Научные основы проектирования улично-дорожных сетей

Актуальность проблемы. Улично-дорожные сети (УДС) являются дорогим и трудноизменяемым элементом городской инфраструктуры, их проектирование относят к числу наиболее сложных вопросов теории транспортной планировки городов. Обоснование любых градостроительных решений, связанных с изменением УДС, включает детальный анализ существующего состояния сети. Поэтому оценка состояния УДС предшествует многим видам градостроительного проектирования, разработкам градостроительных регламентов и зонированию городских территорий, является обязательным элементом комплексных схем организации движения (КСОД), проектов реконструкции УДС и организации дорожного движения (ПОД).

УДС изучались многими отечественными специалистами. Так различным аспектам проектирования и оценки УДС посвящены исследования: А. А. Агасьянца, В. Ф. Бабкова, С. А. Ваксмана, Ф. Г. Глика, Т. А. Глухаревой, З. И. Горбанева, Д. Р. Гришкявючене, И. И. Демкина, С. Г. Елизарова, Г. Н. Зубкова, Ю. В. Игнатьева, A.M. Костина, А. Н. Красникова, М. Г. Крейстмейна, О. И. Крыловой, O.K. Кудрявцева, Е. М. Лобанова, P.M. Пиир, И. О. Пихлака, П. И. Поспелова, А. Е. Роговина, Д. С. Самойлова, А. В. Сигаева, Ю. А. Ставничего, М. С. Фишельсона, B.JI. Швеца, В. В. Шештокаса и др. Критерии эффективности функционирования УДС и качества организации дорожного движения (ОДД) рассмотрены в работах: М. Б Афанасьева, P.O. Брайловского, В.Е. Ве-рейкина, Б. Н. Грановского, О. А. Дивочкина, В. В Зырянова, И. Е. Капитанова, Г. И. Клинковштейна, В. И. Коноплянко, Ю. Ф. Кременца, Т. В. Москалевой, М. П. Печерского, Е. А. Рейцена, А. Г. Романова, В. В. Сильянова, Ю.М. Сит-никова, Б. А. Ткаченко, Е. Б. Хилажева, Б. Г. Хоровича, Ю. Д. Шелкова, И. В. Шемякина и др.

Вместе с тем продолжительный опыт исследовательских и проектных работ позволяет автору утверждать, что критерии и методы оценки УДС остаются одним из самых важных вопросов теории и практики градостроительного проектирования и требуют дальнейшего развития. В частности для обоснования и выбора проектных решений предлагаются и используются принципиально отличающиеся количественные показатели пропускной способности УДС, что предельно осложняет сопоставление результатов разных проектных и исследовательских работ, разработку общих рекомендаций. Это вызвано отсутствием общепринятого определения понятия пропускная способность УДС, разным пониманием специалистами, как самого термина, так и теоретических основ оценки пропускной способности сетей.

Для проектов реконструкции УДС и ПОД особо важное значение имеет информация о сложившемся распределении транспортных потоков. В документах Мировой дорожной ассоциации PIARC (10.02.В Traffic control, toll and road information) подчеркнуто, что инструментом получения этой информации являются методы восстановления существующих матриц корреспонденций. Оценка существующих матриц корреспонденций с проведением опросов водителей о маршрутах движения или регистрацией номерных знаков трудоемки и дороги, поэтому в зарубежной практике уделяется большое внимание методам, позволяющим использовать только данные обследований интенсивности движения. Например, в последнем издании «Руководства по пропускной способности 2000» (Highway Capacity Manual 2000) этому вопросу посвящена глава «Corridor analysis» .

