Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования “Национальный исследовательский университет

“Высшая школа экономики”

Факультет Санкт-Петербургская школа экономики и менеджмента

Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики"

Департамент логистики и управления цепями поставок

ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

Выпускная квалификационная работа - БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

по направлению подготовки 38.03.02 - “Менеджмент”

Образовательная программа “Логистика и управление цепями поставок”

Мусаелян Кристина Норайровна

Санкт-Петербург



СОДЕРЖАНИЕ

городской логистика массовый обслуживание

• ВВЕДЕНИЕ
• Глава 1. Городская логистика как инструмент управления транспортной системой города
• 1.1 Городская логистика: определение, цели и задачи
• 1.2 Транспортная система города и её основные составляющие
• 1.3 Состояние транспортной системы Санкт-Петербурга и её ключевые проблемы
• 1.4 Текущее состояние Петербургского метрополитена и основные проблемы его функционирования
• Глава 2. Анализ систем массового обслуживания посредством метода имитационного моделирования
• 2.1 Основы теории массового обслуживания
• 2.2 Основные типы систем массового обслуживания и показатели эффективности их функционирования
• 2.3 Сущность имитационного моделирования как подхода к анализу систем массового обслуживания
• Глава 3. Постановка задачи и разработка модели станции метрополитена
• 3.1 Разработка модели на основе структурно-функциональной схемы станции метро “Лесная”
• 3.2 Реализация простых экспериментов и экспериментов варьирования параметров
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А Отраслевая схема развития метрополитена в Санкт-Петербурге
• 

ВВЕДЕНИЕ

С момента зарождения логистики как науки прошло значительное время, что в свою очередь определяет наличие внушительного научного задела по соответствующей тематике в условиях непрерывного интенсивного развития. При этом само определение логистики как науки имеет множество вариаций, тем не менее, в качестве наиболее емкого и отражающего суть понятия, можно выделить приведенный В. С. Лукинским и В. В. Лукинским в написанной ими совместно с Н. Г. Плетневой книге “Логистика и управление цепями поставок”. Согласно упомянутой работе логистика определяется следующим образом: логистика - это наука об управлении материальными и сопряженными с ними финансовыми, сервисными и информационными потоками внутри экономической системы от места их возникновения до места их использования для выполнения целей системы и при оптимальных издержках и затратах ресурсов. Логистика в общем случае характеризуется тремя функциональными областями, к которым можно отнести функции снабжения предприятия ресурсами, производства из них товаров и сбыта готовой продукции или услуг. С недавних пор в логистике стала выделяться еще одна область, не связанная напрямую с тремя вышеперечисленными. Речь идет о городской логистике, или о так называемой сити-логистике.

Городская логистика - это комплекс логистических решений, действий и процессов, которые направлены на то, чтобы оптимизировать управленческие решения, потоки материалов, транспортных средств и людей, информации знаний и финансов внутри городской инфраструктуры и подсистемы. Таким образом, если соотнести данное определение с представленным выше определением логистики, можно выявить некоторые сходства. В качестве материальных потоков в городской логистике выступают главным образом транспортные средства и пассажиропотоки, которым так же сопутствуют сервисные, финансовые и информационные составляющие, а в качестве экономической системы рассматривается городская транспортная система, в которой существуют и взаимодействует все ранее упомянутые элементы. Принимая во внимание ключевые задачи логистики, которые в том числе предполагают оптимизацию процессов и минимизацию сопутствующих затрат, можно отметить, что городская логистика также должна быть нацелена на оптимизацию процессов функционирования транспортной системы. При этом целевыми показателями оптимизации процессов, рассматриваемых в рамках городской логистики, могут быть, например, временные характеристики обслуживания пассажиропотока и потока транспортных средств от места отправления до места назначения внутри городской транспортной системы на высоком уровне сервиса, обеспечивающим комфорт и безопасность пассажиров.

Важнейшим элементом транспортной системы города является система метрополитена, относительно которой строится система маршрутов городского наземного транспорта, обслуживающего пассажиропотоки, наибольшая интенсивность которых и характерна именно вблизи станций метро. В данной работе система подземного транспорта рассмотрена на примере Санкт-Петербурга. Метрополитен Санкт-Петербурга значительно загружен, при этом имеется ряд проблем в части необходимости увеличения пропускной способности посредством интеграции в единую городскую сеть и расширения зоны покрытия. Указанные выше обстоятельства в условиях растущих потребностей горожан в пользовании этим видом транспорта определили актуальность задач в части повышения эффективности процессов функционирования метрополитена и обеспечение высокого уровня качества обслуживания. Поскольку расширение сети метрополитена - стратегическая задача государственного уровня, подразумевающая большие финансовые и временные затраты, целесообразно найти решение, которое позволит снизить загрузку мощностей метрополитена в текущих условиях эксплуатации. В данной работе повышение эффективности функционирования метрополитена рассматривается на примере отдельно взятой станции метро, в рамках которой исследуется зависимость текущей загруженности, выраженной в виде средней плотности пешеходного потока, от интервалов движения поездов. В свою очередь, на базе установленной зависимости становится возможным определение оптимальных (с точки зрения минимизации плотности пешеходов на станции) значений интервалов движения поездов в часы пик. Для получения соответствующих результатов в части повышения эффективности функционирования метрополитена предлагается использовать средства имитационного моделирования, а именно дискретно-событийного подхода, что позволяет симулировать поведение систем и проигрывать различные сценарии с изменением входных параметров. К входным параметрам модели были отнесены интенсивность входящего пассажиропотока в разное время суток, количество выходящих из состава пассажиров и интервалы движения поездов. Для получения адекватных результатов с относительно более высокой степенью точности указанные параметры задавались посредством случайных величин по определенным законам распределения.

