Журнал «Компьютерра» № 29 от 14 августа 2007 года

Растворители пробок

Автор: Родион Насакин

Проблема распределения людских потоков в помещениях пока занимает далеко не всех собственников и управляющих зданиями, особенно в России. Да и в целом, этот вопрос сложно назвать чрезвычайно значимым для общества. Гораздо более актуальной для современных мегаполисов проблемой является непрерывно растущее количество личного транспорта при ограниченных возможностях увеличения пропускной способности дорог.

Аппаратный информатор

Для получения информации о пробках существует специальное устройство – Roadinformer, в которое вшито две карты дорог – в пределах Садового кольца и МКАД. Данные поступают по радиосигналу. Стоит девайс около $200 + $15 ежемесячной арендной платы.

В данном случае складывается такая же ситуация, что и в навигационном дизайне. Уже имеется некая схема путей и развязок, и кардинально изменить ее нельзя. Здание спроектировано и построено, никто не будет ломать стены – также и возможности по расширению существующих и прокладке новых дорог в городе весьма ограничены. Дизайнеры расставляют объясняющие указатели, развешивают планы помещения и монтируют терминалы для посетителей. На уровне мегаполиса решить аналогичную проблему дополнительной сотней дорожных знаков и двумя десятками информационных табло практически нереально.

Строительство новых дорог и добавление полос, во-первых, не может вестись достаточными темпами, дабы обогнать прирост числа новых машин, а во-вторых, имеет доказанный негативный эффект. Видя, что появилась новая трасса, за руль садятся те, кто раньше предпочитал пользоваться общественным транспортом, дабы не простаивать в пробках.

Многое зависит от дорожной структуры мегаполиса. Например, несколько лет назад решение транспортной проблемы Москвы видели в возведении Третьего транспортного кольца и перехода на одностороннее движение по Садовому кольцу. О результатах этих проектов наслышан, наверное, любой москвич. Таксисты, которым предстоит везти клиента в противоположную часть города, частенько осведомляются, готов ли он рискнуть своими деньгами, если поехать по Третьему. Так, конечно, быстрее, но никто не застрахован от попадания в мгновенно возникающую многокилометровую пробку, выбраться из которой, не дожидаясь полного рассеяния затора (то есть нескольких часов), зачастую невозможно.

Не исключено, что схожая участь постигнет и будущие транспортные кольца. Экстенсивное наращивание пропускной способности выглядит довольно бесполезным решением против глобальных недостатков городской структуры. На дорожной карте Москвы можно видеть множество лучей, расходящихся от одной точки – Кремля, и пересекающиеся с ними кольца. Основная масса транспорта, стекающаяся в эту точку утром и отступающая во все стороны вечером, неизбежно парализует движение. Так что гораздо эффективнее было бы ставить новые точки притяжения/отталкивания, а не укреплять радиальную структуру.

Об этом, в частности, подробно писал Семен Расторгуев в "ШтоРаМаге", онлайн-журнале студентов-архитекторов Ярославского технического университета. По его мнению, транспортную проблему можно решить путем децентрализации Москвы, и частью этой стратегии можно рассматривать строительство Москва-Сити. Но понятно, что это процесс не быстрый, а для достижения сколько-нибудь заметного эффекта одной дополнительной точки недостаточно. Планировочная структура других столиц изначально предусматривала этот момент.

В частности, в Европе правительственные здания размещаются не в локальном квартале, а распределены на достаточно большой площади. Причем формируется несколько осей, на которые "нанизаны" здания госорганов, парки, активные градостроительные элементы. Например, в Париже главную из таких осей образуют Елисейские поля, Лувр, площадь Этуаль и гигантский бизнес-центр Дефанс. Выстраивание по осям позволяет обеспечить нормальное прохождение транспортного трафика при меньшей ширине дорог (по сравнению с централизованными городами) и большем размере пешеходных зон.