В нашей стране редко производились исследования по оценке существующих матриц корреспонденций в виде потоков транспортных средств, а выполненные основаны на опросе водителей (НИПИ генерального плана Ленинграда, 1987;1988 гг., ЦИТИ, Москва, 1999;2002 гг.). Наиболее распространенным и доступным способом сбора данных о транспортных потоках являются подсчеты интенсивности движения на отдельных элементах УДС, например пересечениях. Поэтому особый интерес представляет разработка метода, который позволит оценивать матрицы корреспонденций на основе таких данных. Поскольку при сведении в единую выборку данных отдельных замеров интенсивности движения возникают невязки, метод оценки должен быть робастным — т. е. устойчивым к возникающим грубым ошибкам (выбросам). Анализ отечественной и зарубежной специальной литературы и периодики показывает, что робастность методов является наименее изученным вопросом теории оценки существующих матриц корреспонденций.

Цель работы — разработка научных основ оценки пропускной способности УДС и робастной оценки существующих матриц корреспонденций. Указанная в работе цель потребовала решить следующие задачи: сформулировать и обосновать модель оценки пропускной способности УДС, отвечающую целям и содержанию таких видов проектирования как: проекты планировкипроекты реконструкции УДС, проекты организации дорожного движениятеоретически обосновать модели и методы робастной оценки существующих матриц корреспонденций, позволяющие производить ее на основе обследований интенсивности движения в узлах УДСпредложить методику подготовки исходных данных для оценки матриц корреспонденций, разработать процедуру определения выбросов, возникающих при сведении данных обследований движения в узлах УДС в единую выборкуисследовать свойства ошибок, возникающих при сведении данных обследований движения в узлах УДС в единую выборку, и обосновать требования к точности восстановления существующих матриц корреспонденцийпровести тестирование и сравнительный анализ моделей оценки матриц корреспонденций, на основе выбранной модели разработать методику робастной оценки матриц корреспонденцийна основе разработанных моделей выполнить экспериментальное восстановление матриц корреспонденций и оценку пропускной способности УДС, оценить эффективность предлагаемых методов оценки УДС и разработать рекомендации для их практического использования.

Объект исследования — потоки транспортных средств на улично-дорожной сети.

Предмет исследования — пропускная способность УДС и существующие распределения потоков транспортных средств по УДС, методы их оценки с использованием матриц корреспонденций.

Методы исследования — натурные обследования интенсивности движения транспортных средств, статистический анализ, имитационное моделирование искусственных и реальных УДС. Научная новизна: предложен принципиально новый подход к оценке пропускной способности УДС, формулируемый как определение максимума корреспонденций, обслуживаемых сетью, при условии эластичного (т.е. меняющегося) спроса на поездки. Нахождение максимума суммы корреспонденций рассматривается в виде задачи линейной оптимизации со смешанными ограничениями, которыми задаются УДС и эластичный спрос (гипотеза изменения матрицы корреспонденций) — разработан новый метод робастной оценки существующих матриц корреспонденций по данным обследований интенсивности движения в узлах УДС и исследованы его свойства. Установлено, что в предложенном методе наименьших модулей наибольшее влияние на сходимость и точность регрессионной оценки оказывают двухсторонние ограничения вектора оцениваемых параметров регрессииисследованы свойства ошибок, возникающих при сведении данных обследований движения в узлах УДС в единую выборку, с их учетом обоснованы требования к точности восстановления матриц корреспонденцийпредложена модель и методика оценки точности исходных данных для оценки матриц корреспонденций и выявления в этих данных выбросов.

Практическая ценность работы. Предложенные методы позволяют: производить оценку пропускной способности и уровня загрузки УДС, прогнозировать участки исчерпания пропускной способности УДСвыполнять оценку существующего распределения транспортных потоков с использованием данных обследований интенсивности движения в узлах УДС, в том числе в случаях, когда данные содержат выбросыосуществлять оценку существующего распределения транспортных потоков, когда проведение опросов о маршрутах следования невозможно или сопряжено недопустимыми помехами движению, например на участках УДС с высоким уровнем загрузкивыполнять аппроксимацию исходных данных при построении картограмм интенсивности движения.

Достоверность теоретических положений работы, ее практических результатов, рекомендаций и выводов определяются: строгостью применяемых методов оптимизации и математической статисткиданными многолетних обследований УДСтестированием предложенных моделей с использованием данных искусственных и реальных УДСстатистическим контролем сходимости результатов экспериментальных исследований с данными натурных обследований УДС.