Таким образом, объектом исследования является станция метрополитена “Лесная”, рассматриваемая как система массового обслуживания, тогда предмет исследования определяется как эффективность процессов функционирования упомянутой системы.

Целью данной работы является анализ Петербургского метрополитена относительно проблем его функционирования и повышение эффективности его работы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Произвести анализ Петербургского метрополитена, его текущего состояния и выявить существующие проблемы его функционирования;

2. Дать комплексную характеристику Петербургского метрополитена как системы массового обслуживания и определить ключевые показатели эффективности его работы;

3. Разработать имитационную модель функционирования станции метрополитена;

4. Реализовать серию экспериментов на базе разработанной модели с оценкой эффективности процесса функционирования моделируемого объекта.

В первой главе будет раскрыто понятие городской логистики и транспортной системы, а также описана транспортная система Санкт-Петербурга и роль метрополитена в ней с последующей характеристикой последнего. Вторая глава будет посвящена описанию и классификации систем массового обслуживания, а также имитационному моделированию как основному методу их анализа. В третьей главе будут описаны разработанная модель и серия реализованных экспериментов, на основе которых производится оценка эффективности выбранной станции метрополитена с последующими рекомендациями к улучшению.



ГЛАВА 1. ГОРОДСКАЯ ЛОГИСТИКА КАК ИНСТРУМЕНТ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМОЙ ГОРОДА

1.1 ГОРОДСКАЯ ЛОГИСТИКА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Актуальность повышения эффективности функционирования городских транспортных систем определяется следующими положениями:

- рост уровня урбанизации населения (данный показатель для России на конец 2016 года составлял 74,3% [32]), а, следовательно, рост численности жителей городов;

- рост уровня автомобилизации в городах вследствие роста городского населения [20] (по данным аналитического агентства “Автостат”, средний показатель обеспеченности легковыми автомобилями российского населения на 1 января 2017 года составлял 288 автомобилей на 1000 человек, а в Петербурге этот показатель достиг 319 единиц личного автотранспорта на тысячу жителей города [31]);

- следствием роста уровня автомобилизации является повышение интенсивности движения при снижении его скоростей и перегруженности транспортных магистралей больших городов.

Исходя из всего вышесказанного, обозначим ключевые проблемы, решение которых является первоочередным для крупных густонаселенных городов [13, 20]:

- развитие улично-дорожной сети, включая строительство новых и реконструкцию существующих развязок;

- повышение скорости движения транспортного потока;

- создание оптимальных маршрутов следования транспорта (преимущественно в регулярном пассажирском сообщении);

- приоритет обслуживания внутригородских пассажирских перевозок внеуличным транспортом (в частности, метрополитеном);

- экологическая ситуация и загрязнение воздуха.

Таким образом, большинство проблем связано с тем, что концентрация транспортных потоков в городе возрастает, а параметры города как логистической системы значительно изменяются. Распределение этих потоков по территории города и их плотность неодинаковы. Обычно в центральных районах потоки масштабны по степени концентрации и их величине [18]. Стоить отметить, что вопросы организации и эффективного функционирования городских пассажирских транспортных систем, а также управления возникающими внутри этих систем транспортных потоков рассматриваются в рамках концепции “Городская логистика”.

Сити-логистика (городская логистика) - направленная на оптимизацию практическая организация процесса функционирования потоков транспортных средств, людей (пассажиров общественного и личного транспорта), материальных ресурсов, информации, финансов и энергии, а также организация транспортно-логистической, производственной, социальной инфраструктуры в рамках города [8, 9]. Главной целью сити-логистики являются рациональная организация и эффективное управление приведенными выше потоками, которые возникают и протекают в городской среде, для удовлетворения нужд и потребностей потребителей (горожан и различных организаций) и комплекса городского хозяйства в целях снижения негативных последствий транспортных процессов [11, 27]. Поскольку люди вынесены в сити-логистике на первый план, вся логистическая деятельность города направлена на удовлетворение жителей через грамотное управление системой городского транспорта и городской инфраструктуры. Для достижения обозначенной выше цели реализуются следующие задачи [9, 10]:

- интеграция города в единую логистическую систему;

- осуществление взаимодействия разных видов транспорта внутри интермодальной транспортной цепи, которая построена на логистических принципах;

- сокращение расходов на транспортировку;

- снижение загруженности городских транспортных магистралей;

- использование для обработки материальных потоков мультимодальных терминалов;

- привлечение инвестиций для развития транспортной инфраструктуры, в том числе через государственно-частное партнерство, посредством повышения инвестиционной привлекательности таких проектов;

- размещение объектов транспортной инфраструктуры города исходя из логистической загрузки каждого из его районов и координация пассажиропотоков на период строительства таких объектов и после его запуска в эксплуатацию;

- уменьшение перемещений крупного транспорта внутри города;

- разнесение разнонаправленных потоков транспорта на различные уровни;

- внедрение интеллектуальных транспортных систем для эффективного управления общественным транспортом.

Таким образом, городская логистика сфокусирована не только на транспортную составляющую, но и на объекты городского хозяйства. Тем не менее, основное назначение сити-логистики - разгружать транспортную систему города, обеспечивать её стабильное и устойчивое развитие через постоянную оптимизацию, а также объединять все процессы, протекающие внутри нее, в единый регулируемый комплекс. Иначе говоря, транспортная система является базовым элементом концепции “Городская логистика”, и вследствие всего вышесказанного следующий этап посвящен её детальному рассмотрению.

