Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm ở Thành phố Hồ Chí Minh

Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP HCM PiMA Research Camp 2016 Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm Thành phố Hồ Chí Minh Phạm Nguyễn Mạnh (*) Hoàng Văn Thiên (**) (*) Trường Phổ thông Năng khiếu Đại học Quốc gia TP HCM (**) Trường THPT Chuyên Lý Tự Trọng Cần Thơ Tháng 8, 2016 Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 MỤC LỤC Tổng quan Giới thiệu vấn đề Giả thiết Điều kiện ràng buộc Tiếp cận a Mô hình b Thực điều kiện ràng buộc Các phương án đề xuất a Mô hình dự án thật thành phố Hồ Chí Minh 10 b Mô hình ưu tiên thuận tiện hành khách đảm bảo nhu cầu khu vực trung tâm: 11 Cải thiện đồ 12 Tham khảo 13 Phạm Nguyễn Mạnh Hoàng Văn Thiên Tổng quan Căn theo dự án tàu điện ngầm thành phố phê duyệt tiến hành thi công, trại hè nghiên cứu PiMA 2016, bắt đầu nghiên cứu lên kế hoạch cho hệ thống đường ray với tuyến trạm cho phù hợp với đặc điểm dân cư địa hình khu vực Chúng xây dựng mô hình toán học để hỗ trợ cho việc lại hành khách thành phố trở nên tiện lợi Chúng tập trung ưu tiên hai vấn đề sau: là, vùng có nhu cầu di chuyển cao, chẳng hạn sân bay, ga tàu hỏa, địa điểm du lịch; hai là, trường đại học, nơi có nhiều khách hàng tiềm năng, bao gồm học sinh, sinh viên – người từ trước đến quen lại xe buýt Nhìn chung, tuyến đường trải theo hình đa giác lồi bao quanh quận, qua địa điểm bến xe An Sương, bến xe Quận Cùng với đó, tuyến đường xuyên tâm xây dựng Chi phí ước tính lên đến 2.9 tỷ USD, riêng lập phương án hỗ trợ kỹ thuật "Chuẩn bị dự án metro TP HCM" 2.2 triệu USD Trong số 2.2 này, Ngân hàng phát triển châu Á (ADB) viện trợ không hoàn lại 1.7 triệu đô-la Mỹ, Chính phủ góp 500,000 đô-la Mỹ, số lại thành phố nhà đầu tư Mặc dù chi phí xây dựng đắt đỏ so với điều kiện kinh tế Việt Nam, nhiên tin mát môi trường gánh nặng lớn quốc gia; việc đưa ngọc Viễn Đông lên ngang tầm so với đô thị lớn giới ý tưởng không đáng bị xem nhẹ Xây dựng tàu điện ngầm đem lại lợi ích lâu dài cho người dân lẫn quyền Trong tài liệu này, đặt nguyên tắc thành lập hệ thống đường ray, đồng thời đưa minh họa thỏa mãn Ngoài ra, trình bày phương pháp tiếp cận việc vẽ đồ thân thiện du khách Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 Giới thiệu vấn đề Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) thành phố lớn Việt Nam xét quy mô dân số và mức độ đô thị hóa, đồng thời đầu tàu kinh tế trung tâm văn hóa, giáo dục quan trọng nước Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh thành phố trực thuộc Trung ương với thủ đô Hà Nội đô thị loại đặc biệt Việt Nam Tuy vậy, Thành phố Hồ Chí Minh phải đối diện với vấn đề đô thị lớn có dân số tăng nhanh Trong nội ô thành phố, đường sá trở nên tải, thường xuyên ùn tắc, hệ thống giao thông công cộng xe buýt, taxi tỏ hiệu bối cảnh [1] Mặt khác, tăng lên theo cấp số nhân lượng phương tiện giao thông chạy xăng dầu ảnh hưởng nhiều đến môi trường khí thải CO2, CO, bụi bẩn Một giải pháp hoàn mỹ đến từ vương quốc Anh tàu điện ngầmi, dạng phương tiện công cộng cho phép vận chuyển số lượng lớn hành khách, thường xây dựng lòng đất (phân biệt với tàu điện) Tàu điện ngầm hệ thống giao thông chở khách với tốc độ cao đường ray, nhiều lượt, nhiều chuyến ngày, lượng khách lớn, thuận tiện thoải mái Đa số thành phố lớn giới có tàu điện ngầm Thông thường chuyến mang tính định Giống xe bus tàu điện ngầm lại hữu ích việc lại đảm bảo chất lượng an toàn sống nhiều Hình Tàu điện ngầm Dễ thấy rằng, muốn trị “căn bệnh” ùn tắc giao thông đô thị, phải dùng "thuốc liều cao" lấy phương tiện giao thông công cộng thay dần phương tiện giao thông cá nhân.