Реализация результатов исследования. Предложенные в диссертации методы оценки УДС применены в указанных ниже исследовательских и проектных работах, выполненных по заказу администрации г. Иркутска и его департаментов:

Обследование интенсивности движения и уровня загрузки магистральной УДС Иркутска" .

Разработка схем организации движения на объектах УДС Иркутска". «Разработка проекта организации дорожного движения в районе центрального рынка Иркутска» .

Концепция реставрации и реконструкции исторического центра. Иркутска" утв. постановлением мера Иркутска № 7/131 от 13.02.97 г.

Ревитализация части исторической застройки Идинской стороны в Иркутске" .

Местный законодательный акт «Градостроительный регламент центральной исторической части Иркутска «(утв. Решением гор. думы Иркутска №>220−24г.д./2/119−20−220,8 от 28.08.1998).

Корректировка транспортной схемы центральной части Иркутска". а также в проектах:

Совместный российско-французский проект «Irkutsk city administration support for transportation and city master plan modernization» № BIS/99/108/023 по программе EU BISTRO TASIC.

Проект сохранения и развития исторической части Иркутска" (выполнен по с контракту с Московским Бюро Юнеско 2001 г.).

Апробация работы. Содержание работы, ее теоретические положения и результаты докладывались на: секции городского движения и транспорта Ленинградского отделения Союза Архитекторов СССР (Санкт-Петербург, 1987 г.), международной научной конференции «Безопасность движения» (Таллинн, 1990 г.), международной конференции «ИНТЕРКАРТО 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды» (Иркутск, 1996 г.), научно-практической конференции «Экология и городское хозяйство» (Иркутск, 1997 г.), международной научнопрактической конференции «Город: прошлое, настоящее, будущее» (Иркутск, 1998 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Строительный комплекс востока России. Проблемы, перспективы, кадры» (Улан-Уде, 1999 г.), научно-практической конференции «Город Иркутск в третьем тысячелетии» (Иркутск, 2000 г.) — российско-немецко-австрийском семинаре «Проблемы высшего образования и науки» (Иркутск, 2000 г.), совместном российско-французском семинаре в составе проекта программы BISTRO TASIC (Иркутск, 2000 г.), конгрессе.

Международной дорожной федерации (IRF Париж, 2001 г.), 8-ой международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2002 г.), IX и X международных научно-практических конференциях «Социально-экономические проблемы развития транспортных систем городов и зон их влияния» (Екатеринбург, 2003, 2004 г.).

На защиту выносятся: метод оценки пропускной способности УДСметод робастной оценки существующих матриц корреспонденций с использованием данных обследований интенсивности движения, результаты исследования свойств этого метода и рекомендации по его использованиюметодика оценки точности исходных данных для восстановления существующих матриц корреспонденций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, в том числе: монография, 2 учебных пособия.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 5 приложений. Она изложена на 317 стр. основного текста, содержит 74 таблицы, 92 рисунока и библиографический список из 234 наименований.

