Проблемы развития транспортных систем городов и зон их влияния
 

Каталог ресурсов УралWeb Рейтинг@Mail.ru
 

Особенности технико-экономического обоснования
дорожного и уличного строительства в городах
и их ближнем окружении: идейные основы и
пути трансляции накопленного научного багажа
на всю дорожную сеть

Г.А. Гольц

Суть проблемы. До самого последнего времени технико-экономическое обоснование реконструкции и нового строитель-ства автомобильных дорог производилось на основе прямого сче-та грузовых связей между грузообразующими пунктами, а пасса-жирские потоки брались коэффициентом от грузового движения, возрастающего по мере автомобилизации. Однако после того как легковые автомобили на подходах к городам стали преобладаю-щими, старый метод оказался совершенно неприемлем. В этих условиях наиболее адекватными становятся методы косвенного счета, которые для городского движения применяются, по край-ней мере, сто лет и тем не менее недостаточно известны дорож-никам.

Краткая история вопроса. Первые приемы использова-ния 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. Пожа-луй, 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 дви-жение охватывало все виды транспортных средств, включая, ес-тественно, и автомобили. Основной идеей косвенного счета было использование гравитационной аналогии в виде вероятностной интерпретации, получившей впоследствии наименование обоб-щенной гравитационной модели.

В нашей стране подобные подходы начали применяться в начале 30-х годов XX в. для городов с большим новым промыш-ленным и жилищным строительством на Украине и Урале, затем в генеральных планах Москвы и Ленинграда. Заметим, что иссле-дование закономерностей городского движения с помощью кос-венного 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 го-родского движения с 1967 г. косвенные методы расчета стали преобладающими, они были поставлены на поток. Характерно, что адекватность расчетов по сравнению с ручными разнообраз-ными подходами прежнего времени не увеличилась, зато на по-рядки сократилось время их производства. Это позволило произ-водить многовариантные расчеты, которые ранее были недоступ-ны. Общим недостатком такого типа прогнозных расчетов город-ского движения, выявившимся на базе анализа более тридцати-летнего их массового использования, является почти совершен-ное отсутствие сравнения запроектированного и реального разви-тия, выявления ошибки прогноза движения, произошедшей за счет непредвиденного движения базовых исходных данных, или за счет не адекватности самой энтропийной схемы. Эта двусмыс-ленность процедуры и результатов существующих подходов оценки будущих транспортных потоков остается до сих пор бе-лым пятном как в теории, так и практике.

Требования со стороны практики к уровню точности моделирования перспективного движения. Перспективные расче-ты 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 недоброка-чественную исходную информацию на перспективу, население росло непредвиденными темпами, материальный уровень не со-ответствовал первоначальной гипотезе и т.п. В городах и город-ских агломерациях такого типа отклонения стали не единичными явлениями, а правилом. Поэтому в современных условиях неста-бильного и скачкообразного развития стали использовать прак-тику непрерывного перспективного планирования и прогнозиро-вания. При таком подходе существующие потоки берутся за твердую исходную базу, а перспектива разрабатывается в виде беспрерывной погодовой корректуры в зависимости от происхо-дящих 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 техно-логии превращаются в единый процесс. Однако такой подход трудно осуществим для совершенно новых крупных транспорт-ных сооружений: крупных мостов через водотоки, тоннелей, многополосных новых автомагистралей. Практика показала, что для погодовой корректурной технологии определения перспек-тивного 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 движе-ния и его более отдаленной перспективы видится путь преодоле-ния того противоречия в расчетах перспективного движения, о котором говорилось выше.

