4 Введение
Актуальность темы. По уровню развития автомобильного транспорта и сети автодорог Россия в значительной степени отстает от развитых стран. Доля грузооборота, выполняемого автомобильным транспортом непропорционально низка и почти в 20 раз меньше, чем во Франции, в 3-5 раз меньше, чем в США, Германии, Канаде и др. странах. Средняя дальность поездки на автомобиле составляет всего 42 км, что в 2-3 раза меньше, чем в США, Канаде и других близких по размерам территории странах.
Протяженность автомобильных дорог в России составляет 927,0 тыс. км, из них 750 тыс. км имеют твердое покрытие. Кроме этого существуют еще грунтовые автомобильные дороги, проезд по которым в период весенне-осенней распутицы может полностью или частично прекращаться. Официальная статистика эти дороги не учитывает.
Около трети магистральных дорог перегружены движением. Средняя скорость автомобилей вдвое ниже, чем на аналогичных зарубежных дорогах, что приводит к значительным экономическим потерям. Из-за бездорожья в сельской местности под колесами автомобилей гибнет до 15% сенокосов и до 5% зерновых.
В целом по России в 2000 г. за счет средств дорожных фондов введено в эксплуатацию 69609 км автомобильных дорог общего пользования, в том числе: федеральных дорог - 10436 км (113,1% к уровню 1999 года); территориальных - 5917,3 (129,3% к уровню 1999 года). Острый недостаток средств, поступающих в территориальный дорожный фонд, вызванный, в первую очередь, уменьшением налога на пользователей автодорог в 3,5 раза, привел к необходимости обратить особое внимание на эффективность их расходования, ранжировать направления расходования по их важности и неотложности. Наиболее приоритетными в настоящее время является финансирование работ по нормативному содержанию автомобильных дорог и их ремонту. Основным видом ремонта является восстановление верхних слоев дорожных покрытий с учетом требований ровности и шероховатости. Из-за недостатка денежных средств в
5
бюджете дорожного фонда основная масса денег идет на содержание автомобильных дорог в допустимом состоянии. В связи с таким положением дел, складывается сложная ситуация с ремонтными работами. В сложившейся ситуации в 2001 году оказалось возможным обеспечить ремонт дорог только в объеме 23% от норматива, в том числе проведение аварийных работ. Функциональное предназначение дороги состоит в обеспечении непрерывного, удобного и безопасного движения автомобилей с высокими скоростями, допустимыми осевыми нагрузками, общей массой и габаритами в любое время года и в любых условиях погоды. Выполнение этих требований на сети эксплуатационных дорог является основной задачей дорожно-эксплуатационной службы.
Конечной целью дорожных организаций по ремонту и содержанию автомобильных дорог является поддержание и своевременное повышение потребительских свойств дорог в соответствии с требованиями возрастающей интенсивности движения и нагрузки на дороги в условиях существенных ограничений по финансовым и материально-техническим ресурсам.
Следовательно, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разработки моделей и механизмов оптимизации планов ремонта автомобильных дорог, позволяющих наиболее эффективно использовать ограниченные ресурсы в условиях дефицитного финансирования.
Основные исследования, получившие отражение в диссертации, выполнялись по планам научно-исследовательских работ Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН в рамках следующих тем:
- «Разработка и исследование механизмов управления организационными системами, функционирующими в условиях неопределенности» (357-96/57);
- «Разработка и исследование механизмов управления иерархическими активными системами» (357-00/57).
Цель и постановка задач исследования. Целью диссертации является разработка моделей и механизмов оптимизации планов ремонта автомобильных дорог.
6
Достижение цели работы потребовало решения следующих основных задач:
1. Анализ автомобильных дорог как объекта управления.
2. Анализ существующих моделей построения комплексной оценки состояния автомобильной дороги.
3. Построение модели получения комплексной оценки состояния автомобильной дороги на основе применения количественных и качественных показателей, имеющих различную размерность, при нечеткой информации.
4. Разработка модели определения множества участков дороги, включаемых в план ремонтных работ, при условии минимизации суммарного ущерба при ограничениях на величину выделенных средств.
