Суть проблемы. До самого последнего времени технико-экономическое обоснование реконструкции и нового строительства автомобильных дорог производилось на основе прямого счета грузовых связей между грузообразующими пунктами, а пассажирские потоки брались коэффициентом от грузового движения, возрастающего по мере автомобилизации. Однако после того как легковые автомобили на подходах к городам стали преобладающими, старый метод оказался совершенно неприемлем. В этих условиях наиболее адекватными становятся методы косвенного счета, которые для городского движения применяются, по крайней мере, сто лет и тем не менее недостаточно известны дорожникам.
Краткая история вопроса. Первые приемы использования косвенных зависимостей для расчета пассажирских потоков относятся еще к середине XIX в., когда стали развиваться конки. Совершенствование этих методов относится к эпохе начала строительства электрических трамваев и метрополитенов. Пожалуй, наиболее продвинутыми для своего времени были расчеты будущего движения в транспортных схемах Филадельфии (1912 г.) и Большого Нью-Йорка (1925 г.). Заметим, что схемы выполнялись в составе генеральных планов этих городов, а движение охватывало все виды транспортных средств, включая, естественно, и автомобили. Основной идеей косвенного счета было использование гравитационной аналогии в виде вероятностной интерпретации, получившей впоследствии наименование обобщенной гравитационной модели.
В нашей стране подобные подходы начали применяться в начале 30-х годов XX в. для городов с большим новым промышленным и жилищным строительством на Украине и Урале, затем в генеральных планах Москвы и Ленинграда. Заметим, что исследование закономерностей городского движения с помощью косвенного моделирования применялось в СПб еще в начале XX в., а уже к началу 30-х годов в СССР возникла первоклассная школа теоретиков городского движения в лице, прежде всего, А.Х. Зильберталя, Г.В. Шелейховского, А.М. Якшина. К сожалению их разработки до сих пор слабо известны за рубежом, а у нас – студентам автомобильно-дорожных институтов.
Интересно, что использование примитивных табуляторов для производства трудоемких транспортных расчетов началось еще с транспортной схемы Филадельфии. С начала 60-х годов стали использоваться большие ЭВМ второго поколения.
После введения в оборот энтропийной аналогии для городского движения с 1967 г. косвенные методы расчета стали преобладающими, они были поставлены на поток. Характерно, что адекватность расчетов по сравнению с ручными разнообразными подходами прежнего времени не увеличилась, зато на порядки сократилось время их производства. Это позволило производить многовариантные расчеты, которые ранее были недоступны. Общим недостатком такого типа прогнозных расчетов городского движения, выявившимся на базе анализа более тридцатилетнего их массового использования, является почти совершенное отсутствие сравнения запроектированного и реального развития, выявления ошибки прогноза движения, произошедшей за счет непредвиденного движения базовых исходных данных, или за счет не адекватности самой энтропийной схемы. Эта двусмысленность процедуры и результатов существующих подходов оценки будущих транспортных потоков остается до сих пор белым пятном как в теории, так и практике.
Требования со стороны практики к уровню точности моделирования перспективного движения. Перспективные расчеты будущего движения на дорогах и улицах за пределами 10-ти летнего периода в практике технико-экономических обоснований отклонялись по прошествии этого упреждения в разы. Это мало кого удивляло, ибо считалось, что предприятия дали недоброкачественную исходную информацию на перспективу, население росло непредвиденными темпами, материальный уровень не соответствовал первоначальной гипотезе и т.п. В городах и городских агломерациях такого типа отклонения стали не единичными явлениями, а правилом. Поэтому в современных условиях нестабильного и скачкообразного развития стали использовать практику непрерывного перспективного планирования и прогнозирования. При таком подходе существующие потоки берутся за твердую исходную базу, а перспектива разрабатывается в виде беспрерывной погодовой корректуры в зависимости от происходящих изменений в экономике и социуме. В таком процессе бывшие ранее отклонения от проектировавшихся потоков в разы уже совершенно неприемлемы.
Более того процесс анализа существующего движения и процесс определения перспективного движения при такой технологии превращаются в единый процесс. Однако такой подход трудно осуществим для совершенно новых крупных транспортных сооружений: крупных мостов через водотоки, тоннелей, многополосных новых автомагистралей. Практика показала, что для погодовой корректурной технологии определения перспективного движения нужно соблюдать критерий точности расчетов в размере максимально 5-7% (среднее при этом 1,7-2,3%), а для крупных транспортных сооружений при упреждении 10 лет – максимально 20%, на 20 лет – соответственно 30% и на 50 лет – не более 50%.