1.2 ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ГОРОДА И ЕЁ ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Транспортная система рассматривается в качестве одной из ключевых градообразующих систем, так как внутри нее протекают транспортные потоки, делающие возможным перемещение больших объёмов грузов на различные по дальности расстояния, а также населения к точкам поглощения пассажиропотоков. Транспортная система обладает несколькими векторами функционирования. Помимо экономического, особое значение имеет социальный вектор, который заключается в необходимости доставки пассажиров к местам отдыха, работы или учебы. Также эффективно функционирующая система пассажирского сообщения - залог работы городских экономических подсистем. Это взаимное влияние провоцирует и стимулирует развитие транспортной составляющей города [17].

Городская транспортная система - сложная система, функционирующая в рамках городских административных границ. Она является сложной по инфраструктуре и включает в себя несколько дифференцируемых по видам транспорта подсистем, которые находятся во взаимодействии с личным и общественным транспортом города по осуществлению массовых грузовых и пассажирских перевозок [7, с.11-12]. Стоит отметить, что сама по себе городская транспортная система циклична [28].

Компонентами транспортной инфраструктуры города с точки зрения цельной системы являются внутригородской и внешний транспорт (см. рис. 1). К транспортной инфраструктуре принято относить транспортную сеть (пути, магистрали, инфраструктурные объекты, средства управления), подвижной состав и государственные и муниципальные органы управления, ответственные за транспортную составляющую города (например, комитет по транспорту, комитет по развитию транспортной инфраструктуры) [21].

Итак, основными компонентами городской транспортной системы считают [28]:

- городскую инфраструктуру - физические элементы городской транспортной системы, зафиксированные в пространстве;

- улично-дорожную сеть - все улицы и дороги города;

- городской транспортный узел - место, где сходятся различные виды транспорта и осуществляется двусторонняя пересадка пассажиров и перевалка грузов с одного вида транспорта на другой;

- городскую транспортную сеть - сеть магистральных дорог и улиц, которые оснащены линиями общественного транспорта, подземные, наземные или надземные транспортные линии, иногда не связанные с улично-дорожной сетью;

- городской транспортный коридор - одна из частей городской транспортной системы, обеспечивающая крупные по количеству пассажиров перевозки между отдельными районами региона или страны;

- городской транспортно-коммуникационный коридор - городской транспортный коридор, направленный от центра города до границы городской агломерации;

- транспортно-пересадочный узел - пассажирский комплекс, перераспределяющий пассажиропотоки между видами транспорта и многочисленными маршрутами, которые являются основными элементами транспортной системы и решают проблему взаимодействия городского транспорта и внешнего [7, с. 12].

Также транспортную систему города можно рассматривать через призму общественного транспорта, как проиллюстрировано на рисунке 1:



Рисунок 1 - Транспортная система и её структурные элементы [23]

Так как общественный транспорт является ключевым элементом городской транспортной системы, при её организации и управлении ею важно учитывать социальный аспект, которым обладает логистика общественного транспорта. Общественный транспорт - одно из социальных благ, которые государство предоставляет своим гражданам, оно содержит эту систему и управляет ею, а также развивает в соответствии с растущими потребностями горожан. Сегодня существует тенденция популяризации и повышения привлекательности общественного транспорта с целью снижения количества личных автомобилей в распоряжении городского населения. Для этого транспортная система города должна максимально устраивать жителей города, чтобы они отдавали предпочтение общественному транспорту в вопросах своего передвижения по городу [1, с. 36].

Раскроем понятие социальной характеристики городской транспортной системы. Она состоит в следующем:

- транспортная подвижность населения - отражает совокупность таких факторов, как особенности градостроительства, ритм жизни города, текущее состояние городской транспортной системы и перспективы её развития;

- отношение уровня развития общественного транспорта к частному;

- транспортная доступность - оценка качества транспортной среды;

- уровень транспортной дискриминации - данный показатель дает понимание о том, какая часть населения города живет в зоне с низким уровнем транспортной доступности;

- удобство пассажирского транспорта;

- доля городского общественного транспорта в экологическом вреде окружающей среде

- степень развития экологически чистых видов транспорта;

- уровень дорожно-транспортных происшествий (оценка безопасности дорожного движения);

- эффективность общественного транспорта (отношение результатов работы транспорта к затратам на его функционирование).

Все эти показатели свидетельствуют о качестве пассажирских перевозок в системе городского пассажирского транспорта, что является ключевой характеристикой при оценке жителями города системы в целом и выбора в пользу поездок не на личном транспорте при наличии альтернатив. Два из них - уровень транспортной доступности уровень и транспортной дискриминации - будут использованы в качестве критериев эффективности при дальнейшем анализе городской транспортной системы Санкт-Петербурга и выявлении её узких мест и проблем.

Рассмотрим систему городского пассажирского транспорта более подробно. Городской пассажирский транспорт рассматривается в качестве логистической системы, существующей внутри города. Логистическая система городского пассажирского транспорта - это структурированная экономическая система, состоящая из фирм и предприятий, которые занимаются организацией потоков услуг и управлением ими в ходе реализации пассажирских перевозок, а также сопутствующими им финансовыми и информационными потоками, осуществляющих обслуживание данного рынка [15]. Применение логистического подхода в отношении городского пассажирского транспорта состоит в том, что муниципальный (городской) и региональный транспортные комплексы рассматриваются в качестве обладающей структурой системы, а непосредственно процесс перевозки в качестве логистической цепи объектов инфраструктуры и операторов, взаимодействующих через логистические связи [1, с. 42]. Функционирование системы имеет целью наиболее полное удовлетворение спроса городского населения в перевозках посредством общественного транспорта на основе рационального использования имеющихся в распоряжении финансовых ресурсов и оптимизацию процесса производства транспортных услуг. Помимо этого, применение логистики в системе городского пассажирского транспорта обеспечивает гарантированность поездки и максимальную минимизацию пересадок с одного вида транспорта на другой, увеличение эффективности управления информационными потоками и снижение уровня загрязнения окружающей среды выбросами, исходящими от автомобильного транспорта [1, с. 42].