[3] Chúng sử dụng mô hình đồ thị cho toán Hình Tàu điện Bằng việc đưa ràng buộc chiến thuật cách tỉ mỉ dựa yếu tố mật độ dân số, địa điểm học tập, du lịch, tham quan, v.v , đề xuất trạm dừng tiêu biểu tuyến đường hệ thống tàu điện Mặt khác, tham khảo từ công trình Singapore, Beijing, Moscow, đặc biệt Hình Circle-radial London – quê hương tàu điện ngầm, thống hình dạng mạng lưới tàu điện, hợp đường bao quanh thành phố đường xuyên tâm (circle-radial) minh họa hình [4] i Tên tiếng anh: underground, metropolitan (abbrev: metro), rapid transit, subway, heavy rail Phạm Nguyễn Mạnh Hoàng Văn Thiên Giả thiết (1) Vận tốc tàu tuyến (2) Khoảng thời gian xuất hai tàu tuyến liên tiếp trạm không đổi Điều đảm bảo tính ổn định trình vận hành tàu điện ngầm (3) Hệ thống tàu điện ngầm xây dựng cách độc lập với địa hình giao thông TP HCM (4) Đường tàu điện ngầm qua phần nhỏ lãnh thổ huyện tỉnh khác xem xét ưu tiên cho vị trí quan trọng gần địa bàn quận (5) Trên tuyến, tàu chuyển hướng, góc tạo hai vector vận tốc trước sau chuyển không vượt 90 độ (6) Mỗi tuyến nhánh phụ Điều kiện ràng buộc Theo số liệu thống kê năm 2010, dân số quận, quận có mật độ dân số cao (Quận 1, 3, 4, 5, 6, 10, 11, Phú Nhuận) tập trung thành cụmi Quận/Huyện Bình Chánh Bình Tân Bình Thạnh Cần Giờ Củ Chi Gò Vấp Hóc Môn Nhà Bè Phú Nhuận Quận Quận 10 Diện tích (km2) 253 52 21 704 435 20 109 100 Dân số (người) 447.291 595.335 470.054 70.697 355.822 548.145 358.64 103.793 175.175 187.435 232.45 Quận 11 Quận 12 Quận Quận Quận Quận Quận Quận Quận Quận Tân Bình Tân Phú Thủ Đức 53 50 4 36 19 114 22 16 48 232.536 427.083 140.621 188.945 183.261 174.154 253.474 274.828 418.961 263.486 430.436 407.924 455.899 Để tối ưu hóa hệ thống tàu điện ngầm, ta nên có điều kiện xếp theo mức độ quan trọng giảm dần sau: (1) Có tổng cộng không tuyến đường (2) Mỗi quận có tuyến qua (3) Tên trạm khác i Trong phạm vi tài liệu này, thuật ngữ “trung tâm thành phố” vùng đất hợp Quận 1, 3, 4, 5, 6, 10, 11, Phú Nhuận Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 (4) Ưu tiên nơi có nguồn nhu cầu di chuyển cao: sân bay, ga Sài Gòn, bến xe khách địa điểm du lịch công viên giải trí Đầm Sen, Suối Tiên, điểm tiếng trung tâm thành phố (5) Ưu tiên đối tượng hay sử dụng xe buýt, đặc biệt sinh viên Việc giúp cân lưu lượng khách phương tiện giao thông công cộng Có thể nhận thấy trường đại học thành phố không tập trung, mà với tuyến đường sắt, nên đối tượng xếp sau vị trí nhắc đến (4) (6) Không có trạm có tuyến qua Điều phù hợp với (1) (2), nhằm tránh tượng chen lấn vào cao điểm (7) Để tiện lợi hóa việc di chuyển hành khách, số lần chuyển tuyến người không lần Mặt khác, số lần chuyển tuyến ít, lượng thời gian chết phải bỏ phải thấp (8) Tên trạm ưu tiên đặt theo địa điểm tiếng gần (chẳng hạn Bến Thành, Đức Bà,…) để tránh gây nhầm lẫn (9) Tên trạm ưu tiên đặt theo tên đường trạm (10) Mật độ phân bố trạm tàu vùng tỉ lệ thuận với lượng cư dân di chuyển qua vùng (11) Để tối ưu hóa thời gian, cần đảm bảo tồn đường hai trạm mà đó, vector vận tốc hai thời điểm không đối (Hình 4) (12) Xây dựng hệ thống cho nhiều người sử dụng tàu điện ngầm tốt Hình Hình Trong đó, điều kiện (1) (2) bắt buộc Tiếp cận a Mô hình Vì quận có phân bố dân cư không đồng nên để tối ưu hóa hệ thống mà thỏa