ТЕМА 1. СИСТЕМА «ДОРОЖНІ УМОВИ – ТРАНСПОРТНІ ПОТОКИ» –ОСНОВА УПРАВЛІННЯ ДОРОЖНІМ РУХОМ

1.1. Організація дорожнього руху на автомобільних дорогах і вулично-дорожній мережі міст

Виникнення організації дорожнього руху як самостійного наукового напрямку безпосередньо пов'язано з розвитком автомобільного транспорту та зростанням обсягів дорожнього руху. Із появою механічних транспортних засобів, що пересуваються з порівняно високими швидкостями на гумових шинах, відбулася ціла низка змін у проектуванні доріг, обумовлених динамікою руху транспортних засобів і зростаючою часткою доріг з твердим покриттям. Але в нових умовах й ці зміни не задовольняли зростаючих вимог. Враховуючи зростання обсягів руху, необхідно було вибрати новий підхід до проектування шляхів сполучення, виходячи з руху визначених груп або всього потоку, із взаємодії транспортних засобів у транспортному потоці та пропускної здатності вулиць і доріг. Тому у 1930-і роки в США виник новий напрямок, що розглядав ці якісно та кількісно нові умови. Саме в США найбільш значно проявився ріст автомобілізації. Також, у залежності від росту рівня автомобілізації, потреба застосування нових методів у першій половині 1940-х років проявилася й у розвинених в економічному і транспортному відношенні країнах Західної Європи, а потім і Східної Європи.

Для цього напрямку, який у США отримав назву Traffic Engineering, у нас поступово укоренилася назва «Організація дорожнього руху». Увага була зосереджена, насамперед, на русі автомобільними дорогами і міськими вулицями. Через те, що при розробленні проектів транспортної мережі міст і вищих урбаністичних комплексів необхідно комплексно вирішувати транспортні проблеми, з'явилася необхідність, відповідно до світової тенденції, розширити сферу уваги та зацікавленості від вузького поняття руху на дорогах і вулицях до організації руху (Transportation Engineering) в більш широкому розумінні, що враховує проблематику всіх видів транспорту і комплексної транспортної системи.

Із погляду на взаємозв'язок часових і функціональних зв'язків зміст організації дорожнього руху можна поділити на наступні окремі проблеми і фази діяльності:

1. Визначення існуючого стану транспортних систем і розвитку транспорту з погляду обсягу, часової і просторової змінюваності зв'язків та їхніх якісних характеристик із використанням дослідження руху, вимірів його характеристик і наступного аналізу.

2. Обробка перспективних моделей руху транспорту для встановлених прогнозованих періодів.

3. Використання прогнозних моделей руху в галузі планування і проектування вулично-дорожньої мережі при розробленні перспективного транспортного рішення урбаністичних комплексів різного рівня.

4. Установлення закономірностей поведінки транспортного потоку як цілого, так і його елементів, їхньої взаємодії, а також проекції на теорію транспортного потоку.

5. Розроблення проектів оперативного і стратегічного вирішення транспортних ситуацій із використанням елементів організації і регулювання за допомогою технічних засобів управління транспортом.

6. Використання можливостей конкретних методів оцінки існуючих або проектованих транспортних систем і режимів руху відповідно до різних критеріїв.

1.2 Логістика системи «Дорожні умови - транспортні потоки»

Продукцією автомобільного транспорту, як і усіх інших видів транспорту, є перевезення, а основним виробничим процесом - рух транспортних потоків. Цей рух може бути реалізований тільки за наявності шляхів сполучення, від кількості й розміщення яких багато в чому залежить продуктивність праці на транспорті та інші показники його роботи, зокрема, показники основного виробничого процесу - руху. Таким чином, із загальної системи автомобільного транспорту може і має бути виділена окрема система «Дорожні умови - транспортні потоки», у якій і здійснюється основний виробничий (перевізний) процес - рух транспортних потоків (рис. 1.1).

