Підвищення якості транспортного обслуговування населення міст за рахунок впровадження інтегрованих технологій на міському пасажирському транспорті

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню науково-прикладного завдання підвищення якості транспортного обслуговування населення міст шляхом розробки та впровадження інтегрованих технологій на міському пасажирському транспорті (МПТ) у пересадочних вузлах на принципах сталої міської мобільності. Міські пасажирські перевезення в сучасних умовах в Україні характеризуються зростанням вимог до якості транспортного обслуговування, необхідністю розвитку інтегрованих транспортних систем та формування безшовної міської мобільності в межах міських транспортних вузлів (Urban Nodes), які відіграють важливу роль в інтеграції вітчизняної транспортної мережі з Транс’європейською транспортною мережею TEN-T. Водночас значна частка приватних перевізників, які обслуговують маршрути за історично сформованими маршрутними мережами у містах, створює нерівномірний розподіл транспортної пропозиції, знижує ефективність роботи міського електротранспорту, як опорного виду громадського транспорту, та ускладнює впровадження змін, спрямованих на реалізацію принципів сталої міської мобільності. Унаслідок цього зберігається високий рівень дублювання маршрутів, що спричиняє скупчення рухомого складу громадського транспорту в ключових пересадочних вузлах, нерівномірність інтервалів руху, зниження якості транспортного обслуговування населення та рівня безпеки дорожнього руху. Все це, в свою чергу, посилює відмову частини населення від послуг громадського транспорту на користь приватних автомобілів. Саме тому актуальним є розвиток моделей, методів і адаптивних управлінських рішень, що забезпечують координацію роботи різних видів МПТ шляхом динамічного узгодження параметрів їх функціонування з метою підвищення якості транспортного обслуговування населення відповідно до принципів сталої міської мобільності. У дисертації проведено систематизацію наукових джерел та розглянуто теоретичні засади забезпечення якості транспортного обслуговування населення міст у контексті сталої міської мобільності, досліджено закономірності порушення регулярності руху в умовах високого рівня дублювання маршрутів та обґрунтовано необхідність інтегрованої координації міжмаршрутної і міжвидової взаємодії МПТ у пересадочних вузлах з урахуванням ролі міського електротранспорту як опорного елемента транспортної системи. Встановлено, що одним із ключових чинників забезпечення якості транспортного обслуговування є координація МПТ, узгодження моментів прибуття транспортних засобів в ключових пересадочних вузлах, особливо в умовах функціонування різних видів транспорту. Водночас недостатньо дослідженими залишаються питання координації роботи МПТ на муніципальних та приватних автобусних маршрутах із тролейбусними маршрутами в умовах нерівномірності транспортної пропозиції в міських транспортних мережах з урахуванням експлуатаційних обмежень міського електротранспорту. Більшість запропонованих підходів зосереджено або на статичному оцінюванні часу очікування пасажирів на зупиночних пунктах і в пересадочних вузлах, або на динамічному управлінні інтервалами руху в межах однорідних транспортних потоків, що не повною мірою враховує взаємодію різних видів МПТ. У роботі запропоновано розглядати інтегровану координацію маршрутів різних видів МПТ як комплекс організаційних, інформаційних, управлінських та економічних рішень, спрямованих на підвищення якості транспортного обслуговування населення міст. За результатами аналізу існуючих підходів обґрунтовано доцільність розробки інтегрованої адаптивної системи координації (ІАСК) роботи різних видів МПТ та механізму компенсації перевізникам як ключових складових збалансування транспортної пропозиції, підвищення якості транспортного обслуговування населення і привабливості громадського транспорту. Одним із ключових результатів дослідження є формування науково-методичного підходу до адаптивного управління координацією роботи різних видів МПТ у пересадочних вузлах, який враховує умови скупчення рухомого складу у пересадочних вузлах та експлуатаційні обмеження міського