mãn điều kiện (2) quận phải chọn địa điểm tiếng có nhu cầu di chuyển cao Trong điều kiện thời gian thực dự án, chưa thu thập số liệu cụ thể nên lựa chọn điểm trọng yếu sau: - Quận 1: Chợ Bến Thành Quận 2: Thảo Điền Quận 3: Ga Sài Gòn, nơi tập trung trường đại học Quận 4: Bến Nhà Rồng Quận 5: Bến xe Chợ Lớn, nơi tập trung trường đại học Quận 6: nơi tập trung trường đại học Quận 7: Đại học RMIT, nơi tập trung trường đại học Quận 8: Bến xe Quận Phạm Nguyễn Mạnh Hoàng Văn Thiên - Quận 9: Khu vui chơi BCR, Suối Tiên, nơi tập trung trường đại học Quận 10: nơi tập trung trường đại học Quận 11: Đầm Sen Quận 12: Bến xe An Sương, nơi tập trung trường đại học Quận Gò Vấp: công viên Gia Định, nơi tập trung trường đại học Quận Tân Bình: sân bay Tân Sơn Nhất, nơi tập trung trường đại học Quận Tân Phú: AEON Mall Quận Bình Tân: Bến xe Miền Tây, AEON Mall Quận Bình Thạnh: Bến xe Miền Đông, Phú Mỹ Hưng, nơi tập trung trường đại học Quận Phú Nhuận: nơi tập trung trường đại học Quận Thủ Đức: nơi tập trung trường đại học Một số điểm phụ (có kích thước nhỏ so với đa số điểm) thêm vào đồ giúp việc xây dựng tuyến đường thuận lợi đảm bảo độ phủ đường ray đến số khu vực nội thành Nếu tuyến đường qua điểm chắn quận có tuyến qua Hình b Thực điều kiện ràng buộc Việc tuân thủ điều kiện vô quan trọng để nâng cao tính hiệu cho hệ thống giao thông Điều kiện (7) dẫn đến hệ hai tuyến phải cắt Các địa điểm nhắc đến điều kiện (4) (5) nên có hai tuyến qua Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 Quan sát hình 6, ý điểm đỏ ưu tiên có hai tuyến qua Hình Bản đồ quận TP HCM điểm trọng yếu Chúng quy toán sau: Trên hệ trục tọa độ, cho trước tập n điểm = { , , … , }, có k điểm màu đỏ n-k điểm màu xanh Tìm j đường gấp khúc { , , … , } không tự cắt khép kín ( ≤ 6), cho: - Điểm đỏ phải giao điểm hai đường gấp khúc phân biệt Có không hai đường gấp khúc qua điểm xanh Các đường gấp khúc cắt đôi Trong trình nghiên cứu, nhận toán tìm tất kết để chọn kết tối ưu có nhiều biến, dựa số tính chất đặc biệt tương đối điểm cách tô màu rút nhận xét: - - Các điểm trọng yếu không nằm tập trung mà phân bố rải rác quận Thậm chí có điểm nằm biên vùng đất xét Nếu tuyến xe tập trung giao nhiều khu đông người gây ùn tắc hành vi phạm pháp khác Hình Phạm Nguyễn Mạnh Hoàng Văn Thiên - Với giải pháp có nhiều tuyến đường, ta xây dựng nhiều trạm, có nhiều tàu điện, phân bố dịch vụ chất lượng cao rộng rãi Mặt khác, đặt vấn đề với bối cảnh kinh tế Việt Nam, giải pháp tuyến cân nhắc Tuy nhiên dễ thấy hậu tải, hiệu quả, không đáp ứng nhu cầu người dân, chí phải ngừng hoạt động lãng phí - Hình Trên khía cạnh, việc cân yếu tố vô cần thiết Như vậy, có lợi xây dựng đường bao lồi tập điểm, kết hợp với tuyến đường tắt nối vài cặp đỉnh đối thuộc đa giác đồng thời qua điểm bên đa giác Cách làm đem lại nhiều tiềm để cải thiện, chẳng hạn kéo dài tuyến vượt khỏi đa giác tập trung hóa điểm trọng yếu quận vị trí Ưu điểm đáng kể phương án nằm nguyên tắc mà thực Tuy nhiên mặt trái tính thẩm mỹ không cao Các phương án đề xuất Với điều kiện ưu tiên khác nhau, ta xây dựng mô hình tối ưu hoàn toàn khác biệt Vì vậy, xét đến khía cạnh thực tế, mô hình tối ưu có ưu nhược điểm riêng Điển hình như: Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 a Mô hình dự án thật thành phố Hồ Chí Minh Hình Sơ đồ tuyến tàu điện ngầm TP HCM hướng đến - - - Ưu điểm:  Tổng đường tàu điện ngầm ngắn nên thuận lợi đối tượng ưu tiên chi phí xây dựng  Đường trải rộng phần lớn