А в Берлине помимо центральной оси, зафиксированной Бранденбургскими воротами, Расторгуев отмечает еще и главную пространственную доминанту – центральный парк, вокруг которого расположен весь город. Рейхстаг, Федеральная канцелярия и резиденция президента (дворец Бельвю) находятся между парком и рекой Шпрее, а с другой стороны к парку примыкает бизнес-центр на Потсдамер-плац. Хотя в Берлине вообще большой популярностью пользуются велосипеды (благо для них создана впечатляющая инфраструктура) и общественный транспорт.

Во многих мегаполисах принципы расположения осей различны, потому что их основа складывалась исторически (другое дело, что в Москве по сей день сохранилась средневековая структура извилистых дорог с единым центром), однако есть общие правила, позволяющие избежать крупных проблем с транспортом, – все оси не должны пересекаться в одной точке.

В. В. Семенов из Института прикладной математики РАН в своей работе "Математическое моделирование динамики транспортных потоков мегаполиса" указывает на несколько неприятных особенностей московской дорожной структуры. Во-первых, интенсивность транспортных потоков в городе в несколько раз превосходит соответствующий показатель в европейских столицах. Во-вторых, Семенов также отмечает среди недостатков тот факт, что московская система автомагистралей построена по радиально концентрическому принципу, и из-за недостаточной плотности дорожной сети и далекой от совершенства организации маршрутов транспортных потоков для Москвы характерна проблема перепробега. В-третьих, основные магистрали столицы содержат много полос, что нетипично для европейских городов и затрудняет непосредственное применение западных моделей распределения потоков.

Также отмечается, что, в отличие от западных стран, в России нет системы организации приоритета маршрутного и специального транспорта, оперативного мониторинга, управления и перераспределения транспортных и пассажирских потоков. Кроме того, у нас отсутствует нормативно-правовое обеспечение управления движением, которое давало бы возможность вводить мероприятия по ограничению движения и стоянки. Три четверти личных автомобилей, зарегистрированных в ЦАО Москвы, не обеспечены гаражами-стоянками. Только это снижает пропускную способность улиц в несколько раз. Все эти аспекты должны быть учтены в ходе исследований при моделировании столичного движения, и они отсутствуют в зарубежных моделях. Неясно, кстати, насколько учитывалась эта специфика при использовании немецких моделей PTV, о которых речь пойдет дальше, в отечественной практике.

Статистика

По сведениям Яндекса, в Москве каждый день возникает в среднем около 650 пробок, в каждой из которых стоит около 500 автомобилей. И это не предел. Каждый год количество машин в Москве увеличивается на 200 тысяч, и, по данным ГИБДД, на начало февраля 2007 года в столице зарегистрировано более 3 млн. единиц автотранспорта. Эта цифра, вероятно, не отражает всей сложности ситуации, так как в ней не учтены машины, зарегистрированные в Подмосковье, а их по дорогам столицы тоже ездит немало. В будний день по Белокаменной одновременно движется от 200 до 350 тысяч автомобилей.

Софтверных решений для моделирования транспортных потоков в масштабах мегаполиса и выше не так много. Одним из известных продуктов такого рода является немецкое семейство систем планирования в транспортной инфраструктуре PTV Vision, которые используют модели VISSIM/VISUM, разработанные почти тридцать лет назад. В состав линейки входит четыре приложения. Первое – PTV Simulation, пожалуй, наиболее интересно, так как используется для микро– и макроскопического моделирования потоков личного, общественного и грузового транспорта, пешеходного движения, настройки работы светофоров в зависимости от заданных параметров, анализа заторов и трехмерных динамических визуализаций перекрестков и развязок. В общем, система предназначена для создания и проигрывания комплексных сценариев развития транспортной системы в зависимости от изменения отдельных ее составляющих.