В единстве процессов погодового проектирования движения и его более отдаленной перспективы видится путь преодоления того противоречия в расчетах перспективного движения, о котором говорилось выше.
Существующие подходы к прогнозу перспективного движения в городах и агломерациях. Наиболее существенной стороной принципов моделирования передвижений населения и грузов является содержательный и формальный, статичный и динамический подходы. Классификация всего многообразия существующих моделей движения рассмотрим в хронологической последовательности появления самых первых идей и модельных построений:
1840 г. - рациональные принципы общежитейского
харак-тера (так называемого "здравого смысла");
1850 г. - принципы формальных аналогий с закономерностями
из других областей знания;
1875 г. - содержательные принципы использования конкретных
закономерностей собственно движения населения и грузов
(устойчивость их параметров, тенденций, взаимосвязей);
1890 г. - содержательный принцип динамической связности
одновременно происходящих явлений;
1898 г. - формальные вероятностные дедуктивные принципы;
1925 г. - переложение прежних аналогий из физики на вероятностный
язык (в частности, гравитационной модели);
1929 г. - формальные принципы аппроксимации, типа множественной
регрессии;
1939 г. - вероятностная модель последовательных возможностей;
1954 г. - статистический принцип факторов роста;
1957 г. - формальный оптимизационный подход;
1961 г. - вероятностная модель конкурирующих возможностей;
1967 г. - формальные модели максимизации энтропии;
1998 г. - содержательная модель, использующая устойчивость
распределения суммы всех корреспонденций по времени передвижения
как результат пространственной самоорганизации населения.
Дальнейшее развитие моделирования городского
движения происходит в нескольких направлениях:
а) использование новейших методов анализа временных рядов
с помощью скользящего спектрально-временного анализа (так
называемые СВАН-диаграммы);
б) адаптация стандартных табличных компьютерных программ
для расчета матриц корреспонденций и других характеристик
движения с помощью агрегации исходных данных и применения
различных конкретных моделей;
в) более тонкое использование в расчетных моделях, нащупанных
за последние сорок лет, содержательных закономерностей
движения, в частности, пространственной самоорганизации
населения и ее констант:
г) использование продвинутых процедур обработки экспертных
оценок;
д) создание адекватных и работоспобных моделей укрупненного
или косвенного счета основных характеристик движения.
Таким образом, в современных условиях перед дорожниками открывается большой спектр принципиальных подходов и конкретных расчетных приемов для анализа и прогноза движения в городах и агломерациях. Важнейшим звеном в процессе адаптации сравнительно новых для дорожников методов расчета является путь органического соединения прошлых принципов расчетных приемов прямого счета с теми, которые уже более ста лет используются транспортниками в городах. Стена профессиональной или цеховой разобщенности в новых условиях взрывной автомобилизации в России должна естественным образом быть разрушена.
Принципиальные недостатки гравитационного
и энтропийного подходов к расчету транспортных потоков.
С точки зрения научной корректности применение этих аналогий
для движения транспортных потоков, вызывает большие сомнения:
а) в гравитационной модели планеты не обмениваются массами,
а во взаимодействии транспортных районов обмениваются;
в этой аналогии процесс тяготения устанавливается мгновенно,
а в реальности всегда существует временной лаг установления
связей;
б) в энтропийной аналогии люди, грузы уподобляются молекулам
в газе и действуют по канализированному броуновскому движению
совершенно независимо друг от друга; на самом деле людские
потоки зависимы как в семейном, так и социальном аспектах,
так же и грузы соподчиняются по роду, весу, партионности
и т.п. Примечательно, что расчетчики городского движения
обычно мало внимания обращали на аксиоматическую или концептуальную
сторону моделей, их интересовала главным образом прозрачность
расчетных приемов, возможность компьютеризации и работы
с большими массивами информации. На самом деле продвижение
по пути увеличения адекватности моделирования лежит в плоскости
принятых основополагающих аксиом.
Пути совершенствования моделирования городского и пригородно-городского транспортного движения. Из предыдущего изложения становится ясным, что физико-механические аналогии для городского движения по большей части уже исчерпали себя. Нужен подход, черпающий идейную основу непосредственно из закономерностей взаимодействия населения, производства с транспортными потоками. Главным здесь является установление вида обратной связи или реакции пространственно размещенных объектов на подвижки в транспортном обслуживании: начертании сети, ее мощности (пропускная и провозная способность, скорость движения, надежность и регулярность сообщения, комфортность и безопасность транспортировки).