Логистический подход при управлении пассажиропотоками подразумевает объединение различных участков процесса перевозки в единую систему, которая может предоставить населению высококачественный транспортный сервис с минимальными издержками.

Логистическая система общественного транспорта состоит из трех основных элементов, которыми считаются непосредственно транспортное обслуживание, а также предшествующее ему дотранспортное обслуживание и следующее за ним послетранспортное [30]. На рисунке 2 приведено краткое описание каждого из компонентов:



Рисунок 2 - Состав логистической системы городского пассажирского транспорта [29]

Стоит отметить, что логистической системе общественного транспорта свойственны:

- потоковый процесс оказания услуг транспортным комплексом;

- подчиненность одной цели - максимальному удовлетворению спроса горожан на перевозки общественным транспортом;

- системная организация транспортного обслуживания;

- территориальная ограниченность системы рамками города.

Приведем более простое определение городского пассажирского транспорта, которое далее облегчит понимание его роли и целей в жизни города, с оглядкой на то, что он представляет собой систему.

Итак, городской пассажирский транспорт, или общественный транспорт, это стабильная система постоянных, регулярных пассажирских перевозок в черте города и за ней, согласно социальным и экономическим проектам, концепциям и планами по расширению территории города [16].

Со стороны логистики города имеют некоторые требования к обслуживающему их жителей пассажирскому транспорту:

- необходима не препятствующая существующим пешеходным и транспортным потокам интеграция подвижного состава городского пассажирского транспорта в общегородской транспортный поток;

- городской пассажирский транспорт не должен доставлять дискомфорт горожанам, а именно повышенную загазованность воздуха, шум, пылеобразование. Так как на улицах городов год от года становится все больше и больше транспортных средств, проблема стоит особенно остро.

Цель городского пассажирского транспорта уже звучала выше, но повторим её еще раз - это предоставление населению транспортных услуг с минимальными денежными и временными затратами, повышенным уровнем сервиса, а значит с высоким комфортом, а также с максимально низкой себестоимостью работы транспортных предприятий [19]. Основной ролью общественного транспорта выступает стабильное и устойчивое развитие мегаполисов. Территориальное единство и целостность городов достигается именно посредством общественного транспорта, он делает доступными отдельные элементы городского хозяйства, как итог - наблюдается рост радиуса контактов населения. Поскольку основная часть жителей городов осуществляет перемещения по мегаполису с помощью общественного транспорта, он имеет огромное социальное значение [14].

Подводя итоги по функционированию системы городского пассажирского транспорта, в целях поддержания её устойчивой работы и развития, повышения качества осуществляемого в городе транспортного сервиса, которое выражается в общем уменьшении времени поездки, увеличении показателей эффективности транспортных компаний, а также уменьшении общих потерь системы, нужно следовать нижеуказанным определенным принципам [12]:

- учет системного подхода, сущность которого состоит в том, что все компоненты транспортной системы взаимодействуют между собой ради достижения единой цели управления;

- учет всех затрат на управление транспортными пассажирскими потоками и сопутствующими им финансовыми и информационными потоками на всём протяжении транспортной цепи (принцип тотальных затрат);

- интеграция всех элементов системы общественного транспорта для их координированного участия в достижении главной цели системы - удовлетворения потребностей и нужд жителей города в транспортных услугах при минимизации затрат времени и финансов.

Говоря об оптимизации городской логистической системы пассажирского транспорта, фокус необходимо делать на интересах населения относительно общественного транспорта, повышения уровня транспортного обслуживания и интеграции развития городов и их транспортных систем [1, с. 44].

Рассмотрев городскую систему пассажирского транспорта в качестве логистической системы, определив её ключевые компоненты и обозначив цели её функционирования, перейдём к анализу городской транспортной системы Санкт-Петербурга с точки зрения развитости применения логистического подхода в управлении ею.

1.3 СОСТОЯНИЕ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА И ЕЁ КЛЮЧЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Транспортная система Санкт-Петербурга на сегодняшний день представлена следующими видами городского транспорта:

- Петербургский метрополитен, который состоит из 5 линий общей протяженностью 118,6 км (67 станций, 77 вестибюля и 7 пересадочных узлов [37]), с ежедневным средним пассажиропотоком в 2,77 млн человек [38].

- сеть наземного электрического транспорта представлена 38 трамвайным и 47 троллейбусными маршрутами [39]. Протяженность троллейбусной сети Санкт-Петербурга составляет 527,8 км [40], трамвайной сети - 476,3 км. [41]. Парк транспортных средств составляет 640 троллейбусов и 531 трамвай. С недавних пор в Санкт-Петербурге запустили электробусы. Первый такой электробус вышел на маршрут 12 декабря 2017 года в Приморском районе. По данным Администрации Санкт-Петербурга, в ближайшее время будет выпущено на линии еще 115 таких транспортных средств, а в будущем планируется создать самую крупную в России сеть данного вида транспорта [33].

- сеть автобусного транспорта, которая включает 635 различных автобусных маршрутов (с посадкой и высадкой пассажиров только на установленных остановках и с посадкой и высадкой в любом не запрещенном правилами дорожного движения месте) [39].

- сеть пригородного железнодорожного транспорта в черте Санкт-Петербурга: 44 станции, также 5 главных вокзалов, и 46 остановочных пунктов.