5. Разработка модели определения размера финансирования, направляемого на ремонт участков автодороги, минимизирующих суммарную степень опасности участков дороги.
6. Разработка модели минимизирующей линейную свертку степени опасности и ущерба.
7. Построение модели выбора варианта производства работ на участках дороги, включаемых в план ремонтных работ.
8. Определение погрешности и условий оптимальности метода «затраты-эффект».
Методы исследования. В работы использованы методы моделирования организационных систем управления, системного анализа, математического программирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. модель комплексной оценки состояния автомобильной дороги на основе применения количественных и качественных показателей, имеющих различную размерность, при нечеткой информации, позволяющая получать значение комплексной оценки даже тогда, когда для параметров, задаваемых количественно нельзя указать значения, отделяющие «хороший» вариант от «плохого»;
7
2. модель определения множества участков дороги, включаемых в план ремонтных работ, при условии минимизации суммарного ущерба при ограничениях на величину выделенных средств, позволяющих осуществлять формирование плана ремонтных работ в условиях дефицитного финансирования;
3. модель определения размера финансирования, направляемого на ремонт участков автодороги, минимизирующих суммарную степень опасности участков дороги, позволяющая осуществить распределение дополнительных средств на снижение степени опасности участков;
4. модель минимизирующая линейную свертку степени опасности и ущерба, позволяющая учесть предпочтения лица принимающего управлениче-ские решения;
5. модель выбора варианта производства работ на участках дороги, включаемых в план ремонтных работ, дающая возможность определения варианта, с минимальными затратами при заданных значениях эксплуатационных характеристик ремонтируемого участка;
6. погрешность и условия оптимальности метода «затраты-эффект», дающие возможность построения оценок эффективности используемого метода распределения ограниченных ресурсов.
Достоверность научных результатов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, обоснованы математическими доказательствами. Они подтверждены расчетами на примерах, производственными экспериментами и многократной проверкой при внедрении в практику управления.
Практическая значимость и результаты внедрения. На основании выполненных автором исследований разработаны модели и алгоритмы, позволяющие получать оптимальное распределение объемов ремонтных работ, с определением планового отрезка времени в котором наиболее выгодно их выполнение, с минимизацией суммарной степени опасности участков дороги, при ограничениях на величину выделенных средств.
8
Разработанные модели используются в практике реализации проектов Управления автомагистрали Москва - С.Петербург и Смоленского Союздор-НИИ.
Модели и алгоритмы, разработанные в диссертационной работе, включены в состав учебного курса «Организация и управление дорожным строительством, читаемого в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.
На защиту выносятся:
1. модель комплексной оценки состояния автомобильной дороги на основе применения количественных и качественных показателей, имеющих различную размерность, при нечеткой информации;
2. модель определения множества участков дороги, включаемых в план ремонтных работ;
3. модель определения размера финансирования, направляемого на ремонт участков автодороги;
4. модель, минимизирующая линейную свертку степени опасности и ущерба;
5. модель выбора варианта производства работ на участках дороги, включаемых в план ремонтных работ;
6. погрешность и условия оптимальности метода «затраты-эффект». Апробация работы.
Материалы диссертации, ее основные положения и результаты доложены и обсуждены на международных и республиканских конференциях, симпозиумах и научных совещаниях в 2001-2005 гг., в том числе: Международной научно-технической конференции «Современные сложные системы управления» (Воронеж, 2003 г., 2005 г.; Тверь, 2004 г.), 57 и 58 научно-технические конференции по проблемам архитектуры и строительных наук (Воронеж, ВГАСУ 2003-2004гг).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в
9
следующем: в работах [42], [77] автору принадлежит модель определения множества участков дороги, включаемых в план ремонтных работ; в работах [19], [76], [78] автору принадлежит модель, минимизирующая линейную свертку степени опас-ности и ущерба; в работах [18], [21], автору принадлежит модель выбора варианта производства работ на участках дороги, включаемых в план ремонтных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 133 страницы основного текста, включая 54 рисунка и 24 таблицы. Библиография включает 131 наименование. Приложения содержат акты о внедрении.