Существующие подходы к прогнозу перспективного дви-жения в городах и агломерациях. Наиболее существенной сторо-ной принципов моделирования передвижений населения и грузов является содержательный и формальный, статичный и динамиче-ский подходы. Классификация всего многообразия существую-щих моделей движения рассмотрим в хронологической последо-вательности появления самых первых идей и модельных по-строений:

1840 г. - рациональные принципы общежитейского харак-тера (так называемого "здравого смысла");
1850 г. - принципы формальных аналогий с закономерно-стями из других областей знания;
1875 г. - содержательные принципы использования кон-кретных закономерностей собственно движения населения и гру-зов (устойчивость их параметров, тенденций, взаимосвязей);
1890 г. - содержательный принцип динамической связно-сти одновременно происходящих явлений;
1898 г. - формальные вероятностные дедуктивные прин-ципы;
1925 г. - переложение прежних аналогий из физики на ве-роятностный язык (в частности, гравитационной модели);
1929 г. - формальные принципы аппроксимации, типа множественной регрессии;
1939 г. - вероятностная модель последовательных воз-можностей;
1954 г. - статистический принцип факторов роста;
1957 г. - формальный оптимизационный подход;
1961 г. - вероятностная модель конкурирующих возмож-ностей;
1967 г. - формальные модели максимизации энтропии;
1998 г. - содержательная модель, использующая устойчи-вость распределения суммы всех корреспонденций по времени передвижения как результат пространственной самоорганизации населения.

Дальнейшее развитие моделирования городского движе-ния 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 про-грамм для расчета матриц корреспонденций и других характери-стик движения с помощью агрегации исходных данных и приме-нения различных конкретных моделей;
в) более тонкое использование в расчетных моделях, на-щупанных за последние сорок лет, содержательных закономерно-стей движения, в частности, пространственной самоорганизации населения и ее констант:
г) использование продвинутых процедур обработки экс-пертных оценок;
д) создание адекватных и работоспобных моделей укруп-ненного или косвенного счета основных характеристик движе-ния.

Таким образом, в современных условиях перед дорожни-ками открывается большой спектр принципиальных подходов и конкретных расчетных приемов для анализа и прогноза движения в городах и агломерациях. Важнейшим звеном в процессе адап-тации сравнительно новых для дорожников методов расчета яв-ляется путь органического соединения прошлых принципов рас-четных приемов прямого счета с теми, которые уже более ста лет используются транспортниками в городах. Стена профессиональ-ной или цеховой разобщенности в новых условиях взрывной ав-томобилизации в России должна естественным образом быть раз-рушена.

Принципиальные недостатки гравитационного и энтро-пийного 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 обменива-ются; в этой аналогии процесс тяготения устанавливается мгно-венно, а в реальности всегда существует временной лаг установ-ления связей;
б) в энтропийной аналогии люди, грузы уподобляются молекулам в газе и действуют по канализированному броунов-скому 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, партион-ности и т.п. Примечательно, что расчетчики городского движения обычно мало внимания обращали на аксиоматическую или кон-цептуальную сторону моделей, их интересовала главным образом прозрачность расчетных приемов, возможность компьютериза-ции 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 предыду-щего изложения становится ясным, что физико-механические аналогии для городского движения по большей части уже исчер-пали себя. Нужен подход, черпающий идейную основу непосред-ственно из закономерностей взаимодействия населения, произ-водства с транспортными потоками. Главным здесь является ус-тановление вида обратной связи или реакции пространственно размещенных объектов на подвижки в транспортном обслужива-нии: начертании сети, ее мощности (пропускная и провозная спо-собность, скорость движения, надежность и регулярность сооб-щения, комфортность и безопасность транспортировки).

Изучение подобного типа закономерностей началось ис-подволь 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. Ла-ланна (1862 г.), в которой транспортный инженер-практик вы-явил, 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 переме-щений, интенсивности движения. Во всех этих распределениях обнаружился одинаковый вид функции, который в дальнейшем стал описываться двухпараметрическим логнормальным законом распределения вероятностей. Это существенно нелинейная зави-симость по существу демонстрировала необходимость отхода от простых линейных или близких к линейным зависимостям, кото-рые 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 линейно-го программирования в конце 30-х начале 40-х гг. ХХ в., явился опытной базой для возможного продвижения в создании слож-ных синергетических моделей современного типа.

