Особенности транспортных систем

Транспортная система в наиболее общем случае — это образующая связанное целое совокупность работников, транспортных средств и оборудования, элементов транспортной инфраструктуры и инфраструктуры субъектов перевозки, включая систему управления, направленная на эффективное перемещение грузов и пассажиров.

Инфраструктура - это физические компоненты транспортной системы, которые занимают фиксированное положение в пространстве и создают транспортную сеть, включающую связи (сегменты автомобильных и железных дорог, трубопроводов и т. п.) и узлы (пересечения сегментов дорог, терминалы различного назначения и т. д.). Важной задачей инженера соответствующего профиля является обеспечение требуемой пропускной способности связей и узлов, их технологическое соответствие обслуживаемым потокам 1рузов и пассажиров для своевременного обеспечения потребностей экономики и населения.

Перемещение транспортных средств по транспортной сети образует транспортные потоки. Транспортные средства имеют широкий диапазон характеристик, которые необходимо учитывать при проектировании транспортных сетей. В зависимости от используемых транспортных средств, будь то велосипед или карьерный самосвал, трамвай или железнодорожный состав, будут меняться не только характеристики транспортного потока, но и требования к геометрическим и техническим параметрам транспортных сетей. В узлах транспортных сетей грузы и пассажиры, следующие до этого на транспортных средствах, перемещаясь на другие транспортные средства, склады и т. д., образуют самостоятельные потоки, которые также должны быть своевременно обслужены.

Система управления включает систему управления транспортными потоками и систему управления работой транспортных средств. Система управления работой транспортных средств определяется выбранной технологией перевозок и, как правило, является частью транспортной инфраструктуры. Из этой системы управления не следует выделять водителя, который непосредственно реализует целевые указания. В случае индивидуального транспорта водитель оказывается единственным субъектом этой системы управления. Присутствие водителя в системе управления определяет необходимость учета человеческого фактора. Система управления транспортными потоками выполняет необходимые действия по упорядочению движения транспортных средств и исключению конфликтов между ними. Эта система оперирует знаками, дорожной разметкой и сигналами в соответствии с определенными правилами.

Эффективность транспортной системы не может рассматриваться только в рамках достижения оптимальности выполнения соответствующих процессов внутри системы. Основными задачами транспортной системы являются удовлетворение потребности экономики в перевозке грузов и обеспечение мобильности населения. В связи с этим эффективность транспортной системы всегда будет определяться неким балансом между противоречивыми требованиями экономики и общества. Ярким примером является желание пассажира, чтобы транспорт подъехал к остановке, как только пассажир подошел к ней, и желание перевозчика установить такой интервал движения, чтобы транспортные средства всегда были заполнены полностью и приносили, максимальный доход. Таким образом, для построения эффективной транспортной системы необходимо познания в области транспорта сочетать с экономикой, градостроительством, географией, экологией, социологией и психологией.

Для приближения материала курса к специальности в дальнейшем, говоря о транспортных системах, будем, как правило, подразумевать автотранспортные системы. В автотранспортной системе в качестве транспортных средств используются автомобили. Классификация автотранспортных систем может быть выполнена по разным признакам. Относительно объекта перевозки они могут быть фузовыс, пассажирские или грузопассажирские, относительно сферы применения — общего пользования или внутрипроизводственные и т. д. Классификация автотранспортных систем относительно уровня сложности приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Укрупненная классификация автотранспортных систем по уровню сложности.

При выполнении автомобильных перевозок можно выделить несколько типичных вариантов организации транспортного процесса:

• 1) однократная или многократная перевозка груза одним автомобилем от одного и того же отправителя к одному и тому же потребителю (микросистема). Это простейший вариант организации транспортного процесса. При этом варианте обратный пробег от потребителя к отправителю автомобиль выполняет без груза. На различных комбинациях микросистем основаны все остальные варианты организации транспортного процесса;
• 2) однократная или многократная перевозка груза одним автомобилем от одного и того же отправителя к одному и тому же потребителю с доставкой груза в обратном направлении до отправителя или любого промежуточного пункта (особо малая система). Следует обратить внимание, что в этом случае вид и количество груза, перевозимого в прямом и обратном направлениях, как правило, различны;
• 3) организация транспортного процесса в первом или втором вариантах с использованием нескольких автомобилей, обслуживающих

Гпава 2. Транспортные системы

одного отправителя или потребителя грузов (малая система с челночным движением автомобилей). Для этого варианта сложность и требования к организации транспортного процесса существенно выше, так как требуется увязка работы нескольких автомобилей, составление графиков загрузки погрузочно-разгрузочных пунктов и т. д.

