4 ВВЕДЕНИЕ
Устойчивая работа железнодорожного транспорта и экономика нашей страны тесно взаимосвязаны. Вместе с этим проводимые реформы на железнодорожном транспорте поставили ряд задач перед отраслью. Одной из важнейших проблем является снижение себестоимости перевозок, в которой система рациональной организации вагонопотоков занимает ключевую позицию.
Система организации вагонопотоков как на сетевом, так и на дорожных уровнях относится к числу важнейших технологических задач, от правильного решения которой зависит не только загрузка технических станций и участков сети, но и время доставки груза, что принципиально важно для работы сети железных дорог в современных рыночных условиях. Рациональная система организации вагонопотоков относится к числу проблем, теоретическому исследованию которой за последние шестьдесят лет посвящено значительное число работ. Однако до настоящего времени отсутствует методика и ее реализация на ЭВМ, позволяющая на сетевом уровне решать эту задачу комплексно, ускоряя продвижение вагонопотоков и улучшая показатели использования как технических станций, так и участков в их взаимодействии.
Указанные требования положены в основу предложений по развитию системы расчета сетевого плана формирования одногруппных поездов, разработанных в настоящей диссертации. Теоретическим базисом исследования послужили труды докторов технических наук A.A. Аветикяна, В.М. Аку-линичева, Е.В. Архангельского, А.П. Батурина, К.А. Бернгарда, А.Ф. Бородина, И.И. Васильева, СВ. Дуваляна, Н.Д. Иловайского, В.И. Ковалева, П.А. Козлова, В.А. Кудрявцева, Л.В. Одинцова, А.Т. Осьминина, Е.А. Сотникова, Е.М. Тишкина, Л.П. Тулупова, А.К. Угрюмова, В.Г. Шубко, доктора экономических наук В.А. Персианова, кандидатов технических наук В.К. Буяно-
5
вой, В.И. Васильева, Ф.С. Гоманкова, Г.А. Кутуковой, A.B. Кутыркина, Д.Ю. Левина, А.Ю. Папахова, А.И. Попова, Б. дел Рио, С.Г. Стопичева, В.Г. Саен-ко и других исследователей.
Целью настоящего диссертационного исследования является реализация новой методики по рациональной организации сетевых вагонопотоков в поезда по критерию денежных затрат.
На защиту выносятся следующие основные результаты исследования:
методика построения расчетной модели железнодорожной сети, включая принципы отбора станций для расчета сетевого плана формирования поездов и генерации множества допустимых назначений поездов;
методика определения расчетных вагонопотоков на базе информационных хранилищ отправочной и поездной динамических моделей;
принципы настройки алгоритма расчета сетевого плана формирования поездов на модель железнодорожной сети;
технология автоматизированной разработки сетевого плана формирования поездов в интерактивном режиме, объединяющая компьютерные расчеты с опытом и интуицией технолога.
Указанные результаты использованы Центром организации движения поездов ВНИИАС в разработке системы автоматизированных расчетов сетевого плана формирования поездов и порядка направления вагонопотоков. Технология расчетов утверждена ЦД МПС России. В рамках указанной системы выполнены расчеты сетевого плана формирования поездов. Результаты расчетов показали возможность снижения затрат, связанных с нахождением вагонов на технических станциях, их переработкой и продвижением по участкам, за счет концентрации работы на более мощных и экономически эффективных объектах инфраструктуры, увеличения транзитности и ускорения продвижения вагонных струй.
6
1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТЕВЫХ ВАГОНОПОТОКОВ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
1.1. Развитие теории и практики расчета плана формирования
одногруппных поездов
Система организации вагонопотоков имеет цель рационального формирования одногруппных поездов, отправительских и ступенчатых маршрутов. При этом необходимо оптимально распределить работу между сортировочными и участковыми станциями сети, чтобы затраты, связанные с использованием технических средств, были минимальны. Организация вагонопотоков включает в себя отправительскую маршрутизацию поездов и план формирования с технических станций. При этом необходимо добиваться увеличения дальности следования поездов без их переработки. Это приводит к сокращению времени доставки груза, уменьшению эксплуатационных расхо- дов в процессе перевозок. Однако для организации таких поездов необходимо увеличение времени на их образование на технических станциях, что приводит к дополнительным затратам, связанным с увеличением простоя.
За последние шестьдесят лет вышло значительное число работ, посвященных исследованию проблемы рациональной организации вагонопотоков в поезда, и ее основополагающему разделу - оптимальному плану формирования одногруппных поездов.