Разработчики называют среди пользователей системы проектировщиков, чиновников транспортных министерств и ведомств, инженерные компании и т. д. ПО применяют для подготовки обоснования постройки или реконструкции дороги, выбора наиболее приемлемого варианта с учетом инженерных и финансовых ограничений и генерации сопутствующих документов для инвестора. По данным компании, ее софт используют более двух тысяч организаций в 75 странах мира. Россия – не исключение. PTV Vision применялся при проектировании Третьего транспортного кольца в Москве, Западного скоростного диаметра и перехватывающих парковок в Петербурге, а также проектов в Томске и Иркутске.

Итак, в чем же заключается работа с моделями PTV? Моделирование VISSIM предполагает микроскопический расчет движения транспорта и проверку работы сигнальных устройств для выбора оптимальной организации движения на перекрестке и оценки пропускной способности для каждого варианта движения. При этом учитывается движение в зоне остановок с учетом приоритета общественного транспорта. На этапе VISSIM-моделирования производится анализ "узких" мест. В качестве исходных данных на микроуровне берется растровая основа (карты города, аэрофотосъемки и пр.) и информация о существующей структуре движения. Анализ может производиться по таким параметрам, как нагрузка на дорогу, средняя скорость потока, время поездки и задержек в пути, длина пробок и количество остановок.

VISUM – это макромоделирование существующих и прогнозируемых транспортных потоков с анализом и оценкой правил и интенсивности движения и отработкой сценариев "что будет, если…". Здесь в качестве исходных данных принимается сеть путей движения различных видов транспорта, свойства сети, правила движения и так называемая матрица транспортных передвижений, состоящая из данных "транспортного предложения" и "транспортного спроса".

В результате на первом этапе моделирования формируются две независимых модели. Первая – модель транспортного спроса, содержит такие данные, как цели и число поездок и кривая транспортного спроса. Вторая – модель сети основана на информации о транспортных системах, ячейках, узлах и остановках. Программа обрабатывает эти две модели и на выход выдает модель взаимодействия, которая содержит данные о распределении транспортных потоков автомобилей, создании маршрутов общественного транспорта и расчета их эффективности, а также экологическим параметрам (выброс вредных веществ, шумовые воздействия).

Также среди программных средств моделирования транспортного трафика стоит отметить продвигаемое IBM решение Rapidis Traffic Analyst, которое, по сути, представляет собой модуль расширения геоинформационного пакета ArcGIS. Масштаб у этого ПО шире, чем у PTV. Система позволяет проводить анализ на уровне регионов и страны в целом. В состав Traffic Analyst входит солидный набор инструментов для планирования движения и специализированных средств редактирования для работы с маршрутами и расписаниями общественного транспорта.

Все эти функции подключаются к среде обработки геопространственных данных ArcGIS Geoprocessing и встроенному конструктору моделей ArcGIS Model Builder. Среди решаемых Traffic Analyst задач: моделирование колебаний спроса на перевозки, вызванные изменениями в инфраструктуре, демографии, политике и т. д., оценка последствий крупных инфраструктурных проектов (что весьма актуально для Москвы), создание основы для оценки экологического влияния и, конечно же, прогнозирование транспортных потоков и анализа доступности транспортных средств.

В математическом моделировании транспортных потоков используется два подхода: детерминистический и вероятностный. Модели первой категории основаны на функциональной зависимости между отдельными показателями, такими как скорость и дистанция между автомобилями в потоке. Во втором случае транспортный поток представляет собой вероятностный процесс. Модели делят на три класса: модели-аналоги, модели следования за лидером и вероятностные модели.

Модели-аналоги также называют макроскопическими, в них свойства движения транспорта описывают, как физические потоки. Различают гидро– и газодинамические модели.

Модели следования за лидером основаны на связи между перемещением ведомого и головного автомобиля. Эти модели называют микроскопическими. В них учитывается время реакции водителей, движение на многополосных дорогах, устойчивость движения и т. д.

Исторически сложившееся расположение некоторых крупных городов не дает особого простора для планирования. Наиболее эффективным методом борьбы с пробками в этих случаях являются, видимо, финансовые санкции. Плата за въезд в центр – мера уже довольно старая и, если все не очень запущено, действенная. Правда, методы и масштабы ее реализации существенно зависят от того, какую первоочередную цель преследуют власти: получить новый источник доходов в городской бюджет, развить общественный транспорт, избавиться от заторов и т. д.