Окремі автомобілі з пасажирами або вантажем включаються в загальний потік руху заради ділових, суспільних цілей або відпочинку людей. Однак, якою б не була мета використання окремими автомобілями дороги, важливо те, що усі вони включаються в загальний потік руху. І як тільки автомобіль став часткою загального потоку, його водій, як правило, керується мотивами економії часу і відстані. Це і є той фактор, що обумовлює дії водія і постійно супроводжує його при русі автомобіля в потоці. Знаходячись у потоці, він у звичайних умовах постійно вирішує завдання про те, наскільки безпечним і тривалим є його рух.

Рис. 1.1. Система «Дорожні умови – транспортні потоки»

СПРДМ - служба планування розвитку дорожніх мереж; СУАД - служба утримання автомобільних доріг; СОДР - служба організації дорожнього руху; АТС - автотранспортна служба; РД - розміщення доріг; ГД - геометрія доріг; ПЧ - проїзна частина; ОД - обстановка дороги; ШР - швидкість руху; ЩР - щільність руху; ІР - інтенсивність руху; В - водії; РС - рухомий склад.

Активне управління системою «Дорожні умови - транспортні потоки» (ДУ - ТП) відкриває перспективи для обґрунтованого поліпшення дорожніх умов, зниження дорожньо-транспортних витрат, підвищення безпеки руху і т. д.

При оптимізації управління системою ДУ - ТП можна прагнути до досягнення різних цілей (критеріїв оптимальності), і, в залежності від цих цілей, розглядати різні завдання управління. На автомобільному транспорті, включаючи в це поняття й систему шляхів сполучення, найбільш важливими є наступні завдання:

- забезпечення найменшого часу сполучення при обмежених і заздалегідь заданих дорожніх витратах;

- забезпечення заданого (розрахункового) часу сполучення за можливо найменших дорожніх витратах;

- забезпечення найменших транспортних витрат при обмеженому (заданому) рівні дорожніх витрат;

- забезпечення найменших дорожніх витрат при обмеженому (заданому) рівні транспортних витрат;

- забезпечення максимальної пропускної здатності дороги при обмеженому (заданому) рівні дорожньо-транспортних витрат;

- забезпечення максимально можливого рівня безпеки руху при обмеженому (заданому) рівні дорожньо-транспортних витрат;

- забезпечення заданого (необхідного) рівня безпеки руху за найменших можливих дорожньо-транспортних витратах;

- досягнення мінімуму дорожньо-транспортних витрат за умови забезпечення заданою обсягу перевезень (руху), заданої швидкості та заданого рівня безпеки руху.

1.3. Структура і зв’язки системи «Дорожні умови – транспортні потоки»

Постановка завдання про оптимальне управління системою «Дорожні умови - транспортні потоки» припускає, що вона є керованим об'єктом і що стосовно неї існує деяка керуюча система. Одне із завдань цього дослідження полягає в тому, щоб встановити, що саме представляє сьогодні керуюча система, як здійснюється управління керованим об'єктом, наскільки ефективні прямі та зворотні зв'язки між ними.

Разом із тим, керований об'єкт – система «Дорожні умови - транспортні потоки» – складається з двох підсистем: «Дорожні умови» і "Транспортні потоки», з яких друга стосовно першої є, головним чином, керуючою, а підсистема «Дорожні умови» – керованим об'єктом. Але саме дорога і розташовані на ній технічні засоби організації дорожнього руху визначають режим руху транспортних потоків, диктують водіям лінію їхньої поведінки в процесі руху.