Целью расчета плана формирования одногруппных поездов является наиболее целесообразное распределение между техническими станциями (сортировочными и участковыми) работы по организации вагонопотоков в поезда.
План формирования одногруппных поездов в «Инструктивных ука- заниях по организации вагонопотоков на железных дорогах СССР» [1] рекомендуется рассчитывать методами абсолютного расчета или аналитическими.
7
В работе [2] проанализированы следующие методы расчета плана формирования одногруппных поездов: абсолютного расчета, аналитических сопоставлений, улучшение плана. Метод абсолютного расчета [3] заключает-
^ ся в установлении всех возможных вариантов плана формирования поездов и
последовательном их переборе для определения лучшего варианта. Этот метод может применяться при расчетах плана формирования поездов для направлений с ограниченным числом технических станций, как правило, не более шести.
Аналитические методы расчета развивались в трудах И.И.Васильева (метод аналитических сопоставлений) [4]; B.C. Ларионова [5] и А.К. Угрюмова [6] - дополнения к методу аналитических сопоставлений; К.А.Бернгарда (метод совмещенных аналитических сопоставлений) [7]; В.М.Акулиничева (метод непосредственного расчета) [8]; С.Г.Стопичева (метод ХабИИЖТа, использующий положения предыдущих методов с объединением всех струй дважды - от самых коротких до самых длинных и наобо-
4- рот) [9]; В.Г.Саенко и Б. дел Рио (метод группы лучших вариантов МИИТа)
[10], Л.В. Одинцова (уточнение аналитических расчетов путем предварительного нахождения расчетного количества назначений) [11]; А.И.Попова (метод направленного перебора вариантов, упорядоченных по числу сквозных назначений) [12]; Г.А. Кутуковой (развитие метода совмещенных аналитических сопоставлений для реализации на ЭВМ).
Метод аналитических сопоставлений основан на выявлении наилучшего варианта плана формирования поездов сравнением приведенных ва-гоно-часов накопления и переработки одной, двух или нескольких струй ва-гонопотоков. Вариант плана формирования поездов определяют для каждой станции в отдельности. Конкурентоспособные назначения переносят на другие станции последовательно или параллельно с определением вариантов
^ плана для каждой из них. При большом объеме технических станций и ис-
пользовании аналитического метода значительно возрастает общее число
8
возможных вариантов плана, что делает расчет плана формирования одно-группных поездов трудоемкой комбинаторной задачей.
Все классические методы аналитических расчетов могут приме- няться только на ограниченных полигонах из нескольких станций, с рассмотрением вагонопотоков только одного направления движения. В результате невозможен полный учет загрузки станций вагонопотоками - перерабатываемыми и транзитными без переработки. При этом, естественно, не учитываются никакие ограничения по техническому развитию станций - числу сортировочных путей, перерабатывающей способности горок и вытяжек, пропускной способности парков приема, отправления и транзитных. Поэтому рассчитанные варианты требуют проверки по техническому развитию станций и их корректировки порядком, указанным в специальной главе Инструктивных указаний [1].
Профессор Л.П. Тулупов разработал метод расчета плана формирования с помощью вспомогательных таблиц, позволяющий вести расчеты с проверкой по пропускной и перерабатывающей способности станций [13].
Все рассмотренные методы, кроме метода абсолютного расчета, не содержат доказательства нахождения математического оптимума. В последующем в 1980-е годы специалистами ВНИИЖТа было установлено, что план формирования одногруппных поездов относится к классу задач, называемых в дискретной математике NP-полными или NP-трудными задачами. Для задач этого класса не найдены эффективные алгоритмы отыскания оптимального решения (кроме полного перебора всех вариантов) [14]. Поэтому и существующие, и вновь разрабатываемые методы расчета плана формирования одногруппных поездов являются приближенными.
Развитие вычислительной техники, развитие теории постановки и решения задач математического программирования (включая линейное, не- линейное, целочисленное, динамическое программирование) привели к появлению группы новых методов расчета. Сюда относятся предложения
9
В.Г.Шубко и А.Ю.Папахова (рассмотрение плана формирования как задачи целочисленного программирования с булевыми переменными) [15]; А.В.Кутыркина и В.И.Васильева (предложение по расчету плана формирования с помощью метода ветвей и границ) [16]; А.А.Аветикяна (специальный метод объединения струй, увеличивающий транзитность вагонопотоков, названный автором «метод динамического прогнозирования транзитности») [17].
