, в прогнозной модели не всегда можно адекватно оценить как транспортный спрос, так и пассажиропоток на отдельных видах транспорта, – сказал он. – В связи с этим можно констатировать, что за последние 5 лет существенно увеличилось количество потенциальных источников получения информации о поведении жителей. Это касается и систем оплаты проезда, и контроля доступа в транспортные средства, и использования электронных платежных систем и данных операторов сотовой связи по передвижению людей в черте города, и многих других технологий, действующих как отдельно, так и в составе интеллектуальных транспортных систем.

В настоящий момент основная задача – это не получение первичной информации, а эффективная обработка уже имеющихся данных, совершенствование модели транспортного спроса и транспортного предложения. В качестве будущего направления научных исследований можно предложить совместно развивать технологии транспортного моделирования и планирования на основе графического анализа модели транспортного спроса».

Михаил Якимов считает, что решение задачи о размещении маршрутной сети представляет собой поиск оптимальных коридоров в поле транспортного спроса на территории города, которые позволяют определить целесообразность использования той или иной системы транспорта. Идея заключается в том, чтобы найти такое направление или коридор в пространстве города, на котором мог бы функционировать транспорт большой провозной способности, например трамвай, и это было бы экономически эффективно.

В расчетах ученого транспортный коридор на примере города Перми представляет из себя прямоугольник шириной 800 м и длиной около 12 км. Длина такого прямоугольника представляет типичную длину трамвайного маршрута в действующих городах Российской Федерации, а ширина 500 м представляет собой максимальную удаленность жилых домов от трамвайной линии, которая регламентируется строительными нормами и правилами и составляет на сегодняшний день 250 м.

Для этого вся территория города представлена в виде регулярной сетки с шагом 500 м и для каждой ячейки сетки была посчитана транспортная зависимость территории, определяющая максимально возможный транспортный спрос при его максимально комфортном удовлетворении.

Максимальный транспортный спрос фиксируется на территории, находящейся в непосредственной близости от центра города. Как следствие, эта точка является базовой, через которую необходимо проложить маршруты транспорта большой провозной способности.

В результате построения подобных маршрутов можно спрогнозировать пассажиропоток на каждом из найденных транспортных коридоров. В качестве будущего направления научных исследований можно предложить совместно развивать технологии транспортного моделирования и планирования на основе графического анализа модели транспортного спроса.

Иного пути нет

Изучая зарубежный и отечественный опыт развития и модернизации транспортных систем крупных городов, исследователи делают однозначный вывод – автомобилизация стала серьезным транспортным фактором, оказывающим во многом определяющее влияние на конфигурацию городов и их удобство для жизни.

На данном этапе автомобилизация как транспортный градостроительный фактор стала чрезвычайно ощутимой в городах России. Крупные города сегодня стоят перед стратегическим выбором: либо идти по пути коренной перестройки транспортной сети, а соответственно и городов, адаптируя их к неограниченному использованию автомобилей, либо искать варианты координированного использования различных видов передвижения с тем, чтобы качество жизни в городах улучшилось, а не деградировало. Пока в нашей стране уровня современного управления движением городских транспортных потоков через единую диспетчерскую службу с использованием интеллектуальных транспортных систем достигла Москва и в какой–то степени Санкт–Петербург. Ориентировочные расчеты, выполненные в рамках разработки комплексных транспортных систем городов России в период 2005–2006 годов, показывают, что реализация такой транспортной стратегии может быть выполнена на протяжении 18–20 лет при ежегодных затратах в ценах 2006–2007 годов в размере 5–6 млрд руб. Причем, как показывает опыт, выхода из аналогичного кризисного состояния дорожно–транспортного комплекса большинства крупных зарубежных городов, альтернативного пути практически нет.

Записал Шамиль БАЙБЕКОВ.