Первинним, початковим елементом системи «Дорожні умови – транспортні потоки» є найпростіша, елементарна система «Автомобіль – водій – дорога» (рис. 1.2). У цій системі водій є керуючим органом, що сприймає й переробляє інформацію про умови руху та реалізує задану ними програму руху автомобіля, використовуючи для цього прямий зв'язок «водій – автомобіль». Чим більша щільність руху, тим більша кількість окремих систем «Автомобіль – водій – дорога» розміщується на ділянці дороги. У кожній окремо узятій системі зберігаються ті самі зв'язки, хоча характер їх прояву може бути не однаковий у залежності від типу автомобіля й індивідуальних особливостей водіїв. Сукупність окремих систем породжує нову систему «Дорожні умови – транспортні потоки», у якій у більшому або меншому ступені зберігаються зв'язки, властиві елементарним системам, але одночасно з цим починають діяти нові зв’язки, що виникають і міцніють у міру зростання інтенсивності та щільності руху.

Система «Автомобіль – водій – дорога» керована, тобто процеси в ній можуть здійснюватися з волі людини, але від збільшення інтенсивності та щільності руху дії водія стають усе більше обмеженими. Ця обмеженість можливостей водіїв полягає в тому, що відсутній прямий зв'язок між ним і дорогою, у результаті чого він не в змозі регулювати умови руху.

Рис. 1.2. Система «Автомобіль – водій – дорога»

Основними елементами підсистеми «Дорожні умови» є: геометричні елементи дороги, тип покриття, стан дорожнього покриття, обстановка дороги, а підсистеми «Транспортні потоки» – склад руху, його інтенсивність, щільність, швидкість, водії. Збільшення інтенсивності та щільності призводить у визначених дорожніх умовах до того, що рух стає щільним, неекономічним і небезпечним. Водії (шляхом управління окремими автомобілями) вже не в змозі змінити його характер у цілому. До того ж дорожні умови не здатні удосконалюватися і ставати кращими без втручання ззовні.

Управління системою «Дорожні умови – транспортні потоки» починається ще на стадії проектування дороги, причому проектні рішення є одним із найважливіших факторів оптимізації системи. На цій стадії основні функції з управління системою здійснюють проектні організації: технічну класифікацію автомобільних доріг і нормативи на їхнє проектування, а також проект розвитку оптимальної мережі доріг. Останній розробляється проектною організацією і є вихідною інформацією, коли питання про оптимізацію системи «Дорожні умови – транспортні потоки» на певному маршруті вирішується комплексно, пов'язується з умовами руху на інших маршрутах дорожньої мережі.

На стадії експлуатації систем її оптимізація може бути досягнута за рахунок поліпшення дорожніх умов у процесі утримання та ремонту доріг, а також за рахунок організації руху транспортних потоків шляхом управління ними. Для управління транспортними потокам можуть бути використані регулюючі пристрої, раціонально продумана обстановка та розмітка дороги, системи управління рухом тощо.

Для управління системою «Дорожні умови – транспортні потоки» потрібні дослідження та розроблення наступних завдань:

- оцінка і прогнозування інтенсивності та складу руху, швидкостей руху транспортних потоків, дорожньо-транспортних витрат, безпеки руху, пропускної здатності автомобільних доріг;

- оцінювання дорожніх умов;

- організація служби щодо оцінки та прогнозування показників системи «Дорожні умови – транспортні потоки»;

- розроблення системи збирання і опрацювання інформації з метою оцінки та прогнозування системи «Дорожні умови – транспортні потоки»; це питання містить у собі й розроблення технічних засобів для збирання та опрацювання інформації.

Дуже важливо й бажано звести всю необхідну для вирішення проблеми інформацію до можливого мінімуму. У зв'язку з цим потрібно досліджувати можливість оцінки, прогнозування й оптимізації показників системи «Дорожні умови – транспортні потоки» на підставі головних характеристик дорожніх умов (технічна категорія дороги, її геометричні елементи) і транспортних потоків (склад, інтенсивність, швидкість руху).

1.4. Інформація – основа управління системою «Дорожні умови – транспортні потоки»

Термін «інформація» – один із найбільш уживаних при розгляді керуючих систем. У загальноприйнятому сенсі під інформацією розуміють дані про навколишній світ, про подію, про діяльність.