К последним работам в данной области относятся исследования ПГУПС - предложения А.Т.Осьминина по оценке вариантов плана формирования поездов по нескольким натуральным критериям [18], В.И.Ковалева по расчету плана модифицированным методом совмещенных аналитических сопоставлений [19], В.А.Кудрявцева по расчету плана формирования методом последовательного укрупнения струй вагонопотоков [20].
Наиболее совершенный из существующих методов расчета плана формирования одногруппных поездов на ЭВМ, получивший реальное практическое применение в 1970-80-е годы - метод улучшения плана СВ. Дува-ляна [21]. Этот метод, хотя и предусматривал расчет вариантов объединения струй в поездные назначения на жестко заданных маршрутах следования потоков по сети (кружностях), по существу впервые дал практическое решение задачи для всей сети железных дорог СССР. Программа расчета находилась в промышленной эксплуатации [44,45]. Расчет велся на полигоне в 285 сортировочных, участковых и крупных грузовых станций. При этом учитывались ограничения:
на допустимое число формируемых назначений одногруппных поездов по каждой станции, а для двусторонних сортировочных станций - по каждой сортировочной системе;
на заданные пользователем запрещенные и обязательные назначения поездов (обязательными назначениями являются все участковые и дополнительные, выделяемые для отклонения вагонопотока по кружностям).
10
Однако в методике [21] не учитывались:
ограничения по перерабатывающей способности станций;
нелинейное изменение затрат по станциям с ростом объемов перерабатываемого вагонопотока;
двухкратная переработка вагонов углового потока на двусторонних сортировочных станциях;
необходимость выделения двух или трех путей для накопления составов поездов мощных назначений, особенно на станциях без парков отправления, имеющих сортировочно-отправочные пути.
Часть этих недостатков была устранена авторами в работе [22], но ее результаты в силу комплекса причин не были доведены до практического внедрения.
С учетом ограничений по мощности станций и участков велись расчеты по корректировке плана формирования поездов и порядка направления вагонопотоков в разработанной и внедренной ВНИИЖТом Автоматизированной системе определения направления вагонопотоков (АСОНВ). В данной системе решалась задача перераспределения вагонопотоков на заданной сети назначений поездов [46 - 49].
В последнее десятилетие в связи с изменением экономических условий функционирования железных дорог много внимания уделяется выбору критерия оценки оптимальности плана формирования грузовых поездов.
Основным критерием в расчетах по оценке оптимальности вариантов плана формирования одногруппных поездов приняты расходы, связанные с накоплением составов по назначениям и переработкой вагонов на станциях, выраженные в приведенных вагоно-часах [1].
В 1989 году в [23] профессор В.А. Персианов писал, что распространенный критерий оптимизации плана формирования поездов - минимум затрат на накопление вагонов и их переработку - отражает лишь небольшую часть фактических затрат, связанных с перевозочным процессом. Он указы-
11
вал, что критерий оптимизации плана должен быть тесно связан прежде всего с работой локомотивов, использованием путевого развития станций и участков. В [23] указано, что неоптимальность плана формирования вызывает большие потери, к которым также можно отнести нереализованные возможности повышения скорости продвижения вагонопотоков (включая затраты маневровых средств, порчу грузов и вагонов из-за многочисленных их переработок).
В исследовании [24] отмечено, что современные принципы транспортного обслуживания диктуют повышенные требования практически ко всем элементам технологии организации вагонопотоков в поезда - информационному обеспечению, нормативной базе и методикам расчетов, функциям управления и контроля, но прежде всего - к критериям оценки плана формирования поездов. Автор [24] указывает, что сегодня недостаточно оценивать этот план по затратам в приведенных вагоно-часах или в денежном выражении в соответствии с [1]. Можно, например, получить вариант плана формирования с меньшими затратами приведенных вагоно-часов, но с медленным продвижением вагонов отдельных струй. А это означает невыполнение установленных сроков доставки груза с выплатой грузополучателю до 90% провозных платежей; несвоевременный возврат вагонов собственникам с соответствующими финансовыми потерями; распыление ограниченных ресурсов служб военизированной охраны, сопровождающих грузы; наконец, отказ части грузовладельцев от услуг железнодорожного транспорта.
Согласно «Общим указаниям к плану формирования поездов», действующим с 1998 года, критерии оценки функционирования системы организации вагонопотоков должны быть ориентированы как на снижение расходов железных дорог, связанных с подводом порожних вагонов в пункты погрузки, переработкой и простоями на станциях, продвижением поездов по участкам, так и на повышение доходов, в том числе за счет снижения
12
штрафных выплат за несвоевременную доставку грузов, за неподачу порожних вагонов и несохранные перевозки.