Одновременно с чисто транспортными закономерностями обнаружилось, что в совершенно якобы другой области - геогра-фии населения - аналогичный вид имеют зависимости распреде-ления 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 практи-ческих работах. Одинаковый вид транспортных и расселенческих явлений однозначно говорит об одинаковой их природе, но меха-низм появления однотипных распределений до сих пор ускольза-ет. Наиболее просматриваемая версия состоит в том, что в замк-нутых фигурах нарастание площади по расстоянию относительно ее центра происходит по нелинейному закону с модой и положи-тельной 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 аппроксимирова-ли распределение по доходу логнормальным распределением ве-роятностей, сначала двухпараметрическим, затем уже в самое последнее время трехпараметрическим. Что это? Простое совпа-дение или есть глубокая непознанная пока связь разнородных явлений?

Следует добавить, что вообще логнормальный закон в теории вероятностей и математической статистике стал исполь-зоваться с 20-х годов XX в. А в 1942 г. А.Н. Колмогоров теорети-чески 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 оди-накового типа этих распределительных закономерностей. Гипо-тетически это может быть закономерность пространственного распределения объектов и их связей более высокого уровня – ти-па изоморфизма территориальной организации. Заметим, что по-нятие 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 мас-штаба. 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 су-хопутного транспорта пошел С.А. Тархов, который в цикле работ с конца 70-х годов обнаружил неожиданно и впервые в мировой литературе конфигурационную (топологическую) последова-тельность развития транспортных сетей. Никакой версии к объ-яснительному механизму этому открытия он не дал, зато проде-монстрировал его на огромном массиве информации по различ-ным 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 раз-мещение 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 кон-стантой. 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 законо-мерностью устойчивости так называемой часовой подвижности населения в дальнем сообщении, выявленной Фридменом (1955 г.) и подтверждений Л.И. Василевским (1962 г.). Затем най-денная 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 ито-ге получился взаимосвязанный ряд таких констант. Отсюда вся территориальная картина общества просматривается в виде подо-бия пространственно-временных структур или их изоморфизма.

Таким образом, имеем, с одной стороны, пространствен-но-временной изоморфизм, с другой стороны, конфигурацион-ный 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 наме-тить 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 закономерно-стями. Проектировщики дорог и улиц находят оптимальные ре-шения по критериям протяженности, стоимости, времени движе-ния и др. Но то, что сейчас кажется рациональным или оптималь-ным на период упреждения может оказаться неудовлетворитель-ным, ибо могут существенно изменится входящие в формулы оп-тимизации количественные и качественные измерители.

Обнаруженные долговременные закономерности, о кото-рых говорилось выше, могут явиться в этом случае определенной отправной базой, чтобы не сделать крупных принципиальных ошибок и просчетов. Схема объединения проектирования и ди-намических закономерностей в первом приближений может вы-глядеть так (рис. 1):

Рис. 1. Принцип выявления объективного диапазона возможных проектных решений
1 - границы диапазона; 2 - запредельные состояния.

Здесь представлена траектория в многомерном простран-стве всех факторов, которые можно учесть в перспективном про-ектировании. Долговременные закономерности дают границы диапазона, в котором объективно возможно существование явле-ния. Выход за пределы этих границ свидетельствует о наличии запредельного или разрушительного (несбалансированного) со-стояния, которое ведет в дальнейшем к полной деструкции объ-екта или системы.

Когда найден принципиальный диапазон существования системы на основе закономерностей взаимодействия факторов развития, можно в пределах него выбирать рациональные, опти-мальные 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 ра-циональная деятельность проектировщиков согласуется или впи-сывается 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 обрат-ная связь, которая может носить нелинейный и весьма причудли-вый вид, который в принципе не схватывается человеческим ра-циональным мышлением. И только на базе изучения долговре-менной связи многочисленных факторов она может быть эмпи-рически выявлена. Попутно заметим, что синергетическая по сво-ей 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 закономер-ностями взаимодействия факторов процессов состояния и разви-тия дорожно-уличного хозяйства явится следующим важным этапом совершенствования всего транспортного проектирования. Необходимым при этом условием является динамический мони-торинг движения величины воздействующих факторов и беспре-рывный процесс проектирования.