Регулюючи матеріальний потік, маємо справу, насамперед, з інформацією. Використовуючи інформацію, що надходить із зовнішнього середовища, орган управління системи виробляє інформацію для внутрішнього управління. Без одержання і використання інформації не може здійснюватися управління.

Необхідно відмітити, що за відсутності заздалегідь виробленої реакції на визначений вплив, він у даний момент практично не принесе в систему відповідної інформації, що використовується для вибору того або іншого рішення. Таким чином, система здатна в даний момент «витягати» тільки ту інформацію, до використання якої вона виявилася підготовленою. Виходить, система повинна мати відповідний інформаційний потенціал – суму знань і досвіду, щоб зуміти скористатися інформацією, що надходить. Таким чином, інформація припускає можливість зрозуміти її та здатність діяти відповідно до неї.

Інформація складає смисловий фактор даних, що служать засобом для передавання визначених потенційно значимих факторів. Таким чином, можна сказати, що значення слова «інформація» знаходиться на семантичному (смисловому) рівні, тобто на рівні відносин між знаком (позначенням) і фактичним об'єктом або умовою, представленою знаком.

Останнім часом інформація часто розглядається як своєрідний ресурс поряд із сировиною, джерелами енергії, робочою силою. Якщо поставити запитання: які втрати ресурсів для суспільства є важчими – фізичні (через брак, корозію, розкрадання і т. д.) або через нестаток інформації (наприклад, немає даних про запаси сировини, про наявність потрібних фахівців і т. д.), то можна з упевненістю зауважити, що другий вид утрат не менш відчутний. Запобігти втратам від недоліку інформації й повинні інформаційні системи.

Системи опрацювання даних створюються для того, щоб з найменшими зусиллями виробляти на їх основі потрібну інформацію. Дані при цьому уявляють собою «сировину» для системи. Щоб «сировина» було використано більш ефективно, дані мають бути новими, точними, своєчасними.

Відзначимо деякі поняття, що вживаються при оцінці якості даних, інформації і самих інформаційних систем.

Поняття вірності. Під вірністю інформації розуміють вірність відображення в ній тих або інших явищ, процесів і т. д. Під вірністю даних розуміють відповідність (однаковість) їх у моменти складання і використання. Таким чином, у керуючій системі невірною може бути інформація через невірне відображення того або іншого явища.

Різні ж неточності в отриманих даних можуть з'явитися через перекручування в процесі одержання, збирання, передавання або опрацювання інформації. Причому перекручування даних не завжди приводить до перекручування самої інформації.

На практиці зазвичай користуються тільки поняттям вірності даних, обумовленим через імовірність помилки. Причому кількісне значення імовірності помилки спрощено знаходять із відношення числа виявлених помилок до загального числа переданих даних. У табл. 1.1 наведено орієнтовані величини імовірності помилки, що допускається, складені на основі дослідження економічних систем.

Хоча поняття «вірність інформації» та «вірність даних» розрізняються, в остаточному підсумку для керуючої системи вони зливаються в одне поняття – «вірність інформації». Як би не були перекручені дані в процесі їх передавання й опрацювання, вони будуть прийнятні, якщо на їх основі можна буде прийняти правильне рішення. І, навпаки, які б ми зусилля не витратили на збереження вірності даних, вони будуть марними, якщо інформація, закладена в них, невірна. Звідси зрозуміло те значення, яке потрібно надавати, насамперед, вірності складання інформації. Це положення здається очевидним, але в дійсності дуже часто його не дотримуються.

Поняття повноти. Будемо вважати отриману інформацію повною, якщо на її основі можна прийняти правильне рішення. Недостатність інформації призводить іноді до ухвалення неправильного рішення, а останнє, у свою чергу, може призвести до непоправних наслідків.

Поняття своєчасності. Будь-яка інформація (а отже, і дані, що утримуються в ній) повинна бути своєчасною, щоб вплинути на прийняте рішення. Повідомлення, що запізнилося, навряд чи може щось змінити – час пішов, подія відбулася. Документ, що надійшов про цю подію, лише її фіксує.