Рассмотрим введение такого налога на одном из наиболее ярких примеров – Стокгольме, в центральной части которого имеются острова. Проблема пробок на трассах, ведущих к мостам, в шведской столице стоит весьма остро. Историческая застройка не дает особого простора для расширения дорог, не говоря уж о новых. Тем более что в силу политической специфики муниципалитет также весьма озабочен и экологическими сложностями. В прошлом году, когда у власти были социал-демократы, "зеленая" оппозиция сделала загрязненность стокгольмского воздуха на пару с длинными пробками и бездействие политических противников одним из главных козырей в своей борьбе, благо, что эта критика поддерживалась жителями. В результате, правительство решило ввести меры по ограничению въезда в центр города.

Для определения разработчика системы управления платным въездом шведские власти провели тендер, который выиграла IBM. Это было вполне ожидаемо, корпорация уже занималась автоматизацией аналогичных процессов в Лондоне, Осло и других городах. Правда, по признанию руководителя проекта, на сей раз работа предстояла гораздо более серьезная. Во-первых, уложиться нужно было в установленные сроки. И опоздание было недопустимо не только из-за финансовых потерь, но и потому, что запуск определялся специально подготовленными нормативными актами. С некоторой долей ехидства хочется отметить, что отечественные исполнители ИТ-заказов власти столь уважительное отношение IBM не поняли бы. Вспомнить хотя бы, как страна осталась без импортного алкоголя, потому что господрядчики сдали неработающую систему акцизного учета (ЕГАИС).

Во-вторых, система должна была контролировать гораздо более сложные процессы, чем, например, в случае с Лондоном. В Британии власти просто хотели денег, а потому установили фиксированную плату за въезд для всех машин без исключения. В Стокгольме предполагалось ввести дифференцированные тарифы. Планировалось сделать платным въезд в те промежутки времени, когда интенсивность потока превышает допустимую для трассы. В результате, часть автомобилистов, по замыслу авторов проекта, должна была перенести свой въезд в центр на более раннее или наоборот позднее время в целях экономии, и распределение получилось бы более сглаженным, большую часть суток не превышающим пропускной способности. Заранее отмечу, что, несмотря на успех проекта в целом, этой цели с помощью нововведений достичь не удалось. Наблюдалось общее снижение уровня загруженности, но "горбы" распределения нагрузки дорог по времени, соответствующие часам пик, стали лишь чуть более пологими.

Но в целом результаты оказались впечатляющими. В ходе шестимесячной пилотной эксплуатации, помимо сокращения на 25 % интенсивности движения в часы пик, снизился объем выбросов выхлопных газов на 12 %, а ежедневное количество пассажиров общественного транспорта выросло примерно на сорок тысяч. Кстати, расписание существующих рейсов пришлось изменить, так как автобусы стали двигаться гораздо быстрее. Кроме того, власти запустили ряд экспресс-маршрутов в центр из пригорода. Неожиданным результатом также стало 6-процентное увеличение оборота торговых точек в центре.

Система стала наиболее крупным проектом дорожных сборов в Европе. Ее работу обеспечивали восемнадцать безбарьерных пунктов контроля по периметру платной зоны. Эти пункты были оборудованы камерами, осуществляющими фотосъемку при пересечении машиной инфракрасных лучей, и системами распознавания номерных знаков. Последние позволили не только идентифицировать неплательщиков (оплата должна производиться в течение недели после проезда, позднее – к сумме задолженности плюсуется штраф), но и сосредоточиться исключительно на автомобилях шведских граждан, оставляя без внимания иностранцев, а также пропускать бесплатно машины жителей одного из прилегающих к центру районов. Дело в том, что последние могли добраться до дома исключительно по дорогам, пересекающим платную зону, и для них в систему ввели специальное правило. Если такой житель проводил в центре менее получаса, то есть он просто ехал к себе или из дома, а не находился в центре по каким-то другим надобностям, его проход не тарифицировался. По данным компании, уровень идентификации достигает 98,2 % от всего числа сканирований, точность выставления счета составляет 99,96 %.