В Санкт-Петербурге среди городского пассажирского транспорта лидирующим по количеству перевезенных пассажиров является метрополитен, второе место принадлежит автобусному транспорту, далее идет трамвай, и с небольшим отставанием от него замыкает список троллейбусный транспорт. На диаграмме ниже (см. рисунок 3) представлены данные по перевезенным пассажирам в разрезе четырех видов транспорта за 2016 год [42].



Рисунок 3 - Количество перевезенных пассажиров за 2016 год, тыс. [42]

Если рассматривать перевозки в процентном соотношении, то 49% пассажиропотока приходится на долю метрополитена, 30% на долю автобусного транспорта, 12% на долю трамвая и всего 9% на долю троллейбусного транспорта [43].

Стоит отметить, что в 2017 году состоялся впечатляющий рост количества автомобилей, зарегистрированных в ГИБДД. Парк легкового транспорта в Санкт-Петербурге превысил 2,4 млн автомобилей, что на 16% больше, чем в 2016 году [45].

Перечислим основные инфраструктурные объекты, которые являются важными компонентами городской транспортной системы:

- железнодорожные вокзалы - Финляндский, Ладожский, Московский, Витебский и Балтийский. При каждом из них находится станция метрополитена для обеспечения мультимодальности транспортной системы Санкт-Петербурга.

- аэропорт “Пулково” на юге города, занимающий 4 место среди всех аэропортов России по количеству обслуживаемых пассажиров. Пассажирооборот аэропорта в 2017 году увеличился на 21,5% по сравнению с 2016 годом и составил 16 125 520 пассажиров, а в 2018 он превысил 18 млн человек. Аэропорт связан с городской системой пассажирского транспорта через автобус №39, забирающий пассажиров аэропорта от станции метро “Московская” [46].

- новый пассажирский порт “Морской Фасад” (построен в 2011 году). Пассажирооборот в 2018 году стал максимумом за всю историю порта и впервые превысил 1 млн человек (1 091 673 пассажиров) [47]. Ближайшей к порту является станция метро “Приморская”.

- Западный скоростной диаметр (ЗСД) - скоростная внутригородская платная магистраль на западе Санкт-Петербурга, являющаяся кратчайшим путем между южной и северной частью города. ЗСД призван решать ряд транспортных проблем, сложившихся в городе, в первую очередь создавая кратчайшую связь между северными, центральными и южными районами города, принимая на себя большую часть транзитных транспортных потоков, тем самым увеличивая пропускную способность улично-дорожной сети Петербурга [48]. Также ЗСД нивелирует транспортную изолированность Васильевского острова от остальных районов Санкт-Петербурга [49].

- Кольцевая автодорога Санкт-Петербурга (А-118).

Все эти крупные инфраструктурные проекты являются огромным достижением города, превращают его в более комфортное место для жизни горожан с точки зрения транспортной составляющей. Тем не менее, темпы, с которыми происходит развитие транспортной инфраструктуры города, значительно отстают от ежедневно растущих потребностей петербуржцев.

Подобное отставание транспортной системы в реагировании на рост потребностей горожан влечет за собой следующие проблемы работы транспортного комплекса Санкт-Петербурга [7, 22, 35, 36, 51]:

- большие временные затраты на перемещения пассажиров, которые вызваны заторами на магистралях города и низкой скоростью движения городского пассажирского транспорта;

- низкий уровень комфортности передвижения в городском пространстве посредством общественного транспорта, причинами которого являются большие интервалы движения городского транспорта, что в свою очередь формирует непредсказуемость движения, чрезмерная перегруженность транспорта в пиковые часы, а также неоптимальная маршрутная сеть;

- нехватка мест для парковки личного транспорта, в особенности в центральной части города;

- небезопасность транспортного комплекса, которая выражается в высоком уровне дорожно-транспортных происшествий с пострадавшими, а также негативном воздействии на окружающую среду;

- недостаточное развитие и чрезмерная загруженность метрополитена, а также медленные темпы расширения его сети и строительства новых станций;

- транспортная доступность аэропорта “Пулково” - Пулковское шоссе обслуживает все виды потоков как личного, грузового, так и общественного транспорта, и вследствие этого предельно загружено;

- низкая транспортная связность и доступность различных частей города является причиной транспортной перегрузки буквально по всей территории города и, как уже было указано, роста времени, которое горожане тратят на передвижение по городу;

- различная плотность населения и сосредоточение более половины рабочих мест всего лишь на 25% территории города приводят к диспропорции в расположении мест приложения труда и мест жительства работников и возникновению каждодневных маятниковых миграций по направлениям “центр-периферия”;

- исторический центр города сочетает в себе образовательную, торговую, культурную, управленческую, развлекательную и туристскую функции, следствием чего становится его значительная транспортная перегруженность;

- территории, где ведется новая жилая застройка, не обеспечены в нужном объеме транспортной инфраструктурой. Такие территории есть практически во всех районах города, за исключением Адмиралтейского, Центрального и Кронштадского районов;

- нехватка тоннельных и мостовых переходов через Неву и её крупные рукава, в особенности в юго-восточных и западных районах города;

- дефицитное развитие скоростных видов транспорта, в особенности в спальных густонаселенных районах жилой застройки;

- отсутствие системы обособленных и выделенных полос для свободного движения наземного городского общественного транспорта.

В дополнение к вышеперечисленным проблемам целесообразно будет привести некоторые показатели системы общественного транспорта Санкт-Петербурга, актуальные на 2016 год [43]:

Таблица 1 - Показатели системы общественного транспорта Санкт-Петербурга в 2016 году [43]

Показатель	Значение
Доля населения, пользующегося услугами ГПТ	70%
Среднее время поездок с трудовыми целями	1 час 12 минут
Средняя дальность поездки с трудовыми целями	16,1 км
Средняя пешеходная доступность до общественного транспорта	450 м

Среди показателей особый интерес представляет для дальнейшего исследования представляет среднее время поездок с трудовыми целями, которое составляет 72 минуты. Стоит отметить, к 2030 году значение этого показателя планируется снизить до 40 минут.