1. Анализ отечественных и зарубежных исследований, руководств и нормативных документов, позволяет сделать следующие выводы: показатель уровня обслуживания отвечает требованиям, предъявляемым к интегральным критериям оценки условий дорожного движения, и наиболее часто используется в теории и практике проектирования УДС и ОДДв настоящее время разработана система показателей уровня обслужива ния для оценки разных видов движения (потоков транспортных средств, по токов пешеходов), различных элементов (перегонов, пересечений, тротуаров, пешеходных переходов), относящихся к разным видам сетей (сетей дорог общего пользования, УДС городов).2. Разработанная к настоящему времени развитая система показателей уровня обслуживания позволяет упростить оценку УДС и свести ее к ис пользованию сочетания двух критериев: уровень обслуживания — качество обслуживания заявокпропускная способность — максимальное количество заявок, которые может обслужить сеть.3. В соответствии с предлагаемым определением понятия пропускная способность УДС теоретически обоснована модель ее оценки. Пропускная способность УДС оценивается как максимум суммы корреспонденции, при следующих условиях: УДС представлена в виде ориентированного графа с известными значе ниями пропускной способности дугзаданы матрица корреспонденции и гипотеза ее изменения. Оценка пропускной способности УДС сводится к задаче линейного программирования со смешенными ограничениями, в которой: целевая функция представлена суммой корреспонденции, обслуживае мых сетьюлинейными ограничениями задаются пропускная способность дуг графа^, или предельная интенсивность движения на дугах при заданном уровне об служиваниядвухсторонние ограничения описывают гипотезу изменения матрицы корреспонденции.4. Предложены и теоретически обоснованы: методы робастной оценки матриц корреспонденции: метод взвешенно-вариационных приближений (ВВП) — метод наименьших модулей (МИМ) — модель предварительной оценки точности исходных данных интенсивно сти движения и выявления в них выбросов, использующая метод парных ц сравнений входящих на перегоны и выходящих с перегонов потоков.5. Оценка точности обследовании интенсивности движения на узлах у д е Петербурга (1978 — 1988 г. г.) и Иркутска (1994 — 1998 г. г.) позволила установить, что: при сопоставлении данных замеров интенсивности движения на смежных перекрестках в разные дни средняя абсолютная ошибка варьирует в диапа ф зоне 80−120 авт./ч, а максимальные абсолютные значения ошибок (разность значений входящего на перегон и выходящего с перегона потоков) достига ют 450−470 авт./чнаиболее строгой оценкой точности обследований является отношение средней абсолютной ошибки к среднему значению потокасоставившей в среднем 20%- для выявления выбросов следует использовать нормированное отклоне ние разностей значений входящих на перегоны и выходящих с перегонов по токов.6. По результатам тестирования методов ВВП и МИМ с использовани ем данных искусственных и реальных УДС сделаны следующие выводы: метод ВВП непригоден для случая разряженных, плохо обусловленных матриц, которыми описывается ориентированный граф реальных УДС, что не позволяет применять данный метод для оценки матриц корреспонденцииМНМ обладает сходимостью в случае плохо обусловленных матриц и мат риц неполного ранга. Это позволяет использовать его для оценки корреспон денции, когда число пар взаимно корреспондирующих превышает количест во дуг графа УДС, на которых известны значения интенсивности движения, что особенно важно для практического использованиясравнение вариантов простого и взвешенного МНМ на примерах искус ственных матриц с внесенными грубыми ошибками показало, что лучшей сходимостью при наличии выбросов отличается простой МНМлучшие результаты по критериям точности получены для приема восста новления матрицы корреспонденции, состоящего из двух итераций (комби нированного МНМ): 1 -я итерация — простой МНМ;

2-я итерация — взвешенный МНМ. точности регрессионной оценки матриц корреспонденции следует прово дить с использованием следующих статистик: критерия Стьюдента для пар ного сравнения наблюдаемых и оцененных значений потоковсредней абсо лютной разности пар наблюдаемых и оцененных значений потоков.7. Тестирование метода оценки пропускной способности УДС и его использование в реальных проектах показало, что он: отвечает целям и задачам проектов планировки, проектов реконструкции УДС и может использоваться в проектах ОДДпозволяет детально описывать УДС и прогнозировать участки исчерпа ния пропускной способности, оценивать УДС при различных сценариях ее развития и гипотезах изменения интенсивности движения.8. Разработанный метод восстановления матриц корреспонденции по зволяет оценивать распределение транспортных потоков на УДС при наличин только одного вида исходных данных (замеров интенсивности движе ния), что снижает трудоемкость, продолжительность и стоимость обследова ний по сравнению с обследованиями, включающими сбор данных о маршру тах следования.9. Теоретические положения и результаты настоящего исследования могут использоваться для разработки модели межостановочной матрицы корреспонденции и метода робастного восстановления существующих мат риц корреспонденции маршрутов пассажирского транспорта.