Во всех трех рассмотренных вариантах автомобиль перемещается от пункта к пункту по одному и тому же маршруту в прямом и обратном направлениях (рис. 2.3, а);

Рис. 2.3. Примеры транспортных систем: а — челночное движение автомобилей в простейших вариантах организации транспортного процесса; б — кольцевое движение автомобилей; в — развоз или сбор груза; г — транспортный процесс обслуживания производственной структуры; д — транспортный процесс обслуживания нескольких производственных структур.

• 4) однократная или многократная перевозка груза от нескольких отправителей к нескольким потребителям, при которой один или несколько автомобилей периодически возвращаются в пункт первой загрузки (малая система с кольцевым движением подвижного состава). При этом варианте автомобиль за один оборот делает несколько остановок у отправителей и потребителей грузов (рис. 2.3, б). Обязательным требованием к данному варианту организации транспортного процесса является необходимость составления графика движения подвижного состава. Это связано с тем, что длина оборота при кольцевом движении, как правило, существенно больше, чем при челночном;
• 5) развоз или сбор груза от одного отправителя или к одному потребителю (малая система с развозом или сбором груза). Схема перемещения автомобиля аналогична варианту 4, но за оборот происходит только одна загрузка автомобиля и постепенная его разгрузка в нескольких пунктах при развозе груза. Одновременно могут выполняться постепенная многократная загрузка и однократная разгрузка при сборе груза. Схема этого варианта организации транспортного процесса приведена на рис. 2.3, в;
• 6) обслуживание определенной производственной структуры (предприятие, склад, терминал и т. д.), что требует использования нескольких малых систем, работа которых будет подчинена одной цели — обслуживанию одного потребителя (средняя система). Пример данного варианта организации транспортного процесса представлен на рис. 2.3, г;
• 7) интшрированная транспортная система. Она может обслуживать несколько производственных структур или определенный географический регион (большая система). В данном случае процессы перемещения грузов будут происходить между несколькими производственными предприятиями, складами или терминалами со сбором или развозкой груза отправителям и потребителям. Пример данного варианта организации транспортного процесса представлен на рис. 2.3, д;
• 8) особо большая система. В ней для транспортного обслуживания задействованы несколько перевозчиков или операторов и могут использоваться несколько видов транспорта. В этом случае конкретный клиент может обслуживаться транспортными средствами различных владельцев.

С увеличением номера варианта организации транспортного процесса последовательно возрастает сложность согласования работы его субъектов. Одновременно увеличиваются число субъектов и значимость согласования работы этих субъектов в общей эффективности транспортного процесса.

В вариантах организации транспортного процесса, отображаемых на рис. 2.3, а, можно выделить три субъекта: грузоотправитель, грузополучатель и перевозчик. В большой системе (см. рис. 2.3, Э) таких субъектов уже десятки. Невозможность согласования кем-либо из грузоотправителей, грузополучателей или перевозчиков всех элементов транспортного процесса в средних и главным образом больших системах вызывает появление дополнительных субъектов: экспедитора и оператора.

Приведенная на рис. 2.3 классификация позволяет, в частности, выявить наиболее заинтересованного в повышении эффективности функционирования системы субъекта — организатора той или иной транспортной системы. Очевидно, что организатором малых и средних систем будет в большей степени грузоотправитель, а больших — экспедитор или оператор.

Согласование интересов всех субъектов для достижения синергетического эффекта возможно при объединении транспортных систем различных уровней сложности, например средних и больших, в особо большие.

Транспортно-логистические системы (ЛС) охватывают не только процесс перевозки. Они в целом решают процесс доставки грузов или пассажиров независимо от используемых видов транспорта, но с учетом необходимых объемов, сроков и качественных показателей доставки. Таким образом, ЛС используют принципы построения многоуровневых систем, обеспечивающих возможность управления материальными потоками на различных уровнях операционного управления с выходом на единые критерии эффективности ЛС. При этом в ЛС существенное значение имеют информационные управляющие системы, так как только с их помощью можно обеспечить координацию управления в едином информационном пространстве множества субъектов. В целом предметную область ЛС можно представить в виде обобщенной схемы, приведенной на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Обобщенная схема предметной области ЛС.

Специальные транспортные системы предназначены для решения конкретных задач, которые возникают при необходимости перевозки особых грузов или организации транспортного сообщения в особых условиях. Примерами таких систем могут быть контейнерная транспортная система, система доставки пассажиров в аэропорт и т. п.

