Чебоксары, Россия
В статье рассмотрена проблема проектирования оптимальной региональной транспортной сети. Приведена логическая взаимосвязь основных этапов проектирования оптимального плана развития сети автомобильных дорог. Процесс проектирования рассматривается как процесс непрерывной оптимальной корректировки существующей сети с учетом наступающих изменений в исходной информации. Показана принципиальная схема развития сетей автомобильные дорог, характеризующая сложную взаимосвязь между определяющими факторами. Предложен подход к планированию и развитию муниципальных дорог региона, в основу которого поставлена задача очередности проектирования дорог, основанной на центре притяжения. Предлагаемый метод оптимизации сети автомобильных дорог местного значения предусматривает развитие исходной сети с учетом полного использования основных фондов в регионе за счет реконструкции существующих и строительства новых автомобильных дорог.
автомобильные дороги, транспортное обслуживание, моделирование, проектирование, развитие региональной транспортной сети.
Публикация подготовлена в рамках поддержанного РГНФ научного проекта №15-12-21009.
Объемные характеристики транспортного обслуживания напрямую влияют на полноту реализации экономических связей внутри страны и за ее пределами, а также на возможность перемещения всех слоев населения для удовлетворения производственных и социальных потребностей [5]. В процессе научного планирования развития дорожных сетей установлено, что этот процесс связан с решением ряда задач, носящих противоречивый характер. Окончательное решение является, в сущности, компромиссным, зависящим от степени влияния определяющих факторов. Решение выражается в проекте дорожной сети исследуемого региона на перспективу и поэтому должно быть единственным. Искомое решение должно наиболее полно удовлетворять требованиям общества по эффективности, скорости, безопасности и комфортабельности автомобильных перевозок [4].
Основные зависимости, определяющие оптимальный план развития дорожных сетей регионов, носят, как правило, нелинейный характер. Значительная размерность задачи затрудняет возможности применения классических методов математического программирования в целях оптимизации. Поэтому для составления рационального проекта перспективной сети реальных размеров нередко прибегают к различным способам разбиения, агрегирования, аппроксимации и т.д. На базе обоснованных допущений ограничивают множество влияющих факторов.
Сложность рассматриваемой задачи привела к появлению множества различных способов решения – аналитических, графических, эвристических и т. д. Большая часть современных методов проектирования дорожных сетей основана на базе количественных взаимодействий между управляющими переменными. Установлено, что начертание и транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог каждого исторического этапа развития общества являются следствиями единства и противоречия движущих сил и ограничения процесса развития дорожных сетей.
Движущими силами развития сетей автомобильных дорог местного значения на сегодняшнем этапе развития производительных сил и производственных отношений выступают социально-экономические потребности в перевозках пассажиров и грузов, с учетом их специфики и соблюдением необходимого качества обслуживания. Чаще всего они выражаются в количестве пассажиров и грузов, подлежащих перемещению между корреспондирующими пунктами, и необходимости осуществления бесперебойного, безаварийного, быстродействующего и экономичного транспорта.
Аналогичным образом к ограничениям процесса развития дорожных сетей в районах можно отнести возможности общества реализовать требуемые характеристики дорог на практике. К ним относятся ограничения по фонду капитальных вложений, ограничение производительности труда технических организаций и строительно-монтажных бригад.
Развитие во всех областях народного хозяйства осуществляется на базе реализации наилучших, с точки зрения указанного компромисса, вариантов. Однако субъективный подход к решению задачи не гарантирует выбор лучших проектов. Научное проектирование обеспечивает принятие объективных управленческих решений, которые можно выразить оптимальным проектом развития соответствующей отрасли экономики [1].
Для получения надежных результатов в процессе проектирования связывающих сетей региональных автомобильных дорог следует, в первую очередь, определить требования, предъявляемые к дорогам будущего с учетом действующих ограничений. Проект дорожной сети, который наиболее полно отвечает всем требованиям общества, максимально эффективный из возможных и реально выполнимый; назовем его оптимальным. Компромиссное соотношение между движущими силами и ограничениями развития сетей автомобильных дорог определяется критерием оптимальности перспективного варианта технического проекта (рис. 1).
