Розробка методу моделювання пасажирських кореспонденцій

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню науково-прикладної задачі удосконалення методів моделювання випадкових станів транспортного попиту на пересування пасажирів у містах шляхом розроблення методу поетапної гарантованої генерації матриць пасажирських кореспонденцій (МПК), використання якого дозволить підвищити точність прогнозів у межах інтервальної концепції (ІК) моделювання транспортних потреб у пересуванні громадським транспортом (ГТ). Актуальність теми дослідження зумовлена зростанням складності міських транспортних систем (ТС), підвищенням вимог до точності прогнозування попиту на перевезення та необхідністю врахування стохастичної природи пересувань. Сучасні умови функціонування ТС характеризуються варіативністю поведінки користувачів, впливом соціально економічних, просторових і часових факторів, а також високим рівнем невизначеності вхідних даних. У таких умовах застосування традиційних методів формування матриць кореспонденцій (МК), які передбачають отримання одного розрахункового варіанта матриці, не забезпечує належного рівня адекватності моделей транспортного попиту. У роботі виконано системний аналіз існуючих методів формування МК, визначено їх переваги, недоліки та межі практичного застосування. Доведено, що традиційні методи не забезпечують належного рівня відтворення випадкової природи попиту на пересування пасажирів, що знижує гнучкість транспортних моделей і обмежує можливості прийняття обґрунтованих управлінських рішень на основі інформації, отриманої з використанням зазначених методів. Синтетичні (гравітаційні та ентропійні) моделі дозволяють формалізувати процес розподілу попиту, проте не забезпечують формування множини альтернативних станів транспортного попиту. Методи формування вантажних МК у значній мірі є адаптацією пасажирських підходів і не мають самостійної методологічної бази. Також у дисертації обґрунтовано доцільність формування множини допустимих випадкових МК замість одиничного її варіанта. Такий підхід дозволяє враховувати невизначеність і варіативність попиту, підвищує стійкість результатів транспортного моделювання та створює передумови для застосування інтервальної концепції (ІК) моделювання попиту на пересування пасажирів ГТ. Одним із основних недоліків ІК є відсутність формалізованого інструментарію щодо заповнення діапазону можливих станів транспортного попиту випадковими варіантами МК, на які накладалися б групові обмеження, що характеризують результати транспортного процесу. Базовий метод генерації випадкових МК у цьому випадку є обмеженим і не гарантує успішного результату моделювання матриць за умов накладання додаткових обмежень на їх генерацію матриць. З метою усунення виявлених недоліків і обмежень розроблено метод гарантованої генерації випадкових МПК, який ґрунтується на принципах інтервального моделювання транспортного попиту, урахуванні одиничних і групових обмежень транспортного процесу, статистичному відтворенні закономірностей розподілу кореспонденцій та забезпеченні максимально можливого рівня випадковості у сформованих матрицях. Метод реалізує поетапний розподіл попиту між транспортними районами (ТР) з урахуванням максимально можливого на сьогоднішній день переліку обмежень на генерацію МПК. Гарантований характер розробленого методу полягає у забезпеченні виконання заданої системи обмежень із контрольованою величиною допустимих відхилень. У роботі сформульовано критерії прийнятності згенерованих матриць. Ідеальним вважається варіант, за якого всі обмеження виконуються повністю. Водночас з урахуванням ітераційної природи процесу генерації обґрунтовано допустиму величину нерозподілених кореспонденцій – не більше (0,25–1) % від загального обсягу попиту та не більше 1 % у межах окремих групових обмежень. У роботі доведено, що такі відхилення не призводять до суттєвого викривлення характеристик ТС та можуть розглядатися як статистично несуттєві. Запропонований метод гарантованої генерації МПК забезпечує збереження високого рівня випадковості сформованих матриць. Доведено, що розподіл величин елементів МК, отриманих із застосуванням розробленого алгоритму, відповідає показниковому закону розподілу (ЗР). Відповідність підтверджено статистичними критеріями згоди Пірсона та Колмогорова Смирнова. Це свідчить про те, що поетапна процедура не порушує стохастичну природу процесу розподілу попиту, а лише забезпечує його структурну впорядкованість і відповідність заданим обмеженням. З метою перевірки ефективності запропонованого методу здійснено моделювання множини альтернативних МК за різних значень керуючих параметрів для роботи алгоритму у межах ІК визначення транспортного попиту для системи міського ГТ м. Харкова. Для оцінювання станів згенерованих МПК використано показники транспортної роботи та середньої відстані пересування пасажирів. У результаті встановлено, що найбільш ймовірні значення транспортної роботи з реалізації МПК перебувають у межах [3904482,8;3916649,9] пас.-км, а середньої відстані пересування пасажирів у ГТ – у межах [8,931;8,959] км. Результати порівняльного аналізу показали, що застосування розробленого методу забезпечує суттєве звуження інтервалів можливих станів транспортного попиту порівняно з екстремальним теоретичним діапазоном: транспортна робота скорочується у 549 разів (на 99,8 %), а середня відстань пересування – у 545 разів (на 99,7 %). При цьому 76 % згенерованих матриць належать до вузького інтервалу найбільш ймовірних значень транспортної роботи, що свідчить про стабільність і надійність отриманих результатів. Отримані у дисертації результати підтвердили доцільність використання ІК моделювання транспортного попиту, яка передбачає формування не одиничної МК, а множини допустимих альтернативних станів. Такий підхід забезпечує більш повне відображення невизначеності транспортного попиту, дозволяє аналізувати спектр можливих сценаріїв розвитку ТС та підвищує стійкість управлінських рішень до змін зовнішніх умов. Отримані наукові та практичні результати створюють методичне підґрунтя для подальшого розвитку інтервального моделювання транспортного попиту та впровадження розробленого методу у практику транспортного планування в українських і зарубіжних містах. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше запропоновано метод гарантованої генерації випадкових МК, який, на відміну від існуючих, забезпечує формування заданої кількості допустимих станів транспортного попиту за наявності додаткових, у тому числі групових, обмежень при генерації матриць зі збереженням випадковості заповнення їх елементів і застосуванням механізму попередження тупикових ситуацій при розподілі кореспонденцій. Отримала подальший розвиток ІК моделювання потреб населення у пересуваннях за рахунок доповнення механізмом формування проміжних станів транспортного попиту всередині допустимого інтервалу, що істотно розширює можливості практичного використання ІК у задачах транспортного планування і моделювання. Практичне значення результатів дослідження полягає в можливості використання розробленого методу гарантованої генерації випадкових МК у процесі транспортного планування та моделювання міських транспортних і маршрутних систем за умов обмеженої, неповної або статистично ненадійної вихідної інформації про транспортний попит. Використання отриманих результатів дає змогу здійснювати комплексну оцінку ефективності альтернативних варіантів розвитку ТС з урахуванням випадкового характеру попиту на пересування, а також підвищувати обґрунтованість управлінських, проєктних рішень у галузі транспортних технологій та оцінювати не лише ефективність, а і надійність їхнього впровадження. Результати дослідження можуть бути застосовані при розробленні та коригуванні комплексних схем транспорту, планів сталої міської мобільності, оптимізації маршрутних мереж ГТ, а також у науково-дослідних і проєктних роботах із використанням сучасних програмних комплексів транспортного моделювання. Положення та висновки дисертаційної роботи доцільно використовувати в освітньому процесі закладів вищої освіти транспортного профілю під час викладання дисциплін, пов’язаних із транспортним плануванням, моделюванням транспортного попиту та аналізом функціонування міських ТС.