З інтенсифікацією процесів управління вимога своєчасності інформації стає усе більш жорсткою й набуває максимальної гостроти, коли система починає працювати в реальному масштабі часу (коли рішення потрібно приймати негайно).

Поняття цінності інформації. Цінність інформації залежить від підготовленості сприймаючої системи до її використання. Навіть одній і тій же людині в різний час одне і теж повідомлення несе різну інформацію. Отже, інформацію не можна оцінювати за змістом, обсягом і т. д. Оцінкою цінності та необхідності інформації може бути тільки ефект від її використання.

Поняття «цінність інформації» та «якість інформаційної системи» взаємозалежні й є основними при вивченні процесу опрацювання даних і одержання інформації. Часто говорять: запропонована система є цінною, тому що вона забезпечить кращу інформацію для прийняття рішень керівництвом. При цьому слово «краще», як правило, не визначається кількісно. Поліпшення просто згадуються як позитивні фактори, як щось недосяжне. Проте це часто сприяє сприйняттю нової системи.

Усі перераховані вище поняття – вірності, повноти, своєчасності та цінності інформації – складають комплекс показників, за якими зазвичай оцінюють інформаційну систему, порівнюють запропоновані варіанти поліпшення діючих систем, вибирають напрямки удосконалення інформаційної системи.

Проблема управління є досить складною. Основою оптимального управління є перетворення інформації в керуючих системах, тобто перетворення даних, якими обмінюються між собою керований об'єкт і система управління. Інформація буває такою, що повідомляється, такою, яка спрямована від сприймаючих пристроїв, і керуюча, яка спрямована від керованих органів до керованих об'єктів. Загальна схема циркуляції інформації в процесах управління має універсальний вигляд, а саме: каналом зворотного зв'язку інформація про стан керованого об'єкта передається в керуючу систему, перетворюється в ній і в перетвореному вигляді передається каналом прямого зв'язку на керований об'єкт. Теоретичні концепції управління містять у собі поняття мети та ефективних дій, спрямованих на її досягнення.

Процес управління складається з наступних елементів:

- збирання і опрацювання інформації;

- оцінка стану системи;

- прогноз стану системи в результаті удосконалення її окремих елементів;

- визначення оптимального стану системи.

Як уже вказувалось, основний метод оптимального управління полягає в оцінці та прогнозуванні стану системи ДУ– ТП. Розроблення цього методу вимагає досліджень і вирішення ряду завдань щодо викладених вище вузлових етапів оптимізації, а саме – оцінки і прогнозування:

- дорожньої мережі;

- геометрії доріг;

- проїзної частини;

- технічних засобів організації дорожнього руху;

- інтенсивності руху;

- швидкості руху;

- складу потоку;

- дорожньо-транспортних подій;

- дорожньо-транспортних витрат і т. д.

Усі ці завдання можуть бути вирішені тільки на основі статистичних досліджень, для чого необхідно розробити систему збирання та опрацювання інформації, а також алгоритми і програми для оцінки й прогнозування динамічних характеристик системи ДУ – ТП.

Безпосередній прямий зв'язок між ТП і ДУ виявляється в завантаженні проїзної частини автомобілями, унаслідок чого виникають деформації дорожнього одягу і зменшується вільна від транспорту площа проїзної частини, тобто зменшується простір для маневрування автомобілів, змінюється пропускна здатність дороги. Інформація про умови руху, що змінилися, каналами зворотного зв'язку передається підсистемі ТП, що переробляється в ній, у результаті чого міняються характеристики транспортних потоків: траєкторії, швидкості, щільність і інтенсивність руху. У ряді випадків отримана інформація, вимагає зміни дорожніх умов, однак розширення проїзної частини, пом'якшення подовжніх схилів і т. д. можливі за умови, що інформація надійде не до водіїв, а в певний керуючий центр.