В [24] рассматриваются четыре группы показателей.
1. Показатели использования вагонного парка на станциях погрузки и выгрузки; на технических станциях; на участках с дифференциацией по принадлежности вагонов и условиям транспортировки.
2. Показатели использования ресурсов путевого развития, технического оснащения и штата станций; участков; линейных подразделений вагонного хозяйства и военизированной охраны.
3. Показатели эксплуатационной надежности перевозочного процесса - беспрепятственный прием поездов станциями; своевременная доставка грузов и возврат порожних вагонов; своевременная подача вагонов на подъездные пути.
4. Показатели использования локомотивного парка и топливно-энергетических ресурсов - маневровые локомотивы; поездные локомотивы, в том числе в передаточном и вывозном движении; локомотивные бригады; топливо и электроэнергия.
В [24] предложен обобщенный стоимостной критерий оценки вариантов организации вагонопотоков
R = R: Qi + х R2 e2 + у R3 e3 + R4 e4+ RH3M -> min (1.1) при ограничениях
R2^R*2; (1.2)
R3^R*3, (1.3)
где Ri, R2, R3, R4 - значения переменных соответственно первой, второй,
третьей и четвертой групп;
х - признак (0 или 1) ведения расчетов в режиме учета возможности высвобождения мощностей станций;
13 у - признак (0 или 1) нарушения ограничений (1.3);
еь ег, ез, 04 - расходы, связанные с переменными соответственно первой, второй, третьей и четвертой групп, в том числе е3 - штрафы за нарушение ограничений (1.3); К 2, К з - предельные значения переменных соответственно второй и
третьей групп;
RH3M - стоимостная оценка набора возможных технологических изменений при колебаниях предъявляемых вагонопотоков. Целевая функция (1.1) представляет собой суммарные зависящие затраты, определяемые прямыми расчетами для периода действия оцениваемого варианта организации вагонопотоков:
для нормативного плана формирования - годовые затраты с учетом колебаний вагонопотоков в течение года;
для оперативных корректировок плана формирования - среднесуточные затраты.
Принципиальная постановка проблемы (1.1 - 1.3) требует больших исследований по развитию методик решения задач по всем подсистемам организации вагонопотоков - сетевой и внутридорожный план формирования поездов из груженых и порожних вагонов, отправительская маршрутизация, местная работа.
Заслуживают внимания предложения по многокритериальной постановке задачи расчета плана формирования, реализованные в автоматизированной системе АС РПФП [25-31], предложения ученых МИИТа по экономической оценке вариантов плана формирования в условиях рынка [32 -33], разработки ВНИИЖТа по комплексному расчету плана формирования и отправительской маршрутизации [34] и комплексной оценке показателей организации вагонопотоков [35 - 37], рекомендации практических работников по совершенствованию плана формирования [38-43], а также разработки ВНИИЖТ и ВНИИАС [50 - 66], транспортных вузов [67 - 78] , ГВЦ МПС
14
[79] по развитию как отдельных методик, так и системы организации вагоно-потоков в целом.
Анализ зарубежных источников информации по рассматриваемой у проблеме приводит к следующим результатам.
Задача расчета плана формирования грузовых поездов решается с помощью эвристических алгоритмов, учитывающих особенности работы национальных железных дорог - США [80], бывшей ГДР [81], Болгарии [82 -84] и др. Решаются задачи повышения эффективности организации вагоно-потоков за счет дальнейшей концентрации сортировочной работы на железных дорогах Польши [85], Украины [86], Германии [87 - 88], Кореи [89], Италии [90], Швейцарии [91].
Отдельный интерес представляют решения по межгосударственному плану формирования поездов в Европе в рамках проекта PRODIT, предусматривающего ввод в обращение сквозных поездов между основными гру-зообразующими и грузопогашающими центрами [93].
>- Однако в целом результаты зарубежных разработок не могут быть
непосредственно использованы на отечественной железнодорожной сети ввиду специфики технологий организации перевозок и несопоставимости масштабов зарубежных железнодорожных сетей с масштабами сети РЖД.
1.2. Расчетные вагонопотоки и технико-экономические нормативы сетевого плана формирования одногруппных поездов
Важнейшим вопросом разработки плана формирования поездов является порядок получения расчетных вагонопотоков. Ранее для этого использовались междорожная шахматка плана перевозок грузов, распределяемая по корреспонденциям между станциями по специальным коэффициентам, назы-^ ваемым «эталонами». «Эталоны» составлялись на основе обработки даных о
15
фактической погрузке по форме ФО-4 «Отчет о грузах, принятых к отправлению и погруженных в вагоны» [94].
