Моделирование потоков

Глава государства Владимир Путин считает, что цифрофизация экономики станет таким же событием века, как электрификация и строительство железных дорог в XIX веке. В текущем году федеральные и региональные органы власти потратят на информационные технологии почти 200 млрд руб., сообщил президент. Выступая в июне на Петербургском международном экономическом форуме, он указал на необходимость ликвидации правовых барьеров на пути внедрения передовых технологий, создания опорной инфраструктуры для цифровой экономики, обеспечения всеобщей цифровой грамотности и запуска поддержки отечественных IT-компаний.

Между тем за последние годы Россия заметно продвинулась по многим направлениям цифрового развития. О научной и практической пользе математического моделирования транспортных потоков «Пульту управления» рассказал Виктор Доенин, доктор технических наук, действительный член РАТ, профессор Института управления и информационных технологий Российского университета транспорта (МИИТ).

– Виктор Васильевич, один из важнейших вопросов на транспорте – обеспечение безопасности. Как в современном мире можно решить эту проблему?
– Безусловно, объекты транспортной инфраструктуры, предназначенные для обслуживания пассажиров, должны быть безопасными. Жизни и здоровью людей, находящихся на вокзалах, пересадочных узлах, в метрополитене, ничего не должно угрожать. Моделирование транспортных процессов обеспечит устойчивость работы городского транспорта.
Между тем предусмотреть все тонкости организации процесса перевозки пассажиров не всегда легко. В ограниченном пространстве, например в метрополитене, сложно избежать «людских пробок». Так, 8 февраля 2014 года на станции «Тульская» Московского метрополитена возник коллапс: скопилось огромное количество людей, временно прекратилась остановка поездов. Для безопасности пассажиров поезда были вынуждены в течение 20 минут проезжать станцию без остановки.
Виной всему стало закрытие южного вестибюля, где велись ремонтные работы. Вход и выход осуществлялись только через северный вестибюль. Такой проблемы не возникло бы, если бы подобная ситуация была смоделирована с помощью компьютерных технологий. Возможность появления критических случаев необходимо прогнозировать и заранее находить пути их предотвращения.

– В обеспечении безопасности при перевозке пассажиров есть своя специфика. Как можно её учесть?
– Когда речь идёт о перевозке пассажиров, важно понимать, что мы имеем дело с интеллектуальными объектами. Они действуют параллельно во времени, распределены в пространстве, взаимодействуют друг с другом, что требует огромных усилий при управлении перевозочным процессом. Однако описывать поведение людей на транспорте очень важно – для их же безопасности и комфорта.
Разработкой методов такого описания занялись сотрудники и аспиранты кафедры «Интеллектуальные транспортные системы» Института управления и информационных технологий МИИТа. В настоящее время выпущено уже 12 монографий, посвящённых моделированию, динамическому управлению транспортными процессами, вопросам теории и адаптации транспортных систем, характерных для различных сфер: самого транспорта, ядерной физики, информационных систем, биологических процессов.
Но самое главное, что на основе симбиоза теории алгоритмов, алгебры и логики удалось создать систему дифференцированного описания протекания транспортных процессов.
Сегодня мы можем использовать компьютерное моделирование для прогнозирования развития практически любых транспортных процессов, в частности действий пассажиров как объектов управления, вплоть до их психофизических особенностей, влияющих на поведение в замкнутом пространстве.