Итак, проанализировав вышеупомянутые проблемы, можно сделать вывод, что темпы развития внутренней транспортной системы, при сохранении ею мультимодальности, значительно отстают от все возрастающих потребностей города, и в качестве её характерных черт можно назвать увеличивающуюся нагрузку на дорожную сеть, крайне низкую надежность и высокую опасность дорожного движения. Комфортному пользованию городским наземным пассажирским транспортом мешают слабо развитая улично-дорожная сеть и неудобные пересадочные узлы. Помимо этого, активная застройка новых территорий в черте Санкт-Петербурга и за его пределами, недостаточная обеспеченность этих районов инфраструктурой, а также дефицит в этих районах рабочих мест и продолжающийся рост автомобилизации населения приведёт к тому, что объём ежедневной миграции из периферийных районов в центр утром и в обратном направлении вечером, средняя дальность такой миграции, спрос на услуги общественного транспорта, а также поездки на личном транспорте будут феноменально расти, что создаст дополнительную нагрузку на транспортную инфраструктуру и создаст критическую ситуацию на дорогах относительно заторов и пробок.

Таким образом, на основе всего вышесказанного, можно заключить, что основными приоритетами развития транспортного комплекса относительно общественного транспорта будут, во-первых, повышение качества транспортного обслуживания населения, что предполагает повышение доли общественного транспорта в обеспечении спроса на перевозки, а так же его надёжности и доступности для горожан. В качестве стратегических задач комитетом по развитию транспортной инфраструктуры ставятся увеличение пешеходной доступности до общественного транспорта, рост скорости транспортной связи с железнодорожными вокзалами и аэропортом, а также развитие внеуличных видов транспорта. Во-вторых, для повышения эффективности транспортной системы необходимо удовлетворять растущий спрос на ежедневные перемещения горожан внутри города. Чтобы общественный транспорт функционировал эффективнее, требуется снизить использование горожанами для ежедневных поездок в места приложения труда личного автотранспорта на 30%, что позволит сократить нагрузку на УДС. Помимо этого, необходимо строительство различного рода развязок и разработка перехватывающих парковок близ станций метрополитена. Резюмируя, можно заключить, что основные приоритеты состоят в повышении эффективности функционирования системы перевозок общественным транспортом, предполагая при этом повышение его надежности, доступности и безопасности, а также повышение эффективности использования уже имеющейся в распоряжении города улично-дорожной сети [36, 44].

Ввиду того, что приоритет развития внеуличного скоростного транспорта обозначен в Транспортной стратегии России до 2030 года [34], а также того, что метрополитен является основой сети городских пассажирских перевозок Санкт-Петербурга, ключевым направлением в решении вышеупомянутых проблем системы общественного транспорта, которые будут способствовать повышению её эффективности, станет развитие сети метрополитена. Это подразумевает под собой ввод новых станций в тех районах, где существует низкий уровень транспортной доступности мест приложения труда и образования, создание мультимодальных транспортно-пересадочных узлов близ станций метро, соединяющих в единый комплекс все основные виды городского и пригородного пассажирского транспорта, уменьшение нагрузки, которую испытывают существующие пересадочные узлы, а также реновацию устаревшего подвижного состава и его комплексную модернизацию [36].

Рассмотрим далее основные проблемы системы метрополитена Санкт-Петербурга и выделим ключевые причины приоритетного развития именно этого вида городского общественного транспорта.

1.4 ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПЕТЕРБУРГСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА И ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЕГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Сегодня метрополитен - ключевой вид городского пассажирского транспорта Санкт-Петербурга, пассажиропоток которого в 2016 году составил более 740 млн пассажиров [43]. Основная его задача - обеспечивать магистральные внутригородские перемещения населения по тем направлениям, которые связывают периферийные районы Санкт-Петербурга с его центром и между собой. На долю метрополитена в 2016 году пришлось 49% от общего объема внутригородских пассажирских перевозок. Петербургский метрополитен - самый глубокий в мире относительно показателя средней глубины залегания станций.

В 1955 году были открыты первые станции метрополитена, а именно участок между станциями “Площадь Восстания” и “Автово”. На 1 января 2019 года Петербургский метрополитен характеризуют нижеуказанные показатели (таблица 2):

Таблица 2 - Основные технико-экономические показатели Петербургского метрополитена на 01.01.2019 [37,38]

Показатели	Единица измерения	Значение
Количество линий	линия	5
Количество станций	станция	69
Количество вестибюлей	вестибюль	77
Количество станций без эскалаторов	Станция	7
Количество станций с эскалаторами	Станция	62
Количество станций с траволаторами	станция	3
Количество пересадочных узлов	узел	7
Количество станций, которые примыкают к ж/д станциям и вокзалам	станция	12
Эксплуатационная длина линий	км	118,6
Минимальный интервал движения поездов	сек	103

Петербургский метрополитен чрезвычайно загружен. Показатели загруженности метрополитена варьируются в зависимости от времени суток и дня недели. В утренний час "пик" наибольший входной поток наблюдается на периферийных станциях, которые находятся в селитебных зонах и выходят в пригородную зону. Соответственно, в вечерний час "пик" наибольший выходной поток также наблюдается на этих станциях. Наиболее загруженными оказываются станции, расположенные в центре города, особенную нагрузку испытывают пересадочные узлы. Стоит отметить, что для центральных станций характерны значительные пассажиропотоки на выход из метрополитена как утром, так и вечером, поскольку в центре сложилась высокая концентрация мест приложений труда и досуга, и по этой причине люди тяготеют в центр. В часы пик наполнение подвижного состава метрополитена превосходит нормативное в среднем в 1,5 раза, около 50% вестибюлей станций работают с перегрузкой.