лектротранспорту. Запропонований підхід базується на мережево-динамічній моделі координації роботи різних видів МПТ, побудованій із використанням адаптованої моделі Курамото та спектрального аналізу графа маршрутної мережі, де параметр порядку R використовується в якості індикатору координаційної складової якості транспортного обслуговування через здатність системи досягати та утримувати стан функціональної сталості у пересадочних вузлах. Модель адаптує класичне формулювання Курамото шляхом обмеження матриці зв'язку структурою графа маршрутної мережі, тобто маршрути взаємодіють лише у пересадкових вузлах. Розроблена модель забезпечує міжвидову координацію з електротранспортом як опорним елементом транспортної системи з фіксованою фазою з урахуванням експлуатаційних обмежень. Адаптовано класифікацію фазових станів системи до задачі координації різних видів МПТ, що дозволяє ідентифікувати неузгоджений, частково узгоджений режими функціонування транспортної системи та режим стійкої координації за рівнем узгодженості інтервалів прибуття транспортних засобів у пересадочний вузол. Експериментальні дослідження в роботі реалізовані на трьох рівнях: транспортне моделювання у програмному середовищі PTV VISUM, статистична перевірка гіпотез дослідження та імітаційне моделювання динамічного процесу координації різних видів МПТ в пересадочному вузлі для трьох типів: «тролейбус – муніципальний автобус», «тролейбус – тролейбус» та «тролейбус – маршрутне таксі». Транспортне моделювання проведено у програмному комплексі PTV VISUM з метою отримання матриці маршрутних пересадок на прикладі зупиночного пункту «Філармонія» у м. Хмельницькому, що функціонує як перевантажений пересадочний вузол із високим рівнем дублювання маршрутів різних видів транспорту. Валідацію транспортної моделі проведено шляхом порівняння змодельованих значень із даними, отриманими в результаті натурних спостережень у період пікового навантаження, за показником накопиченої кількості моментів прибуття транспортних засобів у пересадочний вузол протягом цього періоду. Цей показник дозволяє порівняти фактичну та змодельовану інтенсивність обслуговування вузла, а також оцінити рівномірність прибуття транспортних засобів у часі. За результатами моделювання із застосуванням принципу Парето визначено групу найбільш значущих маршрутів, частка яких становить близько 20 % від загальної кількості маршрутів, що проходять через пересадочний вузол, тоді як на них припадає близько 80 % обсягу маршрутних пересадок у досліджуваній маршрутній мережі. Для оцінки фактичного рівня координації МПТ в пересадочному вузлі виконано розрахунок параметра порядку Курамото R(t) за моментами прибуття транспортних засобів на зупиночний пункт, отриманими на основі GPS-даних інформаційного сервісу EasyWay. Програмний модуль збору GPS-даних реалізовано мовою Python з використанням бібліотек requests та beautifulsoup для парсингу веб-сторінок. Отримане значення параметру порядку R (0,3) характеризує неузгодженість руху та відсутність стійкої синхронізації інтервалів та моментів прибуття транспортних засобів. Це узгоджується з результатами натурних спостережень, які засвідчили нерівномірність прибуття транспортних засобів і випадки їх скупчення в пересадочному вузлі. Імітаційну модель реалізовано мовою Python для групи значущих маршрутів за сценарним підходом моделювання фазових станів транспортної системи: частково узгоджений режим функціонування, за якої маршрути тролейбусів і комунальних автобусів є керованими централізованою диспетчерською системою, тоді як маршрутні таксі функціонують поза системою координації; неузгоджений режим функціонування відповідає поточному режиму функціонування без адаптивного управління, за якого інтервали руху постійно змінюються, а транспортні засоби поступово зближуються між собою. Режим стійкої координації розглянуто як цільовий режим адаптивного управління з прогнозованими інтервалами руху для всіх маршрутів. Такий підхід дозволив оцінити узгодженість параметрів роботи різних видів МПТ та врахувати роль тролейбусного транспорту як опорного елемента інтегрованої системи координації. За результатами імітаційного моделювання визначено