Во введении обосновывается актуальность, описывается цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе рассматриваются автомобильные дороги как объект управления. Отмечается, что эффект от выполнения дорожно-ремонтных работ выражается в повышении транспортно-эксплуатационных качеств дороги, удобства, скорости и безопасности движения автомобилей и, как следствие, в снижении себестоимости перевозки.
Однако определение тех или иных приоритетов в расходовании средств должно осуществляться в соответствии с набором критериев.
Основным критерием является обеспечение безопасности движения. С данной точки зрения, вложение средств, в содержание автодорог является оптимальным. С другой стороны, обеспечение безопасности движения не исчерпывается набором мероприятий, входящих в статью «Содержание дорог». Поэтому остающиеся на ремонт и строительство средства должны распределяться с точки зрения обеспечения максимальной безопасности.
Основным критерием следует считать безопасность движения. Каждое ДТП совершается, как правило, в результате неблагоприятного сочетания нескольких факторов, тесно связанных друг с другом, что затрудняем выявление истинных причин при их анализе.
10
В целях повышения объективности принимаемых управленческих решений приходится обращаться к средствам имитационного и математического моделирования, что, как правило, приводит к необходимости решения многоэкстремальных задач оптимизации, а учитывая, что процесс управления зачастую носит все — таки дискретный характер, то рассматриваемые задачи относятся к классу задач дискретной оптимизации для дискретных зависимостей.
Существует несколько схем решения задач дискретной оптимизации. В работе дается их краткое описание.
Во второй главе рассмотрена задача построения комплексной оценки состояния автомобильных дорог. Автомобильная дорога, как сложный инженерный объект, характеризуется набором параметров, определяющих потребительские свойства дороги. В процессе формирования плана ремонтных работ возникает задача выбора участков дороги наиболее нуждающихся в ремонте, то есть необходимо определить те участки, потребительские свойства которых наиболее низки. Таким образом, приходим к задаче многокритериального выбора. Существует несколько подходов к их решению. Большинство из них, так или иначе, связаны с формированием комплексной оценки, которая в агрегированном виде отражает все потребительские свойства объекта.
В последнее время большую популярность получил метод формирования комплексной оценки на основе построения иерархической структуры (дерева) критериев. Идея в том, что все критерии организуются в определенную иерархическую структуру. На каждом уровне этой структуры происходит построение агрегированной оценки критериев предыдущего уровня.
В третьей главе рассматриваются возможные методы решения поставленных задач оптимального планирования ремонтных работ. В том случае, когда степень опасности (ожидаемого ущерба) достигает определенной величины, участок дороги подлежит ремонту. Ремонт производится с целью снижения этого показателя до величины не менее некоторой нормативной, при которой возможна нормальная эксплуатация данного участка дороги. Если ремонт не производится в текущем плановом периоде, то либо ограничиваются возмож-
11
ности эксплуатации данного участка, либо он вообще закрывается для проезда (определяются объездные пути). Затратив дополнительные средства, можно обеспечить величину степени опасности меньше требуемого нормативного уровня, что приводит как к уменьшению степени опасности, так и к увеличению срока эксплуатации данного участка дороги.
Рассмотрен ряд задач формирования плана ремонтных работ.
В четвертой главе рассматривается формирование производственной программы по ремонту автомобильных дорог. Если участок дороги включен в план ремонтных работ, то номенклатура работ, выполняемых на таком участке, может быть достаточно разнообразна, что порождает различные варианты выполнения ремонтных работ. Каждый такой вариант отличается от другого величиной затрат и конечными значениями эксплуатационных характеристик, приобретаемых участком дороги после ремонта. Возникает проблема выбора варианта производства работ на данном участке.
Показано, что применение метода дихотомического программирования позволяет получить эффективный алгоритм решения поставленных задач.
12 1. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЕИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
1.1 Характеристика автомобильных дорог как объекта управления
По уровню развития автомобильного транспорта и сети автодорог Россия в значительной степени отстает от развитых стран. Доля грузооборота, выполняемого автомобильным транспортом непропорционально низка и почти в 20 раз меньше, чем во Франции, в 3-5 раз меньше, чем в США, Германии, Канаде и др. странах. Средняя дальность поездки на автомобиле составляет всего 42 км, что в 2-3 раза меньше, чем в США, Канаде и других близких по размерам территории странах.