Після опрацювання інформації в керуючій системі (КС) від неї до системи ДУ – ТП каналами прямого зв'язку мають надійти накази або рекомендації щодо удосконалення стану всієї системи в цілому. Для реалізації цих наказів необхідна система виконавчих органів (СВО), яку можна розглядати як самостійну систему або як сукупність окремих елементів, що впливає частково на підсистему ДУ, і частково – на підсистему ТП. Вилучення з приведеної схеми (рис. 1.1) блоку КС або блоку СВО робить систему ДУ–ТП розімкненою та некерованою.

Інформація про характеристики підсистем може надходити не в КС, а безпосередньо в СВО, але окремі елементи СВО здатні опрацювати тільки її частину, дати і реалізувати лише ті рекомендації, що логічно випливають із функцій, властивих СВО.

Загальний аналіз потоків первинної інформації в системі «Дорожні умови – транспортні потоки» показує, що всю масу повідомлень, пов'язану з її оптимізацією, можна поділити на дві основні групи, перша з яких включає одиничні (окремі) повідомлення, відділені одне від одного відрізками часу, що визначаються кількома роками або навіть десятками років, а друга, навпаки, вимагає проведення декількох спостережень або навіть десятків спостережень протягом одного року.

До групи одиничних повідомлень можна відносити:

а) повідомлення про процеси, що не змінюються в часі або такі, що змінюються дуже повільно – це, в першу чергу, зміни природних умов району: топографії, клімату, гідрологічних і гідрогеологічних режимів, ґрунтів, геології, рослинності та ін.;

б) повідомлення про процеси, що змінюються більш швидко. Це процеси, що вивчаються, головним чином, у зв'язку з соціально-економічними змінами: розвиток продуктивних сил району, транспортних зв'язків, потік вантажних і пасажирських перевезень, зміни геометрії доріг і споруд на них, якості покриттів та інші, а також у зв'язку з безаварійністю руху та роботи дороги. Інформація цього типу, як правило, збирається з інтервалами в кілька років.

До групи масових повідомлень треба відносити повідомлення про характеристики руху автомобільних потоків.

Якщо одиничні повідомлення, як уже вказувалося, одержують при вивченні документів, довідників, інструкцій, на підставі опитування працівників транспортних та інших організацій про їх економічну діяльність, шляхом направлення в досліджувані райони пошукових партій, то основою для дослідження закономірностей руху транспортних потоків є безпосереднє, візуальне або апаратурне спостереження.

З усіх розглянутих видів первинної інформації цей вид є найбільш рухомим у часі. Він складається з даних про параметри руху окремих автомобілів, що характерний циклічними змінами протягом тижня, сезону, року; вимагає збирання даних по всій довжині дороги або на спеціально виділених для цього її ділянках, по всіх дорогах району протягом року за графіком; відображає зміну економіки району, стану доріг і споруд; тенденцій до безперервного зростання інтенсивності та складу руху. Окремі характеристики руху пов'язані між собою і на кожному досліджуваному поперечнику дороги мають бути одержані одночасно.

Таким чином, одними з перших завдань дослідження є:

- визначення й обмеження обсягу первинної інформації;

- виокремлення обсягу і розроблення методів одержання похідної інформації;

- збирання і перероблення первинної інформації;

- означення сфери використання первинної та похідної інформації.

Контрольні питання

1. Особливості організації дорожнього руху на автомобільних дорогах і вулично-дорожній мережі міст.

2. Логістика системи «Дорожні умови - транспортні потоки».

3. Охарактеризуйте систему «Дорожні умови – транспортні потоки».

4. Основні завдання автомобільного транспорту.

5. Зв’язки системи «Дорожні умови – транспортні потоки».

6. Охарактеризуйте систему «Автомобіль – водій – дорога».

7. Основні завдання системи «Дорожні умови – транспортні потоки».

8. Інформація – основа управління системою «Дорожні умови – транспортні потоки».

9. Із яких елементів складається процес управління ОДР.