На диаграмме, приведенной на рисунке 4, отражены утренний и вечерний часы “пик”, приходящиеся на период с 8 до 9 утра и с 18 до 19 вечера [53].

Рисунок 4 - Временной пассажиропоток на станциях петербургского метрополитена [38]

К наиболее загруженным станциям относятся те, на которых пассажиропоток практически достиг или превышает 2 млн. человек в месяц. Такими станциями являются Ленинский проспект (2,9 млн), “Проспект Ветеранов” (2,6 млн.), “Московская” (2,5 млн.), “Купчино” (2,4 млн.), “Проспект Просвещения” (2,4 млн.), “Пионерская” (2,3 млн.), Ладожская (2,23 млн.), “Площадь Восстания” (2,2 млн.), “Василеостровская” (2,15 млн.), “Площадь Ленина” (1,98 млн.), “Комендантский проспект” (1,7 млн) [53]. Высокая загрузка этих станций свидетельствует о том, что районы, прилегающие к этим станциям, не получают достаточного уровня обслуживания метрополитеном, поэтому пассажиропоток концентрируется на ближайших к местам проживания станциях.

На рисунке 5 отражен средний пассажиропоток по каждой линии метро в день, а также некоторые технико-эксплуатационные характеристики, присущие этим линиям [38].

Рисунок 5 - Общая статистика по метрополитену [38]

По пассажиропотоку можно выделить две ключевые ветки метрополитена, красную и синюю, наиболее протяженные, выводящие к ключевым транспортным узлам города (таким как железнодорожные вокзалы, подавляющее количество которых находится на красной ветке, аэропорт, пригородные станции) и имеющие крупные пересадочные узлы. Самый маленький пассажиропоток и самая маленькая протяженность присущи оранжевой ветке.

Пешеходная доступность до станций метрополитена находится на низком уровне - только 32% территории плотной жилой застройки располагается в непосредственной близости к ним. Доля территорий, находящихся в зоне пешеходной доступности станций, в центре Санкт-Петербурга равняется 58%, в северных районах - 24%, в восточных - 23,5%, в южных - 12,7%. Это является свидетельством острой нехватки инфраструктуры метрополитена. Пока что не обслуживается метрополитеном Красносельский район Санкт-Петербурга, с недавних пор первые станции метрополитена были построены во Фрунзенском районе. Значительная часть самых населенных районов Северной Столицы, а именно Калининского, Приморского, Красногвардейского, Выборгского районов страдает от нехватки станций метрополитена в непосредственной близости от мест проживания людей [51].

Таким образом, главной проблемой Петербургского метрополитена является то, что его сеть недостаточно обширна и в полной мере не охватывает крупные жилые зоны, что создает чрезмерную нагрузку на существующие станции [51]. В частности, это зоны крупной жилой застройки, что возникают практически во всех районах города, на окраинах, вблизи конечных станций метрополитена. Вновь заселившиеся люди стремятся к ближайшим станциям, создавая дополнительную нагрузку на мощности метрополитена, и зачастую эти станции не находятся в пешей доступности от жилых комплексов, до них нужно добираться посредством наземного общественного транспорта. Не менее критична и низкая обеспеченность станциями давно застроенных частей районов, где так и не появились станции метрополитена, а также где в некоторой мере слабо развита сеть городского наземного транспорта, который обеспечивал бы доставку пассажиров до и от станций метро. Выделим крупные проблемные зоны. Они расположены на стыке Красногвардейского и Калининского районов и на востоке от Лахтинского разлива (по 270 тыс. жителей), в районе Ржевка - Пороховые и в северной части Выборгского и Калининского районов (по 350 тысяч жителей), а также на юго-западе города, в особенности в Красносельском районе (310 тыс. жителей). В общей сложности около 2,5 млн человек, или 50% населения Петербурга, проживают вне зон пешеходной доступности станций метро [22].

Чтобы повысить доступность метро для горожан, а также снизить нагрузку на выделенные выше станции, Правительством Санкт-Петербурга был разработан план по развитию сети метрополитена в Санкт-Петербурге до 2030 года (см. приложение А) [52]. Ожидается, что к 2028 году будет уже 80 станций метрополитена, а главным достижением будет значительное повышение доступности метрополитена на 100 тыс. жителей с 1,3 в 2016 году до 2,0 после 2030 года [43]. Это значит, что сейчас, как правило, у жителей Петербурга нет альтернатив при выборе станции метрополитена - они выбирают ближайшую и зачастую единственную к ним. После 2030 года они смогут выбирать между двух станций, чтобы осуществить необходимые перемещения по городу.

Резюмируя вышесказанное, можно заключить, что метрополитен нуждается в развитии по ряду нижеуказанных причин:

- чрезмерная загруженность существующих станций метро, в особенности периферийных и пересадочных узлов;

- слабо развитая сеть станций метрополитена, влекущая за собой вышеупомянутую перегрузку существующих станций;

- низкая транспортная доступность метрополитена, вынуждающая пассажиров пользоваться наземным общественным транспортом, чтобы добраться до ближайшей станции;

- низкий уровень комфорта транспортной системы города в целом из-за недостаточного уровня развития системы метрополитена, которая является основой сети городских пассажирских перевозок;

- недостаточная интеграция метрополитена с крупными инфраструктурными объектами города и системой городского наземного транспорта, выражающаяся в нехватке маршрутов, обеспечивающих связь удаленных от метро районов с ближайшими станциями.