Прочим проезд через контрольный пункт обходился в 10, 15 или 20 крон (от 39 до 78 рублей), в зависимости от времени пересечения границ центра, но не более 60 крон (около 200 рублей) с человека в день. Самое "дорогое" время – с 7:30 до 8:29 и с 16:00 до 17:29. Оплата сбора производилась автоматическим снятием с банковского счета или же в крупных розничных сетях и через Интернет. Остается добавить, что по окончании тестирования в городе проводился референдум, и большинство горожан высказались за дальнейшую эксплуатацию системы. Она будет вновь запущена в августе. Воодушевленные европейским опытом введения "налога на пробки", как уже успели прозвать системы сбора за въезд в центр, американские власти выделили 130 млн. долларов на реализацию аналогичных проектов в США.

Интересно, что недавно специалисты IBM, участвовавшие в запуске стокгольмской системы, рассказывали о своем опыте на круглом столе в Москве, и среди собравшихся встречались представители муниципалитета и ГИБДД. Слухи о введении платного въезда в центр столицы витают давно, однако пока они оказывались беспочвенными. Посмотрим, рискнут ли московские власти повторить опыт, и если да, то что из этого получится в наших условиях.

Практически все средства информирования о пробках в Москве – соответствующие сервисы сотовых операторов, ПО для КПК и "Яндекс. Пробки" – используют данные одной-единственной системы мониторинга SMIlink. Впрочем, за исключением сервиса от поисковика, все эти варианты платные (получение данных на КПК стоит 7 долларов в месяц), и особого распространения на фоне общей массы московских автовладельцев не получили. Многие ограничиваются тем, что слушают радио. Некоторые станции периодически озвучивают в эфире сообщения о положении на той или иной дороге, полученные от желающих предупредить других водителей добровольцев. Подобная практика быстро стала популярной у участников рынка музыкально-развлекательного FM-эфира. Однако понятно, что полученные таким образом данные не назовешь полными и достоверными.

SMIlink также не пренебрегает помощью водителей, принимая каждый день около ста сообщений от своих корреспондентов и от "Авторадио". Кроме этого, источниками данных для системы являются камеры и автоматические видеодетекторы движения, расположенные на улицах внутри Садового кольца, на Третьем транспортном кольце и МКАД. Всего в центре Москвы функционирует 55 таких устройств и еще 30 – на Садовом. Тридцать камер установлено между Садовым и Третьим кольцами. Вдоль Третьего кольца используется более высокотехнологичное оборудование. Там кроме видеодетекторов размещены устройства, работающие на базе радиолокационных детекторов и индукционных петель. На МКАД сбором информации занимаются более сотни детекторов, расположенных через каждые один-два километра. Кроме того, на МКАД SMIlink получает данные от сотрудников Спецполка ДПС. В самом информационном агентстве "Смилинк" достоверность информации по МКАД оценивают в 95 %, в центре до Третьего кольца – 80 %, на самом кольце и радиальных магистралях – 70 %, а на других улицах в 50—70 %.

Статусы затрудненности движения различаются в зависимости от разрешенного скоростного режима. Так на МКАД "пробке" соответствует скорость потока менее 20 км/час, "затрудненному движению" – 20—40 км/час. Для городских магистралей "пробка" начинается при движении ниже 10—15 км/час, а "затруднения" – от 10—15 до 25—30 км/час. Также при присвоении статуса загруженности учитывается общее положение на участке, работа светофоров, проведение ремонтных работ, наличие аварийных участков и т. д. То есть если в округе все движение парализовано в принципе, а на одной улице машины еще двигаются со скоростью 15 км/час, этой дороге будет придан статус "движение затруднено", а не "пробка", поскольку главная задача системы – дать водителям рекомендации по объезду.