Рис. 1. Движущие силы и ограничения процесса развития сетей автомобильных дорог в регионе
Процесс оптимизации неразрывно связан с процессом моделирования дорожных сетей. Характерно также, что модель должна не только адекватно отображать основные соотношения между управляющими факторами, но и учитывать надежность и достаточность исходной информации. Сеть автомобильных дорог удобно рассматривать в виде графа, дуги и узлы которого обладают некоторыми количественными и качественными характеристиками. В связи с этим под понятием «оптимальная дорожная сеть» будем понимать связанный граф, узлы и дуги которого получили дискретные технико-экономические показатели в результате решения системы оптимизационных задач, отображающих модель развития сети дорог [1]. Основные этапы проектирования оптимальных сетей автомобильных дорог связаны логической последовательностью (рис. 2).
Возможность получить оптимальный вариант сети автомобильных дорог обусловливается возможностью получить надежную и достаточную информацию о настоящем и будущем соотношении движущих сил и ограничений и адекватностью используемой модели. Составление сверхточных математических моделей для описания экономических взаимосвязей оправдано, если его информационное и программное обеспечение не вызывает непреодолимых затруднений.
Динамика современного общества способствует быстрому изменению соотношений между движущими силами и ограничениями процесса развития дорожных сетей. По сложным, нелинейным законам меняются во времени основные исходные величины в задаче оптимизации дорожных условий, например численность и структура парка подвижного состава, численность населения, стоимость материальных ресурсов, фонд капитальных вложений, степень использования транспортных средств, требования общества к качеству автомобильных перевозок и т.д.
Учесть все факторы, оказывающие влияние на процесс развития сетей автомобильных дорог в динамике, пожалуй, невозможно. Поэтому оптимальный вариант сети, в теоретическом смысле этого слова, недостижим. Оптимум в математическом аспекте даже если будет найден ценой самых сложных и точных вычислений, может оказаться неоптимальным с практической точки зрения. Даже если это не так, поскольку динамика изменения требований общества всегда опережает процесс развития дорожных сетей, оптимальный вариант просуществует недолго по сравнению со сроком службы дорог.
Как и во всех практических задачах с противоречивыми и неустановившимися воздействиями на результат решения, необходимо проанализировать чувствительность оптимального варианта сети относительно изменений исходных величин. На базе проведенного анализа целесообразно принять обоснованные допущения, которые могут значительно упростить модель, не переходя при этом границы допустимых, с практической точки зрения, решений оптимизационной задачи. Полученный в результате вариант – проект дорожной сети – можно также назвать оптимальным, не изменяя основные определения и зависимости задачи.
Оптимальный вариант сети автомобильных дорог со временем теряет свойство оптимальности, поэтому процесс проектирования должен рассматриваться как процесс непрерывной оптимальной корректировки существующей сети, с учетом наступающих изменений в исходной информации [1]. В целях систематизации процесс проектирования оптимальных связывающих сетей автомобильных дорог можно условно разделить на следующие этапы [3].
1. Описание существующего состояния и особенности функционирования системы «автомобильные дороги – автомобильный транспорт» исследуемого региона.
Подробно описывается начальное состояние дорожной сети (словесная модель) и ее соответствие социально-экономическим требованиям. Устанавливаются исторические тенденции развития автомобильного транспорта я сети автомобильных дорог и актуализируются соотношения между управляющими переменными.
2. Составление гипотез и теорий, которые могут объяснить наблюдаемые изменения и закономерности процессе развития сети автомобильных дорог региона.
На втором этапе принимается рабочая гипотеза о необходимости преобразования дорожной сети и предъявляются требования к ее перспективному состоянию. Выбирается и обосновывается критерий оптимальности перспективного варианта сети. Строится модель, которая на базе анализа изменения управляющих переменных во времени и возможности накопления исходной информации наиболее точно отображает процессы и явления в реальной системе «автомобильные дороги – автомобильный транспорт».
3. Использование модели для прогнозирования состояния системы и определения оптимального соотношения управляющих переменных.
На этом этапе разрабатывается метод решения оптимизационной задачи. Выбор рациональной схемы решения зависит от ее размерности и сложности, для сетей реальных регионов, как правило, необходимо использовать декомпозицию либо агрегирование переменных. Нередко задача решается эвристическими, комбинаторными или итеративными методами.
4. Самостоятельный этап решения оптимизационной задачи – это разработка расчетного алгоритма и программная обработка данных.
5. На последнем этапе устанавливается адекватность метода оптимизации сети автомобильных дорог и разрабатывается методика для практических целей проектных организаций.