емпіричні межі фазових станів функціонування системи МПТ за значенням Rmod, зниження якого нижче встановленого порогу свідчить про втрату узгодженості прибуття транспортних засобів, зростання нерівномірності інтервалів руху та зниження якості транспортного обслуговування пасажирів під час пересадки, що може розглядатися як чинник зниження привабливості громадського транспорту. Для оцінки впливу факторів на показники якості координації проведено повнофакторний експеримент. Результати дисперсійного аналізу повнофакторного експерименту підтвердили статистично значущий вплив варіативності інтервалів прибуття на модифікований параметр порядку Rmod за критерієм Фішера. За поточної структури маршрутної мережі, вплив інших факторів на параметр Rmod є менш вираженим порівняно з варіативністю інтервалів руху. Такий результат пояснюється структурною заблокованістю системи у неузгодженому режимі функціонування МПТ, що зумовлено низькою алгебраїчною зв’язністю графа пересадочних зв’язків (0,0079). Таким чином, за наявної конфігурації пересадочних зв’язків збільшення сили керуючого впливу або частки інтегрованих перевізників до централізованої диспетчерської системи саме по собі не гарантує переходу системи до режиму стійкої координації. Це свідчить, що першочерговим завданням є не лише посилення диспетчерського регулювання, а насамперед зменшення варіативності інтервалів прибуття та підвищення структурної зв’язності маршрутної мережі. На основі отриманих результатів сформовано практичні рекомендації щодо впровадження ІАСК роботи різних видів МПТ, які передбачають вирівнювання інтервалів руху значущих маршрутів, переорієнтацію маршрутів, що обслуговуються в режимі маршрутного таксі, з дублюючих магістральних ділянок на підвізні напрямки, формування єдиної інформаційної бази, впровадження системи підтримки прийняття рішень диспетчером з можливістю API-інтеграції до автоматизованої системи диспетчерського управління та використання результатів моніторингу для впровадження та реалізації механізму компенсації перевізникам. Запропонований підхід сприяє збалансуванню транспортної пропозиції, підвищенню якості транспортного обслуговування та реалізації принципів сталої міської мобільності. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше запропоновано підхід до координації різних видів міського пасажирського транспорту у пересадочних вузлах на принципах сталої міської мобільності, який на відміну від існуючих, забезпечує узгодження параметрів роботи транспорту на основі розробленої мережево-динамічної моделі. Набула подальшого розвитку технологія оперативної координації роботи різних видів міського пасажирського транспорту у пересадочних вузлах, яка, на відміну від існуючих, враховує фазовий стан транспортної системи під час вибору керуючих впливів для різних типів міжвидової взаємодії транспорту, що забезпечує вирівнювання інтервалів прибуття транспортних засобів у пересадочний вузол. Практичне значення одержаних результатів полягає у полягає у розробленні методики оперативної оцінки та алгоритму автоматизованої системи підтримки прийняття рішень диспетчером щодо вибору керуючих впливів для адаптивного управління координацією роботи різних видів МПТ у пересадочних вузлах. Використання розроблених моделей, алгоритмів і рекомендацій для впровадження ІАСК дозволяє органам місцевого самоврядування обґрунтовувати рішення щодо збалансування транспортної пропозиції та зменшення рівня дублювання маршрутів, диспетчерським службам – оперативно виявляти порушення узгодженості прибуття транспортних засобів і запобігати їх скупченню, а замовнику транспортних послуг і перевізникам – застосовувати механізм компенсації з урахуванням виконаної транспортної роботи, якості послуг і відповідності рухомого складу екологічним стандартам. Результати дослідження рекомендовано до впровадження в практичну діяльність диспетчерської служби Управління наземної інфраструктури КП «Харківський метрополітен» м. Харків, що здійснює оперативний контроль та диспетчерське управління роботою МПТ; та використовуються у навчальному процесі ХНАДУ під час викладання дисципліни «Пасажирські перевезення», що підтверджується актами впровадження.