Поскольку развитие сети метрополитена - долгосрочный проект, а существующие проблемы препятствуют комфортному пользованию системой городского пассажирского транспорта и не терпят отлагательств, в рамках данной работы будет сделан акцент на улучшение уже существующей станции метрополитена с точки зрения более эффективного обслуживания пассажиропотока. Повышение эффективности предлагается достичь с помощью оптимизации интервалов движения поездов с целью уменьшения единовременной загрузки павильона метро и общей наполняемости вагонов поезда. Для реализации этих задач в третьей главе данной работы будет применен метод имитационного моделирования, а именно дискретно-событийного. Таким образом, в следующем разделе метрополитен будет рассмотрен в качестве системы массового обслуживания (СМО) с подробным раскрытием указанного понятия и описанием метода имитационного моделирования как инструмента анализа систем и выявления в них узких мест для дальнейшего повышения эффективности их функционирования.



ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ПОСРЕДСТВОМ МЕТОДА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В рамках второй главы будут рассмотрены теоретические основы для решения задач анализа и повышения эффективности пассажирских транспортных систем на примере станции метрополитена. Предполагается рассмотреть последнюю как систему массового обслуживания при разработке соответствующей модели функционирования с помощью имитационного моделирования, при этом будет использован дискретно-событийный подход, непосредственно являющийся программной реализацией принципов теории массового обслуживания.

2.1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Теория массового обслуживания (ТМО) является одним из важнейших разделов экономико-математического моделирования и определяется как теоретические основы эффективного конструирования и эксплуатации систем массового обслуживания. Теория систем массового обслуживания как раздел теории вероятности возникла в 20-х годах двадцатого столетия благодаря практическим задачам, которые связаны с реальными ситуациями, где происходит выполнение последовательности однородных операций, являющихся случайными по времени начала и длительности [58]. Основы ТМО заложил А.К. Эрланг, который, работая в Копенгагенской телефонной компании, исследовал телефонные системы, где существует случайный поток вызовов абонентов, требующих случайного времени занятия телефонной линии. В 1909 году была опубликована его работа под названием “Теория вероятностей и телефонные переговоры”, в которой он решил ряд задач по теории систем массового обслуживания с отказами [57] и вывел формулы для расчета времени ожидания и потерь в коммутационных системах, активно применяемые в теории телетрафика [2, с. 147]. Сам термин “теория систем массового обслуживания” ввел А.Я. Хинчин, изложив в своей монографии её основополагающие понятия. Не менее существенный вклад в дальнейшее развитие теории внес А.Н. Колмогоров. В зарубежной литературе теория массового обслуживания более известна как теория очередей (queuing theory).

ТМО, по большей части опираясь на аппарат теории вероятностей, исследует процессы, которые связаны с массовым обслуживанием. Её цель - разработка методов решения типичных задач, которые были бы пригодны в различных сферах, а не изучение какого-либо процесса обслуживания [59]. Сегодня методы теории массового обслуживания успешно применяются при анализе функционирования сложных систем, решении проблем теории надежности, разработке автоматизированных систем управления и широко используются в экономических, технических и социальных сферах, таких как банковское обслуживание, транспорт, системы снабжения. Рассматриваемая нами система метрополитена также является системой массового обслуживания, понятие которой будет раскрыто ниже.

Подробно рассматривать теорию массового обслуживания начнем с её определения. Теорией систем массового обслуживания называют область прикладной математики, которая занимается анализом процессов в системах обслуживания, производства, управления, в которых однородные события многократно повторяются [58]. Обслуживаемый объект в теории систем массового обслуживания (СМО) называют заявкой или требованием. Требования - это запросы на удовлетворение потребности, и в их роли выступают, например, клиенты, покупатели, документы, транспортные средства, товары. Средства, которые обслуживают заявки, называют обслуживающими устройствами или каналами обслуживания. Их роль играют каналы телефонной связи, кассиры, специалисты, дороги, компьютеры. Запросы поступают в СМО случайно, создавая случайный поток требований. Обслуживание заявок занимает также случайное время. Случайный характер потока заявок и времени обслуживания создает неравномерную загрузку СМО: иногда собирается весьма большое количество заявок (они встают в очередь или покидают СМО, не получив обслуживания), а в некоторые периоды времени наблюдается ситуация, когда СМО недостаточно загружена или простаивает. Графически систему массового обслуживания можно представить следующим образом (рисунок 6):

Рисунок 6 - Обобщенная структура системы массового обслуживания [2, с. 148]

Из всего вышесказанного становится понятным, что предмет теории массового обслуживания заключается в установлении зависимостей между характером потока заявок, числом каналов обслуживания, производительностью отдельного канала и эффективным обслуживанием для определения наилучших способов управления данными процессами. Кратко говоря, предметом теории массового обслуживания является система массового обслуживания в целом и её работа. Тогда основная задача ТМО состоит в изучении режима функционирования СМО и исследовании явлений, которые возникают в процессе обслуживания. Задачи ТМО подразумевают под собой оптимизацию и включают в себя экономический аспект по нахождению варианта системы, где совокупные затраты от ожидания обслуживания, потери времени и ресурсов на обслуживание и от простоев каналов обслуживания будут сведены к минимуму. Цель теории массового обслуживания - это оценка и обеспечение качества и высокой эффективности функционирования СМО путем составления рекомендаций по её рациональному построению, рациональной организации её работы и регулированию потока заявок. Отметим, что эффективность функционирования СМО можно в некоторой степени определить как пропускную способность. Перейдем к детальной характеристике к СМО, раскрытию её понятия, классификации и показателям эффективности.

...