Протяженность автомобильных дорог в России составляет 927,0 тыс. км, из них 750 тыс. км имеют твердое покрытие. Кроме этого существуют еще грунтовые автомобильные дороги, проезд по которым в период весенне-осенней распутицы может полностью или частично прекращаться. Официальная статистика эти дороги не учитывает.
Около трети магистральных дорог перегружены движением. Средняя скорость автомобилей вдвое ниже, чем на аналогичных зарубежных дорогах, что приводит к значительным экономическим потерям. Из-за бездорожья в сельской местности под колесами автомобилей гибнет до 15% сенокосов и до 5% зерновых.
В целом по России в 2000 г. за счет средств дорожных фондов введено в эксплуатацию 69609 км автомобильных дорог общего пользования, в том числе: федеральных дорог - 10436 км (113,1% к уровню 1999 года); территориальных- 5917,3 (129,3% к уровню 1999 года),
Опорную территориальную сеть составляют дороги третьей и четвертой категории.
13
Наличие на сети автомобильных дорог общего пользования грунтовых участков (2,3% от общей протяженности), несоответствие между интенсивностью движения и техническими параметрами значительной части дорог с твердым покрытием (не соответствуют требованиям действующих нормативов -65% дорог), их низкие транспортно-эксплуатационные качества неудовлетворительное состояние многих мостов и путепроводов (38%), недостаточный уровень обустройства и отсутствие необходимого количества объектов дорожного сервиса свидетельствуют о том, что эта сеть не соответствует предъявляемым к ней требованиям. Все это обусловлено, в первую очередь, недостаточным финансированием, которое по автомобильной дороге «Москва - Минск» (Ml «Беларусь») в пересчете на 1 км сократилось за последние 5 лет в 4,6 раз.
В настоящее время, когда налицо дефицит средств, поступающих из территориального дорожного фонда (ТДФ) в распоряжение Управления дорог, функции заказчика не могут быть реализованы в полном объеме. С другой стороны, этот дефицит приводит к необходимости расширения функций заказчика с целью поиска дополнительных источников наполнения территориального дорожного фонда.
Острый недостаток средств, поступающих в территориальный дорожный фонд, вызванный, в первую очередь, уменьшением налога на пользователей автодорог в 3,5 раза, привел к необходимости обратить особое внимание на эффективность их расходования, ранжировать направления расходования по их важности и неотложности. Наиболее приоритетным в настоящее время является финансирование работ по нормативному содержанию автомобильных дорог. Такая политика уже приносит свои положительные результаты, о чем свидетельствуют и данные диагностики эксплуатационного состояния, которые указывают на некоторое улучшение ряда технико-эксплуатационных показателей на федеральных дорогах.
Минимально необходимое финансирование позволяет удерживать существующую сеть дорог в работоспособном состоянии, но не позволяет до-
14
вести содержание дорог до требований стандартов, обеспечить ровность покрытий, обустройство дорог, качественную работу и нормативное состояние искусственных сооружений.
Ремонт дорог является следующим за содержанием приоритетным направлением дорожных работ. Основным видом ремонта является восстановление верхних слоев дорожных покрытий с учетом требований ровности и шероховатости. Из-за недостатка денежных средств в бюджете ТДФ основная масса денег идет на содержание автомобильных дорог в допустимом состоянии. В связи с таким положением дел, в области складывается сложная ситуация с ремонтными работами. Более того, недоремонт дорог в 2000 году оставил 2436 км. По бюджету ТДФ в 2001 году возможно обеспечить ремонт дорог в объеме 23% норматива, в том числе проведение аварийных работ.
Эффект от выполнения дорожно-ремонтных работ выражается в повышении транспортно-эксплуатационных качеств дороги, удобства, скорости и безопасности движения автомобилей и, как следствие, в снижении себестоимости перевозки.