Применение основных положений системного анализа в целях оптимизации дорожных условий в регионах является необходимым условием получения надежных результатов. В теории системного анализа под понятием «система» подразумевается группа взаимосвязанных, действующих совместно элементов с целью выполнения заранее поставленных задач.
Систему «автомобильные дороги – автомобильный транспорт» можно отнести к наиболее сложным технико-экономическим системам [1]. Она состоит из ряда сложных подсистем, от состояния и темпа развития которых зависит качество транспортного обслуживания населения и экономики государства в целом. Принимая во внимание основные требования рабочей методики, необходимо направить усилия на построение приемлемой экономико-математической модели, которая наиболее адекватным образом описывает закономерности развития дорожных сетей в районах Республики.
Качество и эффективность автомобильных перевозок между корреспондирующими пунктами исследуемого региона можно условно рассматривать как функцию транспортно-эксплуатационных характеристик существующей сети автомобильных дорог. Однако сеть автомобильных дорог местного значения характеризуется большим разнообразием количественных и качественных показателей, что затрудняет выявление наиболее существенных зависимостей. В целях систематизации основными показателями работы автомобильного транспорта в регионе целесообразно считать мощность транспортной корреспонденции, конфигурацию и транспортно-эксплуатационные показатели сети автомобильных дорог. К основным характеристикам следует отнести и интенсивность автомобильного движения на звеньях сети.
Для сетевых решений большая группа важных показателей работы автомобильного транспорта – скорость транспортных потоков, безопасность и комфортабельность автомобильного движения, время в пути, затраты на все виды ремонтов и содержание дорог и автомобилей, затраты на сооружение новых дорожных участков и на транспортировку пассажиров и грузов между корреспондирующими пунктами и т. д. – может рассматриваться как функция от основных показателей. Принципиальная схема развития сетей автомобильные дорог, характеризующая сложную взаимосвязь между определяющими факторами, показана на рис. 3.
Существующие дороги региона являются дорогостоящими и не разбираемыми инженерными сооружениями. Поэтому задачу оптимизации дорожных условий будем рассматривать как задачу оптимального развития существующей дорожной сети [7]. Предлагается следующий подход к планированию и развитию муниципальных дорог региона, в основу которого поставлена задача очередности проектирования дорог (рис. 4):
А – крупный центр притяжения (города-миллионники);
Б – средний центр притяжения (от крупных до малых городов);
В – малые (локальные) центры притяжения (деревни, крупные магазины, крупные отдаленные предприятия).
Предлагаемый список может быть расширен за счет введения дополнительных промежуточных центров.
(1)
где: m1v1 – потенциал движения грузов с крупного центра притяжения;
m2v2, m3v3, … , mnvn – потенциал движения грузов от среднего центра притяжения или более малого центра притяжения.
Модель характеризуется следующими допущениями: транспорт не уменьшается и не увеличивается, грузы не изменяются во времени – стационарны, т.е. бесконечно малые величины. Конечно, их можно интерполировать во времени, приняв условно дополнительный коэффициент увеличения транспортного потока (интенсивности движения), исходя из развития региона, состояния экономики и т.д. Массу груза можно заменить на грузопоток.
Определим оптимальную скорость движения из крупного центра притяжения в более малые центры притяжения:
(2)
Из формулы (2) следует, что при больших скоростях перевозится больше груза. Отсюда следует, что при проектировании транспортной сети можно установить на всех дорогах большую скорость, а также использовать только тяжеловозы, то проблема развития транспортной сети была бы решена. Но в условиях рыночной экономики необходимо также учитывать себестоимость перевозимого груза (С). Себестоимость напрямую зависит от скорости доставки груза: чем выше скорость доставки груза, тем выше размер получаемой прибыли.
(3)
где: А – затраты машины на перевозку груза на расстояние 1 км со скоростью V;
m – грузоподъемность автомобиля.
Ззатраты на передвижение 1 км можно условно принять из стоимости топлива на 1 км (P1), затраты на сопутствующие товары (резина зимняя, масло и т.д.) (P2), ремонт автомобиля (Р3), заработная плата водителя (P4) и т.д.:
(4)
Определим направления движения от центра притяжения. Необходимо провести из основного пункта А воздушную линию до соседних пунктов основных А, средних Б и малых В, длины отрезков которых будут соответствовать себестоимости С (рис. 5). Тогда на основе этих направлений необходимо решить задачу на приведение системы сходящихся сил к равнодействующей
.