địa bàn thành phố  Tập trung nhiều tuyến trung tâm thành phố, thuận lợi cho việc lại nơi đông người qua lại Nhược điểm:  Nếu ta xét yêu cầu ưu tiên cho thuận tiện hành khách, hệ thống có số nhược điểm, ví dụ như: hành khách muốn từ trạm Gò Thủ Thiêm (tím) đến Suối Tiên (đỏ) gặp bất lợi quãng đường  Trạm Chợ Bến Thành trạm có tiềm đông đúc người qua lại nên thích hợp để xây nhiều trạm Tuy nhiên, có trạm tuyến qua đó, gây tải có nhiều người có nhu cầu đến trạm  Tuyến tàu đỏ cam đỏ gần độc lập so với tuyến lại nên hành khách tuyến phải chuyển trạm lần, bất tiện Nhận xét: 10 Phạm Nguyễn Mạnh Hoàng Văn Thiên Mô hình thích hợp cho cách xây dựng đơn giản, tiết kiệm đạt hiệu cao kết hợp chung với xe buýt để khắc phục nhược điểm b Mô hình ưu tiên thuận tiện hành khách đảm bảo nhu cầu khu vực trung tâm: Hình - - - Ưu điểm:  Đảm bảo hành khách đổi tuyến không lần từ trạm sang trạm khác  Thuận tiện cho việc lại qua khu vực trung tâm  Không có trạm có tuyến qua nên không lo ngại tải Nhược điểm:  Không đảm bảo cho nhu cầu di chuyển đến địa điểm quan trọng vùng trung tâm (Suối Tiên, bến xe miền Tây, …)  Một số khu vực khó tiếp cận đường tàu điện (Quận Bình Tân, Quận 9) Nhận xét: Mô hình tối ưu dạng tương tự phù hợp cho thành phố mà người dân tập trung chủ yếu chỗ có nhu cầu tàu điện ngầm cao TP HCM 11 Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 Cải thiện đồ Quan sát so sánh hình 7, 8, 9, nhiều người có thiện cảm với hai hình cách vẽ tuyến chỉnh phương theo hệ trục hướng Đông, Tây, Nam, Bắc, Đông Bắc, Đông Nam, Tây Nam, Tây Bắc.i Đã có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích tạo điều kiện cho hành khách kinh nghiệm kiến trúc kỹ thuật tiếp nhận thông tin từ sơ đồ tuyến tàu điện ngầm Ở kế thừa thành phương pháp MIPii phân tích rõ [5] Hình 12 Trước điều chỉnh i ii Hình 11 Hình 13 Sau điều chỉnh Octilinear Mixed-Integer Programming 12 Phạm Nguyễn Mạnh Hoàng Văn Thiên Kết luận Thiết kế tàu điện ngầm cho hiệu vấn đề kỹ sư suốt kỷ qua để xây dựng nên hệ thống giao thông London, Chicago, Boston, Berlin, … Trên đây, đưa giả thuyết, ràng buộc, giải pháp với đánh giá ưu nhược điểm Hơn nữa, đề nghị thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM đồng thời so sánh với phương pháp khả thi Nhằm đơn giản hóa sơ đồ tuyến đường cho du khách tham khảo, ép tuyến đường theo phương: dọc, ngang, chéo chính, chéo phụ Có thể thấy rõ, việc vận dụng toán mô hình phương pháp lập luận hợp lý, ta giải vấn đề vĩ mô tiềm vô hạn Nhiệm vụ học hỏi thêm toán ứng dụng truyền đạt cho hệ sau Tham khảo [1] Wikipedia: Dự án đường sắt đô thị TP HCM [2] Wikipedia: Thành phố Hồ Chí Minh [3] TS Phạm Xuân Mai – giảng viên Đại học Bách khoa TP HCM [4] Wikipedia: Rapid Transit [5] Drawing and Labeling High-Quality Metro Maps by Mixed Integer Programming [6] Google Hình ảnh [7] GeoGebra s s s ssTa 13 ... như: Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 a Mô hình dự án thật thành phố Hồ Chí Minh Hình Sơ đồ tuyến tàu điện ngầm TP HCM hướng đến - - - Ưu điểm:  Tổng đường tàu điện. .. khách Thiết kế hệ thống tàu điện ngầm TP HCM PiMA Research Camp 2016 Giới thiệu vấn đề Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) thành phố lớn Việt Nam xét quy mô dân số và mức độ đô thị hóa, đồng thời đầu tàu. .. với tàu điện) Tàu điện ngầm hệ thống giao thông chở khách với tốc độ cao đường ray, nhiều lượt, nhiều chuyến ngày, lượng khách lớn, thuận tiện thoải mái Đa số thành phố lớn giới có tàu điện ngầm