Изучение подобного типа закономерностей началось исподволь еще в XIX в. Пожалуй, первой работой можно назвать исследование И. Тюнена (1826 г.), в котором устанавливался вид экономического ландшафта под влиянием транспортных путей. Дальнейшим значительным продвижением явилась работа Л. Лаланна (1862 г.), в которой транспортный инженер-практик выявил, что опорные центры для проектируемой железнодорожной сети располагаются в узлах шестиугольной сетки. Это открытие было затем в XX в. неоднократно переоткрыто и развито - В. Кристаллер, 1933 г., А. Леш, 1956 г. и др.
С другой стороны, параллельно, но примерно с двадцати-летним лагом шло изучение собственно транспортных потоков. Главным с точки зрения рассматриваемой темы здесь явился вид распределения величины транспортных объемов, длины перемещений, интенсивности движения. Во всех этих распределениях обнаружился одинаковый вид функции, который в дальнейшем стал описываться двухпараметрическим логнормальным законом распределения вероятностей. Это существенно нелинейная зависимость по существу демонстрировала необходимость отхода от простых линейных или близких к линейным зависимостям, которые в основном широко использовались до этого в транспортных исследованиях и расчетах. Отчетливо обнаруживался сложный и слабо предсказуемый вид обратной связи. В этом смысле можно смело сказать, что транспорт, как и в случае с моделями линейного программирования в конце 30-х начале 40-х гг. ХХ в., явился опытной базой для возможного продвижения в создании сложных синергетических моделей современного типа.
Одновременно с чисто транспортными закономерностями обнаружилось, что в совершенно якобы другой области - географии населения - аналогичный вид имеют зависимости распределения населенных пунктов по их людности. Это открытие слабо увязывалось с бытующими до сих пор схемами шестиугольной сетки и практически не используется ни в научных, так и практических работах. Одинаковый вид транспортных и расселенческих явлений однозначно говорит об одинаковой их природе, но механизм появления однотипных распределений до сих пор ускользает. Наиболее просматриваемая версия состоит в том, что в замкнутых фигурах нарастание площади по расстоянию относительно ее центра происходит по нелинейному закону с модой и положительной асимметрией.
Еще одним направлением, которое уже вроде бы совер-шенно находится в стороне от транспорта, но также обнаружило тот же тип распределения, явилась дифференциация населения по денежному доходу. В 60-х годах исследователи аппроксимировали распределение по доходу логнормальным распределением вероятностей, сначала двухпараметрическим, затем уже в самое последнее время трехпараметрическим. Что это? Простое совпадение или есть глубокая непознанная пока связь разнородных явлений?
Следует добавить, что вообще логнормальный закон в теории вероятностей и математической статистике стал использоваться с 20-х годов XX в. А в 1942 г. А.Н. Колмогоров теоретически вывел, что частицы при дроблении должны подчиняться этому закону.
Значит получается некоторый ансамбль на первый взгляд далеко отстоящих явлений, но описываемых одинаковым типом существенно нелинейного распределения: транспорт- население - населенные пункты - материальный уровень населения.
Не хватает вроде бы некоторой существенной детали, чтобы проникнуть в объединительный механизм появления одинакового типа этих распределительных закономерностей. Гипотетически это может быть закономерность пространственного распределения объектов и их связей более высокого уровня – типа изоморфизма территориальной организации. Заметим, что понятие изоморфизма проникло в русскую научную литературу с забытой сейчас работы Д.И. Менделеева (Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу. – СПб., 1856 г. – 234 с.). Суть изоморфизма сводится к тому, что пространственная форма объектов подобна и не зависит от масштаба. В современной западной литературе это явление более известно в виде понятия фрактальных структур.
По пути обнаружения пространственного изоморфизма в развитии транспортных сетей на любом уровне иерархии (город, агломерация, региональная система, страна) и любых видов сухопутного транспорта пошел С.А. Тархов, который в цикле работ с конца 70-х годов обнаружил неожиданно и впервые в мировой литературе конфигурационную (топологическую) последовательность развития транспортных сетей. Никакой версии к объяснительному механизму этому открытия он не дал, зато продемонстрировал его на огромном массиве информации по различным объектам в разных странах по меньшей мере за 150 лет.