Развитие вычислительной техники позволило автоматизировать г процесс составления расчетных вагонопотоков, перейти от разработки ваго-
нопотоков по данным отчетов ФО-4 к интегрированной обработке дорожных ведомостей (ИОДВ) по отправлению и по прибытии. При этом [1] ежегодно перед расчетом сетевого плана формирования одногруппных поездов составлялись три плановые шахматки вагонопотоков между сортировочными станциями сети, включающие:
1) основные вагонопотоки, по которым ведется расчет сетевого плана формирования поездов;
2) маршрутизируемые (отправительские) вагонопотоки, которые исключаются из расчета плана формирования поездов по сортировочным станциям;
3) суммарные вагонопотоки, которые определяют размеры передачи V вагонов по стыковым пунктам.
При этом данные ИОДВ не позволяли полностью учесть вагонопотоки в отправительских и ступенчатых маршрутах, а также те порожние вагоны в регулировку, которые следуют вместе с гружеными вагонами в поездах по плану формирования. Как отмечалось в [39], результаты расчетов оптимального плана формирования поездов не всегда могли быть использованы из-за неточности плановых вагонопотоков и недостаточного технического развития станций.
Для уточнения данных в части «съема» отправительской маршрутизации в ГВЦ предпринимались попытки задания «ценза», то есть минимальной мощности потока и объема погрузки однородного груза на станции для того, чтобы считать рассматриваемый поток маршрутизированным и исклю-~т чить его из расчета плана формирования поездов на технических станциях
[79].
16
В настоящее время в отрасли внедрены программные средства компании SAS для построения информационных хранилищ [95]. Работы по созданию таких хранилищ ведутся в ГВЦ [96] и ВНИИАСе. Хранилища данных ^ отправочных, поездных и вагонных моделей уже позволяют решать ряд
практических задач. Одной из таких задач должна стать разработка вагоно-потоков для расчета плана формирования поездов.
Развитию расчетных нормативов плана формирования поездов посвящены многочисленные исследования. Их детальный анализ дан в диссертации [97].
Решающее влияние на план формирования поездов оказывает величина норматива экономии от следования вагона без переработки через попутную техническую станцию Тэк. Расчетный норматив экономии приведенных вагоно-часов от пропуска вагонопотока через попутную техническую станцию без переработки [1]
У Тэк = 1эк + гв + гл, (1.4)
где t3K - норма экономии вагоно-часов от пропуска вагонопотока без переработки на станции, ч; гв - эквивалент переработки вагонов (приведенная к стоимости 1 ваго-
но-ч экономия от сокращения переработки одного вагона), ч; гл - эквивалент экономии локомотиво - и бригадо-часов (приведенная к стоимости 1 вагоно-ч экономия от сокращения простоя локомотива и времени работы бригады на станции перецепки локомотивов от одних поездов к другим), ч.
В условиях высокой загрузки станций нормативы Инструктивных
указаний [1] были направлены на повышение транзитное™ вагонопотоков. В
-г- [1] приведены таблицы постоянных t3K и переменных t3K в зависимости от
величины перерабатываемого вагонопотока. Для определения переменных t3K
17
служат зависимости, составленные на основе обработки результатов моделирования станционных процессов [98, 99].
Для оценки изменения суммарного простоя всех перерабатываемых на попутной станции вагонов после вьвделения самостоятельного назначения на предыдущей станции д.т.н. Е.В. Архангельский предложил использовать в расчетах плана формирования переменный норматив экономии
(1.5)
где Ni, N2 - перерабатываемый станцией вагонопоток до и после выделения струи N= Ni - N2 в самостоятельное назначение, вагонов/сут;
t эк1 > t Эк2 - значение экономии, ч, при переработке Ni и N2 соответственно.
При этом экономия времени 1°эк определяется в зависимости от горочного интервала и числа маневровых локомотивов на вытяжках формирования (для безгорочных станций - в зависимости от времени на расформирование-формирование поездов и общего числа локомотивов, занятых этой работой). Но в современных условиях эксплуатации число маневровых локомотивов и организация их работы могут не только изменяться в течение периода действия плана формирования поездов, но и быть разными в дневную и ночную смены, в рабочие и выходные дни.
Приведенные в таблицах [1] значения t°3K даны для разных режимов работы станции при определенном объеме переработки и не указано, при какой именно мощности обслуживающих устройств должен определяться норматив.
Если исходить из неизменной мощности обслуживающих устройств, то с увеличением объема переработки простой вагона всегда увели- |