– Как строится модель транспортного потока?
– Транспортный поток – это динамическая система с непрерывным или дискретным временем. В простейшем случае состояние этой системы можно характеризовать посредством некоторых величин, которые могут принимать произвольные, или, проще говоря, действительные, значения. При этом каждый элемент потока может быть автономным, независимым от других, принимать решение о том, что ему необходимо сделать в следующий момент, исходя из анализа собственного состояния или состояния всей среды на данном шаге. Важно учесть, что на организацию движения этих объектов влияют логические закономерности.
Процессы в динамической системе развиваются под влиянием различных возмущений, которые действуют и на систему в целом, и на каждый объект в отдельности. От этого могут изменяться характер действия объектов и поведение системы. Некоторые переменные в таком случае оказываются зависимыми как от времени, так и от действия других взаимосвязанных объектов. Для того чтобы наглядно представить эти процессы, необходимо создать математическую модель.
В её основе лежит алгебраический подход, то есть построение математической модели поведения пассажиров посредством условных обозначений – чисел, функций, равенств, неравенств, уравнений. Создав математическую модель, мы прибегаем непосредственно к имитации, то есть компьютерному моделированию.
Благодаря двухмерным и трёхмерным моделям конкретных объектов инфраструктуры есть возможность увидеть и оценить поведение объектов их жизнедеятельности: формирование потоков пассажиров, время их перемещения в пространстве. Кроме того, удаётся выявить так называемые узкие места и постараться сделать их комфортными для граждан. Так, например, можно решить проблему скопления пассажиров: открыть дополнительные выходы, найти наиболее удачные места для расположения билетных автоматов и рассчитать их необходимое количество и так далее.
Возникает вопрос: как можно проанализировать поведение десятков тысяч людей, пользующихся тем или иным видом транспорта? Между тем именно алгебра позволяет описать правила поведения человека, а благодаря возможностям вычислительной системы можно смоделировать действия каждого пассажира.
В частности, для использования в учебном процессе аспирантом нашей кафедры Евгением Ветровым в 2014 году была разработана анимационная модель станции метро «Тимирязевская». В Москве общественный транспорт явно перегружен, а в часы пик в метрополитене образуется настоящая давка. Задача состояла в том, чтобы выяснить, по каким причинам не выдерживается временной норматив обслуживания пассажиров и почему возникают скопления людей. Мы смоделировали процесс перемещения граждан. Оказалось, что на станции недостаточное количество билетных касс и автоматов. Кроме того, из-за неудачного расположения проходов к эскалаторам ограничена пропускная способность пассажиров и образовывалась пробка. Изменяя структурно-планировочные решения, определяя, где и сколько должно быть касс, билетных автоматов, входных дверей, где должны быть турникеты, какова площадь вестибюля с учётом того, что пропускная способность станции в час пик должна быть равна 9 тыс. человек в час, можно добиться, чтобы пересечений маршрутов передвижения пассажиров было меньше.
Кстати, в 2015 году я был приглашён в Женеву на 76-ю сессию Европейской экономической комиссии ООН, чтобы принять участие в заседании Комитета по внутреннему транспорту. Туда приглашаются отраслевые эксперты и специалисты из разных стран для решения типичных транспортных вопросов: это регулировка тарифов, организация пунктов пропуска и прочее. В своём выступлении я представил наработки МИИТа в этой части, а также продемонстрировал анимационную модель станции метро «Тимирязевская» и принципы её работы. Всё это вызвало неподдельный интерес у иностранных коллег. А после этого мероприятия я получил письмо от руководителя Комитета по внутреннему транспорту ЕЭК ООН Евы Молнар. В нём она высоко оценила деятельность, которая ведётся в России по совершенствованию работы городского транспорта, и выражала уверенность, что сотрудничество в этой области будет плодотворным и в дальнейшем.

– Какие ещё модели вы можете привести в пример?
– Вторая наша модель – транспортно-пересадочный узел (ТПУ) «Тушино», реализация которого была несколько лет назад запланирована в столице.
Он должен был увязать в единую комфортную для пассажиров систему все виды общественного транспорта, что позволило бы сократить время людей в пути и создало бы необходимые привлекательные условия для пересадки с личного автомобиля на общественный транспорт, снижая нагрузку на улично-дорожную сеть.
С помощью метода математического моделирования мы подвергли научной экспертизе этот проект. Нужно было понять, каким образом проектировать этот пересадочный узел, где должны быть турникеты, сколько касс и выходов необходимо. В результате при анализе проекта ТПУ «Тушино» удалось выявить узкое место: вход в метрополитен из ТПУ не обеспечивал удобства и безопасности пассажиров.
На модели мы рассчитали пути возможного перемещения пассажиров к станции метро и железнодорожным платформам, определили количество и место расположения касс, отразили возможный вариант «людской пробки» на входе в станцию метро из-за неудачного планировочного решения, а также что может случиться, если будет нарушен интервал в движении поездов.
А на грузовой контейнерной станции Кунцево-2 мы смогли определить не только время и место рационального размещения контейнеров, но и какие локомотивы использовать для их доставки на определённый путь или терминал, когда и как погрузить их обратно на платформы.
Применение моделирования полезно не только с точки зрения снятия проблемы пробок и заторов в городах, но и для обучения студентов. С помощью модели удаётся наглядно и конструктивно понять и оценить, каким образом реализуются технические операции и с помощью каких инфраструктурных элементов. Например, можно увидеть, как организована работа сортировочной станции, локомотивной бригады и даже побывать в кабине тепловоза.

Беседовала
Юлия Соловьёва


Общегосударственная транспортная политика многих развитых стран базируется на разработке и продвижении интеллектуальных транспортных систем (ИТС).
Intelligent transportation system – интеллектуальная система, использующая инновационные разработки в моделировании транспортных систем и регулировании транспортных потоков, предоставляющая конечным потребителям информативность и безопасность, а также качественно повышающая уровень взаимодействия участников рынка железнодорожных пассажирских и грузовых перевозок по сравнению с обычными транспортными системами.
В «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» ТС уделяется особое внимание. Важной особенностью ИТС является логико-математический инструментарий для решения задач с позиций общесистемного подхода к анализу и управлению всеми процессами на железнодорожном транспорте. Перед учёными отрасли стоят масштабные задачи: разработка новых типов подвижного состава и систем управления движением поездов, создание современных диагностических систем для технических средств и инфраструктуры с увязкой их в единую управляющую информационную систему, управление безопасностью железнодорожных перевозок, разработка инновационных решений по обеспечению экологичности железнодорожного транспорта, создание и применение материалов с новыми свойствами для подвижного состава и элементов инфраструктуры железнодорожного транспорта, и всё это с экономической оценкой, в том числе на основе стоимости жизненного цикла.
Внедрение ИТС на железнодорожном транспорте позволит снизить издержки, а также приведёт к интенсификации экономических и социальных процессов, снижению отрицательного влияния человеческого фактора на качество управления, повысит привлекательность железнодорожного транспорта для пассажиров и грузовладельцев.