Автор с середины 60-х годов рассматривал не геометри-ческие формы транспортных сетей, а их пространственно-временные закономерности, считая, что основным назначением транспорта является в конечном счете достижение определенного уровня времени сообщения. Меняется в историческом плане размещение объектов, их величина и меняется скорость сообщения. Феномен, открытый на этом пути, заключался в том, что длина перемещения и скорость в усредненном измерении меняются синхронно, а время сообщения остается примерно постоянным. Явление это было названо пространственной самоорганизацией населения, а рассматриваемый феномен соответственно ее константой. Это явление было открыто сначала для городов и их пригородных зон. В последующем подтверждено независимыми работами как отечественных, так и зарубежных исследователей и практиков. К тому же этот результат координировался с закономерностью устойчивости так называемой часовой подвижности населения в дальнем сообщении, выявленной Фридменом (1955 г.) и подтверждений Л.И. Василевским (1962 г.). Затем найденная константа была распространена на системы расселения и хозяйства более высокого уровня иерархии. Характерно, что тип распределения времени сообщения при любом уровне иерархии сохранялся неизменным, скачком менялся только масштаб, в итоге получился взаимосвязанный ряд таких констант. Отсюда вся территориальная картина общества просматривается в виде подобия пространственно-временных структур или их изоморфизма.
Таким образом, имеем, с одной стороны, пространственно-временной изоморфизм, с другой стороны, конфигурационный изоморфизм, реализуемый в историческом плане. Видимо, в дальнейшем появится возможность объединить все рассмотрен-ные выше закономерности, накопившиеся уже почти за 200 лет их отслеживания. Но это дело будущего. Сейчас же важно наметить пути их практического применения для технико-экономического обоснования улично-дорожного строительства в городах и их ближайшем окружении, а также пути трансляции для обоснования всей сети дорог.
Принцип соединения (вписывания) рационального проек-тирования с долговременными устойчивостями и закономерностями. Проектировщики дорог и улиц находят оптимальные решения по критериям протяженности, стоимости, времени движения и др. Но то, что сейчас кажется рациональным или оптимальным на период упреждения может оказаться неудовлетворительным, ибо могут существенно изменится входящие в формулы оптимизации количественные и качественные измерители.
Обнаруженные долговременные закономерности, о которых говорилось выше, могут явиться в этом случае определенной отправной базой, чтобы не сделать крупных принципиальных ошибок и просчетов. Схема объединения проектирования и динамических закономерностей в первом приближений может выглядеть так (рис. 1):
Рис. 1. Принцип выявления объективного диапазона
возможных проектных решений
1 - границы диапазона; 2 - запредельные состояния.
Здесь представлена траектория в многомерном пространстве всех факторов, которые можно учесть в перспективном проектировании. Долговременные закономерности дают границы диапазона, в котором объективно возможно существование явления. Выход за пределы этих границ свидетельствует о наличии запредельного или разрушительного (несбалансированного) состояния, которое ведет в дальнейшем к полной деструкции объекта или системы.
Когда найден принципиальный диапазон существования системы на основе закономерностей взаимодействия факторов развития, можно в пределах него выбирать рациональные, оптимальные и всякие другие решения. Они во всех случаях при пол-ной гарантии не приведут к разрушению самоорганизующейся системы. Проектные решения, таким образом, будут вписаны в долговременные закономерности. Иначе говоря, разумная и рациональная деятельность проектировщиков согласуется или вписывается в объективно происходящий процесс, границы которого в конечном счете не зависят или слабо зависят от воли и желания проектировщиков. Объективность используемых динамических закономерностей существования и развития объекта связана с тем, что, как мы показали выше, существует непознанная обратная связь, которая может носить нелинейный и весьма причудливый вид, который в принципе не схватывается человеческим рациональным мышлением. И только на базе изучения долговременной связи многочисленных факторов она может быть эмпирически выявлена. Попутно заметим, что синергетическая по своей сути теория катастроф и бифуркаций в принципе по своим следствиям должна на конкретном материале укладываться в найденный диапазон, показанный на рис. 1.
Подход к соединению рациональной проектной деятель-ности с объективно существующими динамическими закономерностями взаимодействия факторов процессов состояния и развития дорожно-уличного хозяйства явится следующим важным этапом совершенствования всего транспортного проектирования. Необходимым при этом условием является динамический мониторинг движения величины воздействующих факторов и беспрерывный процесс проектирования.