Функциональная структура транспортной системы представлена на рис. 2.5. В общем случае на первом уровне выделяют производственную и управляющую системы. В производственной системе выделяются следующие подсистемы:

• • технологическая — обеспечивает выполнение основных функций транспортной системы;
• • обеспечивающая — выполняет функции, сопровождающие транспортные процессы;
• • восстанавливающая — выполняет функции по поддержанию элементов системы в работоспособном состоянии.

Рис. 2.5. Функциональная структура транспортной системы

Вспомогательная подсистема обеспечивает выполнение функций, связанных с общей работой системы (кадровая работа, учетные функции и г. II.).

В целом подсистемы обеспечивают выполнение процессов для достижения цели функционирования системы. Управляемость системы поддерживается за счет наличия обратных связей, передающих информацию о соответствии цели результатам выполнения процессов и функционирования подсистем.

Характерной особенностью функционирования транспортных систем является циклический характер их работы. Начальной точкой рабочего цикла транспортной системы является подача порожнего подвижного состава для выполнения перевозок. При перевозках грузов — это подача подвижного состава под погрузку, на пассажирских перевозках — выезд автобуса с конечного пункта на маршрут. В зависимости от технологии выполнения перевозок и организации движения в процессе транспортного цикла могут выполняться различные транспортные процессы, связанные с погрузкой или разгрузкой грузов, посадкой или высадкой пассажиров. Транспортный цикл заканчивается в момент прибытия порожнего подвижного состава для погрузки или в момент начала выполнения маршрута пассажирским автобусом.

В реальных условиях на выполнение транспортного цикла влияет существенное количество различных возмущающих воздействий, большинство из которых имеет случайный характер, поэтому основные характеристики транспортного цикла, например его продолжительность, как правило, весьма нестабильны. С целью их стабилизации необходимо предпринимать меры для снижения числа возмущающих воздействий. Это, например, организация выделенной полосы движения и приоритетного светофорного регулирования для городского общественного транспорта.

Совокупность элементов и связей, образующих транспортную систему, не является постоянной величиной, а зависит от объекта управления и других факторов. Обычно состав системы определяется позицией «наблюдателя"-обобщающее название исследователя, проектировщика, конструктора, лица, принимающего решения и других аналогичных субъектов, изучающих, создающих систему или управляющих ею. Например, для экспедитора объектом управления является процесс доставки груза, и, с его точки зрения, в транспортную систему войдут грузовладелец, перевозчик, график доставки и т. д.

С точки зрения перевозчика, заключившего с экспедитором договор на перевозки, в транспортную систему войдут водитель, транспортное средство, груз, средства технического обеспечения и т. д. Для псревозчика объектом управления является транспортное средство, поэтому все элементы предметной области, на которые он не может воздействовать, относятся к среде.

Сложность определения границ транспортной системы возрастает при увеличении степени ее взаимодействия с другими системами, например, в крупных городах. На рис. 2.6 схематично показано взаимодействие транспортной системы крупного города с другими системами. При решении определенных задач управления результат может быть достигнут только при комплексном рассмотрении нескольких систем и их постоянной координации. Так, транспортная система города не сможет успешно развиваться, если в план развития города не будут заложены соответствующие территориальные ресурсы. Сокращение среднего времени поездки пассажиров общественного транспорта невозможно без выделения полос для обособленного движения наземного транспорта, строительства транспортно-пересадочных узлов на станциях скоростного транспорта и т. п.

Рис. 2.6. Взаимодействие транспортной системы крупного города с другими системами.

Таким образом, городская транспортная система может успешно функционировать только в условиях тесной координации с другими городскими системами. В реальности эта координация усложняется выбором критериев работы отдельных систем, которые слабо увязаны с результатами функционирования смежных систем.

Рассмотрим особенности транспортной системы как объекта управления. Элементы транспортной системы функционируют в рамках определенной организации транспортных процессов, которая предопределяет возможность движения в системе за счет установления в системе связей между ее элементами, определения правил и условий взаимодействия элементов при ее функционировании (например, ПДД при движении автомобилей, договора между участниками транспортного процесса и т. п.). Форма организации транспортных процессов определяется их содержанием: технологией и ролью тех или иных процессов в транспортной системе.