Реконструкция автомобильных дорог связана с повышением технических параметров дорог и дорожных сооружений. Она проводится в целях увеличения пропускной способности и повышения безопасности движения на сети дорог общего пользования и ликвидации узких мест (горловин), и планируется, исходя из условий аварийности и интенсивности движения автотранспорта.
Динамика объемов содержания и ремонта дороги за 2002 -2004 гг. представлена в табл. 1.1.1.
Из приведенных цифр видно, что даже по сравнению с 2002 годом объем инвестиций, выделяемых на ремонт, резко сократился, так как инвестиции ТДФ, согласно утвержденному бюджету, уменьшились по сравнению с 2000 годом более чем на 50%.
15
Таблица 1.1.1
Наименование показателя Капитальный ремонт дорог
2002 2003 2004
Протяженность капитально отремонти- ро-ванных участков - км 23,24 17 20,643
Финансирование работ в ценах соответствующих лет - млн. руб. 1051,91 955,851 1420,458
Капитальный ремонт искусственных сооружений
Протяженность капитально отремонтированных мостов - п.м. 551,12 306,53 579,6
Финансирование работ в ценах соответствующих лет — млн. руб. 571,621 268,08 218,85
Ремонт дорог
Финансирование работ в ценах соответствующих лет - млн. руб. 344,642 395,095 0
Протяженность отремонтированных участков - км 93,4 72,26 0
Содержание искусственных сооружений
Финансирование работ в ценах соответствующих лет - млн. руб. 1,727 2,5 15,904
Протяженность обслуживаемых искусственных сооружений -п.м. 3291.5 3547,93 4068,45
В т.ч. планово-предупредительный ремонт -п.м. 0 0 690,06
Содержание дорог
Финансирование работ в ценах соответствующих лет - млн. руб. 159,863 169,31 184,197
Протяженность обслуживаемых дорог - км 509 509 509
На рис. 1.1.1 - 1.1.3 представлены диаграммы соотношения затрат на капитальный ремонт, текущий ремонт и содержание дорог и искусственных сооружений, из которых видно, что затраты на капитальный ремонт составляют примерно от 69 % до 89 % от всех капитальных вложений.
16
2002 год
16% 8%
ч
76%
? Капремонт ¦ Ремонт п Содержание
Рис. 1.1.1
22%
2003 год
9%
69%
Капремонт ¦ Ремонт D Содержание
Рис. 1.1.2
2004 год
10%
89%
Капремонт ¦ Ремонт а Содержание
Рис. 1.1.3
17
Таким образом, можно прийти к заключению, что финансирование работ по ремонту и содержанию дорог и искусственных сооружений происходит по остаточному принципу.
Следовательно, в настоящее время функции Управления в части определения приоритетных направлений расходования средств ТДФ сужены до их распределения по остаточному принципу из-за дефицита денежных ресурсов.
Однако определение тех или иных приоритетов в расходовании средств должно осуществляться в соответствии с набором критериев.
Основным критерием является обеспечение безопасности движения. С данной точки зрения вложение средств в содержание автодорог является оптимальным. С другой стороны, обеспечение безопасности движения не исчерпывается набором мероприятий, входящих в статью «Содержание дорог». Поэтому остающиеся на ремонт и строительство средства должны распределяться заказчиком - Управлением дороги также с точки зрения обеспечения максимальной безопасности.
Поскольку основным критерием следует считать безопасность движения, то сотрудники Управления дороги должны вести систематический учет и анализ дорожно-транспортных происшествий (ДТП).
Каждое ДТП совершается, как правило, в результате неблагоприятного сочетания нескольких факторов, тесно связанных друг с другом, что затрудняем выявление истинных причин при их анализе. Необходимо, чтобы представители Управления дороги совместно с ГИБДД принимали активное участие в осмотре мест происшествия и анализе их причин.
Из-за неудовлетворительных дорожных условий совершается от 10 до 25% ДТП. По данным ГИБДД 70% дорог не удовлетворяет реальной интенсивности движения, которая ежегодно возрастает на 3-4%.
Следующим по значимости критерием для определения направления расходования средств ТДФ должен быть экономический критерий. |