Рис. 5. Определение направления движения от центра притяжения
Задача по определению оптимального плана развития сети автомобильных дорог исследуемого региона содержит следующие этапы: подготовку исходной информации; составление первоначального графа, отображающего расширенную сеть автомобильных дорог региона; распределение транспортных потоков между корреспондирующими точками; определение оптимального уровня технического состояния дорожных участков; проверка оптимальности начертания сети дорог; оценку эффективности строительства новых дорожных участков; построение плана очередности технико-экономических мероприятий. Граф, отображающий дорожную сеть, состоит из взаимосвязанных звеньев [1]. В качестве узлов сети рассматриваются населенные пункты, промышленные или хозяйственные объекты, железнодорожные станции, а также характерные точки разветвления и примыкания дорог.
Под понятием «местные автомобильные дороги» следует понимать все дороги общего пользования в системах расселения, которые выполняют локальную функцию по транспортному обслуживанию экономики и населения. В число этих дорог не включаются технологические, подъездные, карьерные, внутрихозяйственные дороги. Предлагаемый метод оптимизации сети автомобильных дорог местного значения предусматривает развитие исходной сети с учетом полного использования основных фондов в регионе за счет реконструкции существующих и строительства новых дорожных участков.
В качестве критерия оптимальности сети дорог принят минимум дорожно-транспортных затрат. Принятый показатель оценки оптимальности перспективного варианта сети соответствует общему критерию оптимальности народного хозяйства – максимальному совокупному социально-экономическому эффекту, который определяет рост валового регионального продукта [2].
Элементы ожидаемого эффекта от развития сети автомобильных дорог имеют системный характер и распространяются во всех сферах общественной жизни. Благотворное влияние от развития дорожных условий в регионе выражается в снижении транспортных издержек за счет изменения себестоимости перевозок и повышения производительности подвижного состава автомобильного транспорта, в результате увеличения средней скорости и сокращения маршрутов между корреспондирующими точками; экономии времени поездок [6].
Информационное обеспечение предлагаемой методики состоит из следующих групп данных: статистические показатели развития автомобильного транспорта и экономики рассматриваемого региона; прогнозные показатели развития автомобильного транспорта и численности населения рассматриваемого региона; сведения о топологии местности; сведения о незавершенных объектах дорожного строительства; данные о «внешних» воздействиях на систему «автомобильная дорога – автомобильный транспорт» в регионе. Динамика дорожной сети выражается в перспективных транспортно-эксплуатационных показателях, отображающих изменение протяженности, технического состояния и начертания автомобильных дорог региона. Протяженность дополнительных дорожных участков определяют с учетом коэффициента линейного удлинения трасс в зависимости от характера рельефа местности региона.
Проектировщик должен сформулировать задачу для конкретных природно-экономических условий, выбрать наиболее существенные элементы целевой функции, провести анализ необходимого уровня детализации общественно-необходимых затрат на развитие сети дорог и на передвижение автомобилей, систематизировать исходную информацию и подготовить ее для автоматизированного учета. В конце решения задачи инженер должен провести анализ полученных технических характеристик дорожной сети [3].
1. Горев А.Э. Основы теории транспортных систем: учеб. пособие. СПб.: СПбГАСУ, 2010. 214 с.
2. Ильина Е.А. Выбор оптимальной стратегии инновационного развития региональной транспортно-логистической системы // Транспорт: наука, техника, управление. 2016. № 4. С. 28-33.
3. Николаев Г.Б. Разработка комплексной методики оценки эффективности функционирования региональной транспортной сети : Дис. ... канд. техн. наук : 05.22.01 : Санкт-Петербург, 2003. 181 c.
4. Сафронов Э.А. Транспортные системы городов и регионов: учеб. пособие для вузов. М., 2007. 288 c.
5. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734-р.
6. Хмельницкий А.Д. Роль автомобильного транспорта в производственно-социальной инфраструктуре России и перспективы его развития // Russian Journal of Management. 2014. Т. 2. № 6. С. 303-310.
7. Якимов М.Р. Транспортное планирование: создание транспортных моделей городов: монография / М.Р. Якимов. М.: Логос, 2013. - 188 с.
