XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Трамвай-тоннель

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Илюшин Р.В. 1Илюшин Я.В. 1Волчанин В.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Пробки являются серьезной проблемой во многих крупных городах по всему миру, включая Тюмень - один из крупнейших городов в Западной Сибири, Россия. Нарастающий объем автотранспорта, недостаточная развитость дорожной инфраструктуры и неэффективное управление дорожным движением приводят к образованию пробок, которые оказывают негативное влияние на городскую среду и жизнь его жителей [3].

Проблема пробок в Тюмени ощущается каждый день тысячами автовладельцев и пассажиров общественного транспорта. Долгие простои и перегрузки дорожного движения не только вызывают такие негативные последствия, как потеря времени и дополнительные затраты на топливо, но и сказываются на экологической обстановке города, приводят к шуму и загрязнению воздуха.

Основные причины пробок в Тюмени связаны с ростом автопарка, неравномерностью дорожного покрытия, неудовлетворительным состоянием дорог, недостатком парковочных мест и информационной базы, а также недостаточным использованием общественного транспорта. Более того, неэффективное планирование и организация дорожного движения также способствуют образованию пробок.

Для решения проблемы пробок необходимы комплексные меры, включающие как физическое расширение дорог и строительство новых магистралей, так и улучшение управления дорожным движением и стимулирование использования общественного транспорта. Однако, в рамках данной научной работы, основное внимание будет уделено разработке и исследованию потенциальной модели трамвая, передвигающегося над автомобилями, как одного из возможных решений проблемы пробок в Тюмени.

Цель данной работы заключается в построении модели трамвая, передвигающегося над автомобилями. Такая модель может стать одним из вариантов решения проблемы пробок в больших городах. Передвижение трамваев над автомобилями позволит разгрузить дорожное движение, увеличить пропускную способность дорог и улучшить общую транспортную инфраструктуру города.

В рамках данной работы предлагается выполнить следующие задачи:

1. Анализ проблемы пробок в больших городах( Тюмень).

2. Изучение существующих моделей общественного транспорта и их эффективности.

3. Разработка модели трамвая, передвигающегося над автомобилями.

4. Моделирование и симуляция движения трамвая над автомобилями.

5. Оценка эффективности модели трамвая.

Выполнение данных задач позволит достичь поставленной цели работы и принести вклад в разработку новых методов борьбы с пробками в городах.

Глава 1. Пробки в больших городах и их влияние на качество жизни населения и экологию

В современных городах пробки стали настоящим бичем для автомобилистов и жителей крупных мегаполисов. Неподвижные автомобили, гудки и выхлопные газы стали качественным изменением в нашей повседневной жизни (рисунок 1.1, Приложения).

Причины пробок разнообразны. Это могут быть аварии и ремонтные работы на дорогах, плохая организация движения, более высокое количество автомобилей на дорогах в часы пик, а также погодные условия. Но, кроме этого, есть более глобальные причины, такие как продолжительные перекрытия дорог и строительные работы, дефицит общественного транспорта, а также беспорядок в городском планировании и недостаток парковок для автомобилей.

Последствия пробок очевидны: потеря времени, нервы и здоровье автомобилистов, повышение загрязнения воздуха и шумовых эффектов, а также угроза безопасности дорожного движения. Кроме того, пробки негативно влияют на экономику, так как снижают эффективность транспортной инфраструктуры и замедляют экономический рост [4].

1.1 Как пробки влияют на человека

• Стресс и утомление

Продолжительное пребывание в пробке часто приводит к стрессу и утомлению (рисунок 1.1.1, Приложения). Постоянные переключения педали газа и тормоза, усиленное слежение за дорогой и другой транспортной ситуацией вызывает повышенное напряжение. Борьба за выживание на дороге отнимает большое количество энергии и сверхзадачность, вызывая усталость [5].

• Негативные эмоции и раздражение

Застой на дорогах приводит к тому, что водитель не может добраться к месту назначения вовремя. Это вызывает негативные эмоции и раздражение (рисунок 1.1.2, Приложения). Водитель или пассажир, оказавшиеся в машине, застрявшей на дороге, часто испытывают дискомфорт и неудачу, которые могут ухудшить настроение и повлиять на работоспособность в течение всего дня.