Наличие такого элемента транспортной сети, как люди, относит транспортную систему к разряду человеко-машинных, или организационных систем. Активный элемент системы — человек, он обладает способностью к целенаправленному поведению в быстро меняющейся ситуации, адаптации к новым условиям функционирования системы. Наличие в системе множества людей приводит к формированию коллективного поведения ее участников, которое складывается как результат достаточно независимого поведения отдельных индивидуумов, стремящихся к достижению собственных целей. Присутствие в объекте управления активных элементов приводит к формированию устойчивых режимов функционирования транспортной системы, поскольку всякое внешнее для объекта возмущение компенсируется на уровне индивидуальных решений субъектов системы.

Транспортная система является уникальным примером системы с коллективным поведением ее субъектов. В связи с этим коллективное поведение является мощным фактором, формирующим закономерности функционирования транспортной системы. Причем процессы самоорганизации приводят к образованию нескольких уровней устойчивого функционирования системы, образующих иерархическую структуру коллективной адаптации с различной временной стабильностью. В этом плане можно выделить три следующих структурных уровня:

• • распределение мест формирования, обработки и потребления грузов, расселение населения;
• • организацию транспортных процессов в сети;
• • формирование транспортных потоков на участках сети.

На рис. 2.7 приведены соответствующие временной стабильности уровни и соответствующие им объекты управления транспортной системы.

Рис. 2.7. Уровни временной стабильности и соответствующие им объекты управления транспортной системы.

В результате размещения мест приложения труда, жилых районов и объектов транспортного притяжения в городе устанавливаются определенные транспортные связи, которым соответствуют корреспонденции населения и грузов^[1]. Достаточно медленные изменения во времени размещения объектов предопределяют формирование устойчивых корреспонденций. Перераспределение корреспонденций происходит при смене мест работы и жительства, вводе в строй новых транспортных связей и объектов притяжения. Выбор той или иной корреспонденции происходит под действием разнообразных причин экономического и социального характера, важнейшими из которых являются время и комфорт поездки. С другой стороны, высокая стабильность корреспонденций оказывает сильное влияние на пути развития транспортной системы.

Транспортные процессы организуют, чтобы установить функциональные связи для всех видов движения в системе. Вероятностный характер функционирования транспортной системы (заторы, простои и т. п.) приводит к необходимости адаптации участников движения, которая осуществляется за счет корректировки корреспонденций, внесения изменений в графики выполнения работ. Адаптация повышает надежность функционирования всех элементов системы, т. с. способствует живучести организации транспортных процессов.

Корреспонденции представляются на отрезках сети в форме грузовых, пассажирских, транспортных или пешеходных потоков. Экономическая деятельность приводит к образованию устойчивого движения потоков, которое характеризуется определенными вероятностными изменениями в виде закономерностей изменения грузопотоков, интенсивности движения и т. п. С увеличением загрузки элементов транспортной системы общие закономерности становятся более детерминированными, что является следствием большего влияния ограниченной пропускной способности на процессы адаптации. На каждом из выделенных уровней самоорганизации транспортная система характеризуется собственным набором существенных параметров, по которым происходит адаптация субъектов системы.

Описанная структура, разделяющая процессы адаптации по временной стабильности, оказывается весьма существенной при исследовании транспортных систем. Целесообразность такого разделения диктуется резким различием в инерционности процессов на разных уровнях.

Выделение некоторого множества параметров, с достаточной полнотой определяющих объект управления на каждом уровне, задает пространство состояний, в котором может пребывать система. Точка в пространстве состояний, заданная числовыми значениями своих параметров, определяет состояние системы.

С позиции управления рационально все пространство состояний разбить на определенные классы состояний системы, каждому из которых будет соответствовать определенный вид управления.

Множество состояний транспортной системы, когда спрос приближается к пропускной способности, есть область переходного, неустойчивого состояния системы. Если негативную тенденцию переломить не удалось, то система переходит в новое состояние — отказа функционирования. Особенностью процесса возникновения отказа функционирования системы является высокая скорость приближения к исчерпанию пропускной способности и длительность восстановления равновесия между спросом и производительностью, например, процесс возникновения заторов на дорожной сети, в пунктах погрузки-разгрузки и т. п.

• [1] Корреспонденция — вещественный обмен, происходящий от элемента / к элементу jтранспортной системы в полном цикле законченного процесса перемещения. Таким образом, корреспонденция характеризуется вектором, имеющим координаты начальной и конечной точеки величину нагрузки в количестве пассажиров или объеме груза. При наложении на транспортную сеть корреспонденция получает еще одну характеристику — протяженность.