• Загрязнение воздуха

Пробки несут определенную экологическую угрозу(рисунок 1.1.3, Приложения). Длительное пребывание в пробке означает, что автомобили продолжают работать на холостом ходу. Это в свою очередь приводит к тому, что большое количество вредных веществ попадает в атмосферу, обеспечивая еще большую загрязненность воздуха. Для водителей и пассажиров это означает плохое самочувствие и риск заболевания различными заболеваниями.

• Потеря времени

Пробки могут приводить к серьезной потере времени. Люди, которые ежедневно ездят на своей машине на работу, для оставляют за собой огромное количество часов в потенциальных пробках. При подборе максимально быстрого пути единственным критерием является величина очереди. А это совершенно неправильная мотивация для выбора маршрута!

• Пробки не только занимают время, но и могут привести к серьезным изменениям в графике дня.

• Большая часть многозадачности, стоящей за автомобильными пробками, связана с потерями времени.

• Пробки в городах наносят экономике гигантский ущерб, теряется производительность и, следовательно, десятки миллионы человек каждый день теряют драгоценное время.

1.2 Пробки в городе Тюмень

Среди крупнейших городов РФ Тюмень занимает 10-е место по количеству легковых авто на тысячу жителей. Она же и в числе лидеров по бюджетным инвестициям в автотранспортную инфраструктуру: если суммировать все вложения начиная с 2001 года и перевести их в нынешнюю покупательскую стоимость рубля, счет пойдет на сотни миллиардов. А по качеству пассажирского автопарка Тюмени, считай, вообще нет равных: средний возраст эксплуатации автобусов - пять лет, на линиях их сравнительно много, преобладают комфортабельные машины.

Энергичные усилия по улучшению дорожной сети и увеличению привлекательности общественного транспорта должны вести к уменьшению количества и протяженности заторов в часы пик. Но пока об очевидных прорывах говорить не приходится. В борьбе с пробками власти прибегли и к такому радикальному решению, как организация безостановочного движения по одной из главных уличных магистралей, пересекающих город. На всем ее протяжении возводят развязки (рисунок 1.2.1, Приложения), а также надземные пешеходные переходы (рисунок 1.2.2, Приложения), чтобы не тормозить движение.

Каждый шестой водитель Тюменской области, а это 17% автовладельцев, проводит в пробках более семи суток в год. Ежедневно стоят в пробках, но тратят меньше недели в год 37%. Почти половина автолюбителей области утверждают, что ездят без пробок. Такие данные приводит автомобильный сайт Дром.

По результатам опроса, каждый третий автолюбитель Тюменской области ежедневно проводит в пробках до получаса. Еще 15% стоят от получаса до полутора часов. И 1% тратит на дорогу ежедневно более полутора часов.

В среднем по стране 28% водителей проводят в пробках более семи суток ежегодно. Меньше недели в год на заторы на дорогах уходит у 25% опрошенных, и почти половина россиян (47%) утверждает, что не сталкивается с пробками [7].

Глава 2. Существующие модели общественного транспорта в Тюмени

По состоянию на 2023 год городской пассажирский транспорт представлен только автобусами и маршрутными такси. Также через железнодорожные станции, расположенные в разных частях Тюмени, проходят электрички в составе пригородных поездов.

Наземного электрического транспорта в Тюмени нет: трамваев не было никогда, а троллейбусы не проработали и полвека. Троллейбус просуществовал в Тюмени с 1970 по 2009 год. Закрытие движения было объяснено его нерентабельностью [6].

2.1 Автобусное движение

Автобусная система — единственная система общественного транспорта Тюмени( рисунок 2.1.1, Приложения). Перевозка пассажиров осуществляется на автобусах большого и среднего класса, а также на маршрутках — автобусах малой вместимости [8].

Первый пассажирский автобус проехал по маршруту «Затюменка — Пристань» в 1929 году. Тогда в качестве автобуса использовался переделанный грузовик. До начала войны в городе существовало три маршрута. В военный период автомобильный транспорт оказался на новом витке развития: в Тюмень эвакуировали предприятия, а вместе с ними — рабочих с семьями. Разросшемуся городу были нужны новые маршруты. К 1959 году сеть увеличилась до 10 маршрутов общей протяженностью 60 км. Спустя еще 6 лет количество маршрутов выросло до 25. В 1989 году пассажиров обслуживало 290 автобусов на 55 маршрутах.

С распадом СССР автобусное движение начало приобретать новые черты. К пассажирским перевозкам по городу стали привлекать частников (1995 год). В нулевых было особенно ярко видно разделение на муниципальные и частные автобусы. Количество «газелей» на дорогах росло в геометрической прогрессии. Транспортный вопрос требовал урегулирования, а нормы обслуживания пассажиров — унификации.

На сегодняшний день автобусная сеть включает 134 маршрута, треть из которых — пригородные. Общая протяженность — более 2 тыс. км.

Управляет общественным транспортом муниципальное казенное учреждение «Тюменьгортранс», в ведении которого также находится светофорное хозяйство и парковочное пространство.

Автобусные маршруты обслуживает около десятка перевозчиков, в том числе индивидуальные предприниматели и частные компании. Крупнейшими транспортными предприятиями являются «Тюменское пассажирское автотранспортное предприятие № 1» (ПАТП № 1) и его обособленное подразделение — «Автопарк № 2». Под их контролем находится две трети маршрутов. В автопарке муниципальных перевозчиков — автобусы большого и среднего класса, электробусы. У частников — автобусы малого класса (маршрутки).

2.2 Городская электричка

С 2014 года в Тюмени действует система городского железнодорожного транспорта, однако это не городская электричка в обычном понимании ( рисунок 2.2.1, Приложения). Она входит в состав пригородных поездов, которые направляются в сторону Екатеринбурга: Ощепково — Озеро-Андреевское, Утяшево — Вагай и др.

Городская электричка частично разгружает общественный транспорт и позволяет жителям восточной части города добираться до работы без пробок.

2.3 Трамвай в Тюмени

Наземный рельсовый транспорт в Тюмени не представлен. Готовых проектов по организации трамвайного движения в городе пока нет. Однако в программе комплексного развития Тюмени на ближайшие 15–20 лет предусмотрены трамвайные линии, которые соединяют удаленные спальные районы с центром города. Считается, что у трамвая больше провозная способность, чем у автобуса [9].

Глава 3. Разработка модели трамвая, передвигающегося над автомобилями

Перед тем, как перейти к разработке новой модели трамвая, передвигающегося над автомобилями, важно рассмотреть проблему пробок и существующие виды общественного транспорта.

Как уже упоминалось в предыдущих главах, Тюмень имеет различные виды общественного транспорта, такие как автобусы и маршрутки. Несмотря на их наличие, пробки все равно являются значительной проблемой в городе.

Альтернативные виды общественного транспорта, такие как велосипеды и пешеходные зоны, также предлагаются как способ сокращения пробок и улучшения экологической обстановки. Однако, они могут иметь ограниченные возможности и не всегда подходят для всех ситуаций и расстояний.

С учетом проблемы пробок и ограничений существующих видов общественного транспорта, разработка модели трамвая, передвигающегося над автомобилями, может быть инновационным подходом к снижению пробок и обеспечению более эффективной перевозки пассажиров. Для этой модели может потребоваться строительство новой инфраструктуры и изменение существующих дорог.

Для движения трамвай будет использует электрический ток. Его длина примерно 23 метра, ширина — 7,5. Под его железным брюхом спокойно помещаются два ряда машин, а в салоне хватит места для 300 пассажиров. Средняя скорость — 64 км/ч.

3.1 Практическая часть. Построение модели

Одним из способов прототипирования и визуализации модели трамвая, передвигающегося над автомобилями, является использование LEGO Spike Prime - инновационной платформы для обучения робототехнике.

Первым этапом в построении было построение основы трамвая. Использовались большие детали LEGO для создания длинного корпуса, который будет представлять трамвай.

Мы использовали 4 средних мотора LEGO Spike Prime и соответствующие детали для придания модели движения. Установили колеса на оси и подключили их к моторам при помощи понижающей зубчатой передачи ( рисунок 3.1.1, Приложения).

Моторы вставили в рамки, которые являлись основой для корпуса трамвая.

Предполагается, что трамвай будет высоким и под ним смогут спокойно перемещаться легковые автомобили. Добавили высокую платформу. Платформа должна быть достаточно высокой, чтобы автомобили могли проезжать под ней [1].

Дно трамвая располагается высоко над землей. Чтобы люди могли беспрепятственно попадать в транспорт мы предлагаем построить высокие остановки определенного цвета с лифтами и пандусами(рисунок 3.1.2, Приложения).

Кроме моторов в нашей модели трамвая присутствует датчик цвета. Который позволит останавливаться трамваю на остановках без участия водителя (рисунок 3.1.3, Приложения).

Трамвай будет двигаться по рельсам, устанавливаемых на обычных дорогах. Их можно будет смонтировать намного быстрее и дешевле, чем рельсы для электрички и, тем более, подземные линии метро (рисунок 3.1.4, Приложения).

Транспортное средство предназначено для перевозки пассажиров на втором этаже, оставляя под ним свободную двухполосную дорогу [2].

Наша команда решила не делать корпус трамвая из конструктора, а смоделировала его из коробки и раскрасила( рисунок 3.1.5, Приложения).

3.2 Программа для движения трамвая

Для демонстрации движения модели мы составили программу в программном обеспечении lego spike prime.

Для работы трамвая мы установили 4 средних мотора и для их одновременной работы необходимо было составить 2 параллельно работающие программы (рисунок 3.2.1, Приложения).

Первая программа для передних колес, вторая для задних.

Согласно программам, трамвай движется вперед до тех пор пока датчик цвета не обнаруживает желтую остановку, объявляет, стоит необходимое количество времени для посадки пассажиров и продолжает движение дальше.

Важно отметить, что модель из LEGO Spike Prime, которая была описана выше, предназначена только для прототипирования и визуализации концепции трамвая, передвигающегося над автомобилями. Для создания реального трамвая требуется более тщательная инженерная разработка и проверка.

Однако, следует отметить, что модель, созданная из LEGO Spike Prime, будет иметь некоторые ограничения. Например, она может быть небольшой по размеру и не представлять полную функциональность и масштаб реального трамвая. Также, модель из LEGO Spike Prime может быть несостоятельна для проверки технических и безопасных аспектов модели трамвая, передвигающегося над автомобилями.

Заключение

Пробки являются серьезной проблемой в городах, и их решение требует комплексного подхода. Несмотря на то, что использование высоких трамваев, передвигающихся над автомобилями, может быть одним из потенциальных решений, модель LEGO Spike Prime, которую мы описали, представляет только прототип и не может полностью решить проблему пробок в реальном мире.

Общественный транспорт играет важную роль в сокращении пробок. Развитие и эффективность общественного транспорта должны быть приоритетом городских властей. Он может предложить более удобные альтернативы личным автомобилям и способствовать снижению автомобильного движения.

Модель трамвая, созданная с использованием LEGO Spike Prime, предоставляет возможность визуализировать и протестировать концепцию высокого трамвая над автомобилями. Однако следует помнить, что это только прототип и не соответствует полному масштабу и функциональности реального трамвая.

Решение проблемы пробок требует комплексного подхода, который включает разработку эффективной транспортной инфраструктуры, развитие общественного транспорта и регулирование автомобильного движения. Моделирование и прототипирование, такие как создание модели трамвая из LEGO Spike Prime, могут помочь визуализировать и проверить различные концепции и идеи, но их эффективность должна быть дополнена реальными исследованиями и анализом.

В целом, решение проблемы пробок требует совместных усилий государственных органов, инженеров, горожан и других заинтересованных сторон. Моделирование и обсуждение различных идей и решений являются важным шагом в этом процессе. Только путем постоянного совершенствования и сотрудничества мы сможем достичь более эффективной и устойчивой транспортной системы.

Список использованных источников:

1. https://novate.ru/blogs/290716/37401/

2. https://habr.com/ru/articles/396631/

3. https://vegetarian.ru/articles/kak-dorozhnye-probki-vliyayut-na-kachestvo-vozdukha.html

4. https://trasscom.ru/blog/vliyanie-transporta-na-ekologiyu-goroda

5. https://obzortelefonov.ru/pochemu-probki-na-dorogah-dostavlyayut-problemy-prichiny-i-posledstviya.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

6. https://rg.ru/2021/03/18/reg-urfo/uchenyj-v-borbe-s-dorozhnymi-probkami-tiumen-povtorit-chuzhie-oshibki.html

7. https://lyubimiigorod.ru/tumen/news/12518004

8. https://tgt72.ru/history/#2011-now

9. https://www.tourister.ru/world/europe/russia/city/tyumen/publications/1266

